Vol - Rikenり子時計を知っていますか？...
11
PHB Vol.1
Transcript of Vol - Rikenり子時計を知っていますか？...
1
PHB
Vol.1
2 3
● 時間を計るには みなさんは朝、どのようにして決まった時
じ
刻こく
に起きていますか。家の人に
起こしてもらいますか。それとも目覚まし時計で起きていますか。みなさん
が使っている目覚まし時計も、たとえば1ヶ月に30秒くらい狂くる
うことがあり
ますよね。私わたし
たちは、できるだけ狂わない、世界最高精度の時計をつくる研
究をしています。
そもそも時間はどのようにして計はか
ることができるのでしょうか。みなさん
は振ふ
り子時計を知っていますか？ 振り子の実験は、学校の理科の時間にやり
ますよね。振り子時計は、振り子が振しん
動どう
して1往復する時間（周期）が一定
であることを利用して、時間を計ります。たとえば1秒間に1回振動する振り
子ならば、5回振動したら5秒というように時間を計ることができます。振り
子が1秒間に往復する回数を「振しん
動どう
数すう
」といいます。時間を計る基本は、振
り子の振動数を数えることです。
香か
取とり
秀ひで
俊とし
博士 香取量子計測研究室 主任研究員
左の装そう
置ち
が光格子時計
300億年で1秒も狂わない世界最高精度の時計をつくっています。
あなたと私の時間の進み方の違いを知ることができます
そんなに精度が高い時計で何がわかるの？
● 高い精度の時計をつくるには 人がつくる振り子では、たとえば支点からおもりまでの長さが変わると、
1往復する時間である周期が変わってしまいます。振り子の周期が変われば、
振り子時計が示す時刻が、1時間すると1秒狂うといったことが起きます。人
がつくる振り子の長さを常に一定に保つことはとても難むずか
しいのです。そこで、
原げん
子し
時計が発明されました。
原子時計って、なんだか難しそうですね。でも、原理は振り子時計と同じ
です。原子にも振り子の性質があります。人がつくる振り子と違ちが
って、原子
の振り子の周期は変わらない、と考えられています。その“原子の振り子”
の振動数を数えるのが、原子時計です。
ただし、周期が一定の原子の振り子を使っても、その振動数を測定すると
きに、どうしても誤ご
差さ
が生まれ、時計が狂う原因になります。たとえば、光
や熱など、原子がほかからの影えい
響きょう
を受けると、原子の振り子の周期がずれて
しまうことがあります。また、原子の振り子の振動数をどこまで正確に数え
ることができるのか、という測定の精度にも限界があります。
高い精度の時計をつくるには、測定の誤差をできるだけ小さくする必要が
あります。そのために、振動数が多い振り子を用います。数える回数が多
いほど、たとえ1回分数えまちがえをしても、時計の精度に与あた
える影響は小
さくなるからです。セシウムという原子の振り子は、1秒間になんと、91億
9263万1700回も振動します。
1秒の長さは、このセシウム原
子の振り子が91億9263万1700回振動する時間である、と1967年に定められました。それより前
は、地球の自転から、1秒の長さ
を定めていました。地球は1日で
1回、自転しています。1日は24時間。24時間は秒にすると8万
6400秒です。1秒の長さは、地球
が自転する周期の8万6400分の1と定めていたのです。
時間を計るには支点
おもり
周期=1往復する時間振動数=1秒間に往復する回数
振動数を数える
4 5
ところが、地球の自転はだんだん遅おそ
くなっていることがわかってきました。
地球の自転で1秒の長さを定めると、昔は地球の自転が速かったため、1秒の
長さは今よりも短かったと考えられます。このように地球の自転周期が一定
ではなく、1秒の長さが変わってしまうことがわかったので、一定であるセ
シウム原げん
子し
の振ふ
り子の周期で1秒の長さを定めるようになったのです。
