hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
伝染性軟属腫ウイルスDNAポリメラーゼの機能解析

昨年までの研究で、伝染性軟属腫ウイルスのDNAポリメラーゼ遺伝子をin vitroで発現させ、DNAポリメラーゼの活性を[<32>^P]dATPの伸長DNAへの取り込み量によって定量する実験系を確立した。さらにこの系を用いて、ウイルスのDNAポリメラーゼ活性が20-50μMのアシクロビル、ビダラビン、シドフォビルの三リン酸化物で抑制されることを確認している。平成20年度は、MCVの増殖抑制効果を判定するための組織染色法を確立した。実際にウイルスに完成したヒトの皮膚を用い、伝染性軟属腫ウイルスのearly, intermediate, late遺伝子の発現の局在および時間的変化について検討した。これら3種類の遺伝子のmRNAは表皮ケラチノサイト内で同じような挙動を示すこと、すなわち基底層の直上1-5層に位置する有棘層で強く発現し、ウイルス粒子の成熟化につれて発現が減弱することが判明した。また、ヒト乳頭腫ウイルスの場合と同様、late遺伝子に比べearly遺伝子の発現がはるかに多いことも明らかになった。今後は、in vitroでみられたウイルスDNAポリメラーゼ阻害作用がin vivoでもみられるかどうか、すなわちヒトの皮膚において伝染性軟属腫ウイルスの増殖を抑制するかどうかについて検討する予定である。平成17年度までの当該研究において、伝染性軟属腫ウイルス(molluscum contagiosum virus, MCV)のDNAポリメラーゼ遺伝子(MC039L)を蛋白発現プラスミドpGEM-3Zに挿入し、T7ポリメラーゼを用いて試験管内で大量のmRNAを合成した。続いてウサギ網状赤血球のlysateを用い、mRNAをもとに蛋白を発現させ、authenticな蛋白の発現を電気泳動によって確認した。平成18年度には、発現させたDNAポリメラーゼによるDNA伸長反応を、^<32>Pを用いて定量化することに成功した。また、牛痘ウイルス(cowpox virus, CPV)および単純性ヘルペスウイルス(herpes simplex virus, HSV)-1のDNAポリメラーゼの機能についても同様の方法で確認を行った。このようにして確立したDNAポリメラーゼのアッセイ系を用い、予定どおり核酸類似物質(既存の抗ウイルス剤も含む)による抑制効果の有無についてスクリーニングを行った。今回は対照実験として、HSV-1のDNAポリメラーゼ活性がacyclovir, vidarabine, cidofovirの三リン酸化物で抑制されることを確認できた。来年度以降は、核酸類似物質の濃度によって抑制効果がどのように変動するのか、またMCVやCPVのDNAポリメラーゼに対する抑制効果はどの程度みられるかについて、さらに検討を行う予定である。昨年までの研究で、伝染性軟属腫ウイルス(molluscum contagiosum virus, MCV)、牛痘ウイルス(cowpoxvirus, CPV)、単純ヘルペスウイルス(herpes simplex virus, HSV)-1のDNAポリメラーゼ遺伝子MC039L, CPXV075, UL-30を蛋白発現プラスミドpGEM-3Zにそれぞれ挿入し、T7ポリメラーゼを用いて大量のmRNAを合成後、ウサギ網状赤血球のlysateを用いて蛋白を発現させた。このようにして発現させたDNAポリメラーゼによるDNA伸長反応を、^<32>Pを用いて定量した。その結果、DNAポリメラーゼ反応はpH8.5,37°Cで最大となること、および反応時間とともに直線的に増加し、20分の反応時間で十分な活性が得られることが分かったので、以下この条件で検討を行った。はじめに対照実験として、HSV-1のDNAポリメラーゼ活性が20-50μMのacyclovir(ACV),vidarabine (Ara-A), cidofovir(CDV)の三リン酸化物で抑制されることを確認した。次にMCVおよびCPVのDNAポリメラーゼに同じ濃度のDNAポリメラーゼ阻害剤を加えたところ、HSV-1の場合と同様にDNAポリメラーゼ活性が抑制された。このことからACV, Ara-A, CDVはいずれもMCVとCPVの増殖抑制作用を示す可能性があると結論される。来年度以降はDNAポリメラーゼの活性中心の同定と、in vivoにおけるDNAポリメラーゼ阻害活性について検討を行う予定である。
細胞老化により規定される個体老化の分子基盤の解明とアンチエイジング創薬への応用

若い細胞と老化細胞の間での発現の違いをもとに新奇細胞老化関連因子の同定を行った。本因子群は、細胞老化の進行時ばかりでなく、糖尿病患者由来組織においても高発現しており、新たな加齢性疾患発症を制御しうる因子と考えられた。また細胞老化を規定する因子を含むものであることも明らかになった。さらに、細胞老化因子として同定したTAK1を中心とした細胞老化プログラムのネットワークを明らかにした。個体老化に対する細胞老化プログラムの寄与の解析(1)新規細胞老化因子の同定ヒト正常線維芽細胞(TIG-1)をモデル細胞として用い、若い細胞および分裂老化を引き起こさせた老化細胞から膜タンパク質を抽出し、1次元及び2次元電気泳動に供した。若い細胞及び老化細胞との間で発現量に差の見られるバンド及びスポットを切り出し、TOF-MAS解析によりタンパク質の同定を行い、16種類の細胞老化特異的タンパク質候補を同定した。(2)新規細胞老化特異的タンパク質の発現解析若いTIG-1から継代を続け、継代毎にRNAを抽出し、TIG-1の分裂老化に依存した遺伝子発現変化を反映するRNAプールを調製した。ここで調製したRNAがTIG-1の分裂老化に伴う遺伝子発現変化を反映しているかは、細胞老化マーカーとして知られているCDKインヒビターp21及びp16の細胞老化に伴う発現増強により確認した。これらRNAを用い、ここで取得した細胞老化特異的タンパク質に相当する遺伝子の発現変化を追跡した。その結果、細胞老化とともに発現増強する遺伝子が9種類、発現低下する遺伝子が5種類存在していることが明らかとなった。これら14種類の遺伝子は細胞老化特異的遺伝子と考えることができた。(3)新規細胞老化特異的遺伝子の糖尿病組織での発現上記16種類の遺伝子の、糖尿病患者由来筋肉組織及び膵臓組織での発現解析を行った。その結果、ここで同定されたほとんどの遺伝子が、糖尿病患者由来組織において発現増強していることが明らかとなった。つまり、糖尿病患者の組織では、細胞老化と同等の遺伝子発現変化及び表現型変化が行っているものと考えることができた。(1)新規細胞老化因子の機能解析これまでに同定した細胞老化関連因子の機能解析を行った。まず上記遺伝子の発現ベクターを構築し、ヒト正常線維芽細胞(TIG-1)に導入した。その結果、細胞老化マーカーとして知られるSenescence associatedβ-galactosidase(SA-β-Gal)活性の発現増強を伴う細胞老化をTIG-1に誘導しうる遺伝子が数種存在することが明らかとなった。さらにそれぞれの細胞老化関連因子の発現を抑制しうるshRNAをデザインし、レトロウイルス発現ベクターに導入後、レトロウイルス発現システムによりそれぞれの細胞老化関連因子に対するshRNAをTIG-1細胞に導入した。ポジティブコントロールとしては,細胞周期制御因子であり、細胞老化関連因子として知られるp16及びp21に対するshRNAを導入した。その結果、p16及びp21に対するshRNAを導入したTIG-1細胞においては、細胞増殖の大幅な亢進とSA-β-Ga1活性の抑制が認められ、これらshRNAの導入により、TIG-1細胞の細胞老化が回避されることが明らかとなった。さらに当研究室において同定した細胞老化関連因子についても同様の解析を行った結果、p16及びp21と同様にTIG-1細胞の細胞老化を回避しうるshRNAの同定に成功した。以上の結果から、shRNAの導入によりTIG-1細胞の細胞老化誘導を阻害しうる細胞老化関連因子は、細胞老化プログラムを規定する新たな細胞老化因子であると考えることができた。(2)細胞老化誘導ネットワークの解析これまでの申請者独自の研究で、MAP3Kに属するTAK1が細胞老化プログラムにおいて非常に重要な役割を担っていることを明らかにしてきた。本研究では、TIG-1細胞において、細胞老化に伴いTAK1を活性化しうる因子の探索を進め、活性酸素の蓄積及び炎症性サイトカインの産生が,TAK1の活性化を誘導し、細胞老化を誘導しているという新たなネットワークの一端を明らかにすることができた。
臓器別インスリン受容体欠損が全身糖利用に及ぼす影響

安定同位体13Cで標識されたグルコースを投与後に呼気へと排出される13CO2を測定する試験を13C-GBTと呼ぶが、我々これまでに13C-GBTを用いた動物実験に成功している。そこで、種々の臓器におけるインスリン作用の低下が個体レベルの糖利用に及ぼす影響を解明することを目的に本研究を行った。後天的に臓器特異的にインスリン作用を低下させたマウスで13C-GBTを行ったところ、これらのマウスでは個体レベルのグルコース酸化を増加することが判明した。これらの結果から、多量のグルコースの酸化とCO2産生が行われている組織が存在することが示唆された。13Cは自然界に存在する炭素原子の同位体の約1.1%を占める。13Cを用いた呼気試験は既に臨床応用されているが、近年、グルコースに13Cを配置したグルコース(13C-グルコース)を用いた呼気試験(13C-GBT; 13C-glucose breath test)が開発された。13C-GBTでは、摂取した13C-グルコースは酸化されて最終的に13Cで標識された二酸化炭素(13CO2)として呼気に排出されることから、呼気中の13CO2を測定することで投与した13C-グルコースの各臓器における酸化の総和を経時的に評価することが可能となる。13C-GBTは(1)非侵襲的(2)簡便(3)検査や解析が短時間で済む(4)放射性同位体である14Cとは異なり検査に伴う被爆がない、などの点で従来のインスリン抵抗性評価法よりも優れている。研究代表者らは、マウスに13C-グルコースを負荷して呼気への13CO2排出を再現性良く観測することに世界で初めて成功した。耐糖能悪化の経過に伴う個体レベルでのグルコース酸化の変化を検討するために後天的に肝臓でインスリン受容体をノックアウトさせたマウスを作製し13C-GBTを施行した。後天的肝臓特異的インスリン受容体ノックアウトマウスではmRNAレベルおよびタンパクレベルで実際に臓器特異的にインスリン受容体の発現が低下することや、インスリン受容体の下流シグナルが実際に減弱することを確認した。後天的肝臓特異的インスリン受容体ノックアウトマウスでは血中13C-glucoseが上昇しており、呼気13CO2排出も増加していた。以上より、肝におけるインスリン作用の低下は個体レベルでのグルコース酸化を亢進させることが明らかとなった。tamoxifen誘導型Cre-loxPシステムを用いて後天的肝臓特異的インスリン受容体ノックアウトマウスの作製に成功した。このマウスではmRNAレベルおよびタンパクレベルで実際に臓器特異的にインスリン受容体の発現が低下することや、インスリン受容体の下流シグナルが実際に減弱することを確認した。また、13C-グルコースを用いた呼気試験(13C-GBT)を行い、後天的肝臓特異的インスリン受容体ノックアウトマウスで呼気13CO2を測定した。13C-GBTにおける13C-グルコース投与方法には、経管投与、腹腔内注射、静脈注射など様々な方法があるが、投与経路を変えることで呼気13CO2濃度に差異が生じることを確認した。さらに、13C-GBTを数日ごとに繰り返し、インスリン受容体をノックアウトしてからの期間に伴う経時的変化も確認した。骨格筋はインスリンの標的臓器としては肝臓と並んで重要で、これまでにも先天的に骨格筋特異的にインスリン受容体をノックアウトさせた遺伝子改変マウスを用いた研究が行われてきた。しかし、これらのマウスでは発生過程もしくは生後早期に何らかの代償機転が生じている可能性が高く、インスリン受容体を欠損させた組織でのインスリン作用低下の効果を直接評価しているかは疑問が残る上、先天的ノックアウトマウスから得られる知見をそのままヒトの病態の理解に当てはめることは必ずしも適切ではない。そこで、後天的に骨格筋特異的にインスリン受容体をノックアウトさせた遺伝子改変マウスを作製することとし、実際にtamoxifen誘導型Cre-loxPシステムを用いて後天的骨格筋特異的インスリン受容体ノックアウトマウスの作成に成功した。このマウスにおいて、mRNAレベルおよびタンパクレベルで臓器特異的にインスリン受容体の発現が実際に低下することを確認した。13C-glucose呼気試験(13C-GBT)は、炭素の安定同位体である13Cで標識されたグルコース(13C-glucose)を経口投与し、呼気に排出されたCO2の同位体比を測定する試験で、測定結果は全身における13C-glucose酸化の総和を反映する。13C-GBTはヒトの研究においてもインスリン感受性を簡便に評価する手段としてすでに活用されている。しかし、個体を形成する個々の臓器のインスリン作用低下が、呼気13CO2排出にどの程度の影響を及ぼすのかについて検討した基礎的な研究はこれまで行なわれておらず、ヒトにおける13C-GBT結果の意義付けの観点から詳細な解析が望まれていた。空腹のZDF fatty ratに13C-GBTを行ったところ、肝13C-glucoseクリアランスが低下していた一方で呼気13CO2排出は増加しており、肝でインスリン作用が低下すると全身におけるグルコース酸化は増加することが示唆された。そこで、この仮説を直接的に検証すべく肝臓で後天的にインスリン受容体をノックアウトしたiLIRKOマウスで13C-GBT(空腹時)を行なったところ、呼気13CO2排出の増加が見られた。次に、iLIRKOマウスで認められた呼気13

