hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
植物工場におけるワサビ種子周年生産のための効率的花成誘導法の確立

植物工場で効率的なワサビの花成誘導法を確立するために、人工環境下で成育段階、日長および光質の影響を調べた。その結果、定植後4ヶ月以上育成したワサビ植物を1ヶ月間低温(48°C)下で、14時間以上のLED白色光に曝すことで花芽形成を効率的に誘導できることがわかった。LEDの光質(赤、青および遠赤色光)は花成誘導に影響しなかった。その原因として、この誘導条件下ではFT発現に日周性がみられず恒常的に発現していることが考えられた。1花成誘導と低温および日長条件:ワサビ需要増とは逆に国内生産量が減少し加工用ワサビ原料不足が深刻化している。生産農家の減少と温暖化が拍車をかけ、実生苗生産に必要なワサビ種子生産が危機的状況に陥っている。この現状を打破するために、植物工場等でのワサビ種子の効率的な周年採種システムを開発することが有効である。そのために、本研究では「ワサビ花成を人工環境下で効率よく誘導する方法」の確立を目指している。現地調査とこれまでの研究から、長野県安曇野市のワサビ田では平均気温が10°Cを下回る11月からの2-3ヶ月間の低温と長日条件が花芽形成に重要と思われる。実験室内では8°C、14時間以上の日長で花成制御のトリガー遺伝子であるFTの顕著な発現と花芽形成が確認された。2ワサビ花成誘導に対する光質の影響:上記の条件下で花成誘導に対する光質の影響を調査した。同時に同じアブラナ科長日植物のシロイヌナズでも調査した。(1)青色光(B)および遠赤色光(FR):シロイヌナズナでは顕著なFT発現と花成誘導が促進されたが、ワサビではこれらの光質に促進効果は認められなかった。(2)赤色光(R):シロイヌナズナではRにより顕著に花成誘導が抑制されるが、ワサビではFT発現と花成誘導に対する抑制効果は認められなかった。(3)シロイヌナズナとワサビにおけるFT発現の違い:シロイヌナズナではCOおよびFTの発現は日周性を示すが、ワサビのFTは明暗期に関係なく常時発現している。FT発現に必須なCOタンパク質の安定性がワサビとシロイヌナズナとで異なり、ワサビでは長日条件下では明暗期に関係なく常にCOタンパク質が存在しているために光質に関係なく花成が常に誘導される可能性が示された。3総括:ワサビは気温58°C、14時間以上の日長(白色光)に2月間処理することで確実に花成が誘導されることが明らかになった。(1)ワサビ栽培・採種地における環境条件の現地調査:長野県安曇野市のワサビ田にデータロガを2012年10月に設置、環境情報を収集している(現在継続調査中)。(2)花成誘導に必要な低温処理期間の確定:FLCの発現は低温処理(4°C)で低下したが、2ヶ月以上経過しても完全には抑制されなかった。FLCが完全に抑制されていない場合でも花芽形成が確認された。長日(16L)および短日(10L)条件ともに、3ヶ月間の低温処理(8°C)でFLC発現が顕著に抑制され、FLC発現抑制に日長は影響しないことがわかった。(3)花成誘導能の獲得に必要な定植後の栽培日数の確定:定植後4ヶ月(播種6ヶ月)のワサビを約1ヶ月間、低温処理(10°C)することにより、FLCの発現が顕著に抑制され、長日条件下で花芽が形成された。しかし、定植直後(播種2ヶ月)の幼ワサビ植物体では同様の条件下で4ヶ月経過してもFLC発現抑制はみられず、花芽形成は全く確認できなかった。上記の結果から、人工環境下でのワサビ花成誘導には、定植4ヶ月以上経過したワサビ植物体、最低1ヶ月間の低温処理(410°C)および長日条件(14L以上)が必要であることがわかった。(4)ワサビFT遺伝子発現の定量的解析方法の確立:上記の結果から、ワサビ花芽形成にはFLC発現抑制以外に長日条件下でのFT発現が重要と考えられる。そこで、効率的なFT発現誘導条件を明らかにするために、リアルタイムPCRによるFT遺伝子発現の定量的解析方法を確立した。ワサビ国内生産量は年々減少している。理由の1つに、採種農家の高齢化と温暖化により、良質なワサビ種子の安定確保が困難なことがあげられる。植物工場によるワサビ種子の効率的な周年採種システムが開発できれば、ワサビ生産量の安定確保に画期的な貢献ができる。その開発を目指し、本研究では「人工環境下における効率的な花成誘導法の確立」を目的とし検討を行い、以下の成果を得た。

長野県安曇野市のワサビ田の環境情報をもとに、低温と日長条件のワサビ花成誘導に対する影響を明らかにした。人工環境(RGBを含む白色LED照明)下で花成誘導に必須のFT遺伝子およびFT発現を抑制するFLC遺伝子の発現、目視による花成誘導状況を調べた。また、ワサビ植物体の成育段階と花成誘導能についても調査した。その結果、花成誘導には6ヶ月以上経過したワサビ植物体の1ヶ月間以上低温(410°C)と長日処理(14L以上)が必要であった。LED光源を用いて花成誘導に有効な光質を明らかにするために、FTの発現を定量的RT-PCR法で解析した。シロイヌナズナでは光質による顕著な影響がみられたが、ワサビでは花成誘導に光質は全く影響しなかった。また、シロイヌナズナと異なり、ワサビではFT発現の日周性はみられなかった。これらの結果から、LED光源によるワサビ花成誘導では、光質よりも14時間以上の長日条件(約2ヶ月)が重要であることがわかった。ワサビFT発現に日周性がみられない原因を明らかにするために、FTの発現を制御しているCOの発現について調査した。ワサビCO遺伝子をクローニングし、CO発現の日周性を半定量的RT-PCR法で、COタンパク質の存在量をウェスタンブロット法でそれぞれ解析した。その結果、上記のワサビ栽培条件下ではCOが常に発現しており、FT発現に日周性がみられないのはCOが恒常的に発現しているためと考えられた。植物環境工学交付申請書で示した「研究の目的」は、(1)ワサビ花成の現地環境調査、(2)閉鎖環境下でのワサビ花成誘導条件、(3)花成誘導後のワサビ種子生産の最適栽培条件を明らかにすることである。(2)に関しては、光質の影響をシロイヌナズナと比較し、花成誘導条件の確立に有益な知見が得られたことは大きな進展であった。また、貧栄養ストレスの花成誘導に対する影響を調べたがワサビでは有用な結果は得られなかった。FT発現を直接制御しているCOの発現を調査する計画であったが、ワサビCO遺伝子のクローニング後プライマーを作製に時間を要し、CO遺伝子の発現調査は今回実施できなかった。しかし、FT遺伝子の日周性発現を調査しシロイヌナズナとは異なる新たな知見を得ることができた。(3)に関しては、ワサビ花成誘導の主要な条件がほぼ明らかにされたので、より効率的な誘導法の確立を目指して現在検討中である。交付申請書に記載した「研究の目的」は、(1)ワサビ花成の現地環境調査、(2)閉鎖環境下でのワサビ花成誘導条件、(3)花成誘導後のワサビ種子生産の最適栽培条件をそれぞれ明らかにすることである。(1)に関しては、現在継続調査中である。(2)に関しては、人工的閉鎖環境で花成を誘導するために検討する条件は、(i)ワサビ植物体の生育段階、(ii)低温処理によるFLC発現抑制条件(温度、処理時間、光環境)、(iii)花成ホルモンであるFTの発現誘導条件(日長、青色光および遠赤色光の影響、貧栄養等のストレスの影響)である。現在までに、(i)および(ii)についての検討が終了し、ほぼ目的が達成されている。(iii)については、現在までにFT遺伝子発現の定量的解析方法の確立および日周性発現の確認等についての予備的な検討が行われている。FT発現に関する上記の個々の検討項目に関してはまだ達成されていない。今後、直ちに着手する計画である。(3)に関して、わさび田における採種現場での調査と人工環境下での採種との両方から最適条件(方法)の検討を継続中である。(3)に関する検討は、ワサビ種子の特殊性から、実際の採種現場では極めて重要な課題である。(1)(3)の研究目的について、現段階、おおむね順調に進展しているといえる。
時間の経過に伴い変化する多数のビデオを合成配信可能なライブ中継システムの新規開発

