【特集】 ネオバイオミメティック・エンジニアリング
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ネオバイオミメティック・エンジニアリング:材料技術のパラダイムシフトとイノベーション
Enginnering Neo-Biomimetic:Toward Paradigm Shift for Innovation

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下村政嗣(東北大学 原子分子材料科学高等研究機構・多元物質科学研究所 教授)



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生物多様性がもたらす技術革新
Technological Innovation Created by Biodiversity

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藤崎憲治(京都大学 大学院農学研究科 応用生物科学専攻 昆虫生態学研究分野 教授)

バイオミメティックは生物をモデルにして革新的技術を考案する科学である。モデルとなる生物の形態や機能は長年の自然選択により形作られた極めて洗練されたものであるために,このような新規学問分野の有効性は高い。生物多様性こそがこのような学問分野の糧となる。生物の中でも,もっとも種多様性が高い昆虫類について,バイオミメティックの可能性について言及する。

【目次】
1. はじめに
2. 昆虫の進化と種多様性
3. 昆虫の形態と機能を模倣する
3.1 アサギマダラの翅の超撥水性
3.2 アメンボの振動情報受容器官
3.3 寄生蜂の連合学習能力とその活用
4. アリの群知能に学ぶ
4.1 群知能による最短経路の発見
4.2 群知能による共同作業
5. おわりに


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生物はなぜ構造色をもつのか
The Origin of Structural Color

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針山孝彦(浜松医科大学 医学部 総合人間科学講座 生物学部門 教授)

生物は膜で包まれることによって外界との仕切りを作り上げ,外と内の環境の違いを維持している。多細胞生物では,表皮組織と呼ばれる特殊な構造体を形成しており,内部環境を最適化している。本稿では,微細構造が生み出す構造色に着目し,生物が外環境の光をコントロールする驚異の機能と構造を学ぶことによりエンジニアリングへの応用展開の基礎としたい。

【目次】
1. はじめに
2. 生物の中になぜ構造色が誕生したか
3. 構造色をもつ無脊椎動物の外骨格
4. 生物がもつ構造色の種類
4.1 散乱構造
4.2 多層膜構造
4.3 液晶構造
4.4 回折格子構造
4.5 フォトニック結晶
5. 生物はなぜ構造色をもつようになったか
6. 現生の生物が構造色をもつ意味―ヤマトタマムシの表皮の構造色と行動を例にして
7. おわりに


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昆虫に学ぶMEMSセンサ
MEMS Design Inspired from Insect Sensors

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下澤楯夫(北海道大学 名誉教授)

コオロギの気流感覚細胞は熱雑音に応答するほど高感度で,それゆえ検出器としては粗悪品である。しかし,この感覚細胞が情報1ビットを入手する際に外界から吸収するエネルギーは統計熱力学上の理論限界に近く,最低のエネルギーコストで情報を入手できる理想的観測器でもある。粗悪なセンサでも,多数を並べてアレイにすると実用になることを紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. コオロギの気流感覚器
2.1 感覚細胞のエネルギー感度
2.2 センサアレイ
2.3 MEMS気流センサ
3. 好火性タマムシの赤外線センサ
4. 蚊の音センサ
5. ハエの振動ジャイロ
6. おわりに


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生体防御反応を活性化する節足動物由来物質とその応用
Arthropod Chemicals Activating Host Defense Reactions

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森直樹(京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 化学生態学分野 准教授)
吉永直子(ペンシルバニア州立大学 化学生態学センター 博士研究員)
桑原保正(京都学園大学 バイオ環境学部 生物有機化学 教授)

昆虫の食害や産卵によって誘導される植物の防御反応や室内塵性ダニの接触によってヒトの皮膚に引き起こされるアレルギー反応に注目し,その生物現象が引き起こされるメカニズムを物質レベルで解析した。多様な昆虫の様々な生物間相互作用を知り,生物の鋭敏な認識機構を利用した技術の可能性を探る。

【目次】
1. はじめに
2. 食害のミミック
3. ボリシチン類を巡る研究
4. 産卵・接触のミミック
5. 室内塵性ダニの接触のミミック
6. おわりに


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昆虫に世界はどう見える?
How Do Insects See the World?

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蟻川謙太郎(総合研究大学院大学 先導科学研究科 教授)

昆虫の複眼には,私たちのカメラ眼とは違って,無数のレンズがある。その眼に,世界はどのように映っているのだろうか。この疑問は今も多くの人々の興味を惹きつけており,研究の歴史は19世紀にまで遡る。ここでは,主としてアゲハの複眼と行動に関する最近の研究を紹介しつつ,昆虫たちが見ている世界の一端を考える。

【目次】
1. 個眼の構造と空間分解能
2. 昆虫の色覚
3. 色受容細胞の個眼内配置
4. 色覚と空間分解能
5. 偏光視の可能性
6. おわりに


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昆虫と植物の攻防に学ぶ接合技術
Offense and Defense between Insects and Plant Surface,and its Mimetic Bonding Technology

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細田奈麻絵((独)物質・材料研究機構 ハイブリッド材料センター 機能化インターコネクショングループ グループリーダー)

接着・非着技術という視点から,昆虫と植物の関係を眺めると非常に興味深い。葉や樹液を食べに寄って来る昆虫は,葉の上を歩かなくてはならず,葉から落ちないように足の接着・剥離をくり返しながら歩行し移動する。その一方で,植物は葉や樹液を食べられないように昆虫が歩きにくいような表面を造り出しているものがある。またその逆に,虫を食べる食虫植物は,植物表面を歩いている虫を捕獲するため捕虫器官に滑り落とす表面を造り出しているのである。本稿では,昆虫の足と植物表面の関係による接着・非着に焦点を絞り,生物に学んだ接合技術を紹介する。

