工業的金属加工プロセスの超高速レントゲン診断法が実現
――SPring-8が新開発した透過力の高い明るいＸ線を用いることで、 世界ではじめて金属の切削・放電加工現象の観察に成功――

2026年2月20日
東京大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

◆産業・工業で重要な金属加工プロセスの超高速レントゲン診断法が実現しました。
◆SPring-8が新開発したX線を用いて金属内部の変形や動作のスローモーション撮像に成功。
◆自動車、航空、船舶など広範な工業分野において、金属加工技術の問題点を明らかにします。

自動車、家電、航空、船舶などあらゆる工業分野において、切削加工に代表される金属加工技術はものづくりの根幹であり、20世紀後半から現在に至るまで日本が世界をリードしている分野です。
現在、工場現場での加工プロセスの改善は職人的な手法で行われており、理論的解明が難しく、シミュレーターの利用はほとんど行われていません。その主な理由は、金属の加工プロセスは、金属内部や冷却液などの中で行われるため直接観察できないためです。物質の内部を観察する手段としては、X線がありますが、通常のⅩ線では強度が弱く、高速で見ることができず、また、金属内部を透過するためには、より透過力の強い高エネルギーのⅩ線が必要でした。
一方、近年、SPring-8では厚い金属を透過する100keVのX線を､極めて明るい光量で供給する技術を新開発しました。図1は、X線のエネルギーと金属の透過する厚さになります。このグラフから、100 keVのX線を用いると鉄や銅などの工業分野で主となる金属を数ミリメートル以上の厚さでも透過することがわかります。

本研究では、図2に示すようにこの金属の透過力に優れたX線を、ドリル加工と放電加工の冷却液と金属内部を5000分の1秒の速さで観察、すなわち超高速レントゲン診断に用いました。
図3は、実際に銅合金をドリル加工した様子です。このように、鮮明に金属内部において工具により、金属が除去されていく様子を観察することに世界で初めて成功しました。さらに、ドリル工具の振動の様子もわかり、穴加工で防ぐべきバリの発生メカニズムも解明しました。本研究では、工業分野で重要な放電加工の観察にも成功しています。

本手法により、冷却水や金属の内部で起こっている、誰も見たことがない金属除去過程や、切りくず発生、工具振動などをダイレクトに観察することができます。2年後に実現するSPring-8-IIにより、新開発されるX線は、さらに性能が向上します。そうすれば、より高い空間分解能と時間分解能で、切削加工、放電加工、レーザー加工や3Dプリンタなど、あらゆる金属プロセスの超高速レントゲン診断が可能になります。
開発した金属加工プロセスの超高速レントゲン診断法は、工作機械^(注6)や工具開発を飛躍的に促進させ、日本がリードしている工作機械分野のさらなる発展に貢献することが期待できます。

東京大学 先端科学技術研究センター
　　三村秀和　教授
　　　兼：理化学研究所 放射光科学研究センター　チームリーダー

理化学研究所 放射光科学研究センター
　　矢橋牧名　グループディレクター

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　室長

本研究は、科研費「高精度大型ウォルターミラーの開発とX線望遠鏡・X線顕微鏡への展開」
（課題番号：23H00156）の支援により実施されました。

【用語解説】

ビタミンB12を用いた光受容タンパク質の活性化メカニズムを解明
～SACLAが捉えた光化学反応と生命応答の関係～

2026年2月5日
兵庫県立大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

【研究の背景】
　CarHは細菌にみられ、ビタミンB₁₂を用いて光を感知し、カロテノイド^※6合成に関わるタンパク質の合成を制御する光応答型転写調節因子^※7です。CarHに結合したビタミンB₁₂が光を受容すると、CarHの構造が変化します。その結果、四量体を形成していたCarHが単量体になることで、DNAに結合する能力を失い、タンパク質の合成が制御されます（図1）。ビタミンB₁₂は、酵素の活性部位として機能し、生体内で様々な化学反応を行うことがよく知られています。一方で、CarH のような光受容タンパク質において、ビタミンB₁₂が利用される例はあまり知られていません。CarHがどのようにして「光」による機能制御を可能にしているのか、その要因は明らかになっていませんでした。この疑問に答えるために、CarHが光を受けた直後のナノ秒から、最終的にタンパク質の構造が大きく変化する数秒までの「姿」をみることが重要になります。

