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回転分子モーターの動力学計算と自由エネルギー変換メカニズムの解明

ATP合成酵素はF1とFoの2つのドメインからなる。F1ではAIPの加水分解時に放出される自由エネルギーがγサブユニットの回転エネルギーに変換される。一方, Foは膜蛋白質であり,膜内外のプロトンの電気化学ポテンシャルがc-ringの回転に変換される。しかし,エネルギー変換の分子機構はまだ謎につつまれているので,この解明を目標として昨年度に引き続き"1分子計算機実験"を行った。粗視化モデルを用いた1分子計算機実験によって(1)Fo内部でのプロトンの移動経路,(2)ラチェット機構によるFoのc-ring回転,およびF1のγサブユニット回転を調べた。(1)については,これまでの研究でperiplasm側からFo内部への入口経路を見出した一方, Fo内部からoytoplasm側への出口経路が全く観測されなかったため,その原因究明を行った。注目したのは,これまでの研究では考慮していなかった極性アミノ酸(Asn, Gln, Ser等)の寄与である。Fo分子内の極性残基の空間分布とそれによる局所的な比誘電率の違いはプロトン経路に大きく影響すると考えられる。そこで,これまでの粗視化MDプログラムに局所比誘電率とボルン・エネルギー項を実装し,プロトン経路の再調査のための準備を整えた。(2)については, Feymanラチェット機構/Rockingラチェット機構によってc-ring/γサブユニットに一方向性の回転ブラウン運動が生じ,また,回転方向が外部パラメータに依存して逆転することを示した。これと平行して,ラチェット機構を可能にするタンパク質の柔らかいアーキテクチャーの性質を探るため,立体構造内部のアミノ酸残基間ネットワークを解析し,タンパク質立体構造の普遍的な性質としてのフラクタル性と臨界パーコレーション性を見出した。ATP合成酵素はF1とFo部分からなり,Fo部分は膜内外のプロトンの電気化学ポテンシャルを利用して回転する回転モーターだと考えられている。本研究では,"1分子計算機実験"によって,この自由エネルギー変換マシンの動作機構の解明を目標としている。まず,Fo分子内のプロトン径路について調査し,プロトンがa-subunitから進入(過去の実験結果と一致),その後,a-subunitの旋回によってc-ringとの間に一時的に形成される径路を通ってc-ringに移動すること(新たなゲート機構),a-subunit内を貫通しないこと(ボトルネックが存在)等が分かった。しかし出口についてはまだ良く分からない。プロトン流とa-subunitの揺らぎがカップルしていることが示唆されたので,a-subunitの揺らぎを活性化させると何が起こるかを調べたところ,熱平衡状態では約30°のステップ状の回転拡散を示していたc-ringに一方向性が生じることが分かった。すなわちブラウニアン(ファインマン)ラチェット機構がFoには備わっていると考えられる。また,cAsp61あるいはaArg210を中性化させると一方向性が消失した。同様の1分子計算機実験をF1部分についても行った(つい最近の1分子実験によってF1にもブラウニアン・ラチェット機構が存在する可能性が示された)。回転子γ-subunitは熱平衡状態ではステップ状の回転拡散(主ステップ幅120°C)を示したが,固定子のいくつかの主成分モードを選択的に励起させると回転に一方向性が生じることが見いだされた。これらの計算機実験では"揺らぎの活性化状態"を仮定したが,実際,そのよう状態が可能なのかという問題意識のもと,蛋白質立体構造の特徴抽出につなげる基礎研究を統計力学の観点から行った。
機能性表面を有する切削工具の開発と応用に関する研究

本研究は,工具表面にマイクロ・ナノメータオーダの微細なテクスチャを作製し,そこで発現する摩擦係数の低下の作用を応用することで,優れた加工性を持った切削工具を開発することを目的としている.テクスチャによる化学的な影響について検討するため,ガスを吹きかけながらの切削実験および雰囲気を変化させた状態での摩擦摩耗試験を行った.その結果,テクスチャによって摩擦が減少する要因の一つとして,酸化の作用が存在することがわかった.さらにテクスチャを微細加工用工具へ応用するため,小径エンドミルへの適用について検討した.その結果,レーザによるデブリの少ない条件でテクスチャを作製することで,その効果が得られることがわかった.本研究は,工具表面にマイクロ・ナノメータオーダの微細なテクスチャを作製し,そこで発現する摩擦係数の低下の作用を応用することで,優れた加工性を持った切削工具を開発することを目的としている.テクスチャによる化学的な影響について検討するため,ガスを吹きかけながらの切削実験および雰囲気を変化させた状態での摩擦摩耗試験を行った.その結果,テクスチャによって摩擦が減少する要因の一つとして,酸化の作用が存在することがわかった.さらにテクスチャを微細加工用工具へ応用するため,小径エンドミルへの適用について検討した.その結果,レーザによるデブリの少ない条件でテクスチャを作製することで,その効果が得られることがわかった.固体表面に微細なテクスチャを作製することで,表面の摩擦係数が減少することが知られている.この原理を切削工具に適用することで,工具・被削材間の摩擦係数が低下し,切削抵抗や工具摩耗などを改善することが可能であると考える.本研究は,工具表面にマイクロ・ナノメータオーダの微細なテクスチャを作製し,そこで発現する摩擦係数の低下現象を応用することで,優れた加工性を持った切削工具を開発することを目的としている.テクスチャ作製の高効率化およびそのメカニズムを解明することを目的として,テクスチャの作製領域を変化させた実験を行った.被削材にはアルミニウム合金を使用した.コーティングのない工具の場合,工具切れ刃部でその効果は最も小さい.テクスチャの位置が200μm以上になると,その値は一定となった.コーティングのない工具では,切れ刃周辺で凝着の影響が大きく現れ,テクスチャの効果が現れにくい.また工具・被削材間の接触距離は長く,テクスチャの効果が広く分布したと考える.一方,DLCコーティングした工具の場合,テクスチャが切れ刃付近の場合に切削抵抗が最も小さく,切れ刃から離れるにつれて,その値は増加した.すなわち,テクスチャによる効果は切れ刃付近で最も大きく,本実験条件下では切れ刃から300μmまでの領域でその効果が現れることがわかった.さらに,テクスチャによる効果のメカニズムについて検討するため,加工雰囲気を変化させた実験を行った.その結果,不活性ガス中ではテクスチャによる効果が現れにくく,酸素濃度の増加にともない効果が強くなる傾向にあった.すなわち,アルミニウム合金の切削では酸化による影響が強く表れていることがわかった.固体表面に微細なテクスチャを作製することで,表面の摩擦係数が減少することが知られている.この原理を切削工具に適用することで,工具・被削材間の摩擦係数が低下し,切削抵抗や工具摩耗などを改善することが可能であると考える.本研究は,工具表面にマイクロ・ナノメータオーダの微細なテクスチャを作製し,そこで発現する摩擦係数の低下現象を応用することで,優れた加工性を持った切削工具を開発することを目的としている.テクスチャによる化学的な効果について詳細に検討するため,ガスを吹きかけながらの切削加工実験および雰囲気を変化させた状態でのボールオンディスク型摩擦摩耗試験を行った.アルミニウム合金の旋削加工実験を行った結果,空気および酸素を吹きかけた場合にテクスチャによる効果が強く表れた,一方,アルゴン中で,その効果は小さい.また,酸素が存在する雰囲気中で加工することで凝着量が大きくなり,これが被削性を悪化させることがわかった.摩擦摩耗試験を行った結果,雰囲気に酸素が存在する場合に摩擦が小さくなることがわかった.また切削加工実験と同様に,空気中,酸素中で,テクスチャによる摩擦の減少が見られた.以上の結果より,テクスチャによって摩擦が減少する要因の一つとして化学的な作用が存在し,空気中の酸素が強く影響することがわかった.また小径工具への応用を目的として,その小径工具へのテクスチャ作製を試み,有効な作製方法について検討することができた.固体表面に微細なテクスチャを作製することで,表面の摩擦係数が減少することが知られている.この原理を切削工具に適用することで,工具・被削材間の摩擦係数が低下し,切削抵抗や工具摩耗などを改善することが可能であると考える.本研究は,工具表面にマイクロ・ナノメータオーダの微細なテクスチャを作製し,そこで発現する摩擦係数の低下現象を応用することで,優れた加工性を持った切削工具を開発することを目的としている.テクスチャを微細加工用工具へ応用するため,小径エンドミルへの適用について検討した.フェムト秒レーザを利用することで,小径エンドミルへのテクスチャの作製が可能であった.これを用いて,アルミニウム合金のミリング加工実験を行った.その結果,切削液の種類によってテクスチャの効果は異なり,水溶性の切削液を使用した場合,凝着によってテクスチャが埋められてしまい,効果が見られない.油性の切削液を用いてミスト加工することで凝着を抑制でき,テクスチャの効果が現れることがわかった.さらに,テクスチャの形状を変化させた実験を行った結果,レーザの干渉によるテクスチャの場合,明確な効果は得られない.