CO2排出増加の責任臓器が骨格筋である可能性を考え、肝臓と骨格筋の両方で同時にインスリン受容体をノックアウトしたiLMIRKOマウスを作成した。予想外に、iLMIRKOマウスでも呼気13CO2排出増加は全く減弱せず、むしろ相加的に増加していた。以上より、肝臓/骨格筋いずれにおいてもインスリン作用の低下は、個体レベルでのグルコース酸化を増加させることが示唆された。これらの結果は、肝臓、骨格筋以外に多量のグルコースを酸化しCO2を産生する組織が存在することを示唆するものと考えられた。安定同位体13Cで標識されたグルコースを投与後に呼気へと排出される13CO2を測定する試験を13C-GBTと呼ぶが、我々これまでに13C-GBTを用いた動物実験に成功している。そこで、種々の臓器におけるインスリン作用の低下が個体レベルの糖利用に及ぼす影響を解明することを目的に本研究を行った。後天的に臓器特異的にインスリン作用を低下させたマウスで13C-GBTを行ったところ、これらのマウスでは個体レベルのグルコース酸化を増加することが判明した。これらの結果から、多量のグルコースの酸化とCO2産生が行われている組織が存在することが示唆された。糖尿病患者や肥満患者は全身レベルのインスリン抵抗性を有するが、それは単一の臓器や組織における異常に起因するものではなく、むしろ複数の臓器や組織での異常が複雑に絡み合って個体レベルでのインスリン抵抗性を形成していると考えられる。それゆえ、後天的といえども単独のインスリン標的臓器でインスリン受容体をノックアウトさせたマウスが肥満糖尿病患者の病態を的確に反映しているとは言えず、複数のインスリン標的臓器で同時にインスリン受容体をノックアウトさせることで患者の病態に近いモデルが得られる。現在までに研究代表者らは後天的肝臓特異的インスリン受容体ノックアウトマウスを用いて肝臓におけるインスリン抵抗性が個体レベルのグルコース酸化におよぼす影響を、呼気13CO2濃度を測定することで評価しているが、今後は他臓器におけるインスリン抵抗性が個体レベルでのグルコース酸化におよぼす影響を検討していく。具体的には、当該年度に作成した後天的骨格筋特異的インスリン受容体ノックアウトマウスを用いて骨格筋におけるインスリン作用不全が個体レベルでのグルコース酸化におよぼす影響を、呼気13CO2濃度を測定することにより評価していく。また、後天的に肝臓および骨格筋の両方でインスリン受容体をノックアウトさせたマウスを作製し、個体レベルでのインスリン抵抗性の複雑な病態におよぼす影響を検討していく。臓器特異的なインスリン受容体ノックアウトが全身におけるインスリン抵抗性にどのように寄与するかを明らかにすることを試みることにより、ヒトにおいても個々のインスリン標的臓器におけるインスリン作用の低下が全身での糖尿病の発症や病態に寄与するメカニズムの解明を目指す。さらには、インスリン抵抗性を基盤とする2型糖尿病の新規の診断法や病態評価法の基盤となる知見の創出を目指す。糖尿病
代数曲線符号に対する限界距離復号法のシストリックアレイによる高速並列実現

他方、本研究課題と関連の深いテーマについても並行して研究を進め、電気通信大学紀要および電子情報通信学会英文論文誌に発表した。前者は、今までは専ら硬判定に対する誤り訂正のみを考えていたのに対し、消失と誤りの両方とも訂正する軟判定復号の高速化を扱い、後者はランダム誤りだけでなくバースト誤りの訂正も目指すものである。なお、前者についてはTechnical University of DenmarkおよびAuburn Universityの研究者との共著論文を作成中であり、やはりISIT-97において発表する予定である。これらの直列アルゴリズムも並列化が可能であると考えられ、今後このような拡張も含めて高速並列アルゴリズムを構築していくつもりである。
界面電子移動と機能発見

研究会を5度開き討論を深め実り多い総合研究となすことができた。高分子/溶液界面の電子移動と機能。導電性高分子と被覆電極の電解合成と特性の研究、イオン交換高分子被覆電極の電気化学特性の研究から、これら高分子被覆電極の複合化と機能化へと研究が進展した。電池エレクトロクロミック表示素子への応用研究が活発になってきた。分子集合体/溶液界面の電子移動と機能発現。種々の機能性を想定してデザインしたLB膜の調整とその電子機能性の研究が大きく進展し、LB膜修飾電極の有用性が明らかになった。粒径が5ナノメ-トル以下の半導体超微粒子の光学特性、光電気化学特性に関する研究から、いわゆる量子サイズ効果が多数明らかになった。生体関連物質/溶液界面の電子移動と機能発現。グルコ-スオキシダ-ゼのような酵素、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドのような補酵素あるいはチトクロムCのような蛋白質と電極との間の電子移動を容易に行わせる方策として、適宜な電子プロモ-タ、電子メディエ-タを介在させる方法が種々検討され、これに適した物質が多数見出された。導電性ポリピロ-ルと酵素との間で電子移動が生じることも明らかになった。エネルギ-蓄積物質/溶液界面の電荷移動と機能。二酸化鉛の酸化還元反応機構の詳細を解明し、電池に適した非水電解液の研究を行った。また、リチウム二次電池の正極活物質として有望と考えられている二酸化マンガンとリチウムとの複合体を合成し、電気化学特性を明らかにした。半導体/溶液界面のダイナミックスと機能。時間分解分光計測による電荷移動過程の追跡によりエネルギ-ギャップ依存性が明らかになった。STMやルミネッセンス分光法を適用して表面準位の解明も進展した。メモリ-効果のある光電気化学プロセスも見出された。各自研究分担課題に関する研究内容につき時間をかけて討論を行い,今後の研究課題を浮かび上らせた.(1).高分子/溶液界面カチオン性電気化学活性種を固定したナフイオン膜の電導が主として電子ホッピングによること,多数の芳香族化合物の電解重合膜を調製し膜内および界面電子移動を定量的に評価するとともにポリピロールの導電性とモルフォロジーが膜内に取り込まれるアニオンによりいちぢるしく変化すること,などが明らかになった.(2).分子集合体/溶液界面粘土修飾電極上でのイオン性反応種の電荷移動は粘土の帯電状態により影響されること, LB膜のフォトダイオードを組み立て,その性能におよぼす要因を電気化学的に解析したこと,および,走査型トンネル電子顕微鏡を用いると界面電子移動における電極表面状態のかかわりを明らかにできること,などの成果を得た.(3).生体関連物質/溶体界面ポリピロール膜中に固定化したグルコーズオキシターゼが電気化学活性を示すこと,フェロセンのレドックス反応に対するNADHの電極触媒作用と電荷移速度の評価を行い,チトクロムCの電子移動におよぼす種々のプロモータの効果を詳細に評価した.(4)エネルギー蓄積物質/溶液界面絶縁性の硫酸鉛の酸化はその粒界部から進行していくことなど二酸化鉛極の充放電反応機構の詳細を明らかにし,種々の金属酸化物・硫化物の放電曲線の測定と分類を行うとともに,リチウム二次電池に用いうる有機溶媒の特性ずけを進めている.(5)半導体/

溶液界面吸着した励起色素から半導体への電荷移動がマーカス理論に従わないこと,酸化チタン電極上での酸素発生に電極表面内にそう入されたOHラジカルが関与すること,およびSiCの光電気化学特性を調べたことなど,多数の成果を得ている.研究分担者各自が自己の研究分担課題について研究を進めるとともに、総合研究(A)の主旨にのっとり、時間をかけた討論の会を2度持った。(1)高分子/溶液界面ポリピロール膜の導電性が膜に取り込まれる電解質アニオンの共役酸のpkaにより変化すること、ポリアニリン、ポリアズレンなどの高分子膜中へのアニオンの取り込み速度を高め得る電界合成条件を見出したこと、また、種々の高分子被覆電極における電極反応速度の評価を行った、ことなど多数の成果を得た。(2)分子集合体/溶液界面ドナー、アクセプタ、光増感分子から成るLB集積膜の光ダイオード機能が分子の配列の仕方により変わること、粘土層内に取り込まれた酸化チタンの光触媒反応では粘土層間の反応立体規制効果が現われること、などが明らかになった。(3)生体関連物質/溶液界面ジオフォラーゼとメディエータの相互作用を電気化学手法を用いて解明し、プロモータ修飾電極を用いてチトクロムCの各種成分の電気化学挙動および電極界面機能を明らかにし、さらに、補酵素(NADH)とメディエータ(メルドラブール)を固定したポリピロール膜における電子移動機能を明らかにした。(4)エネルギー蓄積物質/溶液界面擬斜方晶系のLi_xMnO_<2-δ>はリチウム電池系で高い減極能を示し充放電可能なこと、および鉛電池正極の充電反応が放電時に生成する硫酸鉛の形状に大きく影響されることを見出すとともに各種非水電解液のリチウム極放電特性におよぼす効果を明らかにした。(5)半導体/溶液界面励起色素から半導体への電子注入の実験から新しい電子移動理論を導き出した。また、酸化チタン光電極上での酸素発生機構に対して新しいモデルを導出するとともに、光電解重合膜によるパターン形成を考案した。研究分担者が各自の研究課題について研究を進めるとともに、研究成果についての討論の会を開催し、総合研究としての成果の結実につとめた。高分子/溶液界面の電子移動と機能。トリフルオロ酢酸を含む非水電解液を用いる電解重合により、導電性の電気化学活性なポリアニンが得られること、電解重合で調整したポリピロ-ルと酸化タングステン粉末との複合体膜のエレクトロクロミズムが酸化タングステンの含有量によって系統的に変化することなどが見出された。分子集合体/溶液界面の電子移動と機能。LB膜で構成したフォトダイオ-ドの研究を光合成の初期過程のシミュレ-ションに発展させたこと、粘土層間に固定した酸化チタンや酸化鉄の超微粒子の光触媒活性は触媒の帯電状態によって著しく変わること、STMにより電極表面状態を原子スケ-ルで評価できること、などが見出された。生体関連物質/溶液界面の電子移動と機能。ジアフォラ-ゼ固定化電極により電解的に再現性よくNADHの定量ができること、チクトロムCの電極反応におけるプロモ-タの役割は、タンパク質の電極表面上への吸着抑制によること、およびポリピロ-ル中にメディエ-タと酵素の両者を固定すると酵素のレドックス反応が容易に起こることを見出した。エネルギ-蓄積物質/溶液界面の電子移動と機能。
飽和炭素-水素結合の多様な高選択的直接官能基化法の開発

新しい分子変換法の開発は、有機化合物の革新的な合成戦略を提供する。その中でも化学的に不活性なC(sp^3)-H結合の変換は、現代有機合成化学においても未だに困難である。有機化合物に普遍的に存在するC(sp^3)-H結合を、C(sp^3)-X結合(X=C, O, N,ハロゲン等)に直接変換できれば、これまで合成困難とされてきた新規化合物の効率的創出が可能となる。我々はC-H活性化剤として、高い電子求引性をもつオキシルラジカル種に着目した。オキシルラジカル種により基質の電子豊富なC-H結合を選択的に開裂させ、生じる炭素ラジカル中間体を多様なラジカル受容体により捕捉する計画である。昨年度は、ラジカル受容体としてアゾジカルボン酸ビス(2,2, 2-トリクロロエチル)を用いるC(sp^3)-Hアミノ化、およびSelectfluorを用いるフッ素化反応を新たに見出した。これらの反応においては、オキシルラジカル種として、N-ヒドロキシフタルイミドの1電子酸化により反応系中で発生する、フタルイミドN-オキシルラジカルを用いた。これまでの研究を踏まえ本年度は、オキシルラジカル種として光励起したベンゾフェノン、ラジカル受容体としてビスフェニルスルホニルエチレンを用いる、C(sp^3)-H結合の直接アルケニル反応を新たに見出した。本反応によって生成するスルホニルアルケンは、続くスルホニル基のラジカル置換反応によりプレニル誘導体に変換可能な、優れた合成中間体である。本年度は新たにアルケニル化反応を見出すことに成功した。これにより、オキシルラジカル種をC(sp^3)-H結合官能基化に利用する手法の、高い応用性を示すことができたと考えている。本年度は最終年度であるが、以下のような計画を立てている。現在までに開発した反応群は、すべて分子間・2成分の反応である。今後は、分子内反応に応用することで化学選択性のさらなる向上を狙う。また、ラジカル受容体を2種類同時に用いることで、3成分連結反応への応用を試みる。その際は、2種の異なるラジカル受容体の反応性をコントロールすることが最重要であると考えている。反応性の乏しいC-H結合の直接官能基化は、高度に酸化された天然物の効率的合成に有効である。本研究の目的は、C-H結合の高選択的なラジカル的活性化により発生させた炭素ラジカルを、種々のラジカル受容体に付加させる統一的手法により、網羅的な官能基化を達成することである。これまでに、N-ヒドロキシフタルイミド(NHPI)と硝酸(IV)セリウムアンモニウム(CAN)の組み合わせを用いる、ベンジル位C-H結合の直接硝酸エステル化反応を新たに見出している。本反応では、NHPIのCANによる一電子酸化により、系中において生成するフタルイミドN-オキシルラジカル(PI-NO)が、C-H結合のラジカル的活性化剤として機能する。本年度はこの知見を踏まえ、酸素官能基や窒素官能基をはじめとする、多様な官能基が共存するベンジル化合物を基質として用い、本反応の化学選択性を調べた。基質の芳香環の置換パターンによる反応性の比較や、ヘテロ芳香環に隣接するC-H結合の反応性も明らかにした。生成物である硝酸エステルは、還元的処理によりアルコール、置換反応によりアジドやニトリルへ変換可能な、有機合成的に重要な中間体である。さらに、NHPIとアゾジカルボン酸ジエチル(DEAD)の組み合わせを用いる、C-H結合の直接的な窒素官能基化反応を新たに見出した。本反応系において、DEADは一電子酸化剤およびラジカル受容体として機能する。すなわち、NHPIはDEADによる一電子酸化を受け、PINOに変換される。PINOは基質のC-H結合から水素原子を引き抜き、炭素ラジカルを与える。生じた炭素ラジカルがDEADに付加することにより、C-N結合を形成しヒドラジン誘導体へ変換される。様々な基質を検討した結果、ベンジル位C-H結合、プロパルギル位C-H結合、不活性炭化水素に含まれるC-H結合の、直接的な窒素官能基化に成功した。さらに反応機構解析を行うことにより、提唱機構の妥当性を確認した。有機化合物に普遍的に存在するC(sp3)-H結合を、C(sp^3)-X結合(X=O,N,ハロゲン等)に直接変換できれば、これまで合成困難とされてきた新規化合物の効率的創出が可能となる。我々はC-H活性化剤として、高い電子求引性をもつ丼オキシルラジカル種に着目した。μオキシルラジカル種により基質の電子豊富なC-H結合を選択的に開裂させ、生じる炭素ラジカル中間体を多様なラジカル受容体により捕捉する計画である。昨年度は、アゾジカルボン酸ジエチルΦEAD)によるアミノ化反応を報告した。本年度は、DEADに代わりアゾジカルボン酸ビス(2,2,2-トリクロロエチル)を用いることにより、反応の有用性の向上に成功した。すなわち、生成物のヒドラジン誘導体を、亜鉛による還元条件に付すことで、対応する第1級アミンに効率的に変換することが可能となった。また、ここまでの一連の研究をふまえ、Selectfluorによるフッ素化反応を新たに見出した。

