hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生体代謝ガス成分の光イメージング法の確立と疾患スクリーニングへの展開

本研究の目的は、皮膚表面から放出される生体由来ガスに含まれる揮発性化学情報の高感度かつ選択的なイメージングシステムの構築を目指している。体内の代謝に伴い呼気や皮膚ガスとして放出されるガス成分はその濃度が空間的・時間的に大きく変動する。その濃度変化や放出分布をリアルタイムで画像化することで、発生部位の特定や濃度の連続測定が可能な、新規な非侵襲計測・診断法となり得ると考えられる。代謝産物である肝臓にて代謝されるエタノールなどの揮発成分を含む呼気や皮膚ガスを、光イメージングにより情報化が可能な計測システムを構築し、非侵襲的かつ簡便で新しい疾患・代謝のスクリーニングへの応用を目指した研究である。平成30年度はこれまで構築した要素技術を集積化して、代謝由来の生体ガスのバイオイメージングシステムの構築を行った。測定の対象成分としては、肝臓の代謝機能評価のための皮膚ガス中に含まれるエタノールガスの放出動態を評価した。倫理承認に基づき生体サンプルとして呼気や皮膚ガスを用いてイメージングの評価を行った。アルコール脱水素酵素2型(ALDH2)の活性型(+)と非活性型(-)の被験者を用いて、代謝に基づく皮膚ガス中のエタノール濃度の変化について経時変化を計測した。皮膚ガス計測に関して連続的なppbレベルの低濃度の皮膚ガス成分を連続計測することが可能なシステムを構築し、これまで得られた成果をまとめ、Analytical Chemistry誌、Biosensors and Bioelectronics誌、ACS Sensors誌などの論文誌にて発表した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、皮膚表面から放出される生体由来ガスに含まれる揮発性化学情報の高感度かつ選択的な画像化(イメージング)を実現することである。その濃度変化や放出分布をリアルタイムで画像化し、空間的・時間的情報を兼ね備えた生体ガス情報のイメージングが可能となれば、発生部位の特定や濃度の連続測定が可能な、新規な非侵襲計測・診断法となり得ると考えられる。平成27年度は化学発光とNADHの蛍光を用いた生体代謝ガス成分イメージングシステムの構築を行った。生体由来のガス成分の光イメージング方法として、生体触媒を利用した化学発光によるイメージングとNAD+(NAD酸化型)とNADH(NAD還元型)の補酵素を利用した蛍光によるイメージングによる生体代謝ガス可視化システムの構築を行った。平成27年度導入したSPM装置にて酵素固定化について検討を行った。可視化システムを用いることで生体由来のガス成分の可視化計測の可能性が示された。研究の状況としては、生体ガスの可視化計測も可能となったことから概ね順調に進展しており、可視化システムの高機能化と生体計測に向けた研究を進めていきたいと考えている。まず、化学発光に必要な酵素を、酵素固定化膜を作製し、その化学発光を高感度に撮影するCCDカメラにて匂い情報を可視化するシステムを構築した。可視化するためのモデル成分として比較的取り扱いの容易なエタノールガスを用いた可視化システムの構築を行った。化学発光に寄与する二種類の酵素をメッシュ担体上に包括固定しルミノール溶液に湿潤させた後暗箱内に設置し、アルコール酸化酵素(AOD)はエタノールを酸化触媒する際に、過酸化水素を生成し、西洋ワサビ由来ペルオキシダーゼ(HRP)の触媒によりルミノールと反応を生じ、その発光をCCDカメラによって撮影した。ガス成分の酵素固定化膜への拡散、発光に導くための試薬濃度、pHなどの最適化を行ったところ、皮膚ガス計測が可能な高感度化が可能であった。NADHの蛍光を用いたエタノールガスの蛍光イメージングシステムの構築を行った。アルコール脱水素酵素(ADH)をグルタルアルデヒド溶液にて表面処理したメッシュ状の担体に塗布し、酵素固定化を行った。その後NAD+溶液に浸漬させ暗箱内に設置した。エタノールガスを酵素固定化担体に負荷し、生じた蛍光を高感度カメラにて撮影した。励起光源にはUV-LEDをアレイ上に配列したモジュールを用いて評価を行った。光源として中心波長340nmの9×9アレイを作製し、酵素固定化担体に照射する際の紫外線強度分布が均一になるようLED集光レンズと間隔について評価を行い、紫外線強度分布を均一化することが可能であった。本研究の目的は、皮膚表面から放出される生体由来ガスに含まれる揮発性化学情報の高感度かつ選択的な画像化(イメージング)の実現を目指している。本申請課題は、代謝産物である糖尿病由来のアセトンや肝臓にて代謝されるエタノールなどの揮発成分を含む呼気や皮膚ガスを、光イメージングにより情報化が可能な計測システムを構築し、非侵襲的かつ簡便で新しい疾患のスクリーニングへの応用を目指した研究である。

平成28年度は飲酒後の生体から放出される、エタノールガスについて、呼気成分の可視化計測、さらに皮膚ガス中のエタノールガスの可視化計測について取り組んだ。ガス成分のイメージングのため、酵素固定化膜の材料の選定と固定化材料について検討を行った。標準ガス発生装置を用いて、エタノールガスの評価を行ったところ、0.1200 ppmの定量性が確認され、従来の可視化法と比較して、10倍以上の高感度化を実現した。構築したシステムを用いて、生体から放出されるガス成分の計測として皮膚ガスに着目し、アルコール摂取後の皮膚ガス中のエタノールガスのイメージングを行った。代謝に伴い、皮膚ガス中のエタノール濃度が経時変化していることが確認された。さらに、イメージングにより詳細な皮膚ガス中のエタノールの濃度分布を計測することが可能であった。今後、更なる高感度化を進め、詳細な皮膚ガスの計測方法としての技術の確立を目指す。平成28年度は、前年度までに構築したイメージングシステムを用いて、皮膚表面での生体ガス成分イメージングによる放出動態の基礎検討について取り組んだ。皮膚ガス計測では広い皮膚面を対象とすることから、皮膚面と酵素メッシュとの間隔を一定にすることが必要である。そこで、同一形状のセルをドット状に配置したパターンプレートを作製し、それを酵素固定化メッシュにて覆う設計とした。また酵素固定化メッシュには、セルと同様の酵素ドットパターンを形成して皮膚と指を一度に高感度CCDカメラにてイメージングできる面積の酵素パターンを作製した。皮膚ガス計測用の酵素固定化メッシュは、メッシュ担体上にイメージングに必要な酵素をドット形状にて固定化し作製した。倫理委員会の認可に基づき、被験者の皮膚表面から放出されるエタノールガスについて放出動態、濃度分布について評価を行い、疾患イメージングに向けた検討を行った。作製した皮膚ガスイメージング装置を用いて、アルコール摂取に伴う、皮膚ガス中に含まれるエタノールガスの可視化が可能であった。さらに、アルコール摂取後の時間経過にともない、皮膚ガス中に含まれるエタノール濃度が徐々に低下していくことも確認された。アルコール代謝能の異なる被験者を用いて、呼気と皮膚ガス中に含まれるエタノール濃度を可視化システムを用いて評価したところ、アルコール代謝能の高いALDH2(+)の被験者では、皮膚ガス中のエタノール濃度は比較的低く、一方、アルコール代謝能の低いALDH2(-)の被験者では、比較的高い濃度でエタノールガスが観察された。以上のことから、作製したエタノールガス可視化システムにおいて、連続的な皮膚ガスのモニタリングと代謝機能評価も可能となった。今後、イメージングシステムの高感度化を進め、より詳細な皮膚ガスの放出動態を評価していきたいと考えている。本研究の目的は、皮膚表面から放出される生体由来ガスに含まれる揮発性化学情報の高感度かつ選択的な画像化(イメージング)の実現を目指している。体内の代謝に伴い呼気や皮膚ガスとして放出されるガス成分はその濃度が空間的・時間的に大きく変動する。
ライブイメージング技術を用いた哺乳類前後軸形成機構の解析