● 「光格子時計」で300億年に1秒も狂わない精度をめざす 話を時計に戻
もど
しましょう。最新のセシウム原子時計は、3000万年に1秒
も狂くる
わない精度です。今から3000万年前というと、人類が誕たん
生じょう
するはるか
に前です。私わたし
たちは、3000万年のさらに1000倍の、300億年に1秒も狂わ
ない時計をめざしています。地球ができたのが46億年前、宇う
宙ちゅう
が誕生した
のが138億年前だと考えられています。私たちは、宇宙が誕生してから現在
までに、0.4秒も狂わない精度の時計をつくっているのです。そのために、
セシウム原子の振り子よりも振しん
動どう
数すう
が多い、1秒間に429兆2280億422万
9873.4回も振動するストロンチウムという原子の振り子を用います。
振動数を正確に数えるためには、原子が動かないようにしなければいけま
せん。それはなぜでしょう。サイレンを鳴らしながら走る救急車を思い出し
てください。救急車が近づいてくるときには、サイレンの音は高く聞こえ、
遠ざかるときには低く聞こえますよね。実際のサイレンの音はまったく変え
ていないのに、救急車が動くことで、音の高さが違ちが
って聞こえてしまうので
す。それと同じように、振動数を数える装そう
置ち
に
原子が近づくと振動数は多く、遠ざかると少な
く数えられてしまうため、原子が動かないよう
にする必要があるのです。
また、振動数をできるだけ短い時間で正確に
数えるには、たくさんの原子を集めてそれぞれ
の振動数を数え、その平均の数を導き出しま
す。ただし、たくさんの原子を集めたときに、
原子どうしがぶつからないようにしたり、ほか
からの影えい
響きょう
を受けないようにしたりしなければ
いけません。
そのために私が発明したのが、レーザー光でつくる“原子に気づかれない
光ひかり
格こう
子し
”です。それは、卵たまご
パックのようにたくさんの原子を閉と
じこめられ
る容器で、原子どうしがぶつかることもなく、原子がレーザー光の影響を受
けることもほとんどないように工く
夫ふう
してあります。光格子を用いた時計なの
で、私たちの時計を「光格子時計」と名づけました。今は、1000個くらい
のストロンチウム原子を光格子に入れて、2時間かけて振動数を数える実験
をしています。300億年で1秒も狂わない精度を、もうすぐ達成できそうです。
将しょう
来らい
は、100万個のストロンチウム原子を光格子に入れて、振動数を1秒間
で数えて、300億年で1秒も狂わない精度をめざします。
● 私とあなたの時間の進み方の違いを区別できる！ 「300億年で1秒も狂わない時計ってすごいけど、いったい、何ができる
の？」と疑ぎ
問もん
に思うことでしょう。どんなことができるようになるのか、紹しょう
介かい
しましょう。
実は、時間の進み方は、どこでも同じではありません。「時間の進み方っ
てどこでも同じはずでは？」と、とても不ふ
思し
議ぎ
に思うことでしょう。それも
そのはず。20世紀が始まるまで、時間の進み方はどこでも同じ、というのが
常識でした。その常識を覆くつがえ
したのが、「相そう
対たい
性せい
理り
論ろん
」をつくった天才科学者、
アインシュタインです。アインシュタインは、重力によって時間の進み方は
異こと
なることを明らかにしたのです。
光格子時計
原子を卵パックのような“原子に気づかれない光格子”に閉じこめる
原子
光格子
6 7
実験しています。その二つの実験室で光格子時計をつくり、それらを光ファ
イバーでつないで時間の進み方の違いを比べる実験を始めています。東京大
学の実験室は理化学研究所よりも標高が約15m低いので、その分、時間が
ゆっくり進むのがはっきり見えています。
最近、日本のあちこちで集中豪ごう
雨う
が降ふ
り、テレビのニュースになっていま
すよね。地下に雨水をためるタンクがある場所では、集中豪雨などで大量の
雨水がたまるととても重くなり、時間の進み方が遅おそ
くなることを、光格子時
