インシリコスクリーニングから見出した抗精神病薬が黄色ブドウ球菌の病原因子を阻害するメカニズムを解明

2025年4月14日
国立大学法人　京都工芸繊維大学
公立大学法人大阪　大阪公立大学
国立大学法人　筑波大学
株式会社　丸和栄養食品
国立大学法人　京都大学
国立研究開発法人理化学研究所
国立大学法人　北海道大学

発表のポイント
◆黄色ブドウ球菌^※1の病原因子「リパーゼ（SAL）」と抗精神病薬であるペンフルリドール（PEN）^※2との複合体の立体構造を世界で初めて解明した。
◆インシリコスクリーニング^※3によってPENがSALの活性を阻害することを予測し、SALへのIC₅₀値^※4が7.3 μMと低く、阻害が非常に強いことを明らかとした。
◆宇宙空間の無重力条件下で作成した良質な結晶を大型放射光施設「SPring-8」の強力なビームを用いて測定し、X線構造解析^※5により、PENが酵素の活性部位に結合することを見出した。
◆PENのようなSAL阻害剤は、既存の抗菌薬の効かないMRSA感染症^※6や、黄色ブドウ球菌により引き起こされるアトピー性皮膚炎などの治療薬になることが期待できる。またヒトのリパーゼへの阻害の可能性も示唆されることから、抗肥満薬への適応も期待される。

京都工芸繊維大学分子化学系の北所健悟准教授らの研究グループは、大阪公立大学大学院生活科学研究科の神谷重樹教授、筑波大学医学医療系の広川貴次教授、株式会社丸和栄養食品の伊中浩治代表取締役社長、古林直樹研究員、加茂昌之研究員、京都大学大学院医学研究科医学研究支援センターの奥野友紀子特定准教授、理化学研究所放射光科学研究センター利用システム開発研究部門の引間孝明研究員（研究当時）、同センター利用技術・システム開発研究部門の山本雅貴部門長、北海道大学大学院薬学研究院創薬科学部門の前仲勝実教授らとの共同研究により、黄色ブドウ球菌が産生する病原因子の１つである「リパーゼ（SAL）」と抗精神病薬のペンフルリドール（PEN）との複合体の立体構造をX線構造解析の方法を用いて、世界で初めて解明しました。 　インシリコスクリーニングを用いた手法で、約5万種類の既存薬の中から、PENが既存のSAL阻害剤と同等のレベルでSALの活性を阻害することを発見しました。更に、宇宙空間での共結晶化に成功した結晶を、大型放射光施設「SPring-8」の強力なビームを使って測定することによって、SALとPENとの複合体の構造を原子レベルで解析し、PENによる阻害のメカニズムを解明することに成功しました。 　本研究成果は、構造情報を元にしたSALに対する薬剤の理論的な開発に役立つと考えられ、より有効性が高く副作用の少ない治療薬の探索・設計が可能になると期待されます。特に、SALが黄色ブドウ球菌の増殖に関与していることから既存の抗菌薬の効かないMRSA感染症や、黄色ブドウ球菌によって引き起こされるアトピー性皮膚炎などの治療薬の発展が期待されます。 【発表雑誌】 【雑誌名】Scientific Reports 【論文タイトル】Structural analysis shows the mode of inhibition for Staphylococcus aureus lipase by antipsychotic penfluridol 【著者】Kengo Kitadokoro（北所健悟）, Shigeki Kamitani（神谷重樹）, Takatsugu Hirokawa（広川貴次）,Masayuki Kamo（加茂昌之）, Naoki Furubayashi（古林直樹）, Koji Inaka（伊中浩治）, Yukiko Okuno（奥野友紀子）, Takaaki Hikima（引間孝明）, Masaki Yamamoto（山本雅貴）, Katsumi Maenaka（前仲勝実） DOI：10.1038/s41598-025-94981-4

