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宇宙飛行士の骨の減少をメラトニンで抑制

金沢大学、東京医科歯科大学、岡山大学、富山大学の共同研究グループは、長期間宇宙空間に滞在した宇宙飛行士の骨の減少をメラトニンで抑えることができることを明らかにしました。メラトニン は体内時計、サーカディアンリズムを調節する物質です。

骨は常に新陳代謝しており、古くなった骨の細胞は破骨細胞によって溶かされて吸収され、吸収された部分を補修するように骨芽細胞が新しい骨を形成し、この骨吸収と骨形成が全身の骨で常に繰り返されています。破骨細胞と骨芽細胞の働きにバランスがとれている場合は骨は健康な状態にありますが、加齢や病気などで骨芽細胞よりも破骨細胞が優勢になると骨の量が減って骨がもろくなります。骨粗しょう症も同様の状態です。

宇宙空間は重力が小さく、骨で体を強く支える必要がなくなることから、地球上で暮らすようにデザインされた骨の量では過剰な骨量となり、宇宙飛行士の身体では破骨細胞の活性化による骨量の低下が発生します。これは、今後人類が一般人まで宇宙に出ていく時代を考えると解決策を用意しておく必要があります。

これまでの研究で、骨のモデルとしてキンギョのウロコを用いた実験でメラトニンが破骨細胞の活性化による骨量の減少を抑える作用がある可能性が示唆されていました。キンギョのウロコには骨同様に破骨細胞と骨芽細胞が存在して新陳代謝をいます。そこで、国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」において、同様にキンギョのウロコを用いた宇宙実験を行いました。

メラトニンを添加した培地と無添加の培地でウロコを無重力状態で培養して比較したところ、メラトニン無添加の培地では、わずか3 日間の培養でいくつもの破骨細胞が融合して多核化の活性型の破骨細胞になり、その破骨細胞がウロコの骨吸収を促進していることが分かりました。他方、メラトニンを添加した培地で培養すると、それが抑制されることが明らかになりました。

宇宙飛行士の骨の減少をメラトニンで抑制

これらの知見から将来、メラトニンが宇宙飛行士の骨量低下の予防・治療薬に活用されることが期待されます。宇宙飛行士が国際宇宙ステーションで長期滞在する時代を迎え、この問題を解決するために、骨芽細胞と破骨細胞が微小重力下でどのような挙動を示すのかを明らかにするとともに、その治療薬に関する研究が求められています。人間ではメラトニンそのものを処方しても効果がほとんどないことがわかっており、米国ではメラトニンは医薬品ではなくサプリメント扱いになっています。そのため、人間が服用しても効果が出るようなメラトニンの誘導体を今回のような実験で開発していく必要があります。


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2019-08-13 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

植物の記憶力

植物の表面には気孔という穴があります。気孔は太陽光に応答して開閉し、光合成に必要な二酸化炭素の取り込みや、水と酸素の放出(蒸散)などを行います。一つの気孔は一対の孔辺細胞と名付けられた細胞により構成されています。名古屋大学と横浜市立大学の共同研究チームは、気孔が日照時間の長さを記憶し、それに応じて気孔の開き具合を調節していることを発見しました。

植物の記憶力

今回研究チームは、植物のモデルとしてシロイヌナズナを使用して実験を行いました。8時間しか日を当てない日照時間の短い環境を再現して育てたシロイヌナズナと、16時間、日を当てた環境で育てたシロイヌナズナを比較したところ、日照時間が16時間の場合は、気孔がより大きく開くことがわかりました。自然界のシロイヌナズナは日照時間が8時間しかない場合は花を咲かせることなく成長のみ行い、16時間の日照時間があると花を咲かせ子孫を作る準備を始めます。これは花成ホルモンFTというホルモンによって制御されており、このホルモンが異常となったシロイヌナズナは日照時間が長くなっても開花の準備をしなくなります。

さらに興味深いことに、日の長い環境から日の短い環境に植物を移動しても、少なくとも1週間は気孔が大きく開く効果が持続する、つまり植物は自分が過去に置かれていた環境を記憶していることを発見しました。これは、遺伝子の発現制御に重要な働きをもつタンパク質であるヒストンの修飾状態が日の長さと関連しているためでした。 16時間日を当てて育てていたシロイヌナズナを8時間条件に変更して1週間育てた場合、開花の準備状態は維持されており、関係している遺伝子も発現状態が高いまま維持されていました。この記憶システムのメカニズムを探るために、遺伝子発現に重要な役割を果たすことが知られているヒストンのメチル化とアセチル化の状態を調べたところ、関連する遺伝子の周辺では、ヒストンのメチル化が引き起こされていることが明らかとなり、ヒストンのメチル化が孔辺細胞の記憶を担うメカニズムの一つである可能性が示唆されました

