Transcript 宇宙生物学のこれから - maxi

2011/11/30 理研シンポジウム
「宇宙線の発見から100年，Ｘ線天体の発見から50年」
宇宙生命科学のこれから
理化学研究所・基幹研究所
宇宙観測実験連携研究グループ
きぼう船内実験チーム 中野明彦
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きぼう船内実験チーム設置の経緯
(i) 2009.7 ，ISS日本実験棟「きぼう」が完成。
(ii) 2009.８，「きぼう」曝露部で，全天Ｘ線監視装置MAXI が稼働開始。
現在までに多大な成果。
(iii) 極限エネルギー宇宙線観測計画EUSO が，曝露部の次期利用課
題候補として採択。準備進行中。
(iv) 生命科学関連でも，理研提案実験を「きぼう」船内で実施（谷田貝：
１期）。さらに次の実験計画中（若山：２期）。
(v) 2010.４，ASI連携研究部門に宇宙観測実験連携研究グループ発足。
MAXIチーム，EUSOチーム。
(vi) 2010.5，理研・JAXA 間で「きぼう」の利用研究に関する連携協力協
定を締結 。
(vii) 2010.8，「きぼう」の運用を2020年まで延長の方針。
(viii) 2010.10，ASI宇宙観測実験連携研究G内に新たに生命科学研究
中心のきぼう船内実験チーム発足。
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理研内 feasibility study
2011.4 ~ 2013.3
国際宇宙ステーション日本実験棟の
科学利用に関する総合的研究
[研究代表者]
基幹研究所 宇宙観測実験連携研究グループ
きぼう船内実験チーム TL 中野明彦
[共同研究者]
基幹研究所：牧島一夫， 齊藤知恵子， 谷田貝文夫，
三原建弘，戎崎俊一，マルコ・カソリーノ
放射光科学総合研究センター：城 宜嗣，山本雅貴
発生・再生科学総合研究センター：若山照彦
脳科学総合研究センター： 入來篤史， 宮脇敦史
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1: 宇宙環境における植物科学研究
（ASI 中野明彦，齊藤知恵子）
2: 宇宙環境における哺乳動物研究
(1) 宇宙環境における哺乳動物の繁殖に関
する研究（CDB 若山照彦）
(2) 宇宙環境におけるDNA修復の研究
（ASI 谷田貝文夫，戎崎俊一）
3: きぼう船内高性能顕微鏡設置
読売新聞掲
載
（ASI 中野明彦，齊藤知恵子；BSI 宮脇敦史）
4
4: 高品質タンパク質結晶化
（RSC 城 宜嗣，山本雅貴）
5: 宇宙飛行士の空間認知（BSI 入來篤史）
5
6: MAXIによる全天Ｘ線観測の推進
（ASI 牧島一夫，三原建弘）
MAXIの得た全天Ｘ線マップ
「きぼう」曝露部のMAXI
7: EUSO用焦点面検出器モジュールの試作・評価
（ASI マルコ・カソリーノ，戎崎俊一）
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JAXA
国内宇宙科学
ソサエティ
理研内連携
情報共有
1. 植物の重力応答
2. 哺乳動物の繁殖と
DNA修復
DNA修復
応用
3. きぼうに高性能
共焦点顕微鏡を
共焦点顕微鏡を
5. 無重力下の空間認知：宇
宙飛行士の協力を
4. 高品質タンパク質結晶
独創的な装置開発
耐振設計
遠隔操作
画像転送 ノ
ウハウ
7. 極限宇宙線観測
EUSO：搭載実現へ
6. 全天のＸ線観測：
MAXIからMAXI2へ
情報共有
7
■科学研究費補助金 時限付き分科細目（平成24〜26年度）
「宇宙生命科学」
内容： 宇宙生命科学は、宇宙環境を利用して生命の起源を探るアストロバイオロジー、地
上とは異なる宇宙環境下で微生物や動植物及びヒトの適応と生存機構を解明する重力
生物学並びに放射線生物学、そして宇宙実験の実施や人類が宇宙へ進出するために必
要な工学、医学、農学諸分野を含む、広範で独創性に富んだ研究領域である。宇宙環境
を利用した宇宙実験により、今日のように多様性に富んだ生命が地球で誕生し、巧みに
地球環境に適応、進化してきたしくみの根幹にせまることができると期待されている。また、
宇宙開発利用の促進、地球外視点での環境保全、宇宙時代の次世代教育等に対応でき
る学問分野としては現状で唯一である。本分野の発展に大きく寄与する研究を期待する。
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日本学術会議 報告
■学術の大型施設計画・大規模研究計画
マスタープラン 2011
国際宇宙ステーションにおける宇宙生命科学研究計画
保尊隆享（大阪市立大学）
建設費：100億円 運搬設置費： 30億円 運用費：10億円/年
建設：H23-H26 運搬設置：H25-H27 運用：H26-H32
国際宇宙ステーションの本格的運用が始まったが、研究設備は開発時のまま更新され
ていない。最先端生命科学研究に対応した５種の新規研究設備を「きぼう」実験棟に設
置し、宇宙生命科学研究を飛躍的に発展させる。生命の起源や地球環境への適応、進
化のしくみを解明し、生命現象の根幹を明らかにする。健康な宇宙長期滞在に不可欠な
科学的知識・技術の確立と地上生活への応用ができる。米国、欧州、ロシア、カナダとの
国際共同により国際宇宙ステーションを建設・運用する。日本宇宙生物科学会を中心と
した研究者コミュニティの総意として構想され、宇宙航空研究開発機構をはじめとする研
究機関の連携・協力により開発準備が進められている。
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■計画説明
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■2020 年までの生命科学分野のISS/きぼう利用シナリオ
国際宇宙ステーション・きぼう利用推進委員会 生命科学分野研究シナリオWG（2012.2）
宇宙生命科学研究のロードマップ
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■2020 年までの生命科学分野のISS/きぼう利用シナリオ
