細胞1つの元素量を測る新手法、軟X線で実現
――海洋植物プランクトンに含まれる酸素量をピコグラムの精度で計測――

2026年6月3日
東京大学
名古屋大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

◆海洋植物プランクトン細胞１つに含まれる元素量を定量する計測手法を新開発の軟X線分光顕微鏡を用いて開発しました。
◆これまで測定が難しかった軽元素である酸素について、単一細胞レベルでの絶対質量測定をピコ（1兆分の1）グラムの精度で実現しました。
◆本手法は炭素や窒素など他の元素にも適用可能であり、細胞内元素分布や化学状態を可視化する新たな分析基盤として、生命科学を含む様々な物性研究への貢献が期待されます。

背景
生物の細胞は、炭素や窒素、酸素、鉄など多様な元素から成り立っています。これらの元素が細胞内のどこに、どれだけ存在するかを調べることは、細胞の機能や環境への応答を理解するために欠かせません。中でも、海洋の植物プランクトンは、地球全体の光合成の約半分を担う、地球規模の元素循環に関わる重要な生物です。しかし、個別のプランクトンに含まれる元素を直接かつ定量的に測定することは微小な試料サイズから難しく、特に軽元素の計測については様々な技術的な制約が存在していました。

研究内容
本研究グループは、この課題を解決するため、軟X線スペクトロ・タイコグラフィを用いた新たな元素定量法を開発しました。タイコグラフィは、試料にX線を照射して得られる回折パターンから画像を再構成する手法であり、従来の顕微鏡では実現困難な高い空間分解能と感度を両立できる点に特徴があります。軟X線スペクトロ・タイコグラフィでは、個別の元素に特異的に反応する軟X線の波長域をまたいで多数の画像を取得し、吸収像の変化から元素ごとの分布と質量を評価しました。
本研究では、海洋植物プランクトンである珪藻 Thalassiosira weissflogii^※2（図2）を測定対象としました。兵庫県播磨の大型放射光施設「SPring-8」^※3ビームラインBL07LSUにおいて軟X線スペクトロ・タイコグラフィ測定を行い、プランクトン細胞中の酸素の分布および量を評価したところ、細胞質と比較して珪藻の隔壁に特に高密度に酸素が分布をしていることが分かりました。また軟X線吸収率の変化から、それぞれの領域に含まれている酸素の量を17±2 ピコグラム、53±6 ピコグラム、50±5 ピコグラムと極めて高い精度で決定することができました。これらの計測結果は、ガラスのナノ粒子での計測（図3）や、金属元素に対して高い検出感度を持つ蛍光X線顕微鏡^※4との比較により妥当性を検証しました。

今後の展望
本成果は、単一細胞を対象とした元素定量分析の新たな基盤技術を示すものです。細胞ごとの個性を統計的に調べることが可能になるため、植物プランクトンの生理状態、元素循環、環境変化への応答をより深く理解できるようになると期待されます。また軟X線スペクトロ・タイコグラフィでは、元素量に加えてその化学状態まで調べることができます。研究グループでは既に同手法により細胞内に含まれる元素ごとの化学状態を地図のように可視化することにも成功しています（関連情報②）。将来的には、特定の元素が細胞内でどの化合物や構造にどれだけ含まれ、どのように機能しているかを調べる研究へと発展させることが可能です。そのため、本技術は生命科学のみならず、軽元素から成る有機材料やデバイスの分析にも応用可能な基盤技術として、幅広い分野への波及が見込まれます。

東京大学
　物性研究所
　　Jordan Tyler O’Neal　特任研究員（研究当時、 現： 日本学術振興会外国人特別研究員）
　　木村　隆志　准教授 （兼：理化学研究所 放射光科学研究センター 客員研究員）
　　竹尾　陽子　助教 　（兼：理化学研究所 放射光科学研究センター 客員研究員）
　大学院農学生命科学研究科
　　児玉　武稔　准教授
名古屋大学
　大学院工学研究科
　　松山　智至　教授
理化学研究所
　放射光科学研究センター 生体機構研究グループ
　　志村　まり　研究員 （兼：国立健康危機管理研究機構　研究員）
高輝度光科学研究センター
　ビームライン光学技術推進室
　　大橋　治彦　特任参事 　（兼：理化学研究所　放射光科学研究センター　客員研究員）

本研究は、科学技術振興機構(JST)の次世代研究者挑戦的研究プログラム(JPMJSP2108)、創発的研究支援事業(JPMJFR2469)、日本学術振興会 科学研究費助成事業（20H04451、23H01833、25KJ1045、25K03389、24K22349、23K26978、23K26526、23KF0019）、精密測定技術振興財団、アサヒグループ財団、文部科学省 「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（JPMXP1223UT1093、JPMXP1224UT1025、JPMXP1225UT1159）の支援により実施されました。