植物の記憶力

 日照時間は単純に長くなり続けたり短くなり続けたりするわけではなく、天気の影響を受けて変動しますので、それらの変動にいちいち開花が対応することがないよう、ある程度の長期的な日照時間の変動を記憶して開花を行うためにこのようなメカニズムが存在しているものと思われます。 


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2019-08-12 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

オンチップバイオリアクター

バイオリアクターという技術があります。タンクのような閉鎖空間に細胞や酵素を封じ込めてその生物反応を使って、物質を変換したり、エネルギーを取り出したり、新たな物質を作り出したりする反応装置のことです。

一方で、生命の基本単位は、いうまでもなく細胞です。細胞は脂の膜で囲まれた小さなカプセルで、カプセルに封じ込められたDNAに設計図となる遺伝情報が記録されています。細胞は当然バイオリアクターとして機能しますが、ナマの細胞を丸ごと使うのではなく、ナマの細胞を模倣しながら、バイオリアクターとして求められる反応に不要な細胞機能を除去し、可能な限り単純な細胞バイオリアクターを創ることは、細胞の設計原理を理解するのみならず有用な生体材料を創出する重要な課題です。

九州大学の研究グループはミネソタ大学と共同で、脂でできたカプセルの中で自律的に遺伝子が活性化し機能するバイオリアクター「オンチップ膜融合型人工細胞」を開発しました。5000個の人工細胞が集積したデバイスにおいて24時間以上に渡って安定して遺伝子とそれを設計図としたタンパク質の合成が機能し続け、タンパク質を生産するバイオリアクター(=超小型タンパク質合成工場)として機能することを確認しました。

今回構築したオンチップ膜融合型人工細胞は、最小限の要素で人工的な細胞を構築する合成生物学の研究を加速させると期待されます。

オンチップバイオリアクター


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2019-08-09 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

炭素の結び目の合成に世界初成功

名古屋大学の研究者らが、炭素の絡み目「オールベンゼンカテナン」と、炭素の結び目「オールベンゼンノット」の世界初の合成に成功しました。

炭素の結び目の合成に世界初成功

グラフェンやカーボンナノチューブなどの炭素物質を精密に設計して合成する方法は材料科学分野で強く求められています。これを「分子ナノカーボン科学」といいます。これまでにベンゼンが連なったオールベンゼンリングなど、幾何学的に単純な構造の分子ナノカーボンは合成されていましたが、炭素のひもを結んだりすることはできていませんでした。

今回成功したのははるかに難易度の高い、結び目(ノット)や絡み目(カテナン)をもつ分子ナノカーボンで、それぞれの幾何学構造に由来する特異な光物性や動的挙動をもつことが明らかになりました。


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2019-08-08 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

JAXAとトヨタの有人与圧ローバ共同研究

JAXAとトヨタの有人与圧ローバ共同研究

宇宙航空研究開発機構(JAXA)とトヨタ自動車株式会社は、2019年3月12日に公表した、燃料電池車技術を用いた月面でのモビリティ「有人与圧ローバ」の共同検討について、今後のスケジュールを公表しました。

・2019年 試作車の仕様定義
・2020年 技術要素の部品の試作、試作車の製作
・2021年 試作車を用いた実験・評価
・2022年 1/1スケール試作車の製作・評価
・2024年 エンジニアリングモデルの設計・製作・評価
・2027年 実機の製作・性能品質検証
・2029年 打ち上げ


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2019-08-07 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

建設のIT化

建設現場におけるIT化の進歩は著しいですが、今回は大成建設と大林組の取り組みの一部を紹介します。

大成建設は山岳トンネル工事におけるコンクリート吹付作業の遠隔操作技術を開発したと発表しました。トンネルを掘削する際には、掘削後の部分にコンクリートを吹き付けて固めますが、従来のコンクリート吹付作業では、操作者が掘削現場に立って状況を目で確認しながら、吹付機をリモコンで操作していましたので、土砂の崩落の危険や粉塵にさらされていました。

