第４１回放射線科学研究会聴講記
研究会は平成22年4月23日（金）13:30から17:30まで住友クラブ（大阪市西区江戸堀）で開催した。今回の講師は鹿園直哉氏（（独）日本原子力研究開発機）、中野朝雄氏（（株）リガク）、笠井亮秀氏（京都大学大学院)、菊池 清氏（セン特殊光源(株)）の４名の方々であった。
1. 放射線によるクラスターDNA損傷とは何か？
(独)日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門DNA損傷修復・細胞影響研究グループ
鹿園 直哉
電離放射線が致死、遺伝子突然変異、発がん等の生物影響を誘起することはよく知られている。放射線によるこれらの生物影響の原因として「クラスターDNA損傷」という概念が提唱されてきたが、その実体については明らかではなかった。鹿園講師は、本講演で最近のクラスターDNA損傷研究の現状について紹介した。最初に、なぜ放射線の生物影響に関してクラスターDNA損傷という概念が提唱されるに至ったのかについて、これまでの研究背景が紹介された。放射線の生物効果を確率論的概念を導入し定量的に説明する試みとして確立されたのが、ヒット理論（または標的理論）である。細胞内の標的が放射線によってヒットされることによって不活性化すると仮定し、ヒット数（ｎ）がポアソン分布に従うと考えると、放射線による生物効果の定量的解析が可能であり、この理論が放射線の生物作用機構研究の基盤となった。
一方、細胞の生存率曲線や染色体異常の線量反応に見られる非線形効果（低線量域で“肩”が生じる現象）については、ヒット理論では説明不能であった。これに対して、電離放射線によるヒット（損傷）は、２つの亜ヒット（亜損傷）が相互作用することによって生じるという概念が提出された。この概念は、生存率や染色体異常の線量反応を１飛跡事象と２飛跡事象の和として定式化することができる点で魅力的であった。しかしながら、亜損傷の実体が不明な点など解決されるべき問題はまだ残されている。
クラスターDNA損傷の基礎となる概念は、電離放射線の線質による生物効果の相違に関する考察から生まれてきた。すなわち、放射線の線質効果を、電離の空間分布の密集化の相違として捉えるという考え方が提唱された。さらに、電離放射線の標的としてDNAが注目されるに至り、DNA損傷が生物効果の原因であると考えられるようになってきた。同時に、生物がDNA損傷を修復する能力を持つことも広く認識されるようになった。
このような背景を経て、電離放射線の生物効果を説明する概念として提唱されたのがクラスターDNA損傷である。クラスターDNA損傷とは、10〜20塩基（1〜2回のらせん回転相当）内で２箇所以上の損傷、例えば塩基損傷やDNA鎖切断等を持つものであり、修復が困難、もしくは修復ミスを起こしやすい損傷とされる（図１）。したがって、クラスターDNA損傷は大きな生物効果を引き起こす原因になると想定されている。
クラスターDNA損傷のうち、DNA２重鎖切断以外のもの、すなわち、塩基損傷、脱塩基部位、鎖切断等が近接して生じるクラスターDNA損傷に関する研究は、これまで研究手法の開発が進まなかったために進展が遅れていた。最近、塩基損傷部位を認識する修復酵素を用いることにより、間接的にクラスターDNA損傷を検出する手法が確立された。そこで、この手法を用いてガンマ線照射によって細胞内に生成するクラスターDNA損傷量を調べてみたところ、DNA２重鎖切断（DSB）の約４倍であることが明らかになった。一方、高LET放射線であるアルファ線について同様の手法で調べてみると、クラスターDNA損傷がほとんど検出されないことが分かった。しかし、これには検出手法上の問題点が指摘されており、高LET放射線によるクラスターDNA損傷の収率は過小評価されている可能性も考えられる。
さて、では修復されにくいとされるクラスターDNA損傷は、どのように修復されるのであろうか。この修復に関する知見は、化学合成した塩基損傷等を任意の位置に配置したモデルクラスターDNA損傷を用いた研究から得られている。その結果、（１）塩基損傷の除去は、隣接する塩基損傷の存在により阻害を受けないが、（２）隣接する脱塩基部位や鎖切断の存在には強く阻害される。（３）脱塩基部位での修復は、隣接する脱塩基部位や鎖切断の存在により阻害を受けない、ということが明らかになった。すなわち、クラスターDNA損傷の修復は、どのような種類の損傷がクラスターを形成しているのかによって修復効率が大きく異なることが分かってきた。
