ノーベル賞2023自然科学分野の解説

1. Enjoy Science
誰でも分かった気になれる
ノーベル賞2023（自然科学分野）

2. 今年のノーベル賞（自然科学分野）受賞一覧
2
ノーベル生理学・医学賞
新型コロナウイルスのmRNAワクチン開発で大きな貢献をした、
カタリン・カリコ氏ら2人が選ばれました。
物理学賞
「アト秒」と呼ばれるきわめて短い時間だけ光を出す実験的な手
法を開発し、「電子」の動きを観察する新たな研究を可能にした、
欧米の大学の研究者3人が選ばれました。
化学賞
「量子ドット」と呼ばれる極めて微細な結晶を発見するなどして、
「ナノテクノロジー」の発展につながる基礎を築いた、アメリカの
大学の研究者など3人が選ばれました。

3. アインシュタインが一躍有名となった「奇跡の年」（1905年）
COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
3
3月
光電効果 ブラウン運動 特殊相対性理論
5月 6月 9月 E=mc2
追加論文
金属等に一定条件での光を照
射すると光電子が飛び出す現
象を、光量子仮説で解明（光は
粒でもある）
⇒量子力学発展の基礎
〇Wikipedia
ミクロな不規則な運動(植物学
者ブラウンが発見)は、熱運動す
る媒質の分子の不規則な衝突
によるものであると提唱
⇒分子/原子の存在証明へ
ガリレオ変換（相対性原理）とマ
クスウェル理論(絶対静止系の
エーテル仮説)の齟齬を満たす
べく、下記2つを導入
光速度不変の原理
相対性原理：全ての慣性座標系
は等価
⇒時間は絶対でなく相対的
距離＝速さ×時間

4. 量子力学って？：ナノサイズあたりになると非常識な世界に突入
COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
4
https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/ryoushi/detail/1316005.htm
ナノ(10
)
位置と運動が同時
にはわからない（不
確定性原理）
量子力学での原子模型 観測にも限界が・・・
観測するまで存在確率しか分から
ないし、波のように重ね合うことも
可能
（シュレディンガー方程式で
記述）
-9
-18

5. 例：コンピュータの計算素子（半導体）を支える原理：トンネル効果
5
電子が壁とぶつかるイ
メージ。
右側へ抜ける淡い点がト
ンネル抜けをした電子を
表わす

6. 化学賞：量子ドット（量子力学の効果が現れるナノサイズ）の発明と合成
6
大きさのたとえと量子ドットの発見
(Image Credit: Johan Jarnestad, The Royal
Swedish Academy of Sciences）
サイズを変えると「色」が変わるこ
とをガラスで発見（1981年に、旧ソ
連の実験室で再現
→冷戦のため目立たず・・・）

7. 色の定義
7

8. 色とは網膜が受け取る「周波数（エネルギー）」
8

9. サイズを変えるとエネルギーが変わる（＝周波数＝色）
9
https://lab-brains.as-1.co.jp/enjoy-learn/2023/10/54602/
量子効果
でエネル
ギー(周波
数に比例)
が飛び出
ちゃう

10. 応用：LEDより発光性が高いのでディスプレイとして期待
10
発光できる色の領域にムラがある
量子ドット型ディスプレイはサイズ変えるだけで
任意の色（周波数）を表現できる
https://kakakumag.com/av-kaden/?id=14978
量子ドット型ならLEDが弱い
赤側（周波数が低い）でもしっ
かりと発光できる

11. 応用：LEDと量子ドットディスプレイ比較
11

12. 今年のノーベル賞（自然科学分野）受賞一覧
12
ノーベル生理学・医学賞
新型コロナウイルスのmRNAワクチン開発で大きな貢献をした、
カタリン・カリコ氏ら2人が選ばれました。
物理学賞
「アト秒」と呼ばれるきわめて短い時間だけ光を出す実験的な手
法を開発し、「電子」の動きを観察する新たな研究を可能にした、
欧米の大学の研究者3人が選ばれました。
化学賞
「量子ドット」と呼ばれる極めて微細な結晶を発見するなどして、
「ナノテクノロジー」の発展につながる基礎を築いた、アメリカの
大学の研究者など3人が選ばれました。

