論文まとめ143回目 SCIENCE(科学) 2023/10/26～
2次元ボーズガスにおけるBKT遷移のダイナミクスを探る
電子による結晶構造の柔軟性変化の発見
腸のホルモン細胞の形成を制御する鍵となる遺伝子を発見
光を利用してアルコールの立体化学を効果的に制御
植物の根の「セキュリティーシステム」の秘密を解明
脳に触発されたチップ「NorthPole」の開発
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
Universal scaling of the dynamic BKT transition in quenched 2D Bose gases
2次元ボーズガスの動的BKT遷移の普遍的なスケーリング
「2次元のガスに寒さを加えると、特殊な超流動の状態へ変化します。これをBKT遷移と言います。この研究では、その遷移の動的な側面を、まるで科学者がガスの「スイッチ」を操作して、その変化を観察したかのように検証しました。」
Giant lattice softening at a Lifshitz transition in Sr2RuO4
Sr2RuO4におけるLifshitz遷移に伴う巨大な格子の軟化
「結晶の骨組みが電子の影響で柔らかくなることを、特定の物質で確認しました。これは、電子が建物の柱のような役割を果たし、その強さや配置が建物の強度に影響すると考えれば理解しやすいです。」
Unbiased transcription factor CRISPR screen identifies ZNF800 as master repressor of enteroendocrine differentiation
ZNF800が腸内ホルモン細胞の形成を制御する主要な抑制因子として特定された
「腸の中の特別な細胞が、私たちの体のホルモンをどのように作るのかを制御しているが、この研究でその細胞の「オン・オフ」スイッチの役割を果たす遺伝子が見つかった。」
Multiplicative enhancement of stereoenrichment by a single catalyst for deracemization of alcohols
単一の触媒による立体濃縮の倍増効果を用いたアルコールの異性化
「「魔法の光」を使って、ミラーイメージの化学物質を一方向に傾ける技術」
A dirigent protein complex directs lignin polymerization and assembly of the root diffusion barrier
ディリジェントタンパク質コンプレックスが根の拡散バリアのリグニン重合とアセンブリを指示する
「植物の根には動物の腸のように栄養分のバランスを保つバリアがあります。これは「カスパリアンストリップ」と呼ばれるリグニンベースの層で、この研究はそのバリアがどのように形成されるのかの謎を明らかにしました。」
Neural inference at the frontier of energy, space, and time
エネルギー、空間、時間の最前線でのニューラル推論
「この研究では、脳を模倣した新しいチップ「NorthPole」を開発し、従来のアーキテクチャよりも高い性能と効率を実現しました。」
要約
2次元ボーズガスの動的BKT遷移の普遍的なスケーリング
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abq6753
この研究では、2次元ボーズガスのBKT遷移を越えて超流動から正常相への変化を引き起こすクエンチによって引き起こされる普遍的な動態を検証しました。
事前情報
2次元の多体系を低温にすると、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)遷移と呼ばれる超流動相への遷移が生じる。これは3次元での一般的な遷移とは異なる。
行ったこと
研究者は2次元のルビジウム原子のボーズガスのBKT遷移を超えるクエンチのダイナミクスを研究しました。
検証方法
研究者は2Dガスを二分して密度を減少させ、クリティカルポイントを超えるクエンチを実現しました。その後、物質波干渉計を使用して局所的な位相のゆらぎを測定しました。
分かったこと
位相相関関数と渦密度の時間進化は普遍的なスケーリング法則に従うことが示されました。この結論は、古典的な場のシミュレーションと、実時間の再帰群理論を用いた解釈によって支持されています。
この研究の面白く独創的なところ
2次元のボーズガスの中で、実際にBKT遷移を超えるクエンチのダイナミクスを観察し、その普遍的な特性を確認するというアプローチを取りました。
この研究のアプリケーション
この研究の結果は、統計物理学における多体量子系の非平衡ダイナミクスの理解を進めるのに役立つでしょう。
Sr2RuO4におけるLifshitz遷移に伴う巨大な格子の軟化
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3348
結晶の中の電子の動きが、結晶構造の柔軟性、特にYoungの弾性係数にどのように影響するかを調査。結果として、特定の電子の遷移時に結晶構造の柔軟性が大きく変わることを発見。
事前情報
60年以上前、Lifshitzは、結晶格子が電子の影響で柔らかくなる可能性を示唆しましたが、その効果は小さく、確認されていませんでした。
行ったこと
超純度の金属Sr2RuO4を使い、電子のLifshitz遷移時にYoungの弾性係数の変化を計測。
検証方法
ピエゾベースの一軸圧力セルを使用してSr2RuO4の応力-ひずみ関係を計測しながら調節。
分かったこと
Lifshitz遷移における二次元フェルミ面の変化時に、Youngの弾性係数が大きく減少することが確認され、この現象が関連するエネルギーバンドの伝導電子によって完全に駆動されていることが示された。
この研究の面白く独創的なところ
以前は確認されていなかった電子による結晶格子の柔軟性の変化を、特定の条件下で大きく確認できた点。
この研究のアプリケーション
この研究の結果は、新しい種類の電子デバイスや材料の設計、特に電子的性質と構造的性質が密接に関連しているものに対する理解の向上に寄与する可能性があります。
ZNF800が腸内ホルモン細胞の形成を制御する主要な抑制因子として特定された
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adi2246
腸のホルモンを産生する細胞の形成メカニズムを明らかにするため、CRISPR技術を用いた遺伝子スクリーニングを行い、ZNF800遺伝子がこの細胞の形成を主要に制御することを発見
事前情報
腸のホルモンを産生する細胞（EECs）は、消化器官の上皮に存在し、代謝に関与するさまざまなホルモンを生産する。しかし、成人の幹細胞からのEECsの形成効率が低いため、このネットワークの構成要素を明らかにするのは難しい
行ったこと
成人の小腸オルガノイドを用いて、EECsの分化を制御する転写因子の全体的なスクリーニングをCRISPRを使用して実施
検証方法
最適化されたヒト小腸オルガノイド培養系を使用して、EECsの分化を調節する転写因子の無偏の、系統的なスクリーニングを行った
分かったこと
ZNF800は、特にPAX4を中心としたホルモン転写因子ネットワークを直接制御することで、エンドクリン系の細胞の運命を抑制する主要な因子であること
この研究の面白く独創的なところ
ヒトのオルガノイドを利用したCRISPRベースの機能的スクリーニング技術を用いて、腸の生理・病態に関連する新たな調節因子を発見した点
この研究のアプリケーション
この発見は、腸のホルモン産生機能の異常が関与する病態の解明や治療法の開発に寄与する可能性がある
単一の触媒による立体濃縮の倍増効果を用いたアルコールの異性化
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0040
この研究では、光駆動の異性化プロトコルを利用して、単一のキラル触媒が２つのメカニズム的に異なるステップ、C–C結合の切断とC–C結合の形成を効果的に行い、立体選択的な反応を達成する方法を報告しています。
事前情報
立体化学の濃縮は、不利なエントロピック効果や微視的可逆性の原則を克服しなければならない。最近では、光のエネルギー入力によって明らかになった光化学的な反応経路がこの目的のための革新をもたらしている。
行ったこと
キラルなリン酸やビスオキサゾリンで調整されたチタン触媒のリガンドから金属への電荷移動励起を使用して、隣接して完全に置換された立体的な中心を有するレースミックアルコールを立体的に濃縮しました。
検証方法
連続的なラジカル媒介の結合切断と共通のプロキラル中間体を通じた結合形成の経路のメカニズム的な調査を行いました。
分かったこと
全体の立体濃縮が高いにもかかわらず、各ステップの選択性は中程度であることがわかりました。
この研究の面白く独創的なところ
一つのキラル触媒を使用して、光駆動のプロトコルで二つのメカニズム的に異なる反応ステップを効果的に行い、高い立体選択性を達成した点。
この研究のアプリケーション
新しい薬物や高度に機能的な化合物の合成における立体選択性の向上や、異性化プロセスの効率化への応用が期待される。
ディリジェントタンパク質コンプレックスが根の拡散バリアのリグニン重合とアセンブリを指示する
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adi5032
植物の根には、栄養のバランスを制御するリグニンベースのバリア、カスパリアンストリップが存在します。この研究では、カスパリアンストリップでのリグニンの合成を制御するディリジェントタンパク質の家族を発見しました。リグニンの合成は二段階のプロセスで行われ、このタンパク質はその初期段階での合成を指示しています。
事前情報
カスパリアンストリップは、栄養バランスを制御するための植物根のリグニンベースの拡散バリアですが、その形成や機能の詳細は完全には解明されていませんでした。
行ったこと
カスパリアンストリップのリグニン合成を制御するディリジェントタンパク質の家族を特定し、その機能と作用機構を研究しました。
検証方法
ディリジェントタンパク質の家族がリグニンの重合にどのように関与しているのかを実験的に調査し、さらにそれがカスパリアンストリップの形成にどのように影響しているのかを分析しました。
分かったこと
ディリジェントタンパク質はカスパリアンストリップのリグニン合成の初期段階で重要な役割を果たしており、リグニンの重合を指示し、カスパリアンストリップが正しく機能するためにはこのタンパク質の家族とSchengen経路との協力が必要であることが明らかとなりました。
この研究の面白く独創的なところ
従来未知だった植物の根のバリア機構の一部を解明し、その形成においてディリジェントタンパク質が中心的な役割を果たしていることを発見しました。
この研究のアプリケーション
この発見は、植物の成長や栄養摂取を最適化するための新しいアプローチや、特定の栄養素の取り込みを制御する方法の開発に役立つ可能性があります。
エネルギー、空間、時間の最前線でのニューラル推論
ttps://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh1174
「NorthPole」というニューラル推論アーキテクチャが開発され、従来のオフチップメモリを排除し、オンチップで計算とメモリを統合することで、高い性能と効率を実現しました。
事前情報
人々が毎日処理し、世界中に送信するデータの量は驚異的です。しかし、それに伴うエネルギーコストは高く、エネルギー効率の良いデバイスの設計が求められています。
行ったこと
脳に触発され、シリコンに最適化された「NorthPole」という新しいニューラル推論アーキテクチャを開発しました。
検証方法
ResNet50とYolo-v4というベンチマーク画像分類ネットワークを使用して、NorthPoleの性能、エネルギー効率、および領域効率を評価しました。
分かったこと
「NorthPole」は、12ナノメートルの技術プロセスを使用するGPUと比較して、エネルギー、空間、時間の指標で優れた性能を達成しました。
この研究の面白く独創的なところ
従来のコンピューティングとは異なり、計算とメモリをオンチップで統合することで、高い性能と効率を実現した点が独創的です。
この研究のアプリケーション
この「NorthPole」アーキテクチャは、エネルギー効率の高いデバイスの設計や、大量のデータを処理するアプリケーションにおいて、新しいアプローチとして利用される可能性があります。
最後に
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