【用語解説】

超高強度レーザーとXFEL で ナノ構造内部のプラズマを直接可視化
―ナノワイヤー中にエネルギーが閉じ込められる仕組みを超高速計測で解明—

2026年6月1日
大阪大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

超高強度レーザーを照射したナノ構造材料^※1 の内部で生じるプラズマ^※2 が、狭い領域で効率よく 加熱される様子を、X 線自由電子レーザー(XFEL)^※3 によって直接計測することで初めて実証。
非常に短い時間における変化で計測が極めて困難であったが、XFEL を用いることにより直接可視化することに成功。
レーザーエネルギーをナノ構造によって制御する考え方は、レーザー加工や先端材料開発など、より広い産業分野への波及も期待される。

この材料は、「非常に細かい毛のような構造が密集した材料」であり、レーザー光を内部に取り込みやすい特徴を持っています（図1）。そのため、通常の平らな材料よりも効率よくエネルギーを吸収できることから、高輝度 X 線源、粒子加速、核融合研究などへの応用が期待されています。しかし、その内部で起きる現象は、時間的にも空間的にも極めて小さいため、これまで直接観測することは困難でした。
本研究では、このナノワイヤーにレーザーを照射した直後の状態を、超高速で観測できる XFEL で時間ごとに追跡しました。その結果、レーザー照射直後にナノワイヤーが急激に加熱され、その後、ワイヤー構造の崩れに伴ってさらに温度が上昇することが明らかになりました。さらに、電子の動きが横方向に抑えられるため、エネルギーが外へ広がりにくく、内部に閉じ込められることも分かりました。
本成果は、レーザーと物質の相互作用の理解を大きく前進させるものであり、将来的な高効率エネル ギー利用技術やレーザー核融合研究への応用が期待されます。
本研究成果は Springer Nature が発刊する学術誌『Scientific Reports』に 2026 年 4 月 1 日 に掲載されました。

近年の超高強度レーザー技術の進展により、実験室で極めて高温・高密度の状態を作り出すことが可 能となり、核融合や宇宙物理、粒子加速などの研究が大きく進展しています。
その中で、微細な柱状構造を多数並べたナノワイヤーは、レーザー光を内部に閉じ込めやすく、従来の 平坦な材料に比べて高いエネルギー吸収効率を示すことが知られています。このため、強力な X 線発生や高エネルギー粒子生成などへの応用が期待されてきました。
一方で、このような材料の内部で、エネルギーがどのように吸収され、どのように広がっていくのかについては、これまで主に数値シミュレーションや間接的な計測に頼っていました。ナノ構造の内部で起きる現象は、時間スケールではピコ秒以下、空間スケールではマイクロメートル以下と極めて小さいため、従来の計測手法では直接見ることが難しかったからです。
この課題を解決するために、本研究グループは、超高速・高輝度の X 線を発生できる XFEL を用い、レーザー照射直後のナノワイヤー内部の状態を直接観測することに取り組みました。

本研究では、高強度レーザーを照射した微細構造材料の内部を、XFEL を用いたポンプ・プローブ計測^※4 によって観測しました。特に、ナノワイヤーの部分とその下にある基板部分を異なる材料で作製することにより、XFEL のエネルギーを調整して、それぞれの領域の状態を分けて観測できるようにしました。これにより、材料内部のどこで、いつ、どのようにエネルギーが蓄えられ、移動するかを詳しく調べることが可能になりました。その結果、次のような重要な知見が得られました（図2）。
まず、レーザー照射直後に微細構造内部が急速に加熱され、電子温度^※5 はおよそ 120 eV に達することが分かりました。さらに、およそ 10 ピコ秒後（1000 億分の 1 秒後）には、構造そのものの崩れに伴 って電子温度が約 140 eV まで上昇することが明らかになりました。これは、最初のレーザー加熱だけでなく、構造変化そのものが追加の加熱に寄与していることを示しています。
また、エネルギーが横方向にあまり広がらないことも観測されました。これは、微細な柱状構造のすき間と、その周囲に形成される磁場の影響によって、電子の横方向の移動が抑えられているためだと考えられます。その結果、エネルギーが局所的に閉じ込められ、高温状態が保たれやすくなっていることが分かりました。さらに、ナノワイヤーの部分で発生した高エネルギー電子が、その下の基板部分に到達するまでの時間が、およそ 0.2 ピコ秒であることも明らかになりました。

