同志社大学

講演発表
ポスター と発表のオンライン開催

2020年度ハリス理化学研究所

研究発表会
時刻
13：00

13：10

開会挨拶

11月 26日（木）13：00 〜17：45

2020 年
時刻

講演プログラム

同時開催

講演プログラム

同志社大学 ハリス理化学研究所 所長

藤原 耕二

15：30

理工学部 機能分子・生命化学科

自転車運動における
骨格筋脱酸素化動態の個人差
スポーツ健康科学部

ポスター発表教授

田原 義朗

Noncoding RNA による
Se含有タンパク質翻訳制御機構の解明
生命医科学部 医生命システム学科 助教

余語 真夫

三田 雄一郎

休憩10分

第二部︵

第 一部 ︵

心理学部

東 信行

ポスター発表理工学部 化学システム創成工学科 准教授

16：30

感情を科学する意義

教授

細胞傷害性T細胞の効率的培養と有用物質生産

高木 俊

助教

スレッド走を用いた活動後増強とスプリントパフォーマンスの関係
スポーツ健康科学部 助教 渡邊 裕也

14：10

磁性をもつペプチド・ポリマーナノ粒子の自己組織化ならびに細胞との相互作用

休憩10分

14：20

非線形ダイナミクスによる新規ミクロ運動機関構築の試み
理工学部 化学システム創成工学科 准教授

生命医科学部 医生命システム学科

山本 大吾

准教授

生命医科学部 医生命システム学科

衣斐 信介

可積分系理論に基づく固有値計算法
理工学部 電子工学科

15：20

助教

休憩10分

教授

新庄 雅斗

野口 範子

がん細胞における新たなコレステロール代謝機構の発見

全二重通信のためのブラインド型
アナログ自己干渉キャンセラ
理工学部 電子工学科

COVID-19対策における専門家会議と政府のサイエンスコミュニケーションの問題点

詳 細は裏 面 ︶※詳 細は裏 面 ︶
※

16：40

助教

和久 剛

ペプチド ポリマー・ハイブリッド戦略による機能性足場材料の開発
17：40

17：40

理工学部 機能分子・生命化学科

閉会挨拶

教授

古賀 智之

委員長

長岡 直人

申込方法

下記URL、QRコードからお申込ください。

お申込締切日2020年 11月 20日（金）!

CAUTION

事前に申込が必要です

申込URL https://harris-riken.doshisha.ac.jp/lecture/presentation.html※お申込みいただきましたら後に詳細をご連絡させて頂きます。
※お申込みいただきました個人情報は「2020年度ハリス理化学研究発表会」に関する管理・連絡のために利用するとともに、ハリス理化学研究所からの各種ご案内に利用させていただきます。

参加費
無料

主

催

同志社大学、同志社大学ハリス理化学研究所

共催

同志社大学リエゾンオフィス

後（公社）
援 （公財）
関西文化学術研究都市機構、京都府、京田辺市、木津川市、久御山町、精華町、井手町、
京都工業会、京田辺市商工会、城陽商工会議所、（株）
日本経済新聞社京都支社、京都新聞、日刊工業新聞社、フジサンケイビジネスアイ、
けいはんな、京都リサーチパーク（株）、同志社理工学会

同志社大学
Doshisha University

同志社大学ハリス理化学研究所は1959年に前身である理工学研究所として発足し、今年で62年目を迎えました。
年に一度開く研究発表会を今年度は初の試みでオンラインにて開催し、講演発表とポスター発表を同時進行で行います。
なお、ご視聴に関する詳細につきましては、お申込み頂いたメールアドレスに事前にお知らせいたします。是非ご覧ください。

ハリス理化学研究所研究発表会 ポスター発表
第一部 13：00〜15：20

第二部 15：30〜17：40

藻類由来金属マイクロコイル分散発泡シートの
６G電波吸収特性
ハリス理化学研究所

教授

彌田 智一

Are Pubertal Age, Sexually-related Milestones,
Libido, and/or Adult Personality Traits
Related to Fecundity?
ハリス理化学研究所

教授

Philip TROMOVITCH

抗腫瘍活性を有するノルスペルミジンのDNAへの作用：DNAの高次構造変化と遺伝子発現活性
理工学部 化学システム創成工学科
生命医科学部 医情報学科

教授

准教授

（大学院 生命医科学研究科 博士後期課程

土屋 活美

貞包 浩一朗2年次） 西尾 天志

Does word positivity attract
our spatial attention?
教授

小林 耕太

1年次） 田中 啓詩

サイクロン分離・蒸発器を有する
CO2 冷凍システムの性能評価
理工学部 機械システム工学科（大学院 理工学研究科 博士前期課程

教授

山口 博司

教授

山口 博司

2年次） 田澤 拓也

同志社大学ハリス理化学研究所

剣持 貴弘

木粉・セルロースフィラー入り難燃樹脂の機械加工特性青山 栄一
廣垣 俊樹
1年次） 尾崎 信利

理工学部 機械理工学科教授

理工学部 機械システム工学科教授（大学院 理工学研究科 博士後期課程

二軸押出機を用いた伸長流動による
PP/SEBSポリマーブレンドの分散混合に関する研究
笹田 昌弘
田中 達也
2年次） 松岡 京甫

理工学部 機械システム工学科教授

理工学部 機械理工学科教授（大学院 理工学研究科 博士前期課程

ZrC/ZrB2系コンポジットの合成同時焼結と機械的特性評価
理工学部 機能分子・生命化学科（大学院 理工学研究科 博士前期課程

廣田 健
加藤 将樹
2年次） 松本 快
教授

教授

熱可塑性樹脂粒子を添加したCFRPの摩擦・摩耗特性の把握
松岡 敬
中村 守正
理工学研究科 連携大学院客員教授 内藤 公喜（大学院 理工学研究科 博士前期課程 1年次） 友藤 豪
理工学部 機械理工学科2年次） 脇本 浩幸

理工学部 機械システム工学科

お問合せ先

教授

1年次） 黒田 真帆

理工学部 機械システム工学科

急縮小・急拡大管内を流動する
磁気粘弾性流体の粘弾性に着目した数値解析（大学院 理工学研究科 博士後期課程

生命医科学部 医工学科
（大学院 生命医科学研究科 博士前期課程

理工学部 機能分子・生命化学科

生命医科学部 医情報学科（大学院 生命医科学研究科 博士前期課程

細胞様構造の自己創生の実空間モデリング：自律的ミクロ相分離

教授

准教授

添加粒子の違いによるマグネシウム基複合材料のトライボロジー特性への影響
松岡 敬
中村 守正
理工学研究科 連携大学院客員教授 染川 英俊（大学院 理工学研究科 博士前期課程 1年次） 國近 まりや
理工学部 機械システム工学科
理工学部 機械理工学科

教授

准教授

〒610-0394 京田辺市多々羅都谷1-3
TEL 0774-65-6220 FAX 0774-65-6804 E-mail jt-riko@mail.doshisha.ac.jp 年度  同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会
日  時  年  月  日（木）～
オンライン開催◆  目 次  ◆

○印は講演者 （敬称略）

部門研究研究助成金成果発表

自転車運動における骨格筋脱酸素化動態の個人差
スレッド走を用いた活動後増強とスプリントパフォー
マンスの関係
感情を科学する意義






○高木俊·····························○渡邊裕也・後岡直樹·················

○余語真夫・金明哲・八木匡・多田実・
大平英樹・中村靖子・石倉忠夫・
Philip TROMOVITCH・力丸裕・金子学・
田中克明・新美暁子·················


非線形ダイナミクスによる新規ミクロ運動機関構築
の試み

○山本大吾・貞包浩一朗・剣持貴弘・
彌田智一・土屋活美················
全二重通信のためのブラインド型アナログ自己干渉
キャンセラ


可積分系理論に基づく固有値計算法

磁性をもつペプチド・ポリマーナノ粒子の自己組織化
ならびに細胞との相互作用
細胞傷害性 7 細胞の効率的培養と有用物質生産

1RQFRGLQJ 51$ による 6H 含有タンパク質翻訳制御機
構の解明


&29,' 対策における専門家会議と政府のサイエンスコ
ミュニケーションの問題点
がん細胞における新たなコレステロール代謝機構の発見○衣斐信介・岩井誠人·················

○新庄雅斗··························

○東信行・成松清士郎・奥村穂・
古賀智之··························

○田原義朗··························○三田雄一郎························

○野口範子··························○和久剛・萩原透・渥美友里・
田村奈都子・浦野泰臣・小林聡······ペプチドポリマー・ハイブリッド戦略による機能性
足場材料の開発 ○古賀智之・川村一朔・西村慎之介・
瀧由貴子・外園尚暉・東信行・
山本浩司・森田有亮·············2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Inter-individual differences in muscle deoxygenation during cycling exercise
Shun TAKAGI*(Received September 18, 2020)
The aim of this study was to compare quadriceps muscle O2 dynamics between aerobic capacity-matched subjects without(NAP) and with (AP) attenuation point in deoxygenated-hemoglobin concentration at vastus latelalis (AP Deoxy-Hb@VL) during ramp
cycling exercise. Relative changes from rest in deoxygenated-hemoglobin concentration (Deoxy-Hb) were monitored at the vastus
latelalis (VL), rectus femoris (RF), and vastus medialis (VM) by near infrared spatial resolved spectroscopy during cycling
exercise. Cardiac output and pulmonary VO2 were also continuously measured. At VL and VM, a significantly higher slope of
Deoxy-Hb was found in NAP than AP during high intensity exercise. At RF during high intensity exercise, the slope of Deoxy-Hb
tended to be higher in NAP than AP. During moderate intensity exercise, the slopes of Deoxy-Hb were similar between groups at
all measurement sites. While the slope of pulmonary VO2 was similar between groups, the slope of CO was lower in NAP than AP
during high intensity exercise. These results suggest that the slope of muscle deoxygenation was not attenuated at the other thighmuscles in NAP, compared to AP during high intensity exercise. The differences in subjects with and without AP Deoxy-Hb@VL may
not be explained by muscle deoxygenation in other thigh muscles.
.H\ZRUGV：near infrared spectroscopy, muscle O2 dynamics, inflection point, regional differenceキーワード：近赤外分光法，筋酸素ダイナミクス，変曲点，部位差

自転車運動における骨格筋脱酸素化動態の個人差

高木 俊

 はじめにけではない ）自転車運動の主働筋の一つである

 運動時の活動筋における酸素消費量の増加は，酸外側広筋においては，中等度強度付近では脱酸素素需要に見合う酸素供給の増加によって引き起こさ化ヘモグロビン濃度 'HR[\+E が直線的に増大れるしかしながら，運動強度の増大に伴い，酸素するが，高強度運動時においては 'HR[\+E の増大

需要の増大に対する酸素供給の増大が十分に追従でが停滞することが知られている )LJ$ しかしきなくなるそのため，自転車運動の下肢においてその一方で，程度の対象においては，外側は，運動強度の増大に伴い骨格筋の脱酸素化が直広筋における 'HR[\+E の増大が停滞するポイン

線的に亢進すると一般的に考えられているト $3'HR[\+E#9/ が確認されないことも報告されてしかし実際には，運動強度の増大に伴いすべている )LJ%  $3'HR[\+E#9/ の発生や有無に関すの骨格筋において直線的に脱酸素化が亢進するわるメカニズムは現時点で不明であるが，外側広筋_________________________________*Faculty of Health and Sports Science, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-7528, E-mail: shtakagi@mail.doshisha.ac.jp― 1―

以外の骨格筋における脱酸素化 2H[WUDFWLRQ の亢進 の相違によって説明できる可能性がある外

２．対象および方法
２－１．対象および運動負荷

側広筋における脱酸素化は，動脈硬化性疾患の発

健康な若年成人男性  名（21 ± 1 歳）を対象と症と関連する体力指標である最高酸素摂取量

して，自転車エルゴメーターを用いたランプ負荷自3HDN92 と相関関係があり  ，運動トレーニン

転車運動を疲労困憊まで実施した

グの効果判定指標としての応用が期待されている

そのため，運動中の骨格筋脱酸素化動態の個人差

２－２．測定項目

とその要因を理解することは重要である本研究 近赤外空間分解分光法により外側広筋 9/ ，大腿では，自転車運動の主働筋である大腿四頭筋にお直筋 5) ，内側広筋 90 における脱酸素化ヘモグ

ける自転車運動の脱酸素化動態を $3'HR[\+E#9/ が確

ロビン濃度 'HR[\+E 及び筋酸素飽和度 6P2 

認される対象と確認されない対象で比較することを，%UHDWKE\EUHDWK 法による呼気ガス分析によっを目的とした本研究では，$3'HR[\+E#9/ が確認さて酸素摂取量 92 二酸化炭素排出量，呼吸交換比れない対象においては，大腿四頭筋の外側広筋以を，胸郭インピーダンス法により心拍出量 &2 お

外の筋における脱酸素化の亢進が減弱すると仮説

よび心拍数 +5 を，それぞれ運動中に連続的に測定を立て検証した

した'HR[\+E 及び 6P2 測定部位における脂肪層を
超音波 % モード法にて測定し，光の散乱が近赤外分
光法により取得したデータに及ぼす影響を光学的に補正した ）最大運動時に自覚的運動強度を，運動直後に動脈血酸素飽和度 6S2 をそれぞれ評価した
測定した酸素摂取量から最高酸素摂取量 3HDN92
を決定した3HDN92 はインピーダンス法にて評価した除脂肪体重にて補正した
２－３．$3GHR[\+E#9/ の決定と評価方法
 'HR[\+E データを  秒毎に平均化した上で ％
SHDN92 時点から疲労困憊時点までのデータに対して最小二乗法による二直線回帰にて変曲点を決定した  高強度運動側の回帰直線の傾きが中等度強度側の回帰直線の傾きよりも小さい場合，$3'HR[\+E#9/ありと定義した結果的に， 名中  名において$3'HR[\+E#9/ が確認されなかった測定時のノイズ等の理由により変曲点を精度よく決定できなかった  名を除外して，$3'HR[\+E#9/ なし群（1$3 群Q ）と$3'HR[\+E#9/ あり群（$3 群Q ）において各測定項

Fig. 1. Representative changes in deoxy-Hb at vastus latelalismuscle during ramp cycling exercise until exhaustion with (A)and without (B) attenuation point. A down-pointing arrow
indicates the attenuation point.

目を比較したまた，$3 群における $3'HR[\+E#9/ がSHDN92 の範囲で確認されたため，中等度強
度 運 動 時   SHDN 92 及 び 高 強 度 運 動 時SHDN92 において各測定項目における傾きを評価した― 2―and biology, 765, 273-278 (2013).

３．結果及び考察 'HR[\+E および 6P2 の平均値に関しては，すべて

2) R. Belardinelli, T. J. Barstow, J. Porszasz, K. Wasserman,の運動強度におけるすべて測定項目において，有意“Changes in skeletal muscle oxygenation during incremental

な群間差を認めなかった

exercise measured with near infrared spectroscopy”,
European journal of applied physiology and occupational

高強度運動時の 9/ における傾きは，1$3 群においphysiology, 70[6], 487-492 (1995).

て 'HR[\+E が有意に高値を示し，6P2 が有意に低値を示した5) における傾きは，高強度運動時に両群3) L. F. Ferreira, S. Koga, T. J. Barstow TJ, “Dynamics of

ともに 'HR[\+E が増大し，
6P2 が減少したしかし，

noninvasively estimated microvascular O2 extraction during

高強度運動時の 'HR[\+E の傾きは，1$3 群にて高値

ramp exercise”, Journal of applied physiology, 103[6],の傾向を示した高強度運動時の 90 における傾きは

1999-2004 (2007).

1$3 群において 'HR[\+E が有意に高値の傾向を認め，

4) S. Takagi, “Skeletal muscle oxygen dynamics and peak

6P2 が有意に低値であった高強度運動時におけるaerobic capacity”, The Journal of Physical Fitness and92 および +5 の傾きには群間に有意な差を認めなかSports Medicine, 5[5], 379–383 (2016).

ったが，&2 の傾きについては 1$3 群において有意に

5) M. Niwayama, H. Suzuki, T. Yamashita, Y. Yasuda, “Error

低値を示した本研究の仮説とは異なり，1$3 群に

factors in oxygenation measurement using continuous wave

おいては高強度運動時において 9/ 以外の骨格筋に

and spatially resolved near-infrared spectroscopy”, Theて脱酸素化の亢進が減弱せず，むしろ $3 群に比較しJournal of Japanese College of Angiology, 52, 211-215て亢進する傾向であったそのため，外側広筋以外(2012).

の他の大腿四頭筋における脱酸素化 2H[WUDFWLRQ

6) E. C. Inglis, D. Iannetta, J. M. Murias JM, “The plateau in theの亢進 によって，$3'HR[\+E#9/ の有無を説明できない

NIRS-derived [HHb] signal near the end of a ramp

可能性が示唆された

incremental test does not indicate the upper limit of O2

中等度強度運動時の傾きにはすべての測定項目にextraction in the vastus lateralis”, American journal of

おいて群間に有意差を認めなかったまた，年齢，

physiology.

身長，体重，体脂肪率，除脂肪体重，筋酸素動態測

physiology, 313[6], R723-R729 (2017).

定部位における脂肪厚・筋厚，除脂肪体重あたりの
SHDN92，最大仕事量には群間に有意差は認めなかったさらに，最大運動時における呼吸交換比，+5，
自覚的運動強度及び運動直後の 6S2 においても群間に有意な差が確認されなかったしたがって，これらの要因によっても本研究で観察された $3'HR[\+E#9/の有無を説明できないものと考えられる

本研究の一部は， 年度同志社大学ハリス理化学研究所助成金によって実施されたここに記して謝意を示す
参考文献
1) S. Takagi, R. Kime, M. Niwayama, N. Murase, T. Katsumura,“Muscle oxygen saturation heterogeneity among leg muscles
during ramp exercise”, Advances in experimental medicine― 3―

Regulatory,

integrative

andcomparative

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Relationship Between Sprint Performance and Post-Activation
Potentiation Induced by Sled Towing
Yuya WATANABE*, Naoki USHIROOKA*(Received September 16, 2020)
It is known that moderate to high intensities conditioning activities can acutely enhance subsequent athletic performance given
adequate recovery. This phenomenon is called post-activation potentiation (PAP). We hypothesized that the application of PAP would
contribute to better sprint performance. PAP occurs mainly in agonist muscles in conditioning activities. Thus, to enhance sprint
performance, mobilization of the agonist muscles of the sprint movement is needed. Sled towing, which puts a load on the sprint
movement, is considered a good choice for causing sprint-specific PAP. We designed a study comparing the effects of heavy sled towing(70% body weight), light sled towing (30% body weight), and squats (70% 1-repetition-maximum) on sprint performance.
.H\ZRUGV：enhancing athletic performance, resisted sprint training, warming-up strategy
キーワード：パフォーマンス向上，レジステッドスプリントトレーニング，ウォーミングアップ

スレッド走を用いた活動後増強とスプリントパフォーマンスの関係
渡邊 裕也, 後岡 直樹

 はじめに

また，中-高強度の運動課題を実施することで，筋筋力や筋パワーなどの体力要素は優れたパフォー

および神経が刺激され，一時的に運動パフォーマン

マンス発揮の基盤となる．そのため，多くのスポーツ

スが向上することが知られている 1)．これを活動後競技において，パフォーマンス向上につながる基礎

増強（Post-activation potentiation：PAP）と呼ぶ．PAP

体力を獲得するために各種トレーニングが行われては一定期間トレーニングを繰り返すことで獲得されいる．なお，各種トレーニングを継続的に実施するこる運動機能の向上とは全く異なる短期的な適応であとで対応する体力要素が増強することは広く知られり，その効果は一時的なものである．PAP の主要なている．標的となる筋に負荷を課すレジスタンスト

メカニズムとして，ミオシン調節軽鎖のリン酸化，高レーニングは筋力増強や筋肥大を引き起こし，一定

次運動単位動員の増加，羽状角の減少が挙げられる．

以上の強度の有酸素トレーニングは全身持久力を向ミオシンは ATP を加水分解し，それによって得られ上させることは自明である．スプリント競技においるエネルギーを用いてアクチンと相互作用することては最大疾走スピードをいかに向上させるかがパフで張力を発揮する．運動課題の実施により，ミオシン

ォーマンスに大きく関係し，それを高めるために筋の調節軽鎖がリン酸化されることでその機能が活性

力や筋パワーの向上は重要と考えられている．

化し，筋の張力が高まると考えられている 2)．高次運_________________________________*Faculty of Health & Sports Science, Doshisha University, Kyoto
Telephone and FAX: +81-774-65-6720, E-mail: yuwatana@mail.doshisha.ac.jp― 4―動単位の増加については，強縮を伴う運動課題が大
きな α 運動ニューロンで発生する活動電位の伝達障害を減少させることにより，TypeⅡ線維の動員率が増．方法 研究の概要

加するとされている 3)．筋の作用軸と筋線維の走行

対象者は，30m スプリント走（Pre），運動課題，30mがなす角を羽状角と呼ぶが，羽状角が小さいほど筋

スプリント走（Post）で構成される一連の実験プロトの収縮効率は高いことが知られている．先行研究でコルを実施する．運動課題は 2 種類の負荷のスレッ

は，等尺性最大筋力発揮の数分後に羽状角の減少がド走（体重の 30%および 70%の負荷）と，スクワッ

認められたという報告がある 4)．これらの現象が複ト（70%1RM）の 3 種類とする（詳細は後述）．Pre と合的に関与することで PAP は発生すると考えられる．

Post のスプリントパフォーマンスの変化を 3 種類のPAP を活用することで，より高い運動パフォーマ

運動課題で比較し，パフォーマンス向上に貢献する

ンスの発揮が可能になるかもしれない．PAP は主に運動課題を探索する．対象者は 2 日以上の間隔をあ

運動課題の主働筋で起こるため，運動パフォーマン

けて 3 種類すべての運動課題を実施する．なお，運ス向上を引き起こすには標的となる動作と同一の主動課題の順序は無作為に割り付ける．

働筋を持つ運動課題が必要となる．一般的には，PAP

本研究は，同志社大学「人を対象とする研究」に関を引き起こす運動課題としてスクワットなどのレジする倫理審査委員会の承認を経て実施される（承認スタンスエクササイズが用いられるケースが多く，

番号：20010）．

中 程 度 の 負 荷 〔 最 大 挙 上 重 量 （ One repetition
maximum：1RM）の 60-84%〕で複数セット実施した 対象者5)

．股関節伸展本研究では，より正確なデータを安全に取得する筋力がスプリントパフォーマンスと有意な相関関係

観点から男子大学生陸上競技選手を対象者とする．

を持つこと 6)を考慮すると，股関節伸展筋群を主働

対象者の募集においては，研究の目的，実施内容，手筋とするスクワットによる PAP はスプリントパフォ

順，リスクとともにいつでも不利益を被ることなくーマンスの向上をもたらすことが可能と考えられる．

参加辞退できることを口頭および文書で説明し，研しかしながら，スクワット動作はスプリント動作と究実施前にすべての対象者から，同意書に自著署名完全に同一ではない．スプリント動作そのものに負を得る．

場合に増強効果が高いとされている荷を与える方法としてスレッド走（Sled towing）が知られている．これはそりを牽引しながら走るレジス 運動課題

テッドスプリントトレーニング（負荷を課したスプ本研究では，PAP を発生させるための運動課題とリントトレーニング）の一種である．PAP によるス

して，スレッド走ならびにスクワットを実施する．

プリントパフォーマンス向上を試みる場合，スレッ

1）スレッド走
スレッド走はそりを牽引しながら走ることでスプド走を運動課題として採用するのがより効果的であリント動作に負荷を与える方法である（Fig. 1）．本研ると予想される．
これまで，スクワットやスレッド走を運動課題と究では体重の 30%および 70%の負荷を用いる．両負した PAP とスプリントパフォーマンスの関係を検討

荷ともに 15m の走行を 3 セット実施する．セット間

した研究

7, 8)

は行われているが，中程度の負荷，複数セットの 2 条件を満たしているものは限られている．

の休息は 90 秒とする．なお，いずれのセットも全力で行う．

そこで本研究では，この 2 条件を満たすスクワット
およびスレッド走を用いた運動課題がスプリントパ

2）スクワット

フォーマンスに与える即時的影響を調査し，種目別の効果を比較することを目的とする．

スクワットはバーベルを用いたバックスクワットとする．対象者はバーベルを首の後方で担ぎ，肩幅程― 5―

度のスタンスで完全にしゃがみ込むポジションまで

よび各区間を通過した直後の接地を 1 歩目とし，次腰を落とし，股関節および膝関節が完全に伸展するの区間を通過した直後の接地までの歩数と所要時間

ポジションまで挙上する．負荷は 1RM の 70%とし，から算出する．平均ストライドは区間距離を区間タ

3 回を 3 セット実施する．安全面に留意しつつ，可能イムで除することによって算出された平均疾走速度

な限りすばやく挙上するよう指示し，下降の速さはを，平均ピッチで除することにより得る．

任意とする．なお，セット間の休息は 90 秒とする．
 実験手順
対象者は，事前測定において身長，体重，スクワッ
トの 1RM を計測する．得られた体重と 1RM の数値
から各運動課題における負荷を決定する．事前測定
後 2 日以上の間隔をあけて，PAP の効果を検証する
実験を行う．
実験ではまず，20 分間のウォーミングアップを行
い，3 分間の休息後に Pre のスプリント走を行う．その後，15 分間の休息を経て運動課題を実施する．運動課題実施後，8 分間の休息をはさみ，Post のスプリ
ント走を測定する．
実験のフローを Fig. 2 に示した．
Fig. 1. Sled towing.
 統計処理
得られたデータの運動課題間の差の検定は，繰り スプリントパフォーマンスの評価 運動課題の前後に 30m スプリント走を実施し（Pre

返しのある二元配置分散分析（Two-way ANOVA）をおよび Post），タイムを計測する．タイムの計測地点用いて行う．すべての検定において P < 0.05 を有意は，10m，15m，30m 地点とする．また，スプリントとする．統計処理は SPSS（IBM SPSS Statics ver.26.0，

走の動画を撮影する．得られたタイムならびに動画

日本 IBM, 日本）を用いて行う．

情報から各区間における平均ピッチと平均ストライ
ドを求める．なお，各区間の平均ピッチはスタートおFig. 2. A flow chart of the current study.
1RM: One-repetition maximum, BM: Body weight.