そこで大成建設は山岳トンネル工事での作業の安全性向上と環境改善を図るため、自社開発の遠隔操作システムを応用し、コンクリート吹付作業に適用した遠隔操作技術を開発しました。これは、ヘッドマウントディスプレイを装着した操作者が遠隔操縦する装置です。

建設のIT化

吹付機に魚眼レンズとLED照明を装備したカメラを設置し、吹付機操作者は十分離れた位置で、臨場感を持って作業を行うことが可能となり、さらに吹付機操作者は、座った姿勢での遠隔操作が可能となるため、操作者の身体的負担が軽減されるとともに、作業効率の向上が見込まれます。

一方、大林組は日本電気などと協力し、建設機械の自律化第一弾として、土砂の積み込み作業を自動化するバックホウ自律運転システムを共同開発したと発表しました。ハックホウというのは油圧ショベルの一種です。

今回開発したバックホウ自律運転システムは、地盤の造成やトンネル掘削といった土木工事や大規模建築物の地下掘削などにおいて膨大な作業量となる土砂の積み込み作業を自動で行います。土砂の積み込み作業は、バックホウのアームやブーム、バケットを巧みに操る熟練技能が必要で自律化が困難でした。今回、大林組の什器遠隔操作技術に日本電気の「適応予測制御技術」を適用し、加えて、熟練技能者による操縦のノウハウを、AI技術に学習させたことで、掘削や積み込み時の機械の動き方を高精度に再現することができました。

建設のIT化

このバックホウ自律運転システムは、掘削範囲における盛土の状況を3Dスキャナにて確認することで、一回に積み込む土砂の量が最大になるポイントを判断し掘削、さらに待機しているダンプトラックへ旋回しベッセル内のカメラで確認しながら積み込みを繰り返し行います。これにより、土砂の状況や作業ごとに異なるバックホウやダンプトラックの配置に応じて自律的に補正し、熟練技能者の動きを模した高い生産性を実現しています。

 また、積み込んだ土砂がダンプトラックの規定重量に達した時は、作業を停止し次のダンプトラックが入って来るまで待機します。 


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2019-08-06 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

脳をiPhoneとBluetooth接続

スペースXやテスラでおなじみの実業家、イーロン・マスク氏が創業したスタートアップ企業のニューラリンク社が柔軟性のある髪の毛よりも細い極細の電極を脳深くに埋め込んで、神経細胞の活動を感知する技術を公開しました。これは脳とコンピューターを接続して情報を入出力するインターフェイスでラットやサルで実験が進んでいる段階です。

ニューラリンクは、2020年の前半に臨床試験を開始する計画で米国食品医薬品局(FDA)の認可を待っています。頭蓋骨に8ミリメートルの穴を4つ開けて糸状の電極を挿入し、耳の後ろに装着した送信機を経由して、iPhoneやコンピューターとBluetoothで通信する計画で、iPhoneアプリも同時に公開されました。臨床試験の対象は上半身の脊髄損傷による全麻痺のある患者を対象とする予定となっており、人間とAIとの接続の実験なのか、医療目的なのか詳細はまだ発表されていません。

現在、動物を用いた研究ではすでに脳に電極を刺して脳の信号を取り出すことができますが、電極が大きいため、脳の大まかな情報しか取り出すことができないうえに、脳を損傷してしまうことが問題です。


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2019-08-05 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

水産庁が人工ふ化ウナギに成功

世界各国で食べられているウナギですが、日本では5000年前の縄文時代の貝塚からウナギの骨が発見されており、少なくとも7000年程度食用にした歴史があるようです。土用の丑の日、という点については、江戸時代の安永(徳川家治(いえはる)の時代:1772-1781)・天明(徳川家治と徳川家斉(いえなり)1781-1789)の頃から始まったそうです。平賀源内(1728-1780)がウナギ屋に提案したというのは後の時代の作り話の可能性もありますが、江戸時代から土用の丑の日にウナギを食べる習慣があったことは間違いないようです。平賀源内はエレキテルを修復したり、竹とんぼを発明したり、特に、海外の文化・科学・技術に詳しかったことが知られています。

水産庁は、実験室内で人工的にふ化させたウナギの稚魚を食べられる大きさにまで養殖池で育てるのに成功したと発表しました。養殖ウナギは現在も売られていますが、それらは採取した稚魚のシラスウナギを養殖池で育てて出荷しているもので、人工的にふ化させ、養殖池で育て上げたのははじめてのことです。ウナギの生態は謎が多く、特に稚魚は最適なエサがよくわからないなど、人工育成が困難とされていました。かば焼きに加工しても味や香りに遜色ないものの、コストが現在の養殖方法よりもかかります。

