理系論文まとめ29回目 SCIENCE 2023/7/21 ~ 2023/7/20
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。
大規模地震の予知はできるかも！
一口コメント
The genetic architecture and evolution of the human skeletal form
ヒト骨格の遺伝的構造と進化
「ディープラーニングを用いて人間の骨格形状とその遺伝的基盤を解析し、その進化と疾患との関連を明らかにしました。」
Ecology-relevant bacteria drive the evolution of host antimicrobial peptides in Drosophila
生態に関連した細菌がショウジョウバエの宿主抗菌ペプチドの進化を促進する
「抗菌ペプチドの進化は、宿主が自身の微生物環境に適応するための重要なメカニズムであることを明らかにしました。」
Immune-mediated denervation of the pineal gland underlies sleep disturbance in cardiac disease
松果体の免疫介在性脱神経が心疾患における睡眠障害の背景にある
「心臓病に伴う睡眠覚醒周期の乱れとメラトニンレベルの低下は、上位頸部神経節の炎症性マクロファージの蓄積と特異的な神経細胞の喪失に起因することが示されました。」
In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production
電気と水素製造のためのin situ光触媒強化熱ガルバニック電池
「光触媒により酸化還元反応を強化し、水素と酸素を生成することで熱エネルギーを電気に高効率変換する新型熱ガルバニ電池を開発しました。」
The precursory phase of large earthquakes
大地震の前兆現象
「GPSデータを用いて全球的な探求を行い、大地震は予兆的なスリップ期間で始まることを示し、地震予知の可能性を広げる新たな一歩を示しました。」
Fluorochemicals from fluorspar via a phosphate-enabled mechanochemical process that bypasses HF
HFをバイパスするリン酸塩を利用したメカノケミカルプロセスによる蛍石からのフッ素化学製品
「骨生成に触発された新たな方法でフルオロケミカルを鉱石から直接生成し、フッ素化合物の製造に新たな道を開きました。」
要約
ヒト骨格の遺伝的構造と進化
The genetic architecture and evolution of the human skeletal form | Science
この研究では、ディープラーニングモデルを使用して人間の骨格形状に影響を与える特定の遺伝子変異を特定し、人間の解剖学的変化の主要な進化的側面を病原性と結びつけました。
①事前情報 :
人間は特有の骨格形態により、二足歩行の大型類人猿となっています。個々の骨の成長の遺伝的基盤とその進化を調べることは、限られたサンプルサイズのために難しい課題でした。
②行ったこと :
ディープラーニングモデルをUKバイオバンクからの31,221の全身二重エネルギーX線吸収測定法（DXA）画像に適用し、身長を制御しながら、全ての長骨の長さと股関節および肩幅を含む23の異なる画像由来の表現型を抽出しました。
③検証方法 :
すべての骨格の比率（SP）の遺伝的影響を解析し、これらの特性のゲノムワイド関連研究から145の独立した座位を特定しました。また、遺伝的相関とゲノム構造方程式モデリングを用いて、四肢の比例が広さや胴体の比例とは遺伝的に独立していることを示しました。
④分かったこと :
これらの座位は、骨格の発達を調節する遺伝子、稀な人間の骨格疾患と関連がある遺伝子、そして異常なマウスの骨格表現型と関連がある遺伝子で豊富でした。さらに、特定の領域の骨格比率と、その領域の骨関節炎との間に特定の関連性が見られました。また、人間特異的な進化の遺伝的証拠も見つかりました。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
これまで主に動物モデルや比較ゲノミクスを通じて検討されてきた骨格形態の遺伝的影響を、ディープラーニングを用いて全身のDXA画像から解析した点にあります。
応用先
