hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細胞内カルシウムを光で操作できるマウスの開発

細胞内カルシウムを光で操作するために光感受性機能プローブ、メラノプシンを採用し、細胞種特異的にそれらを発現させるためにテトラサイクリン遺伝子発現誘導システムを採用した。tetO-メラノプシントランスジェニックマウスは、神経細胞tTAマウスとの組み合わせで十分なメラノプシンが誘導され、細胞内カルシウムを光で操作することが出来た。グリア細胞ではメラノプシンの発現誘導が不十分で、機能操作ができなかった。より高い発現を目指してメラノプシン遺伝子座を利用したSTOPtetO-メラノプシンノックインマウスも作成した。予想に反していかなる細胞種においてもメラノプシンの誘導がかからなかった。細胞内カルシウムを光で操作できる遺伝子改変マウスを樹立し、コミュニティーに提供することを目的とした。この目的のため、メラノプシンを細胞種特異的に発現させることができる遺伝子改変システムを構築した。まず最初は、プラスミドを用いた通常のtetOトランスジェニックマウスを作成した。オレキシン神経や海馬CA1錐体細胞にメラノプシンを発現させることに成功し、その神経活動を光で操作することができた。残念ながら、アストロサイトなどの非興奮性細胞に機能変化を引き起こすほどの高い発現量をもってメラノプシンを発現させることはできなかった。より高い遺伝子発現誘導を目指して、メラノプシン遺伝子そのものにSTOP-tetOをノックインする方法を用いた遺伝子改変マウスを作成した。予想に反してこのマウスはいかなるtTAマウスとの交配によってもメラノプシンを誘導させることができなかった。副次的な結果として、ホモ接合体はメラノプシンノックアウトマウスとして樹立できた。tetO-メラノプシントランスジェニックマウス、STOP-tetOメラノプシンノックインマウスともに理研バイオリサーチセンターへ供与し、誰もが使えるように手配した。次にCa透過型チャネルロドプシンを発現する遺伝子改変マウスの作出を試みた。L132C/T159C変異体が現状で最もCa透過性が高いと言われていたので、この変異体を用いてCa上昇記録を試みたが、透過イオンのほとんどがNaイオンで、アストロサイトの機能を操作するレベルのCa濃度上昇が得られなかった。そのためCa透過型チャネルロドプシン発現マウスの作出を断念し、メラノプシン発現マウスの解析実験に労力を費やした。細胞内カルシウム濃度を細胞種特異的に操作する方法が求められている。細胞種特異的に光感受性蛋白であるメラノプシン、もしくはチャネルロドプシンを発現させ、光で細胞内カルシウム濃度を操作するマウス実験系の構築を目指した。tetO-メラノプシンノックインマウスのキメラマウスと野生型マウスを交配し、生殖系列に子孫が伝搬することが確認できた。次に、tetO-メラノプシンマウスとMlc1-tTAマウス(アストロサイト特異的にtTAを発現するマウス)、PLP-tTAマウス(オリゴデンドロサイト特異的)、Iba1-tTAマウス(ミクログリア特異的)をそれぞれ交配させ、ダブルトランスジェニックマウスを得た。それぞれのダブルトランスジェニックマウスの脳を採取し、メラノプシン遺伝子が発現しているかin situ hybridization法で確認したが、全く誘導が得られなかった。一方で、神経細胞特異的tTAマウスとの交配においては、メラノプシン遺伝子がtTA特異的に発現し、光に応答して細胞が興奮したことから、誘導がかかりさえすれば光操作が可能であることが明らかになった。カルシウム透過型チャネルロドプシンを発現するマウスを得るためのターゲッティングベクターを構築できた。そのターゲッティングベクターを用いて、組換えES細胞を選別する実験を行ったが、200クローン中、1つも組換えES細胞を得ることが出来なかった。tetO-メラノプシンノックインマウスが生殖系列に伝わることまでは達成できた。しかし、実績のあるグリア細胞特異的tTAマウスと交配させたところ、メラノプシン遺伝子の発現誘導が得られなかった。tetOマウスをホモに、tTAマウスをホモにしてメラノプシン遺伝子の発現誘導が得られるか待たなければならない。カルシウム透過型チャネルロドプシンを発現するマウスを得るためにターゲッティングベクターを作成できたが、1回目のES細胞スクリーニングでは1つも組換えES細胞を得ることが出来なかった。ターゲッティングベクターの構築について再考を迫られた。メラノプシン遺伝子の発現量を最も高く誘導できる組み合わせの交配を重ね、グリア細胞にメラノプシン遺伝子を発現させる。ES細胞スクリーニングの失敗は、ターゲッティングベクターのhomology armの選択方法の失敗であった可能性が高いことから、homology armの長腕、短腕を逆転させたターゲッティングベクターを構築し、ES細胞スクリーニングを行う。メラノプシンマウスについては引き続き交配を重ね、ホモ同士のダブルトランスジェニックマウスを得る。

遺伝子発現誘導を組織学的に確認する一方で、得られたマウス脳からスライスを調整して光応答実験を行う。カルシウム透過型チャネルロドプシンマウスについては、ターゲッティングベクターを速やかに構築し、ES細胞スクリーニングに移行させる。
脱窒素を伴うアリール化反応の研究と不斉Lewis塩基触媒を用いた不斉合成への展開

