hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ACカロリメトリーによる極微量な生体物質の高精度熱容量測定装置の開発

ACカロリメトリーによる極微量な生体物質の高精度熱容量測定装置において、測定の最適条件などの検討を行った。1.試料容器の直径と最適周波数の関係直径330μm、厚さ40μmのステンレス鋼製の試料セルについて温度振幅および位相の周波数依存性を測定し、試料容器の直径と最適周波数の関係の実験的検討を行った。2.ガラス製試料セルの検討強酸性、強アルカリ性あるいは電気伝導性の試料を測定可能にするため直径600μm、肉厚40μmの硼珪酸ガラス管の表面に化学メッキでニッケル薄膜を形成したガラス製試料セルの評価を行った。3.計測機器の検討・アナログロックインアンプ(Princeton Applied Reasearch,5209)とデジタルロックインアンプ(StanfordResearch,SR830)を検出に用いた場合の精度、ドリフトを調べた。アナログロックインアンプの場合は、読取り用デジタル電圧計として6.5桁、確度68ppm、温度係数15ppm/°Cの機種(横河電機7561)と8.5桁、確度4.3ppm、温度係数1.3ppm/°Cの機種(アドバンテストR6581D)について精度、ドリフトの違いを調べた。・ロックインアンプ、発振器などの計測機器を恒温器(東京理化LTH-601SD)に入れてその温度を±0.2°Cに保ち、ドリフトが改善するかについてどうかについて調べた。4.真空度の検討真空ポンプ(Pfeiffer Vacuum TSH064D)を用いて試料セル周囲を10^<-4>Pa程度の断熱真空にして空気による熱損失をなくし、測定への影響、精度、ドリフトなどを調べた。5.示差法の検討試料セルを2個用いて示差法の測定を行い、精度、ドリフトの向上の可能性を検討した。6.温度センサの検討これらの結果、測定精度は更に2倍程度向上できることがわかった。また、示差法によって測定精度は更に十倍程度向上する可能性があるが、2つのサーミスタの温度係数の違いなどの問題を解決しなければならないことがわかった。これまでの予備的測定によって蓄積された経験に基づき、本格的なACカロリメトリーによる極微量な生体物質の高精度熱容量測定装置を設計し、製作した。熱浴の温度はサーミスタを温度センサとする交流ブリッジ回路で測定を行い、ブリッジの交流差電圧信号はロックイン増幅器を用いて検出することにした。そして、PID温度調節器と熱浴周囲の熱シールドに巻いたヒーターによって温度を制御した。その結果、熱浴の温度差を±0.1mKという非常に安定した制御ができることがわかった。熱浴は不凍液を満たしたステンレス鋼製の大型デュワ-瓶に入れ、不凍液を投げ込みクーラーで冷却することにより、-20°Cの低温から150°Cまでの温度での測定が可能であることを確認した。今後この装置を用いて、試料温度を検出する温度センサとして予備的測定で用いたK熱電対ではなく、より感度の高い超小型のサーミスタを用いることで高精度化を試みる。また、測定に最適な試料セルの大きさ及び測定周波数について実験的に検討する。また、蛋白質の熱変性を測定する際、アグリゲーションを避けるために強酸性の緩衝液に分散した条件で測定を行う場合があり、試料セルの材質としてステンレス鋼では化学的な安定性が十分でない場合が予想される。そのため、試料セルの材質についても検討を行う。試料セルの材質としては、通電したときの発熱のしやすさから電気抵抗率は高く、反面温度の均一性を良くするために熱伝導率は高いほうが良い。チタン、金などの材料が試料セルの材料として有望であり、実際に試料セルを作製して検討する。5.示差法の検討

試料セルを2個用いて示差法の測定を行い、精度、ドリフトの向上の可能性を検討した。6.温度センサの検討これらの結果、測定精度は更に2倍程度向上できることがわかった。また、示差法によって測定精度は更に十倍程度向上する可能性があるが、2つのサーミスタの温度係数の違いなどの問題を解決しなければならないことがわかった。
高精度位置天文観測で拓く宇宙物理学

この2年間で、データ解析方法の確立、高精度位置天文観測衛星によるサイエンス、及び衛星計画の第一歩を踏み出すことができた。具体的には、1.データ解析方法の確立実際にヒッパルコス衛星によって得られたデータ等を用いて、観測値から統計的に物理情報を導出する解析方法の問題点を実際に明らかにし、位置天文衛星DIVAによる高精度データが得られた際の解析に生かせるようにした。DIVAの観測精度では依然バイアスの問毎は解消されず、統計的データ処理が不可欠である。具体的には、観測データに紛れ込んでいるバイアスを完全に取り除くこと、そして、独立したいくつかの手法の比較を行なった。また、DIVAのサイエンスチームとともに、どの星を、どのくらいの精度で観測する必要性があるかを議論し、観測すべき星のターゲットを絞り込んでいった。2.衛星用の光赤外干渉計の検討達成したいサイエンスの目標を実現するために必要な光赤外干渉計や衛生計画の検討を行なった。つまり、日本での独自性を打ち出すことを含めて、どのような干渉計、観測装置の開発が必要であるか、また、技術的に開発すべき問題点などを検討していった。位置天文衛星FAMEを視野に入れたデータ解析方法の確立、高精度位置天文観測衛星によるサイエンス、及び衛星計画の第一歩を踏み出した。1.データ解析方法の確立実際にヒッパルコス衛星によって得られたデータ等を用いて、観測値から統計的に物理情報を導出する解析方法の問題点を実際に明らかにし、FAMEによる高精度データが得られた際の解析に生かせるようにした。FAMEの観測精度では依然バイアスの問題は解消されず、統計的データ処理が不可欠である。また、FAMEのサイエンスチームとともに、どの星を、どのくらいの精度で観測する必要性があるかを議論し、観測すべき星のターゲットを絞り込んでいった。2.高精度位置天文観測衛星によるサイエンス高精度位置天文の観測によって達成されるサイエンスの目標を検討した。つまり、どのくらいの精度が得られれば、実際どういうことが分かる可能性があるかを検討した。逆に、これが分かるためにはこの精度まで必要だということも検討した。分野としては、宇宙論、銀河の形成・進化、星の形成・進化、銀河動力学、活動銀河核、惑星形成といった幅広い範囲にわたって、サイエンス目標の検討を行なった。特に、ディスク・バルジの赤外観測によるサイエンスに焦点を当てた。具体的には、渦状腕、ディスクのワープの形成理由やバルジの力学構造、ディスク上のダークマターの有無などを明らかにしていくことを目標とした。この1年間で、データ解析方法の確立、高精度位置天文観測衛星によるサイエンス、及び衛星計画の第一歩を踏み出すことができた。DIVAの観測精度では依然バイアスの問題は解消されず、統計的データ処理が不可欠である。2.衛星用の光赤外干渉計の検討達成したいサイエンスの目標を実現するために必要な光赤外干渉計や衛星計画の検討を行なった。
成人Ｔ細胞白血病治療と予防を目指したHTLV-1ペプチドワクチンの開発研究