研究の背景・先行研究における問題点
　黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus；以下、SA菌）は、化膿した傷口や皮膚表面に存在する常在菌で、けがの傷口から体内に侵入し、多くの病原因子を産生して種々の病気を引き起こします。この菌は抗生物質が効かなくなるMRSAの原因となる耐性菌として知られています。MRSAは術後の免疫力の低下した患者や乳幼児が罹ると死に至る恐れのある病気です。また皮膚表面上には、肌荒れやアトピー性皮膚炎を引き起こし、毒素を出す悪玉菌のSA菌と、皮膚をきれいに保つ善玉菌の表皮ブドウ球菌などが、常在菌として混在しており、皮膚表面のバリア形成に影響しています。皮膚表面の常在菌のバランスが崩壊してSA菌が増えると毒素が産生され、皮膚のバリアが破壊されて肌荒れが起こります。多種多様な細菌が存在する皮膚表面でSA菌が異常に増えると、アトピー性皮膚炎が発症することがわかっています。SA菌が産生する病原因子の１つである「リパーゼ（SAL）」はSA菌の増殖と相関があり、増殖の際にリパーゼが脂質を分解して、皮膚の常在菌のバランスが崩れた状態を招くことで炎症物質を産生することがわかっています。このことからSAL阻害薬は抗MRSA薬の標的のみならずアトピー性皮膚炎の薬として注目されています。
　通常阻害剤を化合物スクリーニングで見出すには膨大な実験と時間がかかります。また得られた阻害剤から薬へと開発するには、動物実験なども含めて平均10年以上の日数が費やされることが問題となっています。
　そこで本研究では、インシリコスクリーニングの手法を取り入れて、非常に高確率でSALの阻害剤を予測しました。既存薬を転用して新しい疾患の治療薬に利用するドラッグリポジショニング^※7法を念頭に、京都大学KEGGデータベースの5万種類並びに北海道大学化合物ライブラリーの1600種類の既存薬のデータベースの中から絞り出した15個の候補の中に阻害活性の高い抗精神病薬ペンフルリドール（PEN）を見出しました。更にこれまで大型放射光施設「SPring-8」の強い放射光を用いたX線構造解析の経験を活かし、SALと阻害剤であるPENとの複合体の立体構造の解明を試みました。

　

研究内容（具体的な手法等詳細）
　研究を始めるにあたりSALの立体構造については、すでに研究グループで決定していました。新たな阻害剤を探索する際に、研究グループは、インシリコスクリーニングという手法を用いて、SALの活性部位に結合するドラッグ候補をドッキングスタディによってコンピュータ上で選別し、その100個のリストから入手可能な15個の薬を調べた結果、強力な阻害剤を見出しました。通常、数万個の化合物スクリーニングを試しても全く阻害剤が見つからない場合があるのに対して、ドッキングプログラムGlideによって、高速かつ高確率で阻害剤候補が見つかりました。その結果、PENという既存の抗精神病薬がSALに対して、7.3 µMというIC₅₀値で阻害することが判明しました。PENの阻害活性は、研究グループがすでに発表した抗肥満薬オルリスタット^※8や不飽和脂肪酸のペトロセリン酸と同等の強い阻害活性を持つことがわかりました。
　本研究では、SALにこのPEN分子が結合した複合体の立体構造を、X線結晶構造解析の手法を用いて原子レベルで解明するため、まず大腸菌でのSALの大量生産系を構築しました。純度の高いSALを精製し、SAL単体の結晶とPENと共に共結晶化した結晶を作成しました。さらに、高品質の結晶を作成することを目的として、宇宙空間での無重力状態での共結晶作成プロジェクトに参画し、「きぼう」日本実験棟内で高品質タンパク質結晶生成実験（Protein Crystal Growth: PCG）を行いました。その結果、SAL-PEN複合体の高品質の結晶を得ることができました。
　X線回折実験およびデータ収集は、大型放射光施設「SPring-8」のビームラインBL41XUならびにBL44XUで行いました。PEN分子はSALの活性部位である「鍵穴」に対して、「鍵」分子としてぴったりはまり込んでいることがわかりました（前掲図）。またPENは「Y字型」の構造を取り、末端にハサミを持った細長い分子で、SALの触媒残基である116番目のセリン残基（Ser116）の近傍に結合していましたが、Ser116との直接の共有結合をせずに溶媒分子を介した結合であることがわかりました。フッ素並びに塩素原子を持つベンゼン環を一方のポケットの末端に固定し、それに繋がる６員環がSALと疎水性相互作用する形で存在していることがわかりました。別の末端にある２つのフッ化ベンゼン環が「Y字型」のハサミのように、活性部位の疏水部を挟み込んでいることもわかりました。これらの結合様式によって、PENはSALに対して高い選択的親和性を示すことが示唆されました。この成果によって、ドラッグデザインによる薬剤開発を進めるための基礎的知見が確立しました。

　

今後の展開
　PENとSALの相互作用から、薬のデザインのための構造基盤が構築されました。MRSAはほとんどの抗菌薬に耐性があり、新生児や老人などの免疫力の弱い患者を死に至らしめることがわかっています。MRSAに対する抗菌薬以外の薬の探求は重要で、SALの阻害剤は、MRSA感染症への新規な作用機序の薬として期待されます。本研究の結果は、SALを標的としてMRSAやアトピー性皮膚炎などの皮膚病の疾患に対して、その構造情報を基にした創薬（Structure based drug design）も可能にすると期待できます。またPENはSALと結合することで蛍光スペクトルに変化を起こすこともわかっており、SA菌の増殖を簡易に調べる診断薬としての応用も期待できると考えられます。