これまでに得られた知見より、脱窒素によって反応する官能基をカルボニルα位のジアゾに変更し、遷移金属触媒によるアリール化反応の検討を試みた。市販のN-アルキルアニリンから合成したマロン酸アニリドに対してRegitzジアゾ転移反応によりジァゾ化することで、原料であるジァゾアニリドを合成した。これに対して遷移金属触媒によるアリール化反応の検討を種々おこなったところ、トリフルオロ酢酸パラジウムまたはパラジウムビスジベンジリデンアセトン2.5mol%存在下、テトラヒドロフラン中加熱還流することで所望のアリール化が進行した2-アルキリデンオキシインドールを高収率で得ることに成功した。更なる検討の結果、本反応は芳香環上の各種の置換基およびアルキルケトン・アリールケトンに対しても適用でき、いずれも高収率で目的物が得られることを見出した。本反応の反応機構については未だ不明な点が多く、特に2価のトリフルオロ酢酸パラジウムでも0価のパラジウムビスジベンジリデンアセトンでも反応が同様に進行する点は興味深い。2-アルキリデンオキシインドールは、deoxyviolaceinやtrigonostemonFなどいくつかの天然物のみならずtanidapやhesperadinなどの有用な生物活性化合物に見られる骨格であり、これらを既存の方法よりも比較的安価なトリフルオロ酢酸パラジウムを2.5mol%と低触媒量用いることによって高収率で合成できる点は重要な成果であると言える。当初予定していた官能基の安定性に問題があることが明らかとなったものの、脱窒素前駆体を変更することで効率的な遷移金属触媒によるアリール化反応を見出し、新規なオキシインドール骨格の構築法を確立した。脱窒素を伴うアリール化によるアルキリデンオキシインドール合成法をこれまでに確立したことから、今後は反応の中間体として推定されるパラジウムエノラートを起点とした分子内連続反応による全炭素四級炭素の構築が重要な検討課題の一つとして考えられる。本年度は求核試薬としての各種シリルジアゼンを合成してその安定性や物性を評価・確認すると共に、ベンズアルデヒドなどの単純な基質に対する反応性を確認し、反応が進行するものについてはクロスオーバー実験を行って、アリールアニオンが中間体として存在しているかどうかの知見を得ることを目的として基礎的な検討を行った。計画に従ってシリルジアゼンを実際に合成したところ、本化合物は通常の保存条件下若干の不安定性を有しており、また、その高い沸点により高極性官能基化や分子サイズの増大といった誘導体合成が困難であることが明らかとなった。合成された標準的なシリルジアゼンは、申請者の目論見通り、ベンズアルデヒドなど代表的な求電子剤の単純な添加に対してほとんど反応性を示さなかった。また、この化合物は通常のLewis酸触媒下でも求核剤としての作用を示さない一方で、銅やパラジウムといった遷移金属触媒の添加やテトラブチルアンモニウムフルオリドに代表されるLewis塩基によって脱窒素を伴った連鎖的な分解反応を起こすことが明らかとなり、一部の反応における副生成物の分析によりジアゼンへの求核的あるいはラジカル的な付加反応によるヒドラジン誘導体の生成が示唆された。本研究の目的である脱窒素を伴うアリール化反応の開発を目指す上で、これらの知見は試薬の基礎的性質のみならず汎用的な方法論確立の障害となり得る一定の制限を明らかとするものであり、長期的視点から今後の研究にとって意義深いものであると言える。シリルジアゼン自体に想定外の不安定性が観察され、その合成法確立・反応性検討・誘導化検討に時間を要したため。目標である汎用的な合成法確立に向け、より安定性の高く反応性の低い脱窒素前駆体を用いる必要性が想定されることから、スルホニルヒドラゾンの利用を視野に入れて今後の検討を行う予定である。

脱窒素を伴うアリール化によるアルキリデンオキシインドール合成法をこれまでに確立したことから、今後は反応の中間体として推定されるパラジウムエノラートを起点とした分子内連続反応による全炭素四級炭素の構築が重要な検討課題の一つとして考えられる。
東アジア諸国におけるダーウィン進化論の受容と変容の過程を解明する

おもに韓国を中心として、中国・台湾の事例を参考としつつ、ダーウィン進化論の受容と変容の過程を、研究者への聞き取り調査と文献調査により明らかにした。韓国では動物行動学と社会生物学の両者がほとんど同時に導入されているのが特徴である。1985年が動物行動学の最初の翻訳で、1991年にティンバーゲン、1992年にウィルソン、ドーキンス、1994年にローレンツ、フルディ、ドーキンス、モリス、さらに1995年は進化心理学(バス)も続いている。さらに、反社会生物学も1993年にNot in 0ur Genes、1995年には反社会生物学者を含めたシンポジウムの記録が出されている。もうひとつの特徴は、いくつかのバイパスが存在することである。初期(1990年まで)の文献はおもにフランス語文献からの翻訳で(「フレンチ・コネクション」)、これは、韓国への進化生物学の導入紹介に大きな貢献をしたリー・ビュンフン(全北大学教授・韓国生物多様性研究所長)が、フランスに留学していたことによるのだろう。さらに後期(1990年以降)になっても、英語圏からはクレブス&デイヴィスやメイナード・スミスは翻訳されていない。ウィルソンとドーキンスが中心である。この事情を日本と比較すると、日本では1980年代に正統ダーウィニズム(=進化総合説と、その改良版である社会生物学を導入しなければならなかったという「アクロバット」をしいられたのに対し、韓国では日本からさらに10年遅れて、1980年代後半から90年代前半にかけて、正統進化生物学と動物行動学と社会生物学を、三点セットにして導入した。日本が二重のアクロバットなら、韓国は三重のアクロバットを強いられている。また、韓国ではキリスト教の勢力が強く、その影響も無視できない。創造論はそれなりに盛んで、分子生物学者や生理学者の中には創造論に荷担する学者もいるという。1998年度は、おもに韓国における進化理論の受容と研究の現状について調査をおこなった。進化理論のなかでもとくに注目したのが、社会生物学や人間行動学を中心とする、人間への適用領域である。調査はいまだ予備的な段階をおおきく越えるものとはなりえていないが、韓国を代表する生態学者であるチェ・チェチェイ博士(ソウル国立大学生物学科助教授)や、社会学者のリー・マンガップ博士(ソウル国立大学名誉教授)、生物学者のリー・ビュンフン博士(全北国立大学韓国生物多様性研究所所長、生物学科教授)らへの聞き取り調査を中心に、韓国における社会生物学や進化理論の現状について、かなり正確なアウトラインを描くことができた。現在までに得られている結果は、韓国ではダーウィン進化理論そのものから古典的動物行動学、社会生物学理論、それへの反論、理論的な改訂版である進化心理学などが、すべてほとんど同時期に導入され、渾然一体となって受け入れられてるーといいうものである。その原因として、日本による植民地支配から朝鮮戦争にいたる歴史的・政治的状況が研究や高等教育のインフラ整備を遅らせたことが大きいようである。来年度は今年度の成果をふまえ、韓国において進化理論や人間社会生物学などが実際にどのような反応を受けているのかをさらにくわしく調査するとともに、中国の状況についても調査をおこなう予定である。
納豆菌挿入配列の制御機構の解析

