論文まとめ303回目 Nature 性差はアンドロゲンによって単一細胞レベルで制御されている！？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
Sex differences orchestrated by androgens at single-cell resolution
単一細胞解像度でアンドロゲンによって制御される性差
「性差は哺乳類の複雑な形質に普遍的に存在し、アンドロゲンと密接に関連していますが、性差とアンドロゲンによる調節を分子・細胞レベルでプロファイリングした研究はまだありませんでした。そこで、この研究ではマウスの17組織から230万個以上の細胞の高次元単一細胞トランスクリプトーム地図を構築し、性別とアンドロゲンが分子プログラムと細胞集団に与える影響を探索しました。特に、グループ2自然リンパ球などの性差のある免疫遺伝子発現と免疫細胞集団がアンドロゲンによって調節されていることがわかりました。UK Biobankデータセットとの統合解析により、性差のある疾患に対する潜在的な細胞ターゲットと抗原提示における危険遺伝子の濃縮が明らかになりました。本研究は、アンドロゲンによって制御される性差の理解の基礎を築き、性差のある疾患に対する幅広い治療戦略としてアンドロゲン経路を標的とする重要な証拠を提供するものです。」
Force-controlled release of small molecules with a rotaxane actuator
ロタキサンアクチュエーターを用いた力制御による小分子の放出
「ロタキサンという機械的に結合した分子を使って、外力によって小分子を順番に放出することに成功した画期的な研究です。ロタキサンは環状分子が軸分子に通された構造をしており、外力によって環状分子が軸に沿って移動することで、軸上に付けられた小分子を次々と切り離して放出できます。この技術は薬物送達やセルフヒーリング材料など、幅広い応用が期待されます。」
Ghost roads and the destruction of Asia-Pacific tropical forests
アジア太平洋地域の熱帯雨林破壊と「ゴーストロード」
「ゴーストロードとは、公式の地図には載っていない違法または非公式に建設された道路のことです。本研究では、ボルネオ島、スマトラ島、ニューギニア島における約140万㎢の地域を対象に、ゴーストロードの分布と森林破壊への影響を調査しました。
訓練されたボランティアによる7,000時間以上の集中的な道路マッピング作業の結果、既存の主要な世界道路データベースと比較して、3.0倍から6.6倍もの道路が発見されました。ゴーストロードの多くは、大規模なアブラヤシやパルプ材のプランテーション、原生林、非プランテーション農業の中に存在していました。
38の潜在的な生物物理学的および社会経済的な共変量の中で、道路密度が森林破壊と最も強く相関していることが明らかになりました。道路密度と森林破壊の関係は非線形であり、道路が景観に侵入した直後に森林破壊のピークを迎え、道路が増えるにつれて減少していきます。
また、保護区内の道路密度が低いことを考慮すると、保護区が森林破壊を防ぐ追加的な効果はわずかであることが分かりました。これは、保護区の最も重要な自然保護機能が、道路の侵入とそれに伴う環境破壊を制限することであることを示唆しています。
さらに、12の大規模な土地区画の時系列分析により、道路建設が森林破壊に先行していることが明らかになりました。」
Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistorsアモルファスp型トランジスタ用セレン添加テルル酸化物
「アモルファス半導体は、結晶性半導体に比べて低コストで簡便かつ均一な製造が可能ですが、従来のアモルファスシリコンでは電気特性が不十分でした。アモルファスn型金属酸化物が開発され、薄膜トランジスタ(TFT)に応用されたことで、大面積エレクトロニクスや新世代ディスプレイの発展が加速しました。しかし、同等の性能を持つp型材料の開発が遅れており、CMOSテクノロジーや集積回路の進歩を妨げていました。この研究では、高移動度のテルルをアモルファステルル亜酸化物マトリックスに組み込むという独自の設計戦略を導入し、高性能で安定したp型TFTと相補回路を実証しました。理論解析により、テルル5pバンドに由来する非局在化した価電子帯と浅いアクセプター状態が明らかになり、過剰なホールドーピングと輸送を可能にしました。セレン添加によりホール濃度が抑制され、p軌道の連結性が向上し、平均電界効果ホール移動度が約15 cm2 V-1 s-1、オン/オフ電流比が106〜107のp型TFTが実現され、ウェハースケールの均一性とバイアスストレスや環境劣化に対する長期安定性も示されました。この研究は、商業的に実現可能なアモルファスp型TFTテクノロジーと低コストで業界互換性のある相補型エレクトロニクスの確立に向けた重要な一歩となります。」
ROS-dependent S-palmitoylation activates cleaved and intact gasdermin D
活性酸素依存的なS-パルミトイル化は切断型と全長型のガスダーミンDを活性化する
「ガスダーミンDは炎症性細胞死であるパイロトーシスの実行因子ですが、その活性化にはタンパク質の切断だけでなく、脂質修飾であるパルミトイル化が必要であることが明らかになりました。驚くべきことに、切断を受けない全長のガスダーミンDもパルミトイル化を受けると膜孔形成能を獲得します。この発見は、ガスダーミンDの活性制御機構に新たな視点をもたらし、炎症や感染症の理解を深める上で重要です。」
Emergence of fractal geometries in the evolution of a metabolic enzyme
代謝酵素の進化におけるフラクタル構造の出現
「この研究は、シアノバクテリアの代謝酵素であるクエン酸合成酵素が、自己組織化によってシェルピンスキーのフラクタル構造を形成することを発見し、その構造的特徴と進化的起源を明らかにしました。フラクタルは自然界の至るところに見られる構造ですが、分子レベルでのフラクタル形成は人工的なシステムでしか知られていませんでした。本研究では、クエン酸合成酵素が6量体を基本単位として18量体、54量体へと自己集合し、シェルピンスキー三角形のフラクタル構造を形成することを構造解析により明らかにしました。さらに祖先配列の再構成により、わずか1アミノ酸の置換によってフラクタル形成能が進化したことを示しました。この発見は、タンパク質が形成可能な構造の多様性を広げるとともに、複雑で精巧な分子集合体が進化的に容易に生じうることを示唆しています。」
要約
性差はアンドロゲンによって単一細胞レベルで制御されている
この研究は、マウスの17組織から230万個以上の細胞の高次元単一細胞トランスクリプトーム地図を構築し、性別とアンドロゲンが分子プログラムと細胞集団に与える影響を探索したものです。その結果、グループ2自然リンパ球などの性差のある免疫遺伝子発現と免疫細胞集団がアンドロゲンによって調節されていることがわかりました。また、UK Biobankデータセットとの統合解析により、性差のある疾患に対する潜在的な細胞ターゲットと抗原提示における危険遺伝子の濃縮が明らかになりました。
事前情報
・性差は哺乳類の複雑な形質に普遍的に存在し、アンドロゲンと密接に関連している
・性差とアンドロゲンによる調節を分子
・細胞レベルでプロファイリングした研究はまだない
行ったこと
・マウスの17組織から230万個以上の細胞の高次元単一細胞トランスクリプトーム地図を構築
・性別とアンドロゲンが分子プログラムと細胞集団に与える影響を探索
・UK Biobankデータセットとの統合解析を実施
検証方法
単一細胞RNA-seqを用いてマウスの17組織から230万個以上の細胞の高次元単一細胞トランスクリプトーム地図を構築し、性別とアンドロゲンが分子プログラムと細胞集団に与える影響を探索しました。また、UK Biobankデータセットとの統合解析により、性差のある疾患に対する潜在的な細胞ターゲットと抗原提示における危険遺伝子の濃縮を調べました。
分かったこと
・グループ2自然リンパ球などの性差のある免疫遺伝子発現と免疫細胞集団がアンドロゲンによって調節されている
・UK Biobankデータセットとの統合解析により、性差のある疾患に対する潜在的な細胞ターゲットと抗原提示における危険遺伝子の濃縮が明らかになった
この研究の面白く独創的なところ
マウスの17組織から230万個以上という大規模な単一細胞トランスクリプトーム地図を構築し、性別とアンドロゲンが分子プログラムと細胞集団に与える影響を網羅的に探索した点が独創的です。また、UK Biobankデータセットとの統合解析により、性差のある疾患に対する潜在的な細胞ターゲットと抗原提示における危険遺伝子の濃縮を明らかにした点も興味深いです。
この研究のアプリケーション
本研究は、アンドロゲンによって制御される性差の理解の基礎を築き、性差のある疾患に対する幅広い治療戦略としてアンドロゲン経路を標的とする重要な証拠を提供するものです。性差医療の発展に寄与することが期待されます。
著者と所属
Fei Li, Xudong Xing, Qiqi Jin, Xiang-Ming Wang, Pengfei Dai, Ming Han, Huili Shi, Ze Zhang, Xianlong Shao, Yunyi Peng, Yiqin Zhu, Jiayi Xu, Dan Li, Yu Chen, Wei Wu, Qiao Wang, Chen Yu, Luonan Chen, Fan Bai & Dong Gao 中国科学院上海生化細胞研究所、北京大学、中国科学院大学、上海科技大学、中国科学院杭州先進研究所、上海師範大学、メモリアルスローンケタリングがんセンター、復旦大学、深圳湾実験室
詳しい解説
この研究では、マウスの17組織から230万個以上の細胞を対象とした大規模な単一細胞トランスクリプトーム解析を行い、性別とアンドロゲンが分子プログラムと細胞集団に与える影響を網羅的に探索しました。その結果、グループ2自然リンパ球などの性差のある免疫遺伝子発現と免疫細胞集団がアンドロゲンによって調節されていることが明らかになりました。
グループ2自然リンパ球は、IL-33などのサイトカインによって活性化され、IL-5やIL-13などの2型サイトカインを産生することで、アレルギーや寄生虫感染に対する防御に重要な役割を果たしています。この研究では、グループ2自然リンパ球の割合や機能がアンドロゲンによって抑制されることが示されました。このことは、男性よりも女性でアレルギー疾患の有病率が高いことと関連している可能性があります。