次に、修復が容易ではないクラスターDNA損傷は、クラスター化していないDNA損傷と比べて、その生物効果にどのような違いがあるのだろうか。講演者らは、モデルクラスターDNA損傷を大腸菌に導入して、単独のDNA塩基損傷に比べて、クラスターDNA損傷は、遺伝子突然変異誘発効果が約６倍高くなることを明らかにした。すなわち、クラスターDNA損傷を形成する塩基損傷は修復されにくく、除去される前にDNA複製される確率が高くなるために、遺伝子突然変異の誘発率が上がると考えられる。
以上のことから、（１）電離放射線によってクラスターDNA損傷が形成され、それが生物効果の原因になっていること、（２）クラスターDNA損傷はその種類によって強く修復阻害がかかり、それが生物効果に深く関与していることが明らかになった。
これらは、電離放射線によって生じる生物効果のメカニズムを理解する上で貴重な知見を提供する成果であると言えよう。しかしながら、クラスター化された損傷の構造に関する詳細な知見はいまだに明らかにされておらず、修復阻害や生物効果の大きさを決める分子機構も未解明である。今後、クラスターDNA損傷の構造と生物効果との関連性をさらに詳細に明らかにすることが、放射線の生物効果全体の理解を深めるために必要である。（児玉靖司記）
2. Ｘ線によるナノメータ構造の形状計測技術
株式会社リガク
執行役Ｘ線研究所副所長 中野 朝雄
リガクというと関係者の多くは粉末Ｘ線装置あるいはディフラクトメーターを思い起こすだろう。筆者も何十年も前に卒業研究でリガクのＸ線回折装置のお世話になった一人である。中野講師はそのような私達がリガクという社名のイメージを大幅に払拭するような、最近の先端的な内容について講演した。
嘗て、我が国の半導体産業は世界のトップを走っていたが、近年は韓国、中国、台湾の後塵を拝する状況となっている。基盤技術であるリソグラフィの分野でもニコン、キャノンの製品が殆ど世界市場を占有していたが、最近はインクジェット法を応用した低コストリソグラフィの方式が開発され、ニコン、キャノンの市場占有率は急速に減りつつある。また、ハードディスクの分野においても低コスト化と大容量化を図るためにナノドットの中に磁気を閉じ込める方式に変わってきた。
このような状況において、半導体デバイス構造やそれらの接続配線が設計値通りに出来ているか、超微細加工ライン幅等を計測する必要がある。リガクは極薄膜の膜厚や超微細構造を計測する方法としてＸ線によるナノメータ構造形状計測技術を開発してきた。講演では（1）超微細・低コストリソグラフィ、（2）Ｘ線による微小部薄膜膜厚計測、（3）Ｘ線ナノ構造計測技術について紹介した。半導体産業の急速な進歩により高密度化のみならずウエファサイズも30cmから45cmと大口径化されてきた。そのようなウエファ上の緻密なナノスケールの回路の評価には走査型電子顕微鏡(SEM)や原子間力顕微鏡(AFM)などが用いられているが、これらは局所領域の検査にとどまり、かつ測定時間がある程度必要であるために全体の評価を迅速に行う技法としては適切ではない。しかも3次元計測が必須となりここにＸ線の出番がある。
（1）
リソグラフィの従来方式では光学マスクとウエファの位置間隔調整に時間を要したが、新規の手法ではインクジェット方式でウエファ表面にフォトレジストのパターンを印刷後、パターンが描かれたテンプレートの圧着転写を行い、紫外線照射をマスク越しに施し膜の硬化後にマスクを剥離、レジストパターン化する。この場合にはテンプレートの圧着、脱着時の力が小さくテンプレートの繰り返し使用が可能となり、1枚のテンプレートから100万枚程度のパターンを描くことにより、大幅な製造コストの削減が可能となる。しかし製品の品質保証の担保にはテンプレートの劣化確認が欠かせず、Ｘ線検査を行っている。続いて微小部薄膜膜厚計測について紹介した。
（2）
最近は半導体、磁気ディスクをはじめ様々な薄膜デバイスが使用されるようになり、その薄膜膜厚計測装置を開発した。通常ウエファ上には100μm角以下のサイズの膜厚モニターパッドが作りこめてあり、その部分を計測することにより、製膜時の技術情報が確認出来るように設計されている。Ｘ線は従来、ビームの収束が困難であったが、多層膜鏡の実用化により、25μm径の単色Ｘ線ビームが簡便に得られるようになり、蛍光Ｘ線計測で1nmオーダの薄膜までの組成や膜厚計測が可能となった。その光学系を図2に示した。
線源にはMo、Cuからの細束ビームを任意の角度でウエファ表面すれすれに照射し、それに対して垂直並びに水平に目的に対応した検出器を配置して、蛍光Ｘ線分析及びＸ線反射率を測定し、それらのプロファイル解析により膜の組成分析と膜厚測定が１mmのオーダまで可能である。