骨関節炎などの骨格疾患のリスク評価や予防、治療法の開発に役立つ可能性があります。また、進化生物学的な視点からも人間の骨格形状の変化を理解するための一助となります。
生態に関連した細菌がショウジョウバエの宿主抗菌ペプチドの進化を促進する
Ecology-relevant bacteria drive the evolution of host antimicrobial peptides in Drosophila | Science
この研究は、果実の飛び散りにおいて、特定の環境微生物に対する免疫系の適応を示す実験的証拠を提供します。
①事前情報 :
抗菌ペプチド（AMP）は、感染と闘うための役割で最初に特徴づけられた宿主エンコード免疫エフェクターです。AMPは、植物と動物の両方で宿主の微生物叢の組成を決定する上で重要です。AMPの迅速な進化が多くの研究で示されていますが、その進化を駆動する選択圧についてはほとんどわかっていません。
②行ったこと :
我々は、ハエがこの相互作用マイクロビームをコントロールする方法を説明するAMP遺伝子を特定するために、最近作られた果実ハエAMP変異体をAcetobacter sppに対する感染防御のためにスクリーニングしました。
③検証方法 :
DptAとDptBの存在と多型状態だけを使用して、P. rettgeriとAcetobacterに対する宿主の感染抵抗を予測しました。これには、DptA様遺伝子の多様性を持つ種と、DptB有無のDrosophila melanogasterとキノコを餌にするハエが含まれていました。
④分かったこと :
この研究では、宿主と微生物の共進化ではなく、宿主がその免疫レパートリーを環境微生物に適応させたという、一方向の進化ダイナミクスが描かれています。これは、AMP遺伝子家族に共通する急速な進化の爆発の背後にある進化的な論理を説明するのに役立ちます。
応用
この研究は、抗菌ペプチドの特定の形態が特定の微生物に対する防御にどのように重要であるかを示しています。したがって、感染症の予防や治療のための新しいアプローチの開発に役立つ可能性があります。
松果体の免疫介在性脱神経が心疾患における睡眠障害の背景にある
心臓病によって睡眠-覚醒サイクルが乱れ、メラトニンレベルが低下する原因を追究した結果、炎症性マクロファージの蓄積と共に、松果体を支配する神経細胞が特異的に失われることが明らかとなりました。
事前情報
心臓病にはしばしば睡眠覚醒周期の乱れやメラトニンレベルの低下が伴いますが、その根本的な原因は不明でした。
行ったこと
心臓病を持つヒトとマウスの松果体を用いて、その交感神経を免疫染色し、解析しました。
検証方法
空間的、単細胞、核およびバルクRNAシーケンシングを用いて、松果体の神経変性の起源を上位頸部神経節（SCG）まで遡りました。また、SCG内のマクロファージを枯渇させることで、松果体の神経変性を防ぎ、メラトニン分泌を正常化することができるか試みました。
分かったこと
心臓病が進行するとSCGに炎症性マクロファージが蓄積し、線維化が進行し、松果体を支配する神経細胞が特異的に失われることが明らかとなりました。また、SCG内のマクロファージを枯渇させることで、松果体の神経変性を防ぎ、メラトニン分泌を正常化することができました。
この研究の面白く独創的なところ
心臓病と睡眠覚醒周期の乱れの間の機構を初めて明らかにした点が注目に値します。また、マクロファージの枯渇によりメラトニン分泌が正常化したことから、新たな治療ターゲットが示唆されました。
応用
この研究は、心臓病に伴う睡眠覚醒周期の乱れやメラトニン分泌の低下の治療法の開発に貢献できる可能性があります。
電気と水素製造のためのin situ光触媒強化熱ガルバニック電池
光触媒により酸化還元イオンの濃度勾配を作り出す新たな熱ガルバニ電池の開発を行い、効率的な熱エネルギーからの電力変換を可能にしました。
①事前情報：
熱ガルバニ電池は熱エネルギーを電気に変換することができるが、その効率は酸化還元イオンの低い濃度勾配によって制約されています。
②行ったこと：
光触媒を使用して酸化還元反応を強化し、水素と酸素を生成することで、熱ガルバニ装置内で酸化還元イオンの連続的な濃度勾配を実現しました。
③検証方法：
装置の設計原理として、熱電力と水素生成率の間の線形関係を確立しました。さらに、大面積の発電器（112平方センチメートル、36ユニット）を作成し、実際に屋外で動作させることで、システムの性能を評価しました。
④分かったこと：