2019年の土用の丑の日は7月28日(日曜日)です。
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2019-07-19 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

石灰質堆積物が明かす過去の太陽活動

武蔵野美術大学と弘前大学の研究チームが石灰質の堆積物を分析することによって過去の太陽活動や宇宙線変動の情報を探る手法を世界で初めて確立しました。

太陽の活動には周期性があり、11年周期で活発になったり静かになったりしています。また、数十~数千年スケールでも大きな変動があります。過去の太陽の活動の変動はどのようにすれば知ることができるのでしょうか。 一般的に行われているのは、樹木の年輪に含まれる炭素14などを調べる方法で、これは、太陽の活動に伴って宇宙からやってくる宇宙線の強度に変化が生じることを利用したものです。太陽の活動が活発になると、太陽の磁場によって宇宙から飛来する宇宙線の量が減少します。ただし、この手法では樹木がなければ太陽の活動がわからないため、遡ることができる年代も数万年程度が限界です。

研究グループは、「トラバーチン堆積物」と呼ばれる石灰質の堆積物から過去の太陽活動や宇宙線変動の情報を探る新たな手法を確立しました。

研究グループは中国雲南省白水台から採取されたトラバーチン堆積物に対して、ごく微量に含まれるベリリウムの放射性同位体ベリリウム10の濃度の分析を行った結果、トラバーチン堆積物から宇宙放射線の強度を良く反映したベリリウム10の変動を、正確な時間軸で取得できることが判明したものです。トラバーチン堆積物は1cm以上の年層を持ち、数万年をはるかに超える古い年代についても、1年分解能で太陽活動を復元できる可能性があります。 


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2019-07-18 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

トポロジカル物質で超伝導ダイオードを実現

理化学研究所と東北大学の共同研究グループは、トポロジカル絶縁体 の超伝導界面において、超伝導電流の整流効果を観測しました。トポロジカル絶縁体は固体内部では電気を流さない絶縁体ですが、表面でのみ電気を流す金属として振る舞う物質のことです。表面を流れる電子は、そのスピンの方向が運動方向に対して常に垂直の方向に向くというスピン運動量ロッキングと呼ばれる性質を持っており、通常の金属や半導体、絶縁体とは異なる興味深い種々の物性が現れます。

超電導状態とは電気抵抗がゼロの状態です。トポロジカル絶縁体の内部は電気が流れないため電気抵抗は無限大ですが、その表面は電気抵抗がゼロですので、そのどこかに境界部分、超電導界面があることになります。その超電導界面で整流効果、つまり電流の流れる方向によって抵抗が異なる効果を観測できたということで、ダイオードの一種がこの状態に該当します。以上をまとめるとトポロジカル絶縁体の超電導界面でダイオードのような性質が観測された、という意味になります。

トポロジカル絶縁体に磁石の性質を持たせることで、既存物質の性能を超えるスピントロニクス機能性や、エネルギー散逸の極めて少ない電気伝導が実現することが明らかになってきました。磁石に替えて超伝導体、つまり、トポロジカル絶縁体と超伝導体を組み合わせることにより、通常の超伝導体と異なるトポロジカル超伝導体 の実現が予言されています。しかし、どのような物質がトポロジカル超伝導体としてふさわしい物質なのかよくわかっておらず、研究は進展していませんでした。今回研究チームは、FeTe(Fe:鉄、Te:テルル)とBi2Te3(Bi:ビスマス、Te:テルル)の積層界面にあらわれるトポロジカル絶縁体表面状態を使って解析に成功しました。この物質が超伝導体になる温度は7 K(約- 266℃)です。

本研究結果から、トポロジカル絶縁体と超伝導体との接合によって、超伝導電流の流れる方向を効果的に制御できることが明らかになりました。これは、磁場で制御可能な超伝導電流のダイオードとして応用できると期待できます。

トポロジカル物質で超伝導ダイオードを実現




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2019-07-16 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :
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おびおのプロフィール

おびお

Author:おびお
会社員をしながら科学のコンテンツを作ってます。書籍とか、トークライブとか、セミナーとか、ネットラジオとか、Webコンテンツとか。
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