　

謝辞
　本研究は、日本学術振興会（JSPS）科研費（JP24K10199）、日本医療研究開発機構（AMED）創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム（BINDS）（JP21am010170、JP21am0101072、JP21am0101092、JP21am0101114）の支援を受けて実施しました。またSPring-8での測定の際にお世話になりました長谷川和也博士をはじめとするBL41XUのスタッフの皆様、並びに大阪大学蛋白質研究所の中川敦史先生、山下栄樹先生をはじめとするBL44XUのスタッフの皆様に感謝いたします。本成果は、「高品質タンパク質結晶生成実験（JAXA PCG）」プロジェクトにより得られたものです。JAXAの山田貢博士、木平清人博士、岩田茂美博士に感謝します。またSpace BD株式会社のスタッフの皆様に感謝いたします。

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【用語解説】

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X線回折像から筋肉内部の微細構造を立体的に可視化する方法を開発

2025年4月9日
高輝度光科学研究センター

【本研究のポイント】

・2次元のX線回折像から、筋肉細胞内の微細な3次元構造を可視化
・計算機をレンズ代わりに使う「レンズレス・イメージング」の手法を発展
・X線自由電子レーザー施設でなく、従来型の蓄積リング放射光でも実現可能

筋肉細胞の内部には、収縮をつかさどるタンパク質が規則的に並んでいます。このため、筋肉にX線を当てると、タンパク質によって散乱されたX線が互いに干渉を起こして、きれいな干渉のパターン（回折像）が記録できます。この回折像には、筋肉の微細な内部構造や、その動きに関する情報を多く含まれています。ただし、それを正しく解釈するためには難解な回折理論の理解が必要でした。 高輝度光科学研究センター　回折・散乱推進室の岩本裕之研究員は、筋肉にX線を当てて得られる2次元の回折像から計算により、筋肉細胞内の微細な3次元構造を直接可視化する方法を開発しました。 これは立体視のできるX線顕微鏡と呼ぶことができ、計算機をレンズ代わりに使う「レンズレス・イメージング」の手法を発展させたものです。一般的に、レンズレス・イメージングにはX線自由電子レーザー施設SACLA[1]が発生するような波面の揃ったレーザーの性質を持ったX線が必要と考えられていますが、開発された手法は大型放射光施設SPring-8[2]のような従来型の蓄積リング放射光でも実現可能なのが特徴です。 本研究成果を発展させれば、筋肉だけでなく高分子材料など幅広い材料に応用できるようになると期待されます。 今回の研究成果は、国際結晶学連合の刊行する学術雑誌Acta Crystallographica Section Dの2025年4月号に掲載され、その表紙を飾りました。 論文情報 雑誌名: Acta Crystallographica Section D 題名 :Restoration of 3-D structure of insect flight muscle from a rotationally averaged 2-D X-ray diffraction pattern 著者：Hiroyuki Iwamoto （高輝度光科学研究センター） DOI：10.1107/S2059798325002190

【研究の背景】

X線は可視光と同じ電磁波ですが、波長は遥かに短くて0.1ナノメートル（1ミリの1千万分の1）程度です。これは分子や原子の大きさです。顕微鏡で小さなものが見える限界は、理論上は使う光の波長程度なので、X線を使った顕微鏡を作れば、分子や原子が見えると期待されます。ところが、X線用のレンズを作るのは非常に困難なので、分子や原子が見えるX線顕微鏡は実現できません。そこで、試料にX線を当てて、散乱したX線のパターン（散乱像、回折像という）を直接解析するのですが、これには難解な回折理論の理解が必要で、解釈を誤ることもあります。顕微鏡のように、直接に拡大像を結像できれば、それが望ましいと言えます。
数学的にいうと、散乱像、回折像というのは試料の形状をフーリエ変換したものです。これをもう一度フーリエ変換（逆フーリエ変換）すると、試料の拡大像が結像されます。光学顕微鏡のレンズは、この逆フーリエ変換をやっているわけです。それならばX線散乱像、回折像を逆フーリエ変換すれば拡大像が結像できると思うわけですが、それはうまくいきません。なぜなら正しい拡大像を得るためには散乱した波の「振幅」と「位相」という2種類の情報が必要で、「位相」情報は散乱像、回折像を記録するときに消えてしまうからです。
最近、この一旦消えてしまった位相情報を計算によって回復するアルゴリズムが開発され、計算によって試料の拡大像を得る方法が考案されました。これはレンズの代わりに計算機を使う手法なので、レンズレス・イメージング（レンズを使わない結像法）、またはコヒーレント回折イメージング(CDI)^[3]と呼ばれます。
今回の論文は、この手法を発展させ、著者の長年の研究材料である筋肉の内部にある分子の3次元構造を立体的に「結像」させることを目指しています。