計で見ることができるかもしれません。地下に重い金属資し
源げん
がある場所では、
その重みの分だけ時間の進み方が遅くなるでしょう。私たちは、光格子時計
を小型化する研究も進めています。光格子時計をいろいろな場所に運んで、
時間の進み方を調べてみたいからです。そうすれば、時間の進み方の違いで
金属資源を探さが
すことができるかもしれません。
時計で地下のようすを調べるというのは、時計のまったく
新しい使い方です。それ以外にも、光格子時計を発明した私
自身も想像がつかないような、新しい使い方があるはずです。
光格子時計は、新しい科学を築く重要な道具になるはずです。
みなさんが将しょう
来らい
、光格子時計を使って新しい技術や科学を
生み出してくれることを楽しみにしています。
（構成・文：立山 晃／フォトンクリエイト 撮影：STUDIO CAC）
たとえば、地球から遠く離はな
れた宇う
宙ちゅう
の、重力がない場所に比べて、重力が
ある地球の時間はゆっくり進みます。
重力がない場所の時計が1秒進んでも、
地球の時計は1秒に達していないので
す。それは、どちらかの時計が狂くる
って
いるからではなく、時間の進み方その
ものが違ちが
うからです。
地球上でも、場所によって時間の進
み方は異こと
なります。山の頂ちょう
上じょう
など標高
の高い場所と比べて、標高の低い山の
ふもとでは、時間がゆっくり進みます。
家の中でも、2階で宿題をしているあ
なたに比べて1階で夕飯のしたくをし
ているお母さんの時間のほうが、とて
もわずかですが、ゆっくり進みます。
精度の高い時計ならば、そのような
わずかな時間の進み方の違いを区別す
ることができます。3000万年に1秒も
狂わないセシウム原げん
子し
時計は、10mの
高さの違いによる時間の進み方の違い
を区別できます。そして、300億年に
1秒も狂わない光ひかり
格こう
子し
時ど
計けい
ならば、な
んと1cmの高さの違いによる時間の進
み方の違いまで区別できるようになり
ます！
● 時計で地下のようすも知 ることができる⁉ 私
わたし
は今、埼さい
玉たま
県和わ
光こう
市の理化学研究
所と東京都文ぶん
京きょう
区にある東京大学で
光格子時計で1cmの高低差の時間の進み方の違いを区別する
光格子時計で地下のようすがわかる⁉
地球から遠く離れた宇宙の重力のない場所
地下に雨水がたくさんたまった場所では、時間がゆっくり進む
地下に重い金属資源がある場所では、時間がゆっくり進む
重力のある地球
地球上でも
雨水タンク
金属資源
8 9
● 地球上の生物のDNAの文字は、たった4種類！ みなさんは、お母さんやお父さんと顔やくせ、性格などで似ているところ
はありませんか？ 私わたし
はお母さんに似て何にでも夢中になってしまうので、「そ
の性格は、お母さんからの遺い
伝でん
だね」とよく言われます。この遺伝は「遺い
伝でん
子し
」という物質によって起こります。遺伝子の情報は、私たちの体の中にあ
るDディー
Nエヌ
Aエー
という物質に書きこまれています。お母さんとお父さんのそれぞれ
のDNAを、みなさんは受け継つ
いでいるから似るのです。
私たちの体は、60兆個もの細さい
胞ぼう
からできているといわれています。DNAは、
その一つひとつの細胞の中にあって、とても細くて長い鎖くさり
のような形をして
います。その鎖の中に4種類の文字で遺伝子の情報が書かれています（図1）。
その文字は「塩えん
基き
」と呼よ
ばれ、それぞれAエー
（アデニン）、Tティー
（チミン）、Gジー
（グ
アニン）、Cシー
（シトシン）という名前が付いています。
たった4種類の文字では、いろいろな文章をつくることができないように
平ひら
尾お
一いち
郎ろう
博士 ライフサイエンス技術基き
盤ばん
研究センター 合成分子生物学研究チーム チームリーダー
自分で組み立てた「はやぶさ」のブロック模
も
型けい
を手に
新しい文字を加えた人工DNAをつくっています。
