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論文まとめ340回目 SCIENCE DNAオリガミを使ってピロクロア格子を自己集合させ、完全フォトニックバンドギャップを示す物質の設計に成功！？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

Inverse design of a pyrochlore lattice of DNA origami through model-driven experiments
DNAオリガミを用いたモデル駆動型実験によるピロクロア格子の逆設計
「ピロクロア格子は光の波長程度の周期構造を持ち、特定の波長の光を反射するフォトニック結晶として注目されている。しかしその構造の複雑さから人工的に作るのは難しかった。本研究では、DNAオリガミという分子を使って八面体と二十面体の形をしたユニットを自己集合させ、ピロクロア構造を作ることに成功した。シミュレーションと実験を組み合わせることで、光の透過を完全に遮断できる構造をボトムアップで設計できたのが画期的である。この手法は光デバイスや触媒など幅広い応用が期待できる。」

Vaccine priming of rare HIV broadly neutralizing antibody precursors in nonhuman primates
非ヒト霊長類におけるHIV広範囲中和抗体の稀な前駆体のワクチンプライミング
「HIVワクチン開発の有望な戦略の1つは、広範囲中和抗体の前駆体を誘導し、その後の免疫で成熟させる方法です。しかし、抗原への結合がHCDR3に依存する抗体の前駆体は極めて稀であり、その誘導は難しいと考えられていました。本研究では、HCDR3依存的な広範囲中和抗体BG18の前駆体を標的としたワクチン候補N332-GT5を用いて、8頭全てのサルでBG18様の前駆体を高頻度で誘導することに成功しました。この結果は、HIV広範囲中和抗体の誘導に向けた重要な前進と言えます。」

mRNA-LNP HIV-1 trimer boosters elicit precursors to broad neutralizing antibodies
mRNA-LNPで送達されたHIV-1トリマーブースターは幅広い中和抗体の前駆体を誘導する
「HIVワクチン開発で課題だった、幅広い中和抗体の誘導。この研究では、マウスと非ヒト霊長類を用いて、段階的に免疫原を投与し、希少な中和抗体の前駆体を活性化させることに成功しました。mRNAリピッドナノ粒子を用いたブースター免疫も効果的であることが分かりました。幅広い中和抗体誘導への重要な一歩となる研究成果です。」

Enantioselective remote methylene C−H (hetero)arylation of cycloalkane carboxylic acids
新型シクロアルカンカルボン酸のリモートメチレンC-H(ヘテロ)アリール化反応における高立体選択的触媒の開発
「この研究は、シクロアルカンカルボン酸という有機化合物のC-H結合を、高い立体選択性を持つパラジウム触媒を用いて、リモートな位置でアリール化やヘテロアリール化する新しい手法を開発したものです。これにより、γ位やδ位に不斉中心を持つ様々な有用な化合物の合成が効率的に可能になりました。従来法では立体選択的に合成が難しかったキラル中心を、ゲーム感覚で自在に構築できるようになったのです！」

Delocalized, asynchronous, closed-loop discovery of organic laser emitters
クラウド分散型の自律的閉回路による有機レーザー発光材料の発見
「有機固体レーザーの性能向上には新材料の発見が不可欠だが、合成や評価の設備は世界中に分散。そこで、クラウドでそれらをつなぎ、AIが一元管理して最適な実験を各拠点に指示する「分散型ディスカバリー」を開発。150,000以上の候補からレーザー特性に優れた21種の新材料を発見し、従来の限界を超える薄膜レーザーを実現。AI時代の分散型・民主的な研究の青写真を示した。」

要約

DNAオリガミを使ってピロクロア格子を自己集合させ、完全フォトニックバンドギャップを示す物質の設計に成功した。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5549