【研究内容と成果】
　研究グループは、主にXFEL施設SACLAでの時間分解構造解析を利用して、CarH の光活性化過程を詳細に解析しました（図2）。その結果、光照射によってビタミンB₁₂誘導体中のコバルト–炭素結合（Co–C結合）が切断された後、3マイクロ秒（マイクロ秒は百万分の1秒）で、これまで知られていなかった新しい反応中間体が形成されることを発見しました。この中間体では、光を受容する前にみられたビタミンB₁₂誘導体中のCo–C結合（Co–C5’結合）とは異なる新たなCo–C結合（Co–C4’結合）ができており（図2）、その後に起こる大きな構造変化を引き起こす鍵となっていることがわかりました。そして、CarH は四量体から単量体へ変化し、DNA結合能を失うことで転写制御が切り替わります。この仕組みは、ビタミンB₁₂をもつ酵素とは本質的に異なる光受容タンパク質特有のものであることが示されました。

【今後の展開】
　本研究は、光照射のナノ秒から数秒後のCarHの姿を捉えることで、ビタミンB₁₂を用いた光受容の仕組みを理解した成果です。この知見は、光による遺伝子制御の理解を深めるだけでなく、将来的にはオプトジェネティクス^※8への応用や、光をつかってタンパク質の働きを自在に操作する技術への応用が期待されます。

【謝辞】
　本研究は、理研が提供するSACLA大学院生研究支援プログラム及び二国間交流事業（フランス(MEAE-MESRI)との共同研究）による支援を受けて実施されました。

【用語解説】

タンパク質の動きを捉える新しい試料導入システムを開発
－テープ搬送による試料導入で試料消費量を低減－

2026年2月16日
理化学研究所
高輝度光科学研究センター
東北大学
京都大学

理化学研究所（理研）放射光科学研究センタービームライン開発チームの姜正敏研究員、同SACLAビームライン基盤グループの矢橋牧名グループディレクター、高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室の登野健介チームリーダー、東北大学多元物質科学研究所の南後恵理子教授、京都大学大学院医学研究科の岩田想教授らの国際共同研究グループは、X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA※1」において、タンパク質の動きを捉える連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)※2のための試料を導入する新たなシステムを開発しました。 本研究成果により、わずかな量の試料で時分割の構造解析が可能となり、タンパク質の動きが原子レベルで明らかになることが期待されます。 生体の重要な構成成分であるタンパク質が機能する際、巧妙にその構造を変えて機能を発揮していることが知られています。その動きを動画のように可視化する技術として、XFELを用いた時分割連続フェムト秒結晶構造解析（時分割SFX）※2が利用されてきました。 今回、国際共同研究グループは、SACLAにおいて、結晶を含んだ微小液滴をテープの上に滴下し、ベルトコンベアのようにX線レーザーの照射領域に運ぶ手法を開発しました。結晶を含んだ微小液滴に反応分子などを含む別の微小液滴を重ねて滴下することにより、タンパク質が反応する過程を追跡する実験も可能となりました。 本研究は、科学雑誌『Journal of Applied Crystallography』（2月8日付）に掲載されました。 テープ搬送による試料導入システムでタンパク質の動的構造解析をわずかな試料で実現 論文情報 雑誌名：Journal of Applied Crystallography タイトル：Compact Tape-Driven Sample Delivery System for Serial Femtosecond Crystallography 著者：Jungmin Kang, Yoshiaki Shimazu, Fangjia Luo, Ayumi Yamashita, Tomoyuki Tanaka, Yuichi Inubushi, Kensuke Tono, Nipawan Nuemket, Allen M. Orville, So Iwata, Eriko Nango, and Makina Yabashi 掲載日：2026年2月8日 DOI：10.1107/S1600576726000063