本手法は遷移金属を用いず触媒的にC(sp^3)-H結合をフッ素化した、世界で初めての例である。多様な含フッ素化合物をわずか1工程で合成できる本手法は、医薬品候補化合物などの迅速合成への応用が期待される。新しい分子変換法の開発は、有機化合物の革新的な合成戦略を提供する。その中でも化学的に不活性なC(sp^3)-H結合の変換は、現代有機合成化学においても未だに困難である。有機化合物に普遍的に存在するC(sp^3)-H結合を、C(sp^3)-X結合(X=C, O, N,ハロゲン等)に直接変換できれば、これまで合成困難とされてきた新規化合物の効率的創出が可能となる。我々はC-H活性化剤として、高い電子求引性をもつオキシルラジカル種に着目した。オキシルラジカル種により基質の電子豊富なC-H結合を選択的に開裂させ、生じる炭素ラジカル中間体を多様なラジカル受容体により捕捉する計画である。昨年度は、ラジカル受容体としてアゾジカルボン酸ビス(2,2, 2-トリクロロエチル)を用いるC(sp^3)-Hアミノ化、およびSelectfluorを用いるフッ素化反応を新たに見出した。これらの反応においては、オキシルラジカル種として、N-ヒドロキシフタルイミドの1電子酸化により反応系中で発生する、フタルイミドN-オキシルラジカルを用いた。これまでの研究を踏まえ本年度は、オキシルラジカル種として光励起したベンゾフェノン、ラジカル受容体としてビスフェニルスルホニルエチレンを用いる、C(sp^3)-H結合の直接アルケニル反応を新たに見出した。本反応によって生成するスルホニルアルケンは、続くスルホニル基のラジカル置換反応によりプレニル誘導体に変換可能な、優れた合成中間体である。当初計画していたNHPIとCANを用いる反応系の検討を行っていた際に、不活性炭素-水素結合の直接的な窒素官能基化反応を新たに見出した。これにより、当初の知見では困難であった、炭素-窒素結合の直接的な構築が可能となったため。昨年度に確立したアミノ化反応の有用性をさらに向上させたのみならず、新たにフッ素反応を見出すことに成功した。これにより、N-オキシルラジカルを利用する反応の高い応用性を証明した。本年度は新たにアルケニル化反応を見出すことに成功した。これにより、オキシルラジカル種をC(sp^3)-H結合官能基化に利用する手法の、高い応用性を示すことができたと考えている。NHPIとDEADを利用する、C-H結合の直接的な窒素官能基化を見出した。現在では基質の一般性は主にベンジル位C-H結合を標的として行っている。今後は、より反応性の低いプロパルギル位C-H結合や不活性な炭化水素のC-H結合を中心に検討を行う。また、反応系に他のラジカル受容体を共存させることにより、炭素-窒素結合のみならず炭素-炭素結合の形成など、より多様な直接官能基化法を開発する。現在は、本反応系を炭素-炭素結合の形成反応へ応用することを計画している。単にラジカル受容体をアクリル酸エステルなどの電子不足オレフィンに代えるだけでは、反応はうまく進行しないことが明らかになっている。この原因として、加熱条件下でN-オキシルラジカルの前駆体であるN-ヒドロキシイミドが求核種として振る舞うことが問題なのではないかと考えている。現在は加熱条件以外の手法を用い、N-オキシルラジカルを反応系中に発生させることを目指し研究をおこなっている。
バイオミネラリゼーションによる貴金属のリサイクル