優れた薬やスーパー酵こう
素そ
をつくり出すことをめざしています。
DNAの文字を増やすことで何ができるようになるの？
思えますが、4種類の文字がさまざまな順番で30億個並なら
ぶことで、私たちの
体の情報が書かれています。
一人ひとりの顔やくせ、性格などがちがうのは、遺伝子の情報、すなわち
DNAの4種類の文字の並び方にちがっている部分があるからです。だ液など
から私たちのDNAを取り出して、その並び方を調べると、二人が親子の関
係かどうかがわかったり、あるいは、犯罪捜そう
査さ
で容よう
疑ぎ
者をしぼりこむことが
できます。それがDNA鑑かん
定てい
という技術です。
● DNAに新しい文字を加える 宇
う
宙ちゅう
人のDNAが5種類以上の文字からできていた、というSエス
Fエフ
の物語があ
ります。文字の種類が多いのだから、そのDNAは複雑な情報を持つことが
できて、地球人よりもなんとなく優ゆう
秀しゅう
に思えますよね。
私たちの研究チームでは、DNAの新しい文字をつくり、SFの宇宙人のよ
うに5種類以上の文字を持つ人工DNAを働かせる研究をしています。でも安
心してください。宇宙人をつくるのではなく、その研究で優すぐ
れた薬や社会に
役立つ新しい技術をつくることをめざしているのです。
私たちの体の中では、1個の細胞が2個の細胞に分かれる細胞分ぶん
裂れつ
によって、
新しい細胞が次々と生まれています。その細胞分裂のとき、AとT、GとCが
常にペアを組むという性質を利用して、文字の並び方がまったく同じDNA
図1 DNAの4種類の文字 細胞
鎖
AとT、GとCがペアを組むことで、2本の鎖がらせんの形をつくる。
DNAA
T
G
C
撮影：STUDIO CAC
10 11
は「抗こう
体たい
」として働きます。
抗体は、病びょう
原げん
菌きん
など病気の
原因となる物質が体の中に
入ってきたときに、それに
くっついて、やっつける働
きをします。
ふつう、抗体はタンパク
質という物質の一種です。
タンパク質はDNAと同じ
ように、私たちの体をつく
る重要な物質の一つです。
タンパク質は、20種類の
アミノ酸という物質がいろいろな順番でつながったものです。
抗体をDNAでつくる方法が考え出されたのは、20年以上も前のことです。
DNAの抗体はタンパク質の抗体よ
りも簡かん
単たん
につくることができ、今
までにない新しい薬ができるかも
しれないと期待されました。しか
し、DNAでは、病気の原因になる
物質に強くくっつく抗体がなかな
かできませんでした。4種類の文字
しかないDNAは形も限られ、20種類のアミノ酸がつながったタン
パク質ほど複雑な形ができず、抗
体の性能が高くならないのです。
そこで、私たちは、Dsを組みこ
んだ人工DNAで抗体をつくりまし
た。ブロックの種類を増やしてみ
たわけです。ペアを組むPxは加え
ていないため、Dsは仲間はずれに
なります。そのため人工DNAは複
が複製（コピー）されます（図2）。こうして、新しい細さい
胞ぼう
のそれぞれにまっ
たく同じDディー
Nエヌ
Aエー
が引き継つ
がれていきます。
DNAの新しい文字をつくる研究の難むずか
しさは、新しい文字をDNAに組みこ
んでも、DNAが正確に複製されなければいけないことです。そのためには、
新しい文字を2種類つくり、それらが常にペアを組むようにする必要があり
ます。私わたし
たちは、いろいろなアイデアを出してさまざまな新しい文字をつく
り、何度も失敗を重ねて、15年もかけてやっと、常にペアを組む2種類の文
字をつくることに成功しました。そして、それらの文字を、「Dディー
sエス
」、 「Pピー
xエックス
」
と名づけました（図3）。
● 新しい文字を加えた人工DNAで薬をつくる 2種類の新しい文字をDNAに組みこむことは、おもちゃのブロックの種類
が4種類から6種類になることに似ています（図4）。ブロックの種類が少な