哺乳類胚の形態形成の最初のステップである前後軸形成は、遠位臓側内胚葉(DVE ; distal visceral endoderm)細胞が一方の近位に移動し、前方臓側内胚葉(AVE ; anterior visceral endoderm)を形成することにより決定される。このDVE細胞が将来の前方へと移動する「推進力」としてカノニカルWntシグナルおよびその拮抗因子であるDkk1が関与することが明らかとなっている。そこで、哺乳類の前後軸形成の分子メカニズムについて、カノニカルWntシグナルおよびDkk1がどのようにDVE細胞の移動を制御するかに焦点を絞り、Wnt8およびDkk1がどのように時間的・空間的にDVE細胞の移動に作用しているかを明らかにするため、DVE細胞とWnt8およびDkk1発現細胞の挙動をライブイメージングにより観察するDVE細胞挙動のライブイメージング解析を行い、DVE細胞の前方への移動制御機構を遺伝子・細胞レベルで明らかにすることを本研究の目的とする。2009年度において、Dkk1発現を蛍光蛋白質でマーキングするため、Dkk1遺伝子座にtdTomato(dsRed)をノックインしたBACトランスジェニックマウスを作製し、マウスラインとして樹立した。また、DVE細胞を標識するCerl-EGFPトランスジェニックマウスを用いて、培地や培養法、蛍光蛋白質を観察するためのレーザーの強度や頻度など、DVE細胞がAVEを形成するまでの動態を経時的に観察するに適したマウス胚の培養条件の設定を行った。
タイの文化政策展開におけるノンフォーマル教育の役割

1.タイの文化政策ならびにノンフォーマル教育の現状と歴史に関する文献資料を収集し、その内容を分析し研究した。2.タイは第7次国家社会経済開発計画(19921996年)において社会開発、教育開発、精神開発と並んで文化開発を重視し、学校、図書館、博物館、マスメディアの発展や各地の寺院を文化センターにする計画を立てていた。1994年より1997年までをタイ文化キャンペーン年に指定し、タイ文化の復興と発展のための運動を展開していることが判明した。特に地方における智恵(バンニャ-トンティン)の開発に力を入れ、地方の伝統文化の担い手を発掘し、それを若い世代に伝えようとしていた。3.文化政策と相まってノンフォーマル教育も重視されている。全国の県に県ノンフォーマル教育センターが設立され、初等・中等教育を受けれなかった人に対する補習教育、青年や成人に対する識字教育や職業教育、農村指導者に対する普通教育などが展開されていた。特に、村田は仏教日曜教育センター、野津は保育所、小野澤はボンドックのノンフォーマル教育機関の組織と活動を調査し、文化政策との関係を究明した。4.これらの研究を通して、タイの文化政策とノンフォーマル教育は強い関連を有すること、タイの文化政策は近代化社会建設に対するタイ的適応の現われであることを明らかにした。5.1995年3月には研究成果を報告書にまとめ発行する。
希土類磁石材料物質におけるパノスコピック微構造制御と磁化反転挙動の相関の研究

本年度の研究実績は2方向に分類できる。第1は、Nd-Fe-B系焼結磁石の磁壁運動と保磁力の相関を、主に結晶粒界の析出相を最終アニール温度の相違で制御した試料群と、平均結晶粒子径を通常よりも微細化した試料群で検討した結果である。これは、とくに保磁力に関連する磁化の温度依存性を測定して、反転核生成温度(TKまたはTDSR)を上記の試料群について測定した研究でいくつかの論文となった(文献リスト参照)。関連研究である磁区構造観察で、結晶粒子集団の磁化反転挙動の観察を始めたことは、このある種の特性温度(TKまたはTDSR)の測定と合い補い合う関係の研究項目である。第2は、Sm-Fe-N系磁石粉体における交流磁化率の測定であり、報告を行うまで今一歩のところまでデータが得られつつあるが、同粉体粒子の磁壁運動の粒子径依存性と、Zn金属との反応による粒子表面の改質の及ぼす影響についてのデータが得られ始めた。次年度から、研究成果を発表していく所存である。この研究では、保磁力の増加と、直流磁化率における磁場変化速度への応答性の現れる、磁壁運動の磁場変化への応答の遅れが、相関性があることが明らかになった。さらに交流磁化率における交流磁場周波数に対する磁壁の運動性の変化も確認されつつある。次年度は、これらを総合して、核生成型磁石における保磁力の、磁壁の運動性への依存、という一見矛盾する現象の本質を明らかにする。本年度は、Nd_2Fe_<14>B系焼結磁石について、その調製時のアニール温度と、焼結体の結晶粒子径を制御した試料群(Dy金属添加物を含まない5種類の試料を調製)の保磁力の変化を磁気特性解析(本グループ独自のステップ法を用いた)を行なった。その結果、第一に焼結体の最終アニール温度が780K近傍である場合と、それよりも200Kほど高温の場合では、保磁力が約50%前者で高い(=12.5k Oe)ことの現象論的な理由を確かめた。すなわち、前者の試料では、結晶粒子群中の単磁区粒子化するためにより高い磁場(工業的な5Tパルス磁場)を必要とする(熱消磁状態における)多磁区粒子の割合が高く、それらの粒子が、ヒステリシス曲線の第2、3象限でも、より高い反対方向の磁場印加がなければ磁化反転しないことが、保磁力の向上に結びつくことが明瞭になった。一方、結晶粒子径を工業的に通常調製できる5-10μmよりも微細化すると、平均粒子径が約3μmの試料では、単磁区粒子として振舞う粒子の体積分率が35%程度まで上昇することで(ちなみに、工業的な試料で最適アニールを施した場合のそれは約22%)保磁力は約16k Oe程度まで向上する。この場合は、着磁磁場が1.7T程度と5Tパルス磁場の場合では、各分類粒子(単磁区粒子、多磁区粒子、着磁されうる多磁区粒子)の体積分率は、それほど大きな変化は示さない。以上から、これまで工業的に注目されてきたアニール温度の最適化とともに、結晶粒子径の微細化も保磁力を向上させる要因として重要であることが明らかになった。さらに、焼結体内部の結晶粒子内の磁区構造を間接的に観察する方法を、カー効果偏光顕微鏡を用いる観察方法で見出したので、その観察と磁気測定における磁化反転挙動を結びつける方向の研究もスタートさせた。
イオン導電性カルコゲナイドガラスにおけるフォトイオニクス現象の微視的機構の解明