HTLV-1関連蛋白が成人T細胞白血病・リンパ腫(ATL)発症予防のための細胞障害性T細胞(CTL)誘導型ワクチンの標的になりうるか検証した。HBZを新たな標的として検討した。これまでHAMの症例ではHBZ特異的CTLをテトラマー試薬を用いて検出することができた。Tax特異的CTLが検出できたATLにおいてHBZ特異的CTLは検出できなかった。造血幹細胞移植後症例においてもHBZ特異的CTLは検出できなかった。HBZはTaxと異なり、ATL細胞に恒常的に検出される蛋白であるが、CTLの標的とすることには、抗原性が低く十分なATL発症予防効果やATL治療効果を得られない可能性があると考えられた。西南日本に多発する成人T細胞白血病リンパ腫は従来の化学療法に対し極めて難治性で、又幹細胞移植療法も高齢者の多い本疾患では有効な手段となっていない。ATLのより良い治療のためには新たな対策の確立が急務である。これまでHTLV-1由来蛋白Tax特異的細胞障害性リンパ球(Tax CTL)に関する一連の研究から、成人T細胞白血病リンパ腫発症にはTax CTL不全が強く関与していることを報告してきた。そこでHTLV-1関連蛋白が発症予防のためのCTL誘導型ワクチン療法の標的となりうるのではないかと本研究を立案した。HBZは京都大学松岡らによって見いだされた成人T細胞白血病リンパ腫発症・腫瘍性維持に強く関与すると考えられる蛋白であり、成人T細胞白血病リンパ腫発症後もその発現は維持されている。そこで成人T細胞白血病リンパ腫発症後に対応できるワクチンの候補として有望であると考えられ、本年度はHTLV-1由来の蛋白であるHBZに対する細胞障害性T細胞の有無について検討をした。HTLV-1キャリアと成人T細胞白血病リンパ腫患者由来末梢血単核球を用いて、共同研究者の久保田らに見いだされたHBZ特異的テトラマーの検出を試みた。HTLV-1関連脊髄症で検出できたにもかかわらず、HTLV-1キャリアや成人T細胞白血病患者ではHBZ特異的細胞障害性T細胞は検出できなかった。このことは。HTLV-1関連脊髄症においてHTLV-1反応性細胞障害性T細胞が、その発症にかかわっていることを示唆するとともに、成人T細胞白血病リンパ腫患者において特異的細胞障害性T細胞の機能と量が低下しているというこれまでの報告にも合致した。そのためワクチン候補として工夫が必要であると考えられた。以上のことを見出すことができた。本年度はHTLV-1由来高原であるHBZに対する細胞障害性T細胞の存在について、HTLV-1キャリア、成人T細胞白血病リンパ腫患者において検討を行うことができた。このことは、HTLV-1関連脊髄症においてJTLV-1反応性細胞障害性T細胞が、その発症にかかわっていることを示唆するとともに、成人T細胞白血病リンパ腫患者において特異的細胞障害性T細胞の機能と量が低下しているというこれまでの報告にも合致する。成人T細胞白血病リンパ腫(ATL)に対する治療は従来の多剤併用化学療法、造血幹細胞移植により一定の予後改善効果を得られているものの、3年生存率は急性型で24%程度と新規治療法開発の必要性については論を待たない。近年ATLにおいては抗CCR4抗体が開発され(Yamamoto K et al. Journal of Clinical Oncology, 2010 (28) 1591-1598)、2012年認可となっているが、その長期臨床効果については限定的である。これまでHTLV-1由来蛋白であるTaxに対する細胞障害性T細胞(CTL)の一連の研究から、ATL発症にはCTL不全が強く関与していることを報告してきた。そこでHTLV-1関連蛋白がATL発症予防のためのCTL誘導型ワクチンの標的になりうるのではないかと本研究を立案した。まずATL細胞に恒常的に発現しているHBZを新たな標的として検討した。これまでHTLV-1によって引き起こされるHAMの症例では、HBZ特異的CTLをテトラマー試薬を用いて検出できた。今回我々が、ATL症例末梢血単核細胞を用いて検討したところ、検討した全例(急性型、慢性型、くすぶり型)においてHBZテトラマー陽性細胞は検出できなかった。これはATL症例ではCTL機能と多様性が低下していることの報告と合致している。今後はHTLV-1特異的CTLがしばしば増強して観察される同種造血幹細胞移植患者検体を用いた検討を予定する。以上の知見がこれまでに得られている。HBZをATL発症予防のワクチン候補とするには工夫が必要と考えられた。HBZ特異的テトラマー陽性T細胞をATL症例において検出できなかった。これはATLにおいて限定的な発現しか認めないTaxと比較して、ほぼ全例で発現しているHBZのメリットをワクチン開発において生かせない可能性が示唆された。近年TaxはATL細胞において一過性の発現を繰り返すという報告があり、Tax標的ワクチンの有用性について再評価されている。今後はTaxwを標的としたワクチン開発を行うこととする。成人T細胞白血病・リンパ腫(ATL)に対する治療は従来の多剤併用化学療法により一定の予後改善効果を得られているが、3年生存率24%程度である。

