hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新奇な補因子組込型人工ラジカル酵素の開発

近年、従来の翻訳後修飾とは全く異なる特殊な化学修飾が施されたアミノ酸側鎖の架橋構造や補因子(Cross-linked Protein-derived Cofactors (CPDC))が種々のタンパク質内で発見されてきた。本研究では、申請者らが培ってきた金属ー活性酸素種による酸化的自己修飾の手法を発展させ、小型タンパク質の内部で、自発的に形成される新奇なCPDCを持った機能性タンパク質の創製を行った。天然で安定なラジカル生じることが知られているCPDCを全く関係のないタンパク質中で生じさせることに成功し、これら得られた結果は広い展開を期待できるCPDC研究の端緒となるものであった。本研究では、申請者らが培ってきた金属ー活性酸素種による酸化的自己修飾の手法を発展させ、小型タンパク質の内部で、自発的に形成される新奇なCPDCを持った機能性タンパク質、特に人工ラジカル金属酵素の創製を行った。生起させたCPDC近傍微小環境の制御に加え、金属配位構造の最適化により、安定なラジカルを保持可能な酸化還元補酵素として昇華させることでCPDCの利用価値を証明する。その過程において高難度のC-H結合活性化やC-C結合形成など有用な合成手法に直結する新規ケミストリーの発見を目指す。本研究ではCross-linked Protein-derived Cofactors (CPDC)を含んだ人工ラジカル酵素、特に酸素によって駆動する副産物の少ない酸化酵素を創製するべく、申請者が築き上げてきた金属イオンによる酸化的自己修飾反応を駆使することで、計画を実行した。具体的には以下に示すが、小さな分子量を持つキュピンタンパク質を土台とし様々な位置に導入したチロシンとシステイン間の架橋形成が可能であることを示した。特に、土台として用いたキュピンタンパク質がもともと持っているシステインを利用した場合、金属との配位による着色が観測され、この手法の有用性が明らかとなった。申請者らはProtein Databaseから小型(10kDa)で金属結合部位があり、かつ基質結合場を備えたいくつかの土台タンパク質候補の中から、double stranded β-helixモチーフを持つキュピンファミリータンパク質を用いてきた。3つのヒスチジンからなる金属結合部位に鉄や銅を接合し、Tyrを結合部位から距離を変えて変異導入した(残基番号:Ile49, Ile60, Cys106, Ile108)。そのうちのI60Y, C106Y, I108Y変異体ではTyr-Cys結合を形成させることに成功した。さらに、近傍の立体障害を取り除くことによって、その結合量を増大させることに成功した。このように最適化された変異体について、UV-visスペクトルやESR、共鳴ラマンスペクトルおよび質量分析、X線構造解析によって特性を評価し、結合周りの状態を詳細に検討した。このCPDCは既知であるものの関連のないタンパク質中で人工的に生起させた初めての例である。本研究では、申請者らが培ってきた金属ー活性酸素種による酸化的自己修飾の手法を発展させ、小型タンパク質の内部で、自発的に形成される新奇なCPDCを持った機能性タンパク質、特に人工ラジカル金属酵素の創製を行う。その過程において高難度のC-H結合活性化やC-C結合形成など有用な合成手法に直結する新規ケミストリーの発見を目指した。前年度達成されたTyr-Cysを配置したタンパク質について3種の変異体の立体構造を決定するとともに、紫外可視吸収や共鳴ラマンスペクトルなどを用いて分光学的な特性評価を行った。このように配置したTyr-Cys架橋構造はタンパク質の構造安定性に寄与するだけでなく、グアヤコールなどを基質とする一電子酸化反応をそくしんすることを明らかとした。銅によって活性化された酸化剤が近傍のTyr-Cys架橋構造を酸化し、反応性の高いチロシルラジカルが生成している可能性が示唆された。また、その形成過程には銅イオン、還元剤、酸素が必須であることが分かり、可能性の1つではあるものの銅活性酸素種の寄与が考えられる。今後は天然にはないCPDC形成に挑戦する。

天然で見られるCPDCの構造から、自己修飾によって生じた簡単なPDCが二種類の反応経路(Path A:キノンもしくはカルボニル化合物への求核付加反応, Path B:水素原子引き抜きに伴って生じたラジカル分子のラジカルカップリング)で生成すると考えられる。そこで、金属にはCu/Feを用いて、前者では近傍にCys, His (Lys, Tyr)などの求核性アミノ酸を導入した変異体を作製し、架橋構造形成の有無を確認する。また、後者では、近傍にTyrやMetを追加導入し、CPDCの形成を試していく。上記方法を遂行する際に困難が生じた場合は、同様のキュピンタンパク質のホモログに加え、小型でかつ安定であるタンパク質モチーフ、(partly opened β-barrelモチーフのVOCタンパク質(PDB: 3rmu))を選択し順次、上記方法を試していく。生体機能関連化学タンパク質調整試薬を購入予定であったが、必要となる時期が一ヶ月ずれ込んだため。H28年度開始とともに使用予定である。
心筋症ハムスターの原因遺伝子探索

特発性心筋症は、現在心臓移植が唯一の治療法であり、その原因究明は非常に重要である。ヒトの特発性心筋症のモデルと考えられている心筋症ハムスターは、常染色体性劣性遺伝形式の単一遺伝子によって、100%の浸透率をもって発症する。薬剤評価などにも多用されており、心筋症の病態解明に中心的な役割を果たしてきた。しかし、単一遺伝子座で次世代に伝わるにも関わらず、その遺伝学的解析が非常に遅れていることは、DNAマーカーが無いためである。我々の開発したRLGS法は、大腸菌、酵母、ショウジョウバエ、植物をはじめ全ての生物種に適用でき、そのゲノム全体を一度にスキャニングする画期的な方法であり、その有用性はマウスの1cMマップを約半年で完成させ、実証済みである(Y.Hayashizaki et al., Genetics, 138, 1207-1238, 1994)。平成6年度にRLGS法を用いて、ハムスターの亜種(Bio14.6とACN)の多型検出を行ない約600個のRLGSマーカーで連鎖解析を行ない全ゲノム地図を作成し、心筋症の表現形質と連鎖(Lod値>8.0)するRLGSマーカーを同定した。平成7年度は、心筋症遺伝子座と連鎖するRLGSスポットのクローニングを行い、そのRLGSマーカーをプローブとしてゲノムライブラリーをスクリーニングし、心筋症遺伝子座位同定のために行なうFISH(fluoroescence in situ hybridization)に供するDNAプローブを単離した。これを用いてFISHにより心筋症遺伝子座の染色体番号を9番の特定領域に同定した。
証券市場における会計士監査の役割期待に関する国際比較のための制度的・経済的分析