この研究は、DNAオリガミというナノスケールの構造体を使って、ピロクロア格子という特殊な結晶構造を自己集合的に構築することに成功したものです。ピロクロア格子は完全フォトニックバンドギャップを持つことが知られていますが、その複雑な構造ゆえに人工的に作ることは困難でした。本研究ではシミュレーションと実験を組み合わせることで、八面体と二十面体の形をしたDNAオリガミを設計し、それらが自発的に集合してピロクロア格子を形成する条件を見出しました。得られた構造体は小角X線散乱と電子顕微鏡によって評価され、狙い通りの周期構造が実現していることが確かめられました。この手法は結晶構造の自在設計に新たな道を拓くものであり、光デバイスや触媒など様々な分野への応用が期待されます。

事前情報

  • ピロクロア格子は特定方向からの光を完全に反射するフォトニックバンドギャップを持つ

  • DNAオリガミは数十nmスケールの構造体を自在に設計できるナノ材料

  • ピロクロア格子の構築にはユニット間の相互作用の制御が重要

行ったこと

  • SATアルゴリズムを用いて八面体と二十面体の形をしたDNAオリガミを設計

  • 粗視化シミュレーションによりピロクロア格子が形成される条件を予測

  • 実際にDNAオリガミを合成し、バッファー条件を最適化して自己集合させた

  • 小角X線散乱と電子顕微鏡によって構造解析を行った

検証方法

  • SATアルゴリズムによるDNAオリガミの設計

  • oxDNAによる粗視化シミュレーション

  • DNAオリガミの合成と精製

  • バッファー条件の最適化による自己集合

  • 小角X線散乱による構造の周期性の評価

  • 走査型電子顕微鏡による構造体の直接観察

分かったこと

  • 八面体と二十面体の比率や濃度を制御することでピロクロア格子が形成された

  • キネティックトラップを避けるためには核形成のタイミングが重要

  • 得られた構造体は約170nmの格子定数を持ち、可視光領域で大きなバンドギャップを示した

  • DNAの塩基配列を最適化することで構造体の安定性が向上した

研究の面白く独創的なところ

  • 逆設計アプローチによりボトムアップで所望の結晶構造を実現した点

  • シミュレーションと実験を組み合わせることで、構造形成メカニズムに関する理解が深まった点

  • 自己集合による構造制御という原理は、DNAオリガミに限らず他の材料系にも応用可能な点

この研究のアプリケーション

  • 可視光領域で動作するフォトニック結晶の作製

  • 触媒や吸着剤など多孔質材料への応用

  • タンパク質など生体分子の配列制御

  • 人工格子を用いた物性探索

著者と所属
Hao Liu, Center for Molecular Design and Biomimetics, Arizona State University
John Russo, Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
Oleg Gang, Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory
Petr Šulc, Center for Molecular Design and Biomimetics, Arizona State University

詳しい解説
本研究は、ナノスケールで精密に設計されたDNA分子を用いて、特殊な結晶構造であるピロクロア格子を人工的に構築することに成功した。ピロクロア構造は完全フォトニックバンドギャップを持つことが知られており、光デバイスへの応用が期待されているものの、その複雑な構造ゆえに人工的に作ることは容易ではなかった。
研究チームは、まずSATアルゴリズムを用いて八面体と二十面体の形をしたDNAオリガミユニットを設計した。これらのユニットが自発的に集合してピロクロア格子を形成するためには、ユニット間の相互作用を適切に制御する必要がある。そこで粗視化モデルであるoxDNAを用いたシミュレーションを行い、DNAの塩基配列や溶液条件を最適化した。
次に、設計したDNAオリガミを実際に合成し、シミュレーションで予測された条件下で自己集合させた。その結果、約170nmの格子定数を持つピロクロア構造が形成されることが、小角X線散乱と走査型電子顕微鏡によって確かめられた。得られた構造体は可視光領域で大きなフォトニックバンドギャップを示し、光学素子としての性能が期待される。 本研究の意義は、所望の結晶構造を分子の自己集合によってボトムアップ的に構築できた点にある。シミュレーションと実験を組み合わせるという「逆設計」のアプローチにより、複雑な構造であっても原理的に設計可能であることが示された。DNAオリガミという生体模倣材料の柔軟性と、計算科学による分子設計を組み合わせることで、フォトニクスや触媒など様々な分野で求められる機能性材料の開発が加速すると期待される。