コピー数の大きい納豆菌IS遺伝子群の制御機構を研究する上で、RNA-seq法による網羅的な転写物解析は一度に全ISの転写量を比較できるので非常に有効な手法である。RNA-seq解析はほぼ予定通り進んだ。まず最初に、最少培地で培養した野生株納豆菌から納豆菌全RNAを抽出し受託解析機関で分析した。各ISの発現量(RPMK値)の平均値は、IS4Bsu1が1.2 IS256Bsu1が51.2, IS643-likeが0.5, ISBma2-likeは0(検出されず), ISLmo1-likeは0.2であった。IS4Bsu1とIS256Bsu1が転移能を有する主要なISであることが裏付けられた。しかし、使用した培養条件下ではIS4Bsu1が転移することが推定できる(粘り消失株が現れる)ので、IS643-likeの0.5,およびISLmo1-likeの0.2は無視できるRPMK値ではなく、今後これらが転写されていることをqPCR法などで確認する必要がある。ISBma2-likeの転写産物は検出されなかった。恐らく偽遺伝子であると思われた。一方、転移頻度計測実験系の構築は当初計画よりもやや遅れている。各ISの発現制御の評価系構築のため、2つのプラスミドpQP1およびpQG1を入手した(東農大、吉川教授より分与)。いずれもIS4Bsu1の両末端繰り返し配列の間にレポーター遺伝子(pQP1はLacZ、pQG1はGFP)を連結したもので、転移先でそれらが発現した場合に酵素活性や蛍光を発現する仕組みである(hop-onアッセイ)。納豆菌にpQP1およびpQG1を導入したところ、LacZ活性染色法ではコロニーが部分的に青く染色された。しかし、通常の方法(Miller法)では有意なLacZ活性は測定できなかった。また、フローサイトメーター(Sony CE800)でGFP蛍光を捕らえようとしたが、分析細胞数を100万個まで増やしてもGFPの緑蛍光を有する細胞は検出できなかった。別の方法を検討する必要がある。挿入配列(IS)による細菌ゲノムの多様性獲得メカニズムとその制御機構を解明するためには、IS転移制御の評価系構築が重要である。昨年度に試みたレポーター遺伝子法(IS4Bsu1の両末端繰り返し配列とLacZ遺伝子あるいはGFP遺伝子の融合)の検出感度は低く、IS転移頻度を定量的に評価することができなかった。そこで、今年度はAkashiらによって開発された新しいIS転移検出法(Jumping CAT法、Akashi, Genes and Genetic Systems, 2017)を用いた研究を行った。Jumping CAT法ではレポーター遺伝子としてクロラムフェニコール耐性遺伝子(cat)が使用されているため、検出感度を大幅に向上させることが可能であった。実際、納豆菌ゲノムに組み込んだcat遺伝子が保存的に(コピー&ペースト)転移し、cat遺伝子が多コピー化したことをサザンハイブリダイゼーション法で確認できた。納豆菌ゲノム上で保存的複製を行うISの転移頻度を定量的に測定する評価系(Jumping CAT法)を構築した。Jumping CAT法では、発現調節領域を有しない(プロモーター無)クロラムフェニコール耐性遺伝子(cat)が転移により発現可能となることを利用する。納豆菌Ieeホモログ遺伝子(locus tag, BSNT_10618)の破壊株で観察された転移頻度は約10E-7(クロラムフェニコール耐性細胞数/総細胞数)であった。cat遺伝子が転移先で発現するためには、ゲノム内の構成的に転写される部位に正しい向きで挿入される必要がある。ゆえに、実際の転移頻度はこの値よりも高いと考えられた。加えて、クロラムフェニコール耐性株の中にIS4Bsu1とIS256Bsu1の両方のコピー数が増えていた株が容易に見つかることから、納豆菌BSNT_10618遺伝子は複数種ISの転移制御に関与していることが示唆された。相同性は低いもののBSNT_10618遺伝子はuvrB遺伝子とアミノ酸配列が似ている(ただし、BSNT_10618遺伝子のC末側にはuvrBには存在しないドメインがある)。uvrB遺伝子破壊株はUV感受性が高くなることが報告されている。そこで、BSNT_10618破壊株のUV感受性を調べたところ、野性株と比較してUV感受性に有意な差は認められなかった。大腸菌IeeおよびuvrBはエキソヌクレアーゼ活性を有し、それぞれISのゲノムからの切り出し、UV損傷したDNAの修復を担う。予想に反してBSNT_10618遺伝子破壊株のIS転移頻度が高くなったことは、BSNT_10618がIeeやuvrBと同様に特定のDNA配列に結合する能力を持ちISのゲノムからの切出しを抑制している可能性が示唆し、BSNT_10618遺伝子産物のエキスヌクレアーゼ活性の有無が重要な検討課題として浮上した。本研究では各ISの発現制御の評価系構築が重要である。初年度に試したIS両末端繰り返し配列の間にレポーター遺伝子を組み込んだhop-on実験系(pQP1およびpQG1)は、納豆菌をホスト株として用いた場合には上手く機能しないことが判明した。恐らく、納豆菌細胞内での転移頻度が実験室株より低いことが理由であると考えられた。極最近、新しいIS転移検出法として2017年3月にJumping CAT法が発表された(Akashi, Genes and Genetic Systems, 2017)。

これは、基本的にはやはりhop-onアッセイなのであるが、レポーター遺伝子にクロラムフェニコール耐性遺伝子が使用されているため検出感度を大幅に向上させることが可能である。今後はJumping CAT法を用いて研究を進める予定である。大腸菌でみつかったIS転移を促すタンパク質因子Iee(insertion sequence excision enhancer)の納豆菌ホモログに関する研究をすすめるため、Jumping CAT法による評価系を速やかに構築し、Ieeホモログ欠損株の作成等も平行して進める予定である。RNA-seq実験にについても分析対象株や培養条件を追加して引き続き継続して遂行する。既に、コンピテンスの向上した変異株NAFM73(degQ::Erm)株やいくつかの未発表変異株等からの全RNA精製を終了した。予算的制約のなかでできるだけ多くの株でRNA-seq解析を行いたいと考えている。初年度に行ったRNA-seq法による5種類の挿入配列(IS4Bsu1, IS256Bsu1, IS643-like, ISBma2-like, ISLmo1-like)の発現量検討について、研究代表者がすでに保有する各種変異株、特にコンピテンス誘導に関わる変異株を用いた解析に引き続き取り組む予定である。Jumping CAT法により検出されたクロラムフェニコール耐性獲得株については、転移したcat遺伝子周辺の塩基配列を解析し、末端繰り返し配列の類似性や転移のホットスポット情報を収集する。得られた結果は、すでに知見が得られている枯草菌実験室株(Bacillus subtilis 168)を用いて得られたデータと比較し、IS転移制御の普遍性検証を行う。ところで、実験室株にはBSNT_10618遺伝子が存在しない。つまり、BSNT_10618の前後のゲノム構造は納豆菌、枯草菌実験室の両者間で保存されているものの、BSNT_10618は納豆菌だけに存在する。納豆菌のBSNT_10618は近隣のuvrB遺伝子を元に遺伝子重複によって獲得された可能性が考えられ、ISの多重コピー化との関連性に興味が持たれるところである。そこで、相同性組換えを利用して枯草菌実験室にBSNT_10618を導入し、Jumping CAT法を用いて転移頻度に与える影響を評価する。この実験によって、BSNT_10618の転移抑制機能が直接証明されるだけでなく、様々な実験系の整った実験室株をホストとすることによって研究が加速されと期待できる。効率的な研究費使用を行ったため、残額が発生した。実験を効率よく進めることができたため。次年度、IS転移解析用試薬、消耗品の購入、賃金などに使用する予定。次年度使用額は主に消耗品試薬に使用する予定である。
増殖因子による幹細胞の増殖、生存及び未分化性維持の分子機構の解析

