hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光異性化反応を利用した新規二核ルテニウムアコ錯体酸素発生触媒群の革新的合成

新規二核ルテニウムアコ錯体の合成法の開拓と水の酸化触媒反応を研究した。キレート配位子LとRu(tpy)Cl3との反応では、単核錯体trans-RuLOH2が優先的に生成するため、後続の二核化反応の進行が立体的に困難である。しかし、trans-RuLOH2水溶液に可視光を照射することにより、光異性化によりcis-RuLOH2が化学量論的に生成することを見出し、cis-RuLOH2から目的の二核ルテニウム錯体を合成することに成功した。種々の置換基を導入した二核ルテニウム錯体誘導体も合成し、水の酸化触媒活性を明らかにした。【実験】cis-[Ru(tpy)(pyqu)Cl]^+は紫外ー可視吸収、^1H-NMR、ESI-MSスペクトル測定により同定された。光異性化反応では、紫外カットフィルター(L-42)を備えたハロゲンランプを用いて可視光照射を行い、^1H-NMRスペクトル変化を追跡した。近年、自然界のエネルギー循環に矛盾しないクリーンなエネルギー供給システムとして、人工光合成系が注目されている。人工光合成系の構築において水の酸化触媒の開発は重要であり、水の酸化触媒として働くルテニウムアコ錯体は活発に研究されている。研究代表者は、高効率な水の酸化触媒能を有する革新的な錯体触媒の開発を目指して研究を実施した。研究代表者はこれまで、可視光を照射することにより、ルテニウムアコ錯体の光異性化が化学量論的に進行することを見出した。本研究では、単核ルテニウム(II)アコ錯体の光異性化反応を利用して、新規二核ルテニウム(II)アコ錯体の合成に成功した。二核ルテニウム(II)アコ錯体に水の電気触媒化学的酸化反応を研究した。対応する単核錯体の重水中での電気触媒反応では、酸素生成速度に同位体効果が観察されたのに対し、合成した二核錯体ではほとんど同位体効果が観察されないことが示された。この結果より、二核錯体のアコ配位子から誘導される高酸化状態Ru=Oの分子内カップリングによりO-O結合が形成されることが示された。本研究は、二核ルテニウム(II)アコ錯体の水の酸化触媒機構の解明に重要な示唆を与える結果であり、自然界の光合成酸素発生中心での酵素モデルとしても重要な知見となると期待される。水の酸化触媒は、人工光合成系の構築において重要である。二核ルテニウム(II)アコ錯体は近接したアコ配位子を有するため、分子内カップリングによる効果的な水の酸化が期待できる。当研究室では、単核ルテニウムアコ錯体の光異性化1)を利用した二核ルテニウム錯体(1)の合成、及びその水の酸化触媒活性を報告した。2)本研究では、酸素発生過電圧を低下させるために電子供与性のエトキシ基3)を導入した誘導体(2)、および電極への固定化を目的として末端にカルボキシル基を導入した誘導体(3)を合成し、これらの電気化学特性および電気触媒活性を研究した。2および3の前駆体となるクロロ架橋型の二核ルテニウム錯体をそれぞれ合成した(収率20%)。合成した錯体と硝酸銀を水溶液中で加熱することで目的の錯体2および3を合成した。1H NMRおよび紫外可視吸収スペクトル測定等により2および3を同定した。電気化学測定は作用電極にITO電極を用いて、pH 7.0で行った。無置換の錯体1と比較して、エトキシ基を導入した錯体2の極大吸収波長は10から15 nm長波長側にシフトした。これは電子供与性置換基によってルテニウムのd軌道が不安定化されたためと考えられる。微分パルスボルタンメトリーを測定した結果、錯体2の酸化波は0.61, 0.79, 1.06 V vs SCEに観測され、錯体1と比較すると、エトキシ基導入によりそれぞれ70, 80, 30 mV低電位側にシフトした。また、水の酸化に基づく触媒電流の立ち上がりも100 mV低電位側で観測され、電子供与性置換基により電気触媒として効果的に働くことが示された。26年度が最終年度であるため、記入しない。新規な二核ルテニウム錯体を合成し、水の酸化触媒活性を示すことを見出した。さらに、水の酸化触媒機構に関する新たな実験的確証を得た。錯体化学合成した二核ルテニウム錯体の構造が水の酸化触媒能において重要であることを実証すると共に、錯体の化学修飾により更なる高性能な錯体触媒を設計・開発する。研究計画がよく練られていたため。

研究室の耐震補強工事のため、研究装置を使用できない時期があったため、研究を一部繰り越した。26年度が最終年度であるため、記入しない。計画通りに、研究を推進する。研究費は、当初の計画通り、薬品類、溶媒類、ガラス器具等の消耗品に利用した。光異性化を利用した新規二核ルテニウムアコ錯体群の合成と酸素発生触媒活性評価の研究に着手する。
鶏伝染性ファブリキウス嚢病ウイルス感染による免疫抑制機構に関する分子生物学的研究

伝染性ファブリキウス嚢病ウイルス(IBDV)による免疫抑制機序を分子生物学的に解明した。1.超強毒型IBDVの弱毒化および血清学的性状の解析:超強毒型IBDVを発育鶏卵で継代馴化後、鶏胚馴化株の感染した鶏胚からCEF細胞を調製し細胞馴化株を確立した。鶏胚およびCEF細胞馴化株の雛に対する病原性は著明に減弱していた。超強毒型IBDVの抗原性状は従来型IBDVと異なることが示唆された。2.超強毒型IBDVゲノムの塩基配列の解析:超強毒型IBDVに特異的なアミノ酸残基が前駆タンパク質に9ケ所およびVP1に8ケ所認められ、弱毒化に伴うアミノ酸置換がVP2の変異領域に4ケ所(256、279、284および315番目)およびVP3に1ケ所(805番目)認められた。このうち、279および284番目の置換は、他の細胞馴化弱毒株にも共通に認められた。また、弱毒化により超強毒型IBDV特異的な256番目のアミノ酸残基に置換が認められ、超強毒型IBDVの病原性発現に256、279および284番目のアミノ酸残基が関与している可能性が推察された。3.超強毒型IBDVの系統解析:国内分離超強毒型IBDVはヨーロッパ分離超強毒株とクラスターを形成し、日本の超強毒株がヨーロッパに由来することが強く示唆された。文節Aにコードされている前駆タンパク質、VP2、VP3およびVP4の塩基配列から作製した系統樹は、すべて同様の樹型を示し、超強毒型IBDVは従来型IBDVと近縁なクラスターを形成した。一方、分節BにコードされるVP1の塩基配列から作製した系統樹は、上記の系統樹とは樹型が大きく異なり、超強毒型IBDVは従来型IBDVと明らかに異なるクラスターを形成した。このことから、超強毒型IBDVゲノムの各分節は異なる起源に由来していることが示唆され、超強毒型IBDVの出現が遺伝子再集合による可能性が推察された。4.弱毒生ワクチンの鶏継代による変化:弱毒生ワクチンを鶏で継代し、継代前後の病原性と塩基配列の変化を解析した。ワクチン接種鶏には継代過程でファブリキウス嚢の萎縮が観察された。また、継代過程で前駆蛋白質VP2領域の253番目のアミノ酸残基にHis→Glnのアミノ酸置換が予測され、ウイルスの病原性VP2領域の253番目のアミノ酸残基が重要な役割を持つことが推察された。5.ウイルスレセプターの解析:ピオチン標識した超強毒型IBDV OKYM株を用い、各種細胞に対する吸着およびレセプターの生化学的性状をフローサイトメトリーにより解析した。各細胞への吸着率は感染率と良く相関し、B細胞由来のLSCC-BK3細胞が最も感受性が高かった。また、ウイルス吸着陽性細胞はsIgM陽性で、ウイルス吸着はプロテアーゼおよび蛋白質への糖鎖修飾を阻害するツニカマイシンにより阻止され、IBDVのレセプターがsIgM陽性細胞に特異的に発現される糖蛋白質である可能性が推察された。

ワクチン接種鶏には継代過程でファブリキウス嚢の萎縮が観察された。また、継代過程で前駆蛋白質VP2領域の253番目のアミノ酸残基にHis→Glnのアミノ酸置換が予測され、ウイルスの病原性VP2領域の253番目のアミノ酸残基が重要な役割を持つことが推察された。5.ウイルスレセプターの解析:ピオチン標識した超強毒型IBDV OKYM株を用い、各種細胞に対する吸着およびレセプターの生化学的性状をフローサイトメトリーにより解析した。各細胞への吸着率は感染率と良く相関し、B細胞由来のLSCC-BK3細胞が最も感受性が高かった。また、ウイルス吸着陽性細胞はsIgM陽性で、ウイルス吸着はプロテアーゼおよび蛋白質への糖鎖修飾を阻害するツニカマイシンにより阻止され、IBDVのレセプターがsIgM陽性細胞に特異的に発現される糖蛋白質である可能性が推察された。鶏伝染性ファブリキウス嚢病ウイルス(IBDV)による免疫制御機構の解明を目的として、病原株の弱毒化と弱毒株のLSCC-BK3細胞における増殖およびウイルスレセプターについての解析を行った。1.病原株の弱毒化と弱毒株のLSCC-BK3細胞における増殖病原株は、鶏胚での継代によりCEF細胞での増殖が可能となった。鶏胚順化株は、親株に比較して著しく病原性が減弱がしていた。病原株および弱毒株について鶏のB細胞由来株化細胞LSCC-BK3における増殖性を検討したところ、病原株が良く増殖したのに対して弱毒株はほとんど増殖が認められず、ウイルス抗原陽性細胞は1%未満だった。病原株および弱毒株の遺伝子解析から、弱毒化による変異がVP2の変異領域に集中していることが明らかにされており、変異領域が標的細胞との親和性あるいはウイルス吸着後の感染過程に何らかの役割を担っている可能性が推定された。2.ウイルスレセプターの解析LSCC-BK3の細胞膜画分について、IBDVが親和性を示す分子の検討を行った。分子量約20kD、40kDおよび44kDの少なくとも3分子に対してIBDVが親和性を持つことが示唆され、現在これらの確認を行っている。また、ウイルスレセプターに対するモノクローナル抗体の作出を目的として、LSCC-BK3細胞による免疫を行った。伝染性ファブリキウス嚢病ウイルス(IBDV)による免疫抑制の機序を分子生物学的に解明するため、IBDVのウイルスレセプターおよびウイルスの病原性因子について解析した。1.ウイルスレセプターの解析ビオチン標識した超強毒型IBDV OKYM株を用い、各種細胞に対する吸着およびレセプターの生化学的性状をフローサイトメトリーにより解析した。細胞は、鶏白血病由来B細胞株およびマレック病由来T細胞株を用い、感受性細胞のプロテアーゼ、ホスホリパーゼ、グリコシダーゼ、ツニカマイシン、スワインソニンおよび過ヨウ素酸処理によりウイルスレセプターの生化学的性状を検討した。また、ウイルス吸着と細胞表面(s)IgMとの関連についても検討を行った。また、ウイルス吸着陽性細胞はsIgM陽性で、ウイルスの吸着はプロテアーゼおよび蛋白質への糖鎖修飾を阻害するツニカマイシンおよびスワインソニンにより阻止された。以上のことから、IBDVの細胞向性がウイルスレセプターにより決定されている可能性が示唆され、ウイルスレセプターはsIgM陽性細胞に特異的に発現される糖蛋白質である可能性が推察された。2.ウイルスの病原性因子に関する解析弱毒株を鶏で継代し、継代前後の塩基配列と病原性の変化を解析することによりウイルスの病原性因子を検討した。継代が進んだ弱毒株を接種した鶏には、ファブリキウス嚢に萎縮が観察された。
非圧縮性粘性流体の方程式の解析

数理物理に現れる重要な偏微分方程式である非圧縮性粘性流体の方程式,および関連した放物型方程式(系)の初期値境界値問題を解析した.以下において研究成果のうちで主要なものを報告する.非圧縮性粘性流体の熱対流の問題について,Boussinesq近似による非線型偏微分方程式系を扱い,3次元内部領域における定常解の存在と指数関数的な漸近安定性に関するL^P理論を発表した(J.Math.Anal.Appl.,Vol.196,1995年)後,3次元外部領域における同じ問題に対して,L^P空間のnormに関して安定となる定常解のクラスを,Lorentz空間を用いて重力のクラスとの関連の中で決定した(投稿中).また,回転する3次元物体の外部における熱対流の研究も開始した.まずはじめに熱方程式を考えて,変数と未知関数の変換により固定外部領域における偏微分方程式にかき直す.このとき,1階の項が外部領域の無限遠方で1次増大する係数をもつ偏微分作用素が現れる.本研究では,その偏微分作用素をzero-Dirichlet境界条件のもとでL^2空間で実現した作用素がもつ重要で基本的な性質,具体的には楕円型正則性を与えるa priori評価,(C_0)半群の生成,その半群の解析性および分数巾のdomainについてのSobolev型埋蔵評価を確立した(投稿中).この作用素は,その係数の非有界性のため,よく知られたAgmon-Douglis-Nirenbergによる一般論を適用できない.従って証明には,この作用素に密着した解析を要する.基本的な考え方は,全空間上と境界近傍の有界領域上を別々に解析してそれらをcut-off関数ではりあわせるというものである.残余項の処理に工夫を要する.上の結果は,非圧縮性粘性流体の熱対流の問題にとどまらず,回転する物体の外部領域における半線型熱方程式の可解性を示す際に有用である.数理物理に現れる重要な偏微分方程式である非圧縮性粘性流体の方程式,および関連した放物型方程式(系)の初期値境界値問題を解析した.以下において研究成果のうちで主要なものを報告する.非圧縮性粘性流体の熱対流の問題について,Boussinesq近似による非線型偏微分方程式系を扱い,3次元内部領域における定常解の存在と指数関数的な漸近安定性に関するL^P理論を発表した(J.Math.Anal.Appl.,Vol.196,1995年)後,3次元外部領域における同じ問題に対して,L^P空間のnormに関して安定となる定常解のクラスを,Lorentz空間を用いて重力のクラスとの関連の中で決定した(投稿中).また,回転する3次元物体の外部における熱対流の研究も開始した.まずはじめに熱方程式を考えて,変数と未知関数の変換により固定外部領域における偏微分方程式にかき直す.このとき,1階の項が外部領域の無限遠方で1次増大する係数をもつ偏微分作用素が現れる.本研究では,その偏微分作用素をzero-Dirichlet境界条件のもとでL^2空間で実現した作用素がもつ重要で基本的な性質,具体的には楕円型正則性を与えるa priori評価,(C_0)半群の生成,その半群の解析性および分数巾のdomainについてのSobolev型埋蔵評価を確立した(投稿中).この作用素は,その係数の非有界性のため,よく知られたAgmon-Douglis-Nirenbergによる一般論を適用できない.従って証明には,この作用素に密着した解析を要する.基本的な考え方は,全空間上と境界近傍の有界領域上を別々に解析してそれらをcut-off関数ではりあわせるというものである.残余項の処理に工夫を要する.上の結果は,非圧縮性粘性流体の熱対流の問題にとどまらず,回転する物体の外部領域における半線型熱方程式の可解性を示す際に有用である.
動的ストレッチ刺激に対する骨芽細胞カルシウムシグナル制御機構の解明

