論文まとめ82回目 NATURE(科学) 2023/8/30
「電気ウナギに触発されたミニチュアのバイオコンパチブル電源!」
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
High-resolution landscape of an antibiotic binding site
抗生物質結合部位の高解像度景観
「この研究は、簡単に言うと、抗生物質がバクテリアに対してどれだけ"強くパンチを打てるか"を科学的に解析しています。いくつかの突然変異は抗生物質をスーパーヒーローに変え、他のいくつかはその力を奪います。さらに驚くべきことに、早すぎるRNAポリメラーゼは、バクテリアが"速すぎて自分でつまずく"という現象も起こしています！これはまさに、微生物の世界でのドラマです！」
Widespread retreat of coastal habitat is likely at warming levels above 1.5 °C
温暖化レベルが1.5℃を超えると、沿岸生息地の広範な後退が起こる可能性がある。
「海が上がってきてるよね？でも、マングローブやサンゴ礁ってのはその上昇に何とか耐えようと頑張ってるんだよ。でも、どれだけ頑張れるかはわかんなかった。そこで、研究者が昔のデータと今のデータを見て「うーん、年間で海が7mm以上上がったら、もうダメかも」と結論。だから、海岸が大事な人たちは、この数字を頭に入れておくといいよ。ちなみに、全く新しい方法でこれを調査してて、すごく役に立つデータができたから、みんなで使って問題を解決しよう！」
Anthropogenic fingerprints in daily precipitation revealed by deep learning
ディープラーニングによって明らかになった日降水量の人為的指紋
「この研究は、AIが天気予報師のようになって、「おおっと、ここで温暖化の影響をキャッチ！」と日々の天気から大きな変動を見つけ出すスーパー探偵活動をしています。短い話、AIが天気と温暖化の関係を解き明かして、未来の災害対策に使える情報を提供してくれるんです。」
A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity
マイクロスケールのソフトイオン電源が神経細胞ネットワークの活動を調節する
「よく聞いてよ、これはすごいんだ！電気ウナギを見て研究者たちはひらめいたんだよ。ウナギのようにイオンでビリビリする小さな電源を作って、それを使ってマウスの脳を刺激したんだ！これで将来は、大きな電池なんて要らないよ。体の中にこれを入れれば、必要な部分だけをピンポイントで刺激できるからさ。どうだ、すごいだろ？」
Indistinguishable telecom band photons from a single Er ion in the solid state
固体状態の単一Erイオンからの区別可能なテレコムバンド光子
「量子通信の未来を形作るためには、「量子リピーター」という中継器が必要です。これまでの技術ではまだうまくいかない点があったのですが、今回の研究で、新しい素材を使ってその問題を解決しました！具体的には、「Er3+イオン」を特別な石「CaWO4」に入れたところ、量子通信での「ゴースト」（干渉）がぐっと減って、きれいな信号が送れるようになったんです。要するに、これで「量子インターネット」の基盤がグンと進展するってわけです！」
LTP induction by structural rather than enzymatic functions of CaMKII
CaMKIIの酵素的機能よりもむしろ構造的機能によるLTP誘導
「脳の中で「学びと記憶の鍵」とされていた酵素、それが「鍵職人」でなく「ドアマン」だったらどうでしょう？この研究はまさにそんな驚きをもたらしています。何十年もの間、「鍵職人（酵素）」と信じられていたこの成分が、実は「ドアマン（構造的な役割）」として大切な仕事をしているかもしれないんですよ。この発見が、未来の「脳トレーニング」や「記憶強化薬」に革命をもたらすかもしれません！」
要約
抗生物質結合部位の高解像度景観
この研究は、抗生物質のリファンピシンがE. coliのRNAポリメラーゼ酵素とどのように相互作用するかを探っています。総合的な遺伝的マッピングによって、リファンピシンをより有力または効果が低いものにする突然変異を特定しました。
①事前情報 :