一方,溝状のテクスチャを作製し,レーザによるデブリの少ない条件に設定することで,テクスチャによる効果が得られることがわかった.以上の結果より,本技術を小径工具に適用することが可能であり,これによってこれらの工具の加工性を改善できることがわかった.本年度はテクスチャを有する切削工具の応用化を目的として,テクスチャによる化学的な効果について詳細に検討した,その結果,その一因を示すことができ,今後の応用化のために有用な知見を得ることができた.24年度が最終年度であるため、記入しない。本年度得られた知見を基に,下記項目について検討する。(1)各種切削工具,加工分野への応用化各種工具へ微細テクスチャを適用し,各種加工分野への応用化について検討する.とくに,小径ドリル,小径エンドミルや精密加工用工具など,各種微細加工・精密加工用工具への適用を試みる.(2)摩擦係数が被削性へ及ぼす影響のシミュレーションによる評価各種加工方法において,摩擦係数の変化が被削性(切削温度,切りくず形状,残留ひずみ等)へ及ぼす影響について,有限要素法によるシミュレーションを行う.24年度が最終年度であるため、記入しない。
オール光ファイバ形熱レンズ計測装置の試作と環境汚染物質の高感度その場への応用

本研究の目的は、オール光ファイバ型熱レンズ計測装置を試作し、これを環境計測センサに応用することである。本年度は主として、オール光ファイバで熱レンズ測定部が構成されたセンサの開発と、その検出感度等の評価を行った。具体的には、まず、熱レンズ測定部の構成を検討し、実際の検出部を試作した。つぎに、光ファイバにレーザー光源を接続し、光学測定系を構築した。また、電気測定系も整備し、実験準備を完了した。本研究における実施内容と得られた知見は下記の通りである。(1)まず、光学的位置調整機構が取りつけられた2本の先球加工ファイバ(10/125 SM、ファイバ先球半径15μm)を互いに対向させ、これを純水中に沈めた。つぎに、ファイバに励起レーザー光(窒素レーザー励起色素レーザー、pulse光)および、検出レーザー光(Laser-diode、cw光)導入した。検出レーザー光の透過光をpin-photodiodeで検出した結果、励起光に同期してこの光量が変化する現象をとらまえた。さらに、同調節機構を用いて基礎特性を測定し、その結果を検討した結果、この現象は熱レンズによるものであることがわかった。(2)測定の再現性を検討した結果、透明液体の場合、良好な再現性が得られた。しかし、混濁した溶液の場合、現在のところ再現性に問題があることがわかった。この問題は検出部を改良することにより改善されるものと思われる。(3)透明液体における検出感度を検討した。一例として、純水に極微量のカルシウムイオンを定量的に添加して測定を行った。その結果、現在のところ数10ppmの検出感度が得られている。測定装置として残された問題点も多くあるが、いずれも技術的に解決できるものと考えられる。また、色素レーザー波長を可変させ、不純物溶液の吸収波長に合わせることにより、劇的な検出感度向上をはかれるものと思われる。なお、研究成果については、近い将来発表する予定である。
磁性ヘテロ構造におけるスピン軌道相互作用と異方性がもたらす輸送現象の理論