本年度は、(1)アメリカにおける2002年7月のSarbanes-Oxley法制定の契機となった一連の会計スキャンダルを検証し、それらにおける監査報酬と非監査報酬を比較することで、非監査報酬の相対的な大きさが証券取引委員会(SEC)の想定するような監査人の独立性を事実として侵害していたケースが存在したのか、また(2)Sarbanes-Oxley法の下に導入された監査人に対する規制のあり方と会計基準の制定に期待されるアプローチを検証した。具体的には,以下のような内容を確認した。[監査人規制のあり方]Sarbanes-Oxley法制定以降、監査人たる職業会計士に対するSECの規制方針は、規則主義的アプローチとなり、原則主義アプローチを指向した独立性基準審議会(ISB)が解散に際して懸念した通りの事態となった。その内容は、独立性侵害要因として想定される一定の非監査業務を、被監査会社に監査業務と同時提供することを予め禁止することによって、SECの考える独立性の外観を確保しようというものである。しかしながら、SEC自身も認識しているように、非監査業務と監査業務の同時提供が監査人の判断の独立性を歪めたことを示す証拠は存在しなかった。[会計基準制定のアプローチ]SECは、会計基準の設定方法として、従来の規則主義から原則主義(広義)アプローチへと方向転換することを提案している。SECによる執行活動の容易化という点からすれば、監査人に対する独立性規制と同様に、経営者や監査人の恣意性が入り込み難い規則主義を、会計基準設定に関しても採るのは当然であろう。しかし、規則主義の持つ欠点(例外条件や客観基準の悪用)の顕在化から、あえて「目的指向」アプローチという原則主義(広義)へと舵を切ることとなった。本年度は、アメリカにおける監査の品質を確保するための各種方策を調査した。その過程で明らかとなったアメリカの監査制度を取り巻く情況は、以下のとおりである。(1)[Sarbanes-Oxley法]証券市場における会計士監査の役割は、投資意思決定のための情報の信頼性を保証し、それによって証券市場の流動性を確保することにある。その信頼性は監査の品質の水準に依存しており、監査品質を保持するために、2000年以降、SECとAICPA等を中心として種々の改革が実施された。にもかかわらず、2001年10月のEnronの粉飾決算に端を発して、数々の企業不正が顕在化することとなり、2002年7月のSarbanes-Oxley法制定に至った。(2)[監査報酬の開示]2000年頃から監査人の独立性を問題にしてきたSECが採った行動は、会計事務所に支払われている監査報酬とその他のコンサルテイング報酬の金額をクライアント企業に開示させることによって、会計士の被監査会社に対する依存度を明らかにし、監査人の過度な依存を牽制する、という方策である。このSECによる規制は、独立性規制の一環として2001年より実施されており、2002年以降さらに強化された。(3)[リスク負担機能]会計士監査の重要な経済的機能は、情報の信頼性を保証することによって、事後的に発生し得る損害を未然に防ぐ(発生した場合には法的プロセスを通じて補填する)ことにある。このリスク負担機能が会計土に備わっているか否かが、監査品質を検討する場合の重要な要素といえる。SECが開示を強制した会計士の監査報酬とコンサルティング報酬は、会計土のクライアント企業への依存度を明らかにし、その依存関係を牽制するとともに、投資者に対して会計事務所のリスク負担可能性を示唆するデータとして有効に機能すると考えられる。
実験生物・手法のデータベース化を通した日本における実験生物学成立についての研究

7年度は実験生物学の成立に関して、実験生物種、実験手法の変遷や各時期での特徴を浮き彫りにする事例研究として、実験生物学者谷津直秀が取り組んだ発生学を取上げ分析した。すなわち、1920年代は実験発生学の有力雑誌であったドイツのRoux's Archiv.(1895年創刊)を、1950年代では日本発生生物学会のEmbryologia(1951年創刊)と、今日最も影響力を持つといわれる米国のDevelopmental Biology(1959年創刊)を選び、掲載論文の実験生物種や実験手法の部分をコンピュータに入力して国際比較及び雑誌の特徴を検討していった。1920年代のRoux's Archiv.ではシュペ-マンの形成体研究の全盛期で、実験生物種では両生類が圧倒的に多く、手法としては組織移植を用いたものが顕著だった。形成体研究で両生類以外の魚類、鳥類に対象が拡がるのは1930年代に入ってからであった。1950年代の研究として、Embryologiaの最初の5年間に掲載されたすべての論文を分析したところ、実験生物種ではウニが最も多く、魚類、両生類の順であった。手法としては移植実験や組織培養液の組成を変えて培養した結果を記載するというものが多かった。またDevel-opmental Biologyの第1巻6号分の掲載論文を分析すると、実験生物種は鳥類、両生類、哺乳類の順で、Embryologiaとはかなり異なっていた。また、実験手法としては移植手術が最多であったが、代謝物の測定や放射性同位元素をトレーサーに用いたものも見られた。このように分子生物学の黎明期には発生学でも実験生物種や実験手法が多様化していた。平成6年度は日本で実験生物学が成立したとされる1920年代に刊行された日本動物学会の機関誌「動物学雑誌」(1888年創刊)および、日本植物学会の機関誌「植物学雑誌」(1887年創刊)に掲載された論文、記事の分析を進めた。そして著者、実験生物種、実験方法、結論などからどのようなアイテムやキ-・ワードの選定をすれば利用価値が高く研究の実態が浮き彫りになる有効なデータベースになるかについて予備的な研究をおこなった。論文の内容を分析していく過程で実験的研究とされるものの判断が当時の視点と今日的視点とでは異なる場合があることがみられた。当時の視点を尊重するには「動物学雑誌」では索引で論文や記事をどのように分類しているかが指標となることがわかった。1922年から索引が従来の哺乳類、鳥類、爬虫類、両樓類、魚類などの分類学に基づいた種属別の配列から、形態学、組織及細胞学、発生学、生理学、実験動物学などの分科別も加わるようになった。さらに1930年には分科別のみになり種属別はなくなっている。20年代後半には外国文献の紹介や短報、記事が減少していた。整理の仕方として、実験動物学、生理学に分類されている論文についてはすべて実験的研究とみなしてよく、その他の分科では論文に当たって内容を検討していけば良いことがわかった。「植物学雑誌」の場合では、著者別の索引が整備されていた。そのため、ある研究者が分類学・形態学的研究から実験的研究へ移行していく様子や対象とする生物種の変化を知ることができた。