【研究内容と成果】

図１は、筋肉の微細構造の模式図（図1A）と、昆虫（タガメ）の飛翔筋（羽ばたくのに用いられる筋肉）のX線回折像（図1B）を示します。回折像は、SPring-8のBL45XUビームラインで記録されたものです。図1Aは、サルコメア(筋節)^[4]と呼ばれる筋収縮機能の最小単位で、長さ、幅ともに2マイクロメートル（1マイクロメートルは1ミリの千分の1）程度です。この中には収縮を司る各種のタンパク質が規則的に並んでいます。図1Bの回折像を使って、図1Aのサルコメアの構造を立体的に結像するのが本研究の目標です。
レンズレス・イメージングが原理的に可能なことは前世紀から分かっていましたが、実際に記録されたX線回折像を用いて2次元の結像に成功したのは1999年です。現在、レンズレス・イメージングは金属ナノ粒子のような孤立したコントラストの高い試料を用いると、非常にうまくいくことが分かっています。
しかしこれを上記のサルコメアの構造の立体的（3次元）結像に発展させるには、以下に述べる多数のハードルを乗り越える必要があります。
（1）　孤立粒子でなく、繊維状の試料であること
（2）　3次元に拡張する必要があること
（3）　用いるX線回折像が、回転平均化されていること。筋肉に多数含まれるサルコメアの回転方向の向きがランダムなので、回折像は回転平均化されて情報量が大幅に減ります。
（4）　実際に記録された回折像は不完全で、多くの欠陥を含むこと。
論文では、これらのハードルを乗り越えていく過程が詳細に記述されています。

これらの問題の解決には、まず計算機実験で問題がクリアできることを確認します。計算機実験では、実際の試料の代わりにデジタルデータの試料を作成し、それの回折像を計算します。そうすると欠陥のない理想的な回折像が計算され、位相情報も失われません。正解も分かっているわけです。このときに、わざと位相情報をランダムなものに置き換えたあと、誤差が小さくなるように繰り返し計算を行い、正しい試料の像が結像されるかを試します。誤差が小さくなると最初に作成した試料と区別のつかないものが再生され、位相も正しいものになります。それを、計算が収束するといいます。

図2　SPring-8のロゴを用いた2次元レンズレス・イメージング計算機実験のデモンストレーション。A,B,Cは繰り返し計算でロゴが再生されていく経過。Dは最初のデジタルデータ、Eは最終的に再生された像。

図2はよく用いられるデモンストレーションで、SPring-8のロゴを試料としたものです。このような試料を用いると、数百回の繰り返しのうちに計算が収束し、正しくロゴが再生されます。

図3　繊維状の試料を用いた2次元レンズレス・イメージング計算機実験のデモンストレーション。Aは文字”a”の列、Bは筋肉中にあるアクチン繊維の投影像で、それぞれ左側が最初のデジタルデータ、右が再生された像で、計算がうまくいかないことが分かる。

しかし、図3に示すように、繰り返し構造のある繊維状試料に対して繰り返し計算を行っても収束しません。これは試料に繰り返し構造があると、図1Bの回折像のように回折像が梯子の横木のように不連続な線状になって（層線反射という）、その間には情報がありません。このため情報量が足りなくなって、正しい位相が得られないためと考えられます。

図4　繊維状の試料を用いた3次元レンズレス・イメージング計算機実験のデモンストレーション。Aはアクチン繊維（図3B と同じ）、Bは精子などの運動を担う軸糸という構造。それぞれ左側が最初の3次元デジタルデータ、右が再生された3次元像で、完全に再生されているのが分かる。

この問題が未解決のまま、3次元の試料を解析しました。3次元の試料の場合は回折像も3次元となり、計算量が膨大になりますが、通常のPCで実行できる計算規模で計算機実験を進めます。すると意外なことに、繰り返し構造のある繊維状試料であっても3次元ならば計算が収束することが分かりました（図4）。

図5　サルコメア微細構造の回転平均化された回折像から3次元構造を復元する計算機実験。Aが最初の3次元デジタルデータ、Bが再生された3次元構造。完全ではないが、殆ど見分けがつかないほどよく再生されている。

次に、回転平均化された2次元の回折像から3次元の構造が結像されるかを試しました。これは図1Aに示したサルコメアの3次元構造のデジタルデータを作成し、それから3次元の回折像を計算し、これを回転平均化して使います。これの繰り返し計算には、3次元回折像の回転平均、2次元の回折像を3次元に戻すという操作が加わって、計算がさらに煩雑になりますが、結果は計算が収束し、最初のデジタルデータと同一とは言えませんが、かなり良く最初のデータが再現できました（図5）。