1.トポロジカル絶縁体表面での近接磁気抵抗効果強磁性絶縁体/トポロジカル絶縁体(TI)二層膜における電気伝導を近接磁気効果に基づいてモデル化した。モデルとして、TI表面を記述する二次元Diracハミルトニアンに近接磁気効果による交換ポテンシャルを加えたものを用いた。これにより、TI表面における特殊なバンド構造に起因して巨大な磁気抵抗効果が発現しうることを明らかにした。TIの表面状態では、スピンと運動量の向きが互いに直交するように結合している(スピン運動量ロッキング)。したがって、TI表面に電場を印加することでスピン運動量ロッキングによりスピン蓄積が誘起される(Rashba-Edelstein効果)。そこで、TI表面のスピン蓄積と強磁性絶縁体の磁化との交換相互作用を介すことで、磁化により電気抵抗を制御することができる。計算手法として、ボルツマンの輸送理論により非磁性不純物と磁性不純物の両方に対して電気伝導度を計算し、抵抗変化率を評価した。本原理を応用することで二層膜という単純な構造で磁気メモリができる。2.交流電界による反強磁性絶縁体の磁気共鳴交流電界による反強磁性絶縁体の磁気共鳴を理論的に研究した。反強磁性絶縁体としては、鉄原子をドープしたビスマスカルコゲナイド(トポロジカル絶縁体)で報告される反強磁性相等を想定している。素子構造は、そのような反強磁性絶縁体を挟んだコンデンサーから成る。この素子に交流電界を印加することで、それが副格子磁化に対して有効磁場として振舞い磁気共鳴が誘起される。この有効磁場を定式化し、誘起される磁気共鳴をモデル化した。この原理は、磁場による電流の生成を引き起こすカイラル磁気効果の逆現象として理解できる。本原理を応用することで電界により反強磁性体の磁気情報を制御することができる。28年度が最終年度であるため、記入しない。申請者は、非磁性金属と磁性絶縁体を接合させたときに電流が駆動するスピン軌道トルクによって磁性絶縁体が磁化励起されることを発見した。本研究では、磁性絶縁体として知られるイットリウム鉄ガーネット(YIG)と非磁性重元素のPtを接合した系に注目し、交流電流誘起のスピンホール効果を介した磁性絶縁体の磁化ダイナミクスを理論的に研究した。申請者らは、YIG/Pt接合系における電流と磁化の相互作用を調べるために、最近発見されたスピンホール効果磁気抵抗(SMR)を用いて、電流駆動スピントルク強磁性共鳴(ST-FMR)を検出する簡便な方法を提案した。交流電流が誘起するスピン軌道トルクを含むランダウ-リフシッツ-ギルバート(LLG)方程式により磁化ダイナミクスを計算し、SMRによる整流効果としてPt層で生じる直流電圧を定式化した。そして、この直流電圧を実験的に測定することで電流が駆動するスピン軌道トルクにより磁性絶縁体が磁化励起されることを明らかにした。これまで知られていたスピン軌道トルクによる磁性体の磁化励起はすべて強磁性金属を含む金属接合に電流を流すことで発現するが、今回実証した磁性絶縁体の電流による磁化励起を用いると、磁性体に電流を流すことなく非磁性金属に隣接する磁化のスイッチングを行うことが可能となる。このため、将来的には磁性体における発熱や化学反応、磁気特性の劣化の少ない長寿命な新機能磁気デバイスの研究開発へ貢献が期待される。本研究の一部は、ヴァルター・マイスナー研究所(ドイツ)、ミュンヘン工科大学(ドイツ)との共同で行われた。本年度は、磁気抵抗素子のための新規材料としてフェリ磁性や反強磁性秩序を有する物質群を中心に研究を進めてきた。これまでのスピントロニクス研究では反強磁性金属の磁気抵抗効果(静的特性)が主題であり、反強磁性体の磁気緩和機構(動的特性)はあまり調べられていなかった。しかし、磁気緩和定数等の動的特性は、今後反強磁性体を利用した素子で磁化スイッチングを行うときに必須となる情報である。本研究では、磁気メモリ素子の構造によく見られる磁性体/非磁性体/磁性体の磁性三層構造における磁性絶縁体の磁気緩和機構を理論的に研究した。素子構造としては、漏れ磁場を抑えるために二つの磁性絶縁体が非磁性金属を介して反強磁性的に結合した系を想定した。そして、磁性三層構造での磁気緩和機構を解明するために高周波磁場による磁気共鳴モデルを構築した。通常、磁気緩和定数の情報は磁気共鳴実験における高周波磁場の吸収曲線から得られる。今回のモデルでは磁気共鳴に用いる印加磁場により反強磁性的に結合した系は非共線的な磁気構造に移行する。申請者は、スピン拡散モデルとスピンポンピング理論を用いて非共線的な磁気構造における磁化ダイナミクスの方程式を定式化した。その結果、非共線的な磁気構造に起因した新たな磁気緩和機構を発見し、その磁気共鳴モード及び外部磁場依存性を明らかにした。更にこの理論は磁性体中のスピン拡散を考慮することで強磁性金属の系にも適用できる。定式化したLLG方程式を実際の物質パラメータを用いて解くことで、実験との比較を行った。その結果、理論と先行研究における実験データとの高い整合性が得られた。本研究の成果は、米国科学誌「Physical Review B」のオンライン版(2015年8月5日付)に掲載されている。

本年度は、現象論的なアプローチにより磁性絶縁体を含んだ多層系の磁化ダイナミクスをモデル化できた。しかし、目的としていた非磁性金属/磁性絶縁体の接合界面でのスピン軌道相互作用を取り込んだスピン輸送の微視的理論の構築には至らなかった。この理論構築は現在進行中であり、今後の優先課題である。1.トポロジカル絶縁体表面での近接磁気抵抗効果強磁性絶縁体/トポロジカル絶縁体(TI)二層膜における電気伝導を近接磁気効果に基づいてモデル化した。モデルとして、TI表面を記述する二次元Diracハミルトニアンに近接磁気効果による交換ポテンシャルを加えたものを用いた。これにより、TI表面における特殊なバンド構造に起因して巨大な磁気抵抗効果が発現しうることを明らかにした。TIの表面状態では、スピンと運動量の向きが互いに直交するように結合している(スピン運動量ロッキング)。したがって、TI表面に電場を印加することでスピン運動量ロッキングによりスピン蓄積が誘起される(Rashba-Edelstein効果)。そこで、TI表面のスピン蓄積と強磁性絶縁体の磁化との交換相互作用を介すことで、磁化により電気抵抗を制御することができる。計算手法として、ボルツマンの輸送理論により非磁性不純物と磁性不純物の両方に対して電気伝導度を計算し、抵抗変化率を評価した。本原理を応用することで二層膜という単純な構造で磁気メモリができる。2.交流電界による反強磁性絶縁体の磁気共鳴交流電界による反強磁性絶縁体の磁気共鳴を理論的に研究した。反強磁性絶縁体としては、鉄原子をドープしたビスマスカルコゲナイド(トポロジカル絶縁体)で報告される反強磁性相等を想定している。素子構造は、そのような反強磁性絶縁体を挟んだコンデンサーから成る。この素子に交流電界を印加することで、それが副格子磁化に対して有効磁場として振舞い磁気共鳴が誘起される。この有効磁場を定式化し、誘起される磁気共鳴をモデル化した。この原理は、磁場による電流の生成を引き起こすカイラル磁気効果の逆現象として理解できる。本原理を応用することで電界により反強磁性体の磁気情報を制御することができる。現象論的なアプローチによって、スピン軌道相互作用を介した電流駆動の磁性絶縁体の磁化ダイナミックスを研究できた。また、実験グループとの共同研究により定量的な解析を行うことができたと考えている。しかし、微視的理論の構築にまだ至っていないため、これは今後要求される課題と考えられる。非磁性金属/磁性絶縁体の接合界面でのスピン軌道相互作用を取り込んだスピン輸送の微視的理論の構築を行う。その上で、磁性絶縁体としては強磁性体に限らず反強磁性体等の他の磁性体も視野に入れて研究を行う。また、それらの系での磁化ダイナミクスを研究することで、構築した理論の磁気メモリ素子等への応用も検討していく予定である。本年度の研究で得られた結果は、学術論文及び国内学会・国際会議等で発表する予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの研究では、磁性絶縁体に隣接する金属におけるバルクのスピン軌道相互作用による電流誘起の磁化ダイナミックスを研究してきた。本年度は、磁性絶縁体と金属の接合界面におけるスピン軌道相互作用が電流によって磁化に与える影響及びその逆現象を研究していく予定である。
著作権法における権利帰属の法理および権利行使のあり方に関する基礎的考察

著作権の帰属に関しては、原則として、創作的表現の作出者を帰属主体とする原則が維持されるべきであり、このことは、著作物概念の理解とも整合的といえる。もっとも、創作にかかる投資を考慮し、創作投資者に権利を帰属させる、あるいは、法定上の権利移転を認める現行法上の制度の根拠からは、立法論として、特定の著作物類型に限定せず、法定上の権利の移転や一定の権利行使の制限を認めるとする制度の構築は否定されない。著作権法に関して、権利帰属に関する制度についての資料収集および分析を行った。今年度は、主に、わが国の著作権法の職務著作制度と映画の著作物の権利帰属に関する規定に関する文献を中心に、旧法、および現行法の立法時の議論等についての文献収集を進め、その立法趣旨と両制度の関係の理解について分析を進めた。加えて、両制度に関する裁判例についても調査・分析を行い、それぞれの立法趣旨が各要件の解釈、および当てはめにどのように影響を及ぼしているのかについて整理した。また、デジタルコンテンツの流通に関する議論に関わる文献の収集も行った。特に、権利制限規定における公正利用(fair use)規定の導入に関して、文化審議会著作権分科会等を中心とした議論の動向を調査し、また、米国のfair useに関する近時の裁判例及び学説に関する資料の収集・分析にも着手した。さらに、比較法に関しては、米国や欧州における権利の帰属に関する文献・資料の調査収集を進めたほか、著作物のデジタル化・再利用において、孤児著作物(orphan works)が生じさせる問題に関しても調査を行った。この問題については、米国、欧州における権利処理の在り方に関する学説等の議論、電子図書館構想に関連して各国が行っている取組や対応策について調査した。また、今後の取りうる選択肢として提示されている、著作権法の改正、新たな権利処理システムの構築、登録制度の活用の可否に関する議論等についても、調査と資料収集を行い、わが国における導入の可能性についての分析を行った。(1)昨年壌に引き続き、著作権法における、権利帰属に関する制度についての資料収集および分析を行った。また、原始的に権利が帰属する主体である著作者の認定においては、問題となる著作物の創作性判断が影響を及ぼしていることから、著作権法における創作性概念に関する調査、資料の収集にも着手した。我が国における創作性判断の最近の裁判例の動向について、調査・整理することに加えて、比較の対象として、イギリス著作権法における創作性概念の変遷に関しても調査の対象とすることとした。その理由は、他の欧州諸国とは異なり、イギリス法においては、創作者の個性の表れではなく、技能や労力を考慮し得る一般論を採用してきており、こうした創作性判断が、著作物の利用の側面において、どのような影響を与えるかについての検討をする意義があると考えたためである。また、近時、欧州内においては、欧州司法裁判所の判断等を通じて、各国における著作物性概念の統一を進めるような動きも出てきており、この点の動向についても調査の対象に含めることとし、資料の調査、収集を行った。(2)権利制限規定における公正利用(fair use)規定の導入に関して、文化審議会著作権分科会における議論、および報告書の内容やパブリックコメント等に関して、調査・分析を行った。(3)著作物の流通に関わる技術的な制限手段にかかる法的規制について、裁判例(東京地裁平成21年2月27日判決・判例集未登載)の分析を行い、判例評釈として公表した。(1)著作権法において保護を付与される要件である「創作性」概念について、平成22年度に開始した調査を継続し、文献の収集、および、その内容の整理・分析を行った。イギリス法においては、著作権法に関して各加盟国の国内法の統一を図る目的で制定された、各種の欧州指令(Directive)の実現により、著作物の類型ごとに、創作性概念が異なるものと理解されている。そのため、欧州指令により創作性概念に変更が生じたとされる著作物(データベース、コンピュータプログラム等)に関する創作性基準、および、従来の基準が適用されると考えられてきた著作物に関する創作性基準のそれぞれについて整理をし、その比較を行った。また、欧州司法裁判所が、欧州指令の規定との関連で示した創作性概念に関する判断の内容についても整理・分析し、そこでの判断が、イギリスの国内裁判所でとられてきた判断といかなる点で差異を有するのか、および、欧州司法裁判所の判断が、イギリスの国内裁判所における解釈において、その後、何らかめ影響を及ぼしているのかについて、特に、従来の創作性概念が妥当するとされてきた著作物類型に関する判断に着目して、整理・分析を行った。(2)近時欧州において生じている、各国の著作権法制度の統一を目指す議論について、創作性の概念、および、権利の帰属に関する制度を中心に、その内容を調査した。また、そうした変更が、著作物の利用の側面において、いかなる影響を及ぼし得るのかについて、整理、検討した。
充填スクッテルダイト化合物の超音波物性と電子格子相互作用の研究

