多元研の若手研究者に聴く｜藤枝俊・山﨑優一・小関良卓
2016年5月18日｜多元物質科学研究所事務棟大会議室にて
今年4月20日、平成28年度文部科学大臣表彰「若手科学者賞」を受賞した機能材料微細制御研究分野の藤枝俊助教と量子電子科学研究分野の山﨑優一助教、そして、東北大学総長賞を受賞し3月25日の東北大学学位記授与式会場で表彰された、有機・バイオナノ材料研究分野の小関良卓助教、多元研に在籍する3人の若手研究者に集まっていただいて、座談会を行いました。 分野の異なる3人が、それぞれの今回の受賞テーマについて、研究者になるきっかけや気分転換の方法など、普段はなかなか話さないいろいろなことを話しました。
#1 どんな研究ですか？
Q1： 小関良卓先生の受賞テーマはどんな研究ですか？
小関良卓：私の研究テーマは、ドラッグデリバリーシステムに関するものです。一般的に、薬を投与すると全身にまわってしまい、患部だけに届けることができません。そこで、ターゲティングという工夫をして、患部に届けられるようにしよう、という研究です。
ターゲットの疾患は「がん」です。体の中にできた「がん」のまわりの毛細血管には、200ナノメートルくらいの隙間が開いています。ということは、200ナノメートル以下のナノ微粒子を血管内に入れてあげれば、がんの近くにある血管の隙間を通り抜けて、直接がんに届けられることになります。この現象は、1980年代からすでに知られていて目新しくはないのですが、これまでは、薬をポリマーなどにくるんで患部まで届けるといった方法が使われてきました。
今回挑戦したのは、薬自体をナノ粒子化する研究です。「再沈法」という手法を使って、抗がん剤をナノ粒子化すると、それまでとは違って、効果が高いナノ粒子を作ることができました。実際には、抗がん剤の誘導体を有機合成して、再沈法を使ってナノ粒子化して、細胞実験を経て、動物レベルの実験まで行いました。
藤枝俊：ナノ粒子の薬を合成するのですか？
小関：今回は市販の抗がん剤を使ったのですが、薬自体を再沈法でナノ粒子化しようとしたら、ナノファイバーみたいなのができてしまったんです。修士で有機合成の研究をしていたので、その経験を活かして、いろいろな置換基を付けてみて、どの置換基をつけると粒が小さくなるか、効果が高くなるかなどを調べました。
藤枝：再沈法というのは、大きい粉の薬を一度溶かして…
小関：そうです。最初は大きい粉の状態の薬を、有機溶媒に溶かしてから、貧溶媒、今回は水を使ったので、水に注入して、ナノ粒子をつくる方法です。
山崎優一：化合物ごとに再沈法の条件は違うんですか？
小関：化合物によってそれぞれ違います。温度や濃度に強く影響を受けますが、そのあたりは再沈法を開発した笠井先生によって、主に色素や電子材料を用いて研究されています。
- 研究室でも初めての細胞実験や動物実験に挑戦
小関：細胞実験や動物実験など研究室でも初めてのことは、先生方にもやり方が分からなかったので、いろんな人に教えてもらいました。細胞実験のやり方を教えてもらうために、一人で京都大学まで行って実験しましたし、それが終わると今度は、東北大学医学部の動物実験施設に行って、医学部の先生に教えてもらいながらマウスの実験をしました。
藤枝：工学部では動物に触れることが少ないから、マウスの実験に抵抗なかった？
小関：マウスの背中にがん細胞を移植して薬の効果を調べるので、最初は抵抗がありましたが、だんだん慣れてきました。実は、修士は農学研究科出身なんです。
山崎：実用性が高い研究ですよね。すごいよね。
小関：そうですね。最終的には実用化されるといいなと思っています。そこにたどり着くためにはやるべきことが山積みで、長い道のりですが。
Q2：山崎優一先生の受賞テーマはどんな研究ですか？
山崎：私のテーマは実用性とは少し別の方向を向いているんですが、「物質がどのように変化するのか」という身のまわりで起こる現象へのシンプルな問いに、本質的な部分から答えを見つけようとする研究です。物質は、原子の集まりである分子で構成されていますが、そもそもの原子は、原子核と電子の2種類だけでできています。この2種類の動きを見ることができれば、その物質がどのように変化しているのか分かるはずです。
その電子が、物質中でどう分布し、どんな速さで運動しているかを、直接実験的に観測する手法を開発しました。 目に見えない電子の動きを調べるために、SF映画に出てくるような電子ビーム使っています。ビリヤードのような実験とよく言うのですが、分子に電子ビームをぶつけて分子中の電子を弾き飛ばして、飛び出す方向やエネルギーを測るんです。すると、電子が分子中でもともとどんな運動をしていたかが分かる。エネルギー保存則や運動量保存則、高校物理で習う基本的な原理です。
小関：サンプルは何ですか？
山崎：今回はアセトンを使いました。蒸発させたアセトンに光を当てると、アセトンが分解し始めます。
メチル基がポロポロと1個ずつはずれて、COと2つのメチルができます。その分解反応の起点において、電子がアセトンの周りを大きく広がって運動する様子が観測できたんです。これまでは計算でしか分からなかった現象を、実験的に見ることに成功したわけです。装置の性能を上げていけば、計算からでさえ予測が困難な、メチル基がはずれる時の電子の様子を、ムービーを見るように見ることができると考えています。