ジャーミンラインターゲティングワクチンを用いてサルでHIV広範囲中和抗体の前駆体を効率的に誘導することに成功した。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8321

HIV広範囲中和抗体は通常、宿主免疫系とウイルスの長期にわたる共進化を通じて産生されます。膨大な数の抗体前駆体のうち、HIVの広範囲中和抗体に成熟する遺伝的・構造的特性を持つものは極めて稀です。Steichenらは、特定の広範囲中和抗体BG18の非常に稀な前駆体を誘導するように設計された免疫原を用いてアカゲザルにプライミングを行ったところ、全てのサルで目的の反応が誘導されました。この結果は、HCDR3依存的な広範囲中和抗体前駆体のプライミングが可能であることを示しています。

事前情報

  • ジャーミンラインターゲティングワクチン設計は、HIVや他の抗原的に多様なウイルスに対するワクチン開発の有望な戦略の1つである。

  • この戦略は、まずプライミング免疫原を用いて広範囲中和抗体(bnAb)の前駆体を活性化し、その後一連のブースト免疫原で成熟を誘導することでbnAbの産生を目指す。

  • 多くのbnAbはHCDR3を介して抗原と結合するため、特定のHCDR3配列を持つbnAb前駆体細胞は極めて稀である。

  • ヒトやアウトブレッド動物モデルでHCDR3依存的なbnAb前駆体をプライミングできるかは不明であった。

行ったこと

  • アカゲザルを用いて、BG18様のHCDR3特性を持つ前駆体の頻度がヒトと同等以下であることを確認した。

  • BG18ジャーミンラインターゲティングプライミング免疫原N332-GT5とアジュバントSMNPを用いて免疫を行った。

  • フローサイトメトリーによるソーティングとレパトア解析により、胚中心B細胞とメモリーB細胞のBG18様HCDR3を持つ多様な系統を検出した。

  • クライオ電子顕微鏡により、BG18様HCDR3を持つ抗体がBG18と同様の結合様式でHIVトリマーに結合することを確認した。

検証方法

  • フローサイトメトリーによるB細胞のソーティングと抗体レパトアの配列解析

  • BG18様HCDR3を持つ抗体のクライオ電子顕微鏡解析による結合様式の検証

  • N332-GT5に対する親和性成熟と天然型HIVトリマーへの結合能の評価

分かったこと

  • N332-GT5+SMNPの免疫により、8頭全てのサルでBG18様前駆体が高頻度で誘導された。

  • 誘導されたBG18様抗体は、BG18と同様のHCDR3依存的な結合様式を示した。

  • BG18様前駆体はプライミング免疫原に対して親和性成熟し、天然型HIVトリマーに対する親和性も獲得した。

  • これらの結果から、ブースト免疫によるさらなる成熟の誘導が可能と考えられる。

研究の面白く独創的なところ

  • HCDR3依存的な広範囲中和抗体前駆体のプライミングに世界で初めて成功した。

  • 極めて稀な前駆体を標的としたワクチン設計により、全ての個体で目的の反応を誘導できた。

  • 誘導された前駆体抗体の構造解析により、標的抗体を模倣した結合様式が確認された。

この研究のアプリケーション

  • この研究は、ヒトでのHIVワクチン臨床試験の設計に重要な知見を与える。

  • 得られた知見は、HIVだけでなく他の難治性ウイルスに対する広範囲中和抗体誘導戦略にも応用可能。

  • 本研究で用いられた免疫原は、現在ヒトでの臨床試験が進行中である。

著者と所属
Jon M. Steichen, Ivy Phung, Shane Crotty, William R. Schief (The Scripps Research Institute)

詳しい解説
HIVワクチン開発の有望な戦略の1つに、ジャーミンラインターゲティングワクチン設計があります。この戦略では、まず広範囲中和抗体(bnAb)の希少な前駆体B細胞を特異的に活性化するプライミング免疫原を投与し、その後抗原の構造を段階的に天然型に近づけたブースト免疫原を用いて親和性成熟を誘導することで、最終的にbnAbの産生を目指します。

しかし、多くのHIV bnAbは、HCDR3と呼ばれる超可変領域を介して抗原と結合するため、特定のHCDR3配列を持つbnAb前駆体B細胞は極めて稀にしか存在しません。そのため、HCDR3依存的なbnAbのプライミングが可能かどうかは不明でした。
本研究では、HCDR3依存的なbnAb「BG18」の前駆体を標的としたプライミング免疫原「N332-GT5」を設計し、アカゲザルへの免疫実験を行いました。その結果、8頭全てのサルでBG18様のHCDR3配列を持つ前駆体B細胞が高頻度で誘導されることが明らかになりました。さらに、誘導された抗体はBG18と同様のHCDR3依存的な結合様式を示し、プライミング免疫原に対する親和性成熟と天然型HIVトリマーへの結合能の獲得が確認されました。
以上の結果から、本研究はHCDR3依存的なbnAb前駆体のプライミングが可能であることを世界で初めて実証しました。この知見は、現在ヒトでの臨床試験が進められているHIVワクチンの設計に重要な示唆を与えるだけでなく、他の難治性ウイルスに対するbnAb誘導戦略にも応用可能と考えられます。

ワクチン接種により幅広い中和抗体前駆体を誘導した

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0582

HIV-1感染者から分離された幅広い中和抗体（bnAbs）は、ヒト免疫系がHIVに対して効果的な抗体反応を形成できることを示している。germline-targeting（GT）ワクチン接種は、連続免疫により幅広い中和抗体を誘導することを目指している。我々は以前、ヒトBG18前駆体の重鎖を発現するマウス細胞株を開発した。このマウス細胞株由来のB細胞を野生型マウスに移入し、厳密な前臨床モデルを作製した。このモデルを用いて、次世代プライミング免疫原（N332-GT5）と、V1ループへのオフターゲット反応を制限するように設計された2つの新規ブースト免疫原（B11およびB16）を調査した。COVID-19パンデミック時に、mRNA-リピッドナノ粒子（LNP）免疫原が高い効果を示したことから、タンパク質トリマーとmRNA-LNPレジメンを比較した。

事前情報

  • HIV-1感染者から分離された幅広い中和抗体は、ヒト免疫系がHIVに対して効果的な抗体反応を形成できることを示している。

  • germline-targeting (GT) ワクチン接種は、連続免疫により幅広い中和抗体を誘導することを目指している。

  • 我々は以前、ヒトBG18前駆体の重鎖を発現するマウス細胞株を開発した。このマウス細胞株由来のB細胞を野生型マウスに移入し、厳密な前臨床モデルを確立した。

  • COVID-19パンデミック時に、mRNA-リピッドナノ粒子（LNP）免疫原が高い効果を示した。

行ったこと

  • このモデルを用いて、次世代プライミング免疫原（N332-GT5）の評価を行った。

  • V1ループへのオフターゲット反応を制限するように設計された2つの新規ブースト免疫原（B11およびB16）の評価も行った。

  • タンパク質トリマーとmRNA-LNPレジメンの比較を行った。

検証方法

  • プライミングにN332-GT5タンパク質トリマーを用い、ブーストにB11またはB16を用いた際のBG18前駆体の誘導を、ヒト化マウスモデルで検証した。

  • タンパク質トリマーとmRNA-LNPによるプライムブーストレジメンを比較した。

  • 胚中心への長期的な活性化、体細胞超変異の誘導、親和性成熟を評価した。

分かったこと

  • B11およびB16の両方の新規ブースト免疫原は、N332-GT5タンパク質トリマープライム後のBG18前駆体のさらなる成熟を促進できた。

  • プライムおよびブースト相の両方にmRNA-LNP送達を用いた場合、長期的な活性化が得られ、体細胞超変異を促進した。

  • タンパク質トリマーおよびmRNAプライムブーストレジメンはいずれも、ブースト段階の反応を促進し、これは胚中心の補充またはメモリーB細胞の胚中心への再動員の結果である可能性がある。