13. 物理学賞：アト秒の世界を拓く
13

14. 物理学賞：アト秒の世界を拓く
14
https://www-jlc.kek.jp/ilcphys/hep_intro/matter/matter

15. たとえるなら高速シャッター
15
シャッター間隔
0.077秒（77ms）

16. たとえるなら高速シャッター
16
シャッター間隔
0.0005秒（500μs）

17. 電子の動きは新幹線より早い
17
必要なシャッター間隔
0.000,000,000,000,000
15秒
（150as）

18. 18
超高速カメラはどこにある？

19. 19

20. レーザー(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)の発明と限界
20
→フェムト秒の波長を持つレーザー開発までは(1980年代に)進んだがそこで限界に・・・

21. 謎の現象を発見（1988年）
21
https://www.f.waseda.jp/niikura/attosum.htm
ギターでいう倍音
なぜ高調波（入力レーザーより短い波長）が発生したのか？

22. 量子力学って？：ナノサイズあたりになると非常識な世界に突入
COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
22
https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/ryoushi/detail/1316005.htm
ナノ(10
)
位置と運動が同時
にはわからない（不
確定性原理）
量子力学での原子模型 観測にも限界が・・・
観測するまで存在確率しか分から
ないし、波のように重ね合うことも
可能
（シュレディンガー方程式で
記述）
-9
-18
再掲

23. 原因は（量子力学の）トンネル効果だった！
23
中性子
陽子
電子の運動時（周期の半分以下）に発生するエ
ネルギーが「光」に変換されて放出される
→アト秒の世界？
縦軸の差は電子が詰まったシーソーの
ように傾けるイメージ

24. 原理が分かったらあとは良質なアト秒パルスを得る技術改善
24
2001年：アト秒の実測に2グループが独立して成功
（下記図が原理）
アゴスティーニ教授：250アト秒のパルス発生、
クラウス教授：650アト秒の「単一」パルス発生
冬の時代を乗り越えてアト秒の世界へ
時間差でアト秒ま
で測定可能に

25. アト秒計測の応用例：物理・化学だけでなく生物学へも革命を
25
血液から4種類のがんの原因とされる腫瘍要因とな
る分子の動きを検知
→「分子フィンガープリンティング 」
https://www.annalsofoncology.org/article/S0923-7534(22)01973-1/fulltext
病気の原因となる分子を検知する手段に応用
アインシュタインとシュ
レディンガー
(方程式)を超える。

26. 今年のノーベル賞（自然科学分野）受賞一覧
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ノーベル生理学・医学賞
新型コロナウイルスのmRNAワクチン開発で大きな貢献をした、
カタリン・カリコ氏ら2人が選ばれました。
物理学賞
「アト秒」と呼ばれるきわめて短い時間だけ光を出す実験的な手
法を開発し、「電子」の動きを観察する新たな研究を可能にした、
欧米の大学の研究者3人が選ばれました。
化学賞
「量子ドット」と呼ばれる極めて微細な結晶を発見するなどして、
「ナノテクノロジー」の発展につながる基礎を築いた、アメリカの
大学の研究者など3人が選ばれました。

27. ノーベル生理学・医学賞：mRNAワクチンの開発
27
日本国際賞（Japan Prize）2022も受賞
https://www.japanprize.jp/prize.html
「遺伝子」を伝える
メッセンジャーの役割
を担う物質

28. 遺伝子の歴史：浮気者シュレディンガー
28
エルヴィーン・
シュレーディンガー
（1887年 - 1961年）
シュレディンガーのネコで量子力学を皮肉ったあと、
生命の「遺伝」を物理学の手法で研究し影響を与える。
が、また飽きて脳の研究へ・・・。（浮気者として有名）
シュレーディンガーの猫

29. 生命活動を担う物質「タンパク質」
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生命活動はほとんどタンパク質が機能を変えて成しており、その機構を知ることで生命活動の仕組みをたどることが
出来ます。
細胞の構成成分
※出所：細胞の構成成分
http://y-arisa.sakura.ne.jp/link/yamadaka/animal-cell/seibun/kousei-bussitu.htm
タンパク質の役割例
ヒトの体内には数万種類のタンパク質があり、「エネ
ルギーを作る」「モノを運ぶ」などいろいろな役割を
担っています

30. DNAが紡ぐ生命活動：生命の共通原理
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遺伝作用を担う「DNA」から、生命活動を担うタンパク質を作る過程はあらゆる生命で共通の原理があります。
DNA
？
タンパク質

31. DNAが紡ぐ生命活動：生命の共通原理「セントラルドグマ」
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DNA
RNA
タンパク質配列
DNA
(複製)
転写
翻訳
(立体化)
セントラルドグマ
タンパク質
※出所：遺伝子とは何か