【目次】
1. 虫の足の可逆的な接着と植物の防衛
2. 植物の罠
3. 昆虫の対策
4. 生物の接着機構をモデルにした接合技術
5. おわりに


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クリプトビオシス:極限的な乾燥耐性をもつネムリユスリカ
Cryptobiosis:Extreme Drought Resistance Mechanism in the Sleeping Chironomid

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奥田隆((独)農業生物資源研究所 乾燥耐性研究ユニット ユニット長)

ネムリユスリカの幼虫は,分化した組織を持つ高等生物でありながら体内の水分をほぼ完全に失ってカラカラに乾燥しても,水に戻すと1時間ほどで発育を再開する。この極限的な乾燥耐性(クリプトビオシス:無代謝の乾燥休眠)の分子メカニズムと,それを模倣した細胞や組織の常温乾燥保存技術の可能性について紹介する。

【目次】
1. クリプトビオシス
2. ネムリユスリカのクリプトビオシス
3. クリプトビオシスとトレハロース
4. ネムリユスリカのトレハロース合成誘導要因
5. ネムリユスリカのクリプトビオシス誘導制御機構
6. トレハロースのガラス化
7. クリプトビオシスとLEAタンパク質
8. ネムリユスリカ胚子由来培養細胞
9. 細胞や臓器の常温乾燥保存技術
10. 促進輸送型トレハローストランスポーター
11. おわりに


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生物の飛行に学ぶ
Learn from Biological Flight

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劉 浩(千葉大学 大学院工学研究科 教授)

昆虫や小鳥のような生物の飛行はバイオミメティックの一重要分野として注目されている。筆者は生物飛行を一つの複雑なシステムとして捉え,生物の羽ばたき飛行における空力性能,安定性および制御原理を統合的に研究し,生物を規範とした超小型羽ばたき飛行ロボットの設計指針の創出および開発を進めている。本稿では,生物羽ばたき飛行の運動メカニズムとその応用について解説する。

【目次】
1. はじめに
2. 昆虫と鳥の飛翔
2.1 パワー飛行:羽ばたき
(1) 静止飛行(Hovering Flight)
(2) 前進飛行(Forward Flight)
2.2 幾何学相似則とスケーリング
(1) 翼長さ(Wingspan,b)
(2) 翼面積(Wing Area,S)
(3) アスペクト比(Aspect Ratio,AR)
(4) 翼荷重(Wing Loading,W/S)
(5) 羽ばたき周波数(Wing-beat frequency)
3. 生物飛行のモデリング
3.1 生物羽ばたき飛行モデリングの座標系
3.2 幾何学モデリング(Morphological modeling)と運動学モデリング(Kinematic modeling)
3.3 レイノルズ数と無次元周波数(Reynolds number and reduced frequency)
4. 昆虫飛行のサイズ効果
5. 生物規範型小型飛行体
6. おわりに


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海藻にフジツボが付着しないのはなぜか―海藻に学ぶ抗生物付着ゲルの開発―
Antifouling Hydrogels Against Barnacles―Biomimetic Design Inspired by Seaweed―

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室﨑喬之(北海道大学 大学院先端生命科学研究院 博士研究員)
Jian Ping Gong(北海道大学 大学院先端生命科学研究院 教授)

フジツボなどの海洋付着生物は岩・金属・プラスチックなど様々な固体表面に付着するが,海藻や魚などの表面には付着しない。後者がソフトかつウェットなゲル状態にある物質である点に着目し,筆者らはゲルの海洋付着生物に対する抗付着効果の研究を行った。本稿では,ゲルの化学種や弾性率(膨潤度)がフジツボの付着に与える影響や,ダブルネットワークゲルなど高強度ゲルを用いた海洋中におけるゲルの抗付着効果について紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. フジツボとは
3. 高分子ハイドロゲル
4. 実験室でのフジツボへの抗付着効果
4.1 ゲルの化学種の効果
4.2 ゲルの弾性率・含水率の効果
5. 海洋中での長期付着実験
5.1 海洋付着生物に対するゲルの抗付着効果
5.2 付着したフジツボの形状に対する基板の影響
6. 海洋中におけるゲル上でのフジツボ成長モデルの考察
6.1 ゲルがウェットであることによる影響
6.2 ゲルがソフトであることによる影響
7. おわりに


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BIO R&D

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分子デザインによる抗体精製用蛋白質プロテインGの安定性およびpH応答性の論理的改変
Molecular Design of an Affinity Ligand Protein G for Improved Stability and pH Responsiveness

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渡邊秀樹((独)産業技術総合研究所 バイオメディカル研究部門 分子細胞育種研究グループ 研究員)
本田真也((独)産業技術総合研究所 バイオメディカル研究部門 分子細胞育種研究グループ 研究グループ長)

抗体医薬産業を支える製造支援技術開発として,分離精製工程最適化の社会的要請は極めて高い。筆者らは抗体精製リガンドプロテインGの論理的改変を行い,耐熱性,消化酵素耐性,親和性,pH応答性に優れた性質を示す分子を創出した。本稿では,基盤となる設計指針と独自に開発した分子デザインプログラムの概要について報告する。

【目次】
1. はじめに
2. 第一世代分子設計
2.1 promutによる分子デザイン
2.2 設計指針の妥当性評価
3. 第二世代分子設計
3.1 結合界面への静電反発導入によるpH応答性デザイン
3.2 設計指針の妥当性評価,pH応答性相互作用の分子機構解析
4. おわりに


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2010 『BIO INDUSTRY』総目次

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2010 Vol. 27 「BIO INDUSTRY」総目次 1～12月号




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