本研究成果は、ナノ構造を利用した高効率なエネルギー吸収および輸送制御に関する重要な知見を提供するものです。特に、レーザーエネルギーを効率よく高温状態へ変換し、そのエネルギーを局所に保つことができるという知見は、将来的な高輝度 X 線源の開発、レーザー駆動粒子加速、小型化された核融合技術などにおいて、材料設計の新しい指針になると期待されます。また、エネルギーの流れをナノ構造によって制御する考え方は、レーザー加工や先端材料開発など、より広い産業分野への波及も期待されます。
本研究で用いた XFEL による超高速観測手法は、今回の材料に限らず、さまざまな微細構造材料や極限状態物質の研究にも応用可能であり、今後の高エネルギー密度^※6 科学の発展に貢献する重要な計測技術になると考えられます。

なお、本研究は、 Japan Synchrotron Radiation Research Institute（JASRI）の承認課題、Institute of Laser Engineering（大阪大学レーザー科学研究所）の共同研究課題、日本学術振興会・科学研究費補助金、SACLA 大学院生研究支援プログラム、米国National Science Foundation、およびJST SPRINGの支援のもと実施されました。

重森 啓介 教授 研究者総覧URL
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/d89d32580e19c3b8.html

【用語解説】

“氷を制御するタンパク質”が乾燥から細胞を守ることを発見
線虫を用いて、生体保存技術への応用につながる新たな細胞保護機能を解明

2026年6月2日
茨城大学
高輝度光科学研究センター
東京大学大学院新領域創成科学研究科
北海道大学

下瀬 大輝　　茨城大学大学院理工学研究科博士前期課程（研究当時）
尾崎 晃太郎　茨城大学大学院理工学研究科博士前期課程
栗山 稜平　　茨城大学大学院理工学研究科博士前期課程（研究当時）
池本 夕佳　　公益財団法人高輝度光科学研究センター 分光イメージング推進室 主席研究員
三尾 和弘　　国立研究開発法人産業技術総合研究所 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 単一状態計測チーム ラボチーム長（研究当時）
佐々木 裕次　東京大学大学院新領域創成科学研究科 教授
新井 達也　　北海道大学大学院先端生命科学研究院 助教
津田 栄　　　北海道大学大学院先端生命科学研究院 学術研究員
新海 陽一　　国立研究開発法人産業技術総合研究所細胞分子工学研究部門細胞未病エンジニアリング研究グループ 研究グループ長
倉持 昌弘 　 茨城大学学術研究院応用理工学野 講師

氷晶結合タンパク質は、氷の表面に結合して氷結晶の成長や再結晶化を制御するタンパク質であり、魚類、昆虫、植物、菌類など、さまざまな生物で見つかっています。氷晶結合タンパク質はこれまで主に凍結環境で生物を保護する分子として研究されてきました。一方で近年では、この氷晶結合タンパク質が、氷の存在しない低温条件でも細胞を保護する可能性が報告されており、その作用には細胞膜の安定化が関係すると考えられています。細胞膜は、凍結、乾燥、浸透圧変化などのストレスによって構造が乱れやすく、細胞の生死に大きく関わる重要な構造です。そこで本研究では、氷晶結合タンパク質が、凍結だけでなく乾燥ストレスに対しても細胞を保護できるのではないかと考え、モデル生物である線虫Caenorhabditis elegansを用いて検証しました。

研究グループは、高活性の菌類由来氷晶結合タンパク質 TisIBP8 を筋細胞で発現する線虫を用い、乾燥ストレス後の生存率、運動機能、筋細胞の損傷、細胞膜構造の変化を評価しました。乾燥処理後に水を加えて再水和し、生存率を調べたところ、TisIBP8 を発現する線虫では、野生型線虫と比べて生存率が有意に高くなりました。特に 20分および30分の乾燥処理で保護効果が認められました。一方で、40分の強い乾燥処理では両者とも生存が確認されず、TisIBP8 の効果は強い乾燥耐性を与えるものではなく、乾燥による細胞ダメージを部分的に軽減するものと考えられました。次に、筋細胞の細胞核を蛍光タンパク質で可視化して解析したところ、TisIBP8 を発現する線虫では、乾燥後も検出可能な筋細胞核がより多く保持されていました。これは、TisIBP8 が乾燥による筋細胞の構造的損傷を抑えることを示しています。さらに、大型放射光施設SPring-8 の BL43IR において、放射光赤外顕微分光を用いて線虫体内の膜脂質構造を解析しました。その結果、野生型線虫では細胞膜脂質に由来する赤外吸収スペクトルが乾燥後に大きく変化したのに対し、TisIBP8 発現線虫ではその変化が小さく抑えられていました。これにより、TisIBP8 が乾燥ストレス下で細胞膜構造を安定化している可能性が示されました。