1)SmRu_4P_<12>について、特徴的な弾性定数の磁場角度依存性を観測し、この系で実現していると考えられている八極子秩序との関係を論じた。また、軌道角運動を有しないEuRu_4Sb_<12>の弾性定数の磁場中での弾性定数の温度依存性を測定し、充填スクッテルダイト化合物のLS結合描像とjj結合描像の妥当性に関する検討を行った。2)複雑な磁気相図から多極子秩序の可能性が指摘されているTbRu_4P_<12>について、圧力下・磁場中の弾性定数の温度依存性を測定し、顕著な弾性軟化現象とその磁場・圧力依存性を観測した。3)新しい重い電子系カゴ状化合物TbT_2Zn_<20>(T:Co,Ir,Rh)の弾性定数の温度依存性を測定し、この系の結晶場基底状態に関する知見を得た。4)4f電子の存在しないBCS型超伝導体LaOs_4Sb_<12>の超音波実験を行い、ラットリングにともなう超音波分散現象とトンネリングにともなう低温ソフト化を観測した。PrOs_4Sb_<12>とは異なり20mKの極低温でも弾性定数の軟化は続き、この結果から、PrOs_4Sb_<12>ではラットリングやトンネリングの電荷揺らぎが重い電子状態や超伝導に深く関係していることを示した。5)NdOs_4Sb_<12>では2つの異なる温度領域に超音波分散現象を観測し、ラットリングの起源となる非調和性に構造があることを示した。また、ROs_4Sb_<12>のラットリングパラメータτ_0とEの系統的な整理を行い、4f電子の違いによる効果を見いだし、局所振動と伝導電子との結合に加え、4f電子と伝導電子との結合がラットリングに重要な相互作用であることを示した。6)LaFe_4Sb_<12>に対して、剪断モード弾性率C_<44>において、30Kから80Kまでの温度範囲に弾性率の周波数分散が明確に存在することを発見し、ラットリング運動の存在を証明した。7)Type-I立方晶構造を有するクラスレートEu_8Ga_<16>Ge_<30>について、剪断モード弾性率(C_<11>-C_<l2>)/2において、温度50Kから100Kの領域で弾性率の超音波分散を見出した。超音波吸収係数の温度依存性に明確な分散を観測し、本物質におけるラットリング運動の存在を強く示唆する結果を得た。本研究では、超音波を用いて充填スクッテルダイト化合物の弾性特性の研究を行っている。今年度は、この物質群の内、金属絶縁体転移を示すPrRu_4P_<12>およびSmRu_4P_<12>について精力的に研究を行った。これらはそれぞれ62.3Kおよび16Kで電気抵抗の温度変化に金属絶縁体(金属非金属)に伴う顕著な異常が報告されている。前者はこの転移において磁気的な転移を伴わず、後者は伴うことが帯磁率等の結果から報告されている。この転移の機構における希土類の4f電子の役割を明らかにするために超音波により誘起された弾性歪みと強く結合する4f電子の電気的四重極モーメントの挙動から探索を行った。その結果、この転移に四重極モーメントの秩序は関与していないことを単結晶試料PrRu_4P_<12>において明らかにしSmRu_4P_<12>については多結晶及び単結晶の両試料を通じて超音波吸収、弾性定数の結果からSmの結晶場基底状態が四重項であり転移に伴う秩序変数の温度揺らぎが転移温度近傍の僅かな温度範囲で生じ、この転移が四重極モーメントあるいは電荷に関する短距離秩序の発達を殆ど伴わない臨界現象であることを明らかにした。これはこの転移が四重極秩序転移であるという他の物理量の測定結果からの提言を考慮しても、前駆現象の振る舞いの違いからこれまで報告されている他の希土類化合物の従来の四重極秩序とは著しく異なる事実をクローズアップした。PrRu_4P_<12>についてはPrイオンの結晶場基底状態の決定において我々の結果と他の物理量の報告との間に食い違いが生じている。今後、弾性定数で観測された弾性異常が何にその起源を発しているかを明らかにしていく必要がある。重い電子超伝導を示すPrOs_4Sb_<12>の超音波実験を行ない,弾性定数(C_<11>-C_<12>)/2,C_<44>の超伝導転移温度T_c=1.85K直上でのソフト化を見いだし,局在4f^2の四極子揺らぎが存在していることを示した。また,(C_<11>-C_<12>)/2の約30Kでの超音波分散を見いだし,Sb正20面体中のオフセンターPrイオンが熱活性型のラットリング(E=198K)運動をしていることを示した。

さらに,(C_<11>-C_<12>)/2の0.9Kの(110)方向の磁場依存性が約8Tで極小を示すことを見いだし,レベルクロスを示す結晶場Γ_1-Γ_4^<(2)>の歪み感受率で理解できた。これらの超音波実験から,擬四重項Γ_1-Γ_4^<(2)>の四極子揺らぎとPrオフセンタートンネルの電荷揺らぎが重い電子形成と超伝導に寄与していることが示唆される。今年度は^3He冷凍機を製作し、40 T級パルス磁場下での超音波測定も可能になった。今後は、希釈冷凍機やパルス磁場を用いて、極低温領域・強磁場領域での実験を行い、さらに研究を進める予定である。今年度は^3Heクライオスタットおよび希釈冷凍機の立ち上げを行い、室温から20mKまで弾性定数および超音波吸収の測定が可能となった。これらの装置を用いて充填スクッテルダイト化合物CeOs_4Sb_<12>およびSmRu_4P_<12>の測定を行った。SmRu_4P_<12>において希釈冷原機温度領域で新たな弾性軟化を発見した。この異常は結晶場効果では説明できず、この系の基底状態を探る鍵と考えている。この系の16Kと14Kの逐次相転移の起源として、弾性異常を詳細に検討から八重極転移の可能性を提言した。CeOs_4Sb_<12>にも特徴的な弾性定数のソフト化が観測された。低温で伝導電子と4f電子との混成効果にともない重い有効質量をもつ準粒子がフェルミ準位近傍に形成され、さらに数K以下でこの混成に伴うエネルギーギャップがフェルミ準位近傍に形成され半導体的な振舞を示すと解釈された。さらに、Pr化合物で初めて発見された重い電子系であるPrFe_4P_<12>について、Prイオンの結晶場基底状態に関する知見を得るために、PrサイトをLaで5%および15%置換した系の弾性定数の測定を行った。(C_<11>-C_<12>)/2およびC_<44>は5K付近において極小値を示し、更に低温で特徴的な弾性ソフト化が観測された。このようなソフト化は最近提案されているPrイオンのΓ_1-Γ_4^<(2)>擬四重項モデルで全ては説明が出来ない。その原因として、La希釈に伴い強磁性転移の出現し、このソフト化は強磁性転移にともなうものではないかと考察している。今年度は極低温で形成される重い準粒子が引き起こす弾性異常に関する研究およびフェルミ面の不安定性に伴うエントロピー放出の大変小さい強磁性転移に起因した弾性異常に関する研究を行った。重い電子超伝導体PrOs_4Sb_<12>の超音波による弾性定数の温度・磁場依存性の精密測定を行ない、横波弾性定数(C_<11>-C_<12>)/2の低温での磁場依存性に8T近傍で極小が現れることを見いだし、4f結晶場状態のがΓ_1-Γ_4であることを確定した。さらに、横波超音波に対応する弾性定数(C_<11>-C_<12>)/2と(C_<11>-C_<12>)/2を成分に含む縦波超音波モードに超音波分散を見いだし、12個のSb原子で取り囲まれた性20面体カゴ中のPrイオンがオフセンター振動のラットリングをしていることを指摘した。オフセンター振動の基底状態は2重縮退したEg対称性の電荷揺らぎを伴っており、伝導電子と結合する。そのポーラロン効果がPrOs_4Sb_<12>の重い電子を形成し、超伝導を発現させていると考えられる。さらに、カゴ状化合物R_3Pd_<20>Ge_6(R=La,Ce,Pr,Nd)においても横波超音波の弾性定数C_<44>の分散見いだし、12個のPdと6個のGeによって構成されたカゴ中のオフセンター振動のラットリングをしていることを示した。カゴ状化合物のオフセンター振動は伝導電子と強く結合し、重い電子、超伝導、近藤効果などが期待され、強相関電子系の重要な課題となりつつある。1)重い電子系強磁性化合物SmFe_4P_<12>
初等中等オフキャンパス科学教育の高等教育への影響調査および企業等活用促進研究