本年度は,細胞伸展マイクロデバイスを使用して数Hzから数十Hz帯域での繰り返しストレッチ刺激を付与するために,デバイス駆動装置の改良を行った.昨年度行った駆動試験では,特定の周波数帯域において,ストレッチシートに生じる引張りひずみが極端に大きくなる現象が見られた.これは駆動装置の共振現象によるものであると推測された.そこで,本年度はデバイス駆動装置の再設計と製作を行った.具体的には,重量の大きい粗動マイクロマニピュレーターを顕微鏡ステージに直接取り付ける方式に変更した.また粗動マニピュレーターと微動マニピュレーターを接続する治具も剛性を高めるように再設計し,共振周波数を高周波数帯域へと移動させた.以上のようなデバイス駆動装置の改良を行った結果,1Hzから90Hzの帯域で細胞伸展マイクロデバイスに繰り返しストレッチ動作をさせることに成功した.デバイス駆動装置の共振に起因すると思われる駆動特性のディップは解消されたが,ピエゾアクチュエーターの駆動電圧を一定に保ったままでは,ストレッチシートに生じる引張りひずみ量に若干の周波数依存性が残された.そこで,駆動周波数ごとにストレッチシートに生じる引張りひずみ量を均一化するための駆動電圧を探索した.その結果,残存していたひずみ量の周波数特性も解消することができた.来年度は,これまでの成果をふまえ,様々に周波数を変化させた繰り返しストレッチ刺激を細胞に付与し,その際の応答を詳細に観察する.当初の計画では,本年度はデバイスの改良を終え,0.2Hzから30Hz程度の周波数帯域で繰り返しストレッチ刺激の周波数を変化させ,細胞のカルシウムシグナル応答に及ぼす影響について検討する予定であった.しかしながら,デバイス駆動装置の再設計ならびに改良に予想以上の時間を費やし,細胞応答観察実験に進むことができなかった.したがって,当初の計画に対してはやや遅れていると評価する.しかしながら,本年度内にデバイス駆動装置の改良を達成することができたため,来年度は繰り返しストレッチ刺激の周波数を変化させた場合のカルシウムシグナル応答特性に及ぼす影響について,実験的に検討する段階へと進むことができる.来年度は,申請課題の計画3カ年における最終年度である.本年度での研究進捗状況はデバイス駆動装置の改良に時間を費やしたためやや遅れているが,デバイス駆動装置の再設計と改良は完了したため,次の段階である周波数を変化させた場合に,繰り返しストレッチ刺激に対する細胞のカルシウムシグナル応答特性にどのような影響が及ぶか.実験的検討に進む.繰り返しストレッチの長時間付与に伴うフォーカスのドリフトなどは,当初の想定よりも小さいことが分かったため,実験の実施に際しての懸念事項はほぼないと考えられる.したがって,本年度の若干の遅れを取り戻して,当初の研究目標を達成するべく鋭意実験を進める.本年度の研究では,30分程度の持続的な繰り返し伸縮刺激の付与を可能とするための細胞伸展マイクロデバイスの改良を行った.具体的には,繰り返しの変形にによって破損する恐れのあった弾性ヒンジアーム部を廃した,新しい構造の細胞伸展アレイデバイスの設計および製作を行った.このデバイスでは,シリコーンエラストマー製のシートを感光性樹脂であるSU-8のブロックによって直接カバーガラス上に固定する構造を採用し,既存のデバイスにおいて破損が懸念されていた弾性ヒンジ構造を廃することに成功した.また,ストレッチシートに変形を与えるための金属針を設置する接続部にも,伸縮の往復運動に対応した新しい構造を採用した.これらの改良により,1Hzの繰り返し周期で30分間の連続した伸縮刺激の付与を達成することができた.一方,当初の計画では,細胞に付与する繰り返し伸縮刺激の周波数は1Hzから30Hz程度を想定していた.金属針を駆動するピエゾアクチュエーターに所望の伸縮運動をさせるために様々に変化させた駆動電圧を印加して細胞伸展アレイデバイスの動作を確認したところ,1Hzから30Hzの全ての周波数帯において均一なストレッチシートの変形が得られるわけではなく,特定の駆動周波数においてストレッチシートに生じる引張りひずみが極端に小さくなるあるいは大きくなる場合があることが分かった.これは,ピエゾアクチュエーターおよび金属針を保持するマイクロマニピュレーターのマウント部の剛性が不足しており,これによって特定の周波数において共振現象が生じていることが原因として考えられた.1Hzから30Hz程度の周波数帯域において,所望の繰り返し伸縮刺激の付与を実現するために,マイクロマニピュレーターおよびピエゾを保持するマウントを既成品ではなく剛性を高めた自作品とすることでこの問題を解決することを目指す.平成29年度は,30分程度の持続的な繰り返し伸縮刺激の付与を達成するための細胞伸展マイクロデバイス改良を計画していた.研究の進捗状況としては,当初の懸念事項であった繰り返し変形による破損の恐れがあった弾性ヒンジアーム部について,これを廃した新規の細胞伸展マイクロアレイデバイスを開発することに成功した.その結果,1Hzで30分間程度の繰り返し伸縮刺激の付与が実現できることを確認した.この点については,当初の計画通りに研究を進めることが出来た.一方,繰り返し伸縮刺激の周波数については,当初の計画では1Hzから30Hz程度の周波数帯域で繰り返し伸縮刺激を付与する計画であった.しかしながら,実際にこれらの周波数帯域で細胞伸展マイクロアレイデバイスの駆動実験を行ったところ,ある特定の周波数において,想定した変形量よりも大幅に小さいあるいは大きい引張りひずみがストレッチシートに生じることが分かった.