本研究により、氷晶結合タンパク質は氷結晶の成長を制御するだけでなく、細胞膜を安定化することで乾燥ストレスによる細胞損傷を軽減する可能性が示されました。凍結保存では、氷結晶による物理的損傷だけでなく、凍結に伴う水分移動や浸透圧変化によって細胞が脱水状態にさらされることも大きな問題です。そのため、本研究で明らかになった「膜安定化による脱水ストレス緩和」は、凍結保存の新しい理解にもつながる可能性があります。今後は、氷晶結合タンパク質がどのように細胞膜と相互作用するのかを分子レベルで明らかにするとともに、細胞、組織、臓器、微生物など、さまざまな生体試料の保存技術への応用可能性を検討していきます。

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 ACT-X(JPMJAX22B7)、日本学術振興会(JSPS)科研費（25K01630、25K22444、24K17826）の支援を受けたものです。

薬が効かない耐性菌を光でピンポイント撃退！
世界的脅威アシネトバクターに対する新たな感染症治療へ

2026年5月28日
名古屋大学
理化学研究所

【本研究のポイント】
・既存の抗生物質が効かない多剤耐性菌^注1）（病原性アシネトバクター・バウマニ）に対する、新たな治療戦略を開発。
・「トロイの木馬」による標的デリバリー：細菌が自身の生存に必要な栄養（ヘム）を取り込むためのタンパク質を運び屋として利用し、光で活性化する殺菌薬（金属錯体）を細菌内部へ“密輸”することに成功。
・標的菌に青色光を当てることで細菌の内部で活性酸素種^注2）を発生させ、多剤耐性菌を最大99.999％死滅させる強力な「光殺菌（光線力学療法^注3））」を実証。

【研究背景と内容】
(1) 研究の背景
抗生物質は、長年にわたり感染症治療において人類を救ってきました。しかし近年、これらの薬が全く効かない薬剤耐性菌が世界中で急増しており、深刻な社会問題となっています。特に、複数の抗生物質に対して耐性を持つ多剤耐性菌に感染すると、有効な治療法がなく、重篤化や死に至るリスクが著しく高まります。既存のメカニズムに依存しない、全く新しいアプローチによる感染症治療薬の開発が世界中で急務となっています。
こうした多剤耐性菌の中でも、極めて危険視されているのがアシネトバクター・バウマニ（学名：Acinetobacter baumannii、以下「アシネトバクター」という）です。この菌は、病院において、免疫力が低下した人々に日和見感染^注6）を引き起こします。恐ろしいことに、この病原菌は環境変化に適応する能力が非常に高く、過去数十年の間に急速に薬剤耐性を獲得してきました。現在では、感染症治療の「最後の砦」と呼ばれるカルバペネム系抗菌薬すら効かない耐性株がまん延しており、一部の地域ではその耐性率が90％を超えることもあります。既存の薬で治療しようとしても、細菌側がすぐ新たな耐性を進化させてしまうため、世界保健機関(WHO)が2024年に発表した「新規抗菌薬が緊急に必要な薬剤耐性菌」リストにおいても、カルバペネム耐性アシネトバクターは最高警戒レベルに分類されています。
本研究では、従来の抗生物質のように病原菌と「いたちごっこ」に陥るアプローチから脱却し、多剤耐性菌の防御システムを根本から無効化する新たな治療法の開発を目指しました。病原菌が既存の薬に対して次々と耐性を獲得してしまうのであれば、細菌が生きる上で「絶対に避けては通れない」必須の行動を逆手に取る必要があります。そこで私たちが着目したのは、病原菌が自ら栄養を取り込む経路を乗っ取り、光の力で標的菌のみを内部から破壊するというアプローチです。

(2) 研究の内容
“偽のヘム”で病原菌を“騙す”仕組み
病原菌が人間の体内で増殖して害を与えるためには、鉄分を外部から取り込む必要があります。アシネトバクターなどの病原菌は、宿主から鉄を含む「ヘム」という栄養素を奪うための独自のヘム獲得経路を備えています。近年の研究では、病原性アシネトバクターは「HphA」という特殊なタンパク質を分泌し、これを周囲に放出してヘムを捕まえ、自身の体内に運び込んでいることが明らかになりました（図1）。