このシステムの開発過程で韓国の某メーカーからテスト検査の依頼があり、その中に一種類だけ組成の異なるものが混入させてあったものを正確に指摘したところ、相手は何故分かるのか非常に驚いたそうである。それに対して「Ｘ線はウソをつきませんから」と回答したとのことで、リガクの技術力の高さと自信を見事に顕していると感じた。通常の製造ラインでは2分に1枚のペースで製品が流れるが、この装置は1時間あたり16枚の処理能力を有し、2台設置することにより現場において対応可能であり、すでに4カ国のラインで使用されているとのことである。またライン幅もピッチも反射率のプロファイルを解析することにより、両者を区別して決定できる。
100nmオーダの幅の計測にはArFレーザーによる光学測定が行われてきたが、デバイスのスケールが一層微細な世界に入ってきたことによって、Ｘ線測定が有力となっている。さらにこのシステムを二次元計測とすることによりＸ線ナノ形状計測技術として発展させた。SEMでは電子線照射による損傷や汚染の可能性を免れないが、Ｘ線ではその影響は小さいことも利点となっている。
講演を通して、我が国のＸ線ビームの細束技術とその工業利用が急速に発展していることを大変心強く感じた。
3.アサリやシジミは水をきれいにしているのか？－安定同位体比分析による二枚貝の食性解析－
京都大学大学院農学研究科 准教授 笠井 亮秀
島国である日本は長い海岸線を有し、沿岸域には陸上から多様な物質が流れ込む。その中でも陸上植物由来の有機物が最も多い。森林の草木や落ち葉は草食動物やミミズや蟻などの小動物、またバクテリアなどによって分解され、一部は陸上生態系に取り込まれるが、一部は河川を通じて海にまで運ばれる。その量が多量に過ぎると、海の有機汚濁や富栄養化を招き、赤潮の発生や貧酸素化などの環境悪化につながる。河口付近に存在する干潟はそれらの環境悪化を防ぐ役割を有していると考えられてきたが、我が国の干潟の割合は瀬戸内海についてみれば、1900年頃の面積に比して昨今はその半分以下に減っている。干潟に住む生物の中でもっとも大きいバイオマスをしめるアサリやシジミなどの二枚貝は日本人にとっては古来から大変なじみのある食材であり、植物プランクトンを食べていると言われてきたが、その実態は明らかにされておらず水質浄化に果す役割について解明されていない。
二枚貝の食性を調査するために、消化管の中身を調べても、特定できるようなデータは得ることは困難であった。近年、動物の飼料源の推定に安定同位体比分析法が用いられるようになってきた。その基本は動物の体内に含まれる炭素や窒素の同位体比は、餌の同位体比と同じかそれよりも少し高い値をとるという法則に基づいている。
安定同位体比 δＸsample＝[(Ｒsample/Ｒstandard)-1]×103‰ で示す。ここで、Ｘは13Ｃ、 15Ｎなどの重い同位体、Ｒは同位体比（13Ｃ/12Ｃ、15Ｎ/14Ｎなど）、standardは標準試料を示す。安定同位体比は食物網を通して、ある一定の割合（炭素 1‰程度、窒素 ３‰程度）で濃縮することが分っている。複数の餌候補があり、それらの安定同位体比が異なる場合には、それぞれの餌候補と対象とする動物の同位体比の比較により、その動物の依存している餌が特定出来るとのことである。ここで対象としている二枚貝の場合には陸起源有機物、植物プランクトン、底生微細藻類が挙げられ、これら3種類の有機物の同位体比は一般に異なっているので、二枚貝の同位体比を比較すると二枚貝がどの餌をどの程度の割合で消化、吸収しているかが推定できる。
まず、アサリについては三重県五十鈴川の干潟に生息するものに着目した。五十鈴川は伊勢神宮付近を流れており、河口には干潟があり、上流域はよく手入れされていて汚染が殆どない。また水の参照試料には伊勢湾中央付近の陸起源物の影響のない海水を採取した。河口域の水中懸濁物の炭素・窒素安定同位体比を調べたところ、二枚貝の生息域の水中懸濁物の値は陸起源有機物が多く含まれていることを示していた。しかしながらアサリの安定同位体比は植物プランクトン、底生微細藻類に近く、アサリはあまり陸起源有機物を餌にしていないことが確認できた。一方、同じ三重県の五十鈴川からあまり離れていない櫛田川河口域に生息するヤマトシジミについて、同様の調査を行ったところ、その同位体比は陸起源有機物に近い値をとり、しかもその値は上流側ほどより陸起源有機物を餌としてとりこんでいることが分った。つまりヤマトシジミはその生息域から有機物を取り除く作用をしていることが明らかとなり、水質浄化に役立っていると考えられる。
同じ二枚貝でもこのように食性が異なるのはヤマトシジミが植物のセルロースを分解する能力を具えているため、陸起源有機物を除去できることによると考えられる。