造血幹細胞移植療法では長期生存例も報告され、治癒を目指せる唯一の方法であるが、治療関連合併症が問題となる。患者発症時年齢の高齢化もあることから、全例に移植を行えないことも現状であり、新規治療薬の開発の必要性については論を待たない。近年抗CCR4抗体を用いた治療やレナリドミドが新規開発されているが、全生存率の改善効果については長期観察が必要となる。これまでHTLV-1関連蛋白であるTaxに対する細胞障害性T細胞(CTL)の一連の研究から、ATL発症にはCTLの機能不全が関与していることを報告してきた。そこでHTLV-1関連蛋白がATL発症予防のためのCTL誘導型ワクチンの標的になりうるのではないかと本研究を立案している。まずATL細胞で恒常的に検出されるマイナスストランドからコードされるHBZを新たな標的として検討した。これまでHTLV-1によって引き起こされる神経疾患であるHAM/TSPの症例ではHBZ特異的CTLをテトラマーアッセイを用いて検出することができた。HAM/TSP症例においてはHTLV-1特異的CTLの頻度が高いことが知られており、ATLでは低いことを報告してきている。HBZ特異的CTLの検出をATL症例において行ったところ、Tax特異的CTLが検出できる全例においてHBZ特異的CTLは検出できなかった。HTLV-1特異的CTLが増加していると報告されている、造血幹細胞移植症例においてもHBZ特異的CTLの有無について評価したが、検出することができなかった。HBZはTaxと異なり、ATL細胞に恒常的に検出される蛋白であるが、CTLの標的とすることには、抗原性が低く十分なATL発症予防効果やATL治療効果を得られない可能性があると考えられた。HTLV-1関連蛋白が成人T細胞白血病・リンパ腫(ATL)発症予防のための細胞障害性T細胞(CTL)誘導型ワクチンの標的になりうるか検証した。HBZを新たな標的として検討した。これまでHAMの症例ではHBZ特異的CTLをテトラマー試薬を用いて検出することができた。Tax特異的CTLが検出できたATLにおいてHBZ特異的CTLは検出できなかった。造血幹細胞移植後症例においてもHBZ特異的CTLは検出できなかった。HBZ特異的細胞障害性T細胞の重要性について、免疫過剰状態である同種移植後患者において検討を行う。またHBZではなく、これまで推進してきたTaxペプチドワクチンの開発を免疫不全マウスとヒトHLA-A2発現マウスの交配によりヒト化マウスモデルを構築し、Taxペプチドワクチンのin vivoにおける有用性の検証を引き続き進めていく。HLA-A2発現マウスはマックスプランク研究室より入手した。今後はTaxトランスジェニックマウスとHLA-A2発現マウスの交配により、HLA-A2
弾性仮想物体の動的変形特性の力覚表現

仮想環境における弾性仮想物体の操作と反力のフィードバックを実現するための手法として、インパルス応答変形モデルを提案し、その実験的実装と有効性の検証をおこなった。具体的には運動と変形のモデルを分離することで運動する変形物体を表現する手法、面的接触を効率的に扱うための仮想の自由度の導入手法、自由度の自乗に比例するデータ量をもつインパルス応答を幾何学的近傍での類似性に基づいて圧縮する手法、近年普及の著しいグラフィックスハードウェアを用いた処理の高速化手法などを開発した。(1)面接触による変形:平面や球面による接触では,対象に与えられる変形操作の自由度が平面や球面のもつ自由度に等しいことから,対象の表面の変形の分布的自由度を想定するのに比較して,少ない自由度の問題と考える事ができる。本研究ではこのような平面や球面が対象に対してもつ自由度を仮想の自由度とよび,これらの自由度と変形とを対応付けるインパルス応答変形モデルを構築する事を試みた。面による接触では,点による接触と異なり,面と対象との間に力だけでなくトルクも発生する事から,トルクに対する応答もモテルとして保持するように拡張をおこなった。接触面積が点に比較して大きいため,インパルス的な力を作用する際の物体の変形が急峻であり,その結果としてFEMによるシミュレーションが不安定になりやすい事が明らかになっている。緩やかな力変化をあたえてデコンボリューションによりインパルス応答を求める手法を検討している。(2)運動と把持操作:把持操作を実現するために,物体全体の運動と物体表面の変形とを分離してモデル化することを試みた。浮遊状態にある対象に対してインパルスカを作用した際の挙動から,剛体運動に相当する成分とそれ以外の成分とを分離し,再生の際に前者は剛体の運動方程式に基づいて計算し,後者をインパルス応答変形モデルにより再生する。把持操作においては指先点と対象との間の摩擦のモデルがを考慮する必要があり,これまでの実験では,摩擦のない接触モデルに加えて,摩擦係数が非常に大きいく指先の滑りを生じない接触モデルにつういて,操作の可能性を確認している。クーロン摩擦のような非線形な摩擦モデルは,固着と滑りの状態化を全ての接触点について組み合わせ的計算を行い,矛盾のない結果を選択することで実現されると考えて検討している(1)データ圧縮手法の開発計測点相互が幾何学的に近傍に位置する場合、同一の計測点についても互いに近い2つの作用点への作用する場合、計測されるインパルス応答は類似なものになると期待される。この類似性を利用して、疎にとられた代表ノードにおける応答からそれ以外のノードの応答を補間により生成する手法を開発した。これにより、モデルとして保持すべきインパルス応答の削減によるデータ圧縮が可能であることを確認した。インパルス応答波形の相似性に加えて時間遅れおよび減衰を考慮した補間手法により、実験に用いたモデルデータでは、相関係数0.9の近似で54%、0.8の近似で1.1%の圧縮を実現した。また、圧縮手法によって再生された力覚表現によっても、違和感のない変形が実現されていることを確認した。(2)視覚表現の高速化変形の視覚的な表現にまつわる計算についてグラフィクスハードウェアを用いた高速化手法を開発した。変形計算は数式上は畳み込み演算であるが、データの参照にテーブルルックアップが多く発生し、この性質はグラフィクスハードウェアを用いた実装には適さない。そこで計算を時間軸方向にも展開することで、テーブルルックアップの負荷を軽減するアルゴリズムを提案し、汎用のGPUによりその有効性を確認した。
TREM-1を標的とした関節炎の新規治療法の開発

Triggeringreceptor expressed on myeloid cells (TREM)-1は、細菌感染において発現が誘導され、炎症反応を誘導するレセプターである。細菌性感染症モデルにおいて、TREM-1阻害は細菌のクリアランスを障害することなく、炎症反応を抑制するという大きな特徴がある。現在行われている抗サイトカイン療法では感染症の誘発が問題となっているが、TREM-1を標的とした治療法は感染症を惹起しない、新しい治療戦略となることが期待される。我々は、TREM-1が細菌感染だけでなく、関節リウマチ(RA)の組織やRAのモデル動物であるコラーゲン誘導関節炎(CIA)の関節組織に発現していることを見出した。このTREM-1の働きを阻害するため、可溶型TREM-1を発現するアデノウイルスを作製し、CIAに尾静脈投与したところ、関節炎スコアは著明に改善された。また、TREM-1阻害によって、組織学的にも炎症および骨破壊の所見は観察されなかった。さらに関節における炎症反応(TNF, IL-1, IL-17)も著明に抑制された。この治療効果を検討するため、T細胞反応を検討したところ、抗原特異的T細胞増殖、サイトカイン(IL-17, IFN)産生ともにコントロール群と治療群で差は認められなかった。また、B細胞反応を検討するため、CIAの血清中の抗原特異的抗体価を検討したところ、両群間で差は認められなかった。以上のことから、TREM-1は免疫抑制効果を示すことなく、炎症反応を抑制することで関節炎を抑制したと考えられた。また、感染症の誘発リスクが少ない全く新しい関節リウマチの治療標的分子となることが示唆された。Triggering receptor expressed on myeloid cells (TREM)-1は、細菌感染において発現が誘導され、炎症反応を誘導するレセプターである。
フェムト秒電子バンチの6D位相空間分布計測可能な単一ショット非破壊モニターの開発