イオン導電性ガラスで見られる交流イオン伝導度の振動数に対するベキ依存性は、ガラスが有する中距離構造と密接に関係していることを見出した。この結果は、多くの系で普遍的に見られるベキ指数には中距離でのポテンシャル壁のパターンの情報が含まれるという新しい解釈を与える。カルコゲナイド・アモルファス半導体で観測される光ドープ現象をフラジリティーの観点から考察し、Agのドープ量はGe-Sのフラジリティーが最小値をとる組成で最大となることを見出した。超イオン導電ガラスの非線形光学定数は他のガラス系のものと比べ異常に大きな値を示すことを見出した。その理由を結合論の観点から考察し、Agのd-電子が果たしている役割を明らかにすると共に、以前から主張している結合揺らぎに基づくイオン伝導機構は、光誘起現象においても本質的な役割を果たすことを明らかにした。本研究の目的は、貴金属を含むカルコゲナイドがラスにおけるイオン輸送特性と光機能特性の微視的機構を明らかにすると共に、これらの接点から生み出されるフォトイオにクス現象の可能性とその基礎物性を理解することにある。上記目的を達成すべく行なった本年度の研究実績は次のとなりである。1イオン導電性ガラスで見られる交流イオン伝導度の振動数に対するベキ依存性は、ガラスが有する中距離構造と密接に関係していることを見出した。この結果は、ガラスの化学組成によらず普遍的に観測されるベキ依存性に対し新しい解釈を与える。2液体Ag-Cu-Seを流体力学的なモデルを用いて調べ、音速や拡散の組成依存在性を理論的に予測した。3カルコゲナイドガラスやその他の物質系が示す粘性挙動を以前提案したフラジリティーのモデルに基づいて解析し、結合性とネットワークの連結度に対する知見を得た。光機能性材料の1つであるGe-Sb-Te系についても予備的研究を行なった。4カルコゲナイド・アモルファス半導体で観測される光ドープ現象をフラジリティーの観点から考察した。Agのドープ量はGe-Sのフラジリティーが最小値をとる組成で最大となることを見出した。5超イオン導電ガラスの非線形光定数は他のガラス系のものと比べ異常に大きな値を示すことを見出した。この振舞いを説明する理論的研究を開始した。6上記の研究の基礎となる物質輪送やエネルギー輪送の理論に対する研究を行なった。拡散係数を求める際に必要となる速度相関関数の解析的理論やイオンによる輸送熱のモデルを構築した。本研究の目的は、貴金属を含むカルコゲナイドガラスにおけるイオン輸送特性と光機能特性の微視的機構を明らかにすると共に、これらの接点から生み出されるフォトイオニクス現象の可能性とその基礎物性を理解することにある。本年度の研究実績は次のとおりである。1.イオン導電性ガラスが示す交流イオン伝導度の振動数に対するベキ指数、前指数定数、およびガラスの中距離構造を反映するFirst Sharp Diffraction Peakの間にある関係を見出した。この結果は、ベキ指数には中距離(5-15A程度)でのポテンシャル壁のパターンの情報が含まれるという新しい解釈を与える。2.昨年度見出した超イオン導電ガラスの大きな非線形光学定数の原因を解明すべく研究を行った。結合論的には、共有性とイオン結合性が共存しているとき、3次の電気感受率が大きくなるという予備的な結果を得ている。このことは、数年前に提案した超イオン導電体に対する結合ゆらぎモデルの予想とも合致する。3.Cu_x(As_2Se_3)_<1-x>系において、構造単位間の結合の強さは大きな組成依存性を示すが、配位数とフラジリティーの組成依存性は比較的小さいことを以前提案した過冷却液体の粘性の温度依存性のモデルから見出した。また、粘性流動を起こす際に切断されるボンドの数を見積もり、Cuの濃度の増加と共にネットワークが成長することを示した。この結果は、種々の実験で見出されている貴金属を数%添加したときのカルコゲナイドガラスの異常な振舞いに対し解決の糸口を与える可能性がある。本年度の主な研究実績は次のとおりである。1イオン導電体が融けたとき、どのように振舞うのか。これまでの研究から、AgやCuのハライドやカルコゲナイドは、液体アルカリハライドのような典型的なイオン性液体とは異なる振舞いを示すことが知られている。

本年度の研究では、長年の謎である液体Ag-SとAg-Seで見出されている異常な電子物性の振舞いを説明するモデルを提案した。当モデルによると、化学量論的組成で可動イオン周りの第2近接電子軌道間の相互作用が強くなることで電子移動度が増加し、電子伝導度の組成依存性に異常性が生じる。今後は、これらの性質と光誘起現象との関連性について調べる。2液体Ag-Se系における音速の組成依存性を、流体力学的モデルを用いて調べた。モデルの中に繰り込まれているイオン間相互作用の遮蔽定数の効果を調べることで、力学物性と電子物性との関連性を明らかにする試みを行なった。3昨年度に引き続き、超イオン導電ガラスにおける非線形光学現象に関する研究を行なった。イオン導電ガラスが何故高い屈性率を示しうるのかを結合論の観点から考察し、Agのd-電子が果たしている役割を明らかにした。酸化物ガラスの光学的性質の研究でよく用いられるBoling-Glass-Owyoungの式や、半導体の分野で用いられるSheik-Bahaeの式に基づいて超イオン導電ガラスの光学的性質の解析を行なった。その結果、以前から主張している結合揺らぎに基づくイオン伝導機構は、光誘起現象においても本質的な役割を果たすことが明らかになった。
張力・トルク独立制御型ピンセットの開発による１分子ＤＮＡの高次構造の解明

