【研究室紹介】五十嵐研究室

生命理工学系にはライフサイエンスとテクノロジーに関連した様々な研究室があり、基礎科学と工学分野の研究のみならず、医学や薬学、農学等、幅広い分野で最先端の研究が活発に展開されています。
研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、ナノメートルのセンサーを手に、細胞からヒト、そして病の深層にいたるまで、生命の本質を量子の力で探る、五十嵐研究室です。

キーワード	細胞内ナノ計測、ナノ量子センサー、診断技術、1細胞・1分子解析
WEBサイト	五十嵐研究室

研究紹介

生命科学の歴史は、「生きているとは何か」という根源的な問いに迫るために、目に見えるものから見えないものへと歩み続けてきました。顕微鏡の発明が細胞の存在を明らかにし、分子生物学がDNAの構造を解き明かしたように、生命を理解するための道具は、常に科学の最前線を切り拓いてきました。私たちの研究室では、いま、その最前線が量子の世界にまで広がっています。ナノスケールの計測技術を通じて、生命現象の本質に迫る新たな視点を提案しています。

１．世界最小かつ極限感度のセンサーをつくる

私たちの研究室では、ナノメートルサイズのダイヤモンドの中にある"量子"の性質を使って、世界でもっとも小さく、もっとも高感度なセンサーをつくっています。センサーの心臓部には「NVセンター」と呼ばれる特殊な構造があり、スピンがまるで小さなコンパスのように振る舞い、温度や磁場、電場、さらには化学反応まで感じ取ることができます。これは、光と量子スピンの相互作用を絶妙に操ることで可能になる技術です。生命の中にある目に見えない世界を可視化するこのセンサーは、まさに生命現象を探る"量子の目"です。これを応用すれば、今まで不可能だった生体内の極小環境をリアルタイムで計測できます。私たちの手にしたセンサーは、たとえば1個の細胞の中にある、ほんのわずかな変化さえも見逃さず捉える力があるのです。

• プレスリリース「世界最小のダイヤモンド量子センサーの作成に成功－細胞や分子のわずかな変化をとらえる超高感度センサーとして期待－」：https://www.qst.go.jp/site/press/26372.html
• 日本経済新聞 ：https://www.nikkei.com/article/DGKKZO49208010Q9A830C1MY1000/
• 科学新聞 ：https://sci-news.co.jp/topics/2356/

２．生命現象に迫る量子の"使い方"をデザインする

センサーが高性能であるだけでは、生命の謎に迫ることはできません。重要なのは、「何を、どのように、どんな原理で測るのか」という量子の"使い方"をデザインすることです。私たちは、量子センサーが捉える微弱な信号を正しく解釈し、意味のある情報へと変換するための方法論を開発しています。たとえば、生体ノイズの中から目的の信号だけを抽出する工夫、特定の分子にだけ反応する表面修飾、さらには時間と空間の分解能を高める測定アルゴリズムの設計など。これらの技術は、量子センシングを単なる計測手段から"生命現象を探求するための地図"へと進化させます。私たちが目指すのは、量子の力をどう使えば、従来の技術では見落とされてきた微細な生命の変化に新しい光を当てられるのかという、新しい計測の哲学そのものです。

• プレスリリース「世界初・ナノサイズのpHセンサーを実現－生命の謎にダイヤモンドで迫る－」：https://www.qst.go.jp/site/press/31759.html
• 日刊工業新聞 ：https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00531807?gnr_footer=0049537

３． 今まで手が届かなかった生命の深層に迫る

生命とは何か──この問いに挑むには、目に見える現象の表層だけでなく、細胞の奥深く、ミクロな環境で静かに進行する変化に目を向けなければなりません。私たちは、ナノサイズの量子センサーと独自のセンシング技術を駆使し、生きた細胞の中で起こる温度やpH、粘度、酸化還元状態など、従来では測定が困難だった微細な変化を定量的にとらえることに挑んでいます。これらの変化は、細胞の状態や振る舞い、さらには病気のごく初期段階に現れる兆候と深く関わっています。私たちの目指すのは、これまで科学が見過ごしてきた生命の"静かなささやき"に耳を傾け、"かすかな兆し"に目を凝らすことで、未知の生命現象を解き明かすこと。その先には、生命をより深く理解するための新たな視座が開けると確信しています。

• プレスリリース「細胞における分子1個の回転運動を３次元で検出するナノ量子センサーを実現～ 医学と生命科学の発展に幅広く貢献 ～」：https://www.qst.go.jp/site/press/40761.html
• プレスリリース「ナノ量子センサによる哺乳類生体内の細胞温度計測に世界で初めて成功～動物モデルを用いたがん研究などの生物・医学研究の革新に期待～」 ：https://www.qst.go.jp/site/press/20240919.html
• 日刊工業新聞 ：https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00559844
• 日刊工業新聞 ：https://www.nikkan.co.jp/articles/view/658837