すなわち、1920年代は実験発生学の有力雑誌であったドイツのRoux's Archiv.(1895年創刊)を、1950年代では日本発生生物学会のEmbryologia(1951年創刊)と、今日最も影響力を持つといわれる米国のDevelopmental Biology(1959年創刊)を選び、掲載論文の実験生物種や実験手法の部分をコンピュータに入力して国際比較及び雑誌の特徴を検討していった。1920年代のRoux's Archiv.ではシュペ-マンの形成体研究の全盛期で、実験生物種では両生類が圧倒的に多く、手法としては組織移植を用いたものが顕著だった。形成体研究で両生類以外の魚類、鳥類に対象が拡がるのは1930年代に入ってからであった。1950年代の研究として、Embryologiaの最初の5年間に掲載されたすべての論文を分析したところ、実験生物種ではウニが最も多く、魚類、両生類の順であった。手法としては移植実験や組織培養液の組成を変えて培養した結果を記載するというものが多かった。またDevelopmental Biologyの第1巻6号分の掲載論文を分析すると、実験生物種は鳥類、両生類、哺乳類の順で、Embryologiaとはかなり異なっていた。また、実験手法としては移植手術が最多であったが、代謝物の測定や放射性同位元素をトレーサーに用いたものも見られた。このように分子生物学の黎明期には発生学でも実験生物種や実験手法が多様化していた。
ナノテクノロジーを応用した細胞増殖因子徐放システムによる肺高血圧症治療法の研究

まず、酸性ゼラチンを用いてナノメートルオーダーの生体吸収性マイクロスフェア作製を試みた。粒子を小さくすると、恐らくは表面積が増加するために、凝集して二次粒子を形成し、最終的に得られた最小のマイクロスフェアは約10μm径であった。このマイクロスフェアに塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)を浸透させることにより、約2週間の徐放効果が得られることが明らかになった。次にモノクロタリン(MCT)腹腔内投与によるラット肺高血圧症モデルを用い、bFGFマイクロスフェア気道内投与の肺高血圧予防効果を検討した。MCT投与と同時にbFGFを気道内徐放投与し3週間後に心臓カテーテル検査を行った。bFGF同時投与群では右室/左室収縮期圧比は0.36±0.05(mean±SD、以下同様)であり、対照群(MCTと同時に生食投与)の0.60±0.12と比較して有意に肺高血圧の進行が押さえられた。同時期の肺組織学的検討では、bFGF投与群で肺動脈中膜厚が19.2±3.1%と対照群の23.4±3.3%と比べて改善傾向が認められた。また肺組織内の小動脈数、毛細血管数はbFGF対照群でそれぞれ18.9±7.0/mm^2、165.0±43.6/mm^2で、対照群の4.6±2.8/mm^2、50.6±12.9/mm^2と比較して有意に増加しており、肺高血圧の軽減はbFGFの血管新生効果によるものであることが示された。肺高血圧の軽減に伴い、最長10週間の観察でMCTのみ投与群の生存率が17%であったのに対し、bFGF同時投与群の生存率は83%と著明な改善が認められた。現在、MCT投与後2週間の時点でbFGFマイクロスフェアを投与する治療モデルでの肺高血圧抑制効果を検討中であり、併せて発表準備中である。
ASEAN諸国と東アジア経済の東洋的近代化に関する国際環境比較研究

最近注目を集めている東アジア経済の成長要因の一つに、これらの諸国が「儒教文化」の精神構造に支えられているという事実がある。「根まわし」「全会一致」「年功序列」「行政指導」「労使協調」など、東アジアの社会では、西洋社会にはみられない共通の仕組みが定着している。これらの仕組みからは、西洋社会の発展の原動力となった「競争原理」はでてこない。それとは対照的に、東アジア社会では、儒教の徳目に支えられた「協調原理」が社会の仕組みの原点となり、「非西洋的近代化」に成功を収めたのではないであろうか。このような問題提起に支えられて、本研究グループは各自の研究成果を公開シンポジウム「東アジアの経済発展と日本の役割」(昭和63年12月21日、中国電力ホール)において発表した。その詳細については、『国際経済研究』平成元年2月号および3月号(社団法人国際経済研究センター刊)に掲載されてある。さらに、本年度の研究の全成果を、単行書『東アジアの経済発展』(渓水社刊、平成元年11月予定)として出版契約が成立しており、現在、メンバー全員が執筆にあたっているところであるが、執筆分担は以下の通りである。金子敬生(東アジアの経済発展をどのような視点からとらえるか)仁平耕一(東アジアNIESの経済発展と日本の役割)陶怡敏(東アジアNIESの経済発展と儒教文化)山下彰一(東南アジアの経済発展と日本企業の海外進出)厚母浩(東南アジアの経済発展と日本の経済協力)片岡幸雄(中国の対外開放政策の展開)最近注目を集めている東アジア経済の成長要因の一つに、これらの諸国が「儒教文化」の精神構造に支えられているという事実がある。金子敬生(東アジアの経済発展をどのような視点からとらえるか)仁平耕一(東アジアNIESの経済発展と日本の役割)陶怡敏(東アジアNIESの経済発展と儒教文化)山下彰一(東南アジアの経済発展と日本企業の海外進出)厚母浩(東南アジアの経済発展と日本の経済協力)片岡幸雄(中国の対外開放政策の展開)
酸性雨および路面凍結防止剤の作用をうけるコンクリートの性能向上に関する研究

酸性雨、路面凍結防止剤(NaCl、CMAなど)の化学作用をうけるコンクリートの劣化防止対策を目的に、これらの溶液の作用をうけるセメント複合材料の挙動を明らかにし、これを基礎にコンクリートの性能向上に最も適した表面被覆用材料として、炭素繊維、アラミド繊維、高炉スラグ微粉末などを用いたセメント系複合材料の適用性について検討した結果、次のような知見を得た。(1)Ca(OH)_2の溶出および硬度(強さに対応する物性)の低下は、硫酸溶液単独の場合よりも硫酸溶液と融氷剤溶液の複合作用の場合、とくに混合溶液の場合が最も大きく、さらにNaClよりもCMAの場合の方が大きい。(2)残存Ca(OH)_2量は、スラグ置換率および繊維混入率の増加に伴って減少し、硬度はスラグ置換率および繊維混入性の増加に伴って増大する。(3)スラグ置換率の増加に伴って透水係数は著しく低下し、凍結融解抵抗性は増大する。しかし、スラグ置換率70%では凍結融解抵抗率は著しく低下する。(4)繊維混入率の増加に伴って透水係数はほぼ直線的に増大するにもかかわらず、凍結融解抵抗性は著しく向上し、繊維補強効果が透水係数の増大に起因する凍結融解抵抗性の低減作用を上回る。(5)溶液の種類ではNaCl溶液の場合の透水係数が最も大きく、硫酸とCMAの混合溶液では小さい。しかし、いずれの溶液の場合も凍結融解抵抗性は小さい。(6)被覆厚さの増加に伴って透水係数は低下するが、高炉スラグ微粉末を添加した場合は、厚さ3mm程度でも十分な遮水効果が得られる。(7)表面被覆材としては水結合材比50%、スラグ置換率50%、繊維混入率1%の炭素繊維あるいはアラミド繊維で補強したセメント複合材が推奨される。1.目的:酸性雨および路面凍結防止剤の作用をうける複合セメント硬化体の劣化および補強のメカニズムを明らかにし、これを基礎にコンクリートの性能向上に最も適した表面被覆用材料として、炭素繊維、アラミド繊維、高炉スラグ微粉末などを用いたセメント系複合材料を開発する目的で以下の実験を行った。2.実験内容:普通セメントに分散材[炭素繊維、アラミド繊維、高炉スラグ微粉末BS]を単独および2種以上の組み合せで添加した複合セメント硬化体を、養生後、H_2SO_4(pH1,3,5)、HNO_3(pH1,3,5)、H_2SO_4(pH3)後→3%NaCl、H_2SO_4(pH3)後→3%CMA、H_2SO_4(pH3)+3%NaCl混合溶液、H_2SO_4(pH3)+3%CMA混合溶液に8週間浸漬した。浸漬溶液のpH、Ca^<2+>イオン濃度の測定および浸漬後の複合硬化体の残留Ca(OH)_2量および微小硬度を測定した。3.研究成果:今年度は本研究計画の初年度に当たるが、上記の実験の結果として次の知見が得られた。(1)酸性溶液と融氷剤溶液の複合作用の場合は、Ca^<2+>イオン濃度の経時変化への影響はCMA溶液で大きく、CMA溶液中のCa^<2+>イオン濃度を控除してもなおCa^<2+>イオン濃度が増大した。(2)Ca(OH)_2の溶出は、酸性溶液の場合はpH値の小さいほど大きく、また硫酸溶液(pH3)単独の場合よりも硫酸溶液と融氷剤溶液の複合作用の場合の方が大きく、とくに混合溶液の場合が最も大きく、さらにNaClよりもCMAの場合の方が大きかった。