3D-EOサンプリング(EOS)計測要素を試験加速器の直線部と分散部にも設置し、電子バンチの6D位相空間分布計測の原理検証を行った。3D-EOSの空間多重化に成功し、6次元位相空間の電子バンチの挙動のリアルタイム計測システムを完成させた。広帯域のEOプローブ光源の矩形スペクトル化と線形チャープ化を同時に実現し、広帯域のラジアル偏光素子の開発にも成功して、フェムト秒バンチの多重化3D-EOS計測に必要とされる要素技術開発をすべて実用に供するレベルで完成させた。さらに、超高速応答のDAST結晶にアニーリング処理と光学研磨を施し、超高速バンチ計測に適した高品質EO素子を製作することにも成功した。本年度は、3D-EOサンプリング計測要素の技術開発と試験加速器分散部での試験準備、超高速応答EO素子の開発を進めた。フェムト秒時間分解能を実現する有機EO結晶のDASTを分担者の南出がチームリーダをしている仙台理研テラヘルツ光源研究チームで、結晶成長後に光学研磨を施し、超高速バンチ計測に適した高品質EO素子を製作することに成功した。この有機EO結晶のオフライン試験システムも構築した。評価ビーム試験の準備は、EO素子としての超高速応答性を中心にSPring-8のフェムト秒バンチ試験加速器(30 fs)で分担者の谷内チームで行う必要があるため、加速器のアップグレードを行い、試験運転を実施した。基盤研究B(課題番号20612024)で開発した3D-EOサンプリング・プローブ光源のプロトタイプ機を用いて、EOプローブ光と電子バンチのタイミング同期システムを構築し、予備実験を行った。6D-EOサンプリング・プローブ開発においては、超広帯域のスペクトルを矩形整形して分散制御を行うところまで完成した。電子ビーム入射時の放射線による結晶劣化を抑えるために、DAST結晶のアニーリングを行った。結果は直ぐにEO素子作成を担当している南出チームにフィードバックして素子の改善を継続的に実施している。分担者の黒田チームの産総研テラヘルツ光源加速器(300 fs)では、電子バンチからのラジアル偏光した回折放射を用い、連携研究者の平(黒田チーム)がビーム位置検出システムを開発した。これを用いた3D-EOサンプリングの真空チャンバ構造を検討し、次年度にSPring-8のシステム(計測要素3個からなるトリプレット構造体)を、一体型構造にコンパクト化(結晶の放射線防護を考慮)し、エネルギー分散部に設置するための準備を行った。平成27年度は、3D-EOサンプリング計測要素技術の開発と試験加速器分散部での極短バンチ生成、超高速応答EO素子の開発を進めた。フェムト秒時間分解能を実現する有機EO結晶のDAST(特許第1716929号)を分担者の南出がチームリーダをしている仙台理研テラヘルツ光源研究チームで、結晶成長後にアニール処理し光学研磨を施した、超高速バンチ計測に適した高品質EO素子の製造工程に道筋をつけた。昨年度に開発した6D-EOサンプリング・プローブ光源の試験機を用いて計測実験を開始した。ここでタイミング合わせに困難があることが判明し、大幅な変更が必要であることが判明した。EOプローブ光は円環ラジアル偏光ビームにするための、超高速計測に必須な広帯域用のラジアル偏光素子の開発を行い、システム素子の開発に成功した。研究代表者が特許(特願2010-243071)を共願している(株)ナノフォトンの小林実氏(研究協力者)と共同開発し、8分割のパターン・ポラライザー(透過帯域:700-1000 nm)でプローブ光学系全体としての消光比を34桁に、EOサンプリングの検出限界を12桁ほどにそれぞれ改善することに成功した。また、電子ビーム入射時の放射線による結晶劣化の調査を、2段階のEOサンプリングによる評価試験と並行して行った。有機結晶のEO機能障害メカニズムはまだ明らかではないが、結晶端部の結晶性の悪さが原因ではないかということになり、先に述べたアニール処理し光学研磨を施すことで解決する可能性を見出した。この結果はEO素子作成を担当している南出チームにフィードバックして素子の改善を継続的に進めているところである。産総研テラヘルツ光源加速器では、連携研究者の平(黒田チーム)が中心となり、テラヘルツ回折放射計測で電子バンチの横方向のプロファイル計測を実証した。本年度は、本技術で一番重要な要素技術である、超高速計測に必須な広帯域用のラジアル偏光素子の開発を行い、システム素子の開発に成功しており、これで3次元バンチ形状モニターの実現が可能になった。さらに、産総研テラヘルツ光源加速器では、世界初のテラヘルツ回折放射計測方法による電子バンチの横方向のプロファイル計測の実証試験に成功した。また、電子ビーム入射時の放射線による結晶劣化の問題は解決していないが、フェムト秒応答のある高品質有機EO素子の製造工程に道筋をつけるところまで来ており、当初の計画が順調に進展していると判断した。平成28年度は、3D-EOサンプリング計測実験のためのタイミングシステムの更新と試験加速器分散部での極短バンチ生成、ロバストな超高速応答EO素子の開発を進めた。有機EO結晶のDAST(特許第1716929号)を分担者の南出がチームリーダをしている仙台理研テラヘルツ光源研究チームにおいて、結晶成長後にアニール処理し光学研磨したものを量産して実験に必要な数量を生産した。同時に、超高速バンチ計測に適した高品質EO素子のオフライン評価システムも整備した。

EOプローブレーザーの空間プロファイル(横モード)が悪かったため、有効な3次元バンチ計測ができる状態にするため、レーザー結晶ロッドの太さを変えることでこれを改善した。これにより、円環ビームに変換時のレーザー光の強度分布が均一化することに成功し、EOプローブの空間多重化が精密に出来るようになった。加速器およびレーザー関係のタイミングシステムを更新して、6D-EOサンプリング・プローブ光源の試験機を用いて計測実験を開始した。タイミング合わせには成功したが制御システムを開発しないと実験の効率が悪いため、各種の改善を進めるとともに制御系全体を次年度に向けて開発することにした。本年も引き続き、電子ビーム入射時の放射線による結晶劣化の調査を、2段階のEOサンプリングによる評価試験と並行して行った。本年度は、オフラインEO結晶の品質評価システムが完成したため、電子ビーム実験の前に結晶評価ができるようになった。有機結晶のEO機能障害メカニズムはまだ明らかではないが、次年度の加速器での試験により正確な障害メカニズムが明らかになると思われる。この結果はEO素子作成を担当している南出チームにフィードバックして素子の改善を継続的に進めているところである。本年度は、タイミングシステムを更新しその有効性を確認した。同時に超高速計測に必須な広帯域用のEO-プローブ光の空間プロファイルの改善を行い、これで3次元バンチ形状モニターの実現(EOプローブの空間多重化)が可能になった。また、EO結晶のオフライン評価システム完成により、フェムト秒応答のある高品質有機EO素子を量産するところまで来ており、当初の計画が順調に進展していると判断した。平成29年度は、3D-EOサンプリング計測実験のための自動計測プログラムの作成と電子バンチの挙動のリアルタイムモニタリング、その時間分解能を極限まで高めるためのロバストな超高速応答EO素子の導入を進めた。有機EO結晶のDAST(特許第1716929号)を分担者の南出がチームリーダをしている仙台理研テラヘルツ光源研究チームにおいて、結晶成長後にアニール処理し光学研磨したものを組み込んだ。また、超高速バンチ計測結果をリアルタイムに表示しながら評価する自動制御システムも完成した。さらに、試験加速器およびレーザー装置を含むシステム全体の統合した制御系を完成した。EOプローブレーザーの空間プロファイルを大幅に改善し、円環ビームに変換時のレーザー光の強度分布を均一に保持することに成功し、EOプローブの空間多重化が高精度に出来るようになった。一方で、加速器およびレーザー関係のタイミングシステムを昨年に更新したが、タイミングジッターが1ps(p-p)で下回ることが困難なことが判明した。この計測システムではフル幅でのジッターが線形チャープ・レーザー矩形パルスよりも小さく抑えなければならない。6D-EOサンプリング・プローブ光源の試験機を用いて計測実験を開始したが、自動制御システムの開発によりタイミング合わせには成功したものの、ジッターが想定したよりも大きく、計測実験の精度が上がらなかった。この原因調査を行った結果、ハイパワー長大共振器のレーザー発振器ではこの実験が困難であることが判明した。
ガラス工作技術者のための技術継承マニュアルの制作

研究目的本研究の目的は、業務としてガラス工作技術を学ぶ者へ確実に技術の継承をしていくことでありこのためのマニュアル制作を行うことである。学ぶ者の技術習熟度に対応した継承すべき技術を選定することが重要であり、文章はもちろん、写真、動画を交えたガラス工作技術マニュアルを制作し、現場での実技指導と併用することで、技術継承が促進できると考えられる。研究方法自身の経験と他機関での技術継承調査を元に、基本練習となる蒸留装置や真空用実験器具などの製作工程の映像を記録する。さらに応用的なガラス旋盤加工・切削加工・石英ガラス加工などの製作工程および機械設備の取扱手順の映像を記録する。成功例のほかに加工中の破損原因や間違った製作工程などの失敗例を含め技術習熟度に対応した映像を記録し、より高度な技術者向けの資料や映像を追加編集しマニュアルを制作する。文章・写真・動画を同時に閲覧できるようにWebマニュアル化する。研究成果今回選定したガラス加工技術を映像化し、文章を加えたガラス加工技術者向けのマニュアルを制作した。基礎となる実験器具の製作を通し、ガラス管の成型や組み立て・段取りを学ぶことができる。また、工作機械でのガラス加工の映像を加えたことで、さらに高度なガラス実験器具の製作にも対応できる。本研究により、冊子では伝わらない手の動きや炎の様子、加工後のガラスの変化を動画で見られることから、直感的に学ぶ者へ伝えることが出来ると考えられる。
常磁性金属におけるメタ磁性転移と電子相関

メタ磁性を示す常磁性金属(強磁性寸前のdーバンドメタルや近藤格子ヘビ-フェルミオン系)に最近興味が持たれている。本研究では代表的ヘビ-フェルミオン物質であるCeRu_2Si_2に注目し、そのメタ磁性の機構を探るための実験を行なった。CeRu_2Si_2のメタ磁性は圧力効果などから転移磁場B^*が近藤温度T_Kでよくスケ-ルされると考えられているが、サイト間のスピン相関やcoherencyがどの程度効いているかは明かでない。サイト間相関の影響を調べるには希釈法を調べるのが一つの方法だが、CeRu_2Si_2の場合、例えばLaで希釈すると体積膨張のためにT_Kが下がる効果が大きく、希釈効果そのものはよく解からない。そこで我々はLa置換とY置換とで格子定数がほぼ逆の変化をする点に着目し、LaとYを適当な割合(約6対4)で同時にCeと置換することにより、T_Kがほぼ一定の擬三元系単結晶Ce_<1ーX>(La_<0.6>Y_<0.4>)_XRu_2Si_2をトリア-ク炉により作成し、実験を行なった。X線回析では格子定数の有意な変化は見られなかった。比熱測定の結果、低温におけるC/TはCeあたりに規格化するとほぼ同じ曲線に乗り、予想どおり特性温度はほとんど変化しない結果を得た。CeRu_2Si_2はB^*=7.8Tに転移磁場を持つが、8Tまでの磁化測定の結果、希釈しても転移磁場が殆どシフトしないことがわかった。従ってB^*∝γ^<-1>が希釈系でもよく成立していることになる。この結果はスピン間相互作用を単に分子場で取り入れたモデルでは理解しにくい。一方転移の幅は急速にブロ-ドになり、20%希釈で転移はほぼ消えている。またCeRu_2Si_2はcー軸磁化率χ_cに特徴的なピ-クを約10Kに持つが、実験の結果、この構造もわずかな希釈によって急速に壊されることが示された。すなわちこれらの現象はCeサイトの周期性の破壊に極めて敏感であることが示唆される。以上、この物質におけるメタ磁性転移の機構を確立する上で極めて重要な情報が得られた。
パネート細胞でのタンパク質品質管理機構による腸管幹細胞の維持・分化・増殖への関与

ユビキチンリガーゼであるHRD1とWWP2の局在を検討した。HRD1は陰窩基底部のパネート細胞、間質の形質細胞、神経細胞に発現を認めた。一方、大腸においては上皮細胞に広く発現を認めた。WWP2の発現は、腸陰窩部の基底部やその周囲の上皮で強く発現し、上皮細胞が上部に移動するにしたがって発現の低下が認められた。大腸では、WWP2は、陰窩基底部から陰窩壁に広く発現が認められ、粘膜表層の上皮で発現が低下していた。ヒト大腸がん上皮細胞株Caco-2を用いてSox9の発現をノックダウンさせるとWWP2の発現が抑制されていたことから、WWP2の発現がSox9により制御されていることが明らかとなった。マウス小腸上皮細胞におけるHRD1ユビキチンリガーゼによるタンパク質品質管理機構を明らかにする目的で、HRD1の局在を免疫組織化学法およびin situ hybridaization法を用いて検討した。HRD1は陰窩基底部のパネート細胞、間質の形質細胞、アウエルバッハ、マイスネル神経叢の神経細胞に発現を認めたが、絨毛の吸収上皮細胞と杯細胞では発現が認められなかった。HRD1とは異なるユビキチンリガーゼであるWWP2の小腸での発現はこれまで明らかではなかったが、小腸陰窩基底部の細胞で発現していることをタンパク質およびmRNAレベルで明らかにした。細胞を未分化に保つ機能をもつ転写因子Sox9が小腸では腸陰窩基底細胞で発現し、パネート細胞の分化と幹細胞の維持・分化に関与することが示唆されている。そこでSox9とWWP2の発現を検討したところ、両分子の局在は類似しており、既に報告のある軟骨組織と同様に小腸においても両分子が共役して機能している可能性が示唆された。マウス大腸ではHRD1は大腸の粘膜表層のすべての上皮細胞に発現が認められ、WWP2はSox9発現細胞と共局在している可能性を得たことから、大腸とは異なる機構でHRD1が小腸パネート細胞のタンパク質品質管理に特異的に関与していることが考えられた。当初の計画どおりWWP2のパネート細胞での詳細な役割を解析することで、HRD1とWWP2両分子によるタンパク質品質管理と腸上皮の分化制御機構関連を明らかにする。軟骨形成においてWWP2ユビキチンリガーゼは転写因子Sox9と相互作用し、Sox9の核移行を介して2型コラーゲンの転写活性に関与するが、小腸および大腸でのWWP2の発現はこれまで明らかではなかった。マウスの各臓器を用いてWWP2のmRNAの発現をRT-PCRにより確認したところ、小腸と大腸においても発現が認められ、大腸での発現量が小腸よりも高いことが分かった。小腸でのin situ hybridaizationの結果、WWP2のmRNAの局在は、腸陰窩部の基底部やその周囲の上皮で強く発現し、上皮細胞が上部に移動するにしたがって発現の低下が認められた。小腸でのWWP2のタンパク質の局在は、mRNAの局在と同じく陰窩基底部に強くみられ、核内と細胞質内に発現が認められた。大腸では、WWP2のmRNAならびにタンパク質は、陰窩基底部から陰窩壁に広く発現が認められ、粘膜表層の上皮で発現が低下していた。細胞内局在に関しては、小腸と同様に核内と細胞質内に発現が認められた。ヒト大腸がん上皮細胞株Caco-2を用いてSox9の発現をノックダウンさせるとWWP2の発現が抑制されていることから、消化管上皮細胞株においてWWP2の発現がSox9により制御されていることが明らかとなった。マウス消化管上皮でのWWP2発現はSox9の発現パターンと同一であり、Sox9がWWP2の発現を制御している可能性が示唆された。WWP2が核内と細胞質内に共に発現し、分化に伴い発現が低下していることから、核内ではSox9の共役分子として、細胞質内ではE3リガーゼとしてタンパク分解に関与することで腸上皮細胞の分化に関与する可能性が推察された。腸上皮におけるWWP2およびSox9の発現解析においては、計画どおり達成することができた。WWP2とWWP2分解基質の発現変動を解析する目的で、in vivoエレクトロポレーション法を用いて腸管陰窩基底部細胞のSox9ならびにWWP2発現のノックダウンを試みたが、基底部細胞へのsiRNAの導入効率が非常に悪く条件を検討中である。研究計画書の当初計画どおりに進まない時の対応に従って、in vitro細胞組織体培養系を用いて解析を進める。

ヒト大腸がん上皮細胞株Caco-2を用いてSox9の発現をノックダウンさせるとWWP2の発現が抑制されていることから、消化管上皮細胞株においてWWP2の発現がSox9により制御されていることが明らかとなった。マウス消化管上皮でのWWP2発現はSox9の発現パターンと同一であることから、Sox9がWWP2の発現を制御している可能性が示唆された。軟骨形成においてWWP2ユビキチンリガーゼは転写因子Sox9と相互作用し、Sox9の核移行を介して2型コラーゲンの転写活性に関与するが、小腸および大腸における新規の標的遺伝子の同定には至らなかった。WWP2が核内と細胞質内に共に発現し、分化に伴い発現が低下していることから、核内ではSox9の共役分子として、細胞質内ではE3リガーゼとしてタンパク分解に関与することで腸上皮細胞の分化に関与する可能性が推察された。ユビキチンリガーゼであるHRD1とWWP2の局在を検討した。HRD1は陰窩基底部のパネート細胞、間質の形質細胞、神経細胞に発現を認めた。一方、大腸においては上皮細胞に広く発現を認めた。WWP2の発現は、腸陰窩部の基底部やその周囲の上皮で強く発現し、上皮細胞が上部に移動するにしたがって発現の低下が認められた。大腸では、WWP2は、陰窩基底部から陰窩壁に広く発現が認められ、粘膜表層の上皮で発現が低下していた。ヒト大腸がん上皮細胞株Caco-2を用いてSox9の発現をノックダウンさせるとWWP2の発現が抑制されていたことから、WWP2の発現がSox9により制御されていることが明らかとなった。腸上皮におけるHRD1およびWWP2の発現解析においては、計画どおり達成することができた。two-hybrid法による新規WWP2結合因子のスクリーニングにおいては、市販のライブラリーを用いて行ったが新規分子の同定には至らなかった。研究計画書の当初計画どおりに進まない時の対応に従って、新規分子の同定を開始している。in vitro細胞組織体培養系を用いて、Sox9あるいはWWP2のノックダウンを行ったサンプルのマイクロアレイの結果を比較することで標的遺伝子の候補をスクリーニングする。スクリーニングにより得た遺伝子による分化制御を分子生物学的、組織学的解析により明らかにする。分子細胞生物学腸管陰窩基底部のSox9をin vivoエレクトロポレーション法によりノックダウンし、WWP2とWWP2分解基質の発現変動を解析する。腸管幹細胞の増殖や細胞死、細胞形態学的変化などへの影響を評価するとともに、WWP2においては細胞質と核内での局在変化を観察し、WWP2が転写因子の共役分子として働くかを検討する。転写活性制御に関しては、WWP2のsiRNAを導入後の腸上皮や純化パネート細胞からRNAを回収し、DNAマイクロアレイにより転写標的遺伝子をスクリーニングする。スクリーニングにより得た標的遺伝子による分化制御を分子生物学的、組織学的解析により明らかにする。
アクアポリン分子の多様性と両生類の水適応戦略

細胞膜には,アクアポリン(AQP)と呼ばれる水を通す穴がある。カエル類は,樹上棲,陸上棲,半水棲,水棲と異なる水環境に適応し,AQP分子も多様性を示す。下腹部皮膚,膀胱,腎臓に抗利尿ホルモン依存性AQPが存在するが,系統学的な由来を異にしている。水棲ツメガエルの下腹部皮膚ではAQP mRNAは,発現しているが,タンパク質に翻訳できない仕組みがあることを発見した。これにより,ツメガエルの水中生活への適応が保障されている。無尾両生類の主な水分調節器官は下腹部皮膚,膀胱,腎臓である。本研究では,アマガエル腎臓から抗利尿ホルモン(ADH),バソトシン(AVT)応答性の腎臓型アクアポリン(AQP:AQP-h2IK)を同定した。これにより水分調節の鍵を握る主要なAQP,3種類を明らかにできた。そして,これまで報告されているすべてのAQPと哺乳類のAQPのアミノ酸配列を比較し,ベイズ法などにより分子系統樹を作成し,両生類のAQPの進化過程を推定した。その結果,哺乳類の腎臓に存在するADH応答性AQPであるAQP2のオーソログは,無尾両生類では腎臓型AQP-h2Kであり,下腹部皮膚型AQP-h3と膀胱型AQP-h2は両生類に特有のパラログ(タイプa2と命名した)であることが判明した。AQPの系統樹解析の結果は,無尾両生類のAQPを構造面から初めて体系化し,AQPのタイプを明確にした。また,水棲型のアフリカツメガエルの下腹部皮膚にもAQPの遺伝子が発現しているが,タンパク質は翻訳されないことを発見した。このAQP-x3のアミノ酸配列は他の樹上型,陸上型,半陸上型の下腹部皮膚型AQPと異なり,C末端のシスティンを起点に10アミノ酸残基ほど長い。システィンをセリンに,またストップコドンに置換すると,タンパク質が翻訳され,ツメガエルの卵細胞を用いたスウエリング測定により水透過性も見られるようになった。このことは,ツメガエル下腹部皮膚ではAVTに応答して水吸収は促進されないという知見を考えたとき,ツメガエルの水適応の過程で遺伝子の変異が起こったことを示唆している。また,AVTの中間代謝ペプチドであるハイドリン1およびハイドリン2もアマガエル下腹部皮膚での水透過性を高め,これはAQP-h2とAQP-h2が細胞内プールからアピカル膜へ動員されることで起こることを蛍光抗体法で明らかにした。本研究では,水適応が異なるカエル類を用い,下腹部皮膚から下腹部皮膚型アクアポリン(AQP)水チャネルのcDNAをクローニングした。水棲生活をしているアフリカツメガエルの下腹部皮膚にもAQPの遺伝子が発現しているが,タンパク質には翻訳されないことを発見した。さらに,アマガエル腎臓型AQPにツメガエルAQP-x3のC末端を付加すると,タンパク質発現や水吸収のが失われることを見出した。このことは,ツメガエル下腹部皮膚ではバソトシン(AVT)に応答して水吸収は促進されないという知見を考え合わせたとき,ツメガエルの水適応の過程で遺伝子の変異が起こったことを示唆している。また,哺乳類AQP3に相同性が高いツメガエルAQP-x3BLに対するペプチド抗体を作成し,各種水代謝組織での発現を調べた。AQP-x3BLは主として細胞の側底部細胞膜に発現していた。ツメガエルでは,腹部全域に発現していたが,背側部では発現がほとんど見られなかった。これは,背側部でも発現があるアマガエルと異なり,背側部への水の供給が悪く,陸上での寿命が短命であることと関係しているかも知れない。また,ツメガエルの膀胱型AQP-x2をクローニングし,AQP-x2タンパク質の発現は,AVT依存性が低いことを明らかにした。さらに,ツメガエルでは大腸にもAQP-x3BL発現し,口から水を飲むことが示唆された。これらの結果は,水棲ツメガエルの水適応の特異性を示している。生息域の異なる無尾類のアクアポリン(AQP)を解析・比較した結果,無尾類には基本的に,下腹部皮膚と膀胱にそれぞれ固有の抗利尿ホルモン依存性AQP(下腹部皮膚型と膀胱型)が発現していることが判明した。さらに,これらのAQPの発現様式の変化が,無尾類の多様な水環境への適応能と深く関連していることが示唆された。

陸棲や樹上棲のカエルでは,生理学的な研究から,抗利尿ホルモンに応答して下腹部皮膚から効率よく水を吸収することが知られていたが,これらの種では,膀胱型AQPが下腹部皮膚型AQPと共に下腹部皮膚に発現していた。対照的に,水中棲のツメガエルでは,下腹部皮膚は抗利尿ホルモンに応答せず,水透過性も極めて低いことが知られていたが,この種では,下腹部皮膚型AQP(AQP-x3)mRNAからの翻訳が認められなかった。AQP-x3のアミノ酸配列を他種と比較すると,C末端側にCys273を基点として11アミノ酸残基長い配列(CT tail)が認められた。このCysをSerや終始コドンに変えた変異体(C273SまたはC273Stop)をツメガエル卵発現系で調べると,野生型AQP-x3のcRNAではタンパク質発現は見られないが,C273SおよびC273StopのcRNAではタンパク質発現が見られ,これらのAQPタンパク質により水透過能が亢進した。また,アマガエルの腎臓型AQPであるAQP-h2Kでは,cRNAからタンパク質が発現するが,AQP-h2KにCT tailを付加したキメラ分子のcRNAでは,タンパク質が発現しなかった。これらの結果から,ツメガエルでは,AQP-x3のCT tailをコードする33個のヌクレオチドに,タンパク質発現を抑制する機能があり,これにより下腹部皮膚からの過剰な水透過が抑制され、ツメガエルの水中生活への適応が保証されていると考えられる。
不凍蛋白質分子の界面吸着が氷結晶成長カイネティクスに及ぼす効果の分子レベル研究

1.不凍糖タンパク質(Antifreeze Glycoprotein, AFGP)の凍結抑制機能を解明するために、AFGP水溶液中で氷結晶の自由成長実験を行い、共焦点蛍光顕微鏡でその場観察した。AFGP分子を蛍光分子(FITC)によりラベルすることで、結晶の成長過程におけるAFGP分子の空間分布を明らかにした。結晶成長温度が-0.05°Cのときに、界面吸着したAFGP分子間の間隔が21nm±4nmであることが明らかになった。この値から、ギブストムソン効果で界面の融点降下温度を見積もると1.2°C程度であることが予測された。しかしながら、新しいい界面が生成された時点で、AFG分子の界面吸着量がわずかであってもすでに界面の結晶成長は完全に停止することが実験的に示された。すなわち、この事実が示す結論は、氷/水界面へのAFGP分子の吸着挙動は、単に界面に沿った拡散や水溶液相から直接吸着する分だけでは説明できないことを示している。2.この実験結果をもとに、本研究の結論として新しいタンパク質分子の界面吸着モデルを構築した。それは、二段階可逆吸着モデル(2-step reversible adsorption model)と呼ばれるもので、界面へのAFGPの吸着がまず弱い吸着(不完全吸着)で起こり、それに引き続き強い吸着(完全吸着)の状態に移行する。このモデルにより、初めてAFGP水溶液中で観察される氷結晶成長の熱ヒステリシス現象が合理的に説明された。3. AFGP分子は、氷結晶の再結晶化も抑制することが知られているが、再結晶過程を蛍光顕微鏡で詳細に観察した。その結果、結晶粒界の三次元ネットワークの観察がはじめて可能になり、実際に再結晶が抑制されることを明らかにした。極地の海に住む魚などは、生体が過冷却状態に保たれたままで決して凍結することなく生命活動を維持している。これは、彼らの血液中に含まれる特殊なタンパク質(例えば、Antifreeze Glycoprotein, AFGP)が、氷と水の界面に吸着して氷結晶成長を抑制するためと考えられている。これまでの研究では、この不凍タンパク質は結晶成長を抑制するだけではなく促進する場合があることや、成長速度の自励振動を引き起こすなどの効果があることが知られている。これは、従来考えられていた不純物分子による成長ステップのピン止めモデルは全く異なる新しい結晶成長制御機構が存在することを示す。本年度は、まずAFGP水溶液中で自由成長する氷/水界面での成長ステップのその場観察実験を行った。成長ステップの挙動を位相差顕微鏡で観察することが可能である自由成長装置を新たに開発した。ステップのダイナミックな挙動が観察可能になった。現在、ステップの高さを定量化するため反射型干渉計を開発中であり、これまでに氷/水界面からの反射光により干渉縞の観察できることを確かめた。また、蛍光ラベルが施したAFGP分子を使って一方向成長実験を行ない、氷成長界面前方でのAFGPの拡散場の挙動を可視化した。この測定法では、AFGP濃度が0.5mg/ml(すなわち、0.05wt%)以下でも、十分に定量解析が可能である。この解析により、水溶液中での不凍タンパク質の拡散係数が求まり、NMRで測定されている値とほぼ一致した。また、AFGP分子が界面に吸着している状態から徐々に液体内に離脱する過程が、界面のごく近傍での濃度の時間変化から解析可能である。その結果、吸着状態からのAFGPの脱離速度は、その分子量に依存することが明らかになった。すなわち、分子の大きさが吸着の強さにも影響していることを示唆している。次年度は、本実験をさらに推進する。不凍糖タンパク質(Antifreeze Glycoprotein, AFGP)の凍結抑制機能のメカニズムを解明するために、AFGP水溶液中で氷結晶の自由成長実験を行った。AFGP分子には、蛍光分子であるFITCによりラベルを付けてある。結晶の成長過程は、共焦点蛍光顕微鏡でその場観察した。その結果、以下のことが明らかになった。1)AFGP濃度が、μg/mlのレベルでも、氷の結晶成長に伴うAFGP分子の分布状態の変化が十分に観察可能であることがわかった。これは、干渉計などの従来の方法よりも桁違いに高精度で測定が可能であることを意味している。2)ピラミッド面に関して、界面にAFGP分子の吸着が起こっていると成長が抑制され、成長が継続中には界面吸着がないことが、初めて直接的に証明された。3)界面へのAFGPの吸着量を見積もると、吸着した分子と分子の間隔がおよそ90±10Åであることがわかった。この吸着分子が、結晶面の成長をピン止めしているとすると、吸着分子の間の面は曲率を持って盛り上がる。このため、界面の温度がギブストムソン効果で低下したとすると、界面の温度は約0.2°Cと推定される。この温度は、結晶成長実験の初期化冷却度として与えた温度にほぼ等しい。すなわち、この結果は、界面に吸着したAFGP分子によるピン止め効果モデルが有効であることを示唆する。4)ピラミッド面へのAFGP分子の吸着過程の観察の結果、界面に沿った吸着分子の拡散が吸着量の変化に大きく寄与することが明らかになった。5)一方、界面へのAFGPの吸着で成長が抑制されている面に、新しい成長界面が現れると、吸着していたAFGPは結晶内に取り込まれること無く、界面から離れて水溶液側に拡散することが観察された。

すなわち、界面へのAFGPの吸着は、従来考えられている強固な結合と言うよりも、可逆性の強い吸着であることが示された。1.不凍糖タンパク質(Antifreeze Glycoprotein, AFGP)の凍結抑制機能を解明するために、AFGP水溶液中で氷結晶の自由成長実験を行い、共焦点蛍光顕微鏡でその場観察した。AFGP分子を蛍光分子(FITC)によりラベルすることで、結晶の成長過程におけるAFGP分子の空間分布を明らかにした。結晶成長温度が-0.05°Cのときに、界面吸着したAFGP分子間の間隔が21nm±4nmであることが明らかになった。この値から、ギブストムソン効果で界面の融点降下温度を見積もると1.2°C程度であることが予測された。しかしながら、新しいい界面が生成された時点で、AFG分子の界面吸着量がわずかであってもすでに界面の結晶成長は完全に停止することが実験的に示された。すなわち、この事実が示す結論は、氷/水界面へのAFGP分子の吸着挙動は、単に界面に沿った拡散や水溶液相から直接吸着する分だけでは説明できないことを示している。2.この実験結果をもとに、本研究の結論として新しいタンパク質分子の界面吸着モデルを構築した。それは、二段階可逆吸着モデル(2-step reversible adsorption model)と呼ばれるもので、界面へのAFGPの吸着がまず弱い吸着(不完全吸着)で起こり、それに引き続き強い吸着(完全吸着)の状態に移行する。このモデルにより、初めてAFGP水溶液中で観察される氷結晶成長の熱ヒステリシス現象が合理的に説明された。3. AFGP分子は、氷結晶の再結晶化も抑制することが知られているが、再結晶過程を蛍光顕微鏡で詳細に観察した。その結果、結晶粒界の三次元ネットワークの観察がはじめて可能になり、実際に再結晶が抑制されることを明らかにした。