― 6―2） J. S. Davis, C. L. Satorius, N. D. Epstein, “Kinetic

 予備実験の結果と考察
本実験に先駆けて行った予備実験の結果を紹介すEffects of Myosin Regulatory Light Chain Phosphorylation

る．予備実験では男子大学生陸上競技選手 2 名が体on Skeletal Muscle Contraction”, Biophys J, 83(1), 359-370

重の 70%の負荷で行うスレッド走を運動課題とした(2002).

プロトコルを実施した．2 名のスプリントタイムの平3） N. A. Tillin, D. Bishop, “Factors Modulating PostActivation Potentiation and Its Effect on Performance of

均は Pre が 3.750 秒，Post が 3.696 秒であり，1.43%

Subsequent Explosive Activities”, Sports Med, 39(2), 147-のタイム短縮が観察された（Fig. 3）．

166 (2009).
4） K. Mahlfeld, J. Franke, F. Awiszus, “Postcontraction
Changes of Muscle Architecture in Human Quadriceps
Muscle”, Muscle & Nerve, 29(4), 597-600 (2004).
5） J. M. Wilson, N. M. Duncan, P. J. Marin, L. E. Brown, J. P.
Loenneke, S. M. Wilson, E. Jo, R. P. Lowery, C.
Ugrinowitsch,“Meta-Analysis

of

Postactivation

Potentiation and Power: Effects of Conditioning Activity,
Volume, Gender, Rest Periods, and Training Status”, J
Strength Cond Res, 27(3), 854-859 (2013).
6） 渡邉信晃，榎本靖士，大山卞圭悟，宮下憲，尾懸貢，
勝田茂，“スプリント走時の疾走動作および関節トル
クと等速性最大筋力との関係”，体育学研究，48, 405419 (2003).
7） L. B. Seitz, G. S. Trajano, G. G. Haff, “The Back Squat andFig. 3. Changes in 30m sprint.

the Power Clean: Elicitation of Different Degrees of Sub.: Subject, Ave.: Average.

Potentiation”, Int J Sports Physiol Perform, 9(4), 643-649(2014).
8） M. A. Wong, I. J. Dobbs, C. M. Watkins, S. R. Barillas, A.

 結論

Lin, D. C. Archer, R. G. Lockie, J. W. Coburn, L. E. Brown,

先行研究の情報ならびに予備実験の結果を踏まえ“Sled Towing Acutely Decreases Acceleration Sprint Time”,

ると，体重の 70%負荷で行うスレッド走がスプリン
トパフォーマンス向上につながる可能性が期待される．さらに動画の情報を解析することでパフォーマンス向上に至った背景を考察することが可能となる．
 本研究は，2020 年度同志社大学ハリス理化学研究所助成金によって実施される．

参考文献
1） L. P. Kilduff, H. R. Bevan, M. I. Kingsley, N. J. Owen, M. A.
Bennett, P. J. Bunce, A. M. Hore, J. R. Maw, D. J.
Cunningham, “Postactivation Potentiation in Professional
Rugby Players: Optimal Recovery”, J Strength Cond Res,
21(4), 1134-1138 (2007).

― 7―

J Strength Cond Res, 31(11), 3046-3051 (2017).

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Significance of Science of Emotions

Masao YOGO＊, Mingzhe JIN, Tadashi YAGI, Minoru TADA, Hideki OHIRA, Yasuko NAKAMURA, Tadao ISHIKURA,
Philip TROMOVITCH, Hiroshi RIQUIMAROUX, Manabu KANEKO, Katsuaki TANAKA, and Akiko NIIMI(Received September 18, 2020)

Emotions such as love, anger, fear, sadness, happiness seem to play important role of our lives. Our research team has attempted tounderstand scientifically the role of emotions in our lives. Over the last decade, there has been a revolution in the scientificunderstanding of emotions. For example, according to the Psychological Construction Theory of Emotions (Barrett, 2017), there isno specific neural circuit for each of the various emotions such as anger, sadness, and happiness. According to that view, much of the
traditional scientific understanding of emotions is wrong.

In this paper, we consider the significance of scientifically understanding

emotions. The consideration suggests potential challenges for future scientific research. The truth discovered by common sense
and science in the human world is not always in match.
Key words：emotions, science, common sense,
キーワード：感情，科学，常識
感情を科学する意義
余語真夫＊，金 明哲，八木 匡，多田 実，大平英樹，中村靖子，石倉忠夫，
Philip TROMOVITCH力丸 裕，金子 学，田中克明，新美暁子
ӻӸ 「心」Ө

の普遍的な法則を発見すること，そして物質をより基本的な要素に還元して自然界の諸現象の成り「心理学」「行動科学」「精神病理学」「精神神経

立ちやふるまいを説明することである.

内分泌免疫学」「認知神経科学」「行動経済学」なもちろん物理学では，「なぜ宇宙の膨張は加速しどが模範とする「物理学」の主たる目的は，人間ているのか」といった，我々人間が日常生活ではの恣意的な理解や解釈を排して，自然界の諸現象

認識不可能な諸現象の謎に挑んでいる.

＊Faculty of Psychology, Doshisha University
 Email: myogo@mail.doshisha.ac.jp

― 8―

しかし，

この場合，「宇宙」という実在，
「膨張」
「加速」の

感情があるという想定，思考というものも，何か

実在が客観的に公認されている. 

ある一定の区切りのような機能が自ずと存在する

一方，「心」についてはどうなのか. 「心」なるという想定である.

しかし，よく考えてみれば，ものが実在すると断言できる明瞭な科学的根拠はそのような単位が存在すると仮定する必要はない

ない.

仮に「心」なるものが実在するとするならし，どのように定めようとそうした基本的単位にば，物理学に倣って，各種の客観的尺度（質問紙，

必然性があるとも思われない. 」（p.48）. つまり，面談，自律神経系の応答の計測，中枢神経系の作「心」という概念も，様々な「行動」を記述する

動の計測，行動観察など）の観測を通して，
「心」

概念も，
「認知」や「感情」や「知覚」などの概念を可識化できるのだろうか.

も，普遍的な真実ではなく，恣意的な定義である，

また，上述したように「行動」を理解することにより，背後あるいはということだ.

水面下に潜む「心」なるものを推定し，理解する

さらに言えば，「心」という概念は多義的な日常ことはできるのか.

語なので，科学研究を推進するためには改めて目「心理学」「行動科学」「精神病理学」「精神神経的とする事象について世界共通の定義をする必要

内分泌免疫学」「認知神経科学」「行動経済学」ながあると考えられる.

どと名乗る実証科学のジャンルは，今日では十分

は「心」
「魂」
「情」
「情念」
「マインド」「精神」なに市民権を得ているように思われる. それらの実どの概念のコンプレックス（複合体）であり，科証科学の専門家の多くを含め，人々が共有してい学研究には馴染まない.

現状では「心」という概念

ると思われる大前提の一つは，「心」なるものが実Ӽ．「感情」Ө

在するという見識であろう.
「心」は実在するという前提が社会的に共有さӨ

れているがゆえに，利用可能な実験法と測定法を上述した事柄は，「感情」なるものについても該駆使し，還元論的に探れば「心」の真相を解明で当する近年，とりわけ「行動経済学」という学

きる，と人々は楽観的希望を抱いているように見術ジャンルで注目が沸騰している「感情」にも該受けられる. また，「心」なるものは実在するが，当する

現代の技術レベルではそれに直截アクセスして可事実，日本国内では「感情」と「経済学」を掛識化できないので「行動」を客観的に観察するこけ合わせた単行本（和訳書も含む）が多数出版さとによって「心」なるものを推定するのだというれているたとえば，「行動経済学―経済は『感情』言説もある.

で動いている」（友野，），「経済は感情で動く

しかしながら，果たして，こうした見識は科学－はじめての行動経済学」（モッテルリーニ，），的であると言えるのだろうか. 正当な科学的な見「世界は感情で動く」（モッテルリーニ，），「行

識では，まず，「心」なるものが実在するという前動経済学－感情に揺れる経済心理」（依田，）提を疑うべきであると考えられる.

「お金と感情と意思決定の白熱教室―：楽しい行

哲学者の河野（2011）は述べている. 「これまで動経済学」（アリエリー，），「人は感情でモノの心理学や脳科学は，次のような想定に立っていを買う」（伊勢，），「私たちの“感情”と“欲なかったろうか.

すなわち，心のはたらきには，

望”は，いかに資本主義に偽造されているか？－

基本的な単位のようなもの，言い換えるならば，

新自由主義社会における＜感情の構造＞」（ロルド

心を建築物に例えるならば，その資材となっていン，），「愛と怒りの行動経済学－賢い人は感るような単位があるという想定である. たとえば，

情で決める」（ヴィンター，）など，である

知覚は，要素的な感覚からできているという想定.

例として上掲した本の著者らは学者であるし感情といえば，喜怒哀楽のような基礎的で単純なかしながら，それらの本で語られている「感情」― 9―

は人間に自明に存在する「心」のはたらきである（487－593 年）が心の不安ゆえに教えを求めて菩ことが前提となっており，そのうえ著者によって提達磨の許へやってきたとき，達磨は『汝の心を「感情」という概念の定義が多様である同様の

ここへ出してくれれば，安心させてやろう』と答現象は「地政学」
「政治学」
「文学」
「哲学」
「医学」

えた. これに対して慧可は，『長年心を探して参り「社会学」などの学術ジャンルでも発生している

ましたが，いまだにそれを掴めません』と答えた.

科学者を含む人々が共有していると思われる大達磨は『そこだ！汝の心を安心させた！』といい，前提の一つは，「感情」なるものが実在するという

これで慧可は悟った. （中略）人は常に心について見識である. 「感情」は実在するがゆえに，利用可

語るけれども，その明確な観念は持てず，いわば能な実験法と測定法を駆使し，還元論的に探れば空を掴むようなものだということである. だれし「感情」の真相を解明できる，と人々は希望を抱

も身体のことは知っていようが，心に関してはそいているように見受けられる. 

れが心理学の概念だとする域を出ることはできな

また，「感情」なるものは実在するが，現代の技

い.

心が血液や神経組織や，ある種の中枢分泌の術レベルではそれに直截アクセスして可識化できような生理学上の実体ではないことは，疑いない.

ないので「行動」や「生理学的状態」を客観的に恐らくそれは，様々な細胞や繊維の間の非常に複観察することによって「感情」を推定することが雑な関係の体系，あるいは，すべての器官が一定できるのだという言説もある.

の集合化体系に到達するときに人体が造り出す脳

正当な科学的な見識では「感情」なるものが実在するという前提を疑うべきである. 「感情」といの働きの，ある種の随伴現象と定義できる. 」（鈴木，2013，pp.15-16）.

う概念の科学的定義が定まっていないため，「感鈴木による幾度もの欧米の多数の大学における情」なるものが実在すると断言できる明瞭な科学

精力的な英語講演により，禅宗，座禅に関する国

的根拠は生まれない.

際的理解が進展した.

仮に「感情」なるものが実

その副産物の一つは，近年，在するとするならば，各種の客観的尺度（質問紙，心理学や精神医学などで研究され教育実践が盛ん

面談，自律神経系の応答の計測，中枢神経系の作な行動療法「マインドフルネス」である.

動の計測，行動観察など）の観測を通して，「感情」

こうした禅宗の思想は現代の科学や哲学にも大を可識化できるのだろうか. また，「行動」を理解

いに影響を与えている.

することにより，背後あるいは水面下に潜む「感とえば「心の哲学」（サール，2006）であり，心理

情」なるものを推定し，理解することはできるの学理論は「心理学的構成論」（バレット，2019）でだろうか.

ある. それらの理論では「心」とか「感情」は主観類似する哲学理論は，た的経験あるいは知覚であることは事実だが，それ３．「心」も「感情」も実在しない，という可能性Ө

らの主観的経験を少なくとも現代の科学技術では客観的に可識化することは不可能であること，そ古代インドに発し，中国に渡来した著名なインボーディ ダ ル マ

れらの主観的経験や知覚は身体と環境の交わりのド 人 仏 教 者 の 一 人 と さ れ る の が ， 菩提 達磨

文脈のなかで脳において創発されるものであろう（बोधििर्म） だ.

日本では達磨さんとして古来，こと，それらの主観的経験や知覚は外見的な行動

親しまれている禅宗の開祖である. 禅宗の目的とを観測しても推定できないこと，そしてそれらのするところは「無心」になることである.

そのた

主観的経験や知覚を物理学に倣って基本要素に還めに座禅を含め様々な修行に打ち込むことが禅宗

元することは不可能であることが主張されている.

では要求される.

「感情」に焦点を合わせると，幸福，悲しみ，禅宗を国際的に教え伝える先駆者である鈴木大

怒り，恐れなどの言葉と概念は実在するが，人類

拙は 1962 年の英語講演原稿で述べている. 「慧可に普遍的な基本感情（幸福，悲しみ，怒り，恐れ，― 10 ―

嫌悪，驚き）にそれぞれ固有の顔の表情筋活動パ

な科学的知識を発見し，整理し，啓蒙し，広い意

ターン，音声の音響学的特性，自律神経系の応答

味での誤解や意思疎通の齟齬を解消することであパターンは実在しないし，基本感情を生み出す個る.

別特殊の脳神経構造もネットワークも実在しない.

そのために「感情」なるものの正体を斬新なモ

さらには「感情」「感覚」「知覚」「認知」（注意，

デル設計と，地道で精密な実証研究で明かしてい記憶，意思決定，推論，判断）などの心理学的概く努力が欠かせない. そうした基礎研究の蓄積に念のそれぞれに対応した個別特殊な脳神経構造もより，新しい「人間観」を我々は創造することがネットワークも実在しない. 少なくとも現時点でできるだろう. そうして得られた成果は，学校教育，は，それらの「心」のはたらきは極めて少数の神

家族関係，人材育成，組織・人事マネージメント，

経ネットワークとそれらの共鳴で創発されている

スポーツ，医療・福祉，商業，エンジニアリング，としか言えない（バレット，2019；大平，2019）.

芸術，環境設計，エンターテイメントなど，人間の営みが展開されるあらゆる場面で，何を成すべӾ．感情を科学する意義Ө

きなのかについて新たな見通しを創出させることに貢献するだろう.

科学者を含む人々が思い描いている，または暗たとえば学校教育や家庭で「感情豊かな子ども

黙の常識として認めている「心」や「感情」は，を育てる」というフレーズがしばしば登場するが，まったくもって幻想であり，真相とは解離していそれはいったい何を意味しているだろうか . 幸

る可能性がある.

福・ポジティブな感情に満ちた人生は望ましく，

しかしながら，なぜこの時代に，様々な学術ジャンルで「感情」への眼差しが熱いのか.

おそら

く，その主たる理由は，心理学が 100 年以上かけ

不幸・ネガティブな人生は望ましくないというフレーズも珍しくないが，それはいったい何を意味しているのだろうか.

て明かしてきた実証的証拠の多くが，経済学や法学や政治学などの様々な学術ジャンルで伝統的に人間の世界の常識と科学の発見する真相は必ずしも整合しない.

継承され，理論の前提にしてきた「人間観」が誤㻌

っていることを示唆し始めていることにあろう.

引用・参考文献㻌

別の理由は心理学や哲学や認知神経科学などの理㻌

論研究と実証研究が，従来の常識化された「感情」

1） 河野哲也（2011）. 意識は実在しない：心・知覚・の理解が誤っていることを示唆し始めていること

自由 講談社.
2） バレット・リサ・フェルドマン（著）高橋 洋（訳）にあろう.

（2019）.情動はこうしてつくられる：脳の隠れた働「理性」や「論理」と呼ばれる概念では説明がつかない現象が人間の営みには豊富に認められるが，長年，科学者や学者はそれらの現象に目をつぶるか，目を背けてきた.

きと構成主義的情動理論 紀伊国屋書店.
3） 大平英樹(2019). 内受容感覚の予測的符号化と感情

その不完全な理論を完経験の創発 日本感情心理学会（企画）内山伊知郎

全な理論に仕立て上げるために，「感情」という概（監修）感情心理学ハンドブック 北大路書房, Pp.

念が好んで導入されるようになったように見受け

195－221.

られる. ここで問題は，「感情」と呼ばれる現象や

4） サール・ジョン・H（著）山本貴光・吉川浩満（訳）(2006). MIND：心の哲学 筑摩書房.

言葉の定義が曖昧模糊としていることだ.
本稿の論題である「感情を科学する意義」とは，

5） 鈴木大拙（著）常盤義伸（編）（2013）禅八講：鈴

科学者や学者，評論家，芸術家，政治家，マスメ
ディアなどの念頭にある「感情」について，良質― 11 ―

木大拙 最終講義 角川学芸出版.

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Attempt to Design Novel Active Micro-sized Systems Based on
Non-equilibrium Dynamics
Daigo YAMAMOTO*, Koichiro SADAKANE**, Takahiro KENMOTSU**, Tomokazu IYODA***, and Katsumi TSUCHIYA*(Received September 8, 2020)
Our research group has been trying to design micro-sized machines based of non-equilibrium dynamics. We focused on fivedifferent active systems induced by various sources of propulsion, such as chemical reaction, ultra-sonification, and light. In this paper,
we introduce in particular the study on dynamics of catalytic particles (aggregates) in a solution containing organic fuels. The particles
are found to exhibit various types of regulated motions individually under the condition of low particle concentrations. Further findings
include: higher concentrations lead to several unique collective motions of the particles, depending on species of organic fuels. At theend, results of other subgroups are introduced briefly.
Key words：non-equilibrium dynamics, catalytic particle, autonomous motion, collective motionキーワード：非線形ダイナミクス，触媒粒子，自律運動，集団運動

非線形ダイナミクスによる新規ミクロ運動機関構築の試み山本 大吾，貞包 浩一朗，剣持 貴弘，彌田 智一，土屋 活美
も破綻する．近年，Jarzynski により，線形関係の破はじめに「非平衡ゆらぎ」に潜む非線形特性を活用して，cm ないし mm スケールでの滑らかな仕事の実行を可能とする運動機関の創出および，その非線形ダイ
ナミクスを記述できる理論体系の構築は，極めて重要である．20 世紀初頭，Einstein は Brown 運動に関する論文をまとめ，メゾスコピックな階層に独特の物理法則が存在することを指摘した．この研究は，その後，揺動散逸定理として結実し，線形非平衡の物理学として展開しているものの，その理論体系は，熱力学的な開放系では崩れ，揺動と散逸の線形関係

れが系の成しうる仕事に直接関係することが示される 1)など，非平衡物理学は着実に発展してきてはいる．しかしながら，どのような条件を設定すると，高効率で仕事を取り出すことが可能となるのかといった，基本的な課題に応え得るような理論は未だ存在しない．また吉川らは，化学ポテンシャルにより，等温条件下，マクロスケールでの自律的な運動が生じることを，明らかにしてきている 2)．本研究課題
では，これらの研究成果をさらに発展させて，非線形ダイナミクスの観点に立脚して，熱力学的な開放_________________________________* Department of Chemical Engineering and Materials Science, Doshisha University, Kyoto** Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University, Kyoto*** Harris Science Research Institute, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-6564, FAX:+81-774-65-6564, E-mail:dyamamot@mail.doshisha.ac.jp― 12 ―

(a1) エタノール （並進）(a2) エタノール（公転）これら 5 つの研究は，いずれも，非平衡開放条件

20 sの下，規則的運動が自己生成する実験系となってい

16 s

4s

12 s

0s

6s

8s
4s

16 s

8s

しかしながら，今年はコロナ禍の影響もあり，最(b) メタノール
9s

0s

1s

3s

0s

8s

稿では，本部門研究の研究のうち，筆頭著者である

18 s山本が担当している研究(1)に関する研究成果を重

21 s

24 s

1回転
7s

間で総括的な議論が十分に行えていない．そこで本

15 s

6s

4s

終年度の現在に至っても，代表者および研究分担者

12 s

3s

6s

物理学的な基礎を築くことが期待できる．

20 s
12 s

10 s

(a3) エタノール（自転）らぎからマクロな運動を高効率で起こさせるための，

14 s

18 s

10 μm

る．各々の実験系で得られた結果を基に，非平衡ゆ2s0s

点的に紹介する．なお，研究(2)～(5)の研究成果につ

10 s(c) 1-プロパノール

いては第 3 節にて短く示す．

(d) エチレングリコール

4s
8s

0s

0s

2s

4s

研究  化学反応で働く自律モータ

6s

背景

12 s

1 rotation

16 s

8s

(e) アセトアルデヒド 25 s

10 s

15 s

5s

研究(1)では，自然界ではありふれているこれらの14 s

自発運動をシンプルな人工系で再現し，生物模倣的(f) 2-プロパノール

20 s

10 s

12 s

0s
30 s
27 s

なモデル系を確立することを目的としている．本研

3s
18 s

究ではこれまでに，アルコールなどの有機物を含む

6s

15 s

24 s

9s
12 s

水溶液中で白金触媒粒子の凝集体が凝集体形状に応じて自発運動をおこなうことを見出している 3)．駆0s

動力は溶存酸素を用いた有機物質の酸化反応であり，

図 1 有機燃料を含む水溶液中の白金粒子凝集体の指向的運動の例 3)
条件下，特定のマクロな運動モードが誘起されるような現象の実験系を構築し，そこから得られる結果
を基に，非平衡ゆらぎからの高効率エネルギー変換システムを確立することを目指す．
そのために，代表者である土屋を中心として，他4 名の研究分担者が参画し，以下の 5 つの研究を分担して行っている．