く、それぞれが似たようなタイプのブロックだと、あまりおもしろいものが
できませんよね。DsとPxは、Aエー
・Tティー
・Gジー
・Cシー
とは性質が少し変わった特別な
ブロックです。その2種類の変わったタイプのブロックを加えることで、まっ
たく新しい働きをするものがつくれるはずです。
どんな新しいものができそうか紹しょう
介かい
しましょう。私たちは、Dsだけを
DNAの1本の鎖くさり
に加えて、優すぐ
れた薬をつくることをめざしています。その薬
図2 DNAの複製
図3 常にペアを組む新しい文字DsとPx （イラスト：花里美紗穂）
もとの鎖
新しい鎖
もとの鎖のAのところにTがやってきてペアを組む。このようにして新しい鎖ができていく。
図4 タイプのちがう新しいブロック（DsとPx）を加えると、新しい働きをするものができる
A
A
A
G
C
T
T
T
12 13
（文：平尾一郎・立山 晃／フォトンクリエイト）
雑な形となり、今までのDディー
Nエヌ
Aエー
の抗こう
体たい
よりも100倍以上の強さで病気の原因
となる物質にくっつくものが見つかりました（図5）。タンパク質の抗体と比
べても性能が高いので、人工DNAを使った優すぐ
れた薬ができそうです。
● 新しい文字を加えた人工DNAで新しい技術をつくる D
ディー
sエス
とPピー
xエックス
の両方を使うと、もっとすごいことができるはずです。私わたし
たちは、
DsとPxのペアを組みこんだ人工DNAを利用した新しい技術を生み出すこと
をめざしています。
実は、DNAには、体をつくる何万種類というタンパク質の設計図、すな
わち、20種類のアミノ酸がつながる順番を決める情報が書かれています。今
でも、「遺い
伝でん
子し
組く
み換か
え」という技術を使って、DNAの4文字の並なら
び方を変
えることで、タンパク質の20種類のアミノ酸の順番を人工的に組み換えるこ
とができます。
たとえば、「酵こう
素そ
」はタンパク質の一種で、私たちの体の中で起きるさま
ざまな化学反応をうながす働きがあります。洗せん
濯たく
に使う洗せん
剤ざい
にも酵素が入っ
ています。その酵素は、遺伝子組み換え技術で汚よご
れを分解しやすいように性
能を高めてあります。でも、今までの技術では20種類のアミノ酸しか使えな
いので、性能に限界がありました。
新しい文字をDNAに加えると設計図の情報が増えるので、DsとPxのペア
を組みこんだ人工DNAを使えば、21種類以上のアミノ酸でタンパク質をつ
くることができるようになるでしょう。この新しい技術を使ってつくられた
タンパク質の中から、今までよりも性能がはるかに高い「スーパー酵素」が
生まれるかもしれません。
● 地球以外の生物はどんな文字を使っている？ DNAの研究をしていると、「生命って何だろう」と思うことがよくありま
す。地球上のすべての生物のDNAは、Aエー
・Tティー
・Gジー
・Cシー
の4種類の文字しか用い
ていません。そのため、ほとんどの人は、「DNAの文字はこの4種類以外に
はないのでは？」と考えていました。でも、DsとPxを組みこんだ人工DNAで複製がきちんとできたことから、「もしかしたら、DNAの文字の種類をもっ
と増やした人工生物をつくることができるかもしれない」と考えられるよう
になりました。
地球上で生物が誕たん
生じょう
したとき、A・T・G・CがDNAの文字として、たま
たま選ばれただけなのかもしれません。新しいDNAの文字ができたことか
ら、「宇う
宙ちゅう
には、もっといろいろなDNAの文字を持つ生物がいるかもしれな
い」と考える人も増えてきました。
日本の小しょう
惑わく
星せい
探たん
査さ
機き
「はやぶさ2」が、小惑星に向けて打ち上げられま
した。初代「はやぶさ」は、イトカワという小惑星から岩石のかけらを持
ち帰ってきました。「はやぶさ2」は、イトカワとはちがうタイプの小惑星
1999 Jジェイ
Uユー
3から岩石のかけらを持ち帰って
きます。そこには、生物の材料となる物