1,還元細菌の選定と貴金属イオンのバイオ還元・析出Fe(III)還元細菌Shewanella algae、Shewanella oneidensisの静止細胞を用いて、貴金属イオン(Au(III)、Pt(IV),Pd(II))のバイオミネラリゼーションに関する実験を室温、嫌気的環境下において行った。中溶液(pH7)の場合には、これら貴金属イオンは30分以内に還元され、貴金属ナノ粒子が細胞表面に析出した。Shewanella属細菌(3×10^9 cells/ml)のバイオ還元力は、20mMクエン酸溶液の化学的還元力(50°C)に匹敵することが明らかになった。細胞濃度の増加、電子供与体である乳酸塩濃度の増加に伴い、Pd(II)イオンのバイオ還元・析出速度が増加した。2,生成粒子の性状評価と粒子生成場の検討バイオ還元実験後に採取した細菌細胞に対するX線近吸収端構造(XANES)分析によって、細胞内に存在する貴金属の原子価は0価(金属粒子)であることが明確になった。細菌細胞の薄切片をTEM観察・EDX分した結果、中性条件下で生成した貴金属ナノ粒子は細胞表面近傍のペリプラズム域に存在することがわかった。酸性条件下(pH2.8,2.0)では、板状金ナノ粒子(粒子径15200nm程度)が細胞外(液相)に生成した。出発溶液のpHを調整することによって、金ナノ粒子の生成場、形状、粒子径が変化することを見出した。3.模擬浸出液を対象にした貴金属のバイオ還元・回収Au(III)イオンのバイオ還元・析出は、酸性溶液(pH2.0)に対しても0分程度の短時間に完了した。また、非シアン系浸出剤であるチオ硫酸アンモニウム塩溶液(均相触媒Cu(II)イオン)を用いるプリント基板からの金の浸出を想定して、本溶液中のAu(I)イオンに対するバイオ還元実験を行った。弱塩基性溶液(pHlO)においてCu(II)イオンが共存する場合でも、Au(I)イオンのバイオ還元・析出は30分以内にほぼ完了した。以上の研究結果は、貴金属含有溶液の連続処理に適したバイオ還元反応器の開発を図るうえで重要な知見となる。1,還元細菌の選定と貴金属イオンのバイオ還元・析出Fe(III)還元細菌Shewanellaalgae、Shewanella oneidensisの静止細胞を用いて、貴金属イオン(Au(III)、Pt(IV),Pd(II))のバイオミネラリゼーションに関する実験を室温、嫌気的環境下において行った。1.貴金属還元細菌の選定と貴金属ナイオンのバイオ還元実験金属還元細菌Shewanellaalgae、Shewanella oneidensisをATCC(米国・微生物保存機関)から入手し、これら細菌を用いて貴金属イオン(金、白金、パラジウム)の還元実験を温度25°Cおよび溶液pH7の一定条件下、嫌気性条件下で行った。これら貴金属イオンの大部分は1時間以内にバイオ還元され、貴金属粒子が生成した。Shewanella属細菌(3×10_9cells/ml)のバイオ還元力は、20mMクエン酸溶液の化学的還元力(50°C)に匹敵することが明らかになった。2.生成粒子の性状評価と固液分離法の検討S.algae細胞の薄切片をTEM観察・EDX分析した結果、上記の操作条件下でのバイオ還元によって生成した金ナノ粒子はペリプラズム域に存在することがわかった。また、バイオ還元実験後に採取したS.algae細胞に対するX線近吸収端構造(XANES)解析によって、細胞内に存在する金の原子価は0価(金粒子)であることが明確になった。

さらに、バイオ生成した金粒子は、細菌細胞(1×2μm)とともに容易に回収(固液分離)できると考えられる。3.実際の金含有浸出液への適用性の検討非シアン系浸出剤であるチオ硫酸塩水溶液(均相触媒Cu(II)イオン)を利用するプリント基板からの金の溶解を想定して、チオ硫酸金(I)水溶液を対象にしてバイオ還元を行った。その結果、30mMCu(II)イオンが存在している場合でも、S.algae細胞は30分以内にAu(S_2O_3)_2^<3->イオンを金粒子(Au(0))に還元・析出できることが明らかになった。1.プリント基板等の浸出液を対象にした貴金属イオンのバイオ還元・回収非シアン系浸出剤であるチオ硫酸アンモニウム塩水溶液(均相触媒Cu(II)イオン)を利用するプリント基板からの金の浸出を想定し、チオ硫酸アンモニウム水溶液中のAu(I)イオンを還元細菌Shewanella algaeを用いて還元・回収できる操作条件を検討した。浸出液がpH 10の場合でも、Au(I)イオンのバイオ還元・析出が30分以内にほぼ完了し、中性の場合と同程度の還元速度が得られた。金の浸出操作(最適pH 9.510.5)とAu(I)イオンのバイオ還元・析出操作においては、両操作での溶液pHが同程度になって好都合である。また、チオ硫酸アンモニウム水溶液を浸出剤に用いる場合、金の浸出を促進する触媒としてCu(II)イオン(最適濃度2030mol/m^3)が添加されるが、S.algae細胞によるAu(I)イオンの還元・析出速度はCu(II)イオン濃度の影響を受けないことも明らかになった。2.細菌細胞外での貴金属の還元・析出と細胞内還元酵素の液相への抽出還元細菌S.algaeによるAu(III)イオンの還元・析出実験を酸性条件下で行った結果、溶液pH 2.8の場合には様々な形態(三角板状、六角板状も含む)の金ナノ粒子(粒子径15200nm程度)が細胞外(液相)に生成した。溶液pH 2.0の場合、細胞表面には20 nm程度の金ナノ粒子が生成し、細胞外には350nm程度のナノ粒子が生成した。溶液pH 7.0では細菌のペリプラズム空間(細胞の外膜と内膜の間)に1020nm程度の金ナノ粒子が生成することを昨年度に明らかにしており、本年度は出発溶液を酸性(pH 2.8,2.0)に調整することによって金ナノ粒子の生成場、形状、粒子径が変化することを見出した。金粒子の生成場が変化したのは、酸性溶液では細胞内還元酵素が細胞外(液相)に放出されることに起因すると考えられる。また、酸性条件下でもS.algae細胞によるAu(III)イオンの還元・析出は30分程度の短時間に完了した。1)金属イオン還元細菌の静止細胞による貴金属の還元・回収Shewanella oneidensis静止細菌によるPd(II)イオンのバイオ還元・析出実験を模擬排水に対して行い、貴金属イオンを効率よく還元・回収できる操作条件を検討した。Pd(II)イオンのバイオ還元・析出速度は、細胞濃度(2.3×10^<15>-1.8×10^<16>cells/m^3)にほぼ比例して増加した。また、電子供与体である乳酸塩濃度を10-250mol/m^3の範囲で高めるに伴い、バイオ還元速度が増加した。
新規改良型TRDのダウン症に合併した重度閉塞型睡眠無呼吸難治症例に対する臨床応用

本研究で用いたTSD(舌前方整位装置)の適応患者数およびその患者特徴を調査するため、研究者の所属施設を装置治療目的で受診した睡眠時無呼吸患者について評価を行い約2割の患者にTSDの適応があることがわかり、その結果について日本睡眠学会において発表を行った。続いて、日本ダウン症協会福岡支部の会員に対し同意が得られた10名について睡眠時無呼吸の評価及びTSDの使用効果を検討する研究を行った。研究期間を通じて統計解析に十分な被験者数を収集することができなかったこと、参加者においてTSDを継続使用することができた参加者がいなかったため統計解析には至らなかった。結果については国際学会において発表を行った。本研究の目的の第一段階である舌前方整位装置(TSD)が適応対象となる潜在的な患者数と特徴についての実態を評価するため、睡眠時無呼吸症候群のための口腔内装置(Oral Appliance: OA)の製作目的で研究者が在籍する施設を受診した患者についてOA適応不可能な患者の割合、及びその患者の特徴を評価検討を行った。またこの結果について日本睡眠歯科学会において研究結果の発表を行った。また次の段階としてダウン症患者を対象としたTSDの治療効果を検討するための研究のため研究計画に関する書類を、研究実施施設である九州大学病院の臨床倫理審査委員会に提出し、平成26年3月18日付にて承認を得た。今後は実際にデータ収集を進める予定である。さらに研究を実施するための準備として国際学会(アメリカ睡眠歯科学会AADSM、アメリカ睡眠学会APSS、WASM)に参加し、情報収集を行った。さらに情報収集を行うため、国際学会(アメリカ睡眠歯科学会AADSM,アメリカ睡眠学会APSS)に出席した。被験者を募集し、現在登録及びデータ収集を行ったが、被験者数および実際に装置の使用が可能であった症例数が分析必要数を達成できなかった。当初の計画より倫理審査委員会からの研究承認が遅れたこと、想定していたほどのペースには被験者が集められていないため、到達度は遅れたものとなった睡眠歯学引き続き、被験者の募集を続け、目標数に近づける。同時に集めたデータの分析、研究発表準備を進める。第一段階であるTSD適応対象となる患者調査については学会発表を行うことができた。次段階の研究計画については、倫理審査委員会での承認を受けるための手続きに時間を要したため、当初の計画であるデータ取集を該当年度中に始めることができなかった。26年度に計画していたデータ収集が予定通りに進まなかったため倫理審査委員会の承認をH26年3月に受けることができたため、今後は研究計画に基づき進めていくことができるものと考えられる。現在研究被験者を募るために、対象となるダウン症協会の協力のもと、研究に対する説明文書を配布し準備を進めている段階である。27年度に26年度に予定していた内容を行うため、必要経費も26年度に計画していた額を27年度に移行とする。25年度に購入予定であったデータ記録媒体の購入が必要なかったため。(患者のデータ収集が始められなかったため)26年度にデータ記録媒体を購入予定
多根管を有する歯根に現れる根管イスムスに関する解剖学的研究

