hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
微生物機能解析に基づく生物学的環境修復技術の新展開

バイオレメディエーション技術を新たに展開させるために必要とされる「浄化作業期間の正確な推定技術の開発」及び「浄化能力の向上化」に取り組むため、本研究では、新たな解析手法であるSIP (stable isotope probing)法を用いて、土壌地下水汚染物質であるテトラクロロエチレン等の揮発性有機塩素化合物及び油の分解を担う機能微生物を検索・同定し、それらの挙動を把握する技術を開発した。また、分解微生物ネットワークの一端を解明した。バイオレメディエーション技術の新たな展開に必要とされる「浄化作業期間の正確な推定技術の開発」及び「浄化能力の向上化」に取り組むため、本研究では新しい解析手法であるSIP(Stable Isotope Probing)法を取り入れて、環境汚染物質である揮発性有機塩素化合物(テトラクロロエチレン(PCE)類)や油の分解を担う機能微生物を検索・同定し、それらを定量化する技術の開発を行う。このため、上記汚染物質分解の解析に最適なDNA-SIP法とRNA-SIP法の条件検討、次いでその活用を行う。得られた結果を総合して汚染土壌・水浄化への適用法を検討し、現在の浄化技術が抱える課題を解消した新しい生物的浄化技術の確立を目指す。本年度は主にDNA-SIP法の開発・適用に取り組み、以下の成果が得られた。1.嫌気的な油分解に関与する微生物群集体を明らかにするため、^<13>Cでラベルされたトルエン、ベンゼン等を用いて分解実験を行い、トルエンが顕著に分解される嫌気分解系を構築することに成功した。この系を用いて、分解に関与する微生物群集体の解明を行っている。2.嫌気的なPCE分解に関与する微生物群集体を明らかにするため、^<13>CでラベルされたPCEを用いて分解実験を行い、分解産物としてトリクロロエチレン、ジクロロエチレン、メタン等を検出し、嫌気分解系の構築に成功した。この系を用いて^<13>CでラベルされたDNAを調製することに成功し、その構成種を解析した。バイオレメディエーション技術の新たな展開に必要とされる「浄化作業期間の正確な推定技術の開発」及び「浄化能力の向上化」に取り組むため、本研究では、新たな解析手法であるSIP(stable isotope probing)法を用いて、土壌地下水汚染物質であるテトラクロロエチレン等の揮発性有機塩素化合物及び油の分解を担う機能微生物を検索・同定し、それらの挙動を把握する技術の開発を行う。本年度は、油分解系の確立と共に揮発性有機塩素化合物の分解過程をSIPによって解析した。まず、代表的な油構成成分であるトルエンとベンゼンについて安定同位体化合物を用い、それらの自然界におけるナチュラルアテニュエーションの場として考えられる嫌気条件下で分解反応を行った。その結果、ベンゼンについては明確な分解が認められなかったがトルエンは分解され、SIPを用いた実験系が確立された。本系を用いた解析の結果、^<13>Cを同化してDNAに取り込んだ微生物群として硫酸還元菌やフェノール分解菌が検出され、分解の主力を担っていることが推察された。次いで、揮発性有機塩素化合物の分解に関与する微生物の検討を行った。^<13>C-テトラクロロエチレン(PCE)を用いた分解実験の結果、供試した嫌気的土壌ではPCEを同化代謝によって分解する微生物は極めて少数であり、殆どは異化代謝によって分解される可能性が示唆された。そこで、安定同位体で標識した生育炭素源を用いる新たな手法Stable Isotope Differential Probing(SIDP)法を考案し、その手法の開発を行い、本手法によってDehalobacter等の脱ハロ細菌の存在を明らかにすることが出来、異化的分解反応の解析に有効であることが示された。