ライブ中継サービスを利用してインターネット上でライブ中継を実施することは容易となる一方,複数の中継元からのビデオストリームを統合して中継するためには,時と場所を問わずミキサーの機能を利用したい時に利用できる仕組みが必要となる.本研究開発では,ミキサーの操作機能と処理機能を分割し,中継者または視聴者の端末で操作部を,バックエンド側でミキシング処理部を動作させる通信システムを設計し,プロトタイプシステムを実装した.研究開発期間を通して多様なライブ中継を支援する通信システムの設計と実装および評価結果についての研究報告を行うと共に,システムの一部の機能はスポーツ競技のライブ中継で実際に用いられた.ライブ中継実施の敷居が下がるに伴い,複数のビデオデータを扱う場合に必要となるミキシング機能の汎用化が望まれている.また,時間の経過と共に変化する多数のソースビデオをミキシングして中継するための機能も必要とされている.本研究では,時間に伴い変化する多数のソースビデオを容易にミキシングして中継するためのミキシング機能をネットワークのバックエンドに構成できるライブ中継システムを新規に開発している.平成27年度は,送信端末内で動作するミキサー及び既存Webサービスとの連携機能を実現した.まず,複数のビデオカメラとマイクロフォンからの入力データをミキサー処理するための機能と,ミキサー処理を操作する機能の研究開発を次の通りに進めた.(a)ミキシング処理と操作部を明確に分けてミキシング操作インターフェースを策定,(b)ビデオの空間的な配置や切り替えを効率良く行うためのアルゴリズムの考案と実装,(c)ミキシング時にバッファオーバーフロー/アンダーフローを軽減/回避するためのアルゴリズムの考案と実装,(d)複数の外部装置をミキサーの入力として自動的にセットアップする機能の実装,そして,(e)ミキシング処理をしたビデオストリームを既存のライブ中継サービス用のプログラムへ転送するための機能モジュールを実装した.本研究開発では,ミキシング処理されたストリームを,ビデオカメラやマイクロフォンの出力として他のプログラムに転送できるようなモジュールを開発し,そのモジュールを通して既存のライブ中継サービスとの連携を図ることが実験的に可能となった.岩手国体におけるセーリング競技のパブリックビューイング用システムとして,開発を進めているシステムの一部の機能が利用された.企業との協業により,本研究開発に関連した次世代型のライブ中継システムの機能の検討や,次期ライブ中継システムの全体像や開発に向けた計画の策定なども進めている.また,これまでの研究開発成果を論文としてまとめ,1本の学術論文が採択され,2件の特許を出願した.インターネットを利用したライブ中継実施の敷居が下がるに伴い,複数のビデオデータを扱う場合に必要となるミキシング機能の汎用化が望まれている.また,時間の経過と共に変化する多数のソースビデオをミキシングして中継するための機能も必要とされている.本研究では,時間に伴い変化する多数のソースビデオを容易にミキシングして中継するためのミキシング機能を,ネットワークのバックエンドで柔軟に構成できるライブ中継システムを新規に開発している.平成28年度は,ネットワークのバックエンドで,複数の送信端末からのビデオストリームを入力として扱うためのプロトコルと遠隔操作用の機能を開発した.メッセージ通信機能には課題実施者が開発している通信システムの機能を用い,ミキサーの入力として複数のビデオストリームを扱うために必要な機能とメッセージを整理し,メッセージ通信に必要となる状態マシンを設計・実装した.平成27年度において策定したミキシング操作インターフェースを遠隔対応させることにより,複数の送信端末・中継端末・操作端末という構成の分散システムを構成することが可能となり,ミキシング処理後のビデオストリームを既存のライブ中継サービスへ転送することも実験的に可能となった.また,ミキサーの入力数が時間と共に変化することを想定し,送信端末をグループ化するためのソースビデオグループ構成プロトコルを設計・実装し,送信端末がビデオストリームの送信を開始した場合にミキサーの操作端末上で自動的にプレビューされる機能の実装を進めた.当初の予定通り,時間の経過に伴い変化する多数のビデを合成配信可能なライブ中継システムの開発を進めている.平成28年度の研究開発により,ビデオ撮影者に対しては,参加しているグループへ任意の時間にビデオストリームを送信することができる仕組みが実現された.一方,ミキサー操作者に対しては,自動的にプレビュー表示されるビデオを確認した上で,そのビデオをミキサーの入力とするかどうかを判断することができる仕組みが実現された.また,本研究開発におけるプロトタイプシステムは,地元の映像制作会社との協業により,岩手国体(本大会)におけるセーリング競技のパブリックビューイング用システムの一部として利用された.セーリング競技は比較的広範囲な海上で実施されるため,その競技の様子を近くで見るためには海上からのライブ映像が必要となる.その海上からの映像と,競技会場全体を俯瞰して見るための映像伝送部分に本プロトタイプシステムが適用された.システム全体は,既存の映像中継装置との組み合わせで実現されており,開発した機能全てが利用されたわけではないが,本研究開発を進める上では,実際に必要とされる機能の実現に向けた多くのフィードバックを受けることができた.さらに,本研究開発に関連した次世代型ライブ中継システム実現に向けた検討も企業との協業により進めている.一方,本研究開発における基本的な機能とその室内実験の結果をまとめた学術論文が採択された.インターネットを利用したライブ中継実施の敷居が下がるに伴い,複数のビデオデータを扱う場合に必要となるミキシング機能の汎用化が望まれている.また,時間の経過と共に変化する多数のソースビデオをミキシングして中継するための機能も必要とされている.本研究では,時間に伴い変化する多数のソースビデオを容易にミキシングして中継するためのミキシング機能を,ネットワークのバックエンドで柔軟に構成できるライブ中継システムを新規に開発している.平成29年度は,平成28年度までの研究開発成果をもとに,オンデマンド型遠隔操作対応ミキサーと負荷分散の研究開発を進めた.複数の操作