本研究課題では、我が国では将来の国際的に活躍できる人材の育成を目的に、小中高等学校において充実が著しい科学教育の調査および評価を行なった。本研究課題では、これら小中高等学校の科学教育が、理系の大学院生にどのような影響を与えたかについて全国的に調査した。さらに、本調査を経て、今後の小中高等学校における先進的理数教育のあり方について考察した。当該調査は平成28年4月から平成29年5月の期間に、全国の大学の理工系学部に所属する修士課程あるいは博士課程の在籍者、及びこれらの課程を修了後3年以内の者を対象として実施した。本年度はこれらの調査結果を一冊の報告書にまとめ、関連部署に配布した。また、次年度になるが2019年7月開催の第51回日本医学教育学会総会(京都府立医科大学)において発表する。また、初等中等教育におけるオフキャンパス科学教育のために、平成30年度には3名の講師を企業からお招きをして実際に講演会を実施した。本年度の特徴は、これまでの基礎科学や応用技術分野に限らず、アントレプレナーシップの意義と考え方、また、これを可能にする知的財産権の確保などについても講義を行った。更には、更なる発展形として科学技術やその基盤を支える行政や国の制度についても講演を行い、活発な議論を行った。これらの活動に際しては、企業の守秘義務が厳しくなっており、対象が小中高校生であってもどのような形で開示することが望ましいかのknow-how蓄積がなされたことは大きな収穫となった。また、企業研究者や技術者からの教育(個別指導やグループ討議ファシリテーターなど)においてはより教育効果を高めるために、事前に短時間で構わないのでFDを行う必要性も理解された。今後、企業等の活用に関しては、事例公表による協働促進を行うと共に、地域性も高いことから教育委員会等の介在も視野に発展させていく所存である。近年、進展が著しい初等中等教育における特色ある理数教育では、高等学校における平成14年開始のスーパーサイエンスハイスクール(SSH)や平成20年開始の未来の科学者養成講座などの長期継続が小学校・中学校の理数教育にまで影響を及ぼしている。一方で、これらの事業で学んだ生徒の進路・業績・周囲に対する影響等の調査は十分に行われて来なかった。本研究課題では、この調査を実施すると共に、当該調査から課題を見出す。さらには、高大連携を実現できない地域、十分な設備環境を有さない高等学校に対する企業あるいは博物館の活用に関する教育企画を立ち上げると共に、その教育実践を通じて、その利点と問題点を明瞭にすることを目的とする。1.大学院生を対象とした調査:本調査は平成28年4月平成29年3月の期間に、全国の大学の理工系学部に所属する修士課程あるいは博士課程の在籍者、及びこれらの課程を修了後3年以内の者を対象として実施した。本調査は各学部、各研究室の御承認を得た後に、アンケート調査票を各学部及び各研究室へ指示部数を送付した。アンケート調査票は、無記名であり、回答は自由意志であることを明記した。本年度は全国の29大学院の学生から回答があり、532名から有効回答を得た。配布数に対する回収数から計算された回答率は21.6%であった。2.小中高等学校と企業・博物館等をつなぐサイトの運営およびその授業実践:平成28年度は、製薬、食品、部品メーカーなど4社のご協力を得て、これら企業から講師を招聘し、中学生・高校生を対象とした講演会及び交流会を開催した。本年度は、大学院生対象アンケート調査を実施し、532名の有効回答を得た。また、当該調査をレポートとしてまとめ、多数の施設に頒布できた。また、企業等のご協力を得て、中学生及び高校生を対象とした理数教育を実践することが出来た。これらのことからほぼ目標は達成出来たと判断する。一方で、企業の厳密なコンプライアンス遵守や情報制限により、サイトの開設が叶わなかったことは残念であった。当該調査は各学部、各研究室の御承認を得た後に、アンケート調査票を各学部及び各研究室へ要求部数を送付した。アンケート調査票は、無記名であり、回答は自由意志であることを記載した。当該調査では全国の29大学院の学生から回答があり、544名から有効回答を得た。アンケート調査票の配布数に対する回収数から計算された回答率は21.6%であった。性別は男性390名、女性133名、性別未回答9名であった。回答者のうち205名が学校教育課程以外で先進的理数教育を受講したことがあった。「自然への関心」、「科学・技術分野の理論・原理への関心」および「科学・技術分野の実験技術」の3項目について、各回答をスコア化して比較した場合、小中高校時に課外の理数教育を経験した者が経験しなかった者に比して有意に向上したと回答した。

一方で、「科学・技術分野の倫理(研究倫理、生命倫理など)」、「文献等の検索技術」、「英語の能力(会話力、読解力など)」などでは、その差は有意ではなかった。これらの調査・評価に加えて、本研究課題では教育現場と企業等を結びつける機会を設けるために、企業研究者による中高生を対象とした講演会を3回開催した。現在、このような結びつきをより簡便に行なえるようにシステム開発を行なっている。現在まで、「大学院生に対するオフキャンパス科学教育効果に関する紙面および対面調査」に関しては、平成28年度調査結果に加えて、本年度は更に調査数を追加し、29大学院から544名の有効回答を得た。また、当該調査に関して、解析を加えて、国内学会での発表も終えた。加えて、「小中高等学校と企業・博物館等をつなぐサイトの運営およびその授業実践」では試行段階として、本年度は企業研究者による中学生・高校生に対するオフキャンパス科学教育を実施した(平成29年5月、8月、10月)。本研究課題では、我が国では将来の国際的に活躍できる人材の育成を目的に、小中高等学校において充実が著しい科学教育の調査および評価を行なった。本研究課題では、これら小中高等学校の科学教育が、理系の大学院生にどのような影響を与えたかについて全国的に調査した。さらに、本調査を経て、今後の小中高等学校における先進的理数教育のあり方について考察した。当該調査は平成28年4月から平成29年5月の期間に、全国の大学の理工系学部に所属する修士課程あるいは博士課程の在籍者、及びこれらの課程を修了後3年以内の者を対象として実施した。本年度はこれらの調査結果を一冊の報告書にまとめ、関連部署に配布した。また、次年度になるが2019年7月開催の第51回日本医学教育学会総会(京都府立医科大学)において発表する。また、初等中等教育におけるオフキャンパス科学教育のために、平成30年度には3名の講師を企業からお招きをして実際に講演会を実施した。本年度の特徴は、これまでの基礎科学や応用技術分野に限らず、アントレプレナーシップの意義と考え方、また、これを可能にする知的財産権の確保などについても講義を行った。更には、更なる発展形として科学技術やその基盤を支える行政や国の制度についても講演を行い、活発な議論を行った。これらの活動に際しては、企業の守秘義務が厳しくなっており、対象が小中高校生であってもどのような形で開示することが望ましいかのknow-how蓄積がなされたことは大きな収穫となった。また、企業研究者や技術者からの教育(個別指導やグループ討議ファシリテーターなど)においてはより教育効果を高めるために、事前に短時間で構わないのでFDを行う必要性も理解された。今後、企業等の活用に関しては、事例公表による協働促進を行うと共に、地域性も高いことから教育委員会等の介在も視野に発展させていく所存である。来年度は、大学院を対象とした調査を継続すると共に、本年度の結果を解析して、実際の教育現場へ応用可能な提言を実施する予定である。また、企業や博物館の理数教育への活用については教育実践を継続実施すると同時に、インターネットを経由しない情報提供の方法を考案する予定である。
マイクロバブル流体の医療への活用を支援するマルチスケール解析法の開発