大局的に見れば，水棲の微生物と同様の運動機構であるといえる (図 1)．この研究を発展させ，より濃厚な白金触媒粒子サスペンションを用いて，白金触媒粒子の集団運動を誘起させ，よりマクロな仕事を取り出すことを目的として研究を行っている．
実験方法
白金触媒粒子の種類として，触媒活性や一次粒子径の異なる３種類の粒子（株式会社ニラコおよびシグマアルドリッチジャパン）を用いて実験を行った．
白金に触媒される反応物質として，エタノールとア

研究(1) 化学反応で働く自律モータ（山本担当）
研究(2) 光照射下での物体の自律運動・流体ポンプ（貞包担当）
研究(3) 超音波照射下での液面運動の周期性と液滴群誘発のダイナミクス（土屋担当）
研究(4) 常温での化学⇒運動エネルギー変換システム（彌田担当）研究(5) 運動タンパクの自律的集団運動（剣持担当）

セトアルデヒドを選び，これらの反応物質を含む濃厚な白金触媒粒子（二次粒子径：数 μm）サスペンシ
ョン(300 mg/L)を調製した．これをガラスベースディ
ッシュに注ぎ，底部における白金粒子凝集体の二次元的な挙動を光学顕微鏡で観察した（図 2）．
ここで，本反応系は，溶存酸素を用いた有機燃料の酸化反応であり，これの限定反応物質は溶存酸素― 13 ―

カバーガラス（ありorなし）

ガラスベースディッシュ

一に分散していた白金粒子凝集体が次第にクラスターを形成した．ここで閉鎖系では，クラスター形成
後，解散して集団運動が終了するのに対し，開放系
ではクラスターが並進しながら分裂と合一を繰り返

2 mm

し行う様子が観察された．十分に時間が経過すると，粒子は再び均一に分散した状態になった．同様にア

12 mm
有機燃料を含むPt粒子サスペンション

セトアルデヒドを用いた実験結果を図 3(b)に示す．

図 2 実験概要

白金粒子凝集体がクラスターを形成していくが，並である．そのため，カバーガラスによって，観察箇所である底部に蓋をする（閉鎖系）か否か（開放系）
によって大気中からの酸素の供給の制御が可能である．以上のように本系における操作条件あるいは操作因子は，粒子特性と濃度，反応物質の種類と濃度，
開放系/閉鎖系などが挙げられ，非常に多い．
本研究では，諸因子が集団運動に与える影響に関して包括的に纏め上げ，実験条件と集団運動パターンの相関をとることを第一段階の目的としており，今回は，粒子特性が異なると考えられる上述の３種類の粒子を用いて，反応物質の種類によって集団運動に与える影響を調べた．

進する様子は見られず，その場で放射状に解散し，その後，解散した粒子が再び同じ位置にクラスターを形成する様子が見られた．その際，全てのクラス
ターが同じタイミングで形成・解散を繰り返すといった同期現象が観察された．このような挙動は，自然界における蛍の集団の同時点滅に類似しており，同期現象のモデル系としても有用であると考えられる．また，エタノールのときと比較して集団運動の持続時間が短いことも確認できた．これはアセトア
ルデヒドがエタノールよりも酸化されやすく，また揮発しやすいことが原因であると考えられる．
 同様の実験を，粒子サイズや触媒活性が異なる３
種類の Pt 粒子を用いて行い，粒子特性が集団運動に与える影響を詳細に調べたが，持続時間やクラスタ

研究成果
 図 3(a)にエタノールを含む水溶液中における白金
粒子凝集体の集団運動の典型例を示す．はじめは均
(a)

0 min

ーサイズなどに若干の違いが生じたものの，大局的には類似した集団運動（クラスターの分裂・合一 or
クラスターの集合・解散）を示し，むしろ，反応物
68 min64 min10 min分裂

200 μm69 min

106 min

105 min

420 min合一(b)

200 μm

0s

675 s

集合

680 s

690 s

解散

880 s

1200 s集合

図 3 有機燃料を含む水溶液中の白金粒子凝集体の集団運動 (a) エタノール, (b) アセトアルデヒド※図 1 とは測定スケールが大きく異なり、凝集体の集団を観察していることに注意。

― 14 ―

研究(2)
グラファイト粒子を拡散させたエタノール水溶液にレーザー（波長: 532nm、強度: 170mW）を照射する
ことで，空間揺らぎのあるグラファイトの並進粗密波を作り出せることを発見した．この現象は，熱マ
ランゴニ効果等を考慮に入れた「移流拡散方程式」に基づくシミュレーションで再現することもできた．
研究(3)超音波照射下で溶液自由表面に誘発される液柱運動の周期性とミスト発生のダイナミクスについて研究した．通常の複雑／非線形挙動に対して特異的（で図 4 バクテリアラチェットモーター
バクテリアの集団が存在することでラチェットが一方向に回転する．
4)

はあるが本質的）な様相を呈す数珠状液柱の基本構
造を定量化し，数珠個々の形状振動モードの共振周波数を理論予測し，さらに，入力閾値を超えて誘発質である有機燃料の種類を主因子として運動モード

されるミスト発生のタイミング／確率を評価した．

が変化することがわかった．これらの結果は，単成分の白金触媒粒子を用いれば，粒子特性によらず，上述の集団運動モードが再現性良く普遍的に見られる現象であることを示唆している．

研究(4)
本研究では，化学エネルギーから運動エネルギーへの効率的な変換を可能にすべく，特殊な形状を持つ

今後の展望

触媒材料の作製を行っている．今回，マイクロコイ

 今年は未曽有の事態もあり，当初の研究計画より大幅に遅れが生じている．研究(1)に関して，着手予定であった計画を今後の展望として最後に述べ，本ルに白金メッキを施したが，反応溶液中でのコイルの運動性は低かった．今後，コイル表面の白金の被覆量や触媒活性などを調べる必要がある．

成果発表を締めくくりたいと思う．
近年では，バクテリアの集団運動によって自らの100 倍以上の大きさの歯車を回転させるといった，
微生物の集団運動を利用して仕事を取り出す研究が報告されている(図 4)4)．このようなエネルギー変換
技術は極めて興味深いが，微生物の場合には増殖・死滅などによる集団環境の影響を考慮する必要があり，持続的な仕事の取り出しあるいは仕事量の制御は極めて難しい．今後は，上述の成果を基にこれと研究(5)ポリエチレングリコール（PEG）とデキストラン（DEX）混合系で，数十 μm 程度の細胞サイズの高分子液滴が自発的に生成されることを見出した（水/水相分離）．また，生成される DEX 滴内にキネシン，
微小管を局在させ，ATP を導入することで，DEX 液
滴内で，自発的にキネンシンと微小管の対流運動が生じることを明らかにした．

同様のエネルギー変換技術の創成を試み，マクロな仕事の取り出しに挑戦する予定である．

謝辞
本研究は，同志社大学ハリス理化学研究所（第１部

研究  ～  の研究成果について
本節では，今回紹介できなかった他の 4 つの研究の成果について端的に述べる．

門研究）の補助により行われた．ここに記して謝意を表する．また，それぞれの研究において，次の学生（修了生を含む）に協力して頂いた．

― 15 ―

研究(1)
久保内雅生，寺田遼翔，松田直樹（同志社大学大学
院理工学研究科）
研究(2)鷹取慧，上野洋，長谷川よし乃，庄野真由（同志社大学大学院生命医科学研究科）
研究(3)王小璐，里見奎祐（同志社大学大学院理工学研究科）
研究(4)
森田大貴（同志社大学大学院理工学研究科）
研究(5)
作田浩輝，藤田ふみか（同志社大学大学院生命医科
学研究科）
参考文献
1)

C. Jarzynski, “Nonequilibrium Equality for Free Energy
Differences”, Physical Review Letters, 78, 2690 (1997).

2)

Y. Sumino, N. Magome, T. Hamada, K. Yoshikawa, “SelfRunning Droplet: Emergence of Regular Motion from
Nonequilibrium Noise”, Physical Review Letters, 94,
32767 (2005).

3)

D. Yamamoto, T. Takada, M. Tachibana, Y. Iijima, A. Shioi,
and K. Yoshikawa, “Micromotors Working in Water
through Artificial Aerobic Metabolism”, Nanoscale, 7,
13186-13190 (2015).

4)

R. Di Leonardo, L. Angelani, D. Dell’Arciprete, G. Ruocco,
V. Iebba, S. Schippa, M. P. Conte, F. Mecarini, F. D. Angelis,
and

E.

D.

Fabrizio,“Bacterial

RatchetMotors”,

Proceedings of the National Academy of Sciences, 107[21],9541-9545 (2010).

― 16 ―

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Blind Analog Self Interference Canceller for In-Band Full-Duplex
Shinsuke IBI* and Hisato IWAI*(Received September 18, 2020)
This paper presents a novel diﬀerential active self-interference canceller (DASIC) algorithm for asynchronous inband full-duplex (IBFD) Gaussian shift keying (GFSK), which is designed for wireless Internet of Things (IoT). In IBFD
communications, where two terminals simultaneously transmit and receive signals in the same frequency band, there isan extremely strong self-interference (SI). The SI can be mitigated by an active SI canceller (ASIC), which subtracts aninterference replica based on channel state information (CSI) from the received signal. The challenging problem is therealization of asynchronous IBFD for wireless IoT. Due to the asynchronous mode, it is subject to pilot contaminationinduced by non-orthogonal pilot sequences. Due to the contamination, the SI cannot be canceled entirely at the receiver,resulting in residual interference. To address the above issue, the DASIC incorporates the principle of the diﬀerential
codec. Because of the diﬀerential structure, the DASIC can suppress SI without the CSI estimation of SI.

Key words ɿ In-band full-duplex, analog self-interference canceller, diﬀerential encoderɼblind signal processingΩʔϫʔυ ɿ ଳҬ಺શೋॏ௨৴ɼΞφϩάࣗ‫ׯݾ‬বΩϟϯηϥɼࠩಈූ߸ԽɼϒϥΠϯυ৴߸ॲཧશೋॏ௨৴ͷͨΊͷϒϥΠϯυ‫ܕ‬Ξφϩάࣗ‫ׯݾ‬বΩϟϯηϥҥ൹ ৴հ, ‫ؠ‬Ҫ ੣ਓ

1

͸͡Ίʹ

‫͏͍ͱ͙ܨ‬໨ඪʢeMBB: enhanced Mobile Broadbandʣͱ͸ผʹɼେྔͷϞϊͱϞϊΛ‫͙ܨ‬ʢmMTC: massive಺ֳ෎ͷୈ 5 ‫ظ‬Պֶٕज़‫ج‬ຊ‫ܭ‬ըʹ͓͍ͯɼແઢ IoT

Machine Type Communicationʣɼ·ͨߴ৴པͰߴଈ

ʢInternet of Thingsʣ୺຤ʹΑΓɼॴ๬ͷେ‫ن‬໛σʔλԠͷ௨৴ʢURLLC: Ultra-Reliable and Low LatencyΛ͋ΒΏΔՕॴ͔Βू໿͢Δ͜ͱͰ༷ʑͳ஌ࣝ΍৘ใΛCommunicationsʣͷ࣮‫ݱ‬΋৽ͨͳ໨ඪʹ‫͛ܝ‬ɼαΠόʔ‫ڞ‬༗͠ɼϏοάσʔλղੳΛ௨ͯ͠ࠓ·Ͱʹͳ͍৽ͨͳ

ۭؒͱϑΟδΧϧۭؒΛ‫ి͙ܨ‬೾ۭؒͱͯ͠ͷ৘ใ‫ج‬൫Ձ஋ΛੜΈग़͢ Society 5.0 ͷ࣮‫͕ݱ‬٤‫ۓ‬ͷ՝୊ͱͯ͠

ͷࠜ‫װ‬Λ୲͏͜ͱ͕‫ظ‬଴͞Ε͍ͯΔ 1) ɽҐஔ෇͚ΒΕ͍ͯΔɽ͜ͷ࣮‫ʹݱ‬͸ɼʮαΠόʔۭؒʢԾ
૝ۭؒʣʯͱʮϑΟδΧϧۭؒʢ‫ۭ࣮ؒݱ‬ʣʯΛߴ౓ʹ઀ଓ͢Δ͜ͱ͕‫ٻ‬ΊΒΕΔɽ͜ͷ઀ଓʹ͸ɼʮແઢۭؒʯ
ͷߴ౓Խ͕‫ٸ‬຿Ͱ͋Γɼ୺຤͔Βू໿‫ࢸʹہ‬Δ্Γճઢͷແઢ IoT ௨৴͕ॏཁͳ໾ׂΛ୲͏ɽ͜ͷΑ͏ͳ‫ج‬ຊ‫ܭ‬ըͱϢʔβͷજࡏతཉ‫ٻ‬Λഎ‫ʹܠ‬ɼ5Gʢୈ 5 ੈ୅Ҡಈ௨৴γεςϜʣͰ͸ɼ͜Ε·ͰͷਓͱਓͱΛߴ଎ճઢͰ

‫ݪ‬ଇͱͯ͠ɼ5G Ͱ͸ૹड৴‫ؒػ‬ͷ࣌ؒɾप೾਺ಉ‫͕ظ‬֬อ͞Ε্ͨͰɼΦϖϨʔλͷ؅ཧͷԼɼ҆৺҆શʹ௨৴ճઢΛཱ֬͢Δɽۙ೥ɼଟ਺ͷແઢ୺຤Λऩ༰͢ΔͨΊʹେ‫ن‬໛ϚϧνϢʔβ MIMO ͷ৴߸‫ݕ‬ग़ख๏͕ਫ਼ྗ
తʹ‫ݕ‬౼͞Ε͓ͯΓɼઢ‫ܗ‬৴߸ॲཧ͚ͩͰ͸ͳ͘ɼ‫܁‬Γฦ͠౷‫ܭ‬৴߸ॲཧͷඇઢ‫ܗ‬ԋࢉΛར༻͢Δ͜ͱͰɼͦͷ* Department of Electronics, Faculty of Science and Engineering, Doshisha University, Kyoto
Telephone : +81–774–65-6355, E-mail : sibi@mail.doshisha.ac.jp― 17 ―

Fig. 2. Block diagram of IBFD GFSK transceiver.
Fig. 1. IBFD channel.
ࣗ਎ͷ৴߸Λϊʔυ B ΁ૹ৴ͭͭ͠ɼಉ࣌ʹϊʔυ B৴߸‫ݕ‬ग़ੑೳ͕େ෯ʹߴ·Δ͜ͱ͕ใࠂ͞Ε͍ͯΔ

2)

ɽ͕ૹ৴͢Δ৴߸Λड৴͢Δɽ͜ͷͱ͖ɼFig. 1 ʹࣔ͢Α͔͠͠ɼແઢ‫ͳͱֹߴ͕ػ‬Δ͚ͩͰ͸ͳ͘ɼIoT ୺຤ͷ͏ʹϊʔυ A ͷड৴৴߸ rA (t) ʹ͸ɼϊʔυ B ͔Βಧૹड৴λΠϛϯάΛ໖ີʹ੍‫͚ͳ͠ޚ‬Ε͹ͳΒͳ͍ͨΊɼ͘৴߸ sB (t)ʢ‫ܦ‬࿏ hAB ʣʹՃ͑ɼϊʔυ A ࣗ਎ͷ৴߸ӡ༻ʹίετ͕͔͔Δͱ͍͏ଆ໘͕Ϗδωεల։ஈ֊ʹsA (t)ʢ‫ܦ‬࿏ hAA ʣ͕ࣗ‫ݾ‬ճΓࠐΈ‫ׯ‬বͱͯ͠‫·ؚ‬ΕΔɽ

͓͍ͯোนʹͳΓಘΔࣄ࣮ʹཹҙ͢΂͖Ͱ͋Δɽখ༰ྔϊʔυ A ͷड৴‫Ͱػ‬͸ࣗ਎ͷ৴߸͕‫ط‬஌Ͱ͋ΔͨΊɼͦσʔλͷतडʹίετͷߴ͍ 5G Λར༻͢ΔΑΓɼΑΓͷ‫ط‬஌৴߸Λ‫ׯݾࣗͯ͠༻׆‬ব (SI: Self-Interference)҆Ձͳ IoT ແઢ‫͔ͭػ‬௿͍ӡ༻ίετͰ Society 5.0 ΛϨϓϦΧΛੜ੒͠ɼͦΕΛड৴৴߸͔Β‫͢ࢉݮ‬Δ͜ͱ࣮‫͢ݱ‬ΔࢼΈ΋ॏཁͰ͋Δɽ͜ͷࢼΈͷ࣮‫ʹݱ‬͸ɼ͜ΕͰ‫ׯ‬বΩϟϯηϧΛߦ͏͜ͱ͕Ͱ͖Δɽຊདྷɼ͜ͷ‫ׯ‬ব·Ͱͷʮ࣌ؒɾप೾਺ಉ‫ظ‬ʯΛલఏͱ͢Δ௨৴γεςϜΩϟϯηϧʹ͸ɼhAA ͷճΓࠐΈ‫ׯ‬বͷ௨৴࿏ঢ়ଶΛઃ‫ࢦܭ‬਑͔Βͷ୤٫͕؊ͱͳΔɽਖ਼֬ʹਪఆ͠ͳ͚Ε͹ͳΒͳ͍ͨΊɼϊʔυ A ͱ B ͕ಉ‫ظ‬Λ֬อ͢ΔͨΊɼҰൠతʹ͸ϓϦΞϯϒϧɾτ‫ʹ͍ޓ‬௚ަͨ͠τϨʔχϯά‫ྻܥ‬ΛಉҰλΠϛϯάͰϨʔχϯά৴߸Λ༻͍Δɽ͔͠͠ɼখ༰ྔσʔλύέο

ૹ৴͢Δඞཁ͕͋ΔɽຊߘͰ͸ɼඇಉ‫ظ‬ঢ়ଶͷճઢ઀ଓτʹൺ΂ͯɼൺֱత௕͍Φʔόϔου৴߸ͷ෇༩͸ඇͷཱ֬Λ໨తͱͯ͠ɼ͜ͷΑ͏ͳτϨʔχϯά‫܎ʹྻܥ‬ޮ཰Ͱ͋Γɼຊདྷɼඇಉ‫ظ‬ঢ়ଶͰͷར༻͕๬·͍͠ɽ͞

Δ੍໿Λඞཁͱ͠ͳ͍ɼࠩಈූ߸Խͷ‫ݪ‬ཧΛऔΓೖΕͨΒʹɼIoT ୺຤͕৴߸ͷૹ৴λΠϛϯάΛूத؅ཧ‫Ͱہ‬ϒϥΠϯυ‫ܕ‬ͷΞφϩάࣗ‫ׯݾ‬বΩϟϯηϥʢDASIC:

؅ཧ͢Δ͜ͱͳ͘ɼ޷͖ͳλΠϛϯάͰࣗ༝ʹ৴߸Λૹ

Diﬀerential Analog Self Interference Cancellerʣ5) ͷ‫ݪ‬

৴ɼͭ·ΓϥϯμϜΞΫηεΛ͢Δ͜ͱͰɼΞΫηε੍ཧΛղઆ͢Δɽ‫ޚ‬ͷͨΊͷΦʔόϔου৴߸΋ෆཁͱͳΔɽ͜ͷΑ͏ͳ

Fig. 2 ʹ IoT ແઢ௨৴ʹదͨ͠ GFSK (Gaussian ﬁl-ඇಉ‫ܕظ‬ͷϥϯμϜΞΫηεͷ࣮‫ʹݱ‬ΑΓɼి೾ۭؒͷ

tered Frequency Shift Keying) Λ༻͍ͨ IBFD ͷૹड༗ޮར༻ΛਤΔ͜ͱ͕Ͱ͖ɼ͍ۙকདྷʹ޲͔͑ΔͰ͋Ζ

৴‫ߏػ‬੒Λࣔ͢ɽ֤ϊʔυ͕ૹ৴͢Δ RF (Radio Fre-

͏ Society5.0 ࣾձͷԼࢧ͕͑ՄೳͱͳΔɽ

quency) ৴߸ si (t) ∈ R, (i ∈ {A, B}) ͸࣍ࣜͰ༩͑Βຊߘʹ͓͚Δ਺ֶతද‫ه‬͸ҎԼͷ௨ΓͰ͋Δɽ࿈ଓ࣌ΕΔɽؒ͸ (t)ɼ཭ࢄ࣌ؒ͸ [k] Ͱද‫͢ݱ‬Δɽ࣮਺ମΛ Rɼෳૉ਺ମΛ C Ͱද‫͠ݱ‬ɼෳૉ਺ͷ࣮෦Λ ℜ{·} Ͱද͢ɽj ͸√‫਺ڏ‬୯Ґ −1 Ͱ͋Δɽsi (t)=√

ξi (t)=

exp [j(ωi t + θi (t))]

2αℜ {xi (t)ξi (t)} ɹ

(1)
(2)

ͨͩ͠ɼα ͸ϊʔυ i ͷૹ৴৴߸ͷৼ෯ɼωi = ωc + ωio2͸Φϑηοτ ωio Λ༗͢Δ ωc Λத৺ͱͨ֯͠प೾਺ΛදଳҬ಺શೋॏ௨৴

͢ɽ͞Βʹ, θi (t) = θi′ (t) + θio ͸Φϑηοτ θio Λ༗͢Δ

ඇಉ‫ܕظ‬ͷϥϯμϜΞΫηεͷ࣮‫ʹݱ‬͸ɼඇಉ‫ܕظ‬ͷ

θi′ (t) Λத৺ͱͨ͠Ґ૬ࡶԻͰ͋Δɽࣜ (1) ʹ‫·ؚ‬ΕΔෳ

ଳҬ಺શೋॏ ʢIBFD: In-Band Full Duplexʣ͕༗ޮͰ

ૉϕʔεόϯυ (CBB: Complex-valued BaseBand) ৴͋ΔɽIBFD ͸ɼϊʔυʢ୺຤ʣ͕ಉҰ࣌ࠁʹಉҰप೾߸ xi (t) ∈ C ͸࣍ࣜͰද͞ΕΔ.

਺ଳͷ௨৴࿏Λ༻͍ͯ৴߸ͷૹड৴Λߦ͏ٕज़Ͱ͋Γɼxi (t) = exp [jϕi (t)]ۙ೥ɼཧ࿦తɾ࣮༻తͷ྆ଆ໘͔Β‫ݕ‬౼͕ਫ਼ྗతʹͳ͞Ε͍ͯΔ 3, 4) ɽ

(3)ͨͩ͠ɼϕi (t) ͸৘ใ఻ୡͷͨΊͷҐ૬ม਺Ͱ͋Δɽ͍ϊʔυ A ͱ B ͕ IBFD ௨৴Λߦ͏৔߹ɼϊʔυ A ͸·ɼ1 γϯϘϧͷΤωϧΪʔΛ Es ɼ࣌ؒ௕Λ Ts Ͱද‫ه‬― 18 ―

͢Δͱɼৼ෯͸ α =

Es /Ts Ͱ༩͑ΒΕΔ. ͳ͓ɼαࣜͰ༩͑ΒΕΔɽ͸ՄมήΠϯ૿෯‫ث‬ʢVGA: Variable Gain Ampliﬁerʣ

yA (t)

ͱిྗ૿෯‫ث‬ʢPA: Power AmpliﬁerʣʹΑΓɼཧ૝తʹ੍‫͞ޚ‬Ε͍ͯΔ΋ͷͱ͢Δ.