我々のこれまでの研究より、増殖因子のひとつFGFが、様々な組織幹細胞の維持増殖に重要な役割を果たしていることが明らかになっている。本年度は、特に以下の成果を得た。1.哺乳動物初期胚内において、転写因子Cdx2は、Bmp4の転写活性化を起こすことによって、幹細胞ニッチを維持している。これまでに、FGFやBmp4などのサイトカインは、in vitroで組織幹細胞を培養する際に必須の因子であることが示されてきた。しかしこれらサイトカインが、実際に個体内でどのような役割を果たしているか不明であった。哺乳動物の初期胚内では、ES細胞を含む内部細胞塊及び胎盤の幹細胞であるTS細胞が同時に維持されている。我々は、FGF4によって未分化性を維持しているTS細胞内で、FGF4の刺激によってCdx2が発現誘増され、Bmp4のプロモーター領域に結合し、Bmp4の発現を活性化することを見いだした。さらに、Bmp4は分泌されると、近接している内部細胞塊の増殖に重要であることを見いだした。すなわち、内部細胞塊とTS細胞が近接しているニツチにおいて、TS細胞内のCdx2がFGF4の刺激に応じてBmp4を産生し、その微妙なバランスによって、二種類の幹細胞がうまく維持されていることがわかった。2.ドッキング分子FRS2alphaは、神経幹細胞の増殖のみならず自己複製能維持にも重要な役割を果たしている。これまで我々は、FRS2alphaの変異マウスの解析より、FRS2alphaが、神経幹細胞の増殖に重要であることを示してきた。今回、レトロウイルスを用いた強発現系及び、siRNAによるノックダウン法を用いて、FRS2alphaが神経幹細胞の自己複製能維持にも必須であることを見いだした。いくつかの多能性幹細胞において、その維持や増殖、あるいは分化の初期段階において、増殖因子のひとつFGFが重要な役割を果たしていることが最近明らかになってきている。私は、新しいアダプター/ドッキング分子FRS2に注目し、解析した結果、これらの分子がFGFのシグナル伝達に深く関わり、幹細胞を制御していることを見い出している。本年度は以下の結果を得た。1.私は、FRS2alphaの機能を一部分失わせたマウスをgene targetingにより作製、解析している。そのひとつShp2結合部位欠失マウスは、大脳皮質の発生が悪い。このマウスを解析した結果、神経幹細胞の異常があることがわかった。神経幹細胞から、intermediate progenitor cellsへの分化がこのマウスではうまくいかないことがわかり、この分化のステップにFRS2alphaのShp2結合部位が必須であることがわかった。また、in vitroでFGF2存在下にneurosphereの形成能を調べると、この変異マウス由来の神経幹細胞は、小さいneurosphereしか形成できないことから、neurosphere細胞の増殖に、FRS2alpha Shp2結合部位は必須であることがわかった。2.FRS2alphaのノックアウトマウスを作製、解析した結果、FRS2alphaは、胎盤の幹細胞trophoblast stem(TS)細胞の維持に必須であることを見い出した。さらに、FRS2alphaは、FGF4の下流で、TS細胞内で転写因子Cdx2の活性化を介し、この分子がBmp4のエンハンサーに結合することにより、Bmp4の産生を誘導していることを見い出した。さらに、Bmp4は、epiblastに働いて、epiblastの成長を促すことも明らかにした。
大規模攪乱による生態系インパクトに関するマルチスケールの景観生態学的評価

本研究は、高分解能衛星データのGeoEye-1と中空間分解能の衛星データSPOT HRG-2を用いて仙台平野における土地被覆分類図を作成し、異なるスケールの震災前後の景観変化を明らかにした。結果から、海岸沿いにある森林のほとんどが倒壊したことや、広範囲の浸水によってほとんどの水田が耕作不能となっていたと示された。また、景観全体の分断化が拡大し、海岸沿いにより不均質な分布パターンになったことが明らかになった。それらの結果を元に、残存林パッチの分布箇所やパターンなどの現地状況を確認でき、今後それらの場所をホットスポットとして当該地域の自然再生や保全のために重要な基礎情報になると考える。本研究は、2011年3月に起きた東日本大震災で被災した宮城県仙台平野を対象地として、当該地域の再生や新しい都市計画に役立つ土地利用・被覆図などの基礎情報を整備し植生パッチや生息地の動態を景観生態学的観点から評価することを目的とした。平成24年度の研究実績として、中空間分解能の衛星データSPOT/HRG-2(空間分解能:10m)と高分解能衛星データのGeoEye-1(マルチスペクトル:2m、パンシャープン:0.5m)を用いて、広域スケール(約20km×20km)とサイトスケール(約2km×5km)ごとに当該地域の土地被覆分類図を作成し、震災前後の土地被覆変化を明らかにした。その結果、いずれの衛星データも、森林域と農耕地の土地被覆変化が最も大きかった。特に、震災前、海岸沿いに防砂林の森林が確認されるが、震災後は沿岸沿いの森林が壊滅的被害を受けた様子が鮮明に示されている。また、津波の浸水によって高速道路から海岸にわたる範囲にある農耕地は、ほとんど草地になった。各衛星データを用いた震災前後の景観解析の結果から、広域スケールのSPOTとサイトスケールのGeoEyeー1と比べて、GeoEyeを用いたサイトスケールにおける震災による景観構造の変化がより顕著で、森林、草地の孤立化・分断化の影響が大きかった。最後に、昨年度の研究を通じて、解析に必要となる衛星データを入手し、今後の景観構造と津波の関係の定式化と景観変遷のシミュレーションのために重要となる精度の高い土地被覆分類図を作成することができた。本研究は、2011年3月に起きた東日本大震災で被災した宮城県仙台平野を対象地として、当該地域の再生や新しい都市計画に役立つ土地利用・被覆図などの基礎情報を整備し、植生パッチや生息地の動態を景観生態学的観点から評価することを目的とした。平成25年度における主な研究実績については、中空間分解能の衛星データSPOT/HRG-2(空間分解能:10m)と高分解能衛星データのGeoEye-1(空間分解能:0.5m)およびRapidEye(空間分解能:5m)から作成した土地被覆分類図を基に、震災前後の景観変化を計測したうえで、海岸からの距離、標高、津波の浸水高ごとに評価した。解析結果から、海岸沿いにある防潮林(または防災林)の約9割が倒壊したことや、広範囲の浸水によってほとんどの水田が耕作不能となっていたことが明らかになった。また、景観の分断化が拡大し、海岸沿いにより多様な土地被覆タイプが不均質に分布する景観構造になったことが示された。さらに、海岸に近く、標高が低く、浸水が高くなるにつれて津波による土地被覆変化がますます大きくなり、景観も単一の土地被覆タイプがより均一的に分布するパターンとなったことを把握できた。以上から、震災後の景観変化の動態を異なるタイプの衛星データより定量的に解析し、評価することができた。それらの結果を基に、残存林パッチの分布箇所やパターンなどの現地状況を確認でき、今後それらの場所を生物多様性ホットスポットとするなど、当該地域の自然再生や保全のために重要な基礎情報になると考える。当初設定された研究目的に対して、本研究がこれまでおおむね目的に沿って順調に進んでいます。昨年度の研究を通じて、異なる空間スケールの衛星データを入手することができた。それらの衛星データを用いて仙台平野における広域スケールとサイトスケールの土地被覆分類図を作成し、震災前後の土地被覆変化を定量的に把握した。また、空間スケールごとに植生パッチの面積や分断化や孤立化などの景観構造と震災前後の変化も明らかにすることができた。以上の研究成果を、それぞれ国内の景観生態学会や生態学会にて学会発表し、津波によって当該地域にどのような影響をもたらしたか多くの学会参加者や震災の関連者に紹介した。さらに、昨年度の解析により新たな景観解析を行なうための研究手法なども確立でき、今後の研究に重要となる基礎研究を予想どおり進めることができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。今後の研究方策については、これまで得られた広域スケールとサイトスケールの土地被覆分類図を基に、津波による大規模な撹乱と景観構造または景観の不均質性との関係を定式化していく予定である。

