論文まとめ549回目 Nature 粘着テープで大面積のダイヤモンド超薄膜を剥離する画期的な製造方法の開発！？など
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Synaptic basis of feature selectivity in hippocampal neurons
海馬ニューロンにおける特徴選択性のシナプス基盤
「私たちの脳の海馬には、特定の場所を記憶する「場所細胞」と呼ばれるニューロンがあります。この研究では、最新の光学技術を使って、場所細胞がどのように形成されるのかを解明しました。特定の場所の記憶が作られる際、シナプスと呼ばれる神経細胞同士の接続部位で、接続の強さが変化することを発見。この変化は時間的に非常に精密に制御されており、これによって場所の記憶が形成されることを明らかにしました。」
Diatom phytochromes integrate the underwater light spectrum to sense depth
珪藻類のフィトクロムは水中の光スペクトルを統合して深度を感知する
「水中の光は深くなるにつれて色が変化します。青色光は深くまで届きますが、赤色光は表層で急速に減衰します。本研究では、珪藻類が持つフィトクロムという光受容体が、これらの光の変化を感知して深度を推定していることを発見しました。珪藻類はこの情報を使って、異なる水深での生存に適した光合成システムを調整しています。これは、海洋生物が環境に適応するための新しい仕組みの発見です。」
Hierarchical design of pseudosymmetric protein nanocages
疑似対称性を持つタンパク質ナノケージの階層的設計
「レゴブロックのように、小さなタンパク質の部品を組み合わせて、大きな籠状の構造体を作る技術を開発しました。これまでは部品同士を対称的に組み合わせる必要がありましたが、本研究では非対称な組み合わせ方を可能にし、より大きな構造体を作れるようになりました。作られた籠は直径96nmにも及び、遺伝子治療に使われるウイルスの90倍もの容積を持ちます。」
Spatial transcriptomic clocks reveal cell proximity effects in brain ageing
脳の加齢における空間的トランスクリプトミクス時計が細胞近接効果を明らかにする
「私たちの脳は加齢とともに劣化しますが、その仕組みはよく分かっていません。この研究では、マウス脳の各細胞の位置と遺伝子発現を同時に測定できる新しい技術を使って、加齢による変化を詳しく調べました。その結果、T細胞が年を取ると脳に侵入して周囲の細胞を老化させる一方、若い時期に豊富な神経幹細胞は周囲の細胞を若返らせる効果があることを発見。運動によってこれらの効果を改善できることも示され、脳の健康維持に向けた新しい治療法の開発につながる可能性があります。」
Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane
超平坦で超柔軟なダイヤモンド膜の量産可能な製造方法
「私たちの身近にある粘着テープを使って、ダイヤモンドの超薄膜を簡単に作れる方法を開発しました。この方法で作られた膜は、髪の毛の100分の1ほどの薄さで、2インチ（約5cm）という大きな面積でも製造できます。さらに、表面が非常に滑らかで、360度曲げられるほど柔軟です。これにより、エレクトロニクスや光学デバイスなどへの応用が期待でき、ダイヤモンドの実用化が大きく前進します。」
Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord
適切なタイミングでのTGFβシグナル阻害が脊索を誘導する
「私たちの体の基本構造を作る過程で、脊索という重要な組織があります。この研究では、幹細胞からこの脊索を作り出すことに成功しました。鍵となったのは、TGFβというシグナルを適切なタイミングで制御することでした。この発見により、人工的に脊索を含む組織を作り出すことが可能になり、ヒトの発生過程の理解や再生医療への応用が期待されます。」
要約
海馬ニューロンの場所特異的な活動の形成に、シナプスの可塑性が重要な役割を果たすことを実証した研究
海馬CA1錐体細胞における場所野形成のシナプスメカニズムを、新規の光学イメージング技術を用いて解明した研究。シナプス可塑性の時間的な非対称性が、場所特異的な活動パターンの形成に重要な役割を果たすことを示した。
事前情報
海馬CA1錐体細胞は、特定の場所で選択的に活動する「場所野」を形成する
シナプス可塑性が場所野形成に関与すると考えられてきたが、その詳細なメカニズムは不明だった
生きた動物の脳内での単一シナプスレベルでの可塑性を観察することが技術的に困難だった
行ったこと
新規の光学イメージング技術を開発し、マウスの海馬CA1錐体細胞の樹状突起スパインにおけるグルタミン酸放出とカルシウム応答を同時に観察
光遺伝学的手法を用いて人工的に場所野を誘導し、その前後でのシナプス活動の変化を解析
基底樹状突起と斜行樹状突起における可塑性の違いを比較
検証方法
マウスに仮想現実環境内を走行させながら、二光子顕微鏡を用いて単一シナプスの活動を記録
グルタミン酸センサーとカルシウムセンサーを組み合わせて、シナプス伝達効率の変化を測定
シナプス可塑性の時間的プロファイルと空間的分布を詳細に解析
分かったこと
場所野形成時に、時間的に非対称なシナプス可塑性が誘導される
この可塑性は場所野中心の前後約4秒間で発生し、増強と減弱が組み合わさっている
基底樹状突起と斜行樹状突起で異なる可塑性パターンを示す
研究の面白く独創的なところ
生きた動物の脳内で、単一シナプスレベルでの可塑性を直接観察することに成功
シナプス可塑性の時間的・空間的パターンを高精度で解明
樹状突起の種類による可塑性の違いを発見
この研究のアプリケーション
記憶形成メカニズムの理解への貢献
記憶障害の治療法開発への応用
人工知能の学習アルゴリズムへの応用
著者と所属
Kevin C. Gonzalez (コロンビア大学 神経科学部)
Adrian Negrean (コロンビア大学 神経科学部)
Attila Losonczy (コロンビア大学 神経科学部)
詳しい解説
本研究は、海馬における記憶形成の基盤となる神経メカニズムを、最先端の光学技術を用いて解明しました。特に注目すべき点は、場所野形成時のシナプス可塑性が、時間的に非常に精密に制御されているという発見です。場所野の中心を基準として前後約4秒間という狭い時間窓の中で、シナプスの増強と減弱が協調的に起こることが明らかになりました。さらに、この可塑性は樹状突起の種類によって異なるパターンを示すことも判明し、海馬における情報処理の複雑さを示唆しています。これらの知見は、記憶形成メカニズムの理解を大きく前進させるものです。
珪藻類が深度を感知するために水中の光スペクトル全体を統合的に利用するフィトクロムの機能を解明
珪藻類のフィトクロム(DPH)が、水中の光スペクトル全体を感知して深度情報を得る仕組みを解明した研究。DPHは青色光から近赤外光までの広い波長域に応答し、その光応答は水深によって変化することを示した。
事前情報
水中の光環境は深度によって大きく変化し、生物の分布に影響を与える
珪藻類は海洋生態系で重要な一次生産者だが、その光環境適応メカニズムは十分に理解されていない
フィトクロムは陸上植物でよく研究された光受容体だが、水中での機能は不明
行ったこと
珪藻類のDPH遺伝子の分布を地理的に解析
DPHタンパク質の光応答特性を生化学的に解析
DPH欠損変異体を作成して機能解析を実施
水中光環境モデルを用いてDPHの深度感知能を評価
検証方法
タラ・オーシャンズ探検のデータを用いた全球的な分布解析
組換えDPHタンパク質の分光学的解析
レポーター遺伝子を用いた光応答実験
光合成パラメータの測定
数理モデルによる水中でのDPH活性予測
分かったこと
DPHは青色光から近赤外光まで幅広い波長に応答する
DPHの光応答は水深に依存して変化する
DPHは光合成系の調節に関与している
DPH保有種は主に温帯域に分布している
研究の面白く独創的なところ
水中生物の深度感知の新しい分子メカニズムを発見
フィトクロムの新しい機能を解明
生態学的分布と分子メカニズムを結びつけた
この研究のアプリケーション
海洋生態系における垂直分布の理解
気候変動が海洋生物に与える影響の予測
光環境応答を利用した海洋微細藻類の培養技術開発
著者と所属
Carole Duchêne CNRS, ソルボンヌ大学
Jean-Pierre Bouly - CNRS, ソルボンヌ大学
Angela Falciatore - CNRS, ソルボンヌ大学
詳しい解説
本研究は、海洋性珪藻類が持つフィトクロム(DPH)という光受容体の新しい機能を明らかにしました。特筆すべきは、DPHが青色光から近赤外光まで非常に広い波長域の光に応答できることです。これは、水中での深度に応じた光スペクトルの変化を感知するのに適した特性です。研究チームは、DPHの光応答特性を詳細に解析し、実際の海洋環境での機能をモデル化することで、DPHが深度センサーとして働くことを示しました。また、DPH欠損変異体の解析から、この光受容体が光合成系の調節に関与していることも明らかになりました。これらの発見は、海洋生物の環境適応メカニズムの理解に新しい視点を提供しています。
タンパク質を巧みに組み合わせて作る超大型ナノケージの階層的設計手法の確立
タンパク質を組み合わせて作る大型のナノケージを、非対称な部品を用いて階層的に設計する手法を開発しました。この手法により、これまでの対称的な設計では不可能だった大きさと複雑さを持つナノ構造体の作製が可能になりました。