BS、特に混入率30%ではCa(OH)_2の溶出は他の硬化体に比較して著しく小さかった。(3)溶液浸漬後の硬化体の硬度は、硬化体の種類、浸漬溶液の種類によって著しく相違したが、複合硬化体については酸性溶液とCMA溶液との混合溶液の場合の低下が最も大きく、これはCa(OH)_2の溶出とも対応した。1.目的:酸性雨および路面凍結防止剤の作用をうけるコンクリートの表面被覆用材料の開発を目的として、(1)高炉スラグ微粉末を添加したセメントペーストを炭素繊維、アラミド繊維などの短繊維で補強したセメント系複合材料の水酸化カルシウムの溶出と微小硬度変化、および(2)高炉スラグ微粉末を添加したセメント硬化体の透水性を検討した。2.実験内容(1)普通ポルトランドセメントを用い、水結合材比W/(C+S)を30,50,70%、スラグ置換率S/(C+S)を0,10,20,30,50%、繊維混入率Vfを0,1.0,1.5,2.0%および材齢を7,28,56,91日とした。高炉スラグ微粉末を添加したペーストに炭素繊維あるいはアラミド繊維を混入し繊維複合セメント硬化体を作製した。養生終了後、pH3の硫酸溶液に56日間浸漬し、浸漬溶液のpHおよびCaイオン濃度および養生直後および浸漬終了後の残存Ca(OH)_2を測定した。(2)水結合材比を50,60,70%、スラグ置換率を0,30%、材齢を7日として透水性試験用の供試体を作製した。浸透液として真水およびpH3の硫酸溶液を用い、高速遠心機により9時間における透水量を測定した。3.研究結果:(1)残存Ca(OH)_2量はスラグ置換率および繊維混入率の増加に伴って減少する。(2)硬度はスラグ置換率および繊維混入率の増加に伴って増大する。なお、繊維を混入したBS系複合材では養生期間の増加に伴って硬度は増大し、炭素繊維を混入した複合材の方がアラミド繊維の場合より硬度は大きい。(3)一般的に酸性溶液の方が真水より透水性は大きいが、水結合材比によって挙動が異なる。(4)水結合材比70%の場合、高炉スラグ微粉末の添加[S/(C+S)=30%]によって透水量の減少は、真水およびpH3の硫酸溶液でそれぞれ約1/10および1/4となる。(5)以上の結果から、コンクリートの表面被覆用材料としてスラグ置換率50%、繊維混入率2.0%、水結合材比30%としたペーストマトリックスを炭素繊維で補強したセメント系複合材が推奨される。平成5年度、6年度においては、酸性雨および路面凍結防止剤の化学作用に対して最も抵抗性のある材料として、炭素繊維、アラミド繊維、高炉スラグ微粉末などを用いたセメント系複合材料の挙動を明らかにした。平成7年度は、この複合材料を表面被覆材として使用した場合の透水性状および凍結融解抵抗性に対する性能を検討し、表面被覆材として最も有効なセメント系複合材とその施工厚さについて次ぎのような知見を得た。(1)高炉スラグ微粉末置換率の増加に伴って透水係数は著しく低下し、凍結融解抵抗性は増大する。スラグ置換率50%の透水係数は無混入の場合の『1/(100)程度となる。しかし、スラグ置換率70%では凍結融解抵抗性は著しく低下する。(2)繊維混入率の増加に伴って透水係数はほぼ直線的に増大するが、凍結融解抵抗率は著しく向上し、繊維補強効果が透水係数の増大に起因する凍結融解抵抗性の低減作用を上回る。(3)溶液の種類ではNaCl溶液の場合の透水係数が最も大きく、硫酸CMAの混合溶液では小さい。しかし、いずれの溶液の場合も凍結融解抵抗性は小さい。(4)被覆厚さの増加に伴って透水係数は低下するが、高炉スラグ微粉末を添加した場合は、厚さ3mm程度でも十分な遮水効果がある。
アクチントレッドミリングによるアメーバ細胞運動の原子構造解析に基づく解明