本研究の遂行に当たって、当初広域スケールとして丘陵地も含めて地域全体における震災前後の景観構造を調べる予定であったが、これまでの解析結果から被災エリア特に研究対象としての沿岸にある植生域は地域全体に占める割合が少なく、津波の影響が顕著でなかったため、今後主に仙台平野と沿岸域のみを対象に解析を進めていくことにした。具体的には、震災前後の2時期(2010年10月、2011年11月)の衛星データSPOT HRG-2を用いた広域スケール(約9km×21km)と4時期(2010年4月、2011年3月、2012年4月、2013年4月(購入予定))の高分解能衛星データのGeoEyeー1とWorldView-2を用いたサイトスケール(約4km×10km)のような異なる空間スケールの景観構造と津波による大規模な撹乱との関係を明らかにする。また、これらの多時期の衛星データを用いて、当該地域の景観変遷をモニタリングし今後どう変わっていくかを既存モデルを用いて予測する。そのほか、津波による景観構造の変化は海岸からの距離や津波の浸水高や標高などの微地形との関係も提示していく予定である。これらの成果が得られたうえ、順次関連学術論文や学会にて発表し投稿する。現在の所、今年の5月末に開催される日本写真測量学会と6月の日本景観生態学会にて本研究課題の研究成果を発表する予定である。また、今年末までに国際学術誌に論文を投稿する予定である。25年度が最終年度であるため、記入しない。
イオンチャネル型受容体TRPが繋ぐ痒みとアレルギー性炎症のクロストーク

痛覚や痒覚などの末梢知覚は外部からの障害を認知し危険から逃れるための宿主防御反応であるが、時として過剰あるいは異常な反応が起こることがある。アトピー性皮膚炎などの皮膚アレルギーにおいて痒みは最も不快な臨床症状のひとつであるが、そのメカニズムには不明な点が多い。本研究では、末梢知覚に関与することが示唆されるTRPチャネルに着目し、TRPを欠損するアトピー性皮膚炎マウスモデルを用いることで、解析を試みた。痛覚や痒覚などの末梢知覚は、宿主を障害から回避させる機能である。一方炎症も、病原体による侵略の拡大を防ぎ、外敵を処理する宿主の防御反応である。アトピー性皮膚炎では、痒みや炎症が起こり病勢は悪化するが、痒みと炎症は連動することもしないこともある。しかし、末梢知覚と炎症との分子生物学的相互関係は不明のままである。本研究の目的は、末梢知覚とアレルギー性炎症のクロストークを、特に神経や免疫細胞に発現し、局所の温度やpH、酸素濃度などに反応して開閉し知覚を伝達するTransient receptor potential (TRP)チャネルに着目して細胞から生体レベルで解析し、アトピー性皮膚炎における異常な痒みと炎症が連関する機構を新たな角度から解析することである。そこで平成27年度は、強い痒覚と皮膚のアレルギー性炎症が惹起されるアトピー性皮膚炎モデルNC/Tndマウスを用いて、TRPチャネル欠損NC/Tndマウスの作成を進めている。TRPV欠損及びTRPA欠損C57BL/6マウスを用いたNC/Tndマウスへの戻し交配が6世代まで進み、TRPV欠損及びTRPA欠損NC/Tndマウスが作成されつつある。すでに5、6世代目のNC/Tndマウスを用いた予備試験を開始している。また、マウスの作成を行う間にin vitroの実験を進め、NC/Tndマウスの脳神経組織や免疫担当細胞におけるTRPチャネルの発現や、刺激に対する反応性を調べている。この研究により、肥満細胞やマクロファージにもTRPチャネルが発現しており、酸素濃度やサイトカインなどの外部刺激によって活性化すること、TRPチャネルを欠損するマウスから採取した細胞ではそのような変化が起こらないことを見つけている。特に肥満細胞では、酸素濃度応答性にTRPA1が活性化し、脱顆粒が誘導されることを見出し、現在論文投稿中である。TRPV欠損及びTRPA欠損NC/Tndマウスの戻し交配による作成が順調に進んでおり、また皮膚炎病態の惹起やかゆみや炎症等の評価系も問題なく稼働していることから、最終年度での研究成果が見込まれる。またin vitroの実験系においても、検出や評価などの実験系に苦労することなく、順調に進捗している。平成27年度に行ってきたマウスの作成や、in vitro実験をさらに進めるとともに、平成28年度は以下のような計画で実験を遂行する。In vivoの実験では、TRPチャネル遺伝子を改変したコンジェニックNC/Tndマウスを用いて、解析を実施する。解析項目としては、痒覚による引っ掻き行動の画像解析・定量化(SCLABA&#174;-Real解析)、痛覚の画像解析による定量化(SCLABA解析、von Freyテスト、ホットプレートテストなど)と評価を実施し、知覚異常を検出する。また、皮膚炎の人為的誘導あるいは自然発症に伴う皮膚のTRPチャネルの発現や活性化を、免疫組織化学、ウェスタンブロット法、リアルタイムPCR法などで検出する。さらに、TRPチャネルを薬物学的に阻止したり、TRP遺伝子欠損マウスを用い皮膚炎を誘導し、皮膚炎症がどのように修飾されるかを解析する。とくに止痒により、皮膚の慢性炎症に与える影響を解析する。このような計画により、総合的にNC/TndマウスにおけるTRPチャネルの反応性について検証し、痒みなどの知覚とアレルギー性炎症のクロストークに果たすTRPチャネルの役割を明らかにする。臨床獣医学
光誘起還元能を用いた有機・無機ハイブリッド環境負荷低減材料の創成

本研究は、グリーンテクノロジーに資する光誘起還元触媒に対し、物理化学的な視点(相界面制御と電気化学)から性能向上に取り組んだ。その際、「常温作動の二酸化炭素濃縮領域」を形成させ、実用性に富んだ高効率環境負荷低減材料(二酸化炭素還元)の開発を目指してきた。これは、「二酸化炭素を光触媒近傍に濃密に配し、その還元を促進させる」という材料設計コンセプトを、「常温で作動する“K-Al系複合酸化物"」と「共連続メソポーラス孔を有する“光誘起還元触媒"の多孔質ナノ粒子」を複合化することで実現し、取扱いが容易で高効率な二酸化炭素還元材料を提供することを狙いとした。ウェットプロセスを用いた2つの組成の粒子複合化(二酸化炭素吸着材:K-Al系複合酸化物の粒径数μmの多孔質体と、チタン酸ストロンチウム粒子の複合化)の条件探索を進め、そのノウハウを蓄積した。さらに、ウェットプロセス以外での複合化も探求し、一定の知見を蓄積することができた。一方、バナジウム酸ビスマス等を用いたナノ粒子の光電極化について、作製ノウハウを蓄積させた。また、本研究において、「光触媒還元能」と「キャリア寿命」の間の関係を考察していくことを研究目的の主眼の一つに挙げている。本研究で「キャリア寿命」の計測に用いる「マイクロ波光導電減衰法」は、電極や薄膜の形成を必要としない粉末状態(実際に光触媒がワークさせる状態と同じ環境)でキャリア寿命を計測することが特徴であるが、一つの閾値と予想していた「評価手法と解析方法の探索」は、大よそ達成できた。今後、各種の光触媒のキャリア寿命の測定結果を踏まえつつ、電子寿命と光触媒活性の間の学理の追求を深め、関連する相界面の現象メカニズムの解明を進展させて行きたい。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、グリーンテクノロジーに資する光誘起還元触媒に対し、物理化学的な視点(相界面制御と電気化学)から性能向上に取り組んでいる。その際、「常温作動の二酸化炭素濃縮領域」を形成させ、実用性に富んだ高効率環境負荷低減材料(二酸化炭素還元)を開発を目指してきた。これは、「二酸化炭素を光触媒近傍に濃密に配し、その還元を促進させる」という材料設計コンセプトを、「常温で作動する“K-Al系複合酸化物"」と「共連続メソポーラス孔を有する“光誘起還元触媒"の多孔質ナノ粒子」を複合化することで実現し、取扱いが容易で高効率な二酸化炭素還元材料を提供することを狙いとしている。現状、ウェットプロセスを用いた2つの組成の粒子複合化(二酸化炭素吸着材:K-Al系複合酸化物の粒径数μmの多孔質体と、チタン酸ストロンチウム粒子の複合化)の条件探索を進め、そのノウハウを蓄積しつつある。さらに、ウェットプロセス以外での複合化についても、探求を開始した。一方、バナジウム酸ビスマス等を用いたナノ粒子の光電極化についても、作製ノウハウを蓄積させつつある。また、本研究において、光触媒還元能とキャリア寿命の間の関係を考察していくことを研究目的の主眼の一つに挙げている。本研究で「キャリア寿命」の計測に用いる「マイクロ波光導電減衰法」は、電極や薄膜の形成を必要としない粉末状態(実際に光触媒がワークさせる状態と同じ環境)でキャリア寿命を計測することが特徴であるが、一つの閾値と予想していた「評価手法と解析方法の探索」は、ほぼ終了させることができた。今後、各種の光触媒のキャリア寿命の測定を進め、電子寿命と光触媒活性の間の学理の追求を進展させていきたい。ウェットプロセスを用いた粒子複合化(チタン酸ストロンチウムと二酸化炭素吸着材)の条件探索は、一定の進展を得ている。一方、バナジウム酸ビスマスのナノ粒子の光電極化についても、作製ノウハウの蓄積が進んできている。また、本研究において、光触媒還元能とキャリア寿命の間の関係を考察していくことを研究目的の主眼の一つに挙げているが、マイクロ波光導電減衰法を用いた「キャリアライフタイム」の計測において、電極形成を必要としない粉末状態の無機系光触媒の評価が、可能であることを確認している。

本研究で「キャリア寿命」の計測に用いる「マイクロ波光導電減衰法」は、電極や薄膜の形成を必要としない粉末状態(実際に光触媒がワークさせる状態と同じ環境)でキャリア寿命を計測することが特徴であるが、一つの閾値と予想していた「評価手法と解析方法の探索」は、ほぼ達成できた。今後、各種の光触媒のキャリア寿命の測定を進め、電子寿命と光触媒活性の間の学理の追求を深め、関連する相界面の探求も同時に進展させていきたい。ウェットプロセスを用いた粒子複合化(チタン酸ストロンチウムと二酸化炭素吸着材)の条件探索は、一定の進展を得ている。一方、バナジウム酸ビスマスのナノ粒子の光電極化についても、作製ノウハウの蓄積が進んできている。また、本研究において、光触媒還元能とキャリア寿命の間の関係を考察していくことを研究目的の主眼の一つに挙げているが、マイクロ波光導電減衰法を用いた「キャリアライフタイム」の計測において、電極形成を必要としない粉末状態の無機系光触媒の評価が可能であることをすでに確認し、関連する相界面制御についても、新規の基礎的知見が得られている。本研究は、グリーンテクノロジーに資する光誘起還元触媒に対し、物理化学的な視点(相界面制御と電気化学)から性能向上に取り組んだ。その際、「常温作動の二酸化炭素濃縮領域」を形成させ、実用性に富んだ高効率環境負荷低減材料(二酸化炭素還元)の開発を目指してきた。これは、「二酸化炭素を光触媒近傍に濃密に配し、その還元を促進させる」という材料設計コンセプトを、「常温で作動する“K-Al系複合酸化物"」と「共連続メソポーラス孔を有する“光誘起還元触媒"の多孔質ナノ粒子」を複合化することで実現し、取扱いが容易で高効率な二酸化炭素還元材料を提供することを狙いとした。ウェットプロセスを用いた2つの組成の粒子複合化(二酸化炭素吸着材:K-Al系複合酸化物の粒径数μmの多孔質体と、チタン酸ストロンチウム粒子の複合化)の条件探索を進め、そのノウハウを蓄積した。さらに、ウェットプロセス以外での複合化も探求し、一定の知見を蓄積することができた。一方、バナジウム酸ビスマス等を用いたナノ粒子の光電極化について、作製ノウハウを蓄積させた。また、本研究において、「光触媒還元能」と「キャリア寿命」の間の関係を考察していくことを研究目的の主眼の一つに挙げている。本研究で「キャリア寿命」の計測に用いる「マイクロ波光導電減衰法」は、電極や薄膜の形成を必要としない粉末状態(実際に光触媒がワークさせる状態と同じ環境)でキャリア寿命を計測することが特徴であるが、一つの閾値と予想していた「評価手法と解析方法の探索」は、大よそ達成できた。今後、各種の光触媒のキャリア寿命の測定結果を踏まえつつ、電子寿命と光触媒活性の間の学理の追求を深め、関連する相界面の現象メカニズムの解明を進展させて行きたい。現状では、大幅な分担等の役割変更の必要性は、積極的な理由が存在しない。ウェットプロセスを用いた粒子複合化(チタン酸ストロンチウムと二酸化炭素吸着材)の条件探索や、バナジウム酸ビスマスのナノ粒子の光電極化の作製ノウハウの蓄積が進んできているが、昨年度に検討した以外のプロセスも含め更なる最適化を模索し、光触媒能の向上を試みる。
トライボ分子膜の分子層間摩擦・減耗修復特性の測定に関する研究