近年、淀川においても、河口近くではベッコウシジミとよばれるシジミが生息していることが分った。まだ生産量は日本全体の0.2％にすぎない年間20ｔ程度であるために、大阪府民の食卓に並ぶ機会は少ないようであるが、実際に筆者の通勤している阪急電車の車窓から、淀川でシジミ漁をしている川船の姿をしばしば見ることが出来る。
講演は次のようにまとめられた。
アサリは海由来の植物プランクトン等を選択して消化、吸収しているのに対して、ヤマトシジミは森林などに由来するセルロースを分解し、吸収している。それにより、ヤマトシジミは干潟において、陸起源有機物を除去し，水質浄化に貢献している。さらに、淀川にも干潟が残っており，河口近くではヤマトシジミが生息している。淀川は大都市を流れる河川なので，人間活動のシグナルがシジミの体組織にも反映されている。大阪湾の最奥に位置する淀川では多量の陸起源有機物が海に流れ込み、底泥中の有機物の炭素同位体比を測定すると、河口から10kmまでその影響が及んでいることが分ったとのことである。
私達には馴染みの深い二枚貝であるが、意外にも個々の食性は解明されておらず、その解析に同位体分析が活用されていることを知って興味深く感じた。
会員サロン
短波長紫外放射の先端技術製品製造における応用
セン特殊光源株式会社 代表取締役 菊池 清
セン特殊光源株式会社はもともとレーザーの製造企業で、社名の由来は創業の場所が千里山であったからだそうである。起業がレーザーの発明後4年足らずの1965年で、1966年にはすでにHeNeガスレーザー、CO2ガスレーザー、CN ガスレーザー、Ar ガスレーザーを開発した。最初のArガスレーザーは大阪府立成人病センターに納入したが、調整に時間がかかってあまり利用されなかったようである。当時はまだレーザーの需要がなく転換を余儀なくされ、その後、電波周波数標準器用ルビジュームランプとセルの国産化に成功、さらに国産では最大級の低圧水銀ランプ(SUV110D)を開発し、紫外線水殺菌装置メーカーに納入してから、紫外線応用分野に参入した。
様々な材料表面の洗浄や改質は製造工程において極めて重要な技術であり、対象とする物質に対して湿式、乾式様々な手法が用いられている。この中で紫外線は表面洗浄と改質の両者が可能な優れた手法であり、薬液やプラズマのような対象物質の表面を粗化させることのないので、高集積度・高密度化の進む多くの電子製品の製造プロセスへ適用されている。特に実装基盤技術ではコスト的に工程中で真空の使用は出来ないので、UV照射は不可欠な技術となっている。
すでに中野講師が先の講演で紹介した世界の三大ハードディスクメーカーの何れにも同社の紫外線洗浄装置が納入されているとのことである。UV洗浄技術は同時に短波長紫外線によって生成されるオゾンを併用するので、しばしばUVオゾン法とも呼ばれている。光源としては短波長紫外線を発光し、しかも装置に組み込む関係上平面光源を形成できるものが有利なので、現在は主に低圧水銀ランプとキセノンエキシマランプが使用される。表面の清浄化の一例としてガラス表面を示した。
無処理のガラスを水中に浸して引き上げた場合には水は表面上に水滴を形成するが、UV処理の場合には水は表面を完全に覆う。しかしながらUV処理はすべてに有効であるわけではなく、表面に有機系表面層が形成されている場合にのみ洗浄効果が期待できる。ただし、UV照射による清浄性の評価を濡れの接触角で評価した場合には表面の有機膜が短時間照射で局所的に消失しただけでも、数値的には清浄と判断される場合もあり、照射時間は重要である。また短時間照射では再汚染の可能性もある。表面洗浄度の簡便な評価法として、近年36種類のぬれ試薬が市販され、25.4～73mN/mの範囲での評価が行えるようになった。菊池講師の講演は以下のようにまとめられた。
①紫外線照射による洗浄・改質技術は、薬剤による表面腐食やプラズマの高エネルギー粒子によるダメージがないので、電子製品・情報機器の微細化・高集積度が進むほど利用価値が高まっている。②廃棄物は唯一オゾンガスであるが、オゾンは最終には酸素に戻るので、環境の面でも優れている。③低圧水銀ランプは水銀を使うが、照明の電球のエネルギー効率が悪いので、近年は電球を廃止して水銀を使う蛍光ランプに変えようという動きが欧米で進んだように、エネルギー面でも見直されている。④効果は洗浄に止まらず、改質効果があることも紫外線技術の特長で、今後のさらなる応用面の拡大が期待される。
近年、多くの電子機器製造の拠点が我が国から移りつつあるものの、その多くの品質は同社のような特色を有する日本の優れた技術によって支えられていることを再認識した。