32. DNAが紡ぐ生命活動：転写のプロセス
32
DNAはまず自己複製を行い、必要な遺伝子を媒体となるRNAに渡して次の工程に移ります。
※出所：セントラルドグマとは
?
https://juken-mikata.net/how-to/biology/central_dogma.html
セントラルドグマの流れ
DNAの仕組み
ペア
固定
転写
DNA
（事前に複製＆該当部らせんをほ
どく処理）
RNA
（らせんでなく一本鎖）
化粧
mRNA
（次の工程へ）
転写で出来た
無駄を除去

33. DNAが紡ぐ生命活動：翻訳のプロセス
COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
33
核外に出たmRNAは、リボソームという工場内でタンパク質の元となるアミノ酸配列が指定され招集＆結合していき
ます。
※出所：セントラルドグマとは
?
https://juken-mikata.net/how-to/biology/central_dogma.html
タンパク質
アミノ酸1 アミノ酸2 アミノ酸3 …
塩基4種類×3文字（コドン）
→1つのアミノ酸に対応(一部重複)
セントラルドグマの流れ

34. 今回の受賞にある根っこのアイデア
RNAがタンパク質工場に必要な原料を届け
る
→免疫療法（ワクチン）に応用できるので
は？
つまり、免疫を持たせたい病原体の遺伝情
報をRNAで作成し、それを工場で合成させて
覚えさせる
→当初期待されてはいたが・・・
34

35. そんななか、カリコたちが発見したこと
35
なぜか生き延びる（攻
撃されない）
“m”と”t”のRNAの違いって何よ？
→その原因となる遺伝子(ウリジン)を
見つける！(2005年)

36. ｍRNAを改造するとタンパク質の合成成功率が一気にあがる！
36
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2023/advanced-information/

37. そして無事ワクチンとして使えるように
37
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2023/advanced-information/
退治してくれ
る細胞

38. カリコとビオンテック社(CEO)の人生
1955年：ハンガリーで生まれ、現地で生物学博士
課程取得
1980年代：国家都合で研究がなくなり米国へ移住
（不遇のまま転々とする）
1997年：ペンシルベニア大学でワイズマン氏と出
会う
2005年：共同で改良mRNAの発見
2006年：スタートアップRNARxを創業
2009年：研究成果が認められず上級研究員→非
常勤准教授へ降格
2012年：上記手法で特許取得
2013年：大学を辞めビオンテック社へ参画
参画後にナノサイズの脂質膜でmRNAの不安定
さを克服する研究成果
2020年12月：自社で開発した新型コロナウイルス
ワクチン接種
2021年：ペンシルベニア大学客員教授
38
1965年：トルコで生まれ西ドイツへ移住し医学の道を
志す（妻も似た境遇）
1990年代：末期がん患者ケア経験から現代医療の限
界を感じ、がん免疫療法への道を志す
2001年：妻とがん抗原開発の会社創業 (後に売却）
2002年：結婚
2008年：妻とビオンテック社創業
2013年：カリコの講演を聞いて副社長として参画を打
診してOK
2018年：ファイザーとmRNAのインフルエンザワクチン
臨床着手
2020年1月25日：新型コロナワクチンの報告を知り、
そのワクチン開発に舵を切ることを決意
同年3月：ファイザーと提携契約
同年4月：臨床試験開始
同年11月：治験の成果が出る
2021年8月23日：FDAが正式承認
カリコ氏の人生 ビオンテックCEOサヒン氏の人生

39. こぼれ話：伝説となった日本人功労者
39
https://www.asahi.com/articles/ASRB45W7BRB3UTFL01J.html
古市泰宏氏（2022/10/8 死去）
mRNAの末端につく特殊な構造
「キャップ」を見つけ(1970年代)、そ
れがmRNAの安定性（壊れにくさ）に
つながることを発見。
新型コロナワクチン用のmRNAにも
人工的にキャップをはめたものが使
われている。
2022/4に日本で初めて会ったカリコ氏と古市氏

40. 今年のノーベル賞（自然科学分野）受賞一覧まとめ
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ノーベル生理学・医学賞
mRNAワクチン開発での実績を築き、これからのmRNA型ワクチ
ンへの可能性を開いた。
物理学賞
「アト秒」と呼ばれるきわめて短い時間だけ光を出す実験的な手
法を開発し、「電子」の動きを観察する新たな研究を可能にした。
化学賞
「量子ドット」と呼ばれる極めて微細な結晶を発見して、従来より
発光性の高い素材開発の道を開いた