端末それぞれが遠隔から各々別のミキシング操作をするためには,ネットワークのバックエンドにおける中継端末の中で複数のミキサーを動作させる必要がある.これまでに,ネットワークのバックエンドで,複数の送信端末からのビデオストリームを入力として扱うためのプロトコルと遠隔操作用の機能を実現してきたが,それらの機能に加えて(a)送信端末からのビデオストリームを中継端末内の各ミキサープログラムに分配する機能と,(b)各ミキサープログラムを操作している操作端末とのメッセージコネクションを管理する機能を実装した.一方,ミキシング処理は多くの計算機資源を必要とするため,(c)必要なミキシング処理の負荷に応じてネットワークのバックエンドで複数の中継端末に処理を分散させる仕組みも設計・実装した.ライブ中継サービスを利用してインターネット上でライブ中継を実施することは容易となる一方,複数の中継元からのビデオストリームを統合して中継するためには,時と場所を問わずミキサーの機能を利用したい時に利用できる仕組みが必要となる.本研究開発では,ミキサーの操作機能と処理機能を分割し,中継者または視聴者の端末で操作部を,バックエンド側でミキシング処理部を動作させる通信システムを設計し,プロトタイプシステムを実装した.研究開発期間を通して多様なライブ中継を支援する通信システムの設計と実装および評価結果についての研究報告を行うと共に,システムの一部の機能はスポーツ競技のライブ中継で実際に用いられた.引き続き,ネットワークのバックエンドで動作する遠隔操作対応ミキサーの機能を実現する.ネットワークのバックエンドで,複数の送信端末からのビデオストリームを入力として扱うためのプロトコルと遠隔操作用の機能を開発する.メッセージ通信機能は課題申請者が開発しているシステムの機能を用い,本課題では,複数のビデオストリームをミキサーの入力として扱うために必要な機能とメッセージを整理し,メッセージ通信に必要となる状態マシンを設計・実装することに注力する.まず,(f)平成27年度において策定したミキシング操作インターフェースを遠隔対応させる.これにより,複数の送信端末・中継端末・操作端末という構成の分散システムを構成することが可能となり,ミキシング処理後のビデオストリームを既存のライブ中継サービスへ転送することも可能となる.次に,ミキサーの入力数が時間と共に変化することを想定し,(g)送信端末をグループ化するためのソースビデオグループ構成プロトコルを設計・実装し,(h)送信端末がビデオストリームの送信を開始した場合にミキサーの操作
新規ポリコーム群タンパク質Scmh1,及びポリコーム群タンパク質複合体の機能解析

本研究は、哺乳類ポリコーム群として新たに単離した遺伝子Scmh1の機能解析を中心に、ポリコーム群タンパク質複合体の機能制御メカニズムを明らかにしていくことを目的としている。本研究で、Mouse polyhometic 2(Mph2)結合タンパク質としてクローニングしたSex comb onmidleg homolog 1(scmhl)は、一次構造の比較からショウジョウバエポリコーム群の一つであるSex combon midleg(SCM)のマウスホモログと考えられた。Scmh1 mRNAは精巣において非常に強い発現を示し、更に、精子形成過程が進むにつれて発現が上昇していくことが明らかとなった。Scmh1の遺伝子欠損マウスを作製したところ、従来のポリコーム遺伝子欠損マウスでも見られる中軸骨格系の異常(ホメオティック変異)や胎児性繊維芽細胞の増殖能低下が観察された。また、ポリコーム遺伝子欠損マウスでは初めて、精子形成過程の減数分裂中期での分化停止が観察され、精母細胞のアポトーシスの亢進が見られた。以上の結果より、ポリコーム遺伝子Scmh1は、中軸骨格系だけでなく、細胞増殖、精子形成過程において重要な役割を果たしていると考えられる。さらに、同じくMph2結合タンパク質としてクローニングしたToporsというタンパク質に関しても遺伝子欠損マウスを作製し、現在はその表現型のスクリーニングを行っているところである。このように、ポリコーム、及びポリコーム結合タンパク質でありながら非ポリコームタンパク質の遺伝子欠損マウスの表現型の網羅的解析を行うことは、ポリコーム群の生体内での様々な現象への影響や相関関係の総合的な理解を可能にすると考えている。本研究でMousepolyhommeotic 2(Mph2)結合タンパク質としてクローニングしたSex combon midleg homolog 1(Scmh1)は、一次構造の比較からショウジョウバエポリコーム群の一つであるSex combon midleg(SCM)のマウスホモログと考えられた。、ノザンブロット解析の結果、Scmh1 mRNAは特に精巣において非常に高い発現を示すことが明らかとなった。Scmh1遺伝子欠損マウスを作製したところ、従来のポリコーム遺伝子欠損マウスで見られる中軸骨格系における異常は、頻度は非常に低いが観察された。また、ポリコーム遺伝子欠損マウスでは初めて精子形成過程減数分裂中期での分化停止が観察され、精母細胞のアポトーシスの亢進が見られた。さらに、ホモ接合体の胎児性繊維芽細胞では、増殖能低下が見られ、また継代が進むとtumor supressorであるp19^<ARF>及びp16mRNAの発現が急激に増加し、genomic instabilityが起こっていることが明らかとなった。以上の結果より、ポリコーム遺伝子Scmh1は中軸骨格系だけでなく、精子形成過程、及び細胞増殖に重要な役割を果たしていると考えられる。Scmh1遺伝子欠損マウスをはじめ、他のポリコーム遺伝子欠損マウスやトランスジェニックマウスのさらなる網羅的解析を行うことは、ポリコーム群の生体内での様々な現象への影響や相関関係の総合的な理解を可能にすると考えている。今後は、さらにin vitroの系も加えて、p53やアポトーシス、クロマチンリモデリングなどにも焦点を当てて解析を進めていく予定である。
再生器官の発生時間軸を制御するマスター遺伝子の探索