国際宇宙ステーション・きぼう利用推進委員会 生命科学分野研究シナリオWG（2012.2）
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■平成24年度「きぼう」利用テーマ募集 重点課題区分の選定課題 生命
科学分野：高橋 智（筑波大学生命科学動物資源センター）
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■平成24年度「きぼう」利用テーマ募集 重点課題区分の選定課題 宇宙医
学分野：大野博司（理研・免疫アレルギーセンター）
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ISSでの宇宙生命科学は
• 生命進化の謎に迫る
• 微小重力だからこそ可能な実験
• さまざまな宇宙線の被爆の影響
• 将来の他天体への展開に備えて
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地球と生命の進化
O２濃度
CO２濃度
10 0
10 4
10 -1
CO２
シ
ア
ノ
バ
ク
テ
リ
ア
出
現
10 -2
10 -3
10
-4
10 -5
億年前
10 3
46
地
球
誕
生
40
生
命
誕
生
30
10 2
O２
20
真
核
生
物
出
現
植
物
上
陸
10
多
細
胞
生
物
出
現
カン
ブリ
ア
大
爆
発
脊
椎
動
物
上
陸
10 1
10 0
0
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植物の重力応答戦略
重力方向を感知し，倒
れても起き上がる
縄文杉
樹齢3千年
丈夫な細胞壁と細胞骨格を発
達させ，自重を支える
重力屈性
Morita,M. T.
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重力応答の瞬間を高性能顕微鏡で捉える
g
平衡石（amyloplast）
液胞膜
Morita & Tasaka (NAIST)
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METI-NEDO project to develop a new microscope
high-speed
3D system
inverted
microscope
spinning-disk confocal scanner
spectroscopic unit
ultra-high sensitivity high-speed cameras
Custom-made extremely high-performance live imaging microscope
High spatial resolution achieved
by oversampling and
deconvolution
100 nm
Demonstration of Golgi cisternal maturation
super resolution 3D movie
medial: RFP-Gos1p
trans: Sec7p-GFP
Rambourg et al.
J. Cell Sci. 2001
1 m
25 x speed
Matsuura-Tokita et al. (2006) Nature
High-speed, high-sensitivity and high-resolution
multicolor super confocal live-imaging microscope
= Multicolor SCLIM
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A. Ichihara
3: きぼう船内高性能顕微鏡設置
（ASI 中野明彦，齊藤知恵子；BSI 宮脇敦史）
[研究目的] 微小重力下での細胞の振
[準備状況]
る舞いを生きたまま観察する，高分解
能の顕微鏡システムを開発する
・スピニングディスク共焦点シス
テムは，NASAでも打上げを前提
にテスト済み。
・さらに，長時間連続・多点観察
が可能なシステムを開発。
・打ち上げに向けて，FS開始。
[必要性]
・動植物いずれも細胞レベルの研究に
顕微鏡観察が必須
・高性能顕微鏡をきぼう船内に設置す
ることは 関連研究者の悲願。
・宇宙飛行士に負担をかけない，地上
からの遠隔制御と高速画像転送。
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25
26
温度制御 ± 0.1℃
湿度・CO2 濃度制御
オートフォーカス可能
長時間多点３Ｄ観察
全てリモート制御可能
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葉緑体チラコイド膜のダイナミクスを可視化する
岩井優和（ライブセル分子イメージング研究チーム）
ヒメツリガネゴケ
Ampicillin処理で巨大葉緑体を形成
100 µm
葉緑体チラコイド膜のダイナミクスを可視化する
岩井優和（ライブセル分子イメージング研究チーム）
3D image deconvolution
100 µm
Zeiss LSM510
0.2 μm x 10 slices
488 nm ex
650 nm LP
葉緑体チラコイド膜のダイナミクスを可視化する
岩井優和（ライブセル分子イメージング研究チーム）
生細胞での観察は世界で初めて
5 µm
CV1000による長時間タイムラプス観察
Time-lapse image of chloroplast degradation
stroma-GFP
Chl
Merged
1 h/s (15 min/frame), 288 frames (3 days)
EMCCD 512 x 512 pixels
UPLSApo60xO, x60 oil, NA1.35
10 x 0.6 μm slice
488 nm ex, BP525-50 nm (GFP)
561 nm ex, BP617-673 nm (Chl)
M. Iwai
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