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論文まとめ562回目 SCIENCE ADVANCES まつ毛の構造は最高の撥水性能を実現する自然の設計であることを解明！？など

あらたま

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SCIENCE ADVANCES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

Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array
人のまつ毛における撥水性ブラキストクローン繊維アレイによる迅速な水排出
「まつ毛は単なる装飾品ではなく、目を守る高度な機能を持つことが分かりました。まつ毛は水をはじく性質(撥水性)を持ち、独特の曲線形状により、水滴を効率的に排出できます。この曲線は最短時間で水滴が落ちる理想的な形状(ブラキストクローン曲線)に近いものでした。さらに、まつ毛表面の微細な溝構造や柔軟性が水はけを助けています。この研究は、まつ毛の形状や構造が進化の過程で最適化されてきたことを示しています。」

Evolutionary engineering of Saccharomyces cerevisiae: Crafting a synthetic methylotroph via self-reprogramming
出芽酵母の進化工学：自己再プログラミングによる合成メチロトロフの創製
「パンや酒造りで使われる酵母を、メタノールだけを餌として生育できるように進化させることに成功しました。通常の酵母は糖類を主な栄養源としますが、本研究では遺伝子の組み換えと進化実験を組み合わせることで、メタノールを唯一の炭素源として利用できる株の開発に成功。これにより、二酸化炭素からメタノールを合成し、そのメタノールから様々な有用物質を生産する持続可能な物質生産システムの構築への道が開かれました。」

Future spinal reflex is embedded in primary motor cortex output
将来の脊髄反射は一次運動野の出力に埋め込まれている
「私たちが腕を動かす時、脳から筋肉への直接の指令だけでなく、動きによって生じる感覚信号も筋肉の活動に影響を与えます。この研究では、サルの脳と筋肉の活動を同時に記録することで、脳の運動野が筋肉を動かす際に、動きで生じる感覚信号をあらかじめ計算に入れていることを発見しました。つまり脳は、動きで生じる反射をも予測して筋肉をコントロールしているのです。これは、スムーズな動きを実現するための脳の巧妙な戦略といえます。」

Organic electro-scattering antenna: Wireless and multisite probing of electrical potentials with high spatial resolution
有機電気散乱アンテナ：高空間分解能での電気ポテンシャルの無線・多点プロービング
「私たちの体内の細胞は微弱な電気信号を出していますが、これを高精度で計測するのは困難でした。この研究では、有機材料PEDOT:PSSを用いた直径1マイクロメートルほどの小さなアンテナを開発。このアンテナは電圧に応じて光の散乱強度が変化する性質を利用して、電気信号を光信号に変換して検出できます。この技術により、生体内の電気信号を無線で、高い空間分解能で、長時間にわたって観察することが可能になりました。」

A combined NMR and deep neural network approach for enhancing the spectral resolution of aromatic side chains in proteins
深層学習とNMRを組み合わせたタンパク質の芳香族側鎖の高分解能スペクトル解析法の開発
「タンパク質の芳香族側鎖は、触媒作用や相互作用に重要な役割を果たします。しかし、従来のNMR法では、芳香族側鎖のシグナルが重なり合って解析が困難でした。本研究では、深層学習モデルFID-Net-2を開発し、複数のNMRデータを組み合わせることで高分解能のスペクトルを得ることに成功。これにより、7-40 kDaの大きさのタンパク質でも芳香族側鎖の動きや相互作用を詳細に解析できるようになりました。」

A wearable triboelectric impedance tomography system for noninvasive and dynamic imaging of biological tissues
生体組織の非侵襲的かつダイナミックなイメージングを実現する装着型摩擦帯電インピーダンストモグラフィーシステム
「人体の軟組織の状態を見るには通常MRIなどの大型装置が必要ですが、この研究では着けるだけで体内の様子がわかる装置を開発しました。電気の流れにくさ(インピーダンス)を利用して体内の状態を画像化する技術で、たった4-5マイクロアンペアという微弱な電流で安全に測定できます。この装置を使えば、筋肉の動きや、脂肪腫、骨折など体内の異常も発見できます。医療支援ロボットと組み合わせることで、患者の意図を読み取って動作をサポートすることもできます。」

 要約

 まつ毛の構造は最高の撥水性能を実現する自然の設計であることを解明

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2135

人のまつ毛の撥水性、微細構造、柔軟性、そして曲率が組み合わさって、効率的な水排出機能を実現していることを解明した研究。この知見は、防水レンズや換気可能な防水窓など、新しい工学応用への道を開く。

事前情報

  • まつ毛は進化の過程で体毛が減少する中で残された特徴的な器官

  • 従来は埃の捕捉や空気の濾過機能が注目されていた

  • まつ毛の水はけ機能のメカニズムは十分に解明されていなかった

行ったこと

  • まつ毛の表面構造、撥水性、柔軟性の詳細な分析

  • まつ毛の曲率と水滴の落下時間の関係を調査

  • 人工的なまつ毛様構造を作製して機能を検証

検証方法

  • 走査型電子顕微鏡によるまつ毛表面の観察

  • 水滴の接触角測定による撥水性評価

  • 高速カメラによる水滴の落下挙動の観察

  • 3Dプリンターによる人工まつ毛の作製と性能評価

分かったこと

  • まつ毛は高い撥水性(接触角約145度)を持つ

  • 表面には方向性のある微細な溝構造がある

  • 曲率はブラキストクローン曲線に近い形状

  • 柔軟性により水滴を効率的に排出できる

研究の面白く独創的なところ

  • まつ毛の形状が数学的に最適な曲線に近いことを発見

  • 複数の構造要素が組み合わさって高機能を実現する仕組みを解明

  • 自然の設計の巧妙さを定量的に示した

この研究のアプリケーション

  • 撥水性の偽まつ毛開発

  • 無人航空機用の防水レンズ設計

  • 換気機能付き防水窓の開発

  • 屋外電気機器の防水設計

著者と所属

  • Zhou Shan 中国科学院物理化学技術研究所

  • Chen Fenglin - 中国科学院物理化学技術研究所

  • Dai Haoyu - 中国科学院物理化学技術研究所

詳しい解説

本研究は、まつ毛の水はけ機能に注目し、その仕組みを詳細に解明しました。まつ毛は表面が水をはじく性質を持ち、その表面には方向性のある微細な溝構造があります。また、まつ毛の曲率は水滴が最も速く落下できる理想的な曲線(ブラキストクローン曲線)に近いことが分かりました。さらに、まつ毛の持つ柔軟性により、水滴が効率的に排出されることも明らかになりました。これらの構造要素が組み合わさることで、まつ毛は優れた水はけ機能を実現しています。この発見は、防水性能を必要とする様々な工学応用への応用が期待されます。

 酵母の代謝ネットワークを再編成することでメタノールを単一炭素源として利用可能な株の作出に成功

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq3484

出芽酵母をメタノールを単一炭素源として生育可能な合成メチロトロフへと進化させた研究。SCRaMbLEとALEを組み合わせた非合理的な手法により、ASrG経路を介してメタノールを資化する株の作出に成功した。

事前情報

  • メタノールは再生可能な一炭素化合物として注目されている

  • 従来の合理的設計では、複雑な代謝経路の構築が困難

  • 酵母は異種タンパク質の発現や代謝物の区画化に優れている

行ったこと

  • 二倍体酵母株へのSCRaMbLEの適用

  • メタノール存在下での適応進化実験

  • トランスクリプトーム解析による代謝経路の同定

  • C3N4量子ドットを用いたエネルギー供給系の構築

  • 13C代謝トレーサー解析による代謝経路の検証

検証方法

  • 全ゲノムシーケンシング

  • RNAシーケンシング解析

  • 13C標識メタノールを用いた代謝トレーサー実験

  • 遺伝子過剰発現による逆遺伝学的解析

  • 生育試験とメタノール消費量の測定

分かったこと

  • ASrG経路による新規メタノール資化機構を発見

  • エネルギー供給がメタノール資化の律速段階

  • ギ酸とCO2の同時資化が重要

  • 二倍体株が有利な変異を蓄積しやすい

  • セリン経路の一部が関与している

研究の面白く独創的なところ

  • 非合理的手法による新規代謝経路の発見

  • 量子ドットを用いたエネルギー供給系の構築

  • 自然の代謝経路とは異なる戦略の確立

この研究のアプリケーション

  • 持続可能な物質生産への応用

  • CO2からの有用物質生産

  • メタノールを原料とした物質生産

  • 新規代謝経路の産業利用

著者と所属

  • Feng Guo 南京工業大学

  • Chenguang Liu - 上海交通大学

  • Yi Wu - 天津大学

詳しい解説

本研究では、出芽酵母をメタノールを単一炭素源として利用可能な合成メチロトロフへと進化させることに成功しました。従来の合理的設計とは異なり、SCRaMbLEと適応進化を組み合わせた非合理的な手法を用いることで、自然界には存在しない新規のメタノール資化経路（ASrG経路）を発見しました。この経路では、Adh2によるメタノールの酸化とFdh1/2によるギ酸の酸化でエネルギーを獲得し、同時にギ酸とCO2を還元的グリシン経路で同化します。さらに、C3N4量子ドットを用いた外部エネルギー供給系の構築により、メタノール依存的な生育が向上することを示しました。本研究は、非合理的な手法による新規代謝経路の発見と、それを利用した持続可能な物質生産システムの構築への可能性を示した重要な成果です。

 一次運動野は将来の脊髄反射を計算して筋肉を制御することが明らかになった

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4194

一次運動野(M1)は筋肉を制御する際、直接の神経経路だけでなく、動きによって生じる感覚信号を介した経路も利用していることを、サルの実験で明らかにした研究。M1は将来の脊髄反射を予測して筋肉の制御を行っていることが示された。

事前情報

  • 運動制御における一次運動野(M1)の正確な役割は未解明

  • M1から脊髄への直接経路と、感覚フィードバックを介した経路の両方が存在

  • 両経路の協調メカニズムは不明

行ったこと

  • サルの一次運動野、感覚神経、前肢筋の活動を同時記録

  • 運動野の活動と筋肉の活動の関係を解析

  • 感覚神経を遮断する実験も実施

検証方法

  • 運動野、感覚神経、筋肉の活動の時間関係を分析

  • 線形モデルを使用して各経路の寄与を定量化

  • 感覚神経遮断の効果を評価

分かったこと

  • M1の活動は75ms後の感覚神経の活動を予測

  • M1は直接経路(5-40ms)と感覚経路(80-115ms)で筋肉を制御

  • 感覚神経遮断により、感覚経路を介した筋肉の活動が減少

研究の面白く独創的なところ

  • 運動制御における感覚フィードバックの予測的利用を初めて実証

  • 複数の神経活動の同時記録という技術的革新

  • 感覚遮断実験による因果関係の証明

この研究のアプリケーション

  • 運動障害のリハビリテーション手法の改善

  • より自然な義肢制御システムの開発

  • 脳機能の理解に基づく新しい治療法の開発

著者と所属

  • Tatsuya Umeda 京都大学大学院医学研究科

  • Osamu Yokoyama - 東京都医学総合研究所

  • Tadashi Isa - 京都大学大学院医学研究科

詳しい解説

本研究は、一次運動野(M1)による筋肉の制御メカニズムを解明した画期的な研究です。これまで、M1から筋肉への直接の神経経路が主要な制御経路と考えられてきましたが、本研究は動きによって生じる感覚信号を介した経路も重要な役割を果たしていることを明らかにしました。特筆すべきは、M1が将来の感覚フィードバックを予測して筋肉を制御していることを示した点です。これは、脳が内部モデルを用いて効率的な運動制御を行っているという理論を裏付ける重要な発見といえます。

 有機材料を用いた新しい光散乱アンテナで、高空間分解能での電気信号の無線検出を実現

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8380

直径1μm程度の有機材料(PEDOT:PSS)を用いた光散乱アンテナを開発し、電気信号の無線検出を実現。高感度(2.5mV)、高速応答(ミリ秒)、長期安定性(10時間以上)、高空間分解能(5μm)を達成した。

事前情報

  • 生体内の電気信号を高密度・高空間分解能で計測することは、バイオセンシングの重要課題

  • 有機電子材料は優れた特性を持つが、空間分解能と記録密度に制限があった

  • PEDOT:PSSは電圧によって光学特性が変化する性質を持つ

行ったこと

  • PEDOT:PSSを用いた微小アンテナ(OCEAN)の理論モデルを構築

  • ナノ加工技術でOCEANアレイを作製

  • 電気光学特性を系統的に評価

  • 心筋細胞の活動電位記録のシミュレーション

検証方法

  • 異なる直径(0.7-1.8μm)のOCEANを作製

  • PBS溶液中で電圧印加時の光散乱強度変化を測定

  • 感度、ノイズ、時間応答、長期安定性を評価

  • 心筋細胞モデルでの性能シミュレーション

分かったこと

  • 100mVの電圧に対してSNR最大48を達成

  • 検出限界2.5mV、時間応答6-234ms

  • 10時間以上の連続計測が可能

  • 5μmの空間分解能、4×106 cm-2の記録密度

研究の面白く独創的なところ

  • 電気信号を光散乱の変化として検出する新しい原理

  • 単一アンテナでの高感度検出を実現

  • 配線不要で多点同時計測が可能

  • 可視光での計測が可能

この研究のアプリケーション

  • 神経細胞・心筋細胞の電気活動の高分解能イメージング

  • 生体分子検出、DNAシーケンシング

  • インピーダンスセンシング

  • 機能的イメージング

著者と所属

  • Benoit Desbiolles MIT Media Lab

  • Jad Hanna - MIT Media Lab

  • Deblina Sarkar - MIT Media Lab

詳しい解説

この研究では、有機材料PEDOT:PSSの特性を活用した新しいバイオセンシング技術を開発しました。PEDOT:PSSは電圧によって光の散乱特性が変化する性質を持ちますが、これを直径1μm程度の微小アンテナとして利用することで、電気信号を光信号として検出することに成功しました。従来の電極やトランジスタベースのセンサーでは配線が必要なため空間分解能や記録密度に限界がありましたが、この技術では無線での検出が可能なため、高い空間分解能(5μm)と記録密度(4×106 cm-2)を実現しています。また、単一アンテナでも高感度な検出(SNR最大48)が可能で、長時間の安定計測(10時間以上)も実証されました。これにより、神経細胞や心筋細胞の電気活動を高い時空間分解能で観察することが可能になり、基礎研究から臨床応用まで幅広い応用が期待されます。

 深層学習を用いてタンパク質のNMRスペクトルの分解能を向上させ、芳香族側鎖の構造解析を可能にした

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2155

深層学習モデルFID-Net-2を開発し、タンパク質の芳香族側鎖のNMRスペクトルの分解能を向上させた研究。このモデルは2つの補完的なNMRデータセットを処理して高分解能スペクトルを生成し、従来困難だった中大型タンパク質の芳香族側鎖の解析を可能にした。

事前情報

  • タンパク質の芳香族側鎖は酵素活性部位や相互作用部位に存在し重要

  • 従来のNMR法では13C-13Cカップリングによりスペクトルが複雑化

  • 特殊な同位体標識が必要で、タンパク質の発現量が低下する問題があった

行ったこと

  • 深層学習モデルFID-Net-2の開発

  • 2つの相補的なNMRデータセット（カップリング進化時間0msと2.3ms）の取得

  • 合成データによるモデルの訓練と検証

  • 実タンパク質サンプルでの性能評価

検証方法

  • 合成データによるモデルの性能評価

  • L99A-T4L、MBP、A39G-FFなど複数のタンパク質での実験的検証

  • NOESYスペクトルを用いた化学シフト帰属の確認

  • 縦緩和交換実験による定量的解析の検証

分かったこと

  • FID-Net-2は高分解能スペクトルを再構成可能

  • 7-40 kDaの範囲のタンパク質に適用可能

  • 化学シフトの帰属や動的過程の定量的解析が可能

  • 予測の不確実性を定量的に評価可能

研究の面白く独創的なところ

  • 深層学習のために特別に設計されたNMR実験法の開発

  • スペクトル強度の不確実性を予測する機能の実装

  • 特殊な同位体標識なしで芳香族側鎖の解析を実現

この研究のアプリケーション

  • 中大型タンパク質の芳香族側鎖の構造・動態解析

  • タンパク質-タンパク質相互作用の研究

  • 酵素反応機構の解明

  • 創薬研究への応用

著者と所属

  • Vaibhav Kumar Shukla University College London

  • Gogulan Karunanithy - University College London

  • D. Flemming Hansen - University College London and Francis Crick Institute

詳しい解説

本研究は、タンパク質の芳香族側鎖のNMR解析における技術的限界を打破する画期的な手法を提案しています。従来のNMR法では、13C-13Cスカラーカップリングによるシグナルの分裂や重なりのため、特に中大型タンパク質の芳香族側鎖の解析が困難でした。研究チームは、深層学習モデルFID-Net-2を開発し、2つの補完的なNMRデータを組み合わせることで、この問題を解決しました。FID-Net-2は単にスペクトルを処理するだけでなく、予測の不確実性も評価できる革新的な機能を備えています。この手法は7-40 kDaの範囲のタンパク質に適用可能で、特殊な同位体標識なしで芳香族側鎖の詳細な解析を可能にしました。本研究は、AIとNMRを組み合わせた新しい実験手法の開発という点で、今後のバイオNMR分野に大きな影響を与えると考えられます。

 生体組織の非侵襲的かつダイナミックなイメージングを実現する装着型インピーダンストモグラフィーシステム

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9139

生体組織のリアルタイムイメージングを実現する装着型デバイスを開発。摩擦帯電現象を利用した高精度な信号源と柔軟な電極を組み合わせ、安全で高品質な生体組織の断層撮影を可能にした。

事前情報

  • 生体組織のイメージングは医療診断や治療に重要

  • 従来のMRIやCTは大型で高コスト

  • 装着型デバイスへの需要が高まっている

  • 既存の装着型イメージング技術には様々な制限がある

行ったこと

  • 摩擦帯電現象を利用した高精度な電流源の開発

  • 生体適合性の高い柔軟電極の設計

  • インピーダンストモグラフィーシステムの構築

  • 画像再構成アルゴリズムの最適化

検証方法

  • タンクモデルでの基本性能評価

  • 健常者での筋肉運動の観察

  • 脂肪腫患者での病変部の検出

  • 骨折患者での微小損傷の同定

  • 医療支援ロボットとの統合実験

分かったこと

  • 4-5μAの微弱電流で安全な測定が可能

  • 空間分解能1mm/50mmを達成

  • 98.18%の画像再構成精度を実現

  • 3度の微小な腕の動きも検出可能

  • 様々な病変の検出が可能

研究の面白く独創的なところ

  • 摩擦帯電現象を利用した高品質な信号生成

  • 微弱電流での高精度イメージング

  • 柔軟で生体適合性の高い電極設計

  • 多様な応用可能性の実証

この研究のアプリケーション

  • リハビリテーション支援

  • 医療支援ロボットの制御

  • 非侵襲的な病変診断

  • スポーツトレーニング支援

  • ウェアラブルヘルスケア

著者と所属

  • Peng Yang 北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所

  • Zhong Lin Wang - 北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所、ジョージア工科大学

  • Xiangyu Chen - 北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所

詳しい解説

本研究は、生体組織を非侵襲的にイメージングできる新しい装着型デバイスを開発しました。このシステムの核となるのは、摩擦帯電現象を利用した高精度な電流源です。この電流源は従来の回路ベースのシステムでは達成できなかった高品質な信号を生成し、わずか4-5マイクロアンペアという微弱な電流で安全に測定を行うことができます。また、生体適合性の高い柔軟な電極と組み合わせることで、安定した測定を実現しています。
このシステムは筋肉の動きを高精度で検出できるだけでなく、脂肪腫や骨折などの病変も検出することができます。特に、医療支援ロボットと組み合わせることで、患者の動作意図を読み取ってサポートするという新しい応用も示されました。これにより、リハビリテーションや医療診断、日常的な健康管理など、幅広い分野での活用が期待されます。

最後に
本まとめは、フリーで公開されている範囲の情報のみで作成しております。また、理解が不十分な為、内容に不備がある場合もあります。その際は、リンクより本文をご確認することをお勧めいたします。