本研究課題は、再生器官の発生に関わる時間軸・形態形成を制御しうるマスター遺伝子の探索を目的とした。生物種固有の発生メカニズムに基づく同一個体内の乳歯・永久歯の発生時間軸の違いに着目して、イヌ乳歯歯胚・永久歯歯胚の発現遺伝子をcDNAマイクロアレイにて比較検討したところ、FGF14およびFEZF2遺伝子を見出した。この中で、FGF14におけるマウスの歯胚発生に及ぼす影響を解析したところ、歯胚発生における上皮幹細胞やエナメル芽細胞に影響を与えていることが示唆された。本研究課題では、同一個体内の乳歯・永久歯の発生時間軸の違いに着目して、再生器官の再生・成熟に要する時間軸を決定しているマスター遺伝子の探索・解明を進めるとともに,それを短縮する方法を解明することを目的とするものである。平成27年度の研究実施項目に従って進捗し、下記の研究成果を得た.研究項目(1)乳歯歯胚・永久歯歯胚における発生時間軸の比較検証;胎齢55日イヌ胎児顎骨から採取した乳歯・永久歯歯胚を免疫不全マウスに移植したところ、乳歯歯胚は移植後60日で完成歯にまで発生した。一方で、永久歯歯胚は同移植期間においても歯冠形成期の途中であり、乳歯/永久歯の発生速度に明らかな違いがあることが示された。研究項目(2)乳歯歯胚/永久歯歯胚細胞の細胞学的キャラクタライズ;摘出した乳歯歯胚と永久歯歯胚から採取した歯胚細胞の細胞挙動、テロメア活性による未分化性を解析中である。研究項目(3)発生時間軸制御に関わる候補遺伝子の探索;胎齢55日のイヌ乳歯・永久歯歯胚を用いて、cDNAマイクロアレイ解析を行い、Total 43,603個の遺伝子群の中から乳歯に高発現している遺伝子201個、永久歯に高発現する遺伝子84個を見出した。さらに、未分化性維持に関与する遺伝子を抽出するために,永久歯に高発現する遺伝子を対象にin situ hybridizationにてイヌ永久歯歯胚組織内における発現局在の解析を始めている。平成27年度の研究実施項目は予定どおり進行しており、次年度の解析予定である研究項目(4)も一部解析を始めている。本研究課題では、同一個体内の乳歯・永久歯の発生時間軸の違いに着目して、再生器官の再生・成熟に要する時間軸さらには再生器官の形態形成を決定しているマスター遺伝子の探索・解明を目的とするものである。平成28年度の研究実施項目に従って進捗し、下記の研究成果を得た。研究項目(4)発生時間軸制御に関わる候補遺伝子の発現解析:H27年度のマイクロアレイの研究結果から抽出された因子の中で、永久歯歯胚にて高発現するFGF14遺伝子と乳歯歯胚に高発現するFEZF2遺伝子を見出した。これらの分子を対象に、in situ hybridizationにてイヌ歯胚組織内における発現局在の解析を行ったところ、FGF14は歯胚上皮幹細胞のニッチであるサービカルループ領域の上皮細胞に遺伝子発現が集積しており、その一方でFEZF2遺伝子は歯冠部のエナメル芽細胞の領域にて発現集積が認められた。これらの結果より、抽出された2つの候補遺伝子は歯胚上皮細胞の未分化性維持や分化促進に影響している可能性が示唆された。研究項目(5)時間軸制御因子による器官発生速度の変動解析:一生歯性であり、本来であれば発生速度が変動することのないマウス歯胚を用いて、候補遺伝子を導入することによる歯胚発生速度・形態の変動を器官培養にて検証した。マウス歯胚における遺伝子導入系は十分に機能しなかったことから、リコンビナントタンパクを用いて器官培養を行ったところ、リコンビナントFGF14の添加によりマウス切歯歯胚の伸長が促進されるとともに、エナメル質形成領域の肥厚化やエナメル質の形成低下が認められた。これらの結果より、FGF14は歯胚発生における上皮幹細胞やエナメル芽細胞に影響を与えていることが示唆された。平成28年度の研究実施項目に従い、下記のように進めていく。研究項目(2):乳歯歯胚/永久歯歯胚細胞の歯胚細胞の細胞挙動、テロメア活性による未分化性を解析する。研究項目(4):研究項目(3)にて抽出した候補遺伝子を用いて、マウス歯胚発生過程における時間軸制御遺伝子の発現ステージと、発現局在をin situ hybridizationにより解析する。研究項目(5):エレクトロポレーションやアデノウイルス導入系にて候補遺伝子のマウス歯胚細胞、およびマウスiPS細胞への導入を検討し、歯胚発生速度の変動や形態形成、さらには形成組織の偏りなどの変化を解析していく。歯科補綴学、再生医学
2光子励起断層画像法を用いた膵島における開口放出関連蛋白の機能解析

組織深部の観察に適する2光子励起断層画像法と水溶性蛍光色素液を用いて、膵ランゲルハンス島におけるインスリンの開口放出を定量的に検出する手法を確立した。(Takahashi et al. Science297,2002)そこで、本研究課題ではこの手法の同時多重染色性を用いて、開口放出にかかわる蛋白の動態を実際の開口放出現象と関連付けて解析することを目的とした。まず、膜融合に深く関連するSNARE蛋白質のうち、細胞膜に存在するSNAP25の動態を調査した。SNAP25のN末を、GFPの変異体であるECFPで標識し、アデノウィルスベクターでラット膵島に発現させた。水溶性蛍光色素液で膵島を還流しながら、高濃度グルコースで分泌刺激を与え、開口放出がおこった部位における当分子の動態を解析した。その結果、融合細孔を介して顆粒膜に側方拡散する頻度は、単一開口放出現象では5%であるのに対し、逐次開口放出を起こした例では54%に達した。なお、膵島では逐次開口放出が全開口放出現象の2%に著しく抑制されている特徴を我々は発見したが、膜性SNARE蛋白の顆粒膜への拡散障害がその抑制の主因になっているとする仮説を打ち出した。膜内コレステロールの除去により、拡散と逐次開口放出双方の出現頻度が増えることを確認し、両者の間の相関が示唆された。この研究により顆粒膜にSNARE分子が側方拡散を開始するタイミングや、側方拡散したのちに第二の開口放出がおこるまでに潜時などが明らかになった。(論文投稿中)インスリンの分泌不全は、我国における糖尿病の一つの主徴である。近年膵島においても開口放出への関与が推定される多数の蛋白分子が同定されてきたがその機能は明らかではない。そこで、インスリン開口放出の素過程が定量的に計測できる2光子励起法を用いて、開口放出現象と蛋白の動態を直接関連づけて観測する実験系の確立を目指して準備を進めてきた。膜融合に関わるSNARE分子のうち、インスリン顆粒膜に存在するVAMP-2と細胞膜に存在するSNAP25のN末に、GFPの変異体であるEYFPとECFPをそれぞれ結合したプラスミドベクターを構築した。そして、アデノウィルスベクターへ組み込みマウス膵島への発現実験を開始した。2光子励起断層画像法で、発現状況を観察したところ、最外層優位に、従来の導入方法より多くの細胞で発現していることを確認した。現在もなお、感染条件を検討中であるが、SNAP25に関しては、細胞膜への局在傾向が認められている。VAMP2に関しては、インスリン顆粒やライソゾームと思われる点状像が認められる。この膵島を、水溶性蛍光色素液で環流しながら、高濃度グルコースで分泌刺激を与えたところ、インスリン開口放出像が検出された。開口放出のキネティクスや時間経過、空間分布は、非発現膵島と優位差はない。現在、CFPやYFPと蛍光スペクトルの重なりが少なく、かつ、同一の波長で2光子励起できるような色素を複数試用して、観察条件の最適化を図っている。融合細孔の形成前に限局したシグナルを同定しておりその本態の究明を進めている。(論文投稿中)
生命素材物質のルーツを宇宙に探る：天文学と分光学の融合