マイクロバブル流体の潤滑,音響,熱の力学特性を効率よく数値解析する手法を整備した.生体組織や膜などの材質の柔軟性を捉える解析手法を開発した.気泡に働く揚力,音場中における気泡の変形モード,発熱作用の知見を得た.超音波中のマイクロバブルの発熱増強作用を数値シミュレートし,加熱領域とボイド率の関係についての既存の実験結果を定性的に再現できることを確認した.マイクロバブル流体の潤滑,音響,熱の力学特性を効率よく数値解析する手法を整備した.生体組織や膜などの材質の柔軟性を捉える解析手法を開発した.気泡に働く揚力,音場中における気泡の変形モード,発熱作用の知見を得た.超音波中のマイクロバブルの発熱増強作用を数値シミュレートし,加熱領域とボイド率の関係についての既存の実験結果を定性的に再現できることを確認した.本研究の目的は,マイクロバブル流体の潤滑,音響,熱の力学特性を効率よく数値解析する手法を整備し,その活用を支援するマルチスケール解析法を開発することである,当該年度は,以下の現象に関する研究を実施した.1.せん断流とマイクロバブルとの流体力学的相互作用双曲座標系で流れ場の基礎方程式を記述し,気泡の運動に及ぼす壁面の影響を調べた.壁面・気泡間距離が気泡半径以下になると,潤滑効果が気泡の変形を促進し,気泡変形に伴う揚力が,既存の理論予測に比べて大きくなるという流体力学的意義の高い知見を得た.また,並進運動する気泡間の流体力学的作用に関連する減圧挙動のデータを取得した.さらに,柔らかな弾性体を含む混相流動を統一的に扱うため,固定格子上で全ての流体・構造力学の基礎方程式を解く手法を開発した.2.音場中のマイクロバブルの半径運動と熱力学作用超音波中の気泡半径運動に対する気泡を覆う殻の影響について数値計算した.気泡周りの薄い粘弾性層を導入することによって,殻の効果を模擬した.殻はガスの溶解を防ぎ,気泡の安定化に役立つものの,気泡半径運動を抑制し,特に気泡が小さすぎる場合,もしくは,殻が厚すぎる場合には,気泡運動が過減衰応答の状態となり共振挙動を示さないことを確認した.また,気泡半径運動に伴う液相への熱作用について調べた.運動エネルギ散逸率が,気泡中心からの距離の6乗に反比例して減衰し,その影響領域が気泡表面の近傍のみに制限されることを確認した.開発された計算手法,取得されたミクロ・メゾスケールの現象に関する数値解析データは,気泡の揚力,半径運動や,粗視化した内部エネルギ輸送式の点源生成項などを構成方程式としてモデル化するために重要である.マイクロバブルに秘められた機能性の活用による医療の高度化を見据え,マイクロバブル流体の潤滑,音響,熱の力学特性を効率よく数値解析する手法を整備し,その活用を支援するマルチスケール解析法の開発を進めた.壁面が存在する変形気泡周りの流れを数値解析し,マイクロバブルに働く揚力に対する壁面・気泡間隙距離,気泡の移動速度,気泡周囲のせん断速度の影響を明らかにした.また,生体力学で鍵となる生体組織や膜などの材質の柔軟性を捉えるため,固定格子上で流体・構造連成問題を容易に実現する計算手法を開発した.そして,その妥当性を検証するとともに,複雑な境界を持つ問題への有効性を確認した.また,膜の動力学を考慮して,超音波中における,ネオフック膜で覆われたマイクロバブルの体積・変形運動を数値解析した.そして,膜の存在により気泡の固有振動数が高くなること,駆動圧力パルスが高く膜面収縮に伴う面応力が大きくなる場合,半径モードに対する変形モードの固有振動数の比が約0.5の条件で変形運動が成長し,顕在化することを明らかにし,Drug Delivery Systemでの薬剤投与の制御に関連する知見を得た.さらに,気泡の体積振動に伴う周囲液体の粘性散逸による発熱影響を,粗視化した内部エネルギ発展式の点源生成項としてモデル化し,マイクロバブルを含む超音波音場をEuler-Lagrange/two-way coupling法により数値解析した.そして,超音波強度や初期ボイド率がある閾値を超え,気泡振動に強い非線形性が現われると焦点付近の発熱量が増大すること,ボイド率が高くなると,加熱領域が葉巻型からオタマジャクシ型に変化することなど,High Intensity Focused Ultrasoundを模擬した実験で観測された結果を定性的に再現することを確認した.
海底下に存在する未知生命が有する機能と物質循環：基質誘導を鍵とした遺伝子機能探索

本研究では、地球表面積の7割を占める海洋の底のさらに下に広がる海底下地層に潜む微生物の未知遺伝子機能を探索することを目的とした。具体的には微生物の代謝基質となりうる物質を用いて遺伝子のスイッチがONとなるような遺伝子発現誘導を行い、膨大な環境中の遺伝子断片から発現が起こった遺伝子断片を効率的に取り出すことの出来る機能遺伝子発現解析(SIGEX:Substrate Induced Gene Expression)を応用した。本研究では、地球表面積の7割を占める海洋の底のさらに下に広がる海底下地層に生息する微生物を研究のターゲットとする。生命生存の極限に位置する環境を対象とし、現場を特徴付ける環境条件を遺伝子の誘導因子、すなわちアクセスの扉とし、機能を特定することが著しく困難な遺伝子の機能探索を実施することを目的とした。具体的には微生物の代謝基質となりうる物質を用いて遺伝子のスイッチがONとなるような遺伝子発現誘導を行い、膨大な環境中の遺伝子断片から発現が起こった遺伝子断片を効率的に取り出すことの出来る機能遺伝子発現解析(SIGEX:Substrate Induced Gene Expression)を応用する。平成26年度は統合国際深海掘削計画の第329次掘削研究航海で採取された南太平洋環流域海底下試料を対象としてSIGEX用の遺伝子ライブラリー作成を実施した。南太平洋中央に広がる南太平洋環流域では、海洋表層のプランクトンなどによる光合成一次生産の活性が著しく低く、すなわち海底下環境への栄養供給が極めて限られた状態にある。そのため、海底下には栄養が極限的に欠乏した超貧栄養環境が広がっている。このような環境から得られた海底下堆積物試料からDNAを抽出した。抽出したDNAはライブラリー作成用に十分な量に至らなかったため全ゲノム増幅法を用いて増幅を行い、いくつかの処理を行った後に遺伝子機能解析用のライブラリー作成を行った。平成27年度には平成26年度に作成したクローンライブラリーについて、緑色蛍光を発しないクローンを高速ソーティングすることでDNA断片が挿入されたクローンのみで構成される基質誘導ライブラリーを構築した。このライブラリーについて、レアメタル、D-アミノ酸や、水素、酢酸、メタンなどを誘導基質とした培養を実施し、緑色蛍光を誘導した。誘導によって緑色蛍光を発するようになった大腸菌クローンのみをベックマン社製のMoflo XDPによって高速かつ純度高くソーティングし、選択的に取得した。各クローンについては、再度培養及び基質誘導をそれぞれに行い、誘導が安定して起こっていることを確認し、一部については挿入断片の配列解析を実施した。研究計画の基質誘導実験でTOPO化ベクターの発注を平成27年度に予定したが、受注生産が中止され、受託担当者の退職により実現する見込みがなくなった。代替手段による受託生産が昨年末に完了したが、その後実施する予定であった基質誘導が実施できず、研究期間の延長を申請した。具体的には微生物の代謝基質となりうる物質を用いて遺伝子のスイッチがONとなるような遺伝子発現誘導を行い、膨大な環境中の遺伝子断片から発現が起こった遺伝子断片を効率的に取り出すことの出平成28年度では平成27年度に実施した基質誘導によって得られたクローンの挿入断片の塩基配列解析、及びクローンライブラリー作成の新規手法の検討を行った。塩基配列解析の結果からは、これまでの実験から想定していたものより鎖長の短い断片が比較的多く挿入されていることが明らかとなったほか、転写因子として働く可能性が高い断片配列なども明らかになった。また、その一部は今回用いた基質による誘導が知られていないものであった。新規手法の検討実験においては、断片化した大腸菌ゲノムをモデルとして挿入したところ、これまで用いていたカスタムTOPOベクターによるライブラリー構築と同等程度のクローンバリエーションを得ることに成功した。これらの結果により、今回用いたSIGEX法は大規模シーケンスによる膨大なデータとは異なった側面からメタゲノムライブラリー中の遺伝子機能同定にアプローチする技術として高いポテンシャルを有することが示された。ライブラリー作成の手法改良は滞りなく進み、目的としていたバリエーションのライブラリーサイズを達成することが出来た。また、南太平洋環流域試料からいくつかのライブラリーを作成することに成功した。平成28年度には代替手段による新規SIGEXライブラリーの作成及び誘導実験を行い、基質誘導クローンを得る。