- 世界にひとつしかない実験装置を作る
藤枝：僕は研究室を見学したことがあります。実験を始めるときに、まず、実験室の床の基礎工事をしたと聞きました。
山崎：そうなんです。実験装置が数トンの重さになることが分かっていたので、実験室の床が抜けないように、コンクリートを打設して基礎を作るところからはじめました。真空装置は、多元研の機械工場の協力を頂いて自分たちでデザインして、加工してもらいました。奥行2M、幅1.5M、高さ2Mくらいの大きい装置なので、クレーンを使って組み立てましたし、真空容器も計測系も特注品です。ポンプなど市販の部品も使っていますが、世界にひとつしかない装置です。
小関：装置を作るというのは、ちょっとイメージできないです。
山崎：そういう意味では、新しい分析方法を開発するのが私たちの研究であるとも言えるので、その目的のために必要であれば、オリジナルの装置を作ります。ただ、同じ研究分野でも、ここまで大きい真空装置を持っているところはそうないので、外国からも見学に来ますし、見た人には驚かれます。
- 1つのデータのために1ヶ月実験し続ける
山崎：実は、1つの実験データを取るために、1ヶ月実験し続けないといけないんです。
小関：動物実験の場合、1～2ヶ月のスパンでということはありますが、1つのデータのために1ヶ月かかるというのとはちがいますね。
山崎：とても弱い信号を見ているので、1日分のデータでは、ほとんど信号として認識できなくて、少なくとも1ヶ月分くらいのデータを溜めて見る必要があるんです。これまで誰もやったことのない実験なので、まさに暗中模索の状態で、毎日修正しながら実験して、うまく行きそうだったら続けるわけです。
小関：評価方法も自分たちで決めないといけないということですか？
山崎：そうですね、世界で初めての試みですから。真空中で動いている分子に、パルスで出ている光と、光の15分の1くらいの速さで飛ぶ電子を、同時にぶつける実験なので、精度が要求されるんです。実験の手順からすべて自分たちで考えなければならないところは難しいですが、そこは醍醐味でもありますね。
Q3：藤枝俊先生の受賞テーマはどんな研究ですか？
藤枝：僕の受賞のテーマは、磁気冷凍という新しい冷凍方式のための、高性能な材料の開発です。
一般にエアコンなどは、フロン系のガスを圧縮したり膨張させたりする気体冷凍方式を使っていますが、磁気冷凍は、磁性体を使った冷凍方式です。フロン系ガスを一切使わず、効率も良いので環境負荷が少ないことから、実用化が期待されています。
山崎：磁気冷凍の現象は新しいんですか？現象が気になりますね（笑）。
藤枝：-270℃以下の極低温を作る実験室レベルのものはすでに実用化されています。同じ材料を使って、冷蔵庫やエアコンのような室温に近いものを作ろうとすると効果が薄まってしまうので、新しい材料、現象を見つけることが課題でした。そこで僕は、磁場をかけると常磁性から強磁性に相転移する特異現象を示す磁性体に着目して、磁気冷凍に応用できないかなと研究すすめたところ、すごく特性が良いことを発見したんです。
今では、僕が研究したその磁性体が、一番有望な材料だと世界的に注目されているので、早く実用化されないかなと楽しみにしています。
- 1年間、毎日サンプルを作り続けました
藤枝：最初のサンプルを作るところで苦労しました。鉄とランタンとシリコンを溶かして混ぜて熱処理するんですが、鉄とランタンは水と油の関係なのでなかなかうまくいかなかくて、熱処理のための炉も自分で作りました。磁気的な性質を詳しく調べるために高品質のサンプルを作りたかったというのもあって、毎日ひたすら作り続けました。1年かけて、ようやくひとつ、目標とするクオリティーのサンプルができたんです。
大変だったけど、すごく良い発見をすることが出来たし、その後の研究でいろんな展開が生まれたので、苦労が報われました。
山崎：いろいろやったら、ある条件でうまくできた、でもできた理由は二の次というのは私と対極ですね！
私は何故できるのかに興味があってしょうがない（笑）。
藤枝：うまくできない、なんでかな、これかもしれないな、やってみようの繰り返し。結局、うまくいった理由も分からないから、最初の数年は1割くらいしか成功しなかった。だんだん出来るようになりましたが、当時はそうやって研究していました。結局、経験的に編み出した方法が、すごくいいやり方だということが、後になって科学的に分かったんです。
山崎：科学的直感ですね（笑）。
藤枝：当時は、その磁性体の研究をしているのは僕らのグループくらいだったのですが、磁気冷凍の有望材料だということが分かってからは、世界中のいろんな人が研究を始めています。みんながサンプルを上手に作れるようになって、研究がもっと発展して欲しいので、僕が苦労したサンプルの作り方は、いろいろ詳しく調べて論文にして発表しました。あまりにも材料を作るのが大変だと、実用化もできないですから。
山崎：実用化の可能性はありそうですか？
藤枝：着実に近づいていると思います。気体冷凍の技術は長い年月をかけて発達してきた成熟した技術ですが、私の開発した材料はすごく性能が良いですし、磁気冷凍には、気体冷凍にはないメリットがあるので、
うまくマッチした用途があれば実用化出来そうだと思っています。
つづく