図6　実際に記録された回転平均化2次元回折像（図1B）から再生されたサルコメアの3次元構造。タンパク質繊維の基本的な周期構造（青、赤、マゼンタの三角形）が再生されている。

最後に、実際に記録された回折像（図1B）を使って3次元の構造が結像されるかを試しました。デジタルデータから計算されたものと違い、実際に記録された回折像にはノイズが乗っていたり、データが記録されていない画素があったりと、欠陥が多くあり、実際に記録された回折像を用いた計算は収束しないことが多いです。しかし種々の工夫をすることにより計算は収束し、サルコメアの3次元構造を結像することができました（図6）。再生された3次元構造の質は計算機実験の結果に劣りますが、サルコメア構造の基本的な特徴（周期性など）は再現されています。質が劣るのは計算機の容量の制限により、回折像をオリジナルの1000ｘ1018画素から256ｘ256画素以下に縮小した関係で細部の情報が失われたためであり、手法そのものの問題ではないと考えています。
回転平均化されて情報量の減った2次元回折像から、レンズレス・イメージングの手法により試料の3次元構造が結像できることを示し、実際に記録された回折像を用いても結像に成功したことは世界初のことです。3次元の結像能力をもつX線顕微鏡が実現したと言っていいでしょう。また重要なことは、今回の結像がX線自由電子レーザー施設でなく、通常の蓄積リングビームライン（BL45XU）で実現したことです。これは論文の査読者も驚いたことです。

【今後の展開】

本研究では計算機の容量の関係から256ｘ256ｘ256画素（ボクセル^[5]）の空間での計算しか行えませんでしたが、今後計算機の能力が向上し、さらに大きな空間で計算ができれば、計算の精度が上がり、質の高い3次元像が結像できるようになると思われます。また筋肉以外の試料にも応用を広げていくことも視野に入ります。

【研究支援】

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費（19K06777）による助成を受けて実施されました。

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【用語解説】

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電子機器内の熱流を自在に制御できるメカニズムを発見
- 次世代デバイスの性能向上と省エネ化に期待 -

2025年4月14日
国立大学法人東北大学
国立大学法人北海道大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】

●絶縁膜の熱の流れを自在に制御できるメカニズムを発見しました。
●膜構造や振動特性が基板によって変化し、熱の伝わり方が劇的に変化することを実証しました。
●次世代の半導体デバイスや電子機器の放熱・省エネ技術に革新をもたらすと期待されます。

電子機器に組み込まれた半導体デバイスの中で、電子や磁気（スピン）は設計した回路に沿って移動させることができます。しかし発生してしまう熱を思った方向に流して逃がすことは困難です。電子機器の性能を高めるには、半導体デバイスの発熱を適切にコントロールすることが不可欠です。 東北大学大学院工学研究科の小野円佳教授ら、北海道大学電子科学研究所、同大大学院工学研究院、高輝度光科学研究センターからなる共同研究チームは、絶縁膜であるアモルファスシリカ（SiO2）（注1）薄膜の熱の流れを自在に制御できるメカニズムを解明しました。具体的には、SiO2薄膜が下地となる基板と相互作用することで、膜内部の構造や振動特性が変化し、熱の伝わり方をコントロールできることを発見しました。SiO2の中には、Si-O結合がつながってできるリング状の構造があります。このリングのサイズや振動のしやすさが基板の種類によって変わり、それにより熱の流れが大きく変化することを実験的に証明しました。 本成果は次世代の電子機器の高性能化や省エネ技術につながる画期的な発見です。本技術を活用すればより効率的な放熱設計が可能になり、半導体デバイスの性能向上に貢献できます。 本研究成果は、4月14日16時（日本時間）に米国化学会科学誌Nano Lettersに掲載されます。 論文情報 雑誌名: Nano Letters 題名 :Controlling thermal conductivity of amorphous SiOx films through structural engineering utilizing the single crystal substrate surfaces 著者：Katelyn A. Kirchner, Sohei Ogasawara, Melbert Jeem, Hiromichi Ohta, Akihiro Suzuki, Hiroo Tajiri, Tomoyuki Koganezawa, Loku Singgappulige Rosantha Kumara, Junji Nishii, John C. Mauro, Yasutaka Matsuo & Madoka Ono* *責任著者：東北大学大学院工学研究科 応用物理学専攻　教授　小野 円佳 DOI：10.1021/acs.nanolett.5c00646