この点については,当初の計画では想定していなかった問題であり,デバイスを駆動するピエゾアクチュエーターおよびマイクロマニピュレーターのマウント方法を改良する必要がある.上記のような問題が生じたが,所望の引張りひずみを付与できない周波数はある特定の周波数のみであり,その周波数を除けば当初の目標であった30分程度の持続的な繰り返し伸縮刺激の付与は可能であり,当初の計画に対して研究は概ね順調に進展していると判断できる.本年度は,細胞伸展マイクロデバイスを使用して数Hzから数十Hz帯域での繰り返しストレッチ刺激を付与するために,デバイス駆動装置の改良を行った.昨年度行った駆動試験では,特定の周波数帯域において,ストレッチシートに生じる引張りひずみが極端に大きくなる現象が見られた.これは駆動装置の共振現象によるものであると推測された.そこで,本年度はデバイス駆動装置の再設計と製作を行った.具体的には,重量の大きい粗動マイクロマニピュレーターを顕微鏡ステージに直接取り付ける方式に変更した.また粗動マニピュレーターと微動マニピュレーターを接続する治具も剛性を高めるように再設計し,共振周波数を高周波数帯域へと移動させた.以上のようなデバイス駆動装置の改良を行った結果,1Hzから90Hzの帯域で細胞伸展マイクロデバイスに繰り返しストレッチ動作をさせることに成功した.デバイス駆動装置の共振に起因すると思われる駆動特性のディップは解消されたが,ピエゾアクチュエーターの駆動電圧を一定に保ったままでは,ストレッチシートに生じる引張りひずみ量に若干の周波数依存性が残された.そこで,駆動周波数ごとにストレッチシートに生じる引張りひずみ量を均一化するための駆動電圧を探索した.その結果,残存していたひずみ量の周波数特性も解消することができた.来年度は,これまでの成果をふまえ,様々に周波数を変化させた繰り返しストレッチ刺激を細胞に付与し,その際の応答を詳細に観察する.当初の計画では,本年度はデバイスの改良を終え,0.2Hzから30Hz程度の周波数帯域で繰り返しストレッチ刺激の周波数を変化させ,細胞のカルシウムシグナル応答に及ぼす影響について検討する予定であった.しかしながら,デバイス駆動装置の再設計ならびに改良に予想以上の時間を費やし,細胞応答観察実験に進むことができなかった.したがって,当初の計画に対してはやや遅れていると評価する.しかしながら,本年度内にデバイス駆動装置の改良を達成することができたため,来年度は繰り返しストレッチ刺激の周波数を変化させた場合のカルシウムシグナル応答特性に及ぼす影響について,実験的に検討する段階へと進むことができる.平成30年度には,まず前年度に生じた問題である,1Hzから30Hz程度の周波数帯のある周波数において,細胞伸展マイクロアレイデバイスに所望の引張りひずみを付与できないという問題について,対策を講じる.具体的には,ピエゾアクチュエーターおよびマイクロマニピュレーターのマウント部を剛性を高めた自作品とすることで共振周波数を高周波数側へと変化させ,本研究で使用する1Hzから30Hz程度の周波数帯では所望の繰り返し伸縮刺激の付与を達成する.デバイス駆動部の改良に続いて,当初の計画である繰り返し周波数や引張りひずみ振幅を変化させた場合の細胞のカルシウムシグナル応答特性変化について明らかにする実験を開始する.
高時間分解能化学形態別大気トリチウム捕集装置の開発と環境研究への応用

平成30年度は、HTを酸化するための疎水性触媒について、本研究所が所有する触媒性能評価システムを用いて水素酸化性能評価を実施した。空間速度を変化させることで水素から水への転換率について評価した結果、良好な結果を得ることができた。ただし、本実験では低流量実験しか実施できていないため、次年度以降により現実的な流量条件下での性能評価を実施する予定である。高時間分解能観測を連続的に実施するためには、装置の自動化が不可欠である。そこで、電磁バルブを組み合わせることで、連続観測をできるシステムを製作した。電磁バルブはタイマーによる操作パネルでコントロールすることができ、最大で6個のコールドトラップが取り付け可能である。バルブやライン内へのメモリーを低減化するため、すべてテフロンコーティングされたものを使用した。本システムの動作確認では両行に動作することが確認できた。本研究で製作したシステムを用いて、比較的HTO濃度が高いと予測される北海道での観測を予定している。本年度は、札幌市における大気水蒸気濃度レベルを把握することを目的に、吸湿材を詰めたカラムを用いて2-3日間隔での大気水蒸気捕集実験を実施した。その結果、2018年11月に2-3日間隔で採取した大気水蒸気中トリチウム濃度は、0.390.68 Bq L-1の範囲ですべての試料で検出することができた(MDL: 0.3 Bq/L)。また、2-3日間隔でも比較的大きな変動傾向を示すことが分かった。この濃度変動は、前線の通過による空気塊の入れ替わりが原因であると考えられる。電磁バルブと操作パネルからなる自動化システムを製作し、両行な動作を確認することができた。一方、疎水性触媒の性能評価では、実際の流量までの条件下で実施することができなかった。しかし、実際のフィールドで、比較的短い観測を実施して、濃度レベルとその変動傾向を把握できたことから、本研究は順調に進んでいるといえる。令和1年度は、すべてのシステムを連結し、平成30年度に事前調査を実施した札幌市内においてテスト観測を行う。得られたデータは観測地点近傍にあるアメダス地点のデータおよび札幌気象台で観測している構想気象データを利用して解析を進める。近年、大気水蒸気の輸送経路解析に衛星画像データが利用されている。そこで、広報流跡線解析と衛星画像解析を組み合わせた水蒸気輸送経路の解析を進める。得られたデータを組み合わせ、総合解析を実施する。平成29年度は、ポリイミド中空糸膜モジュールについてHTOと分離等の基本性能を把握すると共に、コールドトラップによる水分捕集性能評価を行った。使用したポリイミド中空糸膜モジュールは宇部興産のUMS-B5である。HEPAフィルターを通した空気は、コンプレッサーを介して膜モジュールに導入される。モジュールの透過側出口はオイルフリーポンプで吸引し、2段こコールドトラップで水分を捕集した。非透過側出口には吸湿剤を詰めたカラムを取り付け、重量変化から透過側での水分捕集率を求めた。膜モジュールの水分透過率は導入される空気の圧力で変化することが予想される。そこで、膜モジュールに導入する空気は0.4MPaGから0.7MPaGまで変化させた。また、膜モジュールにリボンヒーターを巻き、外部温度をコントロールした。圧力と温度を変化させた際の水分捕集率について検討した結果、0.5MPaGで50°Cに加熱することで、99%以上の効率を得ることができた。また、捕集された水分について吸光光度計を用いてUV領域の吸収スペクトルを測定した結果、有機物の有無を判断する200nm付近におけるピークは認められず、水分だけが正しく捕集できることが明らかとなった。また、フィールドにおける実測を行った結果から、モジュール内でのメモリー効果は認められなかった。HTを酸化するための疎水性酸化触媒について性能評価を行い、良好な結果を得ることができた。宇部興産のポリイミド中空糸膜モジュールについて水分分離について検討を行い、導入空気量や回収水分量を勘案した結果、UMS-B5が妥当であるという結果を得ることができた。また、水分分離と水分捕集の条件設定をすることができた。一方、分離ガスの質量分析は実施ることができなかった。ことから概ね順調に進展していると言える。しかし、モジュール加熱温度の条件は1種類であったが、こちらも良好な結果を得ることができた。このことか、本研究は順調に進んでいると言える。

本年度は、札幌市における大気水蒸気濃度レベルを把握することを目的に、吸湿材を詰めたカラムを用いて2-3日間隔での大気水蒸気捕集実験を実施した。その結果、2018年11月に2-3日間隔で採取した大気水蒸気中トリチウム濃度は、0.390.68 Bq L-1の範囲ですべての試料で検出することができた(MDL: 0.3 Bq/L)。また、2-3日間隔でも比較的大きな変動傾向を示すことが分かった。この濃度変動は、前線の通過による空気塊の入れ替わりが原因であると考えられる。電磁バルブと操作パネルからなる自動化システムを製作し、両行な動作を確認することができた。一方、疎水性触媒の性能評価では、実際の流量までの条件下で実施することができなかった。しかし、実際のフィールドで、比較的短い観測を実施して、濃度レベルとその変動傾向を把握できたことから、本研究は順調に進んでいるといえる。本年度は平成29年度に検討したモジュールの中から最適であったUMS-B5を用い、HTO/HT分離に関する条件設定を行うと共に、システムを構築する。また、疎水性酸化触媒をもちいて、HT酸化システムを組み上げる。この際、大気中濃度の低いHTの酸化と酸化した水分回収のために、カラム内にトリチウムを含まない水を入れ、自然蒸発によりトリチウムフリー水蒸気をキャリアーとして添加する。更に、水分回収システムを組み合わせ、捕集システムを構築し、室内および室外大気を対象に捕集試験を行い、回収水試料中に有機物などの不純物が存在しないことを確認する。令和1年度は、すべてのシステムを連結し、平成30年度に事前調査を実施した札幌市内においてテスト観測を行う。得られたデータは観測地点近傍にあるアメダス地点のデータおよび札幌気象台で観測している構想気象データを利用して解析を進める。近年、大気水蒸気の輸送経路解析に衛星画像データが利用されている。そこで、広報流跡線解析と衛星画像解析を組み合わせた水蒸気輸送経路の解析を進める。得られたデータを組み合わせ、総合解析を実施する。膜モジュールについて、研究協力者より譲り受けたもので本年度の性能評価実験を行うことができた。また、その他の試験用消耗品についても、本年度は性能評価であったことから既存物品を代用して実施した。次年度以降、システムを組み上げるに当たり購入を予定している。また、共同研究者との触媒設置とその詳細に関する打ち合わせについても、本年度に実施する予定である。本年度購入予定の卓上冷却トラップ装置は、電磁バルブを取り付けたシステムの試運転を優先したため、既存の大型のもので代用した。電磁バルブシステムの製作が済んだので、来年度はシステムに適した卓上冷却トラップを購入予定である。
マウス頭頚部発癌実験で示唆された、PP6活性異常による、がん体質化のメカニズム

我々は、タモキシフェン処理により、扁平上皮に変異型KRAS、または2重変異(変異型KRASとPpp6c欠損の両方)を有するマウスを作製に成功した。2重変異では、変異型KRASのみの変異をもつマウスに比べて、著しく早期から腫瘍ができることを見いだした。非腫瘍細胞では、仮にRASの活性型変異が起こっても簡単には過剰な細胞増殖が起きないような安全装置があり、そこにPP6が働いていると考えられる。一方で、RASの活性化に加えて、Ppp6cの機能喪失が起こると、異常増殖のスイッチが入ると考えられる。プロテインホスファースト6型(PP6)の異常が腫瘍化と関係するのかを、マウス皮膚の発がん実験で証明を試みた。表皮でPP6がノックアウト(KO)されたマウスでは、イニシエーター(DMBA)一回投与のみで、非常に短期間(約5週間)で腫瘍が発生した。一方、コントロールマウスでは、DMBA一回投与のみでは腫瘍は発生せず、DMBA投与後、プロモーター(TPA)反復投与15週にて、はじめて、腫瘍形成が見られた。したがって、マウスの皮膚において、PP6欠損組織では、強い腫瘍促進状態にある事が示唆された。floxed-Ppp6cゲノムをホモに持ち、Cytokeratin14 (K14)プロモーターにより、CREーTAMが発現するマウスにおいて、タモキシフェンを腹腔内投与すると、舌、咽頭、食道で高頻度にPpp6cの遺伝子が欠損することを確かめた。このシステムを用いて、TAM投与後に、4NQOを飲料水にて(0, 20, 50, 100ppm)摂取させ、24週における口腔内および食道の腫瘍発生を調べた。現在までの所、Ppp6c欠損マウスおよび正常マウスに、腫瘍形成を認めない。このデータを元に、用いるマウスの週齢、4NQOの濃度、投与期間を新たに設定することができた。タンパク質脱リン酸化酵素6型(PP6)の異常が腫瘍化と関係するのかを、マウス皮膚の発がん実験で証明を試みた。floxed-Ppp6cゲノムをホモに持ち、Cytokeratin14 (K14)プロモーターにより、Ppp6c CRE-TAMが発現するマウスにおいて、タモキシフェン投与により表皮でPP6の触媒サブユニット(Ppp6c)を欠損させるシステムを構築し、2段階発がん実験を行った。イニシエーター(DMBA)一回投与のみで、非常に短期間(約5週間)で腫瘍が発生した。その原因を解析するために、DMBAを処理したPpp6c欠損皮膚における遺伝子上昇を調べ、IL-1β、IL-6やGM-CSF、GROα、MMP-3の発現上昇が増強されていた。このことから、炎症や細胞の生存の経路が活性化されることが示唆された。同様のことが、頭頸部の発がんでも認められるかどうかを検討した。皮膚発がんで用いたのと同じ遺伝子を有するマウスを用いて、タモキシフェンを腹腔内投与した。舌、咽頭、食道で高頻度にPpp6cの遺伝子が欠損することを確かめた。本タモキシフェン投与マウスにおいては、処理後24週では体重減少が無いことを確認した。このシステムを用いて、TAM投与後に、4NQOを飲料水に20ppmを摂取させ、24週における口腔内および食道の腫瘍発生を調べたが、炎症の所見や腫瘍の形成は認められず、より濃度の高い4NQOを用いた発がん実験を行う必要があることが分かった。新らに、4NQOによる、舌、咽頭、食道における発がん実験を行う。次の実験では、前回の教訓を生かして改良した実験条件を設定する。また、統計処理に必要なマウスの匹数を用いて行う。Ppp6c欠損における、紫外線発がんの亢進とDMBAによる発がんの亢進の、それぞれのメカニズムの違い、またそれらを可能とするリン酸化基質の違いを明らかにする。医歯薬学
コンピュータシミュレーションによる除電の高性能化

除電の軸対称2次元電気流体モデルを開発して除電現象を調査した。得られた現象は実際のトラブルの原因を説明するものである。正・負イオン密度が時空間的にバランスされていないとオフセット電圧が生じることが判明した。除電の高性能化には系全体が準中性化されるように除電器で準中性化した正・負イオンを発生させることが重要である。この結果に基づき交流除電器のオフセット電圧を振動も含めて除去する方法を提案した。除電は静電気障災害の重要な防止対策のひとつであり,帯電が問題となる多くの工程で除電器を用いている。ナノテクノロジーなど最近の技術革新により,帯電しやすい材料や脆弱な静電気耐性の電子デバイスが生産されるようになり,静電気障災害も様相を変えながら増大する傾向にある。短時間に精密に除電する高性能な除電器の開発が急務となっている。除電とは,イオン源(たとえば,コロナ放電)で生成されたイオンが,イオンの空間電荷と帯電物体により形成される電界と気流によって帯電物体へと輸送されて帯電物体の電荷を中和することである。したがって,除電技術の進展には,いかに効率よくイオンを帯電物体に輸送するかがキーとなる。除電後は除電器によって帯電されないように正・負イオンのバランスも考慮されなければならない。本研究では,シミュレーションによって正・負イオンの挙動を明らかにして,問題の原因追求と効率よく精密に除電するための情報を提供することを目的としている。当該年度は計画どおり標準試験法モデルに即したプログラムコードを作成した。汎用性と実験データを集積していることから,除電器の標準試験法をモデルの対象としている。1.現状調査現状把握のため,メーカ2社,スイス安全研究所にて除電器の開発・利用・トラブルの状況を調査(1)コロナ放電を用いた除電器が技術の簡便性から広く用いられている。(2)除電現象の理解とその技術は経験的知識に依存しており,トラブルに対しても経験的に対応しているのが現状であり,理論的解明が期待されている。2.軸対称2次元電気流体モデルの構築(1)気流(HSMAC法),正・負イオン流(FCT法)と電界(ポアソン式:SOR法)を計算する連成モデルを構築している。(2)境界条件の検討流入・流出境界,遠方境界(すべり,トラクションフリー境界),帯電物体(絶縁導体,不導体)の境界条件(3)開発コードの試行によりモデルの妥当性を検討している。ナノテクノロジーなど最近の技術革新により,帯電しやすい材料や静電気耐性の低い電子デバイスが生産されるようになり,静電気障災害も様相を変えながら増大する傾向にある。当該年度は,開発した標準試験法モデルを用いてシミュレーションを実施した。なお,モデルの妥当性も実験比較および協力者との議論により検討した。本モデルは気流,正・負イオン流,電界を連成計算し,2次元で正・負イオンの振る舞いが可視化できるので,除電現象およびトラブルの原因を詳細に解明できる。帯電電位極性,除電器の正・負イオン密度バランス及び気流速度の影響,正負直流・交流・パルスDCコロナ除電器の違いを調査するため,パラメトリックにシミュレーションを実施した。高気流速度では除電時間を短くできるが,正・負イオン密度がバランスしていないと定常除電電位(オフセット電圧)をさらに高くし,また,交流,パルスDCでは,時間的に変動するオフセット電圧を高くしてしまうことが明らかにされた。これらの問題は,実際の不具合の現象とよく一致しているので解決策の提案となる。技術革新により,帯電しやすい材料や静電気耐性の低い素子が生産されるようになり,静電気障災害も様相を変えながら増大する傾向にある。除電技術の進展には,いかに効率よくイオンを帯電物体に輸送するかがキーとなり,除電器によって帯電されないように正・負イオンのバランスも考慮されなければならない。

本研究では,シミュレーションによって正・負イオン挙動を明らかにして,問題の原因追求と効率よく精密に除電するための情報を提供することを目的としている。当該年度は,標準試験法モデルおよび移動帯電物体除電モデル(移動する帯電物体を擬似的にモデル化)を用いてシミュレーションを実施した。モデルは,気流,正・負イオン流,電界を連成計算し,正・負イオン挙動が可視化できるので,除電現象およびトラブルの原因を詳細に解明できる。帯電電位極性,除電器の正・負イオン密度バランス,気流速度の影響を正負直流・交流・パルスDCコロナ除電器について調査した。高気流速度では除電時間を短くできるが,正・負イオン密度が時空間的にバランスしていないとき,定常除電電位(オフセット電圧)をさらに高くし,交流,パルスDCでは,時間的に変動するオフセット電圧を高くしてしまうことが明らかにされた。交流およびパルスDCでは除電器周辺に,正・負イオンの空間電荷より除電器に戻る方向の電界が形成され,正・負イオンの移動度の違いからオフセット電圧が生ずる。これらの問題は,実際の不具合の現象とよく一致しているので解決策の提案となる。除電の高性能化には,時空間的に正・負イオンが準中性化されることが重要であることが示された。さらに,交流除電器のオフセット電圧を効果的に減少させる方法を提案している。
行動選択の価値のアップデートと記憶におけるドーパミン系と眼窩前頭皮質の役割

ドーパミン細胞が長期的な報酬予測を表現するかどうかを調べた。3択によって3回の報酬を得る課題を日本ザルに行わせた。予測的な舌の運動から、動物は各試行での報酬価値ではなく、長期的報酬(強化学習の価値関数)を予測していることが判明した。ドーパミン細胞は、動物の行動と同様に長期的報酬予測を表現することが分かった。将来のゴールに向けて長期的な予測と誤差を表現し、線条体などの標的部位での価値のアップデートや意志決定に必須の役割を担うと考えられる。木村らの従来の研究によって、ドーパミン細胞が、将来行う複数ステップの行動の報酬価値情報を担うことによって、現時点では最も望ましい選択肢の選択が不可能である場合においても将来的にトータルの報酬量を最大にする形で目標に到達するアルゴリズムを提供することを示唆する知見を得て、論文投稿し、査読者のアドバイスによって確証実験を行った。サルを実験動物に、ボタン押し行動によってスタートする古典的条件付け行動を行わせた。すなわち、スタートを指示する視覚刺激を合図にボタンを押さえると、報酬の確率が20%,50%,80%,100%であることを示す4種類の視覚条件刺激が提示され、その2秒後に無条件刺激(ビープ音)が現れ、更に提示された確率で報酬が与えられた。4つの条件刺激が不規則な順番で現れる場合と、20-50-80-100%の順番で現れる場合を設定した。不規則条件では、ドーパミン細胞の条件刺激に対する応答は報酬確率(価値)を良く反映し、無条件刺激に対する応答は報酬予測誤差を反映することが判明した。一方、規則的順番条件では無条件刺激に対する応答は報酬予測誤差を良く反映したが、条件刺激応答が減弱して報酬価値を表現しないことが明らかになった。重要なことに、条件刺激に先行して現れるスタート刺激に対して強い応答生じることが分かった。この結果は、強化学習理論で推定される結果と矛盾しない。この応答は、複数ステップにわたる将来の試行を統合した報酬価値情報を担うと考えられるが、ドーパミン細胞の応答の定量的解析、そして強化学習理論を踏まえて詳細に検討し、日本神経科学学会大会(21年9月開催)で報告する。サルを実験動物に、ボタン押し行動によってスタートする3拓の行動選択課題を行わせた。すなわち、スタートを指示する視覚刺激を合図にボタンを押さえると、3種類の選択肢を示すボタンが提示され、サルは試行錯誤(Search)によってボタン選択を行った。すなわち、選択が報酬ボタンである場合には、2秒後に高周波のビープ音が現れ、報酬が与えられた。更に、次の試行で同じボタンを選択すれば(Repetition)追加の報酬が得られた。選択ボタンではない場合には低周波のビープ音が鳴り、報酬は与えられなかった。サルが選択ボタンの報酬確率(価値)ではなく、Search-Repetitionを合わせて2回分の報酬を得るまでの報酬の期待をしているかどうかを調べるために、報酬の水が供給されるチューブを予測的に舐める口の運動を定量的に解析した結果、確かに、現在の選択から2回分の報酬を得るまでの報酬の期待を表現し、時間的に遠くの将来の試行で得られる報酬価値を割り引いて表現することが分かった。この応答は、複数ステップにわたる将来の試行を統合した報酬価値情報を担うと考えられるが、改めて学術雑誌(PNAS)に論文として投稿する。木村のグループは、従来の研究成果に基づいて、「ドーパミンニューロンや線条体の細胞が担う報酬価値の情報は、強化学習仮説が示すとおり、試行錯誤によって感覚事象や行動の選択肢のもつ報酬価値をアップデートする上で特に重要であり、学習が完成したあとではドーパミンニューロンは活動せず、長期的な記憶として大脳皮質に保存される。一旦特定の事象での報酬価値が確定すると、価値判断が求められる状況では大脳皮質の保存されている情報が線条体やドーパミンニューロンに伝達されて使用される」という作業仮説を検証するための実験と理論による共同研究を行った。研究課題の提案時点では、眼窩前頭皮質の神経活動の遮断による行動課題遂行とドーパミンニューロンの放電活動への影響を調べることを検討していたが、ドーパミンニューロンの新しい活動特性を見出したので、この研究に焦点を当てて成果を得た。ドーパミンニューロンは報酬の期待やその誤差信号を担うことが知られているが、遠くの目標を達成するために将来試みる可能性のある複数ステップの行動の各々について、期待される報酬がどれだけ高いか、低いかに関する情報と、その期待値の誤差情報を担うかどうか不明であった。