リファンピシンは、バクテリアのRNAポリメラーゼ（RNAP）を標的としており、高頻度の耐性が知られています。それにもかかわらず、その結合部位の理解は不完全でした。
②行ったこと :
研究者は、Multiplex Automated Genome Engineering（MAGE）を用いて、E. coliのRNAポリメラーゼ上のリファンピシン結合部位を特定的に対象とした760の単残基突然変異体を生成しました。
③検証方法 :
遺伝的マッピングには、MAGEとシーケンシングが組み合わされました。これにより、正の選択の制限を回避し、Rif結合部位のより包括的なビューを提供できました。
④分かったこと :
彼らは、突然変異がリファンピシンの有効性に大きく影響を与えるαヘリックス領域（rpoB 521–526）を見つけました。特定の突然変異は、リファンピシンをDNA損傷を引き起こす細菌致死剤に変えることができます。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
研究は、リファンピシンに耐性を持つだけでなく、その効力を高め、その機構を細菌の成長を阻害するものから細菌を直接殺すものに変える突然変異を明らかにしています。また、速いRNAポリメラーゼは有害であり有益な二重の効果を持つことも示しています。
応用先
これらの突然変異を理解することで、より効果的な抗生物質治療につながり、抗生物質耐性のバクテリアに対する解決策を提供する可能性があります。
温暖化レベルが1.5℃を超えると、沿岸生息地の広範な後退が起こる可能性がある。
この研究は、潮間帯と干潟、マングローブ、サンゴ礁などの海岸生態系が、人為的な気候変動とそれによる海面上昇にどれだけ耐えられるかを調査しています。
①事前情報 :
海岸生態系は気候変動と海面上昇に対する耐性があるとされているが、その限界は明確でない。
②行ったこと :
海岸生態系は気候変動と海面上昇に対する耐性があるとされているが、その限界は明確でない。
③検証方法 :
過去の地質学的記録、現在の地面高さ調査、および現代の生態系の変化に関するデータを組み合わせて分析しました。
④分かったこと :
海面上昇が年間4mm以上になると、海岸生態系が崩壊する可能性が高く、7mm以上になるとほぼ確実です。
⑤独創的なところ :
過去の地質学的データと現代の観測データを組み合わせて、生態系の「安全な運用範囲」を明らかにした点です。
応用
海岸保全、災害対策、都市計画、気候変動対策政策などに具体的なデータを提供できる。
ディープラーニングによって明らかになった日降水量の人為的指紋
https://www.eurekalert.org/news-releases/1000064
この研究は、ディープラーニング（特に畳み込みニューラルネットワーク）を使って、日々の降水量が温暖化にどう影響されているかを調査しています。
事前情報
既存の研究では、人為的な影響による降水変動を確認するのが難しいとされています。特に、短期間の気象の変動が大きく、その影響を見つけるのは一筋縄ではいきません。
行ったこと
大量の気象モデルデータと全球平均気温を用いて、畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を訓練しました。
検証方法
訓練したモデルを実際の観測データに適用し、その結果が自然変動からどれだけ逸脱しているかを評価しました。
分かったこと
特定の地域（熱帯東太平洋、中緯度の嵐の通り道）での短期間（10日未満）の降水変動が、人為的な温暖化に最も敏感であることが明らかになりました。
この研究の面白く独創的なところ
ディープラーニングを用いて、日々の降水量のデータから温暖化の影響を見つける新しい方法を開発しました。
応用
災害対策、都市計画、農業などで、より正確な気象予測と対策が可能になります。
マイクロスケールのソフトイオン電源が神経細胞ネットワークの活動を調節する
この研究では、生物組織を微小スケールで刺激するための小型で、バイオコンパチブルな柔軟な電源を作成することを目的としています。
①事前情報：
従来の電源（例：電池）は生物組織の微小スケールでの刺激には適していない。電気ウナギの電気器官はイオンを使って電気を生成する、イオン電源を作成するインスピレーションとなる。
②行ったこと：
研究者は、内部イオン勾配を利用してエネルギーを生成するナノリットルのリピッドサポートされたハイドロゲルの滴を用いた小型の柔軟な電源を設計しました。
③検証方法：