=

√

=

hAA κAA (t)αxA (t + τA )+hAB κAB (t)αxB (t + τB ) + zA (t) (9)֤ϊʔυʹ͓͚Δ GFSK ͷมௐ‫ن‬ଇ͕ಉҰͰ͋Δ΋ͷͱ͢Δͱɼ࣌ؒ۠ؒ kTs ≤ t(= t′ + kTs ) < (k + 1)Tsͷ৘ใ఻ୡม਺ ϕi (t) ͸࣍ࣜͰද͞ΕΔϕi (t) = 2πηkl=k−L+16)ɽ

ai [l]q(t′ + (k − l)Ts ) + πη∗
2 {rA (t)ξA(t)}LPF√ͨͩ͠ɼzA (t) =∗2 {nA (t)ξA(t)}LPF Ͱ͋Γɼฏ‫ ۉ‬0ɼ

෼ࢄ β 2 ≜ N0 /Ts ͷෳૉΨ΢εϥϯμϜաఔʹै͏΋k−L


ai [l′ ]

l′ =0

(4)

ͷͱ͢Δɽ͜͜ͰɼN0 ͸ 1 γϯϘϧִؒͷࡶԻΤωϧΪʔͰ͋Δ. κAi (t), (i ∈ {A, B}), ͸‫ൃہ‬ൖૹ೾ (LO:

Local Oscillator) ͷෆ‫׬‬શੑʹ‫ى‬Ҽ͢Δม਺Ͱ͋Γɼ࣍ͨͩ͠ɼai [k] ∈ {−1, 1} ͸৘ใϏοτΛ૒‫ۃ‬ੑͰද‫͠ݱ‬ࣜͰ༩͑ΒΕΔɽଳҬ෯ BG ͱ Ts ͷଳҬ࣌ؒੵ BG Ts ʹґଘ͢ΔϝϞϦκAi (t)=∗ξi (t + τi )ξA(t) = κ′Ai (t)κoAi(10)αΠζͰ͋ΔɽຊߘͰ͸ɼ(η = 0.5, BG Ts = ∞) ͷ MSK

κ′Ai (t)=′exp [j(θi′ (t + τi ) − θA
(t))]

(11)

κoAA

=

1

(12)

κoAB

=

o
o
o
o
)] (13)− ωA)] exp [j(θB− θA
exp [j(ωBͨ΋ͷͰ͋Γɼη ͸มௐࢦ਺ɼL ͸Ψ΢εϑΟϧλͷ 3 dB

(Minimum Shift Keying) ͱ (η = 0.5, BG Ts = 0.5) ͷ
GMSK (Gaussian MSK) ͷมௐํࣜΛྫʹ‫͑ߟͯ͛ڍ‬Δ. ؔ਺ q(t) ͸Ґ૬ύϧεͰ͋Γɼ
0 t≤0q(t) =
1/2 t > LTsͷ੍໿ͷԼɼ࣍ࣜͰ༩͑ΒΕΔɽ tq(t) =g(τ )dτIBFD Ͱ ͸ ɼ৴ ߸ ର ‫ ׯ‬ব ి ྗ ൺ (SIR: Signal-to(5)

(6)

−∞

͜͜Ͱɼؔ਺ g(τ ) ͸࣍ࣜͷप೾਺ύϧεͰ༩͑ΒΕΔɽ
 



τ − T2sτ + T2s1
Q 2πBG √g(τ ) =
− Q 2πBG √
2Ts
ln 2
ln 2
(7)
ͨͩ͠ɼQ(·) ͸ Q ؔ਺Λҙຯ͢Δɽ

Interference power Ratio) ͸࣍ࣜͰ༩͑ΒΕΔɽ

2 


E h̃AB αx̃B [k]|hAB |2
ζ = 
(14)
2  = |h |2AAE h̃AA αx̃A [k]্ࣜ͸ɼϊʔυ A ͱ B ͷ‫͕཭ڑ‬௕͍΄Ͳɼ|hAA |2 ͕|hAB |2 ʹൺ΂ͯେ͖͘ͳΓɼਂࠁͳࣗ‫ׯݾ‬বΛ༠ൃ͢Δ
͜ͱΛ͍ࣔࠦͯ͠Δɽ‫ݪ‬ཧతʹ௿͍ SIR Ͱ͸ɼhAB xB (t)ͷ৴߸੒෼͸ɼADC (Analog-to-Digital Converter) ͷ෼ղೳ͕ѱ͍ͱɼADC ग़ྗ͔Βফࣦ͢Δɽ͕ͨͬͯ͠ɼ

ຊߘͰ͸ɼϊʔυ A ʹ͓͍ͯϊʔυ B ͷϝοηʔδࣜ (8) ͷӈลୈ 1 ߲ͷࣗ‫ׯݾ‬ব੒෼͸ɼADC ͷલஈɼ͢Λ‫ݕ‬ग़͢Δ৔߹Λߟ͑Δɽ͜ͷͱ͖ɼଳҬ௨աϑΟϧλͳΘͪΞφϩάྖҬͰΩϟϯηϧ͢΂͖Ͱ͋Δɽड৴‫ػ‬ʢBPF: Band-Pass Filterʣ௨ա‫ޙ‬ͷड৴ RF ৴߸ rA (t)ଆͰɼh′AA ≜ hAA αξA (t + τA ) ͷ SI ϨϓϦΧ͕ਖ਼֬ʹੜ͸࣍ࣜͰ༩͑ΒΕΔɽ

੒ՄೳͰ͋ΔͱԾఆ͢Δͱɼయ‫ܕ‬తʹͳ ASIC (Active

SI Canceller) ͕ɼ࣍ࣜΛ༻͍ͯཧ૝తʹ‫ׯ‬ব੒෼ΛΩϟrA (t) = ℜ {hAA αxA (t + τA )ξA (t + τA )}ϯηϧ͢Δ͜ͱ͕Ͱ͖Δɽ

+ℜ {hAB αxB (t + τB )ξB (t + τB )} + nA (t) (8)rA (t) − ℜ {h′AA xA (t + τA )}ͨͩ͠ɼhAA , hAB ∈ C ͸֤ʑA–A ؒͱ A–B ؒͷ௨৴

(15)࿏܎਺Ͱ͋Γɼৼ෯܎਺ αɼ‫ݮ཭ڑ‬ਰɼγϟυʔΠϯάɼຊߘͰ͸ɼ࣮ࡍʹ͸ SI ϨϓϦΧ͕‫׬‬શʹੜ੒Ͱ͖ͳ

ϑΣʔδϯάͷӨ‫ڹ‬Λ͢΂ͯ‫ؚ‬Ή΋ͷͱ͢Δɽ·ͨɼτi͍͜ͱʹண໨͠ɼ࣍અͰड़΂Δ DASIC ճ࿏Λ༻͍ͯɼ͸఻ൖ஗Ԇ࣌ؒɼnA (t) ∈ R ͸ࡶԻ߲Ͱ͋Δɽड৴ RF ৴߸ rA (t) ͔Βࣗ‫ݾ‬ճΓࠐΈ‫ׯ‬ব੒෼Λ཈ѹ

CBB ৴߸ yA (t) ͸௿ࡶԻ૿෯‫ث‬ʢLNA: Low-Noiseͯ͠ CBB ৴߸ ỹA (t) Λநग़͠ɼ࠷ऴతʹ࠷େࣄ‫཰֬ޙ‬

Ampliﬁerʣ, VGA, IQ ϛΩαɼཧ૝௿Ҭ௨աϑΟϧλ(MAP: Maximum A-posteriori Probability) ൑ఆ‫Ͱث‬ɼʢLPF: Low-Pass FilterʣॲཧΛࢪͨ͠‫ʹޙ‬ಘΒΕɼ࣍ϊʔυ B ͷ৘ใϏοτ‫ ྻܥ‬âB [k] Λ൑ఆ͢Δɽ

― 19 ―

Fig. 3. Block diagram of the DASIC process.
3ࠩಈΞΫςΟϒࣗ‫ׯݾ‬বΩϟϯηϥ

(a) MSK: BG Ts = ∞.

Fig. 3 ʹఏҊ͢Δ DASIC ͷߏ੒Λࣔ͢ɽϊʔυ A ʹ
͓͚Δ DASIC Ͱ͸ɼಉҰϊʔυ಺ͷૹ৴‫ػ‬ଆ͔Β CBB
৴߸ xA (t) Λड͚औΓɼ࣍ࣜͷҐ૬γϑτྔΛࣔ͢৴߸Λੜ੒͢ΔɽψA (t) =xA (t)xA (t − Ts )(16)਺ֶతද‫ه‬؆ུԽͷͨΊʹ t− = t−Ts Λఆٛ͠ɼҐ૬γϑτ‫ ͍͓ͯʹث‬1 γϯϘϧ஗Ԇͷ CBB ৴߸ yA (t − Ts )ʹରͯࣜ͠ (16) ͷҐ૬γϑτΛ༩͑Δͱɼ(b) GMSK: BG Ts = 0.5.

yA (t− )ψA (t)=hAA αxA (t) + εA (t)Fig. 4. Eye diagrams of the DASIC output ỹA (t).

+hAB κAB (t)αxB (t− + τB )ψA (t)+zA (t− )ψA (t)μΠΞάϥϜΛ Fig. 4 ʹࣔ͢ɽͨͩ͠ɼ͜͜Ͱ͸ τA =

ΛಘΔɽͨͩ͠ɼεA (t) = hAA α [κAA (t)xA (t + τA ) − xA (t)]τB = 0 ͷཧ૝తͳঢ়‫͍ͯ͠ͱگ‬Δɽ·ͨɼࡶԻ߲ zA (t)(18)ࣜ (10)–ࣜ (12) ͸ɼSI ͷ఻ൖ஗Ԇ τA ͕ 0 Ͱ͋Ε͹ɼεA (t)΋ 0 Ͱ͋Δ͜ͱΛ͍ࣔࠦͯ͠Δɽͭ·Γɼ఻ൖ஗Ԇ τA͸ࡶԻ߲ εA (t) Λ༠ൃ͢Δɽ࠷ऴతʹɼΞφϩά‫ׯ‬বΩϟϯηϥग़ྗ͸࣍ࣜͰ༩͑ΒΕΔɽ

ỹA (t)͸ 0ɼh̃AB α = 1 ͱ͍ͯ͠Δ. ਤΑΓɽ࣮෦ͱ‫ڏ‬෦ͷΞΠΞύʔνϟ͸ɼ֤ʑ2(k + 1)Ts ͱ 2kTs ຖʹ࠷େԽ͞Εͯ
͍Δ͜ͱ͕෼͔ΔɽGMSK ͷ৔߹͸ɼΨ΢εϑΟϧλͷ
ଘࡏʹΑΓූ߸ؒ‫ׯ‬ব (ISI: Inter-Symbol Interference)͕ੜͯ͡ɼΞύʔνϟ͕ॖখ͢Δ. ADC ʹͯΞΠΞύʔνϟ͕࠷େͱͳΔཧ૝తͳλΠϛϯά t = kTs + ∆t Ͱαϯϓϧ͠ɼ࣍ࣜͷ཭ࢄ CBB ৴߸ ỹA [k] ΛಘΔɽ=yA (t) − yA (t− )ψA (t)=h̃AB αx̃B (t + τB ) + ε̃A (t) + z̃A (t) (19)ỹA [k]=h̃AB αx̃B [k] + ε̃A [k] + z̃A [k](24)ͨͩ͠ɼx̃B [k] ͸ॏ৞ CBB ৴߸ɼz̃A [k] ͸౳ՁࡶԻͰ

ͨͩ͠ɼ͋Γɼ֤ʑ࣍ࣜͰ༩͑ΒΕΔɽ

h̃AB

=

hAB κoABx̃B (t + τB )=xB (t + τB ) − ψA (t)xB (t− + τB ) (21)ε̃A (t)=εA (t) + h̃AB [κ′AB (t) − 1]αxB (t + τB )(20)−h̃AB [κ′AB (t− ) − 1]ψA (t)αxB (t− + τB )(22)z̃A (t)

MSK ͱ GMSK (BG Ts = 0.5) ͷ DASIC ग़ྗͷΞΠ

(17)

=

zA (t) − ψA (t)zA (t− )(23)͜͜Ͱɼε̃A (t) ͸ DASIC ग़ྗʹ࢒ཹ͢Δ SI ੒෼Ͱ͋Δ.

x̃B [k]=xB [k] − ψA [k]xB [k − 1](25)z̃A [k]=zA [k] − ψA [k]zA [k − 1](26)

ࣜ (24) ͸ ỹA [k] ͕ x̃B [k] ͱ xB [k − 1] ͷॏ৞ CBB ৴߸͔ΒͳΔ͜ͱΛ͍ࣔࠦͯ͠Δɽ͜ͷͱ͖ x̃B [k] ͱ z̃A [k]ͷೋ࣍Ϟʔϝϯτ͸ E |x̃B [k]|2 = 2µ, (0 ≤ µ ≤ 1) ͱ
0
E |z̃A [k]|2 = 2β = 2 N
Ts Ͱ༩͑ΒΕΔɽ

― 20 ―

ࣜͰఆٛ͞ΕΔঢ়ଶͰ͋Δɽ

2
σ[k]

1.8

=

πη

k−3


aB [l′ ]

(29)

l′ =0

Ұํɼࣜ (25) ͷҐ૬γϑτ܎਺ ψA [k] ͸ɼ

1.6
1.4(k-1)T

B

=0

B

=T /4
s

B

=T /2
s

kT

s

B

s

(k+1)Ts

ψA [k]=3T /4=exp {jw0 (aA [k] − aA [k − 1])+jw1 (aA [k − 1] − aA [k − 2])s+jπηaA [k − 2]}Continuous-time t [sec](a) MSK: BG Ts = ∞.

(30)Ͱ༩͑ΒΕΔɽ

2

ॏ৞ CBB ৴߸ ͷৼΔ෣͍Λ௚‫ײ‬తʹཧղ͢ΔͨΊɼ

1.8

BG Ts = ∞ Ͱมௐࢦ਺ η = 0.5 ͷ MSKʢMinimum

Shift KeyingʣΛߟ͑ΔɽMSK ͷ৔߹ σ[k] ͸ 4 ঢ়ଶΛͰ͋Δɽ͜ͷͱ͖ɼADC ͕Ξ༗͠ɼU = 0, π2 , π, 3π
2

1.6
1.4
(k-1)T

B

=0

B

=Ts/4

B

=Ts/2

kT

s

s

B

ΠΞύʔνϟΛ࠷େͱ͢ΔλΠϛϯά ∆t Ͱαϯϓϧ͢=3Ts/4(k+1)TΔͱɼw0 = 0, w1 = w2 = π/2 ͱͳΔɽ݁Ռͱͯ͠ɼ π
xB [k] = exp j (aB [k − 1] + aB [k − 2]) + jσ[k] (31)
2

π
(32)
xB [k − 1] = exp j aB [k − 2] + jσ[k]
 π 2

(33)
ψA [k] = exp j aA [k − 1]2sContinuous-time t [sec](b) GMSK: BG Ts = 0.5.

Fig. 5. Equivalent signal density E |x̃B [k]|2 = 2µ.

Fig. 5 ͸ ఻ ൖ ஗ Ԇ τB ຖ ʹ ࿈ ଓ ࣌ ࠁ t ͱE |x̃B [k]|2 = 2µ ͷؔ܎Λࣔͨ͠΋ͷͰ͋Δ. ͨ

ࣜ (25) ͸ͷ஋Λௐ੔͍ͯ͠Δ. (a) ͷ MSK Ͱ͸ɼ∆t Λద੾ʹௐx̃B [k]͍·, δ[k] = aB [k] − aA [k] ∈ {−2, 0, 2} Λఆٛ͢Δͱ,ͩ͠ɼµ ͷ஋͕ kTs Ͱ࠷େͱͳΔΑ͏ʹɼADC ͷ ∆t

੔͢Δ͜ͱͰɼµ = 1 Λ࣮‫͍͖ͯͰݱ‬Δ΋ͷͷɼ(b) ͷ
GMSK Ͱ͸ɼ఻ൖ஗Ԇ τB ʹΑͬͯ E |x̃B [k]|2 = 2µͷΤωϧΪʔʹଛࣦ͕ੜ͡ΔɽτB = 0 ͷཧ૝ঢ়ଶ͔Β1.80= 0.3 [dB] Ͱͷ࠷େଛࣦ͸ɼτB = Ts /2 ͷ 10 log10 1.68=



2 exp[juA [k]],0,(δ[k − 1] ̸= 0)(34)(δ[k − 1] = 0)

ͱͳΔɽͨͩ͠ɼπδ[k − 1]aB [k − 2] ++ σ[k] ∈ U
uA [k] =2
2(35)

͋Δ. ඇಉ‫ ظ‬IBFD Ͱ͸ɼߏ଄తʹɼτB = 0 ͷঢ়ଶΛ

ͭ·Γɼϊʔυ B ͔Βૹ৴͞Εͨ৘ใϏοτ aB [k ʵ 1]

ҡ࣋͢Δ͜ͱ͕Ͱ͖ͳ͍΋ͷͷɼͦͷ࠷େଛࣦ͸ 0.3

͕ ϊʔυ A ࣗ਎͕ૹ৴͍ͯ͠Δ৘ใϏοτ aA [k ʵ 1][dB] ʹ཈͑ΒΕ͍ͯΔɽ

ʹҰக͢Δͱ͖͸ 0 ͱͳΓɼҰக͠ͳ͍ͱ͖͸ 0 Ҏ֎ͷ͍·ɼϝϞϦαΠζ L = 3 Ͱ৴߸Λද‫ݱ‬ՄೳͳଳҬ

4 ঢ়ଶͷ஋ΛͱΔɽ

࣌ؒੵ BG Ts ʹΑΓଳҬ੍‫͞ࢪ͕ݶ‬Ε͍ͯΔ΋ͷͱ͢Δ

Fig. 6 ʹ DASIC ग़ྗͷ཭ࢄ CBB ৴߸ͷࢄ෍ਤΛࣔͱɼॏ৞ CBB ৴߸ x̃B [k] ͷߏ੒ཁૉ xB [k] ͱ xB [k − 1]͢ɽਤͷ‫ܗ‬ঢ়͕ࣔࠦ͢Δ௨Γɼಉਤʹඳըͨ͠൑ఆ͖͠

͕࣍ࣜͰද͞ΕΔɽ͍஋ʹ‫͖ͮج‬ɼ࣍ࣜʹΑΓϊʔυ B ͷ૒‫ۃ‬ੑͷ৘ใϏοxB [k] = exp {j(w0 aB [k] + w1 aB [k − 1]
+w2 aB [k − 2]) + jσ[k]}(27)xB [k − 1] = exp {j (w0 aB [k − 1] + w1 aB [k − 2])+jσ[k]}(28)

ͨͩ͠ɼwl ≜ 2πηq(∆t + lTs ), (l ∈ {0, 1, 2})ɼσ[k] ͸࣍τΛ൑ఆ͢Δ͜ͱ͕Ͱ͖Δɽ
aA [k − 1], if |ỹA [k]| ≤ |hAB |âB [k − 1] =−aA [k − 1],others(36)͜͜Ͱཹҙ͢΂͖఺͸ɼࡶԻͷΨ΢ε෼෍ͷ੄্͕Լࠨ
ӈ͔Β͖͍͠஋Λ‫͙ͨލ‬Ίɼ൒ೋॏʢHD: Half DuplexʣͷΑ͏ͳɼยଆ͔Β͖͍͠஋Λӽ͑Δ֬཰ʹൺ΂̎ഒͱ― 21 ―

༻͍ͨ GFSK Ͱ͋Δ GMSK ͱɼ༻͍ͳ͍ MSK ʹΑΔධՁΛߦ͍ͬͯΔɽࣗ‫ׯݾ‬ব͕ଘࡏ͠ͳ͍ HD ͷಛੑͱൺֱͯ͠ɼMSKͷ୯७ͳߗ൑ఆͷಛੑʢCOH-MSKʣ͸ 3 [dB] ӈ΁γϑτ͍ͯ͠Δɽલड़ͨ͠ͱ͓Γɼ͜Ε͸ࡶԻͷӨ‫͕ڹ‬

2 ഒʹͳͬͨͨΊͰ͋ΔɽҰํɼGFSK ͷ৔߹ʢCOHGMSKʣɼΨ΢εϑΟϧλʹΑΔଳҬ੍‫ݶ‬ͷӨ‫ʹڹ‬ΑΓ৴߸‫ݕ‬ग़ਫ਼౓͕௿Լ͍ͯ͠ΔɽMAP ‫ݕ‬ग़ʹΑΔ IBFD
ͷ৔߹ʢMAP-GMSKɼMAP-MSKʣɼHD ͱൺ΂ͯ໿

2 [dB] ఔ౓ͷฏߦγϑτʹཹΊ͍ͯΔͨΊɼ৴߸ͷॏ৞
Fig. 6. Signal constellation of DASIC output ỹA [k] .

ʹΑΔӨ‫ڹ‬Λ؇࿨Ͱ͖͍ͯΔͱ͍͑Δɽ5·ͱΊຊߘͰ͸ɼIBFD ௨৴ͷͨΊͷࠩಈූ߸Խͷ‫ݪ‬ཧΛऔΓೖΕͨϒϥΠϯυ‫ܕ‬ͷࠩಈΞΫςΟϒࣗ‫ׯݾ‬বΩϟϯηϥʢDASICʣͷ‫ݪ‬ཧΛ঺հͨ͠ɽຊํࣜͷߴ౓ԽʹΑΓɼ‫ܗۃڀ‬ͷඇಉ‫ظ‬ϥϯμϜΞΫηεٕज़ͷཱ֬Λ‫ظ‬଴Ͱ͖ɼࠓ‫ޙ‬ͷແઢ IoT ৘ใ‫ج‬൫ٕज़ͱͯ͠ͷల։ʹ΋‫ظ‬଴͍ͨ͠ɽ
ຊ‫ڀݚ‬ͷҰ෦͸ಉࢤࣾେֶϋϦεཧԽֶ‫ॿڀݚॴڀݚ‬੒ͷࢧԉͷ΋ͱʹߦΘΕͨɽ͜͜ʹ‫ँͯ͠ه‬ҙΛද͢Δɽ

Fig. 7. BER performance of DASIC.
ࢀߟจ‫ݙ‬

ͳΔ఺Ͱ͋Δɽ͜Ε͸ DASIC ͷσϝϦοτͰ͋Δ͕ɼࣜ (36) ͷΑ͏ͳ୯७ͳߗ൑ఆʹΑΔ෮ௐํࣜͰ͸ͳ͘ɼ1) M. Agiwal, A. Roy and N. Saxena, “Next Generationผͷߴ౓ͳ‫܁‬Γฦ͠৴߸ॲཧΛద༻͢Δ͜ͱͰɼ͜ͷσ

5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey”,

ϝϦοτΛ؇࿨͢Δ͜ͱ͕Ͱ͖Δ 5) ɽIEEE Communications Surveys & Tutorials, 18[3],1617-1655 (2016).
2) T. Takahashi, S. Ibi, and S. Sampei, “Design of Adap-

4

tively Scaled Belief in Multi-Dimensional Signal De-‫ػࢉܭ‬γϛϡϨʔγϣϯ

tection for Higher-Order Modulation”, IEEE Trans on

Fig. 7 ʹ |hAB |2 Es /N0 ʹର͢Δ DASIC ʹΑΔ IBFDͷϏοτ‫ޡ‬Γ཰ಛੑʢBER: Bit Error RateʣΛࣔ͢ɽ௨৴࿏͸ϨΠϦʔϑΣʔδϯάͱ͍ͯ͠Δ͕ɼॠ࣌ͷ2|hAB | Es /N0 Λԣ࣠ͱ͍ͯ͠ΔͷͰɼ௨৴࿏ͰҐ૬ճసͷΈଘࡏ͢Δ΋ͷͱ౳ՁͰ͋Δɽࣜ (36) ʹΑΔ୯७

ͳߗ൑ఆʹΑΔಉ‫ݕظ‬೾ͷಛੑΛʢCOHʣͱͯࣔ͢͠ɽ

Commun., 67[3], 1986-2001 (2019).
3) D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, “Full Duplex Radios”, Proc. of ACM SIGCOMM 2013, 375-386(2013).
4) Z. Zhang, K. Long, A. V. Vasilakos, and L. Hanzo,“Full-Duplex Wireless Communications: Challenges,
Solutions, and Future Research Directions”, Proc.
IEEE, 104[7], 1369–1409 (2016).

ࢴ໘ͷؔ܎্ɼຊߘͰ͸ղઆ͍ͯ͠ͳ͍͕ɼMAP ‫ݕ‬ग़5) ҥ൹৴հ, ࡾළ੓Ұ, “શೋॏ GFSK ௨৴ͷͨΊͷΞφϩά

Λద༻ͨ͠ಛੑΛʢMAPʣͱͯࣔ͢͠ɽ·ͨɼൺֱର

ࣗ‫ׯݾ‬বΩϟϯηϥʹؔ͢ΔҰ‫ݕ‬౼”, ৴ֶٕใ, 117[456],

৅ͱͯ͠ɼࣗ‫ׯݾ‬ব͕ଘࡏ͠ͳ͍൒ೋॏ௨৴ʹ͓͍ͯɼ

MAP ‫ݕ‬ग़Λߦͬͨ৔߹ͷಛੑʢHDʣΛซͤͯࣔ͢ɽͳ
͓ɼ֤ಛੑʹ͓͍ͯɼBG Ts = 0.5 ͷΨ΢εϑΟϧλΛ

― 22 ―

307–312 (2018).
6) B. E. Rimoldi, “A Decomposition Approach to CPM”,
IEEE Trans. Inf. Theory, 34[2], 260–270 (1988).

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Eigenvalue Computations Based on the Integrable Systems
Masato SHINJO *(Received September 18, 2020)
The Toda equation describing motions governed by nonlinear springs is well-known as famous soliton equation in the studyof integrable systems. Flaschka's variables lead to Lax dynamics of the Toda equation with tridiagonal matrix. The Toda flowinterpolates the QR algorithm at integer times. It is interesting that a skillful discretization of the Toda equation contributes to computing
eigenvalues of tridiagonal matrices related with shifted LR algorithm. In this paper, from the viewpoint of discretizations of Lax
dynamics, I propose a discrete analogue of the Lax pair associated with symmetric and non-symmetric matrices, and then grasp theshifted QR and LR algorithms in the framework of integrable systems. Furthermore, based on the resulting discrete lax pair, I explainsome of the discrete integrable systems which corresponds to extensions of the discrete Toda equation, observe numerically variablesin them as discrete-time evolutions.
Key words：integrable systems, eigenvalues computation,
キーワード：可積分系，固有値計算

可積分系理論に基づく固有値計算法
新庄 雅斗

１．はじめに方程式と数値計算の関係が見出されており，例えば，

科学技術計算おいて，固有値や特異値を求める行

可積分系の基礎方程式である戸田方程式 1)の時間発

列計算は重要な問題である．固有値を求める際，問題展が，戸田方程式が固有値保存な力学系であることの背景やその利用目的に応じて適切な固有値計算法を背景に，QR 法の 1 ステップと対応づく 2)ことは興が選択されるが，汎用性の高い計算法として，行列の味深い．特筆すべきは，既存の固有値計算法の再解釈

QR 分解に基づく QR 法がある．QR 法は，QR 分解に現にとどまらず，可積分系理論に基づいて新しい固有れる行列のもつ直交性から，数値安定な計算法とし値計算法の定式化に成功している点である．例えば，て知られている．数値計算において，固有値計算の精

３重対角行列向け固有値計算法として，世界標準と度や速度は行列の構造や規模に強く依存するため，なっている qd 法の漸化式は，戸田方程式の離散版 3)

しばしば，原点シフトの導入が試みられる．原点シフの時間発展式と数学的に等価であり，行列の LR 分

トが導入されたシフト付き QR 法は，シフト量を適切解を利用したシフト付き LR 法の１ステップとしてに定めれば，QR 法と比較して高速に固有値を求める

解釈できる．また，離散戸田方程式の拡張系に基づいことができる．

て，３重対角行列の空間方向への拡張に相当するヘ

近年，求積可能な非線形力学系である可積分系のッセンベルグ型行列に対する高精度な固有値計算法_________________________________*Faculty of Science and Engineering Department of Electronics, Doshisha University, Kyoto
Telephone: 0774-65-6239, E-mail: mshinjo@mail.doshisha.ac.jp― 23 ―

が定式化されている 4)．このように，離散可積分系に

(&())

Ψ#

基づく固有値計算法は，応用上優れた特性をもつ一方で，現在，帯行列に対する固有値計算法の定式化には至っていない．また，可積分系と QR 法の対応関係は知られているが，可積分系におけるシフト付き QR
法の位置付けは明らかにされていない．したがって，
本研究では，非線形な波動現象を記述する戸田方程式およびその拡張系がラックス方程式として表現できることに着目し，ラックス方程式の離散化の観点から，既存の固有値計算法であるシフト付き QR 法やシフト付き LR 法を捉える．つづいて，離散ラックス

𝛿𝛿 (&)

行列である．もちろん，不等間隔差分𝛿𝛿 (&) の極限𝛿𝛿 (&) → 0を考えれば，式(4)—(6)は式(2)—(3)に一致す
る．ここで，補助的行列𝑄𝑄(&) = 𝐼𝐼 + 𝛿𝛿 (&) ℬ(&) , 𝑅𝑅 (&) =B𝛿𝛿 (&) C(*))

𝐼𝐼 + 𝒞𝒞 (&) を用いて，式(4)—(6)を書き換えると，シフト付き QR 法の漸化式

𝒜𝒜(&) − 𝜇𝜇 (&) 𝐼𝐼 = 𝑄𝑄(&) 𝑅𝑅(&) ,𝒜𝒜の導関数を表し，ℬは𝒜𝒜に対応する歪対称行列である．
5,6)に一致する．また，ラックス方程式(1)は，𝒜𝒜に対する固有値問題と固有ベクトルの時間発
展式の２つの式から成るラックス対
(2)

(3)

の両立条件として捉えることができる．ただし，𝜆𝜆# は𝒜𝒜の固有値，Ψ# = Ψ# (𝑡𝑡)は𝜆𝜆# に対応する固有ベクトルである．式(3)は，上三角行列𝒞𝒞＝𝒜𝒜 − ℬを用いて，

Ψ̇ $ = (𝒞𝒞 − 𝒜𝒜)Ψ# と書くこともある．一般には，物理

(8)

𝐼𝐼

(&) *)C はシフトパラ*)

固有ベクトルとして，

Φ̇# = −𝐵𝐵Φ# , 𝑖𝑖 = 1,2, … , 𝑚𝑚を除いてできる狭義下三角行列である．式(9)—(10)の両立条件から，ラックス方程式𝐴𝐴̇ = 𝐴𝐴𝐴𝐴 − 𝐵𝐵𝐵𝐵が直ちに導かれる．また， 𝐶𝐶 = (𝐴𝐴)-, を𝐴𝐴から狭義下三角部を除いてできる上三角行列とすると，式(10)は
Φ̇# = (𝐶𝐶 − 𝐴𝐴)Φ# と表すこともできる．式(4)—(6)と同様に，式(9)—(10)に対する離散類似として，離散ラッ
クス対を

(&())

Φ#

(&)

(&)

− Φ#

𝛿𝛿 (&)(&)= 𝜆𝜆# Φ# ,− Φ#

𝛿𝛿 (&)(&())

Φ#に関連づけるため，式(2)—(3)に対して固有値問題を

(5)

(&)

𝐴𝐴(&) Φ#ながら，本研究では，可積分系の方程式を固有値計算

(4)

(10)

で与えられる．ただし，𝐵𝐵 = (𝐴𝐴)+, は𝐴𝐴から上三角部

良く近似するように離散時間が導入される．しかし連続系と離散系の間で共有するように(9)

𝐴𝐴Φ# = 𝜆𝜆# Φ# , 𝑖𝑖 = 1,2, … , 𝑚𝑚,現象などを数値的に理解するために，力学系を精度

𝛿𝛿

(7)

ックス対は，𝜆𝜆# を𝐴𝐴の固有値，Φ# = Φ# (𝑡𝑡)を対応する

線形バネによって支配される練成振動系を記述する

(&())
(&)
Ψ#
− Ψ#
(&())
= −ℬ (&) Ψ#
,
(&)

+ 𝜇𝜇

(&)

一方，非対称行列𝐴𝐴 = 𝐴𝐴(𝑡𝑡) ∈ ℝ!×! に関連するラ式(1)において，𝒜𝒜を対称３重対角行列で選べば，非

(&)

𝑄𝑄

(&)

るため，固有値不変であることがわかる．

(1)
𝒜𝒜̇ = 𝒜𝒜ℬ − ℬ𝒜𝒜
で与えられる．ただし，𝒜𝒜̇ は連続時間𝑡𝑡に関する𝒜𝒜= 𝜆𝜆# Ψ# ,

= 𝑅𝑅

(&)

𝑛𝑛 + 1は，相似変換𝒜𝒜(&()) = 𝑅𝑅(&) 𝒜𝒜(&) B𝑅𝑅(&)C を与え

方程式は

(&)

(&())

メータである．式(7)—(8)を用いた離散時間発展𝑛𝑛 →対称行列𝒜𝒜 = 𝒜𝒜(𝑡𝑡) ∈ ℝ!×! に関連するラックス

𝒜𝒜(&) Ψ#(6)

は𝒜𝒜(&) = ℬ(&) + 𝒞𝒞 (&) + 𝛿𝛿 (&) ℬ(&) 𝒞𝒞 (&) をみたす上三角が得られる．ただし，𝜇𝜇 (&) = −B𝛿𝛿

２．ラックス方程式の固有値保存な離散化Ψ̇# = −ℬΨ# , 𝑖𝑖 = 1,2, … , 𝑚𝑚(&())

− 𝐴𝐴(&()) Ψ#

数，𝛿𝛿 (&) は離散化で生じる不等間隔差分であり，𝒞𝒞 (&)

新たな固有値計算法の定式化を目指す．

𝒜𝒜Ψ# = 𝜆𝜆# Ψ# , 𝑖𝑖 = 1,2, … , 𝑚𝑚,(&)= 𝒞𝒞 (&) Ψ#のような離散化を導入する．ただし，𝑛𝑛は離散時間変方程式に基づいて固有値保存な離散力学系を導出し，

戸田方程式

(&)

− Ψ#

(&())

= −𝐵𝐵(&) Φ#(&)= 𝐶𝐶 (&) Φ#

,

(11)

(&())

− 𝐴𝐴(&()) Φ#

(12)
(13)

とする．ただし，𝐵𝐵 (&) と𝐶𝐶 (&) は，それぞれ，𝐴𝐴 = 𝐵𝐵 + 𝐶𝐶の離散類似𝐴𝐴(&) = 𝐵𝐵(&) + 𝐶𝐶 (&) + 𝛿𝛿 (&) 𝐵𝐵(&) 𝐶𝐶 (&) で定まる狭義下三角行列と上三角行列である．ラックス対の両立条件とラックス方程式が数学的に等価である― 24 ―

ことを背景に，式  —  の両立条件を考えると，
狭義下三角行列𝐵𝐵 (𝑛𝑛) と上三角行列𝐶𝐶 (𝑛𝑛) は

(𝑛𝑛)であり，𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑗𝑗 , 𝑗𝑗 = 1,2, … , 𝑀𝑀は𝐵𝐵(𝑛𝑛) の狭義下三角部に現れる(𝑘𝑘 + 𝑗𝑗, 𝑘𝑘)成分である．𝑀𝑀はヘッセンベルグ型

𝐵𝐵 (𝑛𝑛+1) − 𝐵𝐵 (𝑛𝑛) = (𝛿𝛿 (𝑛𝑛) 𝐶𝐶 (𝑛𝑛) 𝐵𝐵(𝑛𝑛) − 𝛿𝛿 (𝑛𝑛+1) 𝐵𝐵 (𝑛𝑛+1) 𝐶𝐶 (𝑛𝑛+1) )<0 ,(14)

= (𝛿𝛿 (𝑛𝑛) 𝐶𝐶 (𝑛𝑛) 𝐵𝐵 (𝑛𝑛) − 𝛿𝛿 (𝑛𝑛+1) 𝐵𝐵 (𝑛𝑛+1) 𝐶𝐶 (𝑛𝑛+1) )≥0(15)

𝐶𝐶 (𝑛𝑛+1) − 𝐶𝐶 (𝑛𝑛) 

行列の下帯幅に対応する定数であり，𝑀𝑀 = 1とすれば，式  —  は離散戸田方程式  と一致する．

 )LJ は，初期行列𝐴𝐴(0) を5 × 5のヘッセンベル

グ型行列

1
10
𝐴𝐴(0) = 1
8(0をみたす．補助的な行列として，𝐿𝐿(𝑛𝑛) = 𝐼𝐼 + 𝛿𝛿 (𝑛𝑛) 𝐵𝐵 (𝑛𝑛) ,−1

𝑅𝑅 (𝑛𝑛) = (𝛿𝛿 (𝑛𝑛) ) 𝐼𝐼 + 𝐶𝐶 (𝑛𝑛) を導入すると，式  —  は，
𝜇𝜇 (𝑛𝑛) をシフトパラメータとするシフト付き /5 法𝐴𝐴(𝑛𝑛) − 𝜇𝜇 (𝑛𝑛) 𝐼𝐼 = 𝐿𝐿(𝑛𝑛) 𝑅𝑅(𝑛𝑛) ,(16)

𝐴𝐴(𝑛𝑛+1) = 𝑅𝑅 (𝑛𝑛) 𝐿𝐿(𝑛𝑛) + 𝜇𝜇 (𝑛𝑛) 𝐼𝐼(17)

へと書き換えることができる．式  —  による離散時間発展𝑛𝑛 → 𝑛𝑛 + 1は，シフト付き 45 法と同様に，固有値保存変形を与える．

 以上のことから，シフト付き 45 法およびシフト付
き /5 法は行列固有値を保存量とするラックス方程式の離散類似であることがわかる．

1
4
5
10
1

0 0 0
1 0 0
1 1 0 10 4 1−1 7 3)(𝑛𝑛)として，式  —  による𝐽𝐽𝑘𝑘 の時間発展をプロットしたグラフである．ただし，𝐴𝐴(0) から一意に定まる(0)

離散コスタント戸田変数の初期値は𝐽𝐽1
(0)

(0)

(0)

7.1111, 𝐽𝐽3 = −1.5393, 𝐽𝐽4 = 3.0549, 𝐽𝐽5 =
(0)

(0)

(0)

= −1𝐽𝐽2 =−5.4084およびV1,1 = −1.1111, V2,1 = 0.0539,
(0)

(0)

V3,1 = −0.7055, V4,1 = 0.2408,
(0)

(0)

(0)

(0)

V1,2 = −0.1111,
(0)

V2,2 = 0.0154, V3,2 = 0.0598, V1,3 = −0.8889, V2,3 =−0.0139であり，𝛿𝛿 (𝑛𝑛) = 10で設定した．)LJ から，



(𝑛𝑛)

３．離散ラックス方程式とその離散時間発展

𝐽𝐽𝑘𝑘 が𝐴𝐴(0) の固有値𝜆𝜆𝑘𝑘 の−１倍へ収束していく様子が確認できる．

離散ラッックス対の両立条件を考えれば，固有値

保存な離散可積分系の方程式が得られる．ここでは，



非対称行列の例として，ヘッセンベルグ型行列およ

び帯行列に関わる離散ラックス方程式について，数

値例と併せて紹介する．







１ ヘッセンベルグ型行列に関わる離散ラックス



方程式



 戸田方程式に対する一般化は数多く存在するが，



空間方向への拡張の一つにコスタント戸田方程式 がある．コスタント戸田方程式は非対称行列𝐴𝐴をヘッセンベルグ型行列で定めたラックス方程式で与えら)LJ$JUDSKRIGLVFUHWHWLPH𝑛𝑛 𝑥𝑥D[LV DQG

れる．式  —  において，行列成分のみたす関係
式を書き下せば，離散コスタント戸田方程式  (𝑛𝑛+1)

𝐽𝐽𝑘𝑘(𝑛𝑛+1)

𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑗𝑗(𝑛𝑛)− 𝐽𝐽𝑘𝑘(𝑛𝑛+1)(𝑛𝑛)= 𝛿𝛿 (𝑛𝑛+1) 𝑉𝑉𝑘𝑘−1,1 − 𝛿𝛿 (𝑛𝑛) 𝑉𝑉𝑘𝑘,1 ,(𝑛𝑛)(𝑛𝑛+1)− 𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑗𝑗 = 𝛿𝛿 (𝑛𝑛+1) 𝐽𝐽𝑘𝑘
+𝛿𝛿

(𝑛𝑛)

(𝑛𝑛+1)

𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑗𝑗(18)

(𝑛𝑛+1)(𝑛𝑛)

WKH YDOXHV RI𝐽𝐽𝑘𝑘  𝑦𝑦D[LV  YLD WKH GLVFUHWH

.RVWDQW7RGDHTXDWLRQZLWK𝑀𝑀 = 3DQG𝑚𝑚 = 5− 𝛿𝛿 (𝑛𝑛+1) 𝑉𝑉𝑘𝑘−1,𝑗𝑗+1  ラックス方程式として記述された戸田方程式の拡張系として帯行列に関連づく戸田階層  がある．一(𝑛𝑛)(𝑛𝑛) (𝑛𝑛)𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑗𝑗+1 − 𝛿𝛿 (𝑛𝑛) 𝐽𝐽𝑘𝑘+𝑗𝑗 𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑗𝑗 ,(19)

(𝑛𝑛+1)(𝑛𝑛)(𝑛𝑛+1) (𝑛𝑛+1)
(𝑛𝑛)
(𝑛𝑛)
𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑀𝑀 − 𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑀𝑀 = 𝛿𝛿 (𝑛𝑛+1) 𝐽𝐽𝑘𝑘
𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑀𝑀 − 𝛿𝛿 (𝑛𝑛) 𝐽𝐽𝑘𝑘+𝑀𝑀 𝑉𝑉𝑘𝑘,𝑀𝑀

(20)

(𝑛𝑛)
が得られる．ただし，𝐽𝐽𝑘𝑘 は𝐶𝐶 (𝑛𝑛) の対角成分の 倍

２ 帯行列に関わる離散ラックス方程式

例として，非対称行列𝐴𝐴を  重対角行列として，式― 25 ―

 —  における成分のみたす関係式を書き下す

枠組みで捉えることができた．また，離散ラックス対と，離散戸田階層は(&())(&)
𝐽𝐽.,) − 𝐽𝐽.,)(&) (&)(&)= 𝛿𝛿 B𝐽𝐽.,2 𝑉𝑉.,) − 𝑉𝑉.,2 C(&()) (&())(&())−𝛿𝛿 (&()) B𝐽𝐽.*),2 𝑉𝑉.*),) − 𝑉𝑉.*2,2 C, (21)
(&())
(&)
(&())
(&)
(22)
𝐽𝐽.,2 − 𝐽𝐽.,2 = 𝛿𝛿 (&()) 𝑉𝑉.*),) − 𝛿𝛿 (&) 𝑉𝑉.(),) ,
(&())
(&)
(&()) (&())(&()) (&()) (&())− 𝑉𝑉.,) = 𝛿𝛿
B𝐽𝐽.,) 𝑉𝑉.,)− 𝐽𝐽.*),2 𝑉𝑉.*),2 C
𝑉𝑉.,)
(&)
(&)
(&)
(&)
−𝛿𝛿 (&)B𝐽𝐽.(),) 𝑉𝑉.,) + 𝐽𝐽.(),2 𝑉𝑉.,2 C, (23)
(&())

𝑉𝑉.,2

(&)

(&)

(&())

− 𝑉𝑉.,2 = 𝛿𝛿 (&()) 𝐽𝐽.,)

(&())

𝑉𝑉.,2

(&)

(&)

(&)

(&)

− 𝛿𝛿 (&) 𝐽𝐽.(2,) 𝑉𝑉.,2 ,(24)で与えられる．ただし，𝐽𝐽.,) , 𝐽𝐽.,2 は，それぞれ，𝐶𝐶 (&)の対角成分，上副対角成分を-1 倍した成分であり，
(&)

(&)

𝑉𝑉.,) , 𝑉𝑉.,2 は，それぞれ，𝐵𝐵(&) の(𝑘𝑘 + 1, 𝑘𝑘), (𝑘𝑘 + 2, 𝑘𝑘)成分である．Fig. 2 では， 3 × 3の正方行列
1 −4
1
𝐴𝐴(,) = \2 −6−4 ]6 −14 −10(&)

部が離散時間極限で固有値へと収束することを確認した．今後は，得られた離散可積分系の一般解の導出
や漸近解析を行う．また，固有値計算への応用を目的として，適当な変数変換を通じて，高速かつ数値安定な固有値計算法の定式化を試みる．
本研究の一部はハリス理化学研究所研究助成および同志社大学個人研究費を受けて遂行された．ここに記して謝意を表する．

参考文献
1) M. Toda, “Vibration of a Chain with Nonlinear

に対して，𝛿𝛿 (&) = 1として式(21)—(24)で時間発展さ(&)の両立条件として得られる離散可積分系の変数の一せた𝐽𝐽.,) , 𝐽𝐽.,2 の値をプロットした．ただし，𝐴𝐴(,) から(,)

Interaction”, J. Phys. Soc. Jpn., 22, 431–436(1967).
2) P.

定 ま る 離 散 戸 田 階 層 の 変 数 の 初 期 値 は 𝐽𝐽),) =
(,)

(,)

(,)

(,)

(,)

(,)

(&)

(&)

1, 𝑉𝑉2,) = 2, 𝑉𝑉2,2 = 3である．Fig. 2 から𝐽𝐽.,) , 𝐽𝐽.,2 の値が定数に収束してくことが確認できる．

L.

C.

Li,

C.

Tomei,“Matrix

Factorizations and Integrable Systems”, Commun.

(,)−1, 𝐽𝐽2,) = 2, 𝐽𝐽3,) = 3, 𝐽𝐽),2 = 4, 𝐽𝐽2,2 = 5 お よ び 𝑉𝑉),) =Deift,

Pure Appl. Math.,42, 443—521 (1989).
3) R. Hirota, “Conserved Quantities of “RandomTime Toda Equation””, J. Phys. Soc. Jpn., 66,
283—284 (1997).
4) A. Fukuda, “The Discrete Hungry Lotka-Volterra
System and a New Algorithm for Computing Matrix
Eigenvalues”,

InverseProblems,

25,015007(2009).
5) J. Moser, “Finitely Many Mass Points on the Line
under the Influence of an Exponential PotentialAn Integrable System. Dynamic Systems Theory andApplications”, Lecture Notes in Phys., 38, 1975.
6) H. Flaschka, “The Toda Lattice, II. Existenceof Integrals”, Phys. Rev. B, 9, 1924–1925 (1974).