質があるかもしれない、と期待されてい
ます。「はやぶさ2」が小惑星1999JU3か
ら岩石のかけらを地球に持ち帰ってくるの
は、2020年の予定です。もしかしたら、
その岩石のかけらの中に、私たちがつくっ
たDsとPxに似た物質がふくまれているか
もしれません。今からとても楽しみです。
新しい文字Dsを加えた1本鎖の人工DNA
図5 Dsを加えた人工DNAで薬（抗体）をつくる
DsはPxがいないのでペアをつくれず仲間はずれになり、人工DNAは変わった形になる
A・T・G・Cだけだとペアを組む部分が多く、こんな引っかかりの少ない形になりがち
人工 DNAでつくった抗体が病気の原因となる物質にくっつく
病気の原因となる物質
強くくっつくものを選び出す
折りたたまれる
Ds
A
T
C
G
14 15
● 「ラン藻」という生物を知っていますか？ 私
わたし
は、ラン藻という生物を使って研究をしています。ラン藻という名前を
初めて聞いた人も多いことでしょう。みなさんは、金魚やメダカなどを飼っ
たとき、水すい
槽そう
の水が緑色になってしまったことはありませんか？ あの緑色の
正体は、多くの場合、ラン藻です。ラン藻は、川や湖、海、温おん
泉せん
、土の中など、
あらゆる場所に生息しています。意外と、身近な生物なんですよ。
ラン藻は、体が1個の細さい
胞ぼう
だけでできている単細胞生物です。大きさは
1mmの1000分の1くらいで、顕けん
微び
鏡きょう
を使わないとラン藻1個1個を見分ける
ことはできません。
ラン藻は光こう
合ごう
成せい
をします。「あれ！？ 光合成って植物がするんじゃないの？」
と不ふ
思し
議ぎ
に思うかもしれませんね。光合成とは、太陽の光エネルギーを使っ
て、二酸化炭素と水から、酸素とでんぷんなどの糖とう
をつくり出す働きです。
光合成をする生物は、植物のほかにもいます。その一つがラン藻です。
小お
山さ
内ない
崇たかし
博士 環かん
境きょう
資し
源げん
科学研究センター 統合メタボロミクス研究グループ 代
たい
謝しゃ
システム研究チーム 研究員この中でラン藻を育てています。
「ラン藻そう
」を利用してバイオプラスチックをつくっています。
石油を使わずに、光と二酸化炭素と水からプラスチックをつくれるからです。
どうしてラン藻を使うの？
ラン藻は、植物より早く、今から30億年くら
い前に地球上に現れました。地球が誕たん
生じょう
して16億年くらいたったころです。それまで地球の大
気中に酸素はほとんどありませんでしたが、大
発生したラン藻が光合成によって酸素をたくさ
んつくり出したため、大気中に酸素が増えてい
きました。地球の大気に酸素をもたらしたのは、
ラン藻なのです。
ラン藻と植物の関係も、気になりますね。植
物は、葉よう
緑りょく
体たい
という部分で光合成をします。葉
緑体は、今から20億年くらい前に、光合成をし
ない別の単細胞生物の中にラン藻が取りこまれ、
それが姿すがた
を変えたものだと考えられています。
● ラン藻の秘
ひ
めた力に注目！ 私がなぜラン藻を使った研究をしているのかを、お話ししましょう。主に
三つの理由があります。
ラン藻は、育てるのが簡かん
単たん
で、どんどん増えるので実験に使いやすいとい
うのが、一つ目の理由です。
二つ目は、遺い
伝でん
子し
を改造しやすいからです。遺伝子とは、生命の設計図で
あるDディー
Nエヌ
Aエー
の中で、タンパク質をつくる情報が書かれている部分のことです。
電子顕微鏡で見たラン藻。分ぶん
裂れつ
しようとしているところ。（撮影：理研 佐藤繭子 博士）
光学顕微鏡で見たラン藻
ラン藻の光合成二酸化炭素 二酸化炭素
糖 糖
酸素 酸素
ラン藻
光 光水 水
ふつうのとき 窒ちっ
素そ
が不足しているとき
PHBピーエイチビー
16 17
ています。また、プラスチックは使い終わったあと、土に埋う
めても自然には
分解されないので、環かん
境きょう
汚お
染せん