DNAを引っ張ったり捩じったりすると,歪の蓄積により複雑な構造が出現する。細胞内ではDNAの高次構造が制御されることで,遺伝子発現が制御されている。本研究では,1分子DNAの伸長操作と回転操作を独立に制御できる装置を開発し,従来の方法では観測が困難な低張力領域において,捩じれにともなうDNAの構造変化を観測することに成功した。本研究で得られた結果は,DNAの塩基配列には蛋白質の設計情報だけでなく,高次構造に関する情報もコードされている可能性を示唆している。本研究の目的は,1分子DNAの張力とトルクを独立に制御できる装置を開発し,未知の張力,トルク領域におけるDNAの高次構造を解明することである。平成26年度はおもに装置開発を行い,装置の主要部分となるヘルムホルツ型コイルおよびレーザー光照射部分の光学系を構築した。作成したコイルに交流電流を印加することで,直径3 μmの磁性体ビーズを最大5 Hz程度で回転可能であることを確認した。また,本装置のもう一つの主要部分となるレーザー光照射部分の光学系を構築し,レーザー光の輻射圧を用いて磁性体ビーズに力を加えることが可能であることを確認した。ビーズ像の位置検出精度および力算出時の誤差を見積もった結果,0.3 pNの力を印加した場合0.02 pNの精度で力の変化を測定できることが分かった。なお,ビーズの位置算出における相対誤差は2.8 %であり,末端間距離1 μmのDNAにおいて28 nmの変位を測定可能である。研究当初に予定していた初年度の装置開発はほぼ完了したため,実際にDNA試料を用いてDNAの捩じれ応答(DNAの捩じれ回数とDNA末端間距離の関係)を測定した。その結果,本装置を用いてDNAの張力とトルクを独立に制御可能であることを確認するとともに,高次構造変化に起因した特異な捩じれ応答を測定することに成功した。また,DNAの構造揺らぎがDNA上の微粒子の運動に影響を及ぼすことや,核内のような高濃度DNA溶液中では濃度に依存して微粒子の拡散の仕方が変化することを示唆する知見を得ることにも成功した。これらの結果は,核内におけるDNAの高次構造と遺伝子発現の関係を明らかにするための重要な知見と考えられる。以上の成果に関して,計2回の国際会議発表および計3回の国内学会発表を行った。平成27年度は前年度に開発した装置を用いて,1分子DNAの捩じれ応答(DNAの捩じれ回数とDNA末端間距離の関係)を測定した。捩じれ速度を0.3 Hz,1 Hz,3 Hzと変化させたところ,捩じれ速度が速いほど伸長率の変化量が大きいことから,高速で捩じることで急激な高次構造変化が生じやすくなることがわかった。また,DNAの二重螺旋の向きに対し正方向に捩じった場合と負方向に捩じった場合で,伸長率の変化に明確な履歴が生じる場合があることがわかった。これらの結果は,DNA鎖にトルクが蓄積され超螺旋構造が形成されるまでに特徴的な時間が存在することを示唆しており,1分子DNA上のどの位置に,どのタイミングで高次構造が形成されるのかを知る手がかりになると考えられる。また上述の実験と並行して,DNAの構造揺らぎがDNA上の微粒子の運動に及ぼす影響について調べた結果,微粒子は熱運動による構造揺らぎが最も大きい位置に集まりやすいことを示唆する知見が得られた。さらに,核内のような高濃度DNA溶液中における微粒子の拡散現象について調べた結果,DNA濃度の増加にともない粘性に加え,弾性の寄与が顕著に現れることを見出した。後者の実験では前年度に開発した画像解析手法を利用しており,Review of Scientific Instruments誌にその成果を発表した。平成27年度にコイルの固定方法の改善および電流供給回路の改善を行い,装置開発は完了した。開発した装置を用いて1分子DNAの捩じれ応答を測定した結果,DNAの構造変化のようすが捩じれ速度に依存することが確認できている。これらの成果に加え,DNAの構造揺らぎとDNA上の微粒子の運動との関係に関する知見やDNA溶液中における微粒子の拡散運動に関して新規な知見が得られていることから,当初の計画以上に進展しているといえる。本研究では,1分子DNAの張力とトルクを独立に制御できる装置を開発し,未知の張力,トルク領域におけるDNAの高次構造を解明することを目的として研究を行った。平成26年度は装置の主要部分となるヘルムホルツ型コイルおよびレーザー光照射部分の光学系を構築した。これにより,磁性体ビーズに加える力とトルクの独立制御を実現した。平成27年度は開発した装置を用いて,1分子DNAの捩じれ応答(DNAの捩じれ回数と末端間距離の関係)を測定した。

また,上述の過程で開発したビーズの位置検出技術を応用し,核内のような高濃度DNA溶液中における微粒子の拡散現象について調べた結果,DNA濃度の増加にともない粘性に加え,弾性の寄与が顕著に現れることを見出した。平成28年度は,従来型の磁気ピンセットでは観測が困難である低張力領域の捩じれ応答の観測を行った。その結果,0.1 pN程度の低張力領域まで捩じれ応答を観測することに成功した。生体内でDNAに生じる捩じれに起因した張力は1 pN以下と推測されることから,本装置を用いることで生体内環境と同程度のDNAの構造変化が測定可能となる。さらに,同一DNA試料に対し,複数回の捩じれ応答を測定した結果,同一の回転数で同一の構造変化が生じる箇所が存在することを見出した。この結果は,DNAの塩基配列には蛋白質の設計情報だけでなく,構造変化の情報も蓄積されていることを示唆している。DNAを引っ張ったり捩じったりすると,歪の蓄積により複雑な構造が出現する。細胞内ではDNAの高次構造が制御されることで,遺伝子発現が制御されている。本研究では,1分子DNAの伸長操作と回転操作を独立に制御できる装置を開発し,従来の方法では観測が困難な低張力領域において,捩じれにともなうDNAの構造変化を観測することに成功した。本研究で得られた結果は,DNAの塩基配列には蛋白質の設計情報だけでなく,高次構造に関する情報もコードされている可能性を示唆している。計画時に予定していた初年度の装置開発をほぼ完了し,開発中に直面したビーズの回転判定の問題についても,画像解析プログラムを開発することで克服することができた。開発した装置を用いることで,従来型の磁気ピンセットでは困難であった連続的なDNAの捩じれ応答を測定することにも成功している。以上のことから,当初の計画以上に進展しているといえる。装置開発は完了したため,未知の張力,トルク領域におけるDNAの捩じれ応答の取得を試みる。これまでに得られた結果から,超螺旋構造の形成および崩壊過程には特徴的な時間が存在すると考えられる。このことを明らかにするため,二本鎖DNAの片側に切れ込み(ニック)を入れたDNA試料を用いて実験を行う。通常DNAにニックが存在する場合,トルクが蓄積されないため超螺旋は形成されないが,トルクの緩和時間よりも速い速度で捩じることにより,ニックが存在するDNAに対しても超螺旋が形成されると考えられる。捩じれ速度を系統的に変化させ超螺旋の形成,崩壊過程を観測することにより,これらの過程に特徴的な時間を明らかにする。また上述の実験と並行して,DNA溶液中の微粒子の拡散現象について,平成27年度に得られた知見に基づき,DNA溶液内に生じる弾性の要因を明らかするための測定も継続する。生物物理学開発した装置が十分に機能することが確認できたため,安定かつ効率的な測定を実現するための装置改良を行う。計画時には位置検出精度を10 nm程度まで向上させることを目標としていたが,現状の位置検出精度でも高次構造変化に起因した捩じれ応答を測定できていることから,測定の効率化に重点を置く。具体的には,コイルの固定方法および電流供給回路を変更することで,データ取得効率を向上させる。平成27年度の前半でこれらの改良を終了し,平成27年度後半以降は,未知の張力,トルク領域におけるDNAの捩じれ応答の取得を試みる。特に捩じれ速度と捩じれ応答の関係に着目することで,捩じれに起因したDNAの高次構造変化に特徴的な時間を実験的に明らかにする。
マイクロ燃焼の手法による連鎖分岐反応停止に起因する最低火炎温度の特定