宇宙で生成された生命素材物質が、恒星・惑星形成領域において彗星や隕石に取り込まれて惑星に運搬されたという地球外運搬説の検証を試みた。このために、各種生命素材物質の正確なスペクトル線周波数測定に成功した。これらの情報を活用し、ALMA望遠鏡により星惑星系形成領域にグリシンが存在する兆候を得ることができた。星間グリシンの存在が確実であることを示すまでには至らなかったが、今後確定させるための研究を実施することにより、より地球外運搬説がより有力な考え方になると考えられる。地球外運搬説は、地球型系外惑星にも適用されるため、本結果をさらに発展させることが地球外生命体を調査するために極めて重要である。分光チームは、本科研費で購入した周波数逓倍器を組み込んで分光実験を実施した。その結果、最も簡単なアミノ酸であるグリシンの前駆体の一つであるヒダントイン、また、五員環であるイソキサゾールの世界初のミリ波スペクトル測定に成功した。これに加え、HCOO13CH3のマイクロ波分光の結果を用いてそのねじれ振動第2励起状態の帰属に成功した。これらの成果により、今後のヒダントインの星間空間における探査が可能となった。ヒダントインやイソキサゾールはいずれも五員環であり、これまでに宇宙空間でその存在は知られていない。これらの五員環分子が今後計画する宇宙空間における探査によって発見されれば、核酸塩基であるアデニン等には五員環が含まれていることから、宇宙空間においても核酸塩基が生成される可能性が高まる。観測・理論チームは、宇宙空間におけるグリシンの生成経路を明確にするための観測結果の解釈を進め、前駆体の一つであるメチレンイミンの主たる生成は気相で起きることが明らかになった。さらに、グリシンの直接の前駆体であるメチルアミンは星間塵表面反応で生成されるものが主であることも明らかになった。これらの結果は、査読論文としてまとめ、Astrophysical Journal誌への採録が決まった。ALMAを用いたグリシン探査は、観測提案をcycle 3公募に提出したものの採択には至らなかった。2016年のcycle 4公募に再び提出することとしている。さらに、ALMAにより原始惑星系円盤からの13COおよびC18O輝線を観測し、円盤中のCOガス量を測定した結果、COガスがスノーラインの内側でも非常に少ないことを明らかにした。これは、COがダスト表面反応により、有機分子など、より大きく蒸発しにくい分子になり、ダスト表面に留まっている可能性を示唆する。3年計画の1年次の大きな目標の一つは、生命素材物質のミリ波分光実験を行うことによりその後の星間探査の準備を整えることであった。グリシン前駆体と考えられるヒダントインやイソキザゾールのミリ波分光に世界で初めて成功したことは特に大きな進展である。これらの物質はいずれも五員環であり、これまでに宇宙空間でその存在は知られていない。観測的研究においては、グリシン前駆体の一つと考えられるメチレンイミン(CH2NH)の生成過程に関する詳細な検討を行い、これまで言われていた星間塵表面反応ではCH2NHはメチルアミン(CH3NH2)になってしまうこと、従って、星間分子雲で観測されるメチレンイミンは気相反応によって生成されることを明らかにできた。一方これは、グリシン前駆体であるメチルアミンが青酸(HCN)への水素付加反応など、ほぼすべての星間分子雲で起こりえる機構により生成されることを意味し、宇宙のアミノ酸が広範囲に存在し得ることを示唆する。この結果は既に査読論文にまとめ、Astrophysical Journal誌への掲載が決定している。しかし、ALMAによるグリシン探査のための観測提案は不採択であった。平成28年度に再度挑戦する予定である。これらの研究成果を含め、平成27年度に出版した査読論文は21編、招待講演数は9回など多くの成果が上がった。しかし、予定したALMAによるグリシン探査は平成28年度に再挑戦となった。これらを総合し、自己評価は「おおむね順調に進展している」とした。観測チーム:星間グリシンをALMA望遠鏡で観測するためのプロポーザルが大変高い評価を得て採択される、また、核酸塩基の前駆体であるピリミジンの観測提案も採択される等本研究が目指す目標に向けて順調に進んでいる。これまでに、宇宙空間におけるグリシンの生成経路をちら部、グリシンの直接の前駆体の一つであるメチルアミンは星間塵表面反応によって生成されることを明らかにした結果は、Astrophysical Journal誌に査読論文として出版した。分光チーム:グリシン前駆体の一種と考えられているヒダントインの分光学的同定を進めた。その結果振動基底状態に加え、比較的低エネルギーと考えられる二種類の振動励起状態を帰属した。これらは天文観測的にも重要であると考えられたため、第一原理計算により振動モードおよび振動エネルギーの推定を行った結果とともに、学術論文として報告した。また、メチル基の内部回転を有する基本的な星間分子(同位体)の研究(CD3SHを投稿中で、HCOO13CH3のvt=2を投稿準備中)も進めた。理論チーム:原始惑星系円盤内において塵表面反応により複雑な有機分子が生成される。そのなかでもメタノールは表面反応によってさらに複雑な分子を生成する素となる分子と考えられている。