ヒトの体の重要な構成成分であるタンパク質は、複雑に折り畳まれた構造を取っています。その立体構造と機能は深く関連しており、タンパク質が機能を発揮する際には巧みに構造を変えることが知られています。この動的な構造変化を原子レベルで解明することは、生命現象の理解や薬剤設計の上でも重要です。しかし、従来の方法ではタンパク質分子が素早く変化する過程を原子レベルで可視化することは困難でした。
X線自由電子レーザー(XFEL)を用いた「連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）」は、この動的構造の解明に大きな進展をもたらしました。SFXは、フェムト秒（1,000兆分の1秒）単位の極めて短い発光時間を持つX線レーザーをタンパク質の微小結晶に照射し、生体温度に近い条件で立体構造データを取得する手法です。特に「時分割連続フェムト秒結晶構造解析（時分割SFX）」は、光、熱などの物理的刺激や、基質^※3、リガンド（配位子）^※4などの分子との結合によってタンパク質との反応が開始する時間を変えながら測定が可能であり、構造変化をリアルタイムに捉える唯一の手法として用いられてきました。
XFELを用いた実験では、高強度のX線レーザーによる照射後に試料が崩壊するため、新たな試料を次々と導入する必要があります。従来のSFX実験では、微小結晶を液体に混合してX線レーザーによる照射位置まで連続的に流す方法が使われてきました。しかし、X線レーザーは連続的に試料に照射されるのではなく、例えば1秒間に数十回程度の繰り返しで間欠的に照射されます。X線レーザーが照射されていない間も試料は流れ続けるため、その大部分がX線レーザー照射の実験に用いられず浪費されていました。タンパク質試料の調製には多大な時間とコストを要するため、この浪費を最小限に抑えることは重要な課題となっています。

タンパク質試料の浪費といった課題を解決するため、先行研究ではテープをコンベアベルトとして利用し、その上に滴下した液滴をX線レーザー照射位置まで運ぶ方法が提案されていました。国際共同研究グループは、この手法をさらに発展させ、よりコンパクトで実用性の高い試料導入システムを開発しました（図1）。

このシステムでは、ナノリットル（nL、1nLは10億分の1リットル）スケールの微小液滴を高速に吐出（としゅつ）する装置を2台、テープ送り方向に沿って直列に配置しました。テープは、耐久性などに優れた、厚さ約12マイクロメートル（µm、1µmは100万分の1メートル）のポリイミドフィルムを採用しました。それぞれの液滴吐出装置から、結晶を含む微小液滴と反応分子溶液の微小液滴をテープ面上に連続的に重ねて吐出します。その後、ベルトコンベアのようにX線レーザーの照射位置まで液滴を運び、液滴が載ったテープの裏面から垂直にX線レーザーを照射してデータを取得します。テープ面をX線に垂直に配置したことで、X線の焦点とテープ面上の液滴との位置合わせが飛躍的に簡便になり、測定の安定性が向上しました。また、液滴の吐出タイミングを、間欠的なX線レーザーの照射と同期させることで、高効率にデータを収集することができます。さらに、テープ送り速度や反応開始地点からX線照射位置までの距離を調整することで、約0.1秒から20秒弱までの範囲で、二つの微小液滴の混合時間を制御できるようにしました。

本システムの性能を実証するため、X線自由電子レーザー施設「SACLA」において、二液混合型の時分割SFX実験を実施しました。モデルタンパク質試料として、酵素であるニワトリ卵白由来のリゾチーム^※5の結晶と、その阻害剤であるN-アセチルグルコサミン^※6を使用しました。実験では、リゾチーム結晶を含む微小液滴と、N-アセチルグルコサミン溶液の微小液滴がテープ面上で重なった時からX線レーザーが照射されるまでの時間を数点設定し、反応過程における活性部位の変化を追跡しました。

この実験により、混合から一定時間経過後に、基質がリゾチームの活性部位に結合していく過程を原子レベルで捉えることに成功しました（図2）。さらに、各時点のデータセットを取得するために必要なリゾチームの消費量をわずか1～2mgに抑えることができました。これは、従来の実験方法に比べて、数十～数百分の1に当たる量となります。本システムでは、可視光レーザーを導入することで光励起型の時分割SFX実験も可能であり、これまで以上に多様なタンパク質に対して時分割SFX実験を適用することができます。