【詳細な説明】
研究の背景

アモルファスシリカ薄膜は、電気を通しにくく、非常に高い電圧にも耐えられるため、電子機器の絶縁層として理想的な材料とされています。一方で、電子機器の高集積化・高性能化が進む中では、電気的な絶縁性だけでなく、発生する熱を効率よく制御することも重要な要件となっています。SiO₂薄膜は比較的熱を通しやすく、その高い熱伝導率が一部の応用、特に高密度・高性能なデバイスへの利用を制限する要因となってきました。そのため、SiO₂薄膜における熱の伝わり方（熱伝導）の仕組みを深く理解し、それを制御する手法の確立が求められています。

今回の取り組み

本研究では、原子層堆積法（ALD）^（注2）、化学気相成長法（CVD）^（注3）など様々な成膜方法を使って、シリコン（Si）やゲルマニウム（Ge）、ガリウムヒ素（GaAs）の基板の上に、厚さの異なるSiO₂薄膜を作製し、熱の伝わりやすさ（熱伝導率）を調べました。さらに、大型放射光施設SPring-8^（注4）のBL13XUにおいて、微小角入射X線全散乱法^（注5）を用いて、SiO₂薄膜の構造を詳細に観察しました。その結果、シリカガラス特有の構造である「ハローピーク」（約4 Åの秩序構造。1 Åは100億分の1メートル）が、熱伝導率と密接に関係していることを明らかにしました。特に、基板の影響によって、このハローピークの位置がバルク（塊状の材料）シリカガラスのものと大きく異なり、秩序構造のサイズが小さい(すなわち、シリカの基本構造である「リング」が小さい)場合には、熱が伝わりにくくなる傾向が見られました。さらに、基板を構成する原子とシリカ中のSiやO原子との結びつきが強い（共有結合性が高い）場合には、同じリングサイズでも熱伝導率が一層低下する傾向が見られました。たとえば、シリコン基板の上に形成したSiO₂薄膜では、熱伝導率がバルクの約1/3にまで低下しました。
これらの結果から、シリカのリング構造が大きいほど熱を運ぶ振動が起こりやすく、逆にリングが小さく、かつ基板と強く結びついていると振動が抑制され、熱の伝導が妨げられることが示されました。
この機構はシリカガラス一般にも共通する可能性があり、今後はガラス材料全般における熱伝導率制御技術へと発展することが期待されます。

今回の取り組み

この研究成果は、アモルファス材料におけるナノ構造の制御によって熱伝導率を自在に調整できることを示すものであり、電子機器の熱設計や材料選定に新たな指針を提供します。特に、高電圧仕様に対応する窒化ケイ素（SiN）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドギャップ半導体^（注6）と組み合わせた次世代の電子素子においても、熱伝導率を制御する設計指針を示すことができます。
さらに、この熱伝導率制御技術はガラス材料全般への応用も期待され、光学部品や耐熱構造材など、より広範な分野での実用化につながると考えられます。今後は、異なる基板材料や成膜条件における構造変化と熱伝導特性の相関をより詳細に解明し、最適な材料設計指針の確立を目指します。

図1. （上）バルク（塊状の材料）のシリカガラスのX線全散乱プロファイル。透過配置のX線全散乱法と反射配置の微小角入射X線全散乱法のいずれを用いても波数1.51 Å^-1の位置にハローピークが観測された。このピークはSi-O結合がつながってできるリング状の構造のサイズに相当する。（下）シリカ膜をSiやGaAs基板上に成膜した時のアモルファスシリカの微小角入射X線全散乱プロファイル（反射配置）で測定したもの。図中の数値はシリカ膜の厚みを示す。Si基板上に成膜した320 nm（プラズマCVDで成膜）のシリカ膜のピークはバルクと大きく変わらないが、50 nm（ALDで成膜）やGaAs基板上のシリカ膜（ALDで20 nmを成膜）のハローピークは高波数側にシフトした。Si基板のみのX線散乱プロファイルは比較のために載せている。

図2. （左）基板からの圧力とSiO₂薄膜の熱伝導率の相関を、基板の種類ごとに示したグラフ。シリカの構造は、基板からの圧力の影響で、Si-O結合の構造秩序（リング構造）が小さくなる傾向があり、リング構造が小さいほど熱が伝わりにくいことがわかった。さらに、基板原子とSi-O結合との結びつきが強い（共有結合性が高い）場合には、この影響がより顕著となり、熱伝導率の低下が一層大きくなった。（右）結合の強さがリング構造やその振動に与える影響を示した模式図。左側はイオン結合性（原子同士の結びつきが弱い）の基板ではリング構造への影響が小さく、リングが大きく束縛も弱いため、熱が伝わりやすい様子を示している。右側は共有結合性が高い基板によってリングが小さくなり、束縛が強まることで熱が伝わりにくくなる様子を示している。