今後は、ライブラリーに対して基質誘導を行い、発現誘導が起こった大腸菌クローンを選別することで、基質に対して応答を示したDNA断片の取得、それに続く塩基配列の決定を行う。研究計画の基質誘導実験でTOPO化ベクターの発注を平成27年度に予定したが、受注生産が中止され、受託担当者の退職により実現する見込みがなくなった。代替手段による受託生産が昨年末に完了したが、その後実施する予定であった基質誘導が実施できず未使用額が生じた。平成26年度に実施した実験は、既存の装置、抽出済みのDNAを用いて大部分が実施可能であったため、研究費使用額が当初計画より低くなった。代替手段によるSIGEXライブラリーの作成及び誘導実験、成果の発表を平成28年度に行うこととし、遺伝子組み換え試薬などの消耗品の購入および学会参加費等に充てることとしたい。平成27年度はDNAの抽出を実施してライブラリーの作成を継続するが、極小量のDNAを増幅する試薬やライブラリー作成に必要な試薬、海底下試料の保管や分取などにかかる消耗品を購入し研究を遂行する。
新規小胞体分子シャペロン蛋白質の検索

小胞体は、多くの分泌蛋白質や膜蛋白質を生合成し、正しい立体構造を取った蛋白質を選別してゴルジ装置へ輸送する場である。小胞体内での蛋白質のfoldingを助ける分子シャペロンとして、GRP78やGRP94、カルネキシン、カルレティキュリンといった分子が知られているが、小胞体内にはまだ未同定の、シャペロンとして機能している重要な蛋白質の存在が想定されている。本研究は、小胞体内の新規分子シャペロン蛋白質を検索し、その機能を解析することによって、小胞体での蛋白質のfolding及び異常蛋白質の品質管理機構の解明を目的とした。小胞体のシャペロン蛋白質は、小胞体ストレスによって発現が誘導されると期待されるので、小胞体ストレスを加えた細胞からmRNAを抽出し、supression subtractive hybridization(SSH)法を用いて、マウスの新規遺伝子をクローニングした。この中から、α-マンノシダーゼにhomologyをもったEST遺伝子に焦点をあてて解析を行った。本遺伝子の全長をクローニングした後、遺伝子産物の機能についても明らかにすることができたので、この遺伝子をEDEMと名付けた。EDEMとは、ERdegradation enhancing α-mannosidase-like protein、小胞体関連分解を促進するαマンノシダーゼ様蛋白質を意味している。EDEM蛋白質は、小胞体内でmisfoldした異常な糖蛋白質の小胞体関連分解を促進し、小胞体関連蛋白質分解、小胞体での品質管理機構に関わる重要な分子であることが明らかとなった。本研究では、小胞体ストレスによって発現が誘導されてくるマウスの新規遺伝子を、サブトラクションPCR法を用いてクローニングした。このような遺伝子の内、ESTに遺伝子配列が報告されているが、機能が未知である遺伝子について、その全長cDNAをクローニングし、さらにこの蛋白質の機能解析を行った。1.この遺伝子には、3'UTRの長さが異なる、2.4kbおよび6kbの2種類のmRNAが存在し、652アミノ酸からなる蛋白質をコードしていた。この遺伝子はα-マンノシダーゼにhomologyがあり、yeastおよび、humanにもホモログ蛋白質が存在した。この遺伝子をとりあえず、AMLGと名付けた。2.AMLGは小胞体に存在する、II型膜蛋白質であると考えられた。3.AMLG遺伝子の発現は、種々のERストレスで誘導が見られたが、細胞質ストレスでは誘導されなかった。4.AMLGmRNAはubiquitousな組織発現を示し、肝臓において最も発現が多かった。5.小胞体関連蛋白質分解における、AMLGの機能を調べるため、293細胞にAMLGを過剰発現させて、α1-アンチトリプシンmutantの分解速度を調べた。その結果、AMLGはこの異常蛋白質の細胞内分解を促進することが明らかとなった。またこの作用は、小胞体マンノシダーゼの阻害剤である、kifunensineによって阻害された。6.以上のことから、AMLGは小胞体関連蛋白質分解、小胞体での品質管理機構に関わる重要な分子である可能性が示唆された。現在その作用機序を解明するため、AMLGのマンノシダーゼ活性およびレクチン活性を測定中である。本研究では、小胞体ストレスによって発現が誘導されてくるマウスの新規遺伝子をクローニングし、EDEMと命名して、その機能解析を行った。EDEMは、ER degradation enhancing α-mannosidase-like protein、小胞体関連分解を促進するαマンノシダーゼ様蛋白質を意味している。昨年度までの研究において、EDEM遺伝子には、3′UTRの長さが異なる、2.4kbおよび6kbの2種類のmRNAが存在し、652アミノ酸からなる蛋白質をコードしていること、α-マンノシダーゼにhomologyがあり、yeastおよびhumanにもホモログ蛋白質が存在すること、小胞体関連分解に関わってることを明らかにしてきた。今年度はさらに以下のような新たな知見を得た。