バイオレメディエーション技術を新たに展開させるために必要とされる「浄化作業期間の正確な推定技術の開発」及び「浄化能力の向上化」に取り組むため、本研究では、新たな解析手法であるSIP(stable isotope probing)法を用いて、土壌地下水汚染物質であるテトラクロロエチレン等の揮発性有機塩素化合物及び油の分解を担う機能微生物を検索・同定し、それらの挙動を把握する技術の開発を目的とした。まず、油の代表的な構成成分であるベンゼンを好気的に分解し、分解されていることを確認できた系に安定同位体でラベルしたベンゼンを加えてSIPを行った。13C-DNA画分をDGGEで調製・解析することにより、ベンゼンを直接的に分解する役割を担っている微生物集団を明らかにすることが出来た。

前年度に行った13C-テトラクロロエチレン(PCE)を用いた分解実験の結果、テトラクロロエチレンは嫌気的環境下で異化代謝によって分解されることが明らかになったため、安定同位体で標識した生育炭素源を用いる新たな手法Stable Isotope Differential Probing (SID-P)法を実行し、Dehalobacter restrictusに相同性の高い細菌が脱ハロ分解菌として分解の主役として働くことを初めて明らかにすることが出来た。また、Dehalococcoides ethenogenesを含む分解複合系にSID-Pを適用し、確実に本菌株を検出出来たことから、SID-P法が異化的分解反応の解析に有効であることを示した。さらに、分解は複合系で行われることから微生物問の相互作用の解明も行い、その観察法及び細胞間コミュニケーション物質による相互作用を明らかにした。
非線形分散型方程式の初期値問題の研究

前年度では空間二次元での一般化ザハロフークズネツォフ方程式の初期値問題に対する適切性をモジュレーション空間の枠組みで考察した。その結果はWang-Huang(2007)による空間一次元でのg-KdV方程式に対する結果と類似したものであった。そのため、方程式のもつ構造の関連性から空間三次元以上でも同様の結果が得られるのではないかと予想していた。しかし、発展作用素の相関数の構造が二次元と三次元以上とでかなり異なり、性質がより複雑になるため、必要となるであろう時空間線形評価式が構成できておらず解決に至ってはいなかった。そこで、空間三次元以上でも同様の結果が得られるのかが本年度の課題の一つであった。解の適切性を得るためにはいくつかの時空間に関する線形評価式が必要となるが、空間二次元の場合と同様、特に最大値関数評価式と呼ばれる評価式について考察した。上述のように、三次元以上では相関数の構造が複雑になるため、一次元や二次元の場合には出てこなかった困難さが新たに生じる。しかし、それぞれの場合分けの状況に応じて相関数の主要部とそれ以外の部分を適切に分け、各場合に対して適切な道具を用いることによってこの問題の解決することができ、全次元で同様の評価式を得ることができた。その結果として、この初期値問題の解の適切性をモジュレーション空間の枠組みで得ることができた。また、得られた時間大域解は線形解へ漸近することも分かった。今年度は上記内容に加えて、(オリジナルの)ザハロフ-クズネツォフ方程式についての研究も行う予定だったため、この研究に必要であろうフーリエ制限法(ブルガン空間)に関する勉強を行っていた。しかし、フーリエ制限法についての論文が非常に難解であったこと、読むべき論文が非常に多かったことから、思うように研究を進めることができなかった。このことについては来年度以降も続けていきたいと考えている。28年度が最終年度であるため、記入しない。非線形分散型方程式の初期値問題について研究し、以下の成果を得た。まず、線形解に関連する相関数が多項式の場合に対する時間減衰評価式について考察した。既存の結果では時間減衰度は相関数の最大次数と最小次数に依存して決定されていた。しかし、相関数が持つ性質をもとに詳細に解析することで既存の結果よりも良い時間減衰度をもつ評価式を得ることが出来た。また、時間周波数解析の一種である短時間フーリエ変換をもとに定義されるモジュレーション空間を用いた研究も行った。