Fig. 2 A graph of discrete-time 𝑛𝑛 (𝑥𝑥-axis) and
(&)

(&)

7) B. Kostant, “The Solution to a Generalized Toda

the values of 𝐽𝐽.,) , 𝐽𝐽.,2 (𝑦𝑦-axis) via the discrete

Toda hierarchy with and 𝑚𝑚 = 3.

Lattice and Representation Theory”, Adv. Math.,
34, 195—338 (1979).

8) 阪本豪太郎，新庄雅斗，“ヘッセンベルグ行列に関連

４．まとめするラックス方程式の時間発展”，九州大学応用力学

本研究では，可積分系を特徴付けるラックス対の離散化の観点から，固有値保存な離散類似を提案し，シフト付き QR 法およびシフト付き LR 法を可積分系の― 26 ―

研究所研究集会「非線形波動研究の多様性」研究集会
報告,2019AO-S2,120—125 (2020).

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Spontaneous Formation of Magnetic Nanoparticles from Peptide-Based
Diblockpolymers and Their Interactions with Cell
Nobuyuki HIGASHI*, Kiyoshiro NARIMATSU*, Minoru OKUMURA*, Tomoyuki KOGA*(Received September 15, 2020)
Novel polymeric nanoparticles (NPs) with uniform sizes were prepared from peptide-vinyl polymer diblock hybrids
by the self-organized precipitation (SORP) method. Hybrid polymers of poly(styrene) and tetra-peptide (cell-binding
epitope, RGDS, reverse SDGR, cationic KKKK, and anionic DDDD) were successfully synthesized by combining solidphase peptide synthesis and reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization methods. Narrowly
dispersed hybrid polymers (PDI <1.25, Mn 14000~17000) were obtained. Altering the preparation conditions easily tuned
the size and size distribution of the NPs. When the zeta potentials for the NP suspensions were measured at pH 6.0, theobtained values corresponded to the net charge of each peptide segment. More importantly, the NPs could encapsulate
fluorescent Nile red and magnetic iron oxide NP, which might be suitable for fluorescent imaging and magnet-induced
patterning of cells, respectively.
.H\ZRUGV：peptide-based diblock polymer, RAFT polymerization, SORP method, magnetic nanoparticle, fluorescent imaging
キーワード：ペプチドブロックポリマー，5$)7 重合，6253 法，磁性ナノ粒子，蛍光イメージ

磁性をもつペプチド・ポリマーナノ粒子の自己組織化
ならびに細胞との相互作用東 信行，成松 清士郎，奥村 穂，古賀 智之 はじめに

様々な機能性分子と反応させることによって任意の高分子微粒子は光工学，電子工学，バイオテクノロ

機能性表面を担持した微粒子の調製が可能である.

ジーなど様々な分野で用いられており，また近年でしかしながら，この方法では反応が進行するにつれは，微粒子の機能化を目的に様々な機能性分子を微て，表面に固定化された機能性分子の立体障害が大粒子の表面に担持させる試みが注目されている. 微きくなるため，反応の進行に一定の限界値が存在す

粒子表面の機能化の代表的な手法として，grafting-る. また，一度微粒子を調製した後に，機能性分子とto 法がある 1-3).

微粒子表面にあらかじめ反応点を担反応させるため，反応プロセスが多くなるという問持させておき，その反応点と機能性分子を反応させ題点がある. 微粒子の表面機能化のもう一つのアプることで微粒子表面に機能性分子を修飾する方法でローチとして，微粒子を調製すると同時に微粒子表ある. 反応点を持つ微粒子の調製法を確立できれば，面に機能性部位を担持させる手法についても盛んに_________________________________*Department of Molecular Chemistry & Biochemistry, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-6622, E-mail: nhigashi@mail.doshisha.ac.jp― 27 ―

研究が行われている. その代表的なものが液中乾燥配列によってさまざまな機能を設計することができ法である.混和しない良溶媒と貧溶媒を用い，この二る.また，構成されるアミノ酸種によっては反応性のつの溶媒を機械的エネルギーによって連続相と分散

官能基を有しているため，側鎖や末端に容易に化学相に乳化する方法である. その際，適切な量，種類の修飾を行うことができるのも特徴である. ここでは界面活性剤や分散安定剤を加えることでエマルショ

ペプチド―ポリマー・ハイブリッドの中で最も容易

ンを安定化が可能となる. あらかじめ分散相にポリに合成できると考えられるペプチド・ブロックポリ

マーを溶解させておき，エマルションを保ったまま

マーに注目した 8,9) . 具体的には，細胞接着性 Arg-

分散媒を蒸発させることによって，分散相の大きさ

Gly-Asp-Ser (RGDS)10) ペプチド・ブロックポリマーを反映したポリマー微粒子を調製できる.この時，二を SORP 法により微粒子化することで，細胞接着性

つの溶媒を適切に選択することで，ポリマーと二つ表面を持つ高分子ナノ粒子の調製を目指した. 細胞の溶媒との溶媒和の違いによって微粒子表面に自発接着性の RGDS とポリスチレン (PSt) からなるペ的に機能性部位を存在させることができると考えら

プチド・ブロックポリマー (PSt-b-RGDS (Fig. 1))

れる.また近年では，単分散エマルションを調製するの合成は，ペプチド固相合成法と可逆的付加-開裂連

4)

鎖移動ラジカル (RAFT) 重合法 11) を組み合わせてである.これは，均一な多孔質膜の細孔に分散相液体行った. これを良溶媒に THF，貧溶媒に水を用いたを通し，微小液滴化して連続相中に分散させること

SORP 法によりナノ微粒子化することで，粒子内部

で多孔質膜の細孔の大きさに依存したエマルションに疎水性の PSt，微粒子表面に親水性の RGDS ペプを調製する技術である.これにより，ポリ乳酸の微粒

チドが担持された細胞接着性の高分子ナノ粒子が自子表面にポリエチレングリコールを担持した機能性

発的に調製できると期待した.また，粒子の更なる機

ポリマー微粒子をワンポットで調製できることを報能化を目指し，粒子内部への機能性材料の内包を試告している 5). しかし，これら液中乾燥法では，エマ

みた. 具体的には，ナイルレッド (NR) と磁性ナノ

ルションの安定化のために界面活性剤や分散安定剤

粒子 (MNP) を添加することで，蛍光性および磁性などの添加剤が必要となる.また，この添加剤は精製を有する高分子ナノ粒子を調製した.最終的には，こによってある程度は取り除くことができるが，ごくの粒子と細胞との相互作用について検討し，細胞操一部は微粒子に残ってしまうという報告もされてお作のためのナノツールとしての活用を目指した.

り，生体への利用を目的とした微粒子の調製法とし

ては不適切である.最近，添加剤を必要としない液中

技術も進歩しており，そのうちの一つが膜乳化法での微粒子調製法として自己組織化析出 法(Self-

Organized Precipitation (SORP)法)が開発された 6,7).



高分子を良溶媒に溶解させ，貧溶媒を加えた後，良溶

媒を蒸発除去することにより高分子を貧溶媒中に微粒子として析出させるという極めて検便な方法である. この方法では，二つの条件 (良溶媒と貧溶媒の混

和すること、良溶媒の沸点が貧溶媒よりも低いこと)

を満たせば，添加剤等を必要とせず，様々な材料から

微粒子を得ることが可能である.その際，貧溶媒を適

切に選択することによって，微粒子表面に自発的に機能性部位を担持させることが可能であると考えた.
本研究では，微粒子表面の機能化のための分子として，ペプチドに着目した.ペプチドはそのアミノ酸

Figure 1. Preparation of poly(styrene)-b-peptide
diblockpolymers by using RAFT polymerization method.
Peptide segment: RGDS, SDGR, KKKK, and DDDD.

― 28 ―



２実験方法

倍・3倍と変化させて(THF溶液 (mL)/水 (mL) = 1/2・ジブロックポリマーの合成

2/4・3/6) 微粒子調製を行った. PSt-b-RGDSのTHF

ペプチド連鎖移動剤（peptide-CTA）
および SDGR-

溶液をゆっくりと攪拌しながら，超純水を 1

CTA を Fmoc 固相合成法により合成した. 得られた

mL/minの滴下速度で加え，滴下後さらに 2分間撹拌

ペプチドの分子量はマトリックス支援レーザー励起

した. その後室温で静置しTHFを蒸発させ，ポリマ

イオン化法 (MALDI-TOFMS) スペクトルより，まーナノ粒子分散液を得た. また，スケールを 2倍・3

た，構造確認は 1H-NMR スペクトルにより行った.

倍と増加させるのに伴って，水の滴下速度も 2倍・3

PSt-peptide ブロックポリマーの合成は Figure 1倍と速くして，後は同様に微粒子調製することによに従って行った. 連鎖移動剤として，peptide-CTAっても粒径を制御した.

0.005 mmol， モノマーとして St 4 mmol， 開始剤

ナノ粒子の機能化

として AIBN 0.0025 mmol を混合し，溶媒にアセトポリマーのTHF溶液 (0.1 mg/mL) に，さらに ナンを用いて 1 mL にメスアップした. 凍結脱気を行

イルレッド (NR) や粒径 5 nmのFe3O4 磁性ナノ粒

った後，60 ℃ で 3・6・12・18・48・144 時間重合

子 (MNP) を溶解させ (NR : 0.1 μg/mL, MNP : 0.5

させた.重合後，非溶剤に冷メタノールを用いた再沈

μg/mL)，微粒子化することで，蛍光性，磁性および殿法により精製し，減圧乾燥させることで目的のその両方を有するPSt- peptide ナノ粒子の調製を行

PSt-peptide ブロックポリマーをえた. 構造は 1H-った. THF溶液を攪拌しながら超純水を 1 mL/min

NMR スペクトルにより，また，分子量は GPC によの滴下速度で加え，滴下後さらに2分間撹拌した. 室り評価した.

温で 2日間静置しTHFを蒸発させ，機能性材料を内6253 法によるナノ粒子の調製包したポリマーナノ粒子分散液を得た.その後，ナノ

ポ リ マ ー THF 溶 液 (0.1 mg/mL ま た は 1.0

粒子を遠心分離 (15000 rpm, 30 min) によって回収

mg/mL) 1 mL をゆっくりと撹拌しながら，2 mL のし，超純水に再分散させ洗浄するというサイクルを3

超純水を 1 mL/min の滴下速度で加え，滴下後さら回行うことで内包されていない NRや MNP を除に 2 分間撹拌した. その後室温で二日間静置し THF

去した.

を蒸発させ，ポリマーナノ粒子分散液を得た. なお，

6(0 観察ならびに測定

ポリマーTHF 溶液および超純水は微粒子調製前にSEM観察は，日本電子製JSM7500FDを用いた.

0.450 μm のコスモナイスフィルターを用いてろ過

サンプルは微粒子調製後の分散液をそのまま使用ししたものを使用した.

た.カーボンテープ上にマイカ基板を貼り付け，サン

粒径制御は次のようにした. PSt- peptide のTHF

プル溶液を 1 cm 四方のマイカ基板上に滴下し，そ溶液 (0.1 mg/mL) の量を変化させることでナノ粒のまま乾燥させた.なお，磁性体を内包させたポリマ

子の粒径制御を行った . PSt-b-RGDSのポリマー

ーナノ粒子に関しては，微粒子調製後の分散液を凍THF溶液 (0.25 mL・0.5 mL・1.0 mL・2.0 mL・4.0

結乾燥し，スパチュラでカーボンテープ上に乗せ，エmL) をゆっくりと攪拌しながら，2 mLの超純水をアーコンプレッサーで処理することでサンプリング

1 mL/minの滴下速度で加え，滴下後さらに 2分間撹した. 観察前に厚さ 60 Åで白金スパッタ処理を行い，拌した. その後室温で静置しTHFを蒸発させ，ポリ

加速電圧はサンプルに合わせて 1-3 kVで観察した.

マーナノ粒子分散液を得た.別の方法は，容量と滴下 粒子のゼータ電位は大塚電子株式会社製 ELS-

測度を変化させることにより行った. PSt- peptide

8000 を用いて測定した. 調製した微粒子分散液のTHF溶液 (0.1 mg/mL) についてTHF/水の最終比(0.05 mg/mL) を 1000 倍に希釈し，25℃下，電位 80率は変化させずに，スケール (各液体量) を変化させV で測定を行った. 測定は粒子系測定の積算回数をることによって，ナノ粒子の粒径制御を行った.超純

10 回，ベース測定の積算回数を 5 回，泳動方向テス

水の滴下速度を 1 mL/minで固定し，スケールを 2

トを正負 2 回ずつ行った後，電気泳動移動度の測定― 29 ―

を 5 回，繰り返し回数 4 回で行った. 再現性を測る

も 1.3 以下とよく制御できていることから，リビン

ため，同様の測定を 4 回行った.

グ的に重合が進行したことがわかる.

 蛍光スペクトルは，日本分光株式会社製 FP-8300
型蛍光分光光度計を用いて，1 cm 角の石英セル中で制御された粒径をもつナノ粒子の生成行った. 測定条件は 25℃下、感度 medium，励起バ

粒径制御のために，THF/水の割合を変化させて，ンド 5 nm，蛍光バンド 5 nm，励起波長 530 nm の微粒子調製を行った.

条件で行った.

て，THF 溶液の量を変化させ (0.25 mL および 4.0

Figure 3 に水 2 mL に対し

mL) 微粒子調製した時の SEM 像と粒径分布を示し
た. SEM 像から，0.25 mL では粒径約 50 nm，4.0

３結果及び考察

mL では粒径約 160 nm の粒径の揃った粒子が観察5$)7 重合による 36WSHSWLGH の合成された. また，粒径分布について評価すると THF 溶

Figure 2 (a) に CTA-RGDS を用いた St の RAFT

液の量が少ないときは粒径分布が狭く，THF 溶液の重合により得られたポリマーの GPC チャートを示

量が増加すると粒径分布も広がっていくことがわかした. また Figure 2 (b) にモノマーの重合率に対すった.

る分子量と多分散度の変化を示した. モノマーの重合率に比例して分子量が増加し，かつ理論分子量と

GPC より算出した分子量がよく一致しており，PDI










































Figure 3. Size distributions of PSt-RGDS nanoparticles
by varying THF/water ratio during SORP method.




























Figure 2. RAFT polymerization of styrene with RGDSCTA. (a) SEC charts of PSt-RGDSs obtained at different
polymerization time. (b) Plots of Mn and PDI as afunction of conversion.

Figure 4. SEM images of PSt-RGDS nanoparticles.
THF/water = 1.0 mL/2.0 mL (a), 2.0 mL/4.0 mL (b), 3.0
mL/6.0 mL (c). Drop rate = 1 mL/min.

― 30 ―


また別の粒径制御の方法として，THF/水の最終比

率は変化させずに，スケール (各液体量) を変化させ次に粒子の表面状態に関する知見を得るために，

ることによって粒径を制御した. Figure 4 に 滴下速

PSt-RGDS ナノ粒子 (粒径 80 nm) のゼータ電位の度を 1 mL/min で固定し，スケールを 2 倍・3 倍と測定を行った. レーザー電位計により粒子の電気移変化させて (THF 溶液 (mL)/水 (mL) = 1/2・2/4・

動度 U (cm2/V・s) を計測し，ゼータ電位を求めたと

3/6) 微粒子調製した時の SEM 像を示した. THF 溶

ころ，－51.1 mV であった.PSt-GDS は超純水中液 (mL)/水(mL) = 1/2・2/4・3/6 では平均粒径がそれ(pH 5.6) では Arg が正に，Asp と末端のカルボキシ

ぞれ 100 nm・200 nm・260 nm とスケールが大き

基が負に帯電しており，分子全体で負に帯電してい

くなるにつれて粒径が大きくなっていることがわかる (正味電荷 －1) と考えられることから，ペプチドる. これは 1 mL/min の滴下速度で水を加えていく

部位が微粒子表面に担持されていることが支持されときに，スケールが大きくなるのに伴って，系内の水た. 他の PSt-peptide ナノ粒子についても，ペプチの濃度がゆっくり増加するためだと考えられる. そ

ドの電荷状態に見合うゼータ電位が観察された.

のため生成する核の量が少なくなり粒径が大きくなったと考えられる. そこで，スケールを 2 倍・3 倍と蛍光性 15 や磁性 013 の内包・機能化

増加させるのに伴って，水の滴下速度も 2 倍・3 倍

 次に，得られた PSt-RGDS ナノ粒子の蛍光イメーと速くすることで，生成する核の量を調整し，粒径制

ジングや磁性材料としての有用性を賦与するために，御を試みた. Figure 5 には先述の滴下速度を固定しNR や MNP の内包実験を行った ポリマーの THFた系に加えて，スケールとともに滴下速度も 2 倍・溶液 (0.1 mg/mL) に，NR または NMP を溶解させ3 倍と速くした系の粒径分布を示した. 滴下速度を(0.1 μg/mL)，それ以外はこれまでと同様の条件で微固定して調製した系では，スケールの増加に伴って，粒子化を行った. まず，NR の内包について，蛍光ス

粒径が大きくなるのに対して，スケールとともに滴ペクトルより検討したところ，疎水的な環境に存在下速度も変化させた系では全ての場合において，ほするスペクトルを示し，安定な PSt-RGDS ナノ粒子

ぼ同じ粒径分布であった. このことからも微粒子調

内部への内包を支持したFigure 6 はガラス基板上製の際に生成する核の量を調整することで粒径制御に NR 内包 PSt-b-RGDS ナノ粒子分散液をガラスできることがわかった.

板上にキャストし，同じ場所を位相差および蛍光顕

微鏡観察したものである. 位相差像でナノ粒子の凝


25

THF
1 mL
2 mL
3 mL
2 mL
3 mL


Frequency (%)










20
15

water
2 mL
4 mL
6 mL
4 mL
6 mL

drop rate
1 mL/min
2 mL/min
3 mL/min集が観察された部分からは NR 由来の強い赤色蛍光が見られた.





10




5

0


0

100

200

300

Particle size (nm)400Figure 6. Phase contrast micrograph (a) andfluorescence micrograph (b) of the NR-loaded PSt- RGDS
nanoparticle cast film on a glass plate..

Figure 5Size distributions of PSt-RGDS nanoparticles
by varying the total volume and the drop rate. 㻌
次に磁性を有する PSt-ナノ粒子の調製を行った.

― 31 ―

Figure 7 にその SEM 像と，MNP 内包ポリマー微粒
子の凝集体に磁石を近づけ，その動きを観察した結2) B. Wang, B. Li, B. Zhao, and C. Y. Li, Solid-state

果を示した. SEM 像から，平均粒径 130 nm 程度のgrafting-to and grafting-from methods, J. Am. Chem.
Soc., 130, 11594-11595 (2008).

粒径の揃った粒子が観察された，この粒子の磁性特性を検討した. 画像中央の白い部分が磁性ナノ粒子

3) S. Kango, S. Kalia, A. Celli, J. Njuguna, Y. Habibi, R.
Kumar,の凝集で，そこに磁石を近づけると，磁性ナノ粒子がmodificationofinorganic

nanoparticles for development of organic–inorganic

磁石に引き寄せられ，凝集が下に伸びていく様子がnanocomposites, Prog. Polym. Sci, 38, 1232–1261

観察できた. PSt-RGDS ナノ粒子に磁性を付与することに成功した.

Surface(2013).
4) Y. Wei, Y. Wang, L. Wang, D. Hao and G. Ma,Fabrication strategy for amphiphilic microcapsuleswith narrow size distribution by premix membraneemulsification, Colloids Surf. B: Biointerfaces, 87,

399–408 (2011).

5) Y. Kanakubo, F. Ito and Y. Murakami, Novel one-pot
facile technique for preparing nanoparticles modified
Figure 7. SEM image of PSt-RGDS nanoparticle (a),and photographs of the MNP-loaded PSt-RGDS
dispersions without (b) and with (c) a magnet plate.
with hydrophilic polymers on the surface via block
polymer-assisted emulsification/evapo-ration process,Colloids Surf. B:Biointerfaces, 78, 85-91 (2010).
6) H. Yabu, T. Higuchi and M. Shimomura, Unique４結言

phase-separation

 本研究では，新規なペプチド−ポリマーブロックポ
リマーを合成し，それらのナノ粒子化と機能化を行

structuresofblock-copolymer

nanoparticles, Adv. Mater., 17, 2062-2065 (2005).
7) H. Yabu, Creation of functional and structured

った具体的な成果を以下にまとめる

polymer particles by self-organized precipitation・5$)7 重合法によりテトラペプチドポリスチレン(SORP), Bull. Chem. Soc. Jpn., , 85, 265-274 (2012).
8) Koga, M .Koike, S. Kamiwatari, N. Higashi, Rod-coil

自ブロックポリマーを系統的に合成した
・6253 法を利用して粒径分布の狭いナノ粒子化に成transition-based morphological variation of peptide-

功した

synthetic hybrid block copolymer assemblies in non-

・蛍光色素や磁性ナノ粒子も安定に内包できた

aqueous media” Chem. Lett., 40, 1244-1246 (2011).

これらナノ粒子と細胞との相互については講演時

9) T. Koga, S. Kamiwatari, N. Higashi, Preparation andself-assembly behavior of -sheet peptide-insertedに述べる. amphiphilic block copolymer as a useful polymeric
本研究の一部は， 年度同志社大学ハリス理化学研究所研究助成金の支援を受けて行った ここに

surfactant, Langmuir, 29, 15477-15484 (2013).
10) M. D. Pierschbacher, E. Ruoslahti, Cell attachment
activity of fibronectin can be duplicated by small

記して謝意を表する

synthetic fragments of the molecule, Nature, 309, 30-33 (1984).

参考文献
1) R. Lupitskyy, M. Motornov and S. Minko, Single11) G. Moad, E. Rizzardo, S. H. Thang, Living radical

nanoparticle plasmonic devices by the “Grafting to”
method, Langmuir, 24, 8976-8980 (2008).

― 32 ―

polymerization by the RAFT process, Aust. J. Chem.,
58, 379-410 (2005).

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Effective cultivation for substance production by cytotoxic T lymphocyte
Yoshiro Tahara*(Received September 18, 2020)
Cytotoxic T lymphocyte (CTL) is a major cell in the cellular immunity. Cancer cells, infected cells and damaged cells arelead to apoptosis by CTLs. Development of the effective cultivation method of CTLs attracts much attentions and recently, it has
been reported that activated CTLs produce cytotoxic extracellular vesicles against mesenchymal stem cells in the tumor
microenvironment. The present study focused on the cultivation method and substance production by CTLs. In the most researches,
CTLs are cultivated using the immobilized antibodies (anti-CD3 anotibody). In the present study, however, it was shown that theimmobilization of antibodies is not necessary to produce the number of CD8-positive T lymphocytes and the cytotoxic effectagainst mesenchymal stem cells in the cultural medium.
����������Cytotoxic T lymphocytes, Extracellular vesicles, Mesenchymal stem cell�3���������� 0 ����������������
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_________________________________*Faculty of Science and Engineering, Doshisha University, Kyoto.
E-mail: ytahara@mail.doshisha.ac.jp― 33 ―

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1) S.A. Rosenberg, N.P. Restifo, Science, 348, 62-68

����� ��) �� 0 �����4����� ��)(2015).

��� ���� �� 0 �����T��������42) N. Seo, Y. Shirakura, Y. Tahara, F. Momose, N. Harada,�� � ����T���������������5
�

H. Ikeda, K. Akiyoshi, H. Shiku, Nat. Commun., 9, 435

�� � ����������� ��) �� 0 ���(2018).

��T4����������������T��43) K. Thummler, N. Hantzschel, A. Skapenko, H.

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Schulze-Koops, A. Pich, Bioconjugate Chem., 21,�����T4��) �� 0 �����������

867-874 (2010).

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― 34 ―

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Analysis of the Regulation of Selenoprotein P Translation
by a Novel Noncoding RNA
Yuichiro MITA*(Received September 18, 2020)
Selenium (Se) containing proteins contain Se in the form of selenocystine (Sec), which replaces the sulfur of cysteine with Se.
The incorporation of Sec into proteins takes place in a special form using the Sec insertion sequence (SECIS). We searched a novel
regulation of Sec insertion using SECIS. in cilico analysis revealed that the SECIS of the plasma Se containing protein Selenoprotein
P (SeP) had a noncoding RNA (L-IST) with a complementary sequence in the SECIS. Overexpression of L-IST caused an mRNAindependent decrease in the amount of protein in SeP. Inhibition of ATP synthesis was able to reduce SeP protein by two mechanisms:
a decrease in SeP mRNA and an increase in L-IST. The reduction of protein by L-IST expression was caused by inhibition of mRNAto protein translation. Because SeP is a factor that exacerbates diabetes, suppression of SeP by L-IST is a promising therapeutic target
for diabetes.
.H\ZRUGV：Selenoprotein P, SECIS, translation
キーワード：6HOHQRSURWHLQ36(&,6翻訳

1RQFRGLQJ51$ による 6H 含有タンパク質翻訳制御機構の解明三田 雄一郎はじめにがんの発症リスクが増加することが知られている  

生体を構成する元素は水素・炭素・酸素のように含一方で 過剰に摂取することで糖尿病の発症リスク

有量の多い主要元素 硫黄やリンのような少量元素

の増加や神経障害などの過剰症が起こる   生体内

フッ素やヨウ素のようにごく微量しか含まれていなにおける 6H の至適濃度の範囲は非常に狭く 6H のいが 生命の維持に必須な微量元素に大別すること

ホメオスタシスの維持は生体機能・生命の維持に重ができる 微量元素にはヘモグロビンにおける鉄

要な役割を担っている
6H 含有タンパク質は これまでに  種類存在す

抗酸化タンパク質の合成・機能に必須な亜鉛やセレることが明らかにされている 種類存在している

ン 6H など数多くの元素が含まれている
微量元素の  つである 6H は人間の体内に約 PJ

6H 含有タンパク質はシステインの硫黄が 6H に置き ×   しか含まれていないが 6H が欠損す

換わったセレノシステイン 6HF という形でタンパると重篤な心筋症を引き起こすことや 免疫の異常

ク質中に 6H を含んでいる6HF のタンパク質中への_________________________________* Cystems Life Sciences Laboratory, Department of Medical Life Systems, Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University,
Kyoto
Telephone: +81-774-65-6258, FAX: +81-774-65-6019, E-mail: ymita@mail.doshisha.ac.jp― 35 ―

挿入は翻訳後修飾によってシステインの硫黄が 6H にと 6H3 を発現していないヒト胎児腎臓腫瘍由来置き換わるのではなくP51$ からタンパク質への翻+(. 細胞を用いた細胞への 51$ 及び SODVPLG の訳段階に行われている そのため 6HF は“翻訳さト ラ ン ス フ ェ ク シ ョ ン に は /LSRIHFWDPLQ /7;

れうる  番目のアミノ酸”と呼ばれている ,QYLWURJHQ  も し く は /LSRIHFWDPLQ 51$L0D[

6H 含有タンパク質の ’非翻訳領域 3’UTR)には

,QYLWURJHQ を用いた

ヘアピン構造をとる6HF 挿入配列 6(&,6 と呼ばれる

㻌

特殊な配列が存在し 6(&,6 に 6(&,6 結合タンパク遺伝子およびタンパク質発現解析

質である 6%3 が結合することによって 通常は終

㻌 各 P51$ の発現は UHDOWLPH3&5 法により評価した

止コドンとして機能している 8*$ コドンに 6HF を挿各タンパク質の発現は特異的抗体を用いたウエスタ

入することができるようになる6(&,6 と 6%3 の結ンブロット法により評価した

合力の強さは 6(&,6 の立体構造に依存していること

㻌が知られている 実際に  種類存在する 6H 含有

P51$ 翻訳状態の確認

タンパク質の P51$ に存在する 6(&,6 の塩基配列は

1RQFRGLQJ51$ が P51$ からタンパク質への翻訳に

遺伝子ごとに異なっていることや  それぞれの与える影響は スクロース密度勾配遠心法を用いた

6(&,6 と 6%3 の結合力には違いがあることが報告さ

ポリソーム解析で評価した  

れており 6(&,6 の立体構造を変化させる因子は 6H

㻌含有タンパク質の量を決める因子であることが示唆統計処理

されている 㻌  群間の比較には VWXGHQW’VWWHVW 法を用い 群

そこで 近年注目を集めている QRQFRGLQJ 51$ が以上間の比較には  次元分配解析（$129$）及び

6H 含有タンパク質の翻訳に与える影響の解析を行っ

7XNH\NUDPHU 法で解析を行った S  で統計的たに有意な差とした㻌㻌２実験方法

結果および考察QRQFRGLQJ51$ の同定6HOHQRSURWHLQ3 には DQWLVHQVH 配列を有する㻌  種類存在する 6H 含有タンパク質の 6(&,6 配列

内在性 ORQJQRQFRGLQJ51$ が存在する

と類似配列を持つ内在性 QRQFRGLQJ51$ は%DVLF

 はじめに  種類存在している 6H 含有タンパク/RFDO$OLJQPHQW6HDUFK7RRO %/$67 解析を用いて質の 6(&,6 関連の 51$ をスクリーニングするため

スクリーニングを行った%/$67 解析を行った その結果 FH51$ として働く㻌

可能性のある  種類の 6(&,6 類似配列を持つ 51$ が遺伝子クローニングと LQYLWUR51$ 合成見つかった その多くは 3VHXGRJHQH だった 興味

 %/$67 解析によって同定された遺伝子は6+6<<

深い事に 6H 運搬タンパク質である 6HOHQRSURWHLQ

細胞由来の F'1$ を 3ULPVWDU*;/ 7$.$5$ で増幅し3 6H3 には 6(&,6 配列の DQWLVHQVH配列を持つ 51$

LQIXVLRQFORQLQJNLW &ORQWHFK を用いて SF'1$

である /,67 が見つかった 7DEOH /,67 は約   の %DP+ , サイトに挿入した ,Q YLWUR 51$ 合NE の QRQFRGLQJ51$ で精巣で多く発現している

成は 3ODVPLG を制限酵素で切断し 7UDQVFULSW$LG/,67 は 6H3 がコードされているゲノム領域のアン

7+LJK<LHOG7UDQVFULSWLRQ.LW 7KHUPR を用い

チセンス鎖に存在しているそのため/,67 は 6H3て行った

P51$ の 6(&,6 配列を含む ’UTR と完全に相補的な

㻌配列を有している 各細胞株における 6H3 P51$ と使用した細胞と遺伝子トランスフェクション/,67 の発現を確認したが 両方を発現している細6H3 を発現しているヒト肝細胞癌由来 +HS* 細胞

胞は見つからなかった )LJ ― 36 ―

Table 1. RNAs with SECIS-like sequences

パク質の減少が起こり GDWDQRWVKRZQ 細胞特異性は見られなかった

Fig. 2. Changes in expression of (A) SeP protein and SeP mRNAand (B) Se containing proteins (TR1, TR2, GPx4) in HepG2 cells
when L-IST is overexpressed.

  /,67 は 6H3 P51$ のリボソームとの結合を阻害する
/,67 が転写以降の段階で 6H3 タンパク質を減少させている可能性が示唆されたため6H3P51$ の翻訳段階をP51$ とリボソームの結合を指標に解析す
Fig. 1. Expression levels of SeP mRNA (A) and L-IST (B) in
various cell lines.

るポリソーム解析で評価を行った その結果 /
,67 を過剰発現した +HS* 細胞ではフラクション 1Rの大きいリボソームが豊富に結合している領域の㻌

6H3P51$ が減少していた一方で6H 含有タンパク  /,67 は P51$ 量非依存的に 6H3 タンパク質を減少させる

質の  つ*3[ は /,67 の過剰発現を行っても P51$の分布に大きな変化は認められなかった このこと

㻌 /,67 は 6H3 P51$ に 存 在 す る 6(&,6 配 列 のDQWLVHQVH 配列を持つことから6(&,6 機能への関与が推測された 6H3 の発現している +HS* 細胞に /

から/,67 は 6H3P51$ の翻訳段階特にリボソー
ムとの結合を阻害していることが示唆された )LJ ,67 を過剰発現させたところ6H3 のタンパク質量の減少が見られたが6H3P51$ 量に変化は認められなかった )LJ 
6H3 以外にも 6H を持つたんぱく質が存在するため/,67 が他の 6H 含有タンパク質に与える影響を解析した解析を行った *3[*3[7575 はタンパ
ク質量P51$ 量ともに変化が見られず/,67 は 6H
含有タンパク質全般ではなく 6H3 特異的に転写以降
Ribosomeの段階で 6H3 のタンパク質量を減少させていること

Ribosomeが考えられる )LJ   6H3 を発現していない

Fig. 3. Polysome analysis by sucrose density gradient+(. 細胞に /,67 と 6H3 を過剰発現した際にも

centrifugation (left) SeP mRNA, (right) GPx4 mRNA.

+HS* 細胞と同様に P51$ 量の減少を伴わないタン― 37 ―

$73 合成の阻害が /,67 の発現量を増加させる

標的に上げられているため /,67 の発現を増加さ

 6H3 は糖尿病患者で増加し 糖尿病態を増悪させせることは 糖尿病の新たな治療法になる可能性がる因子であるため 6H3 のタンパク質量を減少さ高い

せる /,67 を増加させることは 糖尿病の新たな治 本研究はハリス理化学研究所科研費鈴木謙

療標的として有用であると考えられる

三記念医科学応用研究財団から研究助成を受けて行 そこで 6H3 を発現している +HS* 細胞に様々なったここに記して謝意を記す

物質を添加し6H3P51$ を増加させることなく/㻌,67 のみを増加させる物質のスクリーニングを行っ参考文献
1) L. H. Duntas, S. Benvenga, “Selenium: an element for life“,た

Endocrine. 48[3], 756-75 (2015).

 その結果 酸化ストレスを誘導する +2 によって
6H3P51$ が減少し/,67 が増加することが分かった2) M. P. Rayman, “Selenium and human health“, Lancet, 379[9822] 1256–68 (2012)+2 はミトコンドリアにおける $73 の合成を阻害することが知られている そこで ミトコンドリア内

3) C. Vindry, T. Ohlmann, L. Chavatte, “Translation regulation of

膜に存在する $73 合成酵素阻害剤である ROLJRP\FLQ

mammalian selenoproteins“, Biochim Biophys Acta Gen Subj,$ で処理を行ったところ +HS* 細胞における 6H3

1682 [11], 2480-2492 (2018).

P51$ が減少し /,67 が増加した このことから

4) N. Fradejas-Villar, S. Seeher, C. B. Anderson, M. Doengi, B.

+2 による酸化ストレスは ミトコンドリアでのA. Carlson, D. L. Hatfield, U. Schweizer, M. T. Howard, “The$73 合成を阻害し P51$ の減少とともに /,67 を増RNA-binding protein Secisbp, differentially modulates UGA

加させることで より強力に 6H3 タンパク質を抑制

codon reassignment and RNA decay“, Nucleic Acids Res. , 45

していると考えられる

[7], 4094-4107 (2017)5) C. Carrieri, L. Cimatti, M. Biagioli, A. Beugnet, S. Zucchelli,
S. Fedele, E. Pesce, I. Ferrer, L. Collavin, C. Santoro, A. R. R.
Forrest, P. Carninci, S. Biffo, E. Stupka, S. Gustincich, “Longnon-coding antisense RNA controls Uchl1 translation throughan embedded SINEB2 repeat“, Nature, 491 [7424], 454-7(2012)
6) Y. Mita, K. Nakayama, S. Inari, Y. Nishito, Y. Yoshioka, N.
Sakai, K. Sotani, T. Nagamura, Y. Kuzuhara, K. Inagaki, M.
Iwasaki, H. Misu, M. Ikegawa, T. Takamura, N. Noguchi, Y.

Fig. 4. Changes in SeP expression by Inhibition of ATP synthesis.

Saito, “Selenoprotein P-neutralizing antibodies improve

Changes in protein and mRNA expression 24 hours after

insulin secretion and glucose sensitivity in type 2 diabetes

stimulation of HepG2 cells with 100 mM H2O2 (A) or 10 μM

mouse models“, Nature Commun, 8 [1], 1658 (2017).

㻌Oligomycin A (B).

㻌結語

LQVLOLFR の解析によって6H3 のタンパク質量を
P51$ 量非依存的に抑制する 新規の QRQFRGLQJ 51$
である /,67 を同定した/,67 は 6H3P51$ とリボ
ソームの結合を阻害することによって 6H3 のタンパ
ク質への翻訳を阻害している 6H3 は糖尿病の治療― 38 ―

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

The Issue in Science Communication between the Expert Committee and theGovernment for Measures against COVID-19
Noriko Noguchi *(Received September 14, 2020)
Scince the first victim of COVID-19 was found in Japan, the government has taken measures by setting up several kinds ofcommittees including the expert committee for measure against COVID-19 mainly consisted of the experts of the infection disease.
Mr. Shinzo Abe, a prime minister of Japan had the press conference 5 times, at which Dr. Shigeru Omi who was a vice-chairpersonof the expert committee explained about infection status and measures from the scientific point of view. The expert committee also
had the press conference 10 times independently. The volunteer group consisted of experts of corona virus has transmitted
information about COVID-19 across the internet at its homepage. It is good for us to have many resources of information but it
may cause confusion sometimes. On 24th June, 2020, three members of the expert committee had the press conference to sum up
their activities and to make a proposal to the government to make clear the role and the responsibility of the government and theexpert committee. At that press conference, surprisingly, they were informed about abolition of the expert committee. Insufficientscience communication between the government and the expert committee is considered as one of reasons for these situations. To
solve these issues, cultivation of science communicators is an important urgent need.
Key words：science communication, expert committee, government, COVID-19
キーワード：サイエンスコミュニケーション,専門家会議,政府,新型コロナウイルス感染症

COVID-19 対策における専門家会議と政府のサイエンスコミュニケーションの問題点
野口範子

1.はじめにの記憶に印象深く残っているだろう. この「専門2020 年 2 月 14 日に内閣府に設置された新型コ家会議」は７月 3 日に正式に廃止され, そのメン

ロナウイルス感染症(COVID-19)対策のためのバー１２人のうち８人は, 同日発足した「新型コ「専門家会議」のメンバーは, 2020 年２月３日にロナウイルス感染症対策分科会」に移り, 尾身茂

厚生労働省内に発足した「アドバイザリーボード」

氏が分科会会長を務めることになった. これに先と同じで, 事務局が厚生労働省から内閣府に変わ立つ 6 月 24 日,日本記者クラブにおいて,「専門家って, 名前が「アドバイザリーボード」から「専会議」の脇田隆宇座長, 尾身茂副座長, そして岡門家会議」となったものである. 4 月の緊急事態宣部信彦氏の３名が,２月からの取り組みの総括を言発令に至るまで, 安倍首相とともに会見に臨む行い, 専門家会議と政府の役割と責任の範囲を明「専門家会議」の尾身茂副座長の姿は多くの国民確にするべきであるなどの提言を行った. この記_________________________________

Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University, Kyoto
nnoguchi@mail.doshisha.ac.jp― 39 ―

― 40 ―

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2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Novel Regulatory Mechanism of Cholesterol Biosynthesis in Cancer Cells
Tsuyoshi WAKU*, Toru HAGIWARA, Yuri ATSUMI, Natsuko TAMURA, Yasuomi URANO, Akira KOBAYASHI(Received August 28, 2020)
Cholesterol serves as a component of cell membrane and a precursor for the biosynthesis of fat-soluble bioactive
substances. Cancer cells enhance cholesterol biosynthesis to maintain its rapid cell growth. However, the regulatory mechanism incancer cells is still unclear. Here, we found that cholesterol biosynthesis in cancer cells is regulated by a transcription factor NRF3
which promotes cancer development. DNA microarray and gene ontology analysis using NRF3 knockdown and/or overexpression
cancer cells indicated that NRF3 induces the expression of enzymatic genes related to cholesterol biosynthesis, including HMGCR
and HMGCS1. NRF3 also increases and activates SREBP2, a master regulator of cholesterol biosynthesis. Furthermore, we foundthe physical interaction between NRF3 and SREBP2 proteins, and the DNA recruitment of NRF3 to its response element adjacentto SREBP2 response element in the promoters of HMGCR and HMGCS1 gene. To investigate the impact of NRF3 on cholesterol
biosynthesis, we performed GS-MS and found that lanosterol, a precursor of cholesterol, is reduced by NRF3, whereas cholesterol
itself is not changed. LDL uptake assay revealed that NRF3 enhances cellular uptake of cholesterol by endocytosis. These results
suggest that NRF3 reprograms SREBP2-mediated cholesterol biosynthesis in cancer cells.
Key words：Cholesterol biosynthesis, Transcriptional regulation，SREBP2, NRF3
キーワード：コレステロール生合成，転写制御，SREBP2，NRF3

がん細胞における新たなコレステロール代謝機構の発見

和久 剛*，萩原 透，渥美 友里，田村 奈都子，浦野泰臣，小林 聡1. はじめにすると SREBP2-SCAP 二量体は INSIG から乖離しゴル

コレステロールは，ステロイドホルモンや脂溶性

ジ体へ運ばれた後，SREBP2 はさらにプロテアーゼ

ビタミンなどの前駆体や細胞膜の構成成分である．

S1P, S2P によって切断される．切断された SREBP2

がん細胞は活発な細胞増殖を維持するために細胞膜タンパク質の N 末端側は核内に移行し，ほぼ全ての成分の要求性が高く，コレステロール生合成を亢進

コレステロール合成酵素を転写することで，細胞内1)のコレステロール量を一定に保っている 3)．

させていることが知られている ．
細胞内コレステロール量は，小胞体膜上に局在す

我々はこれまでに，転写因子 NRF3 が様々な組織のる SREBP2，SCAP，および INSIG によって厳密に感知・腫瘍部位で高発現し，腫瘍増大や転移促進に寄与し．通常時，これらの因子は三量体ていることを明らかにしてきた 4)．また，NRF3 は抗を形成している．細胞内のコレステロール量が減少

酸化剤応答配列（antioxidant response element :制御されている2)_________________________________* Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-6280, E-mail: twaku@mail.doshisha.ac.jp― 43 ―

ARE）に結合することが報告されていた 5)．しかしな
がら，NRF3 の標的遺伝子については未だ不明な点も2.4 ガスクロマトグラフ質量分析 (GC-MS)解析

多いままであった．本研究では， NRF3 をノックダ細胞から脂質抽出を行った後，GC-MSで定量した．

ウンあるいは過剰発現したがん細胞の遺伝子発現解

Cholesterol-d7 と 3β-Hydroxy-8,24-lanostadiene

析から，NRF3 が一部のコレステロール生合成酵素やを内部標準として用いた．

SREBP2 を直接転写していることを見出した．またコ
レステロールやその前駆体であるラノステロールの2.5 LDL 取り込み解析

細胞内量を GC-MS 解析で定量した結果，コレステロ

各細胞を，蛍光色素 Dylight488 でラベルされたコールの細胞内量は NRF3 に影響を受けない一方で，ラレステロールを含む低密度リポタンパク質（LDL）とノステロールの細胞内量は NRF3 によって低下する共培養した後，フローサイトメトリーを用いて細胞ことを明らかにした．さらに，NRF3 は LDL のエンドに取り込まれたコレステロールを定量した．

サイトーシスによるコレステロール取り込みを誘導

3. 結果および考察することも見出した．

3.1 NRF3 はコレステロール生合成経路に関与する

2. 試料及び実験方法

NRF3KD-HCT116 ， NRF3KD-HCT116p53KO お よ び
NRF3OE-H1299 の３条件で DNA マイクロアレイを行い，

2.1 遺伝子発現解析
NRF3 を ノ ッ ク ダ ウ ン し た ヒ ト 大 腸 がん 由 来

NRF3 ノックダウンで発現低下し，かつ NRF3 過剰発

HCT116 細胞（NRF3KD-HCT116）および p53 欠損 HCT116

現で発現上昇する 100 遺伝子を絞り込んだ．次に，細胞（NRF3KD-HCT116p53KO）と，NFR3 過剰発現のヒ

この 100 遺伝子に対して GO 解析を行った結果，NRF3

ト肺がん由来 H1299 細胞（NRF3OE-H1299）を用いては 5 つのコレステロール合成酵素（ACAT2，HMGCR，

DNA マイクロアレイを行なった．Gene ontology（GO）

HMGCS1，IDI1，SC4MOL）の遺伝子発現に関与するこ解析には Web サーバーDAVID を用いた．

とを見出した (Table 1)．以上の結果は，NRF3 がコ
レステロール生合成経路に関与することを強く示唆している．

2.2 クロマチン免疫沈降（ChIP）解析
細胞をプロテアソーム阻害剤 MG132 で 16 時間処理

3.2 NRF3 はコレステロール生合成のマスター制御因した後，抗 NRF3 抗体を用いて ChIP を行った．

子である SREBP2 を直接転写する
SREBP2はコレステロール合成酵素群を包括的に転

2.3 共免疫沈降（Co-IP）解析
3×Flag-NRF3 と 6×Myc-SREBP2（活性型）の発現

写するマスター制御因子である．そこで次に，NRF3

プラスミドを HCT116 細胞に共導入後，抗 Myc 抗体でが SREBP2 の発現や活性化に及ぼす影響を調べた．ウ

免疫沈降し抗 Flag 抗体でウエスタンブロットした．

エスタンブロットによってタンパク質切断前の不活― 44 ―

性型 SREBP2 タンパク質が NRF3 で増加すること（Fig.
1A, Inactive），また ChIP 解析によって SREBP2 プロ
モーターには NRF3 が結合する ARE が存在していることを明らかにした（Fig. 1B）．さらに不活性型 SREBP2と同様，タンパク質切断後の活性型 SREBP2 タンパク
質量も NRF3 によって増加することも見出した（Fig.
1A, Active）．以上の結果から，NRF3 は SREBP2 を直接転写することで SREBP2 のタンパク質量を増加させる．それにより SREBP2 と SCAP のタンパク質量比を相対的に低下するため，SREBP2 の活性化が誘導されたと考えられる．

Fig. 1. NRF3 induces SREBP2 expression andactivation. GFP; Control.
3.3 NRF3 は SREBP2 と協調してコレステロール生合
成酵素を選択的に転写している
上記の結果から，NRF3 過剰発現細胞では SREBP2が活性化しているにも関わらず（Fig.1A），HMGCR や
HMGCS1など一部の合成酵素しか転写誘導されていな
いことが明らかとなった(Table 1)．これらの知見は，
NRF3 が SREBP2 の転写活性に選択性を与えているこ

Fig. 2. NRF3 interacts with active SREBP2 andbinds to ARE adjacent to SRE in HMGCR and HMGCS1
promoters. In (A), aIgG; Control. In (B), ARE;
NRF3 response element, SRE; SREBP2 response
element. In(C), GFP; Control.

とを示唆している．この問題を解決するため，まずは NRF3 と SREBP2 のタンパク質が相互作用するのかを共免疫沈降によって調べた．その結果，NRF3 は活

3.4 NRF3 はコレステロール生合成をリプログラムしている

性 型 SREBP2 と 相 互 作 用 す る こ と を 見 出 し た（Fig.2A）．また HMGCR や HMGCS1 プロモータ内のSREBP2 応答配列（SRE）近傍には NRF3 応答配列（ARE）
が存在していることも見出した（Fig.2B）．そこでChIP 解析を行い，これら ARE には NRF3 が結合することを確認した（Fig. 2C）．以上の結果から，NRF3
はSREBP2と複合体を形成することでHMGCRとHMGCS1

実際に NRF3 がコレステロール生合成経路を変調（リプログラム）しているのかを調べるため GS-MS
解析を行った. その結果，NRF3 過剰発現によってコレステロール量は変化しなかった一方で，コレステ
ロール前駆体であるラノステロール量は有意に減少していた（Fig.3A）．細胞内コレステロールは，生合成以外にも LDL のエンドサイトーシスによって供給を選択的に転写している可能性が示された．

― 45 ―

されることが知られている 6).そこで LDL 取り込み解Y. Gong, R. Aebersold, JL. Goldstein, MS.

析を行った結果，NRF3 がコレステロール取り込みをBrown,“Crucial step in cholesterol homeostasis:

促進していることを見出した（Fig.3B）．

Sterols promote binding of SCAP to INSIG-1, amembrane protein that facilitates retention of
SREBPs in ER”, Cell, 110, 489–500 (2002).
3) JD. Horton, NA. Shah, JA. Warrington, NN.
Anderson, SW. Park, MS. Brown, JL. Goldstein,“Combined

analysisofoligonucleotide

microarray data from transgenic and knockout mice
identifies direct SREBP target genes”, PNAS. 100,
Fig. 3. NRF3 reduces lanosterol, and maintains

12027–12032 (2003).

cholesterol by LDL uptake. In (A), GFP; Control.

4) T. Waku, N. Nakamura, M. Koji, H. Watanabe, H.

In (B), WT (wild-type H1299); Control.

Katoh, C. Tatsumi, N. Tamura, A. Hatanaka, S.
Hirose, H. Katayama, M. Tani, Y. Kubo, J. Hamazaki,
T. Hamakubo, A. Watanabe, S. Murata, A. Kobayashi,

4. 結論
細胞内コレステロール量は，マスター制御因子で“NRF3-POMP-20S

Proteasome

Promotes

ん増悪に寄与する転写因子 NRF3 が SREBP2 と相互作

Ubiquitin-Independent Proteolysis of p53 and用することで，コレステロール生合成酵素の HMGCRRetinoblastoma Protein”, Mol. Cell. Biol., 40,

や HMGCS1 を選択的に発現誘導することでコレステ

e00597-19 (2020).

ロール生合成経路をリプログラムしている可能性を

5) A. Kobayashi, E. Ito, T. Toki, K. Kogame, S.

見出した．一方で NRF3 は，生合成経路のリプログラ

Takahashi, K. Igarashi, N. Hayashi, M. Yamamoto,ムによって細胞内コレステロール量が減少しないよ“Molecular

うにするため，LDL のエンドサイトーシスによる細characterization of a new Cap’n’ collar family

胞外からコレステロール取り込みも促進しているこtranscriptionとを明らかにした．今後の課題は，NRF3-SREBP2 にChem.274,6443–6452 (1999).

よるコレステロール生合成経路リプログラムが腫瘍

6) TC. Walther, RV. Farese, “Lipid Droplets and形成や転移などのがん悪性化にどのような影響を及Cellular Lipid Metabolism”, Annu. Rev. Biochem.,

ぼすのかを検討すること，また NRF3 によるコレステ

81, 687–714 (2012).

ているかを解明することである．
本研究の一部は，科研費および同志社大学ハリス
理化学研究所第４部門の支援を受けて行った．ここに記して謝意を表する．

参考文献
1) CR. Santos and A. Schulze, “Lipid metabolism
in cancer”, FEBS J., 279, 2610–2623 (2012).
2) T. Yang, PJ. Espenshade, ME. Wright, D. Yabe,― 46 ―Development

Axis

ある SREBP2 により維持されている．本研究では，がロール取り込みはどのようなメカニズムで制御されCancerAssemblycloningfactorandNrf3”,

via

functional

J.

Biol.

2020 年度 同志社大学ハリス理化学研究所研究発表会（2020 年 11 月 26 日）

Functional Cell Scaffold from Peptide-Polymer Hybrids
Tomoyuki KOGA*, Hajime KAWAMURA*, Shin-nosuke NISHIMURA*, Yukiko TAKI**, Naoki HOKAZONO**, Nobuyuki
HIGASHI*, Koji YAMAMOTO** and Yusuke Morita**(Received September 17, 2020)
Significant efforts have been applied recently toward designing functional scaffolds that control cell adhesion, shape, andproliferation for tissue engineering and regenerative medicine applications. A hybridization of sequence-controlled peptides andsynthetic vinyl polymers offers promising opportunities to design highly functional cell scaffolds. In this study, we report a universal
technique for modulating the cytocompatibilities of two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) materials using aphotocleavable Arg-Gly-Asp-Ser (RGDS) peptide-poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) hybrid graft copolymer that is
prepared via post-polymerization modification using a click reaction. This strategy was applicable to various hydrophilic andhydrophobic materials, such as 2D-glass plate, 3D-printed poly(lactic acid) and cellulose nanofiber, due to the high film-forming
abilities of the PHEMA unit. The resultant thin film promoted cell adhesion and spreading of MC3T3-E1 and NIH/3T3 cells. In
addition, in vitro cell studies demonstrated the high potential of this method for spatially controlling cell micropatterning and cellsheet engineering by integrating photolithographic techniques. We believe that this work provides a useful method to fabricate
various scaffolds with a photo-controllable cell affinity for soft and hard tissue engineering.

Key words : Peptide, Synthetic polymers, Cell scaffold, Photo-patterning
キーワード：vsaf, ÕĥȘºò, Ʊƽǩçŋĸ, °m_Æ

vsaf−xykHrbfĦƑ,<?ŝƾĢǩçŋĸ.ȅƕÑǥ Ł, ČŌ ņ, ǑŌĤ, ż ƎǤò, ìß ął, Ŏ§ǌ, ĈŊŰÓ, ŖƍŅ čvsaf/țÆõÕĥ,<>ŞŚǲC¾ĝ

1. はじめに ƋȘºò.íś+ŝƾ;ƭƸ+ƲƻŚǲ/țÕƗ+=Ƭ¥,ǡǏ?)(țś

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*Department of Molecular Chemistry & Biochemistry, Doshisha University, Kyotanabe, Kyoto, 610-0321 JAPAN.
**Department of Biomedical Engineering, Doshisha University, Kyotanabe, Kyoto 610-0321 JAPAN.
Tel: +81-774-65-6621, E-mail: tkoga@mail.doshisha.ac.jp, ymorita@mail.doshisha.ac.jp― 47 ―

bQã 2) ¯ŋĸǎȎCƬ¥,vsaf(¨ȔÒƾ)+AȜ6!țŋĸǎȎ,Ă²@!vsaf/°»Ĺ,<>
ģ,ȉÌ(?)=țƱƽ.ĲƚơÅºÆêţ+*țƱƽŮĢCìǸ=¾ĝ(?ĺºòXZc{)+?)CŇę!Ȝ

2.実験方法2.1

アジドを末端に有する光分解性 RGDS ペプチドの合成 7)

 Fmoc-FzjǻǟĂ
(OtBu),

Fmoc-Gly,(Fmoc-L-Ser, Fmoc-L-Asp

Fmoc-L-Arg(Pbf),

Fmoc-β-Ala,

Fmoc-L-Lys(Mtt)), Fmoc-ANP <1 FYftOVǻN3-HA) (3 Ĕǽ) CƹÕÀ, HOBt (3 Ĕǽ) Figure 1. Peptide–polymer hybrids for functional soft-materials.

bQã 3)țyarã

pMwYHzf (DIPC) (3bQã 4,5)țRqeĔǽ) Cƌ' DMF (ȏŞƹÕ?),<.kHrbfxyCƭý,Õĥ?)>țƗƖ.Ǻ¼CŅ?vsafC Fmoc-NH-SAL

;er
6,7)

<1 N,N’-YH]s

(?Figure 1ȜŊƜƤ(/țƋǶÕĢ.Ș

MBHA Ŝƿ,Õĥ!ȜƵ'țTFA/YQ|

OXJa|_Qe(PHEMA),_/TIS (v/v/v =1/98/1) ųÕŸñ( Lys ¬Ȁ. Mtt°ºǖĢ.ƱƽĲƚLUvsafCRqeȀ)æCǀ¦ǣ!ȜȌÙ!Ŝƿ. Lys ¬Ȁ.Fz

'Ă²!kHrbfã.ƱƽǩçŋĸCȅƕjæ) RhB (3 Ĕǽ), 4-(4,6-Y|eOX-1,3,5-eFțčŋĸ)Ʊƽ).ƙ¡ƌ;ƱƽĮÅ.¾ĝC

Y  -2- H  )-4- | a  }  q K  h I { è ǻ èƗĭ!Ȝ

(DMT-MM) (3 Ĕǽ) <1 N-|a}qK Ƌµ(Ʊƽ.Ĳƚêţ.!9.ǩç.ėÁCő

(3 Ĕǽ) C DMF/|_j (v/v=4/1) ųÕŸñ!'?./ƱƽìyebQZ (ECM)(>ț( 24 ŀȆÎĠțǉ°uÆCļ!ȜTFA/.#ƱƽĲƚĢ_mQǦ.%(?qGr

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|_/TIS (v/v/v=8.5/1/0.5) ųÕŸñCƌ

iQa(FN)/ȍď,ēÂ+ƱƽĲƚŮĢCĬ%'Ŝƿ=.vsaf.»>¹Cǌț¶ũť)ƛ=@'?ȜPierschbacher ) Ruoslahti /țƭ Ǐ , < > Ɨ Ɩ . v s a f (N3-HA-ANP-K(RhB)FN  . Ʊ ƽ Ĳ ƚ Ů Ģ , ȇ   '  ? Ǹ  -βA-RGDS-Am) CĜ!ȜŚǲ/ MALDI-TOF MSț1H

Arg-Gly-Asp-(Ser)șRGD(S)Ț.B 3

NMR <1 FTIR ZvQe,<>ǜ¤!Ȝ?)Cǒ¹!
¼Cƌ!ś

8,9)4 Ţæ(

Ȝúț.ƕǒȈțRGD Ǻ+ǩçŋĸ.ȅƕǴD(? 10-12)Ȝ

2.2 可逆的付加-開裂連鎖移動 (RAFT) 重合法を用
7) (/țQbQÎĠC½ƌ!ǼÕĚ¨ȔŪC

いた HEMA と PgA の共重合İƌțƱƽȍĲƚĢ. PHEMA ,°ºǖĢM HEMA(17 mmol), FQǻsC' RGDS vsafCRqeÆ!ȜPHEMA

mmol), 4-XFj-(4-aLu^HaL)v_ǻ/ŨưƳÕĢȘțĥǁĢǃ!9țǓŨ~ƓŨ

(CTPA) (0.02 mmol)<1 AIBN (0.01 mmol) C³ǽ 5

Ģ.ś

+æŋǎȎ2.öù+TcGRŇęmL )+?<, DMF ,Ÿǖț}jyŻđC 4(? ě$'ț.kHrbfxyXZc{

M )!Ȝ.ŸŲCǝȖƪ,ơț¸Ƴǀŧ!Ě

Cƌ?)(țíś+ĕƆVH[.Ş¯Ş,Āƪț60°C (ǼÕ!ȜǼÕĚțŲ

― 48 ―mP(PgA) (3Ʀư(ġ冷することで反応を停止させた．その後，反応溶液を

ポリ L-乳酸(PLLA)
テム製 AF6000 を用いて行った．

ジエチルエーテルへ滴下することで生成したポリマからなる三次元構造物は熱溶解積層方式の 3D-プリーを回収した．DMF を良溶媒，ジエチルエーテルをンター (Replicator Desktop 3D Printer, Maker Bod 社

非溶媒に用いた再沈殿法により精製し，目的のランダ

製) を用いて作製した．

ムコポリマー (poly(HEMA-co-PgA)) を得た．

2.5 細胞実験

2.3 クリック反応による poly(HEMA-co-PgA)への
RGDS ペプチドの修飾
N3-HA-ANP-K(RhB)-A-RGDS-Am (96 nmol), CuBr2(175 nmol), PMDETA (349 nmol) およびアスコルビ
ン 酸 (AsAc) (85 µmol) を 15 mL の メ タ ノ ー ル /水(v/v=5/7) 混合溶液に溶解させ，液体窒素を用いた凍結脱気により溶存酸素を除去した．続いて，この溶液とpoly(HEMA-co-PgA)コート基材をセパラブルフ

マ ウ ス 由 来 骨 芽 細 胞 様 細 胞 (MC3T3-E1, 理 研BRC) お よ び マ ウ ス 由来 繊 維 芽 細胞 (NIH3T3)を80%コンフルエントになるまで，10%のコウシ血清(FBS) (04-001-1A, コスモバイオ株式会社製) および抗生物質(A5995-100ML, シグマアルドリッチジャ
パン株式会社製) を含む -MEM (ライフテクノロ
ジーズジャパン株式会社製)および DMEM (ナカライテスク株式会社製)中にそれぞれ播種した．これら

ラスコに入れ，室温で窒素ガスを30分間バブリングの 細 胞 を 実 験 に 応 じ て 6.0×103 ま た は 3.0×104cells

した．セパラブルフラスコのコックを閉じ，40°Cでcm-2の密度でポリマー薄膜上に播種し，無血清また24時間反応させた．反応後，メタノール/水 (v/v=5/7)
混合溶液，1M-HClaq，1M-EDTAaq (pH 8.0) および蒸は血清培地中で，37°C，5% CO2のインキュベーター
で培養した．生細胞はカルセイン-AMで染色した.

留水の順に10分ずつ浸漬させることで洗浄し，室温で乾燥させた．

3. 結果および考察
3-1. RAFT 重合による poly(HEMA-co-PgA) の精密

2.4 測定合成 7)

H-NMR ス ペ ク ト ル は 日 本 電 子 社 製 FT-NMR

ニトロキシド介在重合(NMP)13)，原子移動ラジカ

AL400，MALDI- TOFMS スペクトルはブルカータル

ル重合(ATRP)14,15) およびRAFT重合16)などに代表さトニックス株式会社製 Autoflex speed を用いて測定れる近年のリビングラジカル技術の発展により，ブ1した．サイズ排除クロマトグラフ(SEC) 測定は日本
分光製 LC-net II/AD (カラム GF-710F, PMMA スタン
ダード)を用いて行った．スピンコート薄膜は，共和理研製スピンコーターK-359S1 を用いて 3000 rpm で調製した．対水接触角測定は，協和界面科学製のDropMaster-501 を用いた．ATR-FTIR スペクトルは
日本分光社製 FTIR-4600 を用いて測定した．光分解

ロックやグラフトポリマーおよびスターポリマーの様な特殊形状のポリマーだけでなく，アルキンのようなラジカルとの反応性が高い官能基を含むランダ
ムコポリマーもリビング的に重合可能になりつつある．
本研究ではRAFT重合法を採用し，連鎖移動剤に反応は，ハンディーUV ランプ SLUV (365 nm，8 W)

CTPAを用いてまずHEMAとPgAのランダム共重合を用いて行った．UV スペクトルは，日本分光社製を行った．HEMAとPgAからなるランダム共重合体

V-650 を用いて測定した．原子間力顕微鏡 (AFM)

はポリマー鎖内にアルキンを有するため，重合後修観察は島津製作所製 SPM-9700 を用いて行った．探飾が可能となる．共重合は，DMF中60°Cで重合時間

針種には OMCL-TR800PSA-1 (曲率半径: <20 nm) をを様々に変化させて行った．得られたポリマーの構

用い，コンタクトモードでスキャン速度 1.0 Hz で測造は1H NMRスペクトルおよびSEC測定により評価定を行った．共焦点顕微鏡は，ライカマイクロシス

した．各重合時間で得られたポリマーのSEC測定を― 49 ―

行ったところ全てのピークは単峰であり，かつ重合

し，水 (pH 3.0) でよく洗浄した． UV照射後におけ時間の増加に伴い高分子量側にシフトした．モノマるフィルムを共焦点顕微鏡で観察したところ，UV

ー転化率に対してMn をプロットしたところ分子量

未照射領域は RhBラベル化ペプチドに由来する蛍は直線的に増加し，比較的多分散度が小さい

光がフィルム全体に均一に観察されるのに対して，(Ð<1.4) ことから，重合はリビング的に進行するこ

UV照射領域は暗くなり，RGDSペプチドがフィルムとがわかった．一方で，PgAユニットの導入率(FPgA)

表面から切断されたことがわかった．輝度値およびはモノマー転化率に対してほぼ一定の値であった．
以上のことから，ポリマー鎖長が制御され，仕込み通りの組成をもつpoly(HEMA-co-PgA)が得られることがわかった．以降の実験では，Mn=101500，Ð=1.31，
FPgA=9.87のpoly(HEMA-co-PgA) を用いた．

FTIR分析からRGDSペプチドの切断率を見積もった
ところ，ほぼ100%であることもわかった．以上の結果より，本手法によりRGDSペプチドの表面修飾とその光制御が容易に実現できることがわかった．
次に，poly(HEMA-co-RGDS)フィルムの細胞接着特性を検討した． MC3T3-E1細胞を6.0×103 cells cm-2

3.2 光分解性 poly(HEMA-co-RGDS) フィルムの作成と細胞接着挙動 7)の細胞密度で播種し，無血清培地中37°Cで24時間培養した．比較としてRGDS未修飾poly(HEMA-co-PgA)
フィルム上でも同様の実験を行った．RGDS未修飾

クリック反応によるpoly(HEMA-co-PgA)フィルム
へのRGDSペプチドの修飾と光切断について検討した．スピンコート法によりポリマー薄膜をガラス基板上に作製した．次に，銅触媒存在下40°Cで末端アジ ド 化 RGDS ペ プ チ ド を 24 時 間 反 応 さ せ た(poly(HEMA-co-RGDS))．続いて，365 nmのUV光をフィルムの半面にフォトマスクを介して30分間照射

フィルムの表面には, HEMAユニットの親水性(対水接触角54°)に起因して，少数の細胞の接着しか観察されなかった．一方で，RGDS修飾フィルムの表面には多数の接着細胞が観察された．接着細胞数は未修飾フィルムに比べて約4〜5倍であり，よく伸展していることもわかった (Figure 3(A))．このことから，クリック反応により導入したRGDSエピトープが細胞接着部位としてフィルム上で有効に機能していることが示唆された．事実，接着した細胞の免疫蛍光染色像(Figure 3(B))より，インテグリンおよびアクチ ン ファ イバ ー の発 現が 認 めら れ， 細 胞接 着がRGDSペプチドとインテグリンとの相互作用を介して生じていることがわかった．UV照射によりRGDS
エピトープを容易に切断でき，細胞接着性を調節できる．UV未照射のフィルムと比較して，明らかに接着細胞数が減少していることがわかる(Figure 3(A))．
この接着細胞数は，ペプチド切断後に生成する表面と同じ構造を有するモデル表面(Figure 2下段)の結果と概ね等しかった．
このように，グラフト型ペプチド−ビニルポリマ
ー・ハイブリッドを用いることで，光照射により材料表面の細胞接着性を任意に制御することができる．
細胞の二次元パターン化や細胞シート工学への応用

Figure 2. Scheme for the modification of alkyne-containing
poly(HEMA-co-PgA) with the RGDS peptide via a click
reaction, and the cleavage of the peptide by UV irradiation.

も可能である．

― 50 ―

Figure 4. Poly(HEMA-co-RGDS) coatings on various 2D- and3D-materials for developing functional cell scaffolds.
Figure 3. (A) Summary of the cell adhesion experiments on
various polymer thin films in serum-free medium for 24 h. A
statistical analysis was performed using the t-test (N=6). Error
bars represent the standard deviation. *p<0.01. (B) Fluorescencemicroscopy image of MC3T3-E1 cells cultured on
RGDS-modified hybrid film. Cells stained with actin filaments(red), cell nuclei (blue), and integrin (green).

には多数の接着細胞が確認された 7). 3D プリンティ
ング技術との融合により，様々な足場材料の設計が可能となろう．
また，本高分子システムのナノスケールの 3D-構造体(ナノファイバー)への適用も検討した. 直径数

3.3．種々の材料表面へのハイブリッドフィルムのコ

十 nm〜数m の極細繊維は、繊維径の減少による比ーティング

表面積の著しい増大による細胞接着性の向上や多孔本グラフト型ペプチド−ビニルポリマー・ハイブ

質構造に基づく高い酸素・栄養等の供給特性が期待

リ ッ ドシ ステ ム は， 生体 親 和性 と成 膜 性の 高いされる．特に，生分解性の天然高分子ナノ素材の活PHEMA からなる高分子薄膜を用いるため，ガラス用は，合成スケールや環境面に対して大きなアドバなどの二次元基材だけでなく，複雑な三次元構造体

ン テ ージ を有 す る． セル ロ ース ナノ フ ァイ バー

やナノスケールの材料表面にも適用できる (Figure(CNF)は，軽量で優れた機械強度を有する再生可能

4)．特に PHEMA は水素結合性が高く，種々の固体

な天然高分子材料として，近年注目されている．こ表面で安定なフィルムを形成する．3D プリンターをの CNF と poly(HEMA-co-RGDS)を組み合わせた足場

用いて生分解性ポリマーである PLLA の三次元構造材料の開発を行うことにした．これまでと同様の手

体 (Figure 4 下段中央)を作製し，細胞接着性の評価

順で，CNF(TEMPO 酸化型)シート上にディップコー

を行った．PLLA 3D-構造物に poly(HEMA-co-PgA)

ト法で poly(HEMA-co-PgA)をコーティングし，そのをディップコートし，クリック反応により RGDS ペ

後クリック反応で RGDS ペプチドを修飾した．Figure

プチドの修飾を行った．共焦点顕微鏡観察より，ク

5 はコーティング前後の SEM 及び共焦点顕微鏡像をリック反応により 3D-構造物全体に RGDS ペプチド

比較したものである．SEM 像より，ナノファイバーを修飾できることがわかった．このペプチド修飾に

表面にポリマーがコーティングされていることがわ

伴い，PLLA 材料表面の細胞接着性(MC3T3-E1)も向かり，また共焦点顕像からも RGDS ペプチドの RhB上した．PLLA 構造物自体は細胞接着性がほとんどに由来する赤色蛍光が CNF シート全体から観察さ見られないのに対し，コーティング後の 3D-構造物

れた．現在，CNF 表面のコーティングの安定性や細― 51 ―

ƽĲƚĢ,%'.ǜ¤ƩțgjqEHlZO~
qKf.ȅƕCǴ9'?Ȝ
4.

おわりに

 Q  b M r  + ° º ǖ Ģ RGDS v s a f )poly(HEMA-co-PgA)Cƌ!ǼÕĚ¨Ȕ,<>RqeãkHrbfxyCǡǏțƱƽǩçŋ
ĸ2.Ġƌ,%'ŗǙ!ȜxyqG{C'țQbQÎĠ,<>RGDSvsafCƬ¥,ŋĸǎȎ,Ă²(ț°Ɓā,<>ģ,ȉÌ?):(?Ȝčŋĸ)Ʊƽ).ƙ¡ƌC¾
ĝ?ĺĨŪ)'Ņƌ(?Ȝ6!ț.Ĩ
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ƾ,?Ȝƈà=+?ƜƤĆȅCǴ9'?Ȝ

Figure 5. SEM and CLMS images of CNF obtained before andafter coating with poly(HEMA-co-RGDS).

 ŊƜƤ.Ǹ/țÖğƟîõkZƉÆõƜƤħ
ƨ 9 Ňƨ 5 Ǹȃ.ĵĳCÐ'ǌ$!Ȝ,ǚ'ǢģCǎ?Ȝ
参考文献
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