システムは、熱電力8.2ミリボルト/ケルビン、太陽光から水素への効率最大0.4%を実現しました。また、大面積の発電器は開放回路電圧4.4ボルト、出力20.1ミリワットを達成し、6時間の屋外稼働後には水素0.5ミリモル、酸素0.2ミリモルを生成しました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
光触媒を用いた熱ガルバニ電池の開発は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する新たなアプローチを提供します。特に、酸化還元イオンの連続的な濃度勾配の生成は画期的であり、熱エネルギーの効率的な利用を可能にします。
応用
この技術は、熱エネルギーを利用して電力を生成する各種アプリケーション、例えば廃熱回収システムや太陽熱発電に応用可能です。
大地震の前兆現象
The precursory phase of large earthquakes | Science
大地震前に断層上で観察可能な予兆的なスリップが存在するかどうかを探求し、大地震は約2時間の予兆的なスリップ期間で始まることを発見しました。
①事前情報：
大地震の前に断層上で予兆的なスリップ（微小なずれ）が存在するかどうかについては長年議論されてきました。しかし、これまで提案されてきたいくつかの観察結果は、大地震の直前には見られず、また大半の地震前には観察されず、さらに地震が起こらない場合にもよく観察されています。
②行ったこと：
我々は、GPSデータを用いて短期的な予兆的スリップを探すための全球的な調査を行いました。
③検証方法：
90回（モーメントマグニチュード≧7）の地震の48時間前に、3026の高速GPS時系列によって測定された変位を合計し、これを震源で予想される予兆的スリップの方向に投影しました。
④分かったこと：
このアプローチにより、地震の発生前に約2時間の指数関数的なスリップの加速が明らかになり、大地震は予兆的なスリップのフェーズで始まることが示唆されました。さらに、測定の精度と密度を向上させることで、これらの予兆的なスリップをより効果的に検出し、監視することが可能になると考えられます。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
大地震の前に予兆的なスリップが存在するという、長年にわたる仮説を全球的なGPSデータを用いて検証した点が特筆すべきです。また、その結果、大地震は約2時間の予兆的なスリップ期間で始まることを示す新たな知見を得ることができました。
応用
この研究は、地震の予知や地震予防に貢献する可能性があります。具体的には、測定精度と密度を向上させることで、大地震前の予兆的なスリップを効果的に検出し、それにより地震の発生を予知することが可能になるかもしれません。
HFをバイパスするリン酸塩を利用したメカノケミカルプロセスによる蛍石からのフッ素化学製品
フルオロケミカルをフルオスパー（鉱石）から直接生成する新たな方法を提案しました。これは、骨生成などで知られるカルシウムリン酸塩の生成過程に触発された方法です。
事前情報
すべてのフルオロ化合物は、毒性と腐食性を持つガス、フッ化水素（HF）から作られます。HFは厳しい条件下でフルオスパー（CaF2が97%以上）と硫酸とを反応させることで生成されます。フルオスパーを使用してHFをバイパスするプロセスでフルオロ化合物を生成することは望ましいが、CaF2の溶解性が極めて低いため未解決の問題でした。
行ったこと
我々は、骨生成などで知られるカルシウムリン酸塩の生成過程に触発され、酸性フルオスパーを二水酸化リン酸カリウム(K2HPO4)と機械化学的条件下で処理するプロトコルを開発しました。
検証方法
フルオスパーを二水酸化リン酸カリウムと機械化学的条件下で処理し、生成される固体の成分と性質を分析しました。
分かったこと
この処理により、結晶性のK3(HPO4)FおよびK2−xCay(PO3F)a(PO4)bが含まれる固体が生成され、これは硫黄-フッ素および炭素-フッ素結合の形成に適していることが判明しました。
この研究の面白く独創的なところ
生物学（骨生成）からのヒントを化学（フルオロ化合物の合成）に応用した点が新しい。また、鉱石（フルオスパー）から直接フルオロ化合物を生成するという新たなルートを開拓したことが独創的である。
応用
この研究は、フッ素化合物をより安全かつ効率的に生成する新たな合成法として応用される可能性があります。フッ素化合物は、製薬、農業、高性能材料など、多くの重要な産業で使用されています。
最後に
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