我々は、塵表面から気相に光脱離したメタノールの観測可能性を予測し、実際にALMAを用いて、円盤からのメタノールを初検出した。観測されたメタノールは円盤外縁の低温領域に存在し、また、観測されたメタノールと水の比が彗星のものと一致することから、塵表面で生成されたメタノールが光脱離したものであると考えられる。また一方で、塵表面反応や氷マントル反応の実験的研究を行っているエクス・マルセイユ大学のTheule氏とともに、非ラジカル同士の反応による有機分子生成の実験に基づく、化学反応ネットワークの構築に取り組んだ。観測、分光、理論チームのいずれも、目標としている進捗が見られる。観測チームは星間グリシンをALMA望遠鏡で観測するためのプロポーザルが大変高い評価を得て採択される、また、核酸塩基の前駆体であるピリミジンの観測提案も採択されるなど本研究が目指す目標に向けて順調に進んでいる。分光チームは、昨年度測定に成功したグリシン前駆体の一つであるヒダントインの結果を査読論文として出版した他、同じく五員環であるイソキサゾールの論文化作業が進んでいる。理論チームは、生命素材物質の多くが生成されると考えられる星間塵表面などにおける、これまでに研究されていない非ラジカル同士の反応を考慮した化学反応モデルの構築に取り組んでいる。これらの結果は、査読論文として出版する他、関連学会や研究会等において論文発表し、成果を広く伝えることに努力した。本科研費が支援する形で2017年11月末に国際天文学連合と共同で国際研究会Astrobiology 2017を開催した。世界27ヶ国から約200名が参加し、アストロバイオロジー研究を大きく推進できた。観測チーム:ALMAにより観測した星間グリシン探査データの分析を行った。グリシンの周波数に一致するピークを見出したが、他分子のスペクトル線が重なっているものがあり、現時点では確実なグリシン検出と結論できる段階にはない。このALMAデータ中に実験チームが初測定に成功したヒダントインやイソキサゾールが星間空間での探査により厳しい存在上限値を与えた。野辺山45m電波望遠鏡によるピリミジンの高感度探査を実施し、従来より1桁以上厳しい上限値を与えた。分光チーム:星間分子ギ酸メチルのマイクロ波分光測定およびカナダとの共同研究により遠赤外(低周波数の振動回転スペクトル)のデータをシンクロトロン放射光で測定した。環状分子のマイクロ波分光として、オキサゾールとイソオキサゾールのチャープパルスーフーリエ変換型マイクロ波分光計での測定がほぼ終了し、論文を執筆し始めた。アミノメタノールの測定を実施し、400GHz帯でQ-branchと推定されるようなパターンを見出した。さらにNH2の重水素置換体(NHD)のTHz帯の分光を行った。理論チーム:原始惑星系円盤内における星間塵表面反応および氷マントル反応による有機分子生成を調べるための化学反応ネットワークを完成させた。氷蒸発領域において氷の結晶化に伴い氷マントル反応が促進され、NH2COOHなどやNH4^+HCOO^-などの塩が効率よく生成されることを示した。
白血病細胞動態と抗白血病免疫反応・骨髄微小環境の相互作用の解明

本研究では、生体2光子励起イメージング技術を応用し、実際に生体内を直接観察することにより、生体内の骨髄でどのように免疫系細胞と白血病細胞が相互作用を起こしているのか、抗白血病免疫を回避し易い場所はあるのか、白血病細胞の運動能と抗白血病免疫反応にはどのような関係があるのか、白血病細胞は免疫反応が起きた際に微小環境とどのようにコンタクトしているのかといった従来の方法では観察し得なかった現象を明らかにすることを目的とした。研究計画1年目は白血病に対する免疫反応を可視化するイメージング系の確立に注力した。具体的には、SCAT3.1プローブ(アポトーシス可視化プローブ)、Ovalbumin(OVA)を強制発現させた白血病細胞株を尾静脈より静注し急性白血病モデルマウスの作成に成功した。さらにOT-1/EGFPマウス(OVAを特異的に認識するTCRを発現するT細胞を有し且つEGFPを発現するトランスジェニックマウス)よりOVA特異的T細胞を得、このT細胞をin vitroで活性化させて、白血病モデルマウスに移植。白血病細胞特異的なCTLによる免疫反応を惹起し、その生体イメージングに成功した。それにより、白血病細胞がCTLによって細胞死を誘導されるまでに、さまざまなアポトーシス誘導方式が存在することが明らかとなった。さらに、この誘導の違いのメカニズムの候補分子を同定し、現在詳細を検討中である。さらに白血病細胞の運動を薬剤もしくは遺伝子発現制御によって変化させる系を確立することに成功し、解析を継続している。これまでに、白血病細胞に対する免疫反応の生体イメージングに成功しており、このイメージング系を用いて免疫反応における新たなパターンを見出すことに成功した。さらに様々なアポトーシス誘導方式において、アポトーシス誘導効率が異なることを見出し、その原因となる候補の分子も検討している。また、白血病細胞の運動能と免疫反応に関連が見い出せ、こちらの検討も順次行っているため。今後、白血病細胞がCTLによって細胞死を誘導する方式の違いを詳細に検討する。さらに、白血病細胞の運動能を細胞運動関連因子を変化させることにより、免疫反応にどのような違いが起こるのかを検討する。これらから得られたデータより、白血病細胞自体もしくは残存細胞周囲の骨髄間質細胞を単離し、網羅的に解析を行う。また、マウスに免疫反応を変化させる薬剤を投与し、投与後のT細胞・白血病細胞の動きの変化・白血病細胞の残存する場所・T細胞の到達しにくい部位などを同定する。さらに治療薬と抗白血病免疫の関係などを検証する。
マウスH-Y抗原の精製とその生殖的意義に関する研究

近交系マウスのB6とBALB/L系統を用いて、H-Y(SDM)抗原の精製に利用するための特異性の高い抗体の調製を検討した。1.抗体スクリーニングする方法の改良これまでスクリーニングに用いてきた表皮細胞に対する細胞傷害テストは一応確立された方法であるが、操作が煩雑でかなり長い時間を要する点に問題があった。そこで、2つのELISA法を利用することでこの点を改良した。1つは抗マウス免疫グロブリンを予め結合させたプレートとペルオキシダーゼ標識2次抗体を用いて免疫グロブリン量を測定する方法で、もう1つはポリリジンとグルタールアルデヒドで塩化ポリビニルプレートに固定した精子とペルオキシダーゼ標識2次抗体を利用した方法である。2.雄マウス細胞で同系統の雌マウスを免疫して作製した抗血清の分画雄の脾細胞に加えて、H-Y抗原の発現量の多い表皮細胞と精巣細胞で雌を免疫して、抗血清を集めた。各血清を先が硫安分画して免疫グロブリン画分を沈殿させた後、ゲル濾過法で大きくIgMとIgG画分に分けた。IgG画分はプロテインAセファローズを利用して更に精製した。部分的に精製した画分には、どの細胞を用いた場合にも、H-Y抗原以外の抗原に対して産生された抗体の占める割合が大きいことが判明したので、それぞれの画分を更に細かく分ける方法を検討している。雄の細胞で免疫した雌マウスの脾細胞とミエローマを細胞融合させ、上述の精子を用いたELISA法によるスクリーニングでモノクローナル抗体を産生しているクローンをすでに分離した。現在、雌雄の胸腺細胞への結合能を比較する方法で特異性についての検討を進めている。
transient maskingとsustained maskingの研究-周波数変調波パタンにおける変調波の影響について-