が問題になっています。燃やして処しょ
分ぶん
しようと
すると、地球温おん
暖だん
化の原因になる二酸化炭素が出てしまいます。そうした理
由から、石油を原料としないバイオプラスチックが注目されているのです。
バイオプラスチックの原料は、生物がつくり出す物質です。その物質は、
元をたどっていくと、太陽の光エネルギーと二酸化炭素と水からできていま
す。どれも繰く
り返し使うことができて、無限です。バイオプラスチックを燃
やすと、やはり二酸化炭素が出ます。しかし、それはもともと生物が大気か
ら吸きゅう
収しゅう
した二酸化炭素なので、大気中の二酸化炭素の量は増えません。
ラン藻がつくるPHBは、土の中にいる微び
生せい
物ぶつ
によって分解されるという性
質もあります。そのため、さまざまなバイオプラスチックの中でも特に注目
されています。
● バイオプラスチック生産の司令官に注目！ ラン藻は小さい生物なので、つくり出すPHBは少量です。PHBでできた製
品が生活の中で使われるようになるには、ラン藻にもっとたくさんPHBをつ
くらせる必要があります。私わたし
は、そのための方法を研究しています。
PHBは、太陽の光エネルギーと二酸化炭素と水から、何段だん
階かい
もかけてつく
られます。その手伝
いをするのが、「酵こう
素そ
」と呼ばれるタン
パク質です。酵素を
増やせば、たくさん
PHBをつくることが
できそうですね。す
でに多くの研究者が、
その点に注目して研
究を進めています。
でも私は、酵素と
はちがう点に注目し
ています。PHBをつ
タンパク質は、生物の体を形づくるだけでなく、体内で起きるさまざまな反
応を進めたり弱めたり、遺い
伝でん
子し
の働きをコントロールしたりしています。ラ
ン藻そう
の遺伝子を改造することで、もともと持っている優すぐ
れた機能を強めたり、
新しい機能を追加したりした、「スーパーラン藻」をつくることができます。
三つ目は、ラン藻がとても役に立つ物質をつくるからです。ラン藻は、生
物が生きていくのに欠かせない物質の一つである窒ちっ
素そ
が不足していると、光こう
合ごう
成せい
によって、酸素と糖とう
だけでなく「ポリヒドロキシ酪らく
酸さん
」という物質をつ
くります。ポリヒドロキシ酪酸は、英語の名前を略して「Pピー
Hエイチ
Bビー
」と呼よ
ばれて
います。PHBは、今とても注目されている「バイオプラスチック」の一つです。
● バイオプラスチッ クって 何？ なぜ今、バイオプラス
チックが注目されている
のでしょうか。
まわりを見回して、プ
ラスチックでできている
ものを探さが
してみましょう。
ペットボトル、定規、スー
パーの袋ふくろ
……。たくさん
ありますね。プラスチッ
クは、軽くて丈じょう
夫ぶ
で、水
や油にも強く、簡かん
単たん
にさ
まざまな形に加工できる
ので、いろいろなものに
使われています。
プラスチックの多くは、
石油からつくられていま
した。しかし、石油資し
源げん
には限りがあり、将しょう
来らい
な
くなってしまうといわれPHBができるまで （イラスト：理研 中谷由佳）
原料によるプラスチックのちがい
酵素
司令官司令官光 水二酸化炭素
製品
焼却・微生物による
分解
二酸化炭素
石油
生物
石油
製品
焼しょう
却きゃく
二酸化炭素
生物
PHB
18 19
（文：鈴木志乃／フォトンクリエイト）
くるとき、酵こう
素そ
は勝手に働いているわけではありません。それぞれの酵素が
正しい場所で、正しい仕事をするように指示する「司令官」がいて、Pピー
Hエイチ
Bビー
を
つくる流れをコントロールしています。私わたし
は、司令官役のタンパク質を二つ、
世界で初めて発見しました。「Sシグイー
igE」と「Rル レ
re37」という名前です。この二
つの司令官をパワーアップさせれば、PHBの生産量が増えるのではないかと
考えたのです。
● バイオプラスチックの生産量が3倍に まず、ラン藻
そう
の遺い
伝でん
子し