火炎の最低温度を特定し,その決定因子を明らかにするとの目的に対し,メタンおよび冷炎反応を伴う一般的な燃料の代表としてDMEの双方について調べ,最低火炎温度の顕現やそのメカニズム解明とともに,両者の特性の相違について明らかに出来た。通常の燃焼現象では発熱により系の温度が決定し,それに伴い消炎や可燃限界などの現象が現れる。しかし燃焼による発熱反応とは独立に,外部熱源により温度分布を与えるという,独自の温度分布制御型マイクロリアクターによって,通常の熱損失メカニズムによらない消炎現象の特定に成功した。前年までの実験によって見いだされた,メタン空気予混合気による極低速時の低速側限界のメカニズムを数値計算により調べたところ,低流速に起因する物質拡散により活性種の散逸が起こり消炎していることが分かった。さらに経験的にメタンよりも低温でも反応が維持できるとされ,冷炎現象が観察されるDMEへ本手法を適用したところ,多段型の低温酸化反応を定常的に観察できることが明らかとなった。その結果, DMEにおける最低火炎温度,低温領域における冷炎反応や火炎の振る舞いを把握することができた。数値計算により予測された三段反応と,実験による二段反応の相違について,ガス分析により詳細な検討を行った結果,実験では不可視の領域に,冷炎によるホルムアルデヒドの生成を確認でき,最終的に数値計算による三段反応と実験結果との一致が確認できた。以上により,最低火炎温度の概念を詳細に解明できた。すなわち,メタンのように一段の反応が起こる燃料に対し, DMEのように多段酸化反応を示す燃料では,非常に低温の領域から化学反応が開始していることが実験及び数値計算の双方により確認できた。またこれらの知見をベースに,既存の化学反応機構の検証を行えることを初めて示した。通常の燃焼装置では,燃焼熱で燃焼器筐体が熱せられ,また逆にその筐体からの熱によって混合気の予熱(熱再生)や燃焼ガスからの熱損失低下が起こった結果,全体としての燃焼特性が大きく変化してしまう。それに対し本研究では,内部観察が可能な数mm径の石英管内部に可燃性混合気を供給し,外部熱源(電気ヒータやバーナ火炎など)により石英管を加熱する。それにより火炎は,その燃焼速度と混合気流速との関係に基づいて,管内壁表面温度の正勾配中のどこかへ安定化することになる。管の内径が充分に小さく,管内の燃焼による管温度への影響が充分に小さい条件を維持することにより,系の温度はほぼ外部熱源によってのみ決定されるので,熱管理しつつ混合気濃度や流速を独立に変化できる。また管出口を定常的に減圧することで,系の圧力も自由に選択することが出来る。このような装置を用いて燃料種や混合気濃度,混合気の平均流速などのパラメータを変化させ消炎を観察することで,火炎の最低温度の特定が可能になる。このような前提のもと,平成19年度には水素炎バーナによる加熱装置を完成し,メタン空気予混合気による実験を行った。内径2mm管を用いて,減圧による反応停止条件,反応停止までの火炎安定位置の軌跡を調べた。各パラメータによる連鎖分岐反応停止のおおまかな全体像を把握した後,一次元詳細化学反応計算を実施し,連鎖分岐反応停止の特定を目指した実験・計算を進め,消炎メカニズムの検討を行い,低圧時や混合気の極低流速時における最低火炎温度を,数十°Cの誤差範囲で特定できることを示している。この結果をとりまとめ,学術雑誌に提出,査読の結果採択が決定した(次ページ)。
成人T細胞性白血病(ATL)細胞の産生する免疫抑制因子とATLの発症との関係

成人T細胞性白血病(ATL)はHTLV-1が末梢血T細胞由来のCD4抗原陽性細胞を標的細胞として感染し、感染T細胞が腫瘍性増殖をする事により引き起こされる。臨床的特徴の一つとして、著しい免疫不全状態を併発し、重篤な感染症は主要な死因である。今回、ATL患者に於ける免疫不全状態の発現機構に関して検討し、以下の結果を得た。(1)ATL患者血清は正常人末梢血単核球のT細胞マイトゲン誘導増殖反応を抑制した。(2)同様のT細胞増殖反応抑制活性はATL患者及びATL細胞株細胞培養上清にも認められ、この活性は終濃度10^<-2>10^<04>まで存在した事より、ATL細胞がT細胞機能を抑制るす極めて強い抑制因子を産生する事が示唆された。(3)ATL細胞由来免疫抑制因子は、正常人B細胞にも直接作用し、B細胞活性化の初期段階を抑制する事により、抗体産生細胞への分化を阻害した。(4)この免疫抑制因子はマクロファージ(単球)の抗原提示能及びIL1産生能は抑制しなかった。(5)この免疫抑制因子は、CD4抗原陽性T細胞数を減弱させると同時に、T細胞のCD3抗原発現を抑制し、T細胞機能低下との関連性が示唆された。(6)HTLV-1キャリアの末梢血T細胞からは、この抑制因子の産生は認められなかった。(7)この免疫抑制因子は、分子量約50,00070,000PI約4.2の物質で,又、HTLV-1のウイルス構成蛋白ではない事を認めた。現在、分子生物学的手法により、この因子の同定を進めている。以上より、ATL患者に於いては、ATL細胞が免疫抑制因子を産生し、免疫不全状態の併発をもたらすと同時に、免疫不全状態がATL細胞の腫瘍性増殖、更にはHTLV-1感染T細胞の腫瘍化を誘導するという悪循環を生ずる結果になる事が考えられる。一方、この免疫抑制活性は極めて強力であり、因子の同定により、将来的には免疫抑制剤としての臨床的応用も可能であると考えられる。ATL患者における免疫不全の発現機序につきin vitroで検討を行った。2.本抑制物質のSephacryl S-200カラムによる解析によると、その分子量は50,00070,000と考えられた。本物質は酸に対し不安定であるのに対し、塩基,トリプシン,熱処理にては安定であり、凍結,融解を繰り返すも活性は保たれた。3.本物質はT細胞によるインターロイキン2の産生およびインターロイキン2に対するT細胞の増殖反応は抑制したが、単球のHLA-DR抗原出原、またはインターロイキン1の産生には有意の抑制作用を示さなかった。以上の成績より、ATL細胞より何らかの免疫抑制因子が産生され、これがATL患者の免疫不全を惹起し、ひいては易感染性の原因になるものと考えられる。ATL患者における免疫不全の発現機序に関して, ATL細胞よりT細胞の機能を抑制する分子量50,00070,000の免疫抑制因子が産生される事を報告してきた.ATL細胞株細胞培養上清及びATL患者血清又はATL患者細胞培養上清中の免疫抑制活性について更に検討を加えた.