今回開発したシステムは、従来SFXで用いられてきた連続的な試料導入方法とは異なり、XFELを用いたX線レーザーの照射に同期した試料導入により試料消費量を削減するとともに、安定して高品質なデータを取得することを可能にしました。また、従来の方法に比べ、反応開始後から数十秒といった遅い反応を捉えることもできます。本技術の普及により、酵素などにおける反応過程の解明や、薬剤が標的タンパク質に結合する詳細なプロセスの可視化が加速されることが期待されます。

理化学研究所　放射光科学研究センター
　ビームライン開発チーム
　　研究員　　　　　　　　　　姜　正敏　　　　　（カン・ジョンミン）
　SACLAビームライン基盤グループ
　　グループディレクター　　　矢橋牧名　　　　　（ヤバシ・マキナ）

高輝度光科学研究センター　XFEL利用研究推進室
　　チームリーダー　　　　　　登野健介　　　　　（トノ・ケンスケ）

東北大学　多元物質科学研究所
　　教授　　　　　　　　　　　南後恵理子　　　　（ナンゴ・エリコ）
　　（理研　SACLA利用技術開拓グループ（研究当時）　チームリーダー（研究当時））

京都大学　大学院医学研究科
　　教授　　　　　　　　　　　岩田　想　　　　　（イワタ・ソウ）
　　（理研　SACLA利用技術開拓グループ（研究当時）
　　グループディレクター（研究当時））

Diamond Light Source UK XFEL Hub（英国）
　　グループリーダー　　　　　アレン・オルベイル（Allen M. Orville）

本研究は、理化学研究所放射光科学研究センター「SACLA/SPring-8基盤開発プログラム（研究代表者：岩田想）」、日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業新学術領域研究（研究領域提案型）「高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用（研究代表者：岩田想）」、同学術変革領域研究（A）「タンパク質機能のポテンシャルを解放する生成的デザイン学（研究代表者：林重彦）」、日本医療研究開発機構（AMED）「創薬等先端技術基盤プラットフォーム(AMED-BINDS)」による助成を受けて行われました。

【用語解説】

リアルタイムで見えた！3000℃の世界で起こる物質の変化
－SPring-8が照らす原子の動き、安全性の高い燃料や新規材料の開発へ－

令和8年1月26日
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
国立大学法人福井大学
国立大学法人東京科学大学
国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

【発表のポイント】
● 原子力を安全に利用するためには、ウラン燃料が高温になり溶け始めるときに、どのような変化が起こり周囲の材料と反応するのかを正確に理解することが重要です。
● 研究チームは、3000℃を超えるような超高温物質に対してSPring-8の強力なX線を照射し、その構造変化をリアルタイムで観察できる新しい技術を開発しました。この技術により、燃料や被覆管が溶ける瞬間から、化学反応を経て固まるまでの一連の過程を追跡することが可能になりました。
● 開発した観測技術は、安全性の高い燃料開発や燃料の変性過程の理解に役立つだけでなく、航空宇宙・鉄鋼分野の新規材料開発研究にも応用が期待されます。