多根管を有する歯根に根尖切除を行った場合、切断面に根管と根管とを結ぶイスムス(Isthmus,峡部)がみられることがある。本研究ではヒト抜去歯を使用しその解剖形態を検討した。実験材料として年齢、性別、歯種の明らかなヒト抜去歯上顎小臼歯5本を使用した。まず頬舌、近遠心方向よりエックス線写真撮影を行い、根管の走行、分岐形態を確認した後、アルコール系列にて脱水し樹脂包埋を行った。次に根尖切除を想定し、被験歯の歯軸に対し45度の角度をなす平面で歯根を根尖で部分的に切除した。アイソメットを使用し、根尖端から根尖1/3まで厚さ200μmで薄切した。その後、切り出した薄切片をマイクログラインダーで厚さ約10μm程度に研磨した後、1分間の超音波洗浄を行った。さらに一方の研磨面を0.05N-HClを用いて1分間酸処理を行い乾燥した。得られた薄切切片のイスムス形態を光学顕微鏡にて観察の後、本研究設備のXYアナライザーを使用して根管径、イスムス間距離、象牙細管の走行などを測定し、次の結果が得られた。被験歯中の1歯は、エックス線写真では複根管を示したものの、薄切切片上では単根管を呈したため、観察対象から除外し、4歯に関して計測を行った。そのうち2歯に明らかな根管イスムスが観察でき、その長さは根尖2mm付近で平均2.80mmであった。イスムスには完全に管腔状の部分と閉鎖を示すものなどがあり、周囲象牙細管の走行も複雑であった。今回は年齢、性別の明らかなヒト抜去歯ではない上に被験歯数も少ないためにその発現頻度、発現位置等の解剖学的特徴を十分に明らかにすることは困難であった。現在、被験歯数をさらに加えて研究を続行中である。
快情動を司どる脳内神経回路

快情動は疾病予防や健康増進に有益であることが経験的に知られている。その脳内神経回路を明らかにすることによって、経験則に生物学的エビデンスを付与することが本研究の目的であった。快情動によってカタプレキシーを引き起こすことが知られているオレキシン欠損マウスを用い、カタプレキシー発作直前または同時に活性化される脳部位を網羅的に探索したところ、側坐核の活性化が顕著であることが明らかになった。今まで不明であった快情動を研究する際のターゲットとなる脳部位を絞り込むことができたが、健康増進との関連解明にまでは至らなかった。その脳内神経回路を明らかにすることによって、経験則に生物学的エビデンスを付与することが本研究の目的である。実験動物ではヒトと異なり言語報告ができないので快情動の研究は困難とされていたが、ナルコレプシーの副症状であるカタプレキシー(情動脱力発作)は快情動によって引き起こされるので、この発作を指標として研究が可能になることに着目した。これらの発症原因は視床下部に存在するオレキシン含有ニューロンの脱落であることが既に明らかになっているので、このニューロンの脱落モデルマウスを材料としてカタプレキシー発作の直前に活性化される脳内神経部位を調べた。オレキシンニューロンを特異的に脱落させたモデルマウスは連携研究者の山中らが開発したものを申請者の所属機関の動物実験施設で繁殖させて以下の実験に用いた。快情動を引き金として引き起こされるカタプレキシー発作発生時に活動していた脳部位を免疫組織化学的手法で同定するために、カタプレキシー好発時刻である夜間の行動を暗視カメラで観察し、発作を確認したらマウスを直ちに安楽死させ脳を摘出した。最初期遺伝子産物の内で良く利用されているc-Fosよりも格段に時間分解能の高いp-ERKに対する抗体を用いた免疫染色によって、活性化されている脳部位を同定した。対照としてカタプレキシーを起こしていないマウス、快情動を触発するチョコレートを与えて頻回にカタプレキシーを起こさせたマウスも比較の為に用いた。その結果、c-Fosを用いた先行研究の結果とは異なり、側座核が特に活性化されていることが明らかになった。カタプレキシー発作時に活性化される脳部位の同定はほぼ順調であるが、調べるべき脳部位は脳の全範囲に及んでいるので時間が掛かっている。快情動を引き金として引き起こされるカタプレキシー発作発生時に活動していた脳部位を免疫組織化学的手法で同定するために、カタプレキシー好発時刻である夜間の行動を暗視カメラで観察し、発作開始直後ならびに発作の終了直後にマウスを安楽死させ脳を摘出した。対照としてカタプレキシーを起こしていないマウスを比較の為に用いた。側座核が有力であるという平成28年度の結果を確定させるために定量的統計解析を行う。その上で、側座核を刺激・抑制することがカタプレキシー発生に及ぼす影響を調べること、ならびに発作直前の心拍数を調べる事によって快情動が自律神経に及ぼす影響を評価することを行う。分野独自ホームページ脳科学非常に少額なので次年度に使用したい。物品費に算入したい。研究室独自ホームページ
超低摩擦技術開発のための量子化学に基づく「なじみ」と「焼付き」の理論基盤の構築