【謝辞】

本研究はJSPS科研費JP20H05880、JP21H01835、JP21K19016、JP24K01371、JP22H00253の助成を受けたものです。本研究の一部は、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号 JPMXP1223HK0063）の支援を受けました。また、SPring-8 課題番号2020A1698、2022A1261、2022B1572、および2023A1817による研究です。また、National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program （Grant No. DGE1255832）の支援を受けました。本研究成果に関する論文は、「東北大学2025年度オープンアクセス推進のためのAPC支援事業」の支援を受けました。

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【用語説明】

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ジャイロイド金属有機構造体における圧電転移を発見
――仲間外れの点群から新たな機能を創出――

2025年3月24日
東京大学
高輝度光科学研究センター

発表のポイント

◆ジャイロイド構造を持つ金属有機構造体において、これまでに報告例のない対称性の変化を伴う相転移を発見しました。
◆ひずんだ硫酸分子イオンが持つ電気双極子モーメントが三次元的な螺旋構造を形成し、それと同時に圧電性が発現することを明らかにしました。
◆応力と電場によって制御可能な、高耐久メモリデバイスの開発につながることが期待されます。

東京大学大学院新領域創成科学研究科の鬼頭俊介助教、徳永祐介准教授、有馬孝尚教授、同大学物性研究所の石川孟助教らの研究グループは、名古屋大学、高輝度光科学研究センター、名古屋工業大学、理化学研究所と共同で、ジャイロイド（注1）構造を持つ金属有機構造体（MOF）（注2）において、新しいタイプの圧電転移（注3）を発見しました。 応力を加えると電気分極（注4）を示す圧電体は、私たちの日常生活において欠かせない電子材料の一つとして広く利用されています。しかし、従来の圧電材料は応力によらず強い外部電場によって電気分極が変化してしまうことがあります。本研究では、ジャイロイドと呼ばれる三次元的なネットワーク構造を持つMOFに着目し、応力を加えている間だけ電気分極が制御できる物質を発見しました。この圧電応答は、電気双極子モーメント（注5）を持つひずんだ硫酸イオン（SO42-）が、ジャイロイドネットワーク上に規則的に並ぶこと生じる三次元的な螺旋構造に起因することが分かりました。本研究成果は、応力と電場によって制御可能な耐久性の高い双安定性メモリデバイスの開発につながることが期待されます。 本研究成果は、米国化学会『Journal of the American Chemical Society』オンライン版に、2025年3月24日付で掲載されました。また、本研究成果は同誌のSupplementary Coverに選出されました。 論文情報 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 題名 :Piezoelectric Transition in a Nonpyroelectric Gyroidal Metal-Organic Framework 著者：Shunsuke Kitou*, Hajime Ishikawa*, Yusuke Tokunaga, Masato Ueno, Hiroshi Sawa, Yuiga Nakamura, Yuto Kinoshita, Tatsuya Miyamoto, Hiroshi Okamoto, Koichi Kindo, and Taka-hisa Arima DOI：doi.org/10.1021/jacs.5c00886

【これまでの背景・経緯】

私たちの日常生活はさまざまな機能性材料によって支えられています。これらの材料の特性を理解する上で、結晶構造は非常に重要な情報です。材料の性質は結晶の対称性に依存しており、結晶は32種類の点群^（注6）に分類されます。身近な例として、2010年と2014年のFIFAワールドカップにおいて使用された公式サッカーボールは、それぞれ点群23（にさん）と点群432（よんさんに）の対称性を持っています（図1b、1c）。

図1：結晶点群の一覧とその特徴

(a) 回転操作(数字)や鏡映操作(m)によって分類される32種類の結晶点群。
(b)(c) 2010年と2014年のFIFAワールドカップの公式サッカーボールの模様。ボール上の各点に付された数字（n = 2, 3, 4）は、その点の周りに(360°)/(n°)回転させると元の模様と重なる回転対称操作を意味する。
(d) 焦電群は自発的に電気分極を出現する。
(e) 圧電群に属さない点群は電気分極を生じない。
(f) 焦電群に属さない圧電群は、応力を加えている間だけ電気分極を生じる。
(g) ジャイロイドと呼ばれる三次元周期極小曲面。点群432と同じ対称性を有する。