原子力発電では、原子炉の中で核燃料が非常に大きな熱を生み出しています。通常は、冷却することで安定した状態が保たれていますが、もし冷却が止まると燃料の温度が急上昇し、周囲の材料を溶かしてしまう恐れがあります。こうした事故を防ぐためには、高温に強く、安全性の高い燃料が欠かせません。その開発には、ウラン燃料が超高温になると、どのように姿を変え、周囲の材料とどんな化学反応を起こすのかを詳しく知ることが必要です。しかし、燃料と周囲の材料が溶けて反応するような超高温での反応を観察することは困難で、これまでは理論的に推測するしかありませんでした。 　研究チームは大型放射光施設SPring-8（注1）において、3000℃を超える超高温下で起こる物質の変化をリアルタイムで観察できる新しい分析技術を開発しました。試料を超高温に保ちながらX線を照射し、リアルタイム分析により反応の瞬間を捉えて、物質が「溶ける瞬間」を直接確認します。今回、模擬核燃料を用いた実験を行い、周囲の材料が高温で溶け、冷え固まるまでのプロセスについて、直接かつ原子レベルで明らかにすることに成功しています。この成果は、より安全な核燃料の開発に貢献できるとともに、航空宇宙分野などで求められる超高温に耐える新規材料の開発への応用も期待されています。 　本開発は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：小口正範、以下「原子力機構」）原子力科学研究所 物質科学研究センター 放射光科学研究グループの谷田肇技術主幹、小林徹研究副主幹、小畠雅明技術副主幹、福田竜生研究副主幹、国立大学法人福井大学（学長：内木宏延）附属国際原子力工学研究所の有田裕二教授、国立大学法人東京科学大学（理事長：大竹尚登、以下「Science Tokyo」）ゼロカーボンエネルギー研究所の伊藤あゆみ特任准教授、国立大学法人東北大学（総長：冨永悌二）金属材料研究所の小無健司特任研究員、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（理事長：小安重夫、以下「QST」）放射光科学研究センターの矢板毅研究員によるものです。 　本開発成果は、令和7年10月に日本化学会欧文誌「Bulletin of the Chemical Society of Japan」にて発表されました。 論文情報 雑誌名：日本化学会欧文誌「Bulletin of the Chemical Society of Japan」 タイトル：Combined in situ quick X-ray absorption fine structure and X-ray diffraction systems for ultra-high temperature metal oxides 著者：Hajime Tanida, Tohru Kobayashi, Tsuyoshi Yaita, Masaaki Kobata, Tatsuo Fukuda, Ayumi Itoh, Kenji Konashi, Yuji Arita 掲載日：2025年10月 DOI：10.1093/bulcsj/uoaf088 高温環境での実験をリアルタイムに分析できる装置の概念図

【これまでの背景・経緯】
　原子炉の中では、核燃料が大量の熱を生み出しています。通常は水などの冷却材がその熱を取り除くことで、原子炉や燃料は安定した状態を保っています。しかし、何らかの原因で冷却がうまくいかなくなると、燃料の温度は急激に上昇し、燃料そのものやそれを包む被覆管が溶けたり、化学反応を起こしたりする恐れがあります。そのため、燃料の安全性を評価するには、「燃料が溶けるような超高温下で燃料や被覆管がどのように変化するのか」を詳しく理解することが欠かせません。従来の研究では、加熱した試料を室温まで冷却した後に分析を行い、どのような変化が起こったのかを推測しています。しかし、この方法では、「どの温度で、どのくらいの時間で」変化が進んだのかを正確に知ることは難しく、現象の本質に迫ることはできませんでした。
　超高温下での変化をより深く理解するためには、物質や材料が実際に変化している瞬間に、原子レベルの微細構造変化や酸化・還元といった化学状態の変化をリアルタイムに観察することが重要です。大型放射光施設SPring-8で作る放射光X線を利用すれば、X線回折（XRD）法^（注2）で物質の構造変化を、X線吸収分光(XAFS)法^（注3）で物質の化学状態の変化を観察することが可能です。XRD法やXAFS法は、これまでも高温実験に用いられてきましたが、3000℃に近い超高温領域では温度を安定して保つことが難しく、十分な観測結果を得ることは容易ではありませんでした。
　そこで私たちの研究チームは、温度を安定して制御できる新しい薄型電極を備えた電気炉を開発しました（図1）。この装置では試料をしっかり保持したまま超高温での観察が可能となり、試料の変化をリアルタイムで観測することに成功していました⁽¹⁾。

【今回の成果】
　研究チームは、SPring-8の原子力機構専用ビームラインBL22XUにおいて、超高温状態でXRD法とXAFS法を同時に利用できる新しい分析システムを開発しました。
　このビームラインでは、アンジュレータ^（注4）という非常に強力なX線を作り出せる光源を利用できます。アンジュレータから、さまざまなエネルギーを含む白色X線をまず取り出して、X線分光器^（注5）に照射します。このとき、X線分光器を動かして白色X線に対する角度を変えることで、特定のエネルギーのX線のみを取り出します。このX線分光器を高速に動かす技術を構築することで、数十秒毎の化学状態をXAFS法により連続写真のように測定しつつ、同時にXRD法による測定も行うことができる革新的なシステムを実現しています（図2）。

