九州大学 理学研究院 理学府 理学部

コロイド粒子はナノテクノロジーの最先端から自然現象に至るまで随所に現れます。近年では「異方的」コロイド粒子系が盛んに研究されており、「等方的」な系には見られないような新規で多彩な凝縮構造が発見されつつありますが、「異方性」から秩序が生まれるメカニズムは未だ解明されていません。複雑物性基礎研究室の岩下助教らはパッチ粒子と呼ばれるシンプルな異方的コロイド粒子に着目し、パッチ粒子の凝縮構造や自己組織化を実験的に調べることで、「異方性」と「凝縮構造」との対応関係を調べています。今回の研究では密充填から分散状態までの 1 パッチ粒子系を観測し、数値シミュレーションで解析することで、方向秩序を生み出すメカニズムが密度によって変化することを明らかにしました。

持続可能な社会を実現するためには、再生可能エネルギーから得られる電気エネルギーを貯めておき、必要に応じて分配することが重要です。近年、電気エネルギーを化学物質の合成に使うことで、化学物質にエネルギーを貯蔵する試みがなされています。カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所の貞清助教らの研究グループは、貯蔵性や輸送性に優れた化学物質としてグリコール酸へ着目し、電力のみを用いてシュウ酸からグリコール酸を連続的に生成する装置の開発に成功しました。

ヒト免疫不全ウイルス（HIV）の遺伝子は驚異的な多様性を示します。この多様性をもたらす原因の1つとして、多重感染が注目されています。多重感染のメカニズムはウイルス感染実験により調べられており、その様相が明らかになりつつありますが、定量的な理解はいまだ確立されていません。数理生物学研究室の伊藤さんらの研究グループは、細胞の感受性が細胞ごとに不均一であることへ着目し、感受性の連続的な分布を取り入れた数理モデルを構築しました。ウイルス感染実験から得られたデータを数理モデルで解析することで、HIV 多重感染数が負の二項分布に従うことを示し、感染細胞集団中での多重感染細胞の割合は最大40%であることを明らかにしました。

自発的に動く粒子（アクティブマター）が集団運動を出現させる仕組みとその共通性を理解する研究が近年注目を集めています。アクティブマターの代表であるバクテリア集団を円形容器に閉じ込めると渦運動が出現しますが、この根底にあるメカニズムは明らかになっていません。複雑流体研究室の別府さんらは、自由にデザインされた境界を用いた実験を行い数理モデルと結びつけることで渦の集団的パターンを操る仕組みを明らかにし、たったひとつの数式で示すことに成功しました。

地球上の全生命に共通する原材料のアミノ酸は、地球に落下した隕石からも検出されます。この地球外アミノ酸は隕石母天体上で非生物的に、具体的にはストレッカー反応などで合成されたと考えられてきました。有機宇宙地球化学研究分野の古賀さんと奈良岡教授は、隕石母天体の環境を再現したアンプル内で加熱処理のみによって非生物的アミノ酸合成が進むことを確認しましたが、このときストレッカー反応ではつくられない種類のアミノ酸もできており、アンモニアを伴うホルモース型反応が起きたことがわかりました。続いて、これらのアミノ酸が実際の隕石に含まれているどうかを確認するためマーチソン隕石試料を分析し、新たに7種類のヒドロキシアミノ酸と1種類のβアミノジカルボン酸が地球外でも合成されることを確認しました。

光学顕微鏡には細胞を生きたまま観察できるという利点がある一方で、その原理上、拡大できるサイズに限界があることがわかっています。この限界よりもさらに小さなウイルスやタンパク質などの物質の動きを捉えるために、超分解能顕微鏡の開発が世界中で進められています。ナノ物性化学研究室の増田さんの研究グループは、金属微粒子シートの表面にきわめて近い部分で起こる局在表面プラズモン共鳴（LSPR）現象を利用することで、現在最も「薄い」領域の観察に用いられている全反射照明蛍光（TIRF）顕微鏡を超える、約10nmという「ナノ」領域のイメージングに世界で初めて成功しました。

サル/ヒト免疫不全ウイルス（SHIV）は後天性免疫不全症候群（AIDS）の病態解明を探索する重要なツールとして利用されています。SHIVには異なる病原性を示す複数の株が存在しますが、それらの定量的な感染動態についてはほとんど研究が進んでいませんでした。数理生物学研究室の岩波翔也さんらの研究グループは、数理モデルを用いて培養細胞から得られたウイルス感染実験データを解析し、感染性のあるウイルスの産生効率の違いが、高病原性と弱病原性を決定付ける要因のひとつであることを明らかにしました。

マグマが冷えて固まり火山岩になるまでに何が起こったかは、火山岩に含まれる結晶の大きさや数、形態によって推測することができます。黒曜石を生み出す溶岩噴火については、これまで火山岩のどこを見ればそのような過去の出来事がわかるのか調べられてきませんでした。地球惑星科学専攻の佐野さんと寅丸教授は、北海道遠軽町白滝地域の十勝石沢溶岩を解析し、火山岩に含まれる微小な斜長石結晶の表面に発達する突起状の組織（プロジェクション）の長さや幅が、溶岩の内側と外側の冷却過程の違いを反映していることを明らかにしました。

宇宙を知るためには、様々な星の誕生のメカニズムを解明することが重要です。しかし太陽の10倍程度以上の質量をもつ大質量星の誕生については、不明な点が多く残っていました。惑星系形成進化学研究分野の松下さんらの共同研究チームは、アルマ望遠鏡を用いて“オリオンKL電波源I《アイ》”を観測し、大質量原始星から噴き出しているアウトフロー（ガスの流れ）の回転をとらえ、それが周辺に存在する円盤の回転と一致することを確認しました。このことは、円盤の遠心力と磁場の力によって、アウトフローが物質を宇宙空間に噴き出しているという理論予想を支持する観測結果であり、大質量星の形成メカニズムを解明する上で重要な成果です。

あらかじめ花粉を摂取することで花粉症発症を予防しようという「アレルゲン免疫療法」が実用化されつつあります。しかし患者さんによっては、長期間治療を続けても効果が出なかったり、治療そのものによってアレルギーを発症してしまったりします。この療法がどのような体質・状態の患者さんに有効なのかを明らかにするため、数理生物学研究室の原さんらは、体内に入ったアレルギー原因物質と免疫機構が引き起こす生命現象を数式によって表現した数理モデルをつくりました。モデルを用いたシミュレーションによって、治療成功に必要な条件（Treg細胞が蓄積しやすい体質であること等）や、治療そのものによるアレルギー発症を防ぐ方法（花粉投与量を徐々に増やしていくこと）を明らかにしました。