「アクチントレッドミリングによる細胞運動の原子構造に基づく解明」を目的として、細胞性粘菌(D. discoideum)のアクチンおよび変異体アクチンの結晶構造をほぼ2オングストロームの分解能で解いた。結晶作成の際には、結晶化の過程でのアクチン重合を防ぐため、ゲルゾリン・セグメント1をアクチンと等モルを加えた。トレッドミリングにはアクチンの重合反応が必須であるが、チロシン143をフェニルアラニン、イソロイシン、トリプトファンに変異させると、いずれの場合も、NaClによる重合の程度が低下した。またこれらの変異アクチンを発現させるプラスミッドを導入した細胞性粘菌では飢餓誘導性細胞分化が障害された。イソロイシン変異アクチンはミオシンのATP加水分解を活性化できなくなり、トリプトファン変異アクチンは野生型よりも活性化した。フェニルアラニン変異アクチンではあまり変化は認められなかった。そこで、アクチンの疎水的クレフトの入り口にあるチロシン143は、ミオシンのATP分解反応の律速過程である弱い相互作用に関与していることが示唆された。上記の3種類の変異アクチンの結晶構造のなかで、トリプトファン変異アクチンでは、変異箇所から離れたカルボキシル末端領域(COOH末端領域)に構造変化が起きていることが分かった。COOH末端領域とチロシン143の中間領域では特に変化は認められなかった。この事は、アクチンの元来の性質としてCOOH末端領域に多形性があることを示唆している。細胞性粘菌アクチンの公表されている結晶構造でも、同様な構造変化が起きていることが分かり、更にアクチンのCOOH末端領域が多形性を示す可能性が高まった。これまでに私達はアクチンのATP結合部位には水素結合で結ばれた水分子のネットワークがあることを示してきたが、この水分子とCOOH末端の多形性の関係についても、調べてゆきたい。26年度が最終年度であるため、記入しない。私達はアクチンフィラメントの高分解能クライオ電顕像から三次元構造を解き、原子モデルを構築し、重合によるATP分解促進、リン酸放出遅延の理由、リン酸のフィラメント安定化効果、Mg2+の重合促進効果を説明するアクチン重合機構を提唱した(Murakami et al. Cell, 143, 275-287, 2010)。運動マシナリーとしてのアクチントレッドミリング機構を原子レベルで明らかにすることを目的とし、変異アクチン発現プラスミドを導入した細胞性粘菌の細胞運動・細胞分化を解析してきた。アクチンの機能性変異体を探索するために、飢餓誘導性の細胞分化のミクロ検定法の発展させた。無栄養寒天培地に10万細胞/mLの濃度の細胞を5マイクロリットルを滴下し、その後に形成されるマウンドの数、大きさを野生型と平行して観察する。疎水性へリックスに導入した変異では小さなマウンドが多数できることが分かった。蛍光法による微量でのアクチン重合能の測定法を確立させた。これまでアクチンの重合能は超遠心法によって行ってきたが、大量のタンパク質が得られない場合に備え、50マイクロリットルの試料で蛍光測定で検定出来た。励起光によるダメージ最小化するためタイムラプス測定し、時間経過も追えるようになった。疎水クレフトの入り口にあって重合性を変化させるチロシン143をフェニルアラニン、イソロイシン、またはトリプトファンに変異させたアクチンの高分解能構造解析を進めている。また疎水性へリックスに変異を入れたアクチンの結晶化にも成功し、構造解析が進行中である。細胞に60-100 MPaの高圧をかけると、細胞が一旦丸くなるが、1気圧(0.1 MPa)に戻すと、細胞骨格が回復し始め、仮足や収縮胞の動きも復活していく(西山研(京大)との共同研究)。この過程はアクチン変異体を発現するプラスミドの存在下では異なることも分かった。

細胞性粘菌アクチンの公表されている結晶構造でも、同様な構造変化が起きていることが分かり、更にアクチンのCOOH末端領域が多形性を示す可能性が高まった。これまでに私達はアクチンのATP結合部位には水素結合で結ばれた水分子のネットワークがあることを示してきたが、この水分子とCOOH末端の多形性の関係についても、調べてゆきたい。26年度が最終年度であるため、記入しない。変異体の選別法としての、(1)飢餓誘導性分化過程の観察法、(2)蛍光法による重合過程の観察法の確立に成功し、アクチンのDNaseIループ(Dループ)の機能的変異体、疎水性へリックスの機能的変異体を得られた。後者の変異体では細胞移動速度が低下しており、ミオシンとの相互作用部位が変化していることが予想される。4種類の変異体アクチンの結晶解析が高分解能で進行しており(1.8 A --- 2.0 A分解能)、多数の水分子も同定出来ている。粘菌細胞に60-100 MPaの高圧をかけると、アクチンフィラメントや微小管が崩壊して細胞骨格として機能しなくなり、細胞は丸くなる。1気圧(0.1 MPa)に戻すと、細胞骨格が回復し始める(西山研(京大)との共同研究)。この過程ではアクチンは再重合が可能であり、仮足を再び伸ばし始める。この過程はアクチン変異体を発現するプラスミドの存在下では異なることが分かった。チロシン143をイソロイシンに変異させたアクチンを発現させるプラスミドを粘菌に導入すると、細胞膜が脆弱となり風船のような膨大部が現れ、細胞は破裂する。またチロシン143をフェニルアラニンに変異させたプラスミドを導入した粘菌細胞は、加圧によって丸くなった細胞がその後、細長い髭状の突起を多数出すことも分かり、GFP融合アクチンを発現させるとこの髭が良く光ることから、突起の主な構成要素はアクチンであることが分かった。細胞性粘菌は低浸透圧溶液で生育するので、浸透圧により侵入してくる水を排除するための機構として収縮胞をもっている。この収縮胞は加圧によって観察しにくくなり、1気圧に戻した場合に徐々に回復してくる。この収縮胞の回復過程も変異アクチン発現プラスミッドの導入により、影響を受けることが分かった。収縮胞の周りには蛍光アクチンは観察されないので、その影響は間接的であることが分かった。これらの方法を使って更に新しいアクチン機能変異体を探索する。4種類の変異体アクチンの結晶解析が高分解能で進行しており(1.8 A --- 2.0 A分解能)、その進行に対応した野生型アクチンの高分解能解析を行い、詳しい比較を行えるようにする。粘菌細胞に60-100 MPaの高圧をかけると、アクチンフィラメントや微小管が崩壊して細胞骨格としての機能しなくなり、細胞は丸くなる。1気圧(0.1 MPa)に戻すと、細胞骨格が回復し始める(西山研(京大)との共同研究)ことが分かったので、細胞観察にも力を注ぐ。
家蚕の保存系統に関する遺伝子資源学的研究

栄養生長から生殖生長への転換期に致死するlーliとXanとが1連関未知群の代表遺伝子Ymと共に第27連関群を構成することを見出した。この新連関群の発見により家蚕における連関未知染色体は1群を残すのみとなった。また多数の新変異体を発見して遺伝分析を行ったが、減数分裂と受精過程の異常であるmot(2)、生殖巣発育不全のgon(18)とgap(5)、卵巣での蛋白合成機能は正常で体液蛋白質の取込み能が異常なvit(20)、吐糸営繭行動変異のcru(25)とSan(20)、成虫寿命が短いeph(25)、他染色体上の遺伝子変化を誘起するmuーoal(14)など生命現象の基本に係わる多数の遺伝子の座乗染色体を特定し得たことは特記に値する。蛋白質組成に関しては多型探索と連関分析により卵特異蛋白質Pes(19)、稚蚕特異体液蛋白質Pyl(20)、プロテア-ゼインヒビタ-lctーE(22)の座位を決定した。さらに体節の分化決定に関与するE偽対立遺伝子座の微細構造を調べ6siteからなると推定される結果を得た。フラボノイド色素による緑繭性の遺伝子は極めて複雑で数個の遺伝子が関係すると推定されるに留まっていたが、第6,7,9,20染色体の遺伝子とそれぞれに介在する条件因子(座乗染色体未確認)により発現させることを確めた。一方、標識形質の分離異常から染色体異常の介在を推定した変異体の染色体観察を行い、いずれも染色体数が減少し代償的に巨大染色体を持つT(6;7)E^<Ds>,T(6;20)E^<Np>,T(23;25)NdのRobertson型付着であることを明らかにした。これらについては大規模な交叉実験と組換型の後代検定により関係染色体の付着様式を解明すると共に、近縁種Bombyx mandarinaの染色体数にみられる地域型間での変異の機構を説明する基礎を得た。家蚕を代替実験動物として用いる体系開発の試みでは、疾患モデルとなり得る多くの突然変異を得たが、催奇性検定系としては卵浸漬基が化合物の種類によって有効な場合があることを確認したにとどまった。幼虫最終齢期に突如として致死する変異体を発見し、1ーuiと仮称して連関検索を行った。その結果、1ーuiは第23連関群を除く既知26群の全てと独立で、これも連関未知の仮称Xan遺伝子と連関関係にあることを認めた。両遺伝子が未発見の新連関群を構成するものか、第23連関群に所属するものかは来年度に決定する。新突然変異の内、特記すべきは石亀蛹(gap)である。本変異体は翅が完全に欠如するほか、雌雄何れにおいても生殖巣が発達せず退化してしまう特徴を有しており、ヒトの遺伝的疾患モデルとして利用されるであろう。

また、卵特異蛋白質ESPの系統間多型を調査し、連関検索を行い本蛋白質遺伝子Pesは第19連関群に所属することを見出した。行動変異としては吐糸営繭時の運動、習性に着目し、複数の個体が集まって巨大な1個の繭を作る多蚕繭の営繭習性の遺伝子分析を行い、優性遺伝子の関与を認め、Peasecodと命名して連関検索中である。染色体付着T(23;25)Ndヘテロを用いて細胞遺伝学的観察を行い、関与する2染色体を特定することに成功した。また、この材料を基礎として染色体数2n=54の個体を育成し、カイコの近縁種クワコBombyx mandarinaにみられる染色体数の地理的分化を説明する基礎を得た。また、従来第6連関群所属とされてきた二星紋E^<Ds>と第7連関群のqとの間で異常分離を観察し、遺伝分析を行ったところE^<Ds>はT(6;7)E^<Ds>付着染色体をもつことが判明した。そこでさらに染色体構成を調べた結果、ヘテロ個体の生殖細胞には通常の染色体数n=28のもののほかn=27の細胞があり、後者には特異的な巨大染色体がみられた。卵浸漬法により数種化合物のカイコに及ぼす生物効果を調査し、催奇形性の簡便な一次検定系として有効な場合があることを認めた。栄養生長からの生殖生長への転換期である幼虫最終齢中期に突如として致死する新変異体lethal lastーinstar larva(lーli)がこれも連関未知の新しい黄体色突然変異Xanと連関することを認めた。Xanは連関未知群の1代表遺伝子Ymと第24連関群を除く既知26群の全てに対して独立であり、本群が新連関群を構成するものか否かは来年度に決定する。第19連関群に所属する卵特異蛋白質ESPの構造遺伝子PesについてGl及びnbを基準に用い3点実験を行い、現在までに雌蛾777頭の産下卵のESP型の分離からPes遺伝子座は0.0位とされてきたGl座の左方18.9であるとの結果を得ている。また第2連関群のoal座に関し体細胞において正常遺伝子を油蚕性に転化せしめるmuーoal遺伝子の座位を第13連関群40.4と決定した。さらにフラボノイド色素による緑繭性に関して、大造及び笹の両品種では第6,7,20、朝鮮緑繭種では第6,9連関群に属する複数の遺伝子が関与することを確認した。しかし何れもその他に12個の条件因子が介在しているので多標識遺伝子系統を作成し分析中である。生殖巣の発育不全はヒトの重要な遺伝疾患であるがそのモデル動物となる新突然変異、gap及びgonの連関検索を行い、それぞれ第5、第18連関群に所属することを確認して三重劣性系統を育成中である。一方、T(23;25)Nd,T(6;7)E^<Ds>に続いてE^<Np>もn=27と染色体数を減じ巨大な付着染色体をもつT(6;20)E^<Np>であることを見出した。何れも自然突然変異であり、カイコでは予想以上に染色体突然変異の頻度が高いようである。T(6;7)E^<Ds>付着染色体と自由染色体との交叉実験による組換型の後代検定を行ったが、付着染色体を保有するものはすべてE^<DS>でT(6;7)+は得られなかった。卵浸漬法は催奇性の簡便な一次検定系として有効な場合があることを確認したが、近年催奇性が疑われているNaーフェノバルビタ-ルほか数種薬品については催奇性を検出することはできなかった。新突然変異,終齢致死lーliと優性黄体色Xanが既知の26連関群の全てと独立であり,関連未知の1染色体を代表するとされてきた黄起Ymと連関関係にあることを確認した。3点実験を行うには至り得なかったが,lーliーXan間の組換価は34.04%であった。この第27関連群の発見により家蚕における連関未知群は1染色体を残すのみとなった。
ヒト細胞核内で自律増殖するヒトパルヴォウイルスベクターの作製と染色体治療への応用

パルヴォウイルスのパリンドローム構造は、完全鎖長の状態では不安定であるためcDNAクローンからサブクローニングすることが困難であった。そこで、パリンドローム構造領域のみをオリゴヌクレオチドから合成することにした。ヒト・パルヴォウイルスB19ゲノムのパリンドローム構造およびその周辺の塩基配列を基にして20個のオリゴヌクレオチドを合成し、5'末端および3'末端パリンドローム構造とマルチクローニングサイトを持つDNA断片を調製した。このDNA断片をM13ファージ複製開始点を持つプラスミドに挿入した。構築したプラスミドは、M13ヘルパーファージを使って単鎖DNAにし、5'末端および3'末端部分に結合する合成オリゴヌクレオチドをハイブリダイズさせて制限酵素MscIで切断した場合に、細胞内で自律増殖可能と考えられるパルヴォウイルスゲノム様の単鎖DNA断片が分離できるように設計した。パリンドローム構造は不安定であるため構築したプラスミドの宿主大腸菌には突然変異が起こりにくいSURE-2株を用いた。実際にパルヴォウイルスベクターをヒト培養細胞へ導入する場合、DNA断片の複製効率や安定性などの点から単鎖DNAが良いか二本鎖DNAが良いかの問題がある。この問題を解決する目的で構築したプラスミドにSV40プロモーターにより発現可能なホタル・ルシフェラーゼ遺伝子を挿入した。現在、このプラスミドとHeLa細胞を使って、ヒト培養細胞への導入効率と細胞内での自律増殖能および安定性の解析を行なっている。
葉緑体から核への情報伝達系の分子機構の解析

光合成細胞における光合成系の構築と維持は、核とオルガネラの両ゲノムにより協調的に制御されることが明らかにされつつある。この機構を理解するためには、核による葉緑体遺伝子の発現制御機構の解析に加え、その実体がいまだ明らかではない葉緑体から核への情報伝達系についても解明していく必要がある。今年度は、緑藻クラミドモナスを用い、葉緑体ゲノム上のrbcLと核ゲノム上のrbcSのクロストークをモデル系とした解析を行い、さらに、葉緑体遺伝子のon-off制御系を確立することを目的とした。1.クラミドモナスrbcLの構造遺伝子部分のみを異種生物由来のrbcLと置換した形質転換体、およびrbcL破壊株を用いて、rbcLmRNA量、rbcSmRNA量、およびRuBisCO活性の定量を行った結果、rbcLmRNA蓄積量とrbcSmRNA蓄積量が逆相関するという結果を得た。2.葉緑体内でrbcLmRNA量を増加させるために、内在性のrbcLに加えて新たにrbcL遺伝子を葉緑体ゲノムの別の場所にも導入した。合成されたmRNAを内在性のrbcL由来のものと区別するために、導入rbcLには3'非翻訳領域に200bpの配列を付加した。現在、形質転換された葉緑体ゲノムのhomoplasmicityを確認中である。3.葉緑体遺伝子のon-off発現制御システム(IPTG誘導性リプレッサー/オペレーター制御系)の構築を目指して、クラミドモナス葉緑体ゲノムに大腸菌由来のリプレッサータンパク質遺伝子(lacI)を導入した。リプレッサータンパク質の蓄積をwestern解析により確認した。また、この形質転換体の増殖は野生株と変わらないことから、蓄積したリプレッサータンパク質の細胞への影響は少ないと考えられ、以後のon-off発現制御系の宿主として用いることが可能と考えられる。
スフィア形成がん細胞の抗腫瘍免疫回避機構の解明

本研究ではスフィア形成DU145のNK細胞攻撃回避に関わる遺伝子を同定し、その遺伝子がどのように制御されているかを検討した。スフィア形成DU145はNANOGを高発現していたことから、NANOG過剰発現DU145を樹立した。NANOG過剰発現DU145はICAM1の発現を低下させることでNK細胞からの攻撃を回避していることが明らかとなった。更に、スフィア形成DU145に見られるNK細胞攻撃回避機構はICAM1過剰発現によって消失した。したがって、スフィア形成DU145はNANOG高発現によってICAM1発現低下を誘導し、NK細胞からの攻撃を回避していることを明らかとした。前立腺癌細胞株(DU145、PC3)にGFP、またはGFP-NANOG (GN)を恒常的に過剰発現させた組換え細胞株(GFP-DU145、GN-DU145、GFP-PC3、GN-PC3)を樹立した。各過剰発現細胞株の増殖速度はそれぞれの親株と同じであった。各過剰発現細胞株、及びそれぞれの親株をNK様細胞(MTA)と共培養し、48時間後の各細胞の生存率を検討した。その結果、DU145、PC3共に、親株及びGFP過剰発現細胞株と比較してGN過剰発現細胞株は高い生存率を示した。さらに、NK細胞中和抗体(抗アシアロGM1抗体)または非特異的抗体を投与したSCIDマウスの背部皮下に接着培養GFP-、及びGN-DU145を移植すると、非特異的抗体投与群においてGFP-DU145は腫瘍を形成できなかったのに対し、GN-DU145は100%の腫瘍形成能を示した。一方、NK細胞中和抗体投与群においてはGFP-、GN-DU145共に100%の確率で腫瘍を形成した。これらの結果より、NANOG過剰発現DU145はスフィア形成と同様にNK細胞攻撃回避能を示すことが示唆された。WT-、GFP-、GN-DU145におけるNK細胞抑制因子とNK細胞活性化因子の遺伝子発現を定量PCR法で検討した結果、GN-DU145で特異的にICAM1の発現が低下していることを明らかとした。更に、タンパク質レベルでもGN-DU145におけるICAM1の発現低下が確認されたことから、現在は前立腺癌のNK細胞攻撃回避機構におけるICAM1の関与を検討している。当初、本研究ではスフィア形成DU145からNK細胞攻撃回避に関わる遺伝子を同定する予定であった。しかし、スフィア形成DU145を大量に作製するのは非常に困難であった。また、スフィアを形成したがん細胞は全細胞が単一の表現型を有するのではなく、雑多な細胞集団の集まりであることから、NK細胞攻撃回避機構を有する細胞はスフィア形成細胞の一部の集団であることが予想される。従って、スフィア形成DU145から候補遺伝子を見つけ出すことが困難である。しかし、GFP-NANOG過剰発現DU145 (GN-DU145)がスフィア形成時と同様のNK細胞攻撃回避能を示したことから、GN-DU145を使用することでNK細胞攻撃回避機構を明らかにすることができる。GN-DU145は従来の接着培養によってもNK細胞攻撃回避能を維持しており、すでに単一のクローンとして樹立していることから大量培養が可能である。当初の研究計画とは異なるが、更に迅速に本研究を遂行するためのツールを作製できた。また、NK細胞攻撃回避に関わる候補遺伝子としてICAM1を見い出しており、本研究はおおむね順調に進んでいると考えらる。前立腺癌のNK細胞攻撃回避機構におけるICAM1の関与を検討した。WT、GFP、GN-DU145及び-PC3をNK様細胞(MTA)と共培養し、同時に抗ICAM1抗体、または非特異的抗体を培地に投与した。その結果、DU145、PC3のどちらの細胞株においても、WT、GFP群において抗ICAM1抗体投与によって生存率が増加した。しかし、GN群においては生存率の変化はなかった。次に、ICAM1過剰発現GN-DU145(ICAM1/GN-DU145)を作製し、MTと共培養すると、GN-DU145と比較して生存率は著しく減少した。さらに、NK細胞中和SCIDマウス、及びその対照群の背部皮内にGN-DU145及びICAM1/GN-DU145を移植すると、NK細胞中和群ではどちらの細胞も腫瘍を形成するが、対照群ではICAM1/GN-DU145は腫瘍を形成できなかった。これらの結果から、GN-DU145のNK細胞攻撃回避にはICAM1発現低下が重要であることが示された。次に、スフィア形成DU145が同様の機構によってNK細胞攻撃を回避するのかを検討した。スフィア形成DU145のICAM1低発現細胞分画は高発現細胞分画と比較してNANOG発現量は増加していた。更に、ICAM1過剰発現DU145(ICAM1-DU145)を作製し、WT-及びICAM1-DU145のスフィア形成細胞(SP-WT-、SP-ICAM1-DU145)を作製した。各スフィア形成DU145 NK細胞中和SCIDマウス、及びその対照群の背部皮内に移植すると、NK細胞中和群においてはどちらの細胞も腫瘍を形成した。しかし、対照群においてはSP-ICAM1-DU145は腫瘍形成能を示さなかった。以上より、スフィア形成DU145はNANOG高発現によってICAM1発現低下を誘導し、NK細胞からの攻撃を回避していると考えられる。

本研究ではスフィア形成DU145のNK細胞攻撃回避に関わる遺伝子を同定し、その遺伝子がどのように制御されているかを検討した。スフィア形成DU145はNANOGを高発現していたことから、NANOG過剰発現DU145を樹立した。NANOG過剰発現DU145はICAM1の発現を低下させることでNK細胞からの攻撃を回避していることが明らかとなった。更に、スフィア形成DU145に見られるNK細胞攻撃回避機構はICAM1過剰発現によって消失した。したがって、スフィア形成DU145はNANOG高発現によってICAM1発現低下を誘導し、NK細胞からの攻撃を回避していることを明らかとした。GFP-NANOG過剰発現DU145 (GN-DU145)のNK細胞攻撃回避に関わる候補遺伝子としてICAM1が見出されたことから、実際にICAM1が関与しているのかを検討する。具体的には、野生型DU145 (WT-DU145)やGFP強制発現DU145 (GFP-DU145)とNK様細胞(MTA)の共培養時にICAM1中和抗体を投与することで、MTAによる攻撃を回避できるかを検討する。また、GN-DU145のICAM1をCRISPR Cas9システムを利用することで欠損させたICAM1KO-GN-DU145をSCIDマウスに移植し、NK細胞攻撃を回避するかどうかを検討する。また、ICAM1以外の候補遺伝子を検討するために、WT-、GFP-、及びGN-DU145の遺伝子発現パターンを高速シークエンサーを用いて網羅的に解析する。それによって得られた候補遺伝子に関しては研究計画通りにNK細胞攻撃回避に関わるのかを検討する。腫瘍免疫
ガラス化における揺らぎの相関構造の発現メカニズムとその輸送異常に果たす役割の解明

本実績報告書執筆時点で論文として投稿済みの内容について詳述する。ガラス形成物質は経験的に“strong"と“fragile"の2種類に大別されることが認識されてきた。strong液体では粘性係数(≒構造緩和時間)はアレニウス的な温度依存性を示すのに対し、fragile液体では、非アレニウス的であり、より急峻な粘性係数の増大を示す。これまでfragile液体はstrong液体に比べて、その粒子運動がより協同的であることが示唆されてきたが、この分類の背後にある決定的な物理描像の違いは、これまで明らかにされていなかった。今年度の研究において、研究代表者は縦流体緩和モードの系統的解析により、これらの動的クラスの分類を理解する鍵となる特性の違いを見出した。ガラス化を研究する際に重要になる空間スケールにおいて、strong液体の密度緩和ダイナミクスは非保存的に振る舞う一方で、fragile液体においては保存的(拡散的)に振る舞うことを見出した。この縦流体緩和モードに見られる決定的な差異は、それぞれのクラスにおける緩和の素過程の違いに直接的に由来している:後者では密度ゆらぎ(=縦モード)の緩和に対して、その再隣接粒子間の交換プロセス(=局所的な密度保存)が必須であるのに対し、前者の場合には、そのようなプロセスを必要とせず、非協同的に(かつ比較的自由に)その緩和が進行する。さらに、fragile液体では、その過冷却状態において密度の交換プロセスが協同的に発生するが(協同拡散)、この傾向は過冷却度の増大に伴い、より顕著になる。このガラス研究とは、種々の粒子分散系における流体力学的相互作用の役割について研究を行った。特にコロイド分散系のゲル化に与える流体力学的相互作用の効果について、スーパーコンピュータを用いた大規模シミュレーションと実験との比較検討を行い、凝集初期における流体効果による(ゲル構造形成の核となる)異方的構造の形成促進を定量的に明らかにした。27年度が最終年度であるため、記入しない。過冷却液体の輸送特性と空間相関・構造の関係性を理解する手段としてのマイクロレオロジー的アプローチについて分子動力学シミュレーションにより詳細に検討した:マイクロレオロジーは特にマクロなレオロジー測定では到達できない「顕著な内部構造、内部自由度を反映した局所的な粘弾性測定」が可能であることが利点として挙げられる。そこでは、一般化されたストークス=アインシュタイン(SE)則の成立が暗黙裡に仮定される。しかし、この一般化されたSE則に現れる複素弾性率が真にバルクの局所測定を反映した物理量であるか否かは、本来、自明ではない。結論から言えば、過冷却液体に試験粒子を導入することにより、試験粒子の境界付近のダイナミクスは大きく変調する。そのため、試験粒子の運動はバルクの空間相関・構造より、むしろ境界付近のダイナミクス異常をより強く反映する。我々は系統的な数値実験的アプローチにより、以下の結果を見出した。(i)単純液体では、試験粒子の運動は、通常のSE則によって、よく記述される。他方、過冷却液体では、拡散係数がSE則で予測される数値よりも格段に小さく、その値は粒子サイズに依存する。これは、試験粒子の周りに形成される「遅い層」に起因する。この効果は、高温の単純液体状態では観測されない。(ii)この試験粒子周辺のダイナミクスの変調は顕著な有限サイズ効果を引き起こす:高温の単純液体の場合には、重要な長さスケールがシステムサイズと粒子サイズの二つであることを反映して、拡散係数はそれらの比によってよくスケールされる。これは、通常のNavier-Stokes方程式の枠組みで記述される有限サイズ効果として、よく知られている。ところが、過冷却液体では試験粒子により導入される新たな長さスケール(=遅い層の厚さ)を反映して、このようなスケーリング関係は成立しない。

特にコロイド分散系のゲル化に与える流体力学的相互作用の効果について、スーパーコンピュータを用いた大規模シミュレーションと実験との比較検討を行い、凝集初期における流体効果による(ゲル構造形成の核となる)異方的構造の形成促進を定量的に明らかにした。平成26年度を通じて継続的に取得した膨大なシミュレーションにより、ガラス物質の緩和メカニズムについて、これまで見いだされていなかった重要な知見を得ることができた。成果報告、研究発表についてスピード感を多少、スピード感を持って取り組むことを心がけたい。27年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの一連の研究では流体輸送そのものが有する時空階層性を明らかにしたが、この成果は従来の動的不均一性の研究と相補的であったと考えている。従来の4点相関関数法などの手法では、不均一性や空間相関と輸送異常との関係についての曖昧さが排除できなかったが、流体輸送の空間相関に直接的にアクセスすることで、これを回避できる。平成26年度を通じて得たシミュレーションデータの系統的な解析を行った結果、緩和メカニズムについて重要な知見を得ることができたので、27年度はこれらの結果に基づいた成果報告を予定している。