縞パタン同志の時間的マスキングの実験を行った。従来の研究では、検査刺激の空間周波数のいかんにかかわらず、マスク刺激の空間周波数によってマスキング関数が決定されることが明らかにされている。つまり、マスク刺激の周波数が低い時には、マスク刺激のオンセット時、ないしは、オフセット時にほゞ同調して提示される検査刺激の閾値がかなり上昇するのに対し、マスク刺激の周波数が高い時には、そのような特別な閾値の上昇は生じないという。これは、太い縞に選択的に応答するチャンネル(低空間周波数チャンネル)と細い縞に選択的に応答するチャンネル(高空間周波数チャンネル)とが視覚系に存在し、それらの時間特性が異なるためと考えられる。そこで、今回は、マスク刺激として高周波数の搬送波に低周波数の信号波で、周波数変調、及び振幅変調をかけた変調波パタンを用い、時間的マスキングの実験を行った。その際いずれも、変調度を3段階に変化させたが、いずれの場合も、変調度が大きい条件ほど、マスク刺激のオン、オフ時に、急激な閾値の上昇が観察された。特に、振幅変調波の場合には、変調度の強さがどうであろうとも、そこに含まれる空間周波数成分は、いずれも高周波数であるのに変調度が大きい場合に限って特有の閾値の上昇が生じたことになる。これは、従来の低空間周波数チャンネルと高空間周波数チャンネルの時間特性の違いという観点だけからでは、説明のつかないことであり、モデルを修正する必要があることがわかった。実験はすべてコンピュータ制御の下に行い、縞は、CRTディスプレイ(TECTRONIX 608)上に提示した。なお、掃引の回数は、1秒間に300回の割合で、マスク刺激の提示時間は、500msec、検査刺激のそれは、20msecであった。被験者は裸眼もしくは矯正視力1.0以上のもの3名であった。
脱カルボニルを伴うカルボン酸の多重アリール化反応の経路解明と合成反応開発

2-メトキシカルボン酸およびα-ケト酸が五酸化二リン-メタンスルホン酸(P_2O_5-MsOH)中で脱一酸化炭素を伴うアリール化を連続して受ける非Friedel-Craftsアシル化型の親電子芳香族置換反応の挙動の厳密な把握と反応経路・機構の解明を行い,さらにα-ケト酸からの新規共役化合物群の合成反応を検討した。「(1)脱一酸化炭素を伴うカルボン酸のアリール化における基質の構造的反応支配要因の解明」では,基質カルボン酸のα-位の官能基の形態の反応挙動への影響,芳香族化合物の置換基の電子的・立体的な影響を明かにした。また,「カルボン酸のα-位のアルキル(アリール)置換基の立体的・電子的影響の定量的評価」では,αケト酸の構造と反応挙動との関係について,脱一酸化炭素の有無とアリール化の程度を4つの型に分類して説明できることが新たに分かった(Synth.Commun.1999;J.Org.Chem.2000)。「(2)縮合剤反応媒体中のヘテロ元素の役割の解明」では,2-メトキシプロピオン酸,メトキシ酢酸,メトキシフェニル酢酸等と芳香族化合物の反応をリン酸無水物系試剤(P_2O_5-MsOHなど),MsOH,CF_3SO_3H(TfOH),CF_3COOH,Nafion-H等の媒介体存在下で行いこの反応が酸性媒介体の性質に大きく依存することが分かった。特にメトキシ酢酸については媒介体の酸強度や性質に依存して,複数の反応経路の反応が進む特殊な挙動を示すことが分かった。その反応環境と生成物分布の相関についての系統的な解明ができた。「(3)中間体候補化合物を用いたモデル反応による反応経路・反応機構の解明」では,2-メトキシプロパン酸を中心に詳細な実験結果の比較検討から酸無水物形成を鍵とする反応経路を示すことができた(J.Org.Chem.1999)。これを基にしたメトキシ酢酸の反応の経路解明からその反応の経路が他とは大きく異なることが分かり,基質構造,酸性媒体と酸性度(プロトン供与能力)対酸無水物形成能の観点で反応経路の支配要因を解析した。2-メトキシプロパン酸およびα-ケト酸の脱一酸化炭素を伴うα炭素上へのアリール化反応について,反応挙動の厳密な把握と反応経路・機構の解明を試みた。「(1)脱一酸化炭素を伴うカルボン酸のアリール化における基質の構造的反応支配要因の解明」では,基質カルボン酸(α-アルコルコキシ酸,α-ケト酸)のα-位の官能基の形態の反応挙動への影響,芳香族化合物の置換基の電子的・立体的な影響に関し,有機電子論的説明でほほ解釈できるこが分かった。また,「カルボン酸のα-位のアルキル(アリール)置換基の立体的・電子的影響の定量的評価」については,αケト酸の構造と反応挙動との関係について新しい知見が得られ報文にまとめた(Synth.Commun.1999;J.Org.Chem.2000)。しかし,いろいろなカルボン酸の反応挙動全体の説明はまだ十分にできていない。

これについては,次の検討項目の「(2)縮合剤反応媒体中のへテロ元素の役割の解明」と絡めて進めることとした。ここでは,2-メトキシプロピオン酸に加え,メトキシ酢酸,メトキシフェニル酢酸等と芳香族化合物の反応をP_2O_5,ポリリン酸,P_2O_5-CH_3SO_3H,CH_3SO_3H,CF_3SO_3H,CF_3COOH等を媒体として行い,その反応挙動を調べ,酸性媒体の性質の影響を評価・検討している。しかし生成物の分離精製と構造確認に時間がかかり,まだ全体像がはっきりとした形で見えるまでには至っていない。そこで来年度前半をめどに酸性媒体の酸性度(プロトン供与能力)vs酸無水物形成能の観点から基質構造と酸性媒体の相関解明を整理することとし検討を継続している。「(3)中間体候補化合物を用いたモデル反応による反応経路・反応機構の解明」では,特に2-メトキシプロパン酸に焦点を絞って反応経路を解明し,報文に発表した(J.Org.Chem.1999)。2-メトキシカルボン酸が五酸化二リンーメタンスルホン酸(P_2O_5-MsOH)中で脱一酸化炭素を伴うアリール化を連続して受ける非Friedel-Craftsアシル化型の親電子芳香族置換反応について,反応の特徴解析,経路解明を目指した検討を行った。昨年度の反応支配要因の解析・解明結果(検討課題(1))を受け,主に,種々の媒介体中でのでの反応の特徴解析から酸性媒介体の性質の影響を調べ,メトキシ酢酸の超強酸中での反応の挙動解析と経路解明を行った。「検討課題(2)縮合剤反応媒体中のヘテロ元素の役割の解明」では,2-メトキシプロピオン酸に加え,メトキシ酢酸,メトキシフェニル酢酸等と芳香族化合物の反応をP_2O_5ポリリン酸,P_2O_5-MsOH,MsOH,CF_3COOH,ポリリン酸エチルエステル,ポリリン酸チリメチルシリルエステル,さらに,TfOH(CF_3SO_3H)やNafion-Hの超強酸等,種々の酸性媒介体存在下で行い生成物の種類や分布を解析した。その結果,α-アリコキシカルボン酸の脱カルボニルα-多重アリール化反応が酸性媒介体の性質に大きく依存する挙動を示すことが分かった。この中で,特に媒介体依存性のはっきりとしているメトキシ酢酸については媒介体の酸強度や性質と生成物分布について系統的な解明ができた。「検討課題(3)中間体候補化合物を用いたモデル反応による反応経路・反応機構の解明」では,まず,2-メトキシプロパン酸の反応経路の解明結果を基に(J.Org.Chem.1999),メトキシ酢酸の反応に焦点を絞って検討を行った。その結果,メトキシ酢酸では他のα-メトキシカルボン酸の反応とは異なる経路での反応の進行が示された。酸性度(プロトン供与能力)vs酸無水物形成能の観点からの基質構造や酸性媒体の性質と反応経路の相関の整理を試み,主な生成物に至る反応経路の中間体構造の推定ができた。
第一原理計算によるグラフェンを超える二次元材料の研究