また、UK Biobankデータセットとの統合解析により、性差のある疾患に対する潜在的な細胞ターゲットと抗原提示における危険遺伝子の濃縮が明らかになりました。抗原提示は、免疫応答の開始に重要な役割を果たすプロセスであり、自己免疫疾患などの発症に関与することが知られています。この研究では、性差のある疾患に関連する遺伝子が抗原提示に関与する細胞で濃縮されていることが示唆されました。
本研究は、性差とアンドロゲンによる調節を分子・細胞レベルで理解する上で重要な知見を提供するものであり、性差のある疾患に対する新たな治療戦略の開発につながることが期待されます。例えば、アンドロゲン受容体を標的とした治療により、性差のある疾患の予防や治療が可能になるかもしれません。
今後は、ヒトでの検証や、性差のあるさまざまな疾患における細胞・分子メカニズムのさらなる解明が求められます。また、アンドロゲンシグナルを標的とした治療法の開発に向けた取り組みが期待されます。
ロタキサンアクチュエーターを用いた力制御による小分子の放出
小分子の力制御放出は、医療や材料科学の分野で薬物や治癒剤、レポーター分子の送達に大きな可能性を持っている。しかし、従来のシステムでは、放出できる分子の多様性や量に限界があった。本研究では、ロタキサンアクチュエーターを用いることで、軸上に付けられた最大5つの小分子を効率的に放出できることを示した。溶液中での超音波照射と、バルク状態での圧縮の両方で、最大71%と30%の放出効率を達成した。また、薬物、蛍光タグ、有機触媒という3種類の機能性分子の放出にも成功し、様々な分子の放出に適用可能であることを示した。
事前情報
ポリマー機械化学では、ポリマーをアクチュエーターとして使用し、力応答性分子（メカノフォア）を伸張させる。この手法により、メカノフォアの結合切断の直接的または間接的な結果として、分子カーゴの放出が可能になった。しかし、従来のシステムでは、放出できる分子の多様性や量に限界があった。これは、アクチュエーターポリマーが最初の活性化後に解離してしまうため、メカノフォアを繰り返し活性化することが難しいためである。
行ったこと
ロタキサン（環状分子が軸分子に機械的に閉じ込められた分子）をアクチュエーターとして使用し、軸上に付けられたカーゴ分子を放出するシステムを開発した。ロタキサンの軸と環にそれぞれポリマー鎖を付け、伸張力によって環を軸に沿って移動させることで、カーゴ分子を順番に放出させた。溶液中での超音波照射と、バルク状態での圧縮の両方で実験を行った。また、薬物、蛍光タグ、有機触媒という3種類の機能性分子の放出も行った。
検証方法
溶液中での機械的活性化は超音波照射により行った。適切なポリマーをSuslickセルに加え、乾燥したアセトニトリルに溶解した。超音波照射の前と実験中は、溶液に窒素ガスを通気して脱気した。超音波照射中はSuslickセルを氷浴で冷却し、セル内の温度を約5〜10°Cに維持した。所望の時間、パルス超音波（1秒オン/1秒オフ、25%振幅（13.0 W cm-2）、20 kHz）をシステムに照射した。超音波照射後、溶媒を蒸発させ、ポリマーをサイズ排除クロマトグラフィーとNMRで分析した。バルク状態での機械的活性化は、手動プレスを使用して小さなサンプル（約30 mg）を圧縮することにより行った。
分かったこと ロタキサンアクチュエーターを用いることで、軸上に付けられた最大5つの小分子を、溶液中で最大71%、バルク状態で最大30%の効率で放出できることを示した。また、薬物、蛍光タグ、有機触媒という3種類の機能性分子の放出にも成功し、様々な分子の放出に適用可能であることを示した。ロタキサンアーキテクチャは、アクチュエーターポリマーがメカノフォアに直接付いていないため、メカノフォアを繰り返し活性化できるユニークな特徴がある。
この研究の面白く独創的なところ
ロタキサンという機械的に結合した分子をアクチュエーターとして使用し、外力によって環状分子を軸に沿って移動させることで、軸上に付けられた小分子を順番に放出できる点が非常に独創的です。従来のシステムでは、アクチュエーターポリマーが最初の活性化後に解離してしまうため、メカノフォアを繰り返し活性化することが難しかったのですが、ロタキサンアーキテクチャを用いることでこの問題を解決しました。また、メカノフォアを引っ張るのではなく押すという、ロタキサンアーキテクチャならではの活性化方法も面白い点です。
この研究のアプリケーション
この研究で開発されたロタキサンアクチュエーターは、薬物送達やセルフヒーリング材料など、様々な力制御放出の応用に向けた汎用性の高いプラットフォームを提供します。例えば、薬物送達の分野では、特定の力学的刺激によって薬物を放出するシステムに応用できます。また、材料科学の分野では、損傷を受けた際に治癒剤や レポーター分子を放出するセルフヒーリング材料への応用が期待されます。
著者と所属
Lei Chen, Robert Nixon & Guillaume De BoDepartment of Chemistry, University of Manchester, Manchester, UK
上記の簡単なサマリーを詳しく解説 ロタキサンは、環状分子（マクロサイクル）が軸分子に機械的に閉じ込められた構造をしている分子です。この研究では、ロタキサンの軸と環にそれぞれポリマー鎖を付け、ロタキサンアクチュエーターを作製しました。軸上には、複数の小分子（カーゴ分子）が付けられています。
外力によってポリマー鎖が引っ張られると、環状分子が軸に沿って移動します。環状分子がカーゴ分子に到達すると、立体障害によって環状分子はカーゴ分子を通り抜けることができません。さらに力が加わると、カーゴ分子と軸の間の共有結合が切断され、カーゴ分子が放出されます。この過程が、軸上の複数のカーゴ分子に対して順番に起こることで、複数の分子を制御された方法で放出することができます。
この研究では、最大5つのカーゴ分子を付けたロタキサンアクチュエーターを作製し、溶液中での超音波照射とバルク状態での圧縮という2つの方法で機械的活性化を行いました。その結果、溶液中では最大71%、バルク状態では最大30%の効率でカーゴ分子を放出することに成功しました。これは、共有結合を用いた力制御放出システムとしては非常に高い効率です。
また、薬物、蛍光タグ、有機触媒という3種類の機能性分子の放出にも成功し、このシステムが様々な分子の放出に適用可能であることを示しました。
この研究の優れた点は、ロタキサンアーキテクチャを利用することで、アクチュエーターポリマーとメカノフォアを分離し、メカノフォアを繰り返し活性化できる点です。従来のシステムでは、アクチュエーターポリマーが最初の活性化後に解離してしまうため、メカノフォアを繰り返し活性化することが難しかったのですが、この研究ではその問題を解決しました。また、メカノフォアを引っ張るのではなく押すという、ロタキサンアーキテクチャならではの活性化方法も独自性があります。
この研究で開発されたロタキサンアクチュエーターは、薬物送達やセルフヒーリング材料など、様々な力制御放出の応用に向けた汎用性の高いプラットフォームを提供すると期待されます。
アジア太平洋地域の熱帯雨林破壊の主要因は「ゴーストロード」
簡単なサマリー 本研究は、アジア太平洋地域の熱帯雨林における「ゴーストロード」の分布と森林破壊への影響を調査したものです。ゴーストロードとは、公式の地図には載っていない違法または非公式に建設された道路のことです。集中的な道路マッピング作業の結果、既存のデータベースと比較して3.0倍から6.6倍もの道路が発見され、道路密度が森林破壊と最も強く相関していることが明らかになりました。また、保護区の最も重要な自然保護機能は、道路の侵入とそれに伴う環境破壊を制限することであり、道路建設が森林破壊に先行していることが分かりました。
事前情報
21世紀半ばまでに、2010年と比較して約2500万kmの新しい舗装道路が建設される見込みです。道路は貿易の促進や天然資源・耕作地へのアクセス向上などの重要な社会的機能を果たす一方で、効果的な計画と法執行がなければ、環境問題や社会的課題を引き起こす可能性があります。多くの新しい道路は、ガバナンスが汚職や非効果的な法執行によって妨げられることが多い低所得国で、非公式または違法に建設されています。これらの「ゴーストロード」は、熱帯雨林とその野生生物および人間の住民にとって最も厄介な直接的な脅威の1つです。
行ったこと
本研究では、ボルネオ島、スマトラ島、ニューギニア島の人為的に改変された地域と原生林地域を対象に、140万以上の1km2プロットでゴーストロードの集中的なサンプリングを行いました。210人の訓練されたボランティアまたは研究者が、Google Earthの高解像度衛星画像を使用して道路を手動でマッピングおよびデジタル化しました。各マッパーは、道路マッピングを開始する前に、テストデータセットで90％以上の精度を達成することが求められました。
高精度の道路データを生成した後、
(1)本研究のデータを2つの主要な世界道路データセット（GRIP とOSM）と直接比較し、
(2)道路やその他の主要な社会経済的および環境的変数が森林破壊にどのように影響するかを評価し、
(3)保護区が道路の増殖と関連する環境破壊にどのように影響するかを評価し、
(4)時系列分析を用いて道路が森林破壊に先行する傾向があるかどうかを評価しました。
検証方法
本研究の道路データと2つの世界道路データベース（GRIP とOSM）を比較
38の潜在的な生物物理学的および社会経済的な共変量を用いて、森林破壊に影響を与える道路やその他の要因を特定するためのLASSOモデルを開発
傾向スコアマッチングを使用して、保護区内外の道路密度と森林破壊を比較
12の大規模な土地区画における35年間の年次道路マップと年次森林破壊データを使用した時系列分析
分かったこと
本研究の道路データは、GRIP やOSM のデータと比較して、3.0倍から6.6倍も多くの道路を記録
道路密度が森林破壊と最も強く相関
道路密度と森林破壊の関係は非線形で、道路が景観に侵入した直後に森林破壊のピークを迎え、道路が増えるにつれて減少
保護区内の道路密度が低いことを考慮すると、保護区が森林破壊を防ぐ追加的な効果はわずか
道路建設が森林破壊に先行
この研究の面白く独創的なところ
7,000時間以上に及ぶ集中的な道路マッピング作業により、既存のデータベースでは見落とされていた多くのゴーストロードを発見
道路密度と森林破壊の非線形な関係を明らかにし、道路が景観に侵入した直後に森林破壊のピークを迎えることを示した
保護区の最も重要な自然保護機能が、道路の侵入とそれに伴う環境破壊を制限することであることを示唆
12の大規模な土地区画の時系列分析により、道路建設が森林破壊に先行していることを明らかにした
この研究のアプリケーション 本研究の結果は、熱帯雨林の保全と持続可能な管理のための政策立案に重要な情報を提供します。特に、ゴーストロードの拡散を防ぐための効果的な規制と法執行の必要性を強調しています。また、保護区内への道路侵入を制限することの重要性を示しており、保護区の管理戦略に役立てることができます。さらに、本研究で使用された集中的な道路マッピング手法は、他の地域におけるゴーストロードの分布と影響を評価するために適用できます。
著者と所属
Jayden E. Engert, Mason J. Campbell, Joshua E. Cinner, Yoko Ishida, Sean Sloan, Jatna Supriatna, Mohammed Alamgir, Jaime Cislowski & William F. Laurance
Centre for Tropical Environmental and Sustainability Science, and College of Science and Engineering, James Cook University, Cairns, Queensland, Australia Jayden E. Engert, Mason J. Campbell, Yoko Ishida, Sean Sloan, Mohammed Alamgir, Jaime Cislowski & William F. Laurance
College of Arts, Society and Education, James Cook University, Townsville, Queensland, Australia Joshua E. Cinner
Research Center for Climate Change, and Department of Biology, University of Indonesia, Depok, Indonesia Jatna Supriatna
詳しい解説
本研究は、アジア太平洋地域の熱帯雨林における「ゴーストロード」の分布と森林破壊への影響を調査したものです。ゴーストロードとは、公式の地図には載っていない違法または非公式に建設された道路のことで、熱帯雨林とその野生生物および人間の住民にとって最も厄介な直接的な脅威の1つとなっています。
研究チームは、ボルネオ島、スマトラ島、ニューギニア島の人為的に改変された地域と原生林地域を対象に、140万以上の1km2プロットでゴーストロードの集中的なサンプリングを行いました。210人の訓練されたボランティアまたは研究者が、Google Earthの高解像度衛星画像を使用して道路を手動でマッピングおよびデジタル化し、7,000時間以上に及ぶ作業の結果、既存の主要な世界道路データベースと比較して3.0倍から6.6倍もの道路を発見しました。
高精度の道路データを生成した後、研究チームは、38の潜在的な生物物理学的および社会経済的な共変量を用いて、森林破壊に影響を与える道路やその他の要因を特定するためのLASSOモデルを開発しました。その結果、道路密度が森林破壊と最も強く相関していることが明らかになりました。また、道路密度と森林破壊の関係は非線形であり、道路が景観に侵入した直後に森林破壊のピークを迎え、道路が増えるにつれて減少していくことが分かりました。
次に、研究チームは、傾向スコアマッチングを使用して、保護区内外の道路密度と森林破壊を比較しました。その結果、保護区内の道路密度が低いことを考慮すると、保護区が森林破壊を防ぐ追加的な効果はわずかであることが明らかになりました。これは、保護区の最も重要な自然保護機能が、道路の侵入とそれに伴う環境破壊を制限することであることを示唆しています。
さらに、研究チームは、12の大規模な土地区画における35年間の年次道路マップと年次森林破壊データを使用した時系列分析を行いました。その結果、道路建設が森林破壊に先行していることが明らかになりました。
本研究の結果は、熱帯雨林の保全と持続可能な管理のための政策立案に重要な情報を提供します。特に、ゴーストロードの拡散を防ぐための効果的な規制と法執行の必要性を強調しています。また、保護区内への道路侵入を制限することの重要性を示しており、保護区の管理戦略に役立てることができます。さらに、本研究で使用された集中的な道路マッピング手法は、他の地域におけるゴーストロードの分布と影響を評価するために適用できます。
セレン添加テルル酸化物を用いた高性能アモルファスp型トランジスタの開発
この研究では、高移動度のテルルをアモルファステルル亜酸化物マトリックスに組み込むという独自の設計戦略を導入し、高性能で安定したアモルファスp型トランジスタと相補回路を実証しました。セレン添加によりホール濃度が抑制され、p軌道の連結性が向上し、高い電界効果ホール移動度とオン/オフ電流比、ウェハースケールの均一性、長期安定性を持つp型TFTが実現されました。
事前情報
・アモルファス半導体は低コストで簡便かつ均一な製造が可能だが、従来のアモルファスシリコンでは電気特性が不十分
・アモルファスn型金属酸化物の開発により、大面積エレクトロニクスや新世代ディスプレイの発展が加速
・同等の性能を持つp型材料の開発が遅れており、CMOSテクノロジーや集積回路の進歩を妨げている
行ったこと
・高移動度のテルルをアモルファステルル亜酸化物マトリックスに組み込む設計戦略を導入
・セレン添加によるホール濃度の抑制とp軌道の連結性向上
・高性能で安定したアモルファスp型トランジスタと相補回路の実証
検証方法
高移動度のテルルをアモルファステルル亜酸化物マトリックスに組み込み、セレン添加によるホール濃度の抑制とp軌道の連結性向上を行いました。作製したデバイスの電界効果ホール移動度、オン/オフ電流比、ウェハースケールの均一性、バイアスストレスや環境劣化に対する長期安定性を評価しました。
分かったこと
・テルル5pバンドに由来する非局在化した価電子帯と浅いアクセプター状態が、過剰なホールドーピングと輸送を可能にする
・セレン添加によりホール濃度が抑制され、p軌道の連結性が向上する
・平均電界効果ホール移動度が約15 cm2 V-1 s-1、オン/オフ電流比が106〜107のp型TFTが実現された
・ウェハースケールの均一性とバイアスストレスや環境劣化に対する長期安定性が示された
この研究の面白く独創的なところ
高移動度のテルルをアモルファステルル亜酸化物マトリックスに組み込むという独自の設計戦略を導入し、セレン添加によるホール濃度の抑制とp軌道の連結性向上を行った点が独創的です。これにより、高性能で安定したアモルファスp型トランジスタが実現されました。
この研究のアプリケーション
この研究は、商業的に実現可能なアモルファスp型TFTテクノロジーと低コストで業界互換性のある相補型エレクトロニクスの確立に向けた重要な一歩となります。大面積エレクトロニクスや新世代ディスプレイ、集積回路などへの応用が期待されます。
著者と所属
Ao Liu, Yong-Sung Kim, Min Gyu Kim, Youjin Reo, Taoyu Zou, Taesu Choi, Sai Bai, Huihui Zhu & Yong-Young Noh 中国電子科技大学基礎・フロンティアサイエンス研究所、ポーハン工科大学化学工学科、ノースウェスタン大学化学科、韓国標準科学研究院、韓国科学技術院ナノ科学科、ポーハン加速器研究所、中国電子科技大学物理学部
詳しい解説
アモルファス半導体は、結晶性半導体に比べて低コストで簡便かつ均一な製造が可能であるため、大面積エレクトロニクスや新世代ディスプレイへの応用が期待されています。しかし、従来のアモルファスシリコンでは電気特性が不十分であり、新しい材料の探索が必要とされていました。近年、アモルファスn型金属酸化物が開発され、薄膜トランジスタ(TFT)に応用されたことで、これらの分野の発展が加速しました。一方で、同等の性能を持つp型材料の開発が遅れており、CMOSテクノロジーや集積回路の進歩を妨げていました。
この研究では、高移動度のテルルをアモルファステルル亜酸化物マトリックスに組み込むという独自の設計戦略を導入し、高性能で安定したアモルファスp型トランジスタと相補回路を実証しました。理論解析により、テルル5pバンドに由来する非局在化した価電子帯と浅いアクセプター状態が明らかになり、過剰なホールドーピングと輸送を可能にしました。また、セレン添加によりホール濃度が抑制され、p軌道の連結性が向上しました。
作製したデバイスは、平均電界効果ホール移動度が約15 cm2 V-1 s-1、オン/オフ電流比が106〜107という優れた特性を示しました。さらに、ウェハースケールの均一性とバイアスストレスや環境劣化に対する長期安定性も確認されました。これらの結果は、商業的に実現可能なアモルファスp型TFTテクノロジーと低コストで業界互換性のある相補型エレクトロニクスの確立に向けた重要な一歩となります。
今後、この技術を大面積エレクトロニクスや新世代ディスプレイ、集積回路などに応用することで、より高性能かつ低コストなデバイスの実現が期待されます。また、アモルファスp型半導体の設計指針としても、この研究で示された戦略が参考になるでしょう。材料科学とデバイス工学の両面から、更なる研究の進展が望まれます。
ガスダーミンDの新たな活性化機構としてS-パルミトイル化修飾を発見
ガスダーミンDのシステイン191残基がパルミトイル化されることを発見し、この脂質修飾がガスダーミンDの膜孔形成に必須であることを明らかにした。パルミトイル化はミトコンドリア由来の活性酸素によって促進される。驚くべきことに、切断を受けない全長型ガスダーミンDもパルミトイル化されると活性化し、パイロトーシスを引き起こす。zDHHC5とzDHHC9が主要なパルミトイル化酵素であり、その発現は炎症により誘導される。他のヒトガスダーミンファミリーもN末端がパルミトイル化される。
事前情報
ガスダーミンDは炎症性カスパーゼにより切断を受けると、N末端断片が膜孔を形成してパイロトーシスや炎症性サイトカイン放出を引き起こすことが知られていた。
行ったこと
ガスダーミンDのパルミトイル化修飾を質量分析と変異体解析により同定した。パルミトイル化の生理的役割を明らかにするため、活性酸素の関与、パルミトイル化酵素の同定、全長型ガスダーミンDへの影響などを多角的に解析した。
検証方法
質量分析、ガスダーミンD変異体の機能解析、活性酸素種の検出と操作、パルミトイル化酵素のノックダウンとオーバーエクスプレッション、リポソームリーク実験、クライオ電子顕微鏡
分かったこと
ガスダーミンDのCys191がパルミトイル化され、膜孔形成に必須である。パルミトイル化はミトコンドリア由来の活性酸素により促進される。切断型だけでなく全長型ガスダーミンDもパルミトイル化されると活性化する。zDHHC5/9が主要なパルミトイル化酵素で、炎症で発現誘導される。ガスダーミンファミリー全般でN末端パルミトイル化が保存されている。
この研究の面白く独創的なところ
従来、切断がガスダーミンDの唯一の活性化機構と考えられてきたが、本研究は「パルミトイル化」という新たな活性化機構を見出した。特に、切断を受けない全長型もパルミトイル化で活性化するという発見は予想外であり、ガスダーミンDの理解に一石を投じる。パルミトイル化は可逆的な修飾であるため、炎症制御の新たな標的となる可能性がある。
この研究のアプリケーション
パルミトイル化を標的とした炎症性疾患の新規治療戦略への応用。ガスダーミンDの活性を制御する化合物のスクリーニング。
著者と所属
Gang Du, Liam B. Healy, Liron David, Caitlin Walker, Tarick J. El-Baba, Corinne A. Lutomski, Byoungsook Goh, Bowen Gu, Xiong Pi, Pascal Devant, Pietro Fontana, Ying Dong, Xiyu Ma, Rui Miao, Arumugam Balasubramanian, Robbins Puthenveetil, Anirban Banerjee, Hongbo R. Luo, Jonathan C. Kagan, Sungwhan F. Oh, Carol V. Robinson, Judy Lieberman & Hao Wu (ハーバード大学、オックスフォード大学、ボストン小児病院、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院、NIHなど)
詳しい解説
ガスダーミンDは炎症性細胞死「パイロトーシス」の鍵を握るタンパク質で、これまでは炎症性カスパーゼによる切断が唯一の活性化機構と考えられてきました。切断を受けたガスダーミンDのN末端断片が細胞膜に孔を開けることで、細胞は破裂し、IL-1βなどの炎症性サイトカインが放出されます。
今回、ハーバード大学のHao Wu博士らの研究グループは、ガスダーミンDの新たな活性化機構として、パルミトイル化修飾の重要性を明らかにしました。質量分析と変異体解析により、191番目のシステイン残基がパルミトイル化を受けることを突き止めました。このパルミトイル化は、ガスダーミンDの切断には影響しませんでしたが、膜孔形成には必須であることがわかりました。
さらに、パルミトイル化にはミトコンドリアから産生される活性酸素種（ROS）が関与しており、ROSを増やすとパルミトイル化が促進されることを見出しました。驚くべきことに、切断を受けない全長型のガスダーミンDも、パルミトイル化を受けると膜孔形成能を獲得し、パイロトーシスを引き起こすことができました。ただし、その活性は切断型より弱いようです。
主要なパルミトイル化酵素としてzDHHC5とzDHHC9を突き止め、これらの発現がROSや炎症で誘導されることも明らかにしました。また、ガスダーミンファミリーの他のメンバーもN末端にパルミトイル化修飾を受けることを確認しました。
本研究は、ガスダーミンDの新たな活性化機構として「S-パルミトイル化」の重要性を示したものであり、ガスダーミンDの機能や制御、ひいては炎症反応のメカニズムの理解に大きく貢献するものです。パルミトイル化は可逆的な修飾であることから、炎症性疾患に対する創薬ターゲットとしての可能性も期待されます。「切断だけが活性化の引き金」という従来の概念を覆す発見として、細胞death研究に一石を投じた画期的な研究と言えるでしょう。
自然界で初めて発見された分子スケールのフラクタル構造を形成するタンパク質の進化的起源を解明
シアノバクテリアSynechococcus elongatusのクエン酸合成酵素が、6量体を基本単位として自己集合し、シェルピンスキー三角形のフラクタル構造を形成することを発見した。クライオ電子顕微鏡による構造解析から、18量体と54量体の形成メカニズムを明らかにした。in vitroではフラクタル形成が酵素活性を調節するが、in vivoでの生理的機能は不明である。祖先配列の再構成により、フラクタルを形成しない先祖型酵素からわずか1アミノ酸置換でフラクタル形成能が進化したことを示した。この発見は、タンパク質の構造多様性を広げるとともに、複雑な分子集合体が容易に進化しうることを示唆している。
事前情報
フラクタルは自然界に普遍的に見られる構造だが、分子スケールでのフラクタル形成は人工的なシステムでしか知られていなかった。既知のタンパク質構造データベースにもフラクタル構造は見つかっていない。
行ったこと シアノバクテリアS. elongatusのクエン酸合成酵素の精製サンプルを質量光度計で解析したところ、18量体が主要な会合状態であることを発見した。負染色電子顕微鏡で三角形状の複合体を観察し、クライオ電子顕微鏡と単粒子解析により18量体と54量体の立体構造を決定した。変異導入実験と祖先配列の再構成により、フラクタル形成の分子機構と進化的起源を解明した。
検証方法
質量分析法による会合状態の同定、負染色電子顕微鏡による形態観察、クライオ電子顕微鏡による立体構造解析、変異導入と酵素活性測定、分子動力学シミュレーション、祖先配列の再構成
分かったこと
クエン酸合成酵素の6量体が18量体、54量体へと自己集合し、シェルピンスキー三角形のフラクタル構造を形成する。各階層での会合は2量体間の特殊な相互作用により駆動され、フラクタルの辺が不活性化されることで大きな空隙を持つ構造が形成される。フラクタル形成により酵素活性が抑制されるが、生理的な濃度ではフラクタルは形成されず、in vivoでの機能的意義は不明。祖先配列の再構成から、1アミノ酸置換によりフラクタル形成能が獲得されたことが示唆された。
この研究の面白く独創的なところ
自然界で初めて発見された、タンパク質による分子スケールのフラクタル構造形成。タンパク質の自己集合が生み出す構造の多様性と複雑性を示した画期的な成果。わずか1アミノ酸置換によりフラクタル形成能が進化したことから、複雑で精巧な分子集合体が比較的容易に生じうることを示唆。機能的意義は不明だが、美しく特異な構造がたまたま進化したと考えられ、過去に一時的に生じては消えていった「進化の事故」が他にもあるのではないかと想像をかき立てる。
この研究のアプリケーション
分子スケールのフラクタル構造形成原理の理解に基づく、新規ナノ材料の設計への応用。タンパク質工学による人工フラクタル分子の創製。
著者と所属
Franziska L. Sendker, Yat Kei Lo, Thomas Heimerl, Stefan Bohn, Louise J. Persson, Christopher-Nils Mais, Wiktoria Sadowska, Nicole Paczia, Eva Nußbaum, María del Carmen Sánchez Olmos, Karl Forchhammer, Daniel Schindler, Tobias J. Erb, Justin L. P. Benesch, Erik G. Marklund, Gert Bange, Jan M. Schuller & Georg K. A. Hochberg (マックスプランク陸生微生物学研究所、マールブルク大学、ヘルムホルツ・ミュンヘン、ウプサラ大学、オックスフォード大学、テュービンゲン大学)
詳しい解説
この研究は、シアノバクテリアの一種であるSynechococcus elongatusが持つクエン酸合成酵素というタンパク質に着目しました。クエン酸合成酵素は、クエン酸回路の最初の反応を触媒する重要な代謝酵素です。精製したこの酵素を質量分析にかけたところ、18個のサブユニットからなる複合体が主要な会合状態であることがわかりました。
負染色電子顕微鏡で精製サンプルを観察すると、三角形状の複合体が見られました。さらに高解像度のクライオ電子顕微鏡を用いて18量体と54量体の立体構造を決定したところ、6量体を基本単位としてシェルピンスキー三角形と呼ばれるフラクタルパターンを形成していることが明らかになりました。
フラクタルとは、一部分を拡大すると全体と相似な構造が現れるような自己相似性を持つ図形のことで、自然界の至るところ(海岸線、樹木、血管など)に見られます。しかし、分子レベルで規則的なフラクタル構造が形成された例は人工的なシステムを除いて知られていませんでした。
詳細な構造解析の結果、クエン酸合成酵素の6量体ユニットが特殊な様式で会合することでフラクタル構造が形成されることがわかりました。まず3つの2量体が集まって6量体リングを形成します。次に6量体同士を繋ぐ界面で、向かい合う2量体から1つずつのサブユニットだけが相互作用するという特殊な様式で会合が起こります。このとき、相互作用に関わらないもう一方のサブユニットは外側を向いているため、そこにさらなる会合が起こることはできません。つまり、フラクタルの辺が不活性化されるわけです。この幾何学的な制約のおかげで、内部に大きな空隙を持つシェルピンスキー三角形構造が形成されるのです。
変異導入実験から、フラクタル形成に関わるアミノ酸残基が同定されました。さらに、系統解析に基づいて祖先配列を再構成したところ、たった1アミノ酸の置換によってフラクタル形成能が獲得されたことが示唆されました。このことから、非常に複雑で精巧な分子集合体が、進化的に比較的容易に生じうることが浮き彫りになりました。
フラクタル形成が酵素活性を抑制することから、なんらかの生理機能があるのではと考え、いくつかの仮説を検証しましたが、明確な機能は見出せませんでした。むしろ、美しくも奇妙なこの構造は機能的な意義のない「進化の事故」であり、過去にも同様の現象が幾度となく生じては消えていったのではないか、と想像させる発見でした。
私たちの想像力をかき立てる、非常にエキサイティングな研究だと思います。タンパク質の自己集合が生み出しうる構造の多様性と複雑性を見事に示した成果であり、生命の進化における「偶然」の重要性を物語っています。さらに、分子スケールのフラクタル構造形成メカニズムの理解は、新規ナノ材料の設計などへの応用も期待されます。
最後に
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