開発した第一原理分子動力学法とTight-Binding量子分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータを活用し、窒化炭素膜、炭化ケイ素膜などの多様な潤滑膜におけるなじみと焼付きのメカニズム解明を実現し、焼付き防止策を理論的に提言した。また潤滑膜によってトライボ化学反応が大きく異なることを明らかにした。さらに当初の予定には無い、より大規模計算が可能なReaxFF分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータも開発した。計算によって明らかにされたなじみと焼付き現象は実験的にも検証された。さらに、なじみと焼付きの先にある摩耗の理論的解明と摩耗防止策の提言にも成功し、計画以上の成果が得られた。省エネルギーに対する要請から、自動車を始めとする機械産業において超低摩擦技術の実現が急務である。実験研究者の間では「なじみと焼付き」の制御が超低摩擦の実現に必須であると広く認識されているが、これまでのシミュレーション技術では、「なじみと焼付き」といった実験現場でおこる泥臭く、最もサイエンスから遠い現象を扱うことは不可能であると考えられてきた。しかし代表者はトライボ化学反応ダイナミクスを解明可能な量子分子動力学法を世界に先駆けて開発し、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)に応用することで、「なじみと焼付き」の原点はトライボ化学反応にあり、最もサイエンスよりの量子化学によって解明可能であるとの予備的成果を得た。そこで本研究では、開発シミュレータを更に発展させることで、DLCのみならず広くトライボロジー分野に共通な「なじみと焼付き」の理論基盤と学理を構築し、超低摩擦技術の設計を実現することを目的とした。本年度は、開発済みのGFT第一原理分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータの高速化を実現した。さらにこのGFT第一原理分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータを活用し、窒化炭素膜の水による「なじみ過程」の検討を行った。その結果、水がトライボ化学反応を起こし、表面が水酸基と水素で終端される化学反応を明らかにした。さらに水酸基と水素で終端されることで、「焼付き」が防止できることを明らかにした。次に、炭化ケイ素膜の水による「なじみ過程」の検討を行ったところ、同様に水がトライボ化学反応を起こし、表面が水酸基と水素で終端される化学反応を明らかにした。さらに、高荷重下ではトライボ化学反応が加速され、水酸基からSi-O-Si結合が形成されることを明らかにした。このSi-O-Si結合の形成は実験的にも観測された。また実験的には「摩擦面の濡れ性分布」を評価する新しい手法も開発した。しかし代表者はトライボ化学反応ダイナミクスを解明可能な量子分子動力学法を世界に先駆けて開発し、最もサイエンスよりの量子化学によって、解明可能であるとの予備的成果を得た。そこで本研究では、開発シミュレータを更に発展させることで、広くトライボロジー分野に共通な「なじみと焼付き」の理論基盤と学理を構築し、超低摩擦技術の設計を実現することを目的とした。本年度は、開発済みのTight-Binding量子分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータの高速化を実現した。さらに、開発したトライボ化学反応シミュレータを活用し、窒化ケイ素膜の水による「なじみ過程」の検討を行った。さらに、高荷重下ではトライボ化学反応が加速され、Si-O-Si結合が形成されることを明らかにした。また、昨年度に検討を行った炭化ケイ素膜でも同様のSi-O-Si結合が形成されるが、窒化ケイ素膜の方が反応速度が速いことを明らかにした。この結果は、実験的にも確認された。さらに、水分子から解離した水素原子が窒化ケイ素膜の内部に侵入するダイナミクスが観察され、この水素によってSi-N結合の切断が引き起こされることが、摩耗の原因となることも明らかにした。また油潤滑に関する検討も行い、Mo-DTCから形成されたMoS2膜に酸素原子が侵入することで、焼付き現象が起こることを明らかにした。本年度は当初の予定通り、開発済みのTight-Binding量子分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータの高速化を実現した。さらに、このTight-Binding量子分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータを活用し、窒化ケイ素膜の水による「なじみ過程」の検討を行った。その結果、窒化ケイ素膜が水とトライボ化学反応を起こし、表面が水酸基と水素で終端される化学反応を明らかにした。また、Si-O-Si結合の形成により、表面の水酸基による終端が加速され、高荷重下でも「焼付き」が防止できることを明らかにした。昨年度に検討を行った炭化ケイ素膜でも同様のSi-O-Si結合が形成されるが、窒化ケイ素膜の方が反応速度が速いメカニズムを明らかにし、実験的にもこの反応速度の差が実証された。

またSi-O-Si結合の形成によって、水分子から解離した水素原子は、窒化ケイ素膜の内部に侵入し、膜内部でこの水素によってSi-N結合が切断されることで摩耗現象が生じることを明らかにした。この窒化ケイ素膜の摩耗現象も、実験結果と良い一致を得た。本研究課題では、「なじみと焼付き」現象の解明を主目的としているが、さらにその先にある「摩耗現象」メカニズムの理論的解明と「摩耗」の防止策の提案までできたことは、当初の計画以上に研究が進展していることを示すものである。さらに、当初は平成28年度の研究計画としていた油潤滑における添加剤の「なじみと焼付き」現象についても、Mo-DTC添加剤によって形成されたMoS2膜が、酸素原子の侵入によって「焼付き」現象を起こすメカニズムを解明した。平成28年度の研究計画に関する成果も前倒しで得られており、この観点からも当初の計画以上に研究が進展していると判断する。省エネルギーに対する要請から、自動車を始めとする機械産業において超低摩擦技術の実現が急務である。「なじみと焼付き」の制御が超低摩擦の実現に必須であると広く認識されているが、これまでのシミュレーション技術では、このような現象を扱うことは不可能であった。これに対し本研究では、「なじみと焼付き」の理論基盤を構築し、超低摩擦技術の設計を目的とした。昨年度までは、第一原理分子動力学法とTight-Binding量子分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータを活用して、窒化ケイ素膜、炭化ケイ素膜の水による「なじみ過程」において、Si-O-Si結合が生成され、SiO2膜が形成されることを明らかにした。そこで本年度は、第一原理分子動力学シミュレータを活用し、このSiO2膜と水とのトライボ化学反応について検討した。その結果、高荷重下において水とSiO2膜のトライボ化学反応によって、上下のSiO2基板間をまたぐSi-O-Si結合が生成する「焼付き現象」を明らかにした。さらにトライボ化学反応が進むと、このSiO2基板間をまたぐSi-O-Si結合と水の化学反応によりSiO2膜の摩耗が起こる現象を明らかにした。摩耗の発生は実験的にも確認された。さらに大規模計算を実現するためにReax FF分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータを開発し、大規模モデルにおいてもトライボ化学反応によるSiO2膜の「焼付き・摩耗現象」を明らかにした。これら成果により、適度な荷重は窒化ケイ素膜、炭化ケイ素膜と水とのトライボ化学反応を促進し、表面のOH終端による低摩擦化、いわゆる「なじみ効果」が期待できるが、過剰な荷重は「焼付き現象」さらには「摩耗」を導くことを明らかにし、適度な荷重の存在とそのメカニズムを解明した。さらに油潤滑に関しても、なじみ・焼付き過程のメカニズム解明を実現し低摩擦条件の設計に成功した。開発した第一原理分子動力学法とTight-Binding量子分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータを活用し、窒化炭素膜、炭化ケイ素膜などの多様な潤滑膜におけるなじみと焼付きのメカニズム解明を実現し、焼付き防止策を理論的に提言した。また潤滑膜によってトライボ化学反応が大きく異なることを明らかにした。さらに当初の予定には無い、より大規模計算が可能なReaxFF分子動力学法に基づくトライボ化学反応シミュレータも開発した。