まず、べき型非線形項を持つ高次シュレディンガー方程式に対して応用し、新しいクラスに属する時間大域解を構成することが出来た。これは2007年にWang-Hudzikによって構成された時間減衰評価式の持つ時間減衰項に着目することで実現された。次に、二次元上の一般化ザハロフ-クズネツォフ方程式に対する解はモジュレーション空間上では正則性がゼロでも時間大域的に適切であることがわかった。この結果は、最大関数評価式をモジュレーション空間の枠組みの中で新たに構成し直すことで得られた。また、得られた解は線形解に漸近することもわかった。今年度は偏微分方程式論だけでなく、α-モジュレーション空間と呼ばれる関数空間についての基礎研究も行った。α-モジュレーション空間はモジュレーション空間とベゾフ空間を結びつけることを目的として導入された関数空間である。さて、Lpソボレフ空間とモジュレーション空間およびベゾフ空間との包含関係は完全なものがすでに決定されている。したがって、α-モジュレーション空間との場合にはどのように決定されるのかという自然な疑問が生じる。この疑問への答えとして、α-モジュレーション空間と同値なノルムを新たに構成することで、完全な包含関係を決定した。本研究のポイントである線形評価式の構成について、相関数が多項式の場合には改良することが出来た。また、モジュレーション空間の応用についても、べき型非線形項および分型非線形項を持つ分散型方程式の初期値問題に対して時間大域解を構成することが出来た。また、分野を超えての研究も行い、成果を得ることが出来た。以上のことから、おおむね順調に進展しているように思える。

しかし、それぞれの場合分けの状況に応じて相関数の主要部とそれ以外の部分を適切に分け、各場合に対して適切な道具を用いることによってこの問題の解決することができ、全次元で同様の評価式を得ることができた。その結果として、この初期値問題の解の適切性をモジュレーション空間の枠組みで得ることができた。また、得られた時間大域解は線形解へ漸近することも分かった。今年度は上記内容に加えて、(オリジナルの)ザハロフ-クズネツォフ方程式についての研究も行う予定だったため、この研究に必要であろうフーリエ制限法(ブルガン空間)に関する勉強を行っていた。しかし、フーリエ制限法についての論文が非常に難解であったこと、読むべき論文が非常に多かったことから、思うように研究を進めることができなかった。このことについては来年度以降も続けていきたいと考えている。今後の研究内容としては、まず三次元上のザハロフ-クズネツォフ方程式でも二次元上のものと同様の結果が得られるかを考察したい。次に、「一般化」したものではなく、オリジナルおよび修正ザハロフ-クズネツォフ方程式についての研究を行う。また、当初の計画のうち、他と比べて多少進行が遅れている一般的な相関数に関する時間減衰評価式および時空間線形評価式の構成に関する研究にも注力し、掲げていた目標の達成を目指したい。28年度が最終年度であるため、記入しない。
細胞防御機構における新規発見Cl^-チャネルの役割のパッチクランプ法による解明

胃酸分泌細胞は、細胞防御機構を研究する上で最も優れたモデルである。研究代表者(酒井)は最近、ウサギ胃酸分泌細胞膜において細胞防御機構および生命維持機構に関与している塩素イオンチャネル(Cl^-チャネル)を発見した。本研究ではまず、このCl^-チャネルの調節機構をパッチクランプ法により細胞生理学的に解明することを目的とし、以下のような新しい知見を得た。1.胃酸分泌細胞の細胞防御Cl^-チャネルの活動はGTPタンパク結合を介して抑制された。この調節機構には細胞内サイクリックAMPやカルシウムイオン(Ca^<2+>)は関与しておらず、活性酸素の1種であるスーパーオキシドアニオン(O_2^-)がメッセンジャーとして関与していることが明らかとなった。このようなチャネル調節機構の報告例はこれまでにない。