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制御工学と生物学を融合し、細胞の制御メカニズムの解明を目指す

上皮成長因子(EGF)受容体誘導シグナル伝達系の数理モデリング

細胞の大きさは直径数〜数十マイクロメートルで、私たちの裸眼では小さすぎて見ることができません。細胞内には、タンパク質と呼ばれる分子が数多く存在し、機構を実現したり、物質を輸送したり、モータのような駆動力を与えたり、物質を貯蔵したり、情報処理を行ったり、と様々な仕事をしています。例えば、ヒトの細胞では、約10万種類ものタンパク質が多様な働きをし、細胞の維持、成長、増殖、分化、死(アポトーシス)を厳密に制御しています。タンパク質を「部品」と考えると、その種類は自動車以上であり、システムの複雑さは航空機を凌駕します。つまり、「細胞は巨大な制御システム」なのです。

その制御システムの中枢が「シグナル伝達系」です。情報・信号処理は、タンパク質によって実装されているため、私たちがよく知っている電気システムにおける回路とは「見た目」は違います。しかし、その動作原理は類似していることが分かってきたため、「情報・信号処理の動作原理を探求する制御工学」を用いて研究に取り組んでいます。

機械・電気システムにおける故障は、重大事故を引き起こす原因となるため、定期的な点検に加え、故障やトラブルに頑強なシステム設計が求められます。一方、細胞システムにおけるシグナル伝達系の故障は、癌などの疾病を引き起こす原因となります。困ったことに、現在の科学技術では、生きた細胞内の個々のタンパク質を十分な分解能を持って観察することはできません。従って、実験では捉えきれない部分に対して、相補的に制御工学を適用し、シグナル伝達系の解明を目指しています。具体的には、以下のテーマに関する研究に従事しています。


1)シグナル伝達系の動作原理、制御メカニズムの解析(基礎研究)
2)細胞の癌化のメカニズムの解析(基礎研究)
3)シグナル伝達系の優れた制御機構の実システムへの応用(応用研究)
4)上記1、2)を応用した医用バイオチップの開発(応用研究)

細胞の制御メカニズムを解明し応用する研究テーマ

「光にしかできない」高度な情報システムの創成に向けた研究

「21世紀は光の時代」という言葉に示されるように、次世代の情報化社会にとって光技術は必要不可欠なものになると予想されます。現在電気的に行っている技術を光によるものに置き換えることで、性能の飛躍的向上が期待される場合が多いためです。具体的には、情報の処理、蓄積、伝送に関する技術ですが、ただ単に既存技術の性能を高めるのではなく、「光にしかできないこと」を利用して全く新しいシステムを創成することにこだわって研究を行っています。
光技術といっても様々なものがありますが、私は中でもホログラフィという技術に注目しています。ホログラフィと聞くと、ほとんどの人は、SF映画に出てくる「空中に浮かぶ立体映像装置」を思い浮かべるかもしれません。しかしホログラフィが持つ最も重要な性質は、「光による光の制御」、つまり光の進み方を、光によって作られた構造によって制御可能であるという点です。これによって可能になる光波の記録や波面の変換、多重記録といったホログラムならではの特長を活かし、高機能デバイスから各種3D技術まで幅広く興味を持っています。

次世代光記録技術に関する研究
情報を安全かつ長期に保存するための「アーカイブ技術」への要求は、いつの時代にも存在しています。求められる性能も年々高まっており、例えば、進化を続ける映像技術、カルテや書籍の電子化など、記録すべき情報量の増加は明らかです。こうした背景の中、次世代アーカイブ技術には、長寿命性、省スペース性、省電力性、耐環境性だけではなく、高い記録密度と転送速度も求められるようになってきました。こうした需要に応えることが出来る次世代記録技術として「ホログラフィックメモリ」に注目しています。どうしたらより多くの情報を限られた領域内に記録することが出来るのかについてホログラフィの特性を調査しながら様々なアプローチによって研究しています。

次世代イメージング技術に関する研究
目に見える「光強度分布」だけでなく、目に見えない「光位相分布」を知ることができれば、奥行き方向の情報(凹凸情報)や屈折率分布の情報を知ることができます。ホログラフィを使うと、光位相分布計測を比較的簡単な装置で実現することができます。これらは近い将来、医療や生産の現場で重宝されると予想されます。ディジタルホログラフィをはじめとした最新の技術に注目し、物体の表面形状や断層面を「正確、高速、安価」にイメージングする方法について研究を行っています。

空中に浮かんで見える立体像
空中に浮かんで見える立体像
シミュレーションによって可視化された屈折率分布(ホログラム)
シミュレーションによって可視化された屈折率分布(ホログラム)
ホログラフィックメモリからの再生光
ホログラフィックメモリからの再生光