平成27年度は、前年度までに進展のあったMoS2型のケイ素(Si)とゲルマニウム(Ge)の二次元同素体を積み重ねた多層構造を分子動力学法を用いて検討し、これらの多層構造の温度上昇に対する安定性を調べた。その結果、単層では温度上昇に対して非常に不安定であるが、層数の増加に伴い安定に存在できる温度域が拡大することが明らかとなった。この成果については、前年度に得られた成果と一緒にまとめ、現在、投稿論文を執筆中である。研究代表者は、シリセンやゲルマネンと組み合わせて使用すると、絶縁性基板、あるいは、保護膜として働くことが期待される六方晶窒化ホウ素(hBN)単原子層を二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)薄膜表面を窒化、加熱処理することで実験的に形成しているが、このZrB2薄膜上hBNを基板としてSiの蒸着によりシリセンを形成する実験が進展を見せたため、この系に関する第一原理電子状態計算を行い、実験結果と比較した。実験ではhBNの格子5に対してZrB2の格子4が対応するという大きな周期をもつモアレ構造が走査トンネル顕微鏡により観察されたため、この系について計算するには、非常に大きな、沢山の原子を含むセルを用いる必要があった。計算の結果、hBN層とZrB2の界面は、Zr終端の場合の方がB終端と比べて安定であること、hBN層とZrB2の間の距離は平均して0.24nmであること、最も距離が短いところと長いところの差が0.1nmあり、原子レベルで平坦とは言えず、波打っていることなどが明らかとなった。この計算結果と実験結果をまとめ、現在、投稿論文を執筆中である。研究代表者と研究分担者がタッグを組んで第一原理電子状態計算を用いた研究を行うことで、新奇二次元材料に関する実験結果の理解が格段に進んだ。27年度が最終年度であるため、記入しない。グラフェンは二次元材料がユニークで有用な物性を持ちうることを証明したが、バンドギャップを持たないため、グラフェンを超える有用性を持った新しい二次元材料の探索が進められている。本研究では、研究代表者が走査トンネル顕微鏡等の最先端顕微鏡技術により新しい二次元材料であるシリセンやゲルマネン等の構造・電子状態解析を行い、研究分担者が、研究代表者が得た実験結果を、第一原理電子状態計算を通して理解し、得られた知見を実験にフィードバックすることでさらに研究を進展させることを目的とする。平成25年度は、二ホウ化物薄膜上の二次元ゲルマニウム(Ge)層の構造解明に挑んだ。研究代表者のグループは、Geウェハー上に成長した二ホウ化ジルコニウムの単結晶配向薄膜表面にGe超薄膜がエピタキシャルに、自己組織的に、一様に形成される現象を実験的に見いだした。ケイ素(Si)ウェハーを基板としてエピタキシャルシリセンが形成された場合とは異なる表面再構成構造が二ホウ化ジルコニウム薄膜表面上に現れ、また、表面電子状態を角度分解光電子分光で調べてみると、ダイヤモンド構造のGeとも二ホウ化ジルコニウムとも全く異なるバンド構造を示した。このエピタキシーにより安定化された新奇な二次元Ge層が一原子層よりも厚いことが実験から明らかとなり、ゲルマネンの多層構造を第一原理計算で調べたところ、二硫化モリブデンを構成する層に似た二次元構造をとったときに、ゲルマネンよりもエネルギー的に安定であることが明らかとなった。この関係は、Si系でも成立することが確かめられた。この全く新しいSiとGeの二次元材料は、その新奇な結合状態に由来して、これまでに予測されていたシリセンやグラフェンとは異なるバンド構造を有しており、今後、実験的にこのような構造が合成されているのか詳細に検討する必要性が示唆された。平成26年度は、蜂の巣構造を持つケイ素(Si)版とゲルマニウム(Ge)版グラフェンであるシリセンとゲルマネンの多層膜についての第一原理電子状態計算を行う中で発見した、二硫化モリブデン(MoS2)を構成する層と同様の構造を持つ二次元材料の安定性について検討を進めた。フォノン分散を調べるためにより大規模な計算を行うなどした結果、Siの二次元同素体に関しては、いままでシリセンとして注目を集めていた座屈した蜂の巣構造よりも、単位面積当たりの原子数の多いMoS2構造の層の方が一原子当たりのエネルギーが小さく、より安定であることが明らかとなった。この成果は論文にまとめられ、Physical Review B誌にオープンアクセス論文として掲載された。また、これらSiとGeの二次元同素体を重ねて格子定数を変化させて多層構造を検討し、ダイヤモンド構造とそのエネルギーの大小を比較した結果、Siの場合は常にダイヤモンド構造がより安定であるが、Geの場合にはMoS2構造の方がより安定であることが明らかとなった。これらの成果により、単層シリセンやゲルマネンへのSiやGeの蒸着実験や、多層シリセンやゲルマネンの形成実験の結果を解釈する際に、この新しく発見されたMoS2構造を考慮する必要性が示唆された。これらの知見を活かし、実験的に得られたGeウェハー上二ホウ化ジルコニウム薄膜上に形成されるエピタキシャルGe層についてもその構造を検討し、基板の影響を考慮して第一原理電子状態計算を行った結果、自立した多層Ge二次元同素体の場合とは異なる、ゲルマネンとMoS2構造の中間の構造が得られた。