私たちは、この「HphA」という運び屋タンパク質の構造が非常に頑丈であり、かつ、ヘムを包み込むポケット部分の認識が比較的に緩やかであるという独特の性質に注目しました。つまり、本来の栄養素（ヘム）の代わりに、人工的な物質（金属錯体など）をすり替えることが可能ではないかと着想しました。これはまさに、ギリシャ神話の「トロイの木馬」と同じ罠（わな）です。病原菌が自ら生きていくために不可欠な栄養獲得経路をハイジャックし、栄養のふりをした有害な物質を取り込ませる戦略を提案しました（図2上）。“偽のヘム”の候補として光で活性化する「光増感剤」を採用し、HphAと組み合わせることで光増感剤を菌体内に輸送し、光照射で殺菌する手法（光殺菌）を検討しました。（図2下）

病原菌を“騙す”ことで高効率の光殺菌を実現
まず、HphAのヘムを他の金属錯体に置き換えられるかを調べました。本研究ではヘムに近い構造を持つ3種類の錯体を選択し、中心金属として鉄の他にコバルトとガリウムを検討しました（図3A）。ヘムを持たないHphA（アポ体）の溶液にこれらの金属錯体の溶液を添加して得られた複合体を精製することで、人工HphAの調整を行いました。各種測定結果から、HphAはヘムだけでなく、検討したすべての合成金属錯体も捕捉できることが明らかになりました。
作製した人工HphAの具体的な構造情報を得るために、タンパク質のX線結晶構造解析を「SPring-8のビームラインBL45XU」にて行いました。その結果、1つの人工HphA（Co-Pcを捕捉したHphA、図3B）の構造解明に成功しました。この人工HphAの構造はヘムを捕捉した天然の構造と高い相同性を示し、ヘムをすり替えてもHphAの構造が大きく変わらないことが分かりました。

検討した金属錯体の中には光増感剤になり得るガリウム錯体が含まれているため、これらを捕捉した人工HphAを用いて光殺菌手法を検証しました。将来の臨床応用を見据え、毒性が高く多剤耐性を示す国際的な標準モデルである「AB5075株」を用いて検証を行いました。この株に人工HphAを添加して菌体内に光増感剤を取り込ませ、青色光を照射したところ、最大99.999％という極めて高い殺菌効率が得られました（図4A）。
さらに、アシネトバクターが光殺菌に対する耐性を獲得できるかどうかを調べるために、殺菌処理後に生き残った細菌に対して繰り返しの光殺菌を行いました。その結果、5回繰り返しても殺菌効率が低下しないことが確認でき（図4B）、本研究で開発した手法は、病原菌が容易には耐性を獲得できない強力なメカニズムであることが示唆されました。

【成果の意義】
本研究の最大の意義は、WHOが最高警戒レベルに指定する多剤耐性アシネトバクターに対し、菌独自の栄養獲得経路を逆手に取る革新的な治療戦略を実証した点にあります。既存の抗生物質では耐性進化との「いたちごっこ」が避けられませんでしたが、本手法は光から発生する活性酸素種で細菌を内部から直接破壊するため、新たな耐性獲得が困難です。院内感染の主要な原因であり、現在有効な治療法が失われつつある強毒性アシネトバクターを極めて高い効率で排除できるこの「トロイの木馬」戦略は、感染症治療の“壁”を突破する画期的な成果と言えます。今後は生体内での安全性や効果の検証を進め、人類が直面する深刻な薬剤耐性問題、すなわち「静かなパンデミック」を打ち破る次世代の標的治療法としての臨床応用が期待されます。

【支援・謝辞】
本研究は、これらの事業の支援のもとで行われたものです。
・日本学術振興会(JSPS) 科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)「酵素を誤作動させる分子による酸化反応の遷移状態設計」(JP22H05129)
・日本学術振興会(JSPS) 科学研究費助成事業 挑戦的研究（萌芽）「合成金属錯体を取り込ませる多剤耐性緑膿菌の新規殺菌手法開発」(JP24K22051)
・日本学術振興会(JSPS) 科学研究費助成事業 基盤研究(A)「革新的反応場分子設計による人工金属酵素反応系の創出」(JP25H00910)
・公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI)　一般課題「生体鉄イオンの獲得と輸送に関与するタンパク質の立体構造解析」(2023B2540)
・科学技術振興機構(JST) 次世代研究者挑戦的研究プログラム「東海国立大学機構融合フロンティア次世代リサーチャー」(JPMJSP2125)
・名古屋大学 卓越大学院プログラム トランスフォーマティブ化学生命融合研究大学院プログラム(GTR)

【用語説明】