木村らは、この点を明らかにするための実験・計算論パラダイムを考案し、サルのドーパミンニューロンの活動を調べたところ、半数以上のニューロンが長期的な報酬価値とその誤差を表現することを発見した。この信号は、複数ステップの行動を試行錯誤で試しながら軌道修正しつつ、最終的に最も望ましい(高い価値の)結果を得ること(ゴール)につなげる上で必須の役割を担うと考えられる。
脂肪蓄積制御の生理と病理における遺伝子転写ネットワーク解析

肥満や過剰な脂肪の蓄積は様々な疾患の病態基盤となる。この研究では生理学的及び病理学的な脂肪蓄積の新規な制御機構の同定を目指した。肝臓の脂肪蓄積制御と脂肪肝の発症病理にStra13とSREBP1cによる転写制御経路やmTORC1/S6K1経路の重要性を明らかにした。また、脂肪細胞特異的PDK1欠損マウスの解析から、脂肪細胞の機能不全が脂肪肝やNASHの発症に関わることも明らかとした。さらに、PGC1αの新規アイソフォームの機能も解析し、骨格筋のエネルギー消費や褐色細胞の機能制御に重要な機能を担い、脂肪蓄積制御の重要なことも明らかとした。エネルギー摂取と消費のアンバランスは脂肪組織ばかりでなく骨格筋や肝臓などの非脂肪組織にも脂肪の蓄積を促し、種々の疾患の発症の原因となる。本研究計画では骨格筋や肝臓などの非脂肪組織における脂肪蓄積の分子メカニズムを、特に脂肪の合成や燃焼に関わる遺伝子転写ネットワークの面から解析することを目的とした。遺伝的肥満マウスや高脂肪食飼育マウスの肝臓では脂肪合成に関わる遺伝子の転写を制御する転写調節因子であるSREBP1cの発現が増強するとともに、mTORC1シグナルが活性化していた。mTORC1により活性化される各種の情報伝達分子の中で蛋白リン酸化酵素S6K1の機能に着目し、遺伝的肥満マウスの肝臓にアデノウイルスベクターを用いてshRNAを導入することによりS6K1の発現を抑制した。その結果、SREBP1cの発現やSREBP1cによって制御されることが知られている脂肪酸合成酵素の発現が低下した。また肝臓のS6K1の発現抑制により、脂肪肝や高トリグリセリド血症が改善した。培養肝細胞を分岐鎖アミノ酸を高濃度に含有する培養液で刺激するとSREBP1cの発現は増強し、これはmTORC1の薬理学的阻害剤やS6K1のshRNAで阻害された。以上の結果は、肥満では栄養シグナルによるmTORC1/S6K1経路の活性化がSREBP1cの発現増強を介して脂肪肝や脂質異常症の発症に関与することを示唆する結果であり、脂肪肝や脂質異常症の新規な治療法の開発に繋がる可能性のある知見である。骨格筋細胞内の脂肪蓄積はインスリン抵抗性の原因の一つと考えられている。骨格筋に強く発現する転写コアクチベーターPGC1αの新規アイソフォームを欠損するマウスは、骨格筋細胞内の脂肪量が増加しインスリン抵抗性を呈した。これは骨格筋における脂肪酸燃焼系遺伝子の発現誘導不全によるものと考えられた。以上の結果はインスリン抵抗性の発症にPGC1αの新規アイソフォームが関わる可能性を示すものであり、インスリン抵抗性に対する新規な治療法の開発に繋がる可能性のある知見と言える。PGC1α新規アイソフォーム遺伝子欠損マウスでは定量のトレッドミル運動負荷を与えても、エネルギー消費が低下しており、脂肪組織減少の程度も少ないことが明らかとなった。このことから、本マウスは運動によるエネルギー消費が特異的に障害されていると考えられた。また、運動時には褐色脂肪組織でのPGC1αの総発現量は低下する一方、骨格筋では顕著に増加することから、本マウスのエネルギー消費不全の原因臓器は骨格筋であると考えられた。また、βアドレナリン拮抗薬や作動薬を用いた検討により、急性運動負荷時の個体レベルでのPGC1α新規アイソフォームの発現誘導にはβアドレナリン刺激が重要な機能を果たすことが確認された。βアドレナリン作動薬によるエネルギー消費の亢進がPGC1α新規アイソフォームでは顕著に減弱しており、PGC1α新規アイソフォームはアドレナリン刺激による熱産生の亢進に重要な機能を果たすと考えられた。またPGC1α新規アイソフォームのプロモーター領域に分泌型ルシフェラーゼ遺伝子を挿入した遺伝子改変マウス(ノックインマウス)の作成を試み、2系統のノックインマウスを得た。Stra13の機能解析については、転写因子SREBP1cの遺伝子上のStra13の結合部位を同定し、この部位への作用を通じてStra13が脂肪酸合成制御に重要な機能を果たすことを明らかとした。また、SREBP1cの個体レベルでの発現制御にはインスリン刺激のみならずアミノ酸を中心とした栄養刺激が重要な役割を担うことを個体レベルで明らかとした。骨格筋ではKLF15がPGC1α新規アイソフォームの制御を受けていることを明らかとし、両者の相互作用により脂肪酸酸化系遺伝子の発現が制御されることを見い出した。PGC1α新規アイソフォームの骨格筋の脂肪燃焼機能について解析を進め、既知アイソフォームと同様にPPARαに対する転写刺激活性を増強させることにより、ミトコンドリア関連遺伝子や脂質酸化系遺伝子の転写を制御することを明らかとした。また、褐色脂肪組織におけるPGC1α新規アイソフォームの機能についても解析を進め、褐色脂肪組織内でも、新規アイソフォームが既知アイソフォームと同様な遺伝子群を同様の強度で発現を増強させることを見出した。