この電源の効果は、三次元の神経微細組織とex vivoのマウス脳スライスでの神経ネットワーク活動を成功裏に調整することで示されました。
④分かったこと：
この電源の効果は、三次元の神経微細組織とex vivoのマウス脳スライスでの神経ネットワーク活動を成功裏に調整することで示されました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
リピッドサポートされたハイドロゲル滴とイオン勾配を用いてバイオコンパチブルな電源を生み出した点は新規性がある。さらに、既存の電気ウナギに触発された設計に比べて電源ユニットの体積を105倍以上縮小した。
応用
この技術は、標的とした薬物の送達、深部組織の刺激、または大きな電池を必要とせずに心臓ペースメーカーなどの医療インプラントを動かすために使用できる。
固体状態の単一Erイオンからの区別可能なテレコムバンド光子
研究者は、量子リピーターネットワークの課題を克服するために、Er3+イオンを特殊な材料であるCaWO4に埋め込むことに成功しました。これにより、光スペクトルの拡散が減少し、より正確な光子の放出が可能になり、長距離での信頼性のある量子通信の道を開いた。
①事前情報：
量子リピーターネットワークは、長距離量子通信に不可欠です。希土類イオン、特にEr3+は有望だが、光スペクトルの拡散によって光子生成が阻害されています。
②行ったこと：
研究者は、非極性サイト対称性、低い核スピンからの非凝縮、そして希土類イオンのバックグラウンドがない材料であるCaWO4にEr3+イオンを埋め込みました。
③検証方法：
大きなパーセル因子を持つナノフォトニックキャビティに浅く埋め込まれたイオンを結合させました。光の線幅とスペクトル拡散に関する観察が行われ、36 kmの遅延線を使用してHong–Ou–Mandel干渉が研究されました。
④分かったこと：
150 kHzの光線幅と長期的なスペクトル拡散は63 kHzに達し、これはパーセル強化放射線線幅の21 kHzに近い結果でした。また、光子干渉の可視性がV = 80(4)%であることも観測されました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
CaWO4をホスト材料として使用することは新しいアプローチであり、達成されたスペクトル拡散と線幅のパラメータは驚くべきことに理論的な制限に非常に近いため、重要な成果と言えます。
応用
この技術は、安全な情報伝送に必要な、長距離かつ高忠実度の量子通信ネットワークを構築するための礎石となる可能性があります。
CaMKIIの酵素的機能よりもむしろ構造的機能によるLTP誘導
この研究は、学習と記憶に必須なプロセス、長期増強（LTP）における酵素CaMKIIの役割を再評価しています。以前の研究では、CaMKIIの酵素活性がLTPに不可欠だとされていました。しかし、この新しい研究では、その構造的な役割が実際には重要かもしれないと提案しています。
事前情報
過去三十年以上にわたり、学習と記憶に重要な脳の領域である海馬において、CaMKIIの酵素活性が長期増強（LTP）を誘導するために必要だと信じられていました。
行ったこと
研究者は新しい光学・薬学的手法を用いて、LTP誘導の過程でのCaMKIIの酵素活性と構造的な機能を別々に調査しました。
検証方法
CaMKIIの酵素活性や構造的な機能を阻害するために、異なる阻害剤と遺伝子改変が用いられました。
分かったこと
この研究は、長期増強（LTP）はCaMKIIの酵素活性よりもその構造的な機能を通じて誘導される可能性が高いという結果を発表しました。これは、何十年もの信念に挑戦するものです。
この研究の面白く独創的なところ
この研究は、巧妙にCaMKIIの構造的な役割と酵素活性を分離し、神経科学において長らく信じられてきた仮説が見落としに基づいている可能性を明らかにしています。
応用
この結果は、CaMKIIの構造的機能をターゲットにした新しい学習と記憶の強化方法、または神経変性疾患の治療法の開発につながる可能性があります。
この画期的な進歩により、必須の記憶機能に影響を与えることなくアルツハイマー病を標的にできる新しい種類の CaMKII 阻害剤への道が開かれます。バイエルの研究室は、酵素CaMKIIを阻害すると、アルツハイマー病に関連するアミロイドベータ斑の壊滅的な影響に対抗できることを以前に示していた。
最後に
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