研究の面白く独創的なところ

  • 高いハードルが設定された前臨床モデルにおいて、V3-glycan標的のプライムブーストレジメンがオンターゲットの活性化とブーストを実証した点。

  • GT primeの後にブーストが起こり得ることを明らかにした点。

  • タンパク質とmRNAの両方のプライムブーストレジメンが有効であったことから、V3-glycanエピトープを中心とした連続HIVワクチンの臨床開発への道が開けた点。

この研究のアプリケーション

  • V3-glycan標的エピトープに焦点を当てたHIVワクチン開発への応用。

  • mRNA-LNPを用いたHIVワクチンレジメンの開発。

  • 段階的免疫戦略を用いた他の難治性ウイルス感染症に対するワクチン開発への応用。

著者と所属
Zhenfei Xie, The Ragon Institute of Mass General, MIT, and Harvard Ying-Cing Lin, The Ragon Institute of Mass General, MIT, and Harvard Jon M. Steichen, The Scripps Research Institute

詳しい解説
この研究は、HIV-1エンベロープタンパク質を標的とする幅広い中和抗体（bnAbs）の前駆体を誘導するためのプライムブーストレジメンの開発を目的としています。研究者らは、ヒト化マウスモデルを用いて、BG18 bnAbの推定胚細胞（germline）前駆体をプライミングできるgermline-targeting（GT）免疫原N332-GT5を開発しました。さらに、N332-GT5でプライミングされたB細胞を、V1ループへのオフターゲット交差反応性を最小限に抑えるように設計された2つの新規タンパク質免疫原（B11およびB16）で効果的にブーストできることを示しました。
重要な点は、プライムおよびブースト免疫原をメッセンジャーRNAリピッドナノ粒子（mRNA-LNP）として投与すると、長期にわたる胚中心形成、体細胞超変異、親和性成熟が生成されたことです。これはHIVワクチン開発における有効なツールとなる可能性があります。
この研究の独創的な点は、高いハードルが設定された前臨床モデルにおいて、V3-glycan標的のプライムブーストレジメンがオンターゲットの活性化とブーストを実証したことです。これはGTプライミングの後にブーストが起こり得ることを明らかにしました。タンパク質とmRNAの両方のプライムブーストレジメンが有効であったことから、V3-glycanエピトープを中心とした連続HIVワクチンの臨床開発への道が開けました。
この研究の成果は、V3-glycan標的エピトープに焦点を当てたHIVワクチン開発や、mRNA-LNPを用いたHIVワクチンレジメンの開発に応用できます。また、段階的免疫戦略を用いた他の難治性ウイルス感染症に対するワクチン開発にも応用可能です。
HIVワクチン開発の大きな課題の1つであった幅広い中和抗体の誘導に向けて、重要な一歩を踏み出した研究だといえるでしょう。段階的免疫によって希少な中和抗体前駆体を活性化させ、mRNAワクチンの有用性も示した点で、今後のHIVワクチン開発に大きなインパクトを与える可能性を秘めています。HIVに対する予防ワクチンの実現に少し近づいたのかもしれません。

ゲーム感覚で楽しめる有機合成化学の新たなステージ

https://science.sciencemag.org/content/384/6697/793

シクロアルカンカルボン酸のリモートな位置のC-H結合を、不斉パラジウム触媒を用いて高い立体選択性でアリール化やヘテロアリール化する新手法を開発した。これにより、γ位やδ位に不斉中心を有する様々な有用化合物の効率的な合成が可能になった。従来法では構築が困難だったキラル中心を、ゲーム感覚で自在に構築できるようになったのが本研究の面白いところである。

事前情報

  • シクロアルカンカルボン酸は有機合成の重要なビルディングブロックである

  • γ位やδ位の立体中心の立体選択的構築は有機合成上の重要な課題

  • 隣接したC-H結合は反応性が似ているため、触媒の最適化が必要不可欠

行ったこと

  • キラルな二官能性オキサゾリン-ピリドン配位子の開発

  • パラジウム触媒によるシクロアルカンカルボン酸のγ位C-Hアリール化の開発

  • 最高99% ee以上の高い不斉収率を達成

  • 逆の立体配置の配位子を用いて連続的な不斉C-H官能基化も実現

  • δ位C-Hアリール化による遠隔位不斉中心の構築にも成功

検証方法

  • 様々な基質を用いた基質一般性の検討

  • 生成物の構造解析によるエナンチオ選択性の確認

  • 反応機構の解明

分かったこと

  • 開発したキラル配位子とパラジウム触媒の組み合わせで高立体選択的γ/δ位C-Hアリール化が可能

  • 幅広い基質に適用でき、γ位3級不斉中心とα位4級不斉中心を同時に構築できる

  • 3つの不斉中心を持つカルボサイクルの合成も可能

研究の面白く独創的なところ

  • 従来法では構築困難だったキラル中心をリモートなC-H活性化で自在に構築

  • 一つのキラル配位子で二つの不斉中心を同時に制御できる点

  • 配位子の立体を変えるだけで逐次的不斉C-H官能基化も可能な汎用性の高さ

この研究のアプリケーション

  • 医薬品や天然物などの不斉炭素骨格の効率的な構築法となる

  • 従来の不斉合成戦略を大きく変える可能性を秘めている

  • 基礎研究だけでなく工業的にも有用な手法になり得る

著者と所属
Tao Zhang, Zi-Yu Zhang, Jin-Quan Yu Department of Chemistry, The Scripps Research Institute

詳しい解説
この研究は、シクロアルカンカルボン酸のC-H結合を高立体選択的に官能基化する新手法を開発したものです。シクロアルカンカルボン酸は医薬品や天然物に多く含まれる重要な化合物骨格ですが、特にγ位やδ位の炭素に不斉中心を構築するのは合成化学的に大変難しい課題でした。
著者らは、キラルなオキサゾリン-ピリドン配位子とパラジウム触媒の組み合わせにより、シクロアルカンカルボン酸のγ位メチレンのC-H結合をアリール化する反応を開発しました。最高99% ee以上の高いエナンチオ選択性で、γ位3級不斉中心とα位4級不斉中心を同時に構築することに成功しています。本手法は幅広い基質に適用可能で、多様なキラル合成素子や生物活性化合物の合成に利用できます。
さらに、逆の立体配置のキラル配位子を用いることで、連続的な不斉C-H官能基化により3つの不斉中心を持つカルボサイクルの合成も達成しました。加えて、より困難とされるδ位C-H結合の不斉アリール化にも成功しており、遠隔位不斉中心の構築も可能であることを示しました。
従来の有機合成では、このようなキラル中心の立体選択的構築には多段階の反応と煩雑な条件検討が必要でした。しかし本研究で開発された触媒系を用いれば、隣接したC-H結合の中から目的の位置を自在に選び、高立体選択的に官能基化できるようになります。
有機合成化学の新しいパラダイムを切り開く画期的な研究と言えるでしょう。医薬品開発をはじめとする応用研究への展開にも大いに期待が持たれます。有機合成化学の新たなステージを開いた本研究を、ぜひゲーム感覚で楽しんでみてください！

複数の研究拠点の実験設備をクラウドでつなぎ、AIを活用して自律的に有機レーザー材料を探索する分散型ディスカバリーを実現。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9227

有機固体レーザー(OSL)用の小分子発光材料の分散型AIガイド探索を実証。迅速な分子構築のため、モジュール式の前駆体から五量体OSL材料を組み立てる汎用的2段階ワンポット法を開発し、150,000以上の候補を網羅。前駆体合成を複数拠点で分担し、組立をロボットで並列自動化。自動精製・溶液分光で高効率評価。各拠点の非同期データはクラウドのAIに集約され、量子化学計算や制約を考慮し、情報量最大の次の実験を各ロボットに割当。21種の新規高性能OSL材料を発見し、最良3種はデバイスでレーザー特性を確認。AIによる分子探索の分散化・民主化への指針を示した。

事前情報

  • 有機固体レーザー(OSL)の性能向上には新規発光材料の発見が重要だが、合成や評価には専門設備が必要

  • AIを活用した自動実験・データ駆動型意思決定は通常、単一拠点でのスムーズなデータ・物質のフローに依存

行ったこと

  • 5ヶ所の研究室をクラウドでつなぎ、データ転送、AI実験計画、ロジスティクス管理の拠点とした分散型ディスカバリーエンジンを開発

  • 五量体OSL材料をモジュール式前駆体から組み立てる汎用2段階ワンポット法を確立し、150,000以上の候補を網羅

  • 前駆体合成を分散し、組立をロボットで並列自動化。自動精製・溶液分光で候補を評価

  • 各拠点の非同期データをクラウドAIに集約し、量子化学や制約を考慮して情報量最大の実験を選択・割当

  • 得られた21種の高性能OSL材料から3種をスケールアップ合成し、薄膜デバイスでレーザー特性を確認

検証方法

  • モジュール式前駆体からの五量体OSL材料の2段階ワンポット合成法の開発

  • ロボットによる合成の並列自動化と自動精製・溶液分光評価

  • クラウドAIによる量子化学計算を考慮した非同期分散データからの実験計画

  • スケールアップ合成により得られた候補のOSLデバイスでのレーザー特性評価

分かったこと

  • 分散型でデータと物質、ロジスティクスを一元管理するクラウド拠点が鍵

  • 150,000以上の候補から21種の新規高性能OSL材料を発見

  • 3種の材料は薄膜デバイスで従来の限界を超える低しきい値レーザー発振を実証

  • 5研究室をまたがる非同期連携により、AIによる分子探索の分散化・民主化への道筋を示した

研究の面白く独創的なところ

  • クラウド上で分散リソースを一元管理し、AIで自律的に実験を計画・実行する分散型ディスカバリーエンジンを開発

  • モジュール式分子の並列合成と自動評価で15万以上の候補を高効率探索

  • 専門技術や設備を持つ5拠点の非同期連携により、単一拠点では困難な discovery サイクルを実現

この研究のアプリケーション

  • 分散型リソースを柔軟に統合する枠組みにより、AIによる物質探索の加速と民主化に道

  • 高性能有機固体レーザー材料の発見により、コンパクトなレーザーデバイスの開発に寄与

著者と所属
Felix Strieth-Kalthoff, Han Hao, Vandana Rathore, Joshua Derasp, Alán Aspuru-Guzik (University of Toronto) 他

詳しい解説
本研究は、有機固体レーザー(OSL)用の新規発光材料探索という分子エレクトロニクスの難題に、クラウドを介して複数拠点の実験リソースを自律的に連携させる分散型ディスカバリーの手法で取り組んだ画期的な成果です。
OSLの性能向上には新規分子材料の発見が不可欠ですが、そのためには合成や物性評価の専門設備と技術が必要で、多くの場合それらは世界中に分散しています。一方、近年の自動化実験とAIの発展により自律探索の可能性が開けてきましたが、単一拠点内でのスムーズなデータと物質のフローに依存するのが常でした。
そこで著者らは、クラウドにデータ転送とAI実験計画、ロジスティクス管理の中央拠点を設け、複数ラボの実験リソースを自在に連携させる分散型ディスカバリーエンジンを開発しました。具体的には、5つの研究室をまたいで、(1)モジュール式前駆体からOSL候補材料を組み立てる並列合成、(2)ロボットによる自動精製と分光評価、(3)クラウドAIによる非同期データ解析と量子化学計算を取り入れた次の実験の選択、といったサイクルを自律的に回すことに成功しました。
この枠組みにより、150,000以上の分子候補から21種の新規高性能OSL材料を見出しました。さらに最良の3種をスケールアップ合成し、薄膜デバイスで従来の限界を超える低しきい値レーザー発振を実証。分散リソースを動的に統合することで、単一拠点では成し得ない探索を可能にしたのです。
分子エレクトロニクスにおける従来の「属人的」な研究開発を、クラウドとAIの力で自律化・分散化する、まさに時代を画する成果と言えるでしょう。さまざまな分野への波及が期待される、物質探索の民主化に向けた大きな一歩だと考えられます。多様な専門性や設備を持つ研究者が自在に連携し、それぞれの強みを生かしながらシナジーを生む未来が見えてきた画期的な研究だと言えます。

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。