４．まだ姿を現さない病の兆しをとらえる

病はある日突然、姿を現すわけではありません。ほんのわずかな変化が、体の奥深くで静かに始まり、やがて兆しとなって表れる──私たちは、その最初の"ささやき"を聴き取ろうとしています。ナノサイズの量子センサーを利用して、血液や体液の中にごくわずかに現れる異変のサインを、世界最高レベルの感度でとらえることに挑んでいます。たとえば、アルツハイマー病やがんなど、早期発見が難しい病気であっても、その兆候は目に見えぬほどわずかな生体分子としてひそかに姿を現します。私たちは、その微かな変化を敏感にとらえ、ノイズの彼方からその兆しをとらえようとしています。古典技術では、その存在にすら気づくことができなかった病の兆候が、量子センサーによってようやくとらえられるようになってきました。私たちが目指すのは、これを限られた専門家だけでなく、誰もがアクセスできる診断のかたちで臨床に届けることです。病が姿を現す前に、その兆しに気づき、先んじて制する──そんな新しい医療のかたちを実現するために、私たちはその診断基盤の構築に向けた研究を続けています。

• プレスリリース「量子操作で蛍光検出効率100倍に成功 ～ウイルス感染症の早期・迅速診断への応用に期待～」：https://www.qst.go.jp/site/q-leap/press210803.html
• マイナビニュース ：https://news.mynavi.jp/techplus/article/20210804-1939195/
• 日本経済新聞 ：https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC12CNO0S1A810C2000000/

私たちの研究室では、目には見えないほど小さな"量子のセンサー"を使って、生命の中にひそむ微かな変化や、まだ誰も気づいていない病の兆しを見つけ出そうとしています。まるで量子の虫めがねで世界を拡大して観察するように、細胞の奥をのぞき込み、生命の謎に新しい光をあてる──それが、量子センシング技術を使った生命科学研究の面白さであると考えています。

研究成果

• Real-Time Background-Free Selective Imaging of Fluorescent Nanodiamonds in Vivo
  Ryuji Igarashi, Yohsuke Yoshinari, Hiroaki Yokota, Takuma Sugi, Fuminori Sugihara, Kazuhiro Ikeda, Hitoshi Sumiya, Shigenori Tsuji, Ikue Mori, Hidehito Tochio, Yoshie Harada, Masahiro Shirakawa
  Nano Letters 12(11) 5726-5732 2012
  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl302979d
• Monodisperse Five-Nanometer-Sized Detonation Nanodiamonds Enriched in Nitrogen-Vacancy Centers
  Daiki Terada, Takuya F. Segawa, Alexander I. Shames, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Eiji Ōsawa, Ryuji Igarashi, Masahiro Shirakawa
  ACS Nano 13(6) 6461-6468 2019
  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b09383
• pH Nanosensor Using Electronic Spins in Diamond
  Takahiro Fujisaku, Ryotaro Tanabe, Shinobu Onoda, Ryou Kubota, Takuya F. Segawa, Frederick T.-K. So, Takeshi Ohshima, Itaru Hamachi, Masahiro Shirakawa, Ryuji Igarashi
  ACS Nano 13(10) 11726-11732 2019
  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05342
• Tracking the 3D Rotational Dynamics in Nanoscopic Biological Systems
  Ryuji Igarashi, Takuma Sugi, Shingo Sotoma, Takuya Genjo, Yuta Kumiya, Erik Walinda, Hiroshi Ueno, Kazuhiro Ikeda, Hitoshi Sumiya, Hidehito Tochio, Yohsuke Yoshinari, Yoshie Harada, Masahiro Shirakawa
  Journal of the American Chemical Society 142(16) 7542-7554 2020
  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01191
• All-Optical Wide-Field Selective Imaging of Fluorescent Nanodiamonds in Cells, In Vivo and Ex Vivo
  Tamami Yanagi, Kiichi Kaminaga, Michiyo Suzuki, Hiroshi Abe, Hiroki Yamamoto, Takeshi Ohshima, Akihiro Kuwahata, Masaki Sekino, Tatsuhiko Imaoka, Shizuko Kakinuma, Takuma Sugi, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Ryuji Igarashi
  ACS Nano 15(8) 12869-12879 2021
  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07740
• Intravital microscopic thermometry of rat mammary epithelium by fluorescent nanodiamond
  Takahiro Hamoya, Kiichi Kaminaga, Ryuji Igarashi, Yukiko Nishimura, Hiromi Yanagihara, Takamitsu Morioka, Chihiro Suzuki, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, Tatsuhiko Imaoka
  Nanoscale Horizons 9(11) 1938-1947 2024
  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/nh/d4nh00237g

教員紹介

• 学歴

2007年	京都大学工学部 卒業
2012年	京都大学大学院工学研究科後期博士課程 修了　博士（工学）を取得

• 職歴

2012年-2014年	京都大学 大学院工学研究科 CREST特定研究員
2014年-2018年	JSTさきがけ研究者（浜地さきがけ）
2018年-2019年	量子科学技術研究開発機構 QST未来ラボ 主任研究員
2018年-2022年	JST さきがけ研究者（瀬藤さきがけ）
2019年-2021年	量子科学技術研究開発機構 量子生命科学領域 グループリーダー
2021年-2022年	量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 グループリーダー
2022年-2025年	東北大学 大学院医学系研究科 客員准教授
2024年-2024年	東京工業大学 生命理工学院 教授
2022年-	量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 チームリーダー
2022年-	千葉大学 大学院融合理工学府 客員教授
2024年-	量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 グループリーダー
2024年-	東京科学大学 生命理工学院 教授
2025年-	東北大学 大学院医学系研究科 客員教授

学生へのメッセージ

※この内容は掲載日時点の情報です。最新の研究内容については研究室サイトをご覧ください。