またPGC1α新規アイソフォーム遺伝子欠損マウスの解析から、PGC1α新規アイソフォームは褐色脂肪組織において寒冷刺激時には熱産生系遺伝子の発現制御に重要な機能を担い、実際の体温維持にも必須の役割を持つことも明らかとした。転写因子KLF15については、骨格筋細胞での過剰発現や発現抑制実験により、脂肪酸酸化系遺伝子の重要な制御因子であることも明らかとした。また脂肪細胞特異的PDK1欠損マウスの解析においては、脂肪細胞におけるPDK1の欠損により、インスリン作用としてよく知られている脂肪酸合成にかかわる遺伝子の発現だけでなく、脂肪分解系遺伝子や脂肪的形成に関わる遺伝子、脂肪輸送に関わる遺伝子などの多くの遺伝子発現の変化を認め、PDK1の欠損が広範な脂肪細胞機能の異常を引き起こすことが明らかとなった。また、本マウスの肝臓には高度の脂肪蓄積だけでなく、NASH様の組織学的変化、生化学的変化が生じることを明らかとなった。KLF15についてはその機能を個体レベルで明らかとするためKLF15-floxマウスの作成を行った。具体的にはES細胞中にKLF遺伝子座にloxpP配列を挿入した遺伝子組み換え型ES細胞を作製し、マウス胚に導入してキメラマウスの作成を行った。結果、組み換え効率の高いキメラマウスが得られ、キメラマウスと野生型マウスの交配によりKLF15-floxアリルが子孫に伝達されることも確認でき、KLF15floxマウスが樹立された。また、老化におけるKLF15の役割を明らかとするため、KLF15の発現の加齢による発現変化を検討したところ、骨格筋では加齢に従いその発現が増強することが明らかとなった。PGC1α新規アイソフォームについてはアドレナリン刺激との関連を中心に検討を進めた。PGC1α新規アイソフォーム欠損マウスではアドレナリン刺激によるPGC1αの発現誘導が低下しており、新規アイソフォームがアドレナリン刺激におけるPGC1α増加の本体を担うことが明らかとなった。また、PGC1α新規アイソフォーム欠損マウスではアドレナリンによるエネルギー消費の増強が抑制されていた。肥満動物においてもアドレナリンによるPGC1αの発現誘導やエネルギー消費の増強が抑制されており、この現象の一部は骨格筋におけるβ2アドレナリン受容体の発現の低下に起因すると考えられた。また、培養細胞にある種の脂肪酸を作用させるとβ2アドレナリン受容体の発現の低下が生じたことから、肥満における骨格筋のアドレナリン抵抗性は脂肪酸の作用を介する可能性が示唆された。昨年度までに樹立に成功したKLF15floxマウスの遺伝的背景をC57BL6マウスに純化するため、C57BL6マウスに対して、6回の戻し交配を行った。純系化されたKLF15floxマウスをMCL-Creマウスとの交配させることにより、骨格筋特異的KLF15欠損マウスを作成した。本マウスではCreリコンビナーゼの発現臓器でのみ遺伝子組み換えが生じてKLF15遺伝子が破壊されていることも確認された。各種の代謝変化の解析に十分な匹数のマウスを作製するため大規模な交配を開始した。
高温高圧水中バイオマス部分酸化による低温水素製造プロセスの開発

バイオマス処理溶媒に有用な高温高圧水を利用して、水素を効率よく生成するための新しい方法について研究している。申請者は水素製造法として、エネルギー生産の観点から熱化学的変換の中でも低温の200-400°Cにおいて、高温高圧水中でバイオマスを部分酸化させてCOやギ酸などの水素前駆体を選択的に生成させ、その後前駆体の水素生成反応を促進させることにより選択的に水素に転換する手法に着目している。従来、低温でバイオマスから水素を生成させる反応では、水素化活性金属触媒などを用いるため化学平衡的に有利なメタンの生成も進行してしまう。それに対し、申請者が提案する方法では、水性ガスシフト反応などに活性な触媒でCOやギ酸から水素を生成させる方法を採用するためメタンの生成が抑制でき、選択的に水素を生成させることができる。本研究では、回分式および流通式反応装置を用いて、高温高圧水中でのバイオマス(セルロースとリグニン、およびそれらのモデル化合物)の部分酸化・水素製造について、温度(200-400°C)、圧力(2-40MPa)、反応時間(10秒-60分)、酸素量、バイオマス濃度、金属酸化物触媒を様々変化させて、反応機構の解明と最適条件の決定を行う。最終的にはバイオマスからの連続水素製造装置を開発し、連続的にバイオマスを処理し高収率で水素を回収するプロセスを提案したい。これまで、触媒種やバイオマス種について温度、時間、酸素濃度を操作変数として検討した結果、グルコースのような単糖類からギ酸が選択的に生成でき、さらにギ酸であれば300°C以下でも短時間で完全に水素と二酸化炭素に分解でき、副生成物は皆無であることを見出した。これは、水素貯蔵媒体として液体であるギ酸を想定した場合、廃熱によりグルコースを予めギ酸に転換しておき、必要に応じてギ酸を水素に分解する新たな水素貯蔵・生成プロセス開発が可能であることを示している。今後は、小型分散型のグルコース改質装置ならびにギ酸分解装置を開発し、水素経済発展に貢献したい。申請者は水素製造法として、水性ガスシフト反応に有利な200-400°Cにおいて、高温高圧水中でバイオマスを部分酸化させてCOを選択的に生成させ、その後水性ガスシフト反応により選択的に水素に転換する手法に着目している。それに対し、申請者が提案する方法では、水性ガスシフト反応に活性な触媒でCOから水素を生成させる方法を採用するためメタンの生成が抑制でき、選択的に水素を生成させることができる。本年度は、酸化亜鉛触媒に関して、回分式装置を用いてバイオマス種と酸素量によるガス化特性の変化について検討した。その結果、グルコースのような単糖類は比較的容易にガス化することができるが、リグニン質やタンパク質が含まれるバイオマス種に対しては、水素の選択率が低下した。このことに関して申請者は酸化亜鉛触媒に硫黄などのヘテロ原子が吸着することにより触媒活性が低下した可能性を考えている。また、酸素量に関しては、バイオマスが含有する酸素原子量に対して加えた酸化剤由来の酸素量の比によりガス化効率を予測できることを見出した。昨年度、酸化亜鉛触媒に関して、回分式装置を用いてバイオマス種と酸素量によるガス化特性の変化について検討した結果、グルコースのような単糖類は比較的容易にガス化することができるが、リグニン質やタンパク質が含まれるバイオマス種に対しては、水素の選択率が低下したことを見出した。