前年度の研究において,分子の配列構造に依存した凝着摩擦特性を測定するための課題として,摺動ピンの加重行程の位置決め精度や,繰り返し着脱時の再現性が最重要であることが判明した.これらを確保するために,下記の2点について改良を行った.まず,アームの篏合方法を改造して,アームの着脱に対して摺動子の位置の再現性を向上した.つぎに,アームの上方に静電容量式変位センサを新たに設置して,アームの垂直変位を直接測定することとした.これにより,接触点の同定精度は大幅に向上し,凝着力・摩擦力ともに,5μNの分解能での測定が可能となった.本装置を用いて,分子潤滑膜の配列構造の形成に伴う摩擦特性の変化を解明するために,極性潤滑剤PFPE Zdol2000と無極性潤滑剤PFPE ZO3の2種類を用いて,磁気ディスク表面に厚さ2nmの単分子層潤滑膜を形成し,摩擦特性の経時変化を測定するとともに,摩擦力と配列構造化との相関を明らかにした.得られた結果を要約すると以下のとおりである.(1)ZO3の摩擦力は,時間経過に依存せず,外部荷重の増加とともに線形に増加する.これは,無極性潤滑剤が固定分子を形成できないことに対応しており,流動分子のみから構成された潤滑膜の特徴といえる.(2)Zdol2000の摩擦力は,膜形成直後では,ZO3と同様に荷重に対して線形的に増加するが,時間経過にともない,摩擦力が増加するとともに,荷重の増加に対して飽和するような非線形関係に移行する.(3)Zdo12000の摩擦特性の経時変化は,ボンド膜厚と極性表面エネルギーの経時変化によく対応しているため,時間経過に伴う配列構造化の進展に起因するものと考えられる.固定分子の形成が進展すると,摩擦力が増加するとともに,荷重の変化に対してゴムのような弾性体に類似する摩擦特性を示すようになる.潤滑剤分子の配列構造に基づく分子層間摩擦を測定するためには,分子層の表面に接して摺動させる機構,および超低荷重化にともない顕在化する凝着力(法線力)と微小化する摩擦力(接線力)を測定する2軸の力検出機構が必要である.接触摺動機構としては,pin-on-disk方式を採用することとし,力検出機構の構成を中心にして試作を繰り返しながら,2軸力の検出機構の感度や再現性の向上を進めた.また検出した摩擦力の連続データの採取,load/unload操作の自動化,荷重増加ステップの自動化などの操作プログラムを作成した.1)凝着力検出機構ヘッドディスクインタフェース(HDI)への適用を想定して,設定可能荷重上限10mN,凝着力検出感度0.01mNを確保することとして,検出機構を設計した.変位拡大機構を装備したピエゾアクチュエータの50μmの稼働範囲において,摺動ピンの背面の変位をレーザ変位計で測定する方法により,接触開始点・分離開始点を同定して,再現性の分散0.02mNを実現した.変位拡大機構の蛇行的な送り,これに伴うレーザ反射面の擬似的変位などに問題が残されている.2)摩擦力検出機構摩擦の検出は,接線方向に可撓性を付与した起歪体の変位を高感度の静電容量変化の変位計で測定する方法を採用し,12000point/cycle(約6μm間隔)の分解能で100cycle分の連続データ採取が可能なシステムを構築した.3)凝着力・摩擦力の測定精度PFPE潤滑膜厚さ26nm,荷重範囲sub-mN領域において,試行的な実験を行い,凝着力に関しては,膜厚さや潤滑剤の種類に依存せず,おおむね0.2mN程度であるが,摩擦力に関しては,これらに依存して,大きさが0.020.08mNに及ぶとの結果を得た.しかし試料交換時の再現性に問題が残されており,定量的な比較は今後の課題である.前年度の研究において,分子の配列構造に依存した凝着摩擦特性を測定するための課題として,摺動ピンの加重行程の位置決め精度や,繰り返し着脱時の再現性が最重要であることが判明した.これらを確保するために,下記の2点について改良を行った.まず,アームの篏合方法を改造して,アームの着脱に対して摺動子の位置の再現性を向上した.つぎに,アームの上方に静電容量式変位センサを新たに設置して,アームの垂直変位を直接測定することとした.これにより,接触点の同定精度は大幅に向上し,凝着力・摩擦力ともに,5μNの分解能での測定が可能となった.本装置を用いて,分子潤滑膜の配列構造の形成に伴う摩擦特性の変化を解明するために,極性潤滑剤PFPE Zdol2000と無極性潤滑剤PFPE ZO3の2種類を用いて,磁気ディスク表面に厚さ2nmの単分子層潤滑膜を形成し,摩擦特性の経時変化を測定するとともに,摩擦力と配列構造化との相関を明らかにした.得られた結果を要約すると以下のとおりである.(1)ZO3の摩擦力は,時間経過に依存せず,外部荷重の増加とともに線形に増加する.これは,無極性潤滑剤が固定分子を形成できないことに対応しており,流動分子のみから構成された潤滑膜の特徴といえる.(2)Zdol2000の摩擦力は,膜形成直後では,ZO3と同様に荷重に対して線形的に増加するが,時間経過にともない,摩擦力が増加するとともに,荷重の増加に対して飽和するような非線形関係に移行する.

(3)Zdo12000の摩擦特性の経時変化は,ボンド膜厚と極性表面エネルギーの経時変化によく対応しているため,時間経過に伴う配列構造化の進展に起因するものと考えられる.固定分子の形成が進展すると,摩擦力が増加するとともに,荷重の変化に対してゴムのような弾性体に類似する摩擦特性を示すようになる.
非平衡ガラス状態に凍結されたミクロボイドの制御に関する研究