点群には、対称心^（注7）を持つ11種類と持たない21種類があり、後者は圧電群や焦電群に分かれます（図1a）。焦電群に属する結晶は、物質内部で電荷の分布が不均一になることで自発的に電気分極を生じ（図1d）、その中でも、外部電場により電気分極の向きを制御できる物質は強誘電体と呼ばれます。一方、圧電群に属さない物質は電気分極を示しません（図1e）。図1aを見ると、焦電群に含まれない圧電群が10種類存在することが分かります。これらの物質は、応力を加えることで初めて物質内部に電気分極が発生します（図1f）。このような圧電性を持つ物質は圧電体と呼ばれ、センサーやモーターなどさまざまな電子機器に応用されています。しかし、従来の圧電材料のほとんどは、圧電性と同時に焦電性も示すため、強い電場の下では、応力がなくても電気分極に影響が及んでしまいます。図1aに改めて注目すると、対称心を持たない点群の中で唯一、圧電群に属さない仲間はずれの点群432が存在することが確認できます。432に属する物質は、温度低下に伴い対称性が変化して圧電性を示す可能性がありますが、これまでその圧電特性を調べた研究はほとんどありませんでした。

図2：ジャイロイドMOFの結晶構造

(a) 点群432に属する高温構造。CoとSのネットワークに注目するとそれぞれ逆向きのジャイロイド構造を形成している。
(b) 硫酸イオン（SO₄^2-）の周りに6つのジメチルアンモニウム（Me₂NH₂）が存在。高温では上向きと下向きのSO₄^2-が等確率で存在する。
(c) 低温ではSO₄^2-が秩序化し、電気双極子モーメント（p）が出現。
(d) ジャイロイドネットワーク上で電気双極子モーメントが三次元的な螺旋構造を形成。

本研究では、立方晶^（注8）点群432に属するジャイロイド構造を持つMOFに着目しました。ジャイロイドは三次元空間において三方向に周期的なネットワーク構造を持ち（図1g）、MOF、ポリマー、昆虫のナノ構造などの多様な化学・生物系に現れます。本研究チームが調べたジャイロイドMOFの構造では、コバルト（Co）と硫黄（S）が互いに逆向きのジャイロイドネットワークを形成しています（図2a）。Coに着目すると、物理学者たちが長年探求してきた「キタエフ量子スピン液体」と呼ばれる魅力的な現象の研究にも適しています（※）。一方、本研究ではSが形成するひずんだ四面体型の硫酸イオン（SO₄^2-）に注目しました。室温では、SO₄^2-は6つのジメチルアンモニウム（Me₂NH₂）分子に囲まれており（図2b）、二種類の逆向きの分子が等確率で存在するため、電気双極子モーメント（p）は打ち消され、全体として存在しません。このような無秩序な分子は、温度低下に伴い規則的に秩序化し、結晶の対称性が低下する可能性があります。
実際に、大型放射光施設SPring-8^（注9）BL02B1で単結晶を用いたX線回折実験^（注10）を行った結果、低温でSO₄^2-分子が秩序化し（図2c）、立方晶格子を維持したまま点群432が23に変化することを世界で初めて観測しました。さらに、SO₄^2-分子が持つ電気双極子モーメントが珍しい三次元的な螺旋構造を形成することも確認しました（図2d）。通常、温度低下による構造変化では結晶格子がひずむことが一般的ですが、本研究で注目したMOFでは格子のひずみを最小限に抑えながら秩序化が起こりました。この構造変化は、繰り返し動作時の耐久性向上に寄与すると考えられます。さらに、電気分極測定を行った結果、非圧電群432から焦電群ではない圧電群23への変化に対応する圧電応答の観測に成功しました。本研究で発見した対称性の変化は、応力と電場によって制御可能な耐久性の高い双安定性メモリデバイスの開発につながると期待されます。

〇関連情報：

※プレスリリース「MOFのハイパーオクタゴン格子でゆらぐスピン ―量子計算の舞台となる物質の開発を次の次元へ―」（2024/4/11）
https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=22448

発表者・研究者等情報

◆発表者
　東京大学
　　大学院新領域創成科学研究科
　　　鬼頭　俊介　助教
　　　徳永　祐介　准教授
　　　有馬　孝尚　教授
　物性研究所
　　　石川　孟　助教

◆共同研究グループ
　東京大学 大学院新領域創成科学研究科
　　　鬼頭 俊介　助教
　　　上野 正人　修士課程（研究当時）
　　　徳永 祐介　准教授
　　　有馬 孝尚　教授
　　　　（兼 理化学研究所 創発物性科学研究センター センター長）
　　　岡本 博　教授
　
　東京大学 物性研究所
　　　石川 孟　助教
　　　木下 雄斗　特任助教
　　　金道 浩一　教授
　
　名古屋大学
　　　澤 博　教授
　
　高輝度光科学研究センター
　　　中村 唯我　研究員
　
　名古屋工業大学
　　　宮本 辰也　准教授

研究助成

本研究は、科研費「課題番号：21H04988、22K14010、23H01120、24H01644、24H01650」の支援により実施されました。

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【用語解説】

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