を改造して、司令官の一つであるSigEを増やしてみ
ました。すると、PHBの生産量が約2.5倍になりました。ねらいどおりです。
次に、Rre37を増やしてみました。すると、PHBの生産量が約2倍になりま
した。SigEとRre37を両方増やしたら、PHBの生産量がもっと増えるので
は！？ そう思ったので、さっそくやってみました。予想どおり、PHBの生産
量は約3倍になりました。
PHBをつくり出す流れをコントロールしている司令官を増やすことで、
PHBの生産量を増やすことに、世界で初めて成功したのです。でも、「たっ
た3倍かぁ……」と思った人もいるでしょう。そうですよね。私も、10倍、
20倍と、もっともっと増やしていきたいです。
そこで、司令官であるSigEとRre37を増やす方法と、働き手である酵素を
増やす方法を組み合わせることも、試しています。また最近、遺伝子を改造
することで、早く増えるラン藻をつくることに成功しました。早く数が増え
れば、PHBの生産量も増えます。そして、SigEとRre37のほかにも司令官が
いるかもしれません。新しい司令官探さが
しも続けています。
● 小さなラン藻が地球を救う 研究は、ほかの人と同じことではなく、自分にしかできないことをやらな
ければいけません。SigEとRre37についていちばん知っているのは、発見し
た私です。それらに注目した研究をするのが、私の使命です。また、研究を
研究室の中だけで終わらせずに、企き
業ぎょう
の人たちとも協力し合って社会に貢こう
献けん
したい──そう考えながら取り組んでいます。
私たちの研究が進めば、将しょう
来らい
、ラン藻をたくさん育ててPHBを大量生産す
るバイオプラスチック工場が実現するかもしれません。ラン藻がPHBをつく
るときに大気中の二酸化炭素を使うので、地球温おん
暖だん
化対たい
策さく
にも役立つでしょ
う。ラン藻はPHBのほかにも、水素や油など、さまざまな役に立つ物質をつ
くります。役に立つ物質をたくさんつくるスーパーラン藻ができれば、人類
が抱かか
えている環かん
境きょう
問題や資し
源げん
問題の解決にも貢献できます。
ラン藻はとても小さな生物ですが、地球規き
模ぼ
の問題を解決できる、大きな
可能性を秘ひ
めているのです。
ラン藻を育てている試験管と取り出したPHB
未来のバイオプラスチック工場の想像イラスト
PHBがラン藻の中にたまる
ラン藻を凍とう
結けつ
乾かん
燥そう
させて取り出したPHB
窒ちっ
素そ
があるとき 窒素が不足しているとき
20※ 再生紙を使用しています。
お楽しみコンテンツ「理研の博士に聞いてみよう！」
http://www.riken.jp/pr/fun/kids/
RIKEN 2015-024 (2015年3月発行)
理化学研究所（「理研」）は日本で唯ゆい
一いつ
の自然科学の総合研究所です。1917年に創そう
設せつ
されて以来およそ 100年間、物理学、化学、工学、生物学、医科学など幅はば
広い分野で、基
き
礎そ
科学の研究を進め、社会や産業の発はっ
展てん
に役立つ研究成果を生み出しています。研究を進め「新しい知識を得る」ことは、やがて「新しい技術」を生み、それは「文明」となって、われわれ人類が暮
く
らす社会の、文化の礎いしずえ
となります。
理研は、人類の知識と生活が豊かになるよう、独どく
創そう
的な研究活動を続けています。
● 発行理化学研究所 広報室〒351-0198 埼玉県和光市広沢2-1電話 : 048-467-4094Eメール : [email protected]
● 取材協力
香取秀俊香取量子計測研究室 主任研究員
平尾一郎 ライフサイエンス技術基盤研究センター合成分子生物学研究チーム チームリーダー
小山内 崇 環境資源科学研究センター統合メタボロミクス研究グループ代謝システム研究チーム 研究員
● 制作協力 :フォトンクリエイト● イラスト･デザイン :岩崎邦好デザイン事務所
Vol.1