　さらに、試料を安定して超高温に保つことができる、厚さ0.5mmの薄型電極を備えた小型電気炉を組み合わせることで、試料が「溶け始める瞬間」から「反応が進む過程」までをリアルタイムで観察することに成功しました。試料サイズを最小限に抑えることで、密閉されたグローブボックス内に設置できるほど装置をコンパクト化しており、安全な環境下での実験を可能にしています。
　開発したシステムを用いて、原子炉燃料である二酸化ウランを模した酸化セリウムに、被覆管材料であるジルコニウムと酸化ジルコニウムを加えた混合試料による試験を行いました。加熱しながら測定を行ったところ、約1500℃付近で、XAFS法によってジルコニウムと酸素の結合状態の変化が確認され、それとともに、XRD法によって酸化ジルコニウムの結晶構造の変化を確認することができました（図3）。

　この結果は、高温加熱過程において酸化ジルコニウムが構造変化を起こすとともに、酸化セリウムが酸化ジルコニウムへ固溶していく過程を、その場観察によって初めて明瞭に捉えた成果です。被覆管を構成するジルコニウムの高温領域における変性過程を見いだした点で、燃料と被覆管の反応メカニズムの理解に新たな手掛かりを与えています。また、本システムを用いて、金属ジルコニウムが酸化して酸化ジルコニウムとなり周りの酸化物と反応する様子を、2200℃を超える高温領域まで観測することにも成功しており、今後の原子力材料研究への幅広い応用が期待されます。⁽²⁾

【今後の展望】
　SPring-8の原子力機構専用ビームラインでは、これまでウランを含む試料を数多く観察してきました。この経験を活かし、今後は実際に燃料に配合される二酸化ウランなどに対しても、溶けてから冷え固まるまでの一連の過程をリアルタイムで観察し、その生成のしくみや性質を理解して、燃料の安全性を高めていくことを目指します。さらに、本研究で開発した「超高温下リアルタイム観測技術」は、原子力分野にとどまらず、航空宇宙、鉄鋼などの極限環境に耐える新規材料開発にも応用可能です。私たちは、この技術を通じて、安全で持続可能な社会の実現に貢献していきます。

【参考文献】
(1)　K. Niino, Y. Arita, K. Konashi, H. Watanabe, T. Yaita, H. Tanida, T. Kobayashi, K. Morimoto, M. Watanabe, Y. Miura, J. Nucl. Sci. Technol., 2024, 61, 733.
(2)　A. Itoh, S. Matsuo, K. Yoshida, K. Konashi, R. Ikuta, K. Niino, Y. Arita, M. Kobata, T. Fukuda, T. Kobayashi, H. Tanida, T. Yaita, J. Synchrotron Rad., 2024, 31, 810.

【各機関の役割】
＜原子力機構＞
谷田肇技術主幹：システム開発
小林徹研究副主幹、小畠雅明技術副主幹、福田竜生研究副主幹：実験、考察
＜福井大学＞
有田裕二教授：電気炉開発
＜Science Tokyo＞
伊藤あゆみ特任准教授：解析、考察
＜東北大学＞
小無健司特任研究員：考察
＜QST＞
矢板毅研究員：考察

【助成金の情報】
本研究の一部は、原子力システム研究開発事業「人工知能(AI)技術を取り入れた核燃料開発研究の加速」（令和２年度～令和３年度、研究代表者：小無健司）および「核燃料の超高温その場観察技術の開発」（令和５年度～令和７年度、研究代表者：有田裕二）によって行われました。

【発明情報】
発明の名称：試料加熱ホルダーとその使用方法
特許出願公開番号：特開2024-30202
出願人：東北大学、福井大学、原子力機構、国立研究開発法人産業技術総合研究所

【用語の説明】