本研究ではより効率的なミクロボイド制御の方法論を確立することを目的とする。まず、CO_2を多量に収着させた状態から一気に解放する(CO_2圧処理)ことによりガラス状高分子に本来存在するミクロボイドに加え、CO_2由来のミクロボイドが生成されるために、気体収着量並びに透過性が向上するのを確認した。CO_2圧処理により新たに生成されたミクロボイドのより詳細な知見を得るため、Xeガスを収着させて^<129>Xe NMRスペクトルを観測し、検討を加えた。^<129>Xeはその周りの環境によって化学シフト値が大きく変化するので、ミクロボイドに関する知見を得る上で有効な手段である。CO_2圧処理された膜中の^<129>XeNMRピークは未処理膜(徐冷膜)のものより高磁場側に現れ、その線幅は狭くなった。この原因については今後更なる検討が必要であるが、現段階ではミクロボイドの増大とその分布により理解される。一方、ミクロボイド制御の他の方法として、剛直な主鎖に種々の側鎖を導入することで、分子鎖の凝集形態(パッキング)をより疎なものにする方法を試みた。いくつかのポリイミド膜を合成・調製し、その気体輸送特性を検討した結果、主鎖構造が剛直かつ直線的であるポリイミドに対して、比較的短く剛直な側鎖をランダムに適量導入することが、効率的なミクロボイド制御の重要な指針といえた。さらに2種のポリマーを混合(ポリマーブレンド)することによるミクロボイド制御の可能性も検討した。ブレンドするポリマーの組み合わせによって、ミクロボイドが増減するいくつかの事例を発見した。また、結晶性高分子の中にはその結晶中に気体が溶解できるもののあることを明らかにした。結晶構造が有する形・サイズの規制された空隙は、最も高度に制御されたミクロボイドといえる。なお、この結晶構造は気体のみならず、いくつかの有機分子をも高度に分子認識して分離できる可能性も指摘できた。本研究課題ではより効率的なミクロボイド制御の方法論を確立することを目的とする。CO_2ガスを吸着させたまま液体窒素温度まで急冷すると本系は非平衡状態にガラス化し、ミクロボイドを形成する。吸着したCO_2ガスをガラス状態で脱着昇華させるとその跡はさらにガラス状高分子に存在する未来のミクロボイドとなりうる。従って本プロセスはガラス状高分子に存在する本来のミクロボイドとCO_2ガス由来のミクロボイドの相乗的ミクロボイドの制御が可能である。これらのプロセスを複合化させることによりさらに広範囲なミクロボイドの制御を行いミクロボイドの制御の一般則を確立することを最終目的とする。ポリカーボネート、ポリフェニレンオキサイド等のガラス状高分子の急冷凍結法による急速なガラス化の際の液体状態の処理温度が高い程、多くのミクロボイドを有するガラス状態の達成が明らかになった。この膜の吸着挙動が2元吸着機構で表され、ミクロボイドの量だけの変化によって説明された。透過挙動は急速なガラス化によるミクロボイドの変化を反映して、透過係数を増加させることができた。その膜の透過機構は部分不動化透過モデルによって表現できた。当初計画したミクロボイドの制御については概略達成できることが判明した。今後より広範囲の制御を目指した技術的な検討をする必要があるだろう。

学術上の問題点としてはミクムボイドのサイズとその分布の制御とその膜への気体の吸着・拡散・透過機構との関連をより詳細に検討すべきである。本研究ではより効率的なミクロボイド制御の方法論を確立することを目的とする。昨年度までに、炭酸ガスを多量に収着させた状態から一気に解放する(炭酸ガス圧処理と呼ぶ)ことによりガラス状高分子に本来存在するミクロボイドに加え、炭酸ガス由来のミクロボイドが生成されるために、気体収着量並びに透過性が向上するのを確認し、ミクロボイド制御の一方法を示すことができた。本年度は炭酸ガス圧処理により新たに生成されたミクロボイドのより詳細な知見を得るため、Xeガスを収着させて^<129>XeNMRスペクトルを観測し、検討を加えた。^<129>Xeはその周りの環境によって化学シフト値が大きく変化するので、ミクロボイドに関する知見を得る上で有効な手段である。炭酸ガス圧処理された膜中の^<129>XeNMRピークは未処理膜(徐冷膜)のものより高磁場側に現れ、その線幅は狭くなった。この原因については今後更なる検討が必要であるが、現段階ではミクロボイドの増大とその分布により理解される。一方、ミクロボイド制御の他の方法として、分子骨格が剛直であるポリイミドを用いた検討を行った。即ち、剛直な主鎖に種々の側鎖を導入することで、分子鎖の凝集形態(パッキング)をより疎なものにし、結果としてミクロボイドを制御する方法である。いくつかのポリイミド膜を合成・調製し、その気体輸送特性を検討した結果、主鎖構造が剛直かつ直線的であるポリイミドに対して、比較的短く剛直な側鎖をランダムに適量導入することが、効率的なミクロボイド制御を指向する上での重要な指針といえた。まず、CO_2を多量に収着させた状態から一気に解放する(CO_2圧処理)ことによりガラス状高分子に本来存在するミクロボイドに加え、CO_2由来のミクロボイドが生成されるために、気体収着量並びに透過性が向上するのを確認した。CO_2圧処理により新たに生成されたミクロボイドのより詳細な知見を得るため、Xeガスを収着させて^<129>XeNMRスペクトルを観測し、検討を加えた。CO_2圧処理された膜中の^<129>XeNMRピークは未処理膜(徐冷膜)のものより高磁場側に現れ、その線幅は狭くなった。一方、ミクロボイド制御の他の方法として、剛直な主鎖に種々の側鎖を導入することで、分子鎖の凝集形態(パッキング)をより疎なものにする方法を試みた。いくつかのポリイミド膜を合成・調製し、その気体輸送特性を検討した結果、主鎖構造が剛直かつ直線的であるポリイミドに対して、比較的短く剛直な側鎖をランダムに適量導入することが、効率的なミクロボイド制御の重要な指針といえた。さらに2種のポリマーを混合(ポリマーブレンド)することによるミクロボイド制御の可能性も検討した。ブレンドするポリマーの組み合わせによって、ミクロボイドが増減するいくつかの事例を発見した。
レドックス活性高分子を修飾した生体高分子ハイブリッドの合成と電子移動制御

本研究は、抗体タンパク質である免疫グロブリンG(IgG)および酸化還元酵素であるグルコースオキシターゼ(GOD)に、片末端にレドックス活性基を有する単分散PEOを位置選択的に修飾し、これら生体高分子機能が保存あるいは改変された新規三次元ナノ組織体である生体高分子ハイブリッドを創製することにある。修飾IgGでは、抗原認識能が保存されたハイブリッド組織体を得、レドックス活性基の電子移動反応の検討を通し、免疫複合体形成を電気化学的に直接検出した。電子メディエーターとなるレドックス活性基を有するGODでは、未修飾GODにはみられない無酸素下での酵素活性発現さらにはレドックス活性基の電子移動反応による酵素機能のon-off制御を検討中である。本年度は、レドックス活性PEOの合成、生体高分子ハイブリッドの合成・精製法の確立および得られたIgGハイブリッドの電子移動反応を明らかにした。(1)レドックス活性PEOの合成:片末端に定量的にレドックス活性基、他の末端に水酸基を有するPEOは、フェロセニルメタノールあるいはフェノチアジンを出発物質、KOH等の塩基を触媒としたエチレンオキシドのアニオン開環重合によって合成した。(2)生体高分子ハイブリッドの合成・精製法の確立:レドックス活性PEOの片末端の末端水酸基をカルボキシル基に変換することによってIgGおよびGOD中の、それぞれのリジン残基への選択的修飾を行うことができた。限外濾過あるいはゲル濾過を行う事により精製法を確立した。(3)IgGハイブリッドの電子移動反応:(2)で得られたIgGハイブリッドの電子移動反応を、エレクトロケミカルワークステーションを用いて検討した結果、抗原-抗体反応を直接、電気化学的に検出することができた。