事前情報
生体内では様々な大きさのタンパク質複合体が存在し、特殊な機能を果たしている
これまでのタンパク質設計では対称性に依存していたため、作れる構造体の大きさと複雑さに制限があった
ウイルスの殻などの天然の構造体では、非対称性や擬似対称性が活用されている
行ったこと
熱安定性の高いタンパク質を選び、変異を導入して非対称な三量体を作製
作製した非対称三量体を用いて、より大きな構造体を階層的に設計
設計した構造体を実際に合成し、その構造と機能を評価
検証方法
クライオ電子顕微鏡による構造解析
動的光散乱による粒子サイズ測定
B細胞活性化能の評価による機能解析
分かったこと
240、540、960個のサブユニットからなる大型ナノケージの作製に成功
作製したナノケージは予測通りの構造を持つことが確認された
ワクチンの足場として機能することが示された
研究の面白く独創的なところ
対称性に依存しない新しい設計手法を開発
階層的な設計アプローチにより、複雑な構造体の作製を実現
理論的には無限のサイズのナノケージを作製可能
この研究のアプリケーション
ワクチンの開発
遺伝子治療用のデリバリーシステム
酵素の固定化や反応場としての利用
著者と所属
Quinton M. Dowling ワシントン大学生物工学部
David Baker - ワシントン大学生化学部、ハワードヒューズ医学研究所
Neil P. King - ワシントン大学生化学部
詳しい解説
本研究は、タンパク質ナノ構造体の設計における重要な breakthrough を報告しています。これまでのタンパク質設計では、構成要素間の対称性が必須でしたが、本研究では非対称な部品を用いた階層的な設計手法を確立しました。まず、熱安定性の高いタンパク質を選び、変異を導入することで非対称な三量体を作製。この三量体を基本ユニットとして、より大きな構造体を段階的に組み立てていく手法を開発しました。その結果、直径49-96nmの大型ナノケージの作製に成功。これらの構造体は、SARS-CoV-2のスパイクタンパク質の受容体結合ドメインを提示できることも示され、ワクチン開発への応用が期待されます。
空間的な一細胞遺伝子解析により、加齢による脳の変化を時空間的に捉え、T細胞の有害作用と神経幹細胞の若返り効果を発見
マウス脳の一細胞空間的遺伝子発現解析により、加齢に伴う細胞種・領域特異的な変化を包括的に解析。特に、T細胞は周囲の細胞を老化させ、神経幹細胞は周囲を若返らせる効果があることを発見。運動により、これらの効果を改善できることを示した。
事前情報
脳の加齢は認知機能低下や神経変性疾患のリスク上昇と関連する
加齢による細胞レベルの変化は複雑で、十分に理解されていない
細胞間の相互作用が組織の老化に与える影響は不明
行ったこと
マウス脳の一細胞空間的遺伝子発現データを若齢から老齢まで20の年齢で取得
運動と部分的リプログラミングによる若返り効果も解析
機械学習を用いて細胞の生物学的年齢を予測する時計を開発
細胞間の近接効果を定量的に評価
検証方法
MERFISH法による300遺伝子の空間的発現解析
細胞種・領域特異的な加齢時計の開発と評価
細胞近接効果の統計的解析
免疫染色による実験的検証
深層学習による細胞種操作実験
分かったこと
T細胞は加齢とともに脳に侵入し、周囲の細胞を老化させる
神経幹細胞は周囲の細胞を若返らせる効果がある
運動はT細胞の有害作用を抑制し、神経幹細胞の有益な効果を促進する
炎症や神経変性疾患でも同様の細胞近接効果が観察された
研究の面白く独創的なところ
世界初の脳全体における時空間的な加齢変化の包括的解析
細胞間の近接効果を定量的に評価する新しい手法の開発
運動による若返り効果の細胞レベルでのメカニズム解明
希少な細胞種の重要性の発見
この研究のアプリケーション
加齢による脳機能低下を予防・治療する新しい戦略の開発
運動の効果を最大化する治療法の開発
神経変性疾患の早期診断や治療効果のモニタリング
他の組織での加齢研究への応用
著者と所属
Eric D. Sun スタンフォード大学生医学データサイエンス大学院
James Zou - スタンフォード大学生医学データサイエンス部門
Anne Brunet - スタンフォード大学遺伝学部門
詳しい解説
この研究は、マウス脳の加齢変化を細胞レベルで包括的に解析した画期的な研究です。特に注目すべき発見は、T細胞と神経幹細胞による相反する細胞近接効果です。T細胞は加齢とともに脳に侵入し、インターフェロンシグナルを介して周囲の細胞を老化させる一方、神経幹細胞はエクソソームや代謝制御を通じて周囲の細胞を若返らせる効果があることが分かりました。さらに、運動によってこれらの効果を改善できることも示され、加齢による脳機能低下を予防・治療する新しい戦略の開発につながる可能性があります。
粘着テープで大面積のダイヤモンド超薄膜を剥離する画期的な製造方法の開発
エッジ露出剥離法という新しい手法を用いて、大面積で超薄型、超平坦、超柔軟なダイヤモンド膜の製造に成功しました。この手法は、粘着テープを使用する簡単で信頼性の高い方法です。
事前情報
ダイヤモンドは優れた特性を持つ材料だが、薄膜化が困難だった
従来の製造方法では大面積の薄膜製造が難しかった
実用化には大面積で均一な薄膜が必要
行ったこと
エッジ露出剥離法による新しいダイヤモンド膜製造方法の開発
剥離角度や膜厚による品質への影響の系統的な研究
作製した膜の特性評価と応用可能性の検討
検証方法
異なる膜厚での剥離実験
表面粗さ測定による平坦性評価
曲げ試験による柔軟性評価
理論モデルによる剥離メカニズムの解析
分かったこと
2インチサイズの大面積膜の製造が可能
サブマイクロメートルの超薄膜が実現
ナノメートルレベルの表面平坦性を達成
360度の曲げが可能な柔軟性を実現
研究の面白く独創的なところ
身近な粘着テープを使用する単純な方法で高品質な膜を作製
剥離角度と膜厚の最適化により高い歩留まりを実現
従来のダイヤモンドにない柔軟性を実現
この研究のアプリケーション
エレクトロニクスデバイスへの応用
光学素子としての利用
柔軟なセンサーの開発
量子技術への応用
著者と所属
Jixiang Jing 香港大学電気電子工学部
Fuqiang Sun - 香港大学機械工学部
Zhiqin Chu - 香港大学電気電子工学部
詳しい解説
本研究は、ダイヤモンドの薄膜化という長年の課題に対して、驚くほど簡単な解決策を提示しました。粘着テープを使用するエッジ露出剥離法により、2インチという大面積で、サブマイクロメートルの薄さを持つダイヤモンド膜の製造に成功しました。この膜は、ナノメートルレベルの表面平坦性を持ち、360度曲げられるほどの柔軟性を備えています。理論的な解析により、剥離角度と膜厚を最適化することで、高品質な膜を安定して製造できることが明らかになりました。この技術は、エレクトロニクス、光学、センサー、量子技術など、幅広い分野での応用が期待されます。
TGFβシグナルの適切なタイミングでの阻害により、脊索の形成を誘導することに成功した
脊椎動物の体づくりにおいて、脊索は重要な役割を果たす組織です。本研究では、ヒト胚性幹細胞から脊索を含む組織を作り出すことに成功しました。鍵となったのは、TGFβシグナルの阻害タイミングを24時間遅らせることでした。これにより、脊索を含む3次元的な組織構造の形成に成功し、脊索による周辺組織への影響も確認されました。
事前情報
脊索は脊椎動物の重要な特徴で、周辺組織のパターン形成を制御する
現在の試験管内モデルでは脊索の形成が困難
脊索依存的な細胞タイプが欠如している
行ったこと
ニワトリ胚の単一細胞トランスクリプトーム解析による幹細胞集団のマッピング
ヒト胚性幹細胞を用いた分化誘導条件の最適化
YAPシグナルとMAPKシグナルの役割の解析
脊索を含む3次元組織の作製と評価
検証方法
単一細胞RNA解析による遺伝子発現プロファイリング
免疫染色による細胞タイプの同定
ライブイメージングによる形態形成過程の観察
電子顕微鏡による超微細構造解析
分かったこと
WNTとFGFシグナルの持続的な活性化が必要
YAP不活性化がWNTシグナルを促進する
TGFβシグナルの24時間遅延阻害が脊索形成を誘導する
形成された脊索は本来の性質と超微細構造を持つ
研究の面白く独創的なところ
脊索形成の鍵となるシグナル制御を発見
生体内での発生過程を模倣する条件を確立
脊索を含む3次元組織の作製に初めて成功
組織形成における時間的制御の重要性を示した
この研究のアプリケーション
ヒトの体づくりのメカニズム解明
脊索関連疾患の病態解明
再生医療への応用可能性
薬剤スクリーニングへの活用
著者と所属
Tiago Rito Francis Crick Institute
Ashley R. G. Libby - Francis Crick Institute
James Briscoe - Francis Crick Institute
詳しい解説
本研究は、脊椎動物の体づくりにおいて重要な役割を果たす脊索の形成メカニズムを解明し、試験管内での再現に成功したものです。まず、ニワトリ胚の単一細胞解析により、脊索形成に関わる幹細胞集団の特徴を明らかにしました。この知見をもとに、ヒト胚性幹細胞からの分化誘導条件を最適化し、特にTGFβシグナルの阻害タイミングが重要であることを発見しました。24時間の遅延阻害により、効率的に脊索を形成できることが分かりました。形成された脊索は、本来の性質と超微細構造を持ち、周辺組織のパターン形成も誘導できることが確認されました。この成果は、ヒトの発生メカニズムの理解や再生医療への応用に重要な知見を提供します。
最後に
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