一般に活性酸素は生体の種々の重要な構成成分と反応して、損傷や障害を引き起こすことが知られているが、このような細胞機能調節因子としてのO_2^-の役割は非常に興味深い。2.GTP結合タンパクとカップルしたO_2^-産生源について検討したところ、細胞内小胞体に存在するシトクロームP_<450>であることが示唆された。3.一方、このチャネルの活動はプロスタグランジンE_2(PGE_2)により活性化されるが、PGE_2による活性化機構に細胞内Ca^<2+>濃度上昇およびサイクリックGMP(cGMP)濃度上昇が関与することがわかった。胃酸分泌細胞において、PGE_2がcGMPを上昇させるという報告はこれまでになされていない。また、このCl^-チャネルの一次構造を明らかにするため、抗体の作製にも着手している。現在、チャネル活性を阻害する抗体のスクリーニングをパッチクランプ法により行っている。
カプサイシンを利用した、骨欠損修復メカニズムにおける感覚神経の役割に関する研究

ラットを用いて感覚神経の機能を抑制し、骨修復を検討した。ラット頭頂骨に規格化した骨欠損を作製し、Capsaicinを投与した実験群と投与しない対照群との間で、経時的な修復骨量をX線画像により、また骨形成と骨吸収の活動性をオステオカルシンとカテプシンKのmRNA発現により、それぞれ定量的に解析し比較検討した。本研究で、感覚神経が骨修復過程において、リモデリングの制御に関与していることが示唆された。本研究計画では、カプサイシンを用いて感覚神経を麻痺させた状態(実験群)での骨欠損修復と、正常な状態(対照群)での骨欠損修復とで、経時的修復骨量および骨芽細胞と歯骨細胞の活性について比較検討し、骨修復メカニズムにおける感覚神経の関与を明らかにすることを目的とする。平成20年度では、wistarラットを使用してカプサイシン投与による感覚神経麻痺モデルの作製を目指した。Tween-80とエタノールと生理食塩水を1:1:8の割合で混合した溶媒にカプサイシンを加え、実験群である生後9週齢のラットの背側皮下に、午前に1回、午後に1回、翌日午前に1回の計3回の投与を行い、投与後1週間でカプサイシンの効果を確認するためeyewiping testを実施し、カプサイシンの投与量を決定した。また、予備的実験ではあるが、一部は眼神経を摘出して透過型電子顕微鏡にて感覚神経の破壊・変性を観察することで、カプサイシンの効果の確認を行った。さらに、生後10週齢のwistarラットの頭頂骨に直径3.8mmの規格化骨欠損を作製する手技を習得した。以上、育児休暇に入るまでの3ヶ月間で、カプサイシンの投与量、投与時間、投与期間を決定し、カプサイシン投与による感覚神経麻痺モデルをほぼ完成させた。休暇明けからは、実験群と対照群とで頭頂骨に規格化骨欠損を作製し、骨欠損修復時の骨芽細胞と破骨細胞の活性に関して、各細胞のマーカー分子のmRNA発現をリアルタイムPCR法を用いて定量的に解析する予定である。本研究計画では、カプサイシンを用いて感覚神経の機能を抑制した実験群と感覚神経の機能が正常な対照群とで、骨欠損修復における経時的修復骨量および骨芽細胞と破骨細胞の活性について比較検討し、骨修復メカニズムにおける感覚神経の関与を明らかにすることを目的とする。平成21年度では、感覚神経の機能を抑制するために用いる薬剤であるカプサイシンの効果を判定するために、実験群と対照群の両群において投与後1週・2週・3週・4週・6週の時点でEye wiping test(痛覚テスト)を施行し、投与前と比較検討した。その結果、カプサイシン投与により痛覚が4週まで抑制され、6週で回復することがわかった。痛覚は投与後1週で最も抑制され、その後徐々に回復傾向を示した。また、実験群と対照群で、投与前・投与後1週・2週・4週・6週の時点で2%パラホルムアルデヒドと2%グルタールアルデヒドとの混合液で灌流固定後三叉神経を摘出し、4%四酸化オスミウムで後固定して樹脂包埋後薄切切片を作製した。切片を酢酸ウランで染色後に鉛染色を施し、透過型電子顕微鏡にて観察した。その結果、カプサイシン投与による感覚神経の構造破壊・変性は見られなかった。