その結果,正常人T細胞のmitogenによる芽球化反応のみならず,体液性免疫の主体をなす正常人B細胞のmitogenによる芽球化反応及びImmunoglobuIin産生能も抑制し得た.B細胞に対する液性因子による抑制は, T細胞を介してのみならず, B細胞の活性化段階における直接作用によるものであった.更にこの反応抑制活性のtitrationを計ったところ,終濃度10^<-2>10^<-4>まで存在し,極めて強い抑制活性を示した.次に,免疫抑制因子と, HTLVー1に感染し,その後ATL発症に至るまでの過程との関連について検討した.まず, HTLVー1carrierの血清中及び培養細胞上清中には, T細胞及びB細胞のmitogenによる芽球化反応に対する免疫抑制因子活性は認められなかった.次に, HTLVー1感染細胞をin vitroで人工的に作製し, HTLVー1感染細胞の培養上清中の免疫抑制因子活性を測定した.しかし,免疫抑制因子活性は認められなかった.以上より, ATL細胞由来免疫抑制因子はT細胞のみならずB細胞にも作用する活性範囲の広い因子であり,その応用性の広さが示唆される.又, HTLVー1の感染細胞からはこのような因子は産生されず, infectionより更にtransformationの段階にある細胞から産生されるのではないかと考えられた.ATL患者における免疫不全の発現機序に関して、ATL細胞より正常T細胞及びB細胞の機能を抑制する分子量50,00070,000の免疫抑制因子が産生される事を報告してきた。この免疫抑制因子の作用機構を解明する事を主目的として、ATL細胞株及びATL患者細胞培養上清中の免疫抑制因子を精製し、正常人末梢血単核球と培養し、細胞表面形質に及ぼす影響について、フローサイトメトリーを用いて検討した。その結果CD3及びCD4抗原陽性細胞数及び蛍光強度を抑制した。この抑制の程度は正常人個体より多様で、しかも、マイトーゲン刺激T細胞の増殖能の抑制の程度と相関を認めた。一方、CD8抗原及びマイトーゲン刺激により誘導したCD25抗原の発現には影響を認めなかった。又、B細胞、単球、NK細胞の細胞表面形質には何ら作用を及ぼさなかった。以上より、この免疫抑制因子は、ヘルパー/インデューサーT細胞(CD4陽性細胞)の表面形質に変化を及ぼすと同時に、T細胞レセプター抗原と複合体を形成するCD3抗原発現をも抑制する事により、T細胞機能低下、ひいては免疫不全を誘導する事が示唆された。次に、この免疫抑制因子の遺伝子レベルでの同定を試みた。まず、大量のATL細胞株培養上清より免疫抑制因子を精製し、マウスに免疫し、抗免疫抑制因子モノクローナル抗体を用いて遺伝子解析を試みてきたが満足な結果は現時点では得られていない。そこでATL細胞株よりpolysome法でmRNAを抽出し、CDNA libraryを作るべく条件設定を行っている段階である。CDNA libraryができればin vitroでRNAを調整し、アフリカツメガエルの卵母細胞に注入し、クローンを絞っていく予定にある。
ミュラー細胞による網膜障害防御機構の解明

ラット網膜に対し、圧負法により虚血再潅流障害を加えた後、ヒートショック蛋白、クリスタリン蛋白の発現状態を網膜のクライオ切片を使い免疫組織学的にスクリーニングした。ここで使用した抗体はクリスタリンAA,AB、BB2、BA1/3、Gである。この中で、陽性反応を得られたものは、クリスタリンAB、BB2である。クリスタリンBB2は再潅流後12時間をピークとして網膜神経節細胞層に高発現し、経時的にクリスタリンBB2は細胞の核内に取り込まれることも明らかになった。一方、クリスタリンABはミュラー細胞内に高発現していた。TUNEL陽性細胞との2重染色を行うと、一部のTUNEL陽性細胞にクリスタリンBB2は発現していた。ウエスタンブロッティングにより蛋白発現量を検討してみると、クリスタリンBB2は再潅流後6時間ごろより発現を開始し、12時間後にピークを迎え、24時間以降はほとんど発現しないことが明らかになった。real-time RT-PCRにより遺伝子の発現を見たところ、障害後12時間後にピークとなるクリスタリンBB2の遺伝子発現を証明できた。以上より、網膜神経細胞のアポトーシスにはクリスタリンBB2が関与し、ミュラー細胞の障害抵抗性にはクリスタリンABが関与すると推察された。更に、クリスタリンBB2特異的siRNAの硝子体投与後虚血再潅流障害を行ったところクリスタリンBB2の発現抑制が可能であった。組織学的には網膜神経細胞死が抑制されていた。ラット網膜に対し、圧負荷法により虚血再潅流障害を加えた後、ヒートショック蛋白、クリスタリン蛋白の発現状態を網膜のクライオ切片を使い免疫組織学的にスクリーニングした。ここで使用した抗体はクリスタリンAA, AB、BB2、BA3/1、GCである。クリスタリンBB2は再潅流後12時間をピークとして網膜神経節細胞層中心に高発現し、時間の経過とともにクリスタリンBB2は網膜神経節細胞の細胞核内に取り込まれることも明らかになった。RT-PCRにより遺伝子の発現を見たところ、クリスタリンBB2の遺伝子発現を証明できた。治療候補となる蛋白はクリスタリンAB, BB2と考えられた。よって次年度は、この2種遺伝子を使い培養系での高発現実験や、siRNAをつかった発現抑制実験を培養系と動物実験系で行う予定である。

ウエスタンブロッティングにより蛋白発現量を検討してみると、クリスタリンBB2は再潅流後6時間ごろより発現を開始し、12時間後にピークを迎え、24時間以降はほとんど発現しないことが明らかになった。real-time RT-PCRにより遺伝子の発現を見たところ、障害後12時間後にピークとなるクリスタリンBB2の遺伝子発現を証明できた。以上より、網膜神経細胞のアポトーシスにはクリスタリンBB2が関与し、ミュラー細胞の障害抵抗性にはクリスタリンABが関与すると推察された。更に、クリスタリンBB2特異的siRNAの硝子体投与後虚血再潅流障害を行ったところクリスタリンBB2の発現抑制が可能であった。組織学的には網膜神経細胞死が抑制されていた。
プロトクロロフィリド還元酵素とニトロゲナーゼ：安定な多重結合還元の共通反応基盤

暗所作動型プロトクロロフィリド(Pchlide)還元酵素(DPOR)は、PchlideのC17=C18二重結合を還元しクロロフィルaの直接の前駆体クロロフィリドを生成する。本反応機構を明らかにするため、プロトン移動を遮断することで反応中間体をトラップし、吸収スペクトルと電子スピン共鳴によって検出することを試みた。その結果、DPORは、電子移動によるPchlideアニオンラジカルの形成と第2の電子移動によるPchlideラジカルの解消によって進行することが判った。DPORはニトロゲナーゼと共通の構造をもちながらニトロゲナーゼとは異なりラジカル形成反応を介して反応を進行させていることがわかった。クロロフィル(Chl)生合成系酵素として初めて暗所作動型プロトクロロフィリド(Pchlide)還元酵素(DPOR)の結晶構造解析が解明され、DPORが窒素固定酵素ニトロゲナーゼと共通した構造的枠組みを有することが明らかにされた。本研究では、この構造情報を基にPchlide還元の反応機構の解明を目指している。DPORにおける触媒コンポーネントNB-タンパク質の立体構造によると、基質であるPchlideのD環C17=C18二重結合へのプロトソ供与体は、各々アスパラギン酸残基(BchB-Asp274)と基質自身のC18位プロピオン酸であると推定される。これらプロトン供与体からのプロトンと還元コンポーネントからの電子がどのように協調して基質に転移され、生成物クロロフィリドへと変換されるのか、その分子機構の解明の第一歩として、アスパラギン酸をアラニンに改変した変異タンパク質BchB-D274Aを調製し、その活性を検討した。BchB-D274Aは、BchNと複合体NB-タンパク質形成を形成するが、通常の反応条件ではPchlide還元活性を示さなかった。しかし、酵素濃度と基質を通常の約10倍で反応させると、興味深いことに、色素の吸収スペクトルの急激な減少が観察された。さらに、この反応溶液の電子スピン共鳴(ESR)解析により、有機ラジカル形成を特徴付けるg値をもつESRスペクトルが検出された。この結果は、DPORがラジカル反応を誘起することで安定な共鳴二重結合を還元していることを示しており、またDPORによるPchlide還元が基質そのものにラジカルが生じるユニークな反応であることを示唆している。今後は、C18位へのプロトン供与体をブロックするためにPchlide基質アナログであるクロロフィルcを用いた解析により、プロトン供与と電子伝達の機序を明らかにしていく予定である。暗所作動型プロトクロロフィリド(Pchlide)還元酵素(DPOR)は、PchlideのC17=C18二重結合を還元し、クロロフィルaの直接の前駆体クロロフィリドaを生成する。基質結合型の結晶構造から、PchlideのC17とC18へのプロトン供与体として各々Pchlide自身のプロピオン酸とBchB-Asp274が予想された。これらプロトン供与体からのプロトン移動をブロックするために、BchB-Asp274をAlaに置換したD274Aとプロピオン酸がアクリル酸に置換された基質アナログであるクロロフィルcを組み合わせ、反応中間体のトラップを試みた。その過程で、特に、基質としてPchlide、酵素としてBchB-D274AをもつNB-タンパク質による反応で大きな吸収スペクトル変化が認められた。今年度は、このスペクトル変化をグローバル解析することにより、反応中間体とそれに対応するスペクトル成分およびD274Aにおける各Stateの時定数を以下のように推定した:Pchlide (State 0) ー>Pchlideアニオンラジカル(State 1; 300 s) ー>Pchlideニュートラルラジカル(State 2; 3138 s) ー>アニオン中間体(State 3; 2913 s) ー>クロロフィリドDPORの反応中間体の追跡と並行して、DPORに対して何らかの作用が推察されるBchJタンパク質の生化学的機能解析を行った。Pchlideには8位置換基がビニル基であるジビニル型(DV-Pchlide)とエチル基であるモノビニル型(MV-Pchlide)が存在するが、BchJ存在下でDPOR反応を行うと、DV-Pchlideに対する触媒作用がより長く持続することがわかった。このようなBchJの作用の生化学的基盤については今後の研究課題となる。暗所作動型プロトクロロフィリド(Pchlide)還元酵素(DPOR)は、クロロフィル生合成系酵素として初めて結晶構造が明らかにされ、立体構造に基づき反応機構を議論することが可能となった。

PchlideのC17とC18へのプロトン供与体として各々Pchlide自身のプロピオン酸とBchB-Asp274が想定された。そこで、これらプロトン供与体からのプロトン移動をブロックすることで、反応中間体検出を試みようとしている。昨年度は変異酵素BchB-D274Aによる中間体としてPchlideラジカル検出に成功した。本年度は、C18へのプロトン移動をブロックする基質アナログとしてクロロフィルc(Chl c)と変異型酵素D274Aを用いて反応を追跡した。その結果、Chl cとD274Aの反応においてg値2.005を示すChl cラジカルを検出した。また、電子伝達阻害剤ニコチンアミド存在下でPchlideとD274Aで反応を行うと、Pchlideラジカルに由来すると思われるg値2.004のシグナルが消失し、同時に吸収スペクトルの701 nmにおける変化(A701)が抑制された。この観測結果を基に、反応機構以下のように推察している。Pchlide->Pchlideアニオンラジカル->Pchlideニュートラルラジカル->アニオン中間体->Chlideまた、DPORと連続で機能するもう一つのニトロゲナーゼ類似酵素クロロフィリドa還元酵素(COR)の再構成系をDPORの再構成系と組み合わせることで、ニトロゲナーゼ類似酵素の連続反応を再構成することに成功した。この再構成系での色素動態を詳細に検討した結果、CORが8位ビニル基をエチル基に還元する8-ビニル還元酵素としての活性をも有することを確認した。ニトロゲナーゼ類似酵素の反応性の広さを示す実験例となった。プロトン供与体となるアスパラギン酸をアラニンに改変した酵素による反応において、吸収スペクトルおよび電子スピン共鳴スペクトルにより有機ラジカルが形成されることを同定することに成功したことで反応機構の解明に向けての大きな一歩を踏み出したと評価できることから。25年度が最終年度であるため、記入しない。想定される2つのプロトン供与体をブロックすることで、反応中間体を吸収スペクトルと電子スピン共鳴で検出することに成功した。特に、基質アナログとしてクロロフィルcの利用は斬新である。また、新たな阻害剤ニコチンアミドを利用した。この利用に先立ち、ニコチンアミドの阻害様式を明らかにし、ニコチンアミドがL-タンパク質からNB-タンパク質への電子伝達を阻害することを確認している。この阻害剤を利用することで、反応中間体同定に新しい切り口を見出し、反応の素過程を4段階として想定することができた。これに加え、もう一つのニトロゲナーゼ類似酵素であるクロロフィリドa還元酵素(COR)が、これまで知られていたC7=C8二重結合還元のみならずC8位のビニル基をも還元する活性を有することを示すことに成功した。これまで単にD環(C17=C18)還元とB環(C7=C8)還元という単純な連続反応を想定していたが、B環還元の前にC8-ビニル基の還元がCORによって触媒されることが新たに明らかにされた。このことは、ニトロゲナーゼ類似酵素群の広い反応性を実証する結果である。このような広い反応性を可能としている構造基盤を明らかにすることが新たな研究目標となる。もう一つのプロトン供与体である基質プロトクロロフィリド
浸透誘導型キャピラリーバリア盛土の豪雨時の水理学・力学的安全性の評価と実装展開

気候変動により激甚化する災害への対応において、線状降水帯に伴う豪雨により発生し甚大な被害をもたらす土砂災害(盛土崩壊など)、水害(破堤など)への対応は緊急かつ必要性が更に高まっている。本研究は、土構造物である盛土斜面の補強効果が期待できる扁平な破砕貝殻を用いた傾斜CB地盤における、異常豪雨時の特異な浸透・力学的特性を実験と解析の両面より定量的に解明した上で、扁平な破砕貝殻の配向性締固め特性を考慮した盛土構造物への適用性を検証し、豪雨時の斜面防災・減災の強化を目指し、持続可能な開発目標SDGs(目標13)の達成に貢献し、気候変動に適応した災害に強い安全・安心な社会を実現する。
河道内樹林化が河道動態に及ぼす影響について

本研究では河道内樹林化の顕著に進む礫床河川について,(1)樹林化を産む近年の河道特性,(2)河道内樹林化の実態,(3)樹林化のシナリオ,(4)樹林化と流れ・土砂輸送との相互作用系が生み出す地形変化,(5)樹林化した状況での大規模出水時の流況評価について検討した.(1)では,近年,洪水発生頻度や出水規模の低減などによって,砂州の固定化・複断面化が生じていること,断面全体がフラッシュされないがほとんどなく,一方,低水路に流れが集中することでローカルな河床低下が生じ,ますます断面内比高差を拡大していることを示した.(2)では,利根川水系渡良瀬川を調査区間に選び,ハリエンジュを対象として樹林化の進む州での面積とその占有変化を調べ,州自身の面積増加とともに樹木化領域の経年的拡大傾向を明らかにした.(3)では,ハリエンジュに注目して河道内樹林化のシナリオをまとめた.とくに,樹林化に関わる物理的な要素は州上における細粒砂層の形成であり,これがハリエンジュの平面的拡大を容易にし良好な生育環境を与えていることを示し,細粒砂層では草本類も密生して小規模出水の際に細砂のトラップを行い,さらなる比高差が産まれるものと推定した.(4)では,狭窄部下流の比較的安定した中州に注目し,そこでの樹林化が出水時の河道動態に与える影響を平面2次元計算の混合砂礫河床変動計算から検討し,狭窄部下流の中州形成(安定的存在),樹木が繁茂することで州の河床上昇(細粒分の堆積)と低水路形成(粗粒化)が顕著になることを説明している.(5)では,渡良瀬川を例として,中州・河岸砂州に樹木が繁茂した場合の流況を数値計算から評価した.ここでは,現況の樹林地密生度を参考に狭窄部前後に形成される州に樹木の効果を入れ,大規模出水時における流況変化を求めるとともに,予測計算として様々な樹木密生度に対する水位上昇分も見積もり,洪水時における移動限界礫径を推定している.本研究では河道内樹林化の顕著に進む礫床河川について,(1)樹林化を産む近年の河道特性,(2)河道内樹林化の実態,(3)樹林化のシナリオ,(4)樹林化と流れ・土砂輸送との相互作用系が生み出す地形変化,(5)樹林化した状況での大規模出水時の流況評価について検討した.(1)では,近年,洪水発生頻度や出水規模の低減などによって,砂州の固定化・複断面化が生じていること,断面全体がフラッシュされないがほとんどなく,一方,低水路に流れが集中することでローカルな河床低下が生じ,ますます断面内比高差を拡大していることを示した.(2)では,利根川水系渡良瀬川を調査区間に選び,ハリエンジュを対象として樹林化の進む州での面積とその占有変化を調べ,州自身の面積増加とともに樹木化領域の経年的拡大傾向を明らかにした.(3)では,ハリエンジュに注目して河道内樹林化のシナリオをまとめた.とくに,樹林化に関わる物理的な要素は州上における細粒砂層の形成であり,これがハリエンジュの平面的拡大を容易にし良好な生育環境を与えていることを示し,細粒砂層では草本類も密生して小規模出水の際に細砂のトラップを行い,さらなる比高差が産まれるものと推定した.(4)では,狭窄部下流の比較的安定した中州に注目し,そこでの樹林化が出水時の河道動態に与える影響を平面2次元計算の混合砂礫河床変動計算から検討し,狭窄部下流の中州形成(安定的存在),樹木が繁茂することで州の河床上昇(細粒分の堆積)と低水路形成(粗粒化)が顕著になることを説明している.(5)では,渡良瀬川を例として,中州・河岸砂州に樹木が繁茂した場合の流況を数値計算から評価した.ここでは,現況の樹林地密生度を参考に狭窄部前後に形成される州に樹木の効果を入れ,大規模出水時における流況変化を求めるとともに,予測計算として様々な樹木密生度に対する水位上昇分も見積もり,洪水時における移動限界礫径を推定している.今年度の研究実績は以下のようである.1.セグメント1の河相特性をもつ礫床河川の樹林化の実態と,その形成過程を考察するため,利根川水系渡良瀬川においてニセアカシア樹林の拡大が進む区間を調査対象とした.これより,経年的な河道内植生面積の変化(占有率)や横断面地形の変化を調べ,複断面化傾向と植生拡大傾向が同時に進行していることが明かとなった.2.樹林地を形成する地点の河床表層には,均一な細砂(粒径1mm以下)が堆積した層状構造(細粒砂層)がよく見られる.この層内をニセアカシアの根茎が平面的に張り広がることによって樹林地が形成されていることが現地調査から分かった.礫床では根茎の広がりに制限がかかるものの,細粒砂層では自由で容易に根茎の拡大範囲が広がる.また,拡大速度も礫床に比べ,かなり早いことが推定される.3.細粒砂層が存在することが樹林化のキーポイントになる.細粒砂層を構成するものはセグメント1河川の河床材料として上流から運搬のみならず対象区間にも十分存在している.