現在、ラット頭頂骨に直径3.8mmの規格化骨欠損を作製し、実験群と対照群とで術後2週・4週・6週における骨修復量を、統計学的に比較検討を行っている。平成22年度では、ラット頭頂骨に直径3.8mmの規格化骨欠損を作製し、実験群と対照群とで術後2・4・6週における骨修復量を、軟X線写真撮影を行い二次元的に計測し、統計学的に比較検討した。その結果、対照群と比較して実験群では修復骨量のばらつきが大きくなることがわかった。感覚神経が機能しなくなると、骨の過形成あるいは骨吸収が起こるなど、骨修復が正常に進まなくなると考えられる。つまり本研究結果は、感覚神経が骨欠損修復における骨形成や骨吸収の制御に関与することを示唆していると思われる。また、骨欠損修復時の骨形成系のタンパクと骨吸収系のタンパクの活性を調べるため、オステオカルシンとカテプシンKのmRNA発現をリアルタイムPCR法を用いて定量解析した。実験群と対照群のラット頭頂骨に、上記と同じ規格化骨欠損を作製し、術後1週・2週・3週・4週・6週におけるオステオカルシン(骨芽細胞のマーカー分子)とカテプシンK(破骨細胞のマーカー分子)のmRNA量を測定した。現在は、リアルタイムPCR法を用いて定量解析したmRNA発現について、実験群と対照群とで統計学的に比較検討中である。

本研究計画では、骨欠損修復メカニズムにおける感覚神経の関与を明らかにすることを目的として、ラットを実験動物とし、カプサイシンを用いて感覚神経の機能を抑制した実験群と感覚神経の機能が正常な対照群とで骨欠損修復における経時的修復骨量および骨芽細胞と破骨細胞の活性について比較検討した。平成23年度は、骨欠損修復時の骨芽細胞と破骨細胞の活性を調べるために、それぞれのマーカー分子であるオステオカルシンとカテプシンKのmRNA発現を定量解析した。ラット頭頂骨に直径3.8mmの規格化骨欠損を作製し、実験群と対照群とで術後1・2・4・6週における修復骨部のオステオカルシンとカテプシンKのmRNA発現をリアルタイムPCR法を用いて定量し、統計学的に比較検討した。その結果、オステオカルシンとカテプシンKのmRNA量は、両分子ともにどのタイムポイントにおいても有意差が認められなかった。また、骨修復部のX線写真上で、実験群にのみ正常な治癒過程に至らず既存の骨部の吸収を起こす例が2例認められた。その部位を組織学的に観察したところ、両試料ともに、骨吸収部に破骨細胞と考えられる多核の細胞が見られた。そして、これまでの研究成果をまとめ、Journal of Electron Microscopy 60(6):393-400に掲載した。現在、この研究で利用したカプサイシンが三叉神経に与える影響について検討中である。透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて三叉神経の形態学的変化を観察し、さらに痛覚の神経伝達物質であるsubstance PのmRNA発現を経時的に定量解析し、統計学的に検討予定である。
術中輸液剤としての高張食塩水の安全性および有効性の研究

28才80才(平均53.2才)の婦人科領域の開腹手術を3群に分け、乳酸加リンゲル液10ml/kg(LR群)、3%高張食塩水2.5ml/kg(HS群)および3%食塩水・6%HES(ヘスパンダー^<(R)>)混合液4.2ml/kg(HS+HES群)をそれぞれ30分かけて投与した。その後、L_<2/3>間より挿入した硬膜外カテーテルから12%メピバカインを614ml(平均11ml)硬膜外に注入し、注入前後の循環動態および電解質を検討した。LR群の硬膜外前の収縮期血圧は平均127mmHgで、メピバカイン投与15分後には102mmHgと低下した。脈拍も77回/分から70回/分と低下した。血圧低下により、エフェドリンを使用した症例が14%あった。血圧および脈拍の変動とエフェドリンの使用については、HS群とHS+HES群においても、LR群と差がなかった。LR群の硬膜外前のナトリウムは平均140mEq/Lであり、メピバカイン投与15分後には138mEq/Lとわずかに低下した。HS群およびHS+HES群のナトリウムは、メピバカイン投与15分後にそれぞれ146mEq/L、145mEq/Lと有意に上昇した。本研究で投与されたナトリウム量は、3群とも1.3mEq/kgである。ナトリウム投与量を等しくすると、高張食塩水や高張食塩水と代用血漿剤の混合液は、乳酸加リンゲル液と比較してわずかな輸液量で、同等の循環動態をもたらした。またこの程度の高張食塩水の輸液量では、血清ナトリウムは正常範囲内であり、安全であると考えられた。
新たなネットワーク中心分子を標的とした効率的な癌治療法を開発するための基礎的研究

癌の生物学的特性は,ネットワーク「中心性」を示す遺伝子群により決定付けられている。これらの遺伝子は癌以外に多くの病態に関わるため,ネットワーク構築に占める中心性因子の機能を解明することは,広い医学分野で必要である。私たちはネットワーク中心性を持つ遺伝子を発端とし,システム生物学に軸足を置いて遺伝子の持つ中心性の数学的な掘り下げを行い,遺伝子間の相互依存性を定式化することに成功した。さらに,特定された遺伝子間相互依存性を情報科学の方法論に従って解釈することにより,未知遺伝子の機能を高速に計算できるようになった。本成果により,疾患関連遺伝子の同定や治療標的の発見が期待できる。26年度は主にinformaticsの方面で2つ,当初予定を超えた発展が得られた。1Informaticsの展開私たちが開発した手法は,効率的に遺伝子の性質を知る方法である。26年度はこの方法の有効性を検証するために,対象遺伝子を拡大した。この目的で多くの研究室と共同研究を行い,検証作業を進めてきた。現在,タンパク遺伝子のみならずnon-coding geneへの適用を念頭に準備を進めている。2癌遺伝子解析ツールの開発私たちは癌関連遺伝子のデータベース検出を容易にする方法(STAIC, A Strategic Tool for Cancer Genome Analysis)を開発した。これは癌関連遺伝子を効率的に検出するアルゴリズムを組み合わせたinformatic toolである。STAICは,既に多種類の悪性腫瘍について既知の癌関連遺伝子の90%以上を検出することに成功している。このSTAICを用いることで,明らかな癌関連性を示しながら未報告の遺伝子が非常に多数有ること,予後に強く関連する遺伝子が数多く有ることが明らかとなった。【1ネットワーク生物学の理論体系化】私たちが開発したab initio法は,遺伝子の相互関係を数値化することで,遺伝子機能を詳細に計算する方法である。この方法が正しく作動する事実は,染色体がコードする遺伝情報の本質について,重要な示唆を与えている。そこで私たちは,数値化される遺伝子間相互作用の特性分析を進め,より一般化した数学的・物理学的手法による理論構築を行うことに成功した。【2新しい腫瘍関連遺伝子の機能解析】昨年度に開発したSTAICによって,新しい予後関連遺伝子を発見することが極めて容易になった。さらに上記のab initio法を組み合わせることにより,発見した予後関連遺伝子の機能解析が極めて高速となる。これらを用いて数種類の癌について予備的検索を進めたところ,治療・診断の観点から重要な遺伝子を発見することができた。NIRF/UHRF2ノックアウトマウスの表現型解析から,腫瘍形成に絡む基本的病態に関わることが示唆された。今回の研究は,ネットワーク中心因子NIRF/UHRF2の腫瘍生物学的解析に端を発している。実際,ノックアウトマウスを用いた表現型解析により,腫瘍形成との関連性を強く示唆するデータが得られてきた。しかしこの過程で,腫瘍関連遺伝子に限らず,遺伝子ネットワークが持つ一般的な性質が明らかとなった。さらに,明確になったこれら一般的性質に立脚することで,幅広い種類の遺伝子のネットワーク機能を計算する方法を開発することができた。特に数学的な手法を用いることによって,ゲノムがコードする遺伝情報の原則を数式化できたことは,システム生物学としてさらなる応用発展が望める成果である。現在,特許出願と論文報告の準備を進めている。上述の通り,腫瘍関連遺伝子に限定した研究から,ゲノムにコードされる遺伝子一般を対象とする研究へと,方針を変更したことになる。ところが結果的には,出発点の遺伝子NIRF/UHRF2に留まらず,多くの腫瘍関連遺伝子についても,ab initio法のネットワーク解析に基づいて分子機能を割り出すことが可能となった。実験を中心とした従来の観点に留まることなく,方法論を敢えて大きく拡張することにより,初期目的が有効に達成されつつあると言える。研究計画調書に記載した通り,25年度は「UHRF familyが癌に関与する分子機構の解明」がテーマであり,下記の2つの面で進捗が得られた。これらを手掛かりにwet実験で検証していくことが次年度以降の新たな課題となった。UHRFは細胞周期因子と相互作用することなどから,癌関連性が予想されてきた。しかしその生理機能についてのコンセンサスは得られていない。ここで想起すべきUHRFの特徴は,分子上に機能ドメインが多数存在し,各々全く異なる分子モジュールと相互作用することである。これは現在主流のドメイン別解析だけでは,全体像を知ることが極めて難しいことを示している。もちろん生理機能が把握できなければ,治療法開発は不可能である。そこで私たちは,ビッグデータを用いて未知遺伝子の生理機能を推定する手法(Ab initio prediction of gene function)を開発した。

これは米国TCGA (The Cancer Genome Atlas)に記録された全癌・全症例・全遺伝子についての情報を基に,独自開発アルゴリズムで約10億回の計算を行い,染色体上全遺伝子の相互関係を数値化するとともに,統計学的に生理学的意味付けを行う手法である(発表準備中)。この手法は事前情報を必要とせず,遺伝子の生理的機能の全体を把握できる。これを用い,UHRFfamilyがDNA安定性と細胞周期制御に関わる様相を,高い統計学的有意性(1E-10程度)で把握できるようになった。これは私たちのwet実験結果を裏書きしている。【UHRFとヒト腫瘍との関連性】以上のin silico解析に伴い,UHRFが腫瘍の発生・予後に関わる様相についても次第に明らかになり,これまでの知見に加え,NIRF/UHRF2が白血病の予後にも非常に大きく関わることが判明した。初年度ではUHRFfamilyの分子機構の概略を把握することが目標であり,特にネットワーク情報を活用することを当初から重要視していた。Wetでの検証実験こそ次年度に持ち越しとはなったが,ab initio法で,既に分子機能について多量の情報が得られており,検証すべき範囲を効率的に絞り込めたことは予想以上の成果だった。また,白血病での病態関連性は,現在報告されている他の遺伝子より大きいものであった。自験例での確認にも成功しており,これも予想を超える収穫だった。当初予想されたNIRF/UHRF2のネットワークを,インフォマティクスという,実験とは全く異なる角度の手法により確認することができた。また,この手法を一般化することで,細胞周期やチェックポイントに関わる経路全体を俯瞰することが可能となった。一方,STAICの開発も癌関連遺伝子の発見を容易にするもので,成果公開によってこの方面の進歩に貢献できると思われる。もともとab initio法(非経験的遺伝子機能解析法)は,実験を必要としない,高速かつ詳細な遺伝子機能解析法として編み出されたものである。しかし,その方法論の開発過程において,ゲノムがいかにして複雑な遺伝情報をコードしているのかについて,重要な知見が得られた。現在,数学的・物理学的手法によって理論の体系化,ならびに本計画研究の精緻化に成功しつつある。一方,NIRF/UHRF2のモデルマウスの表現系解析は,マウスが増えにくいという特殊性があるにも関わらず,着実に成果を上げつつある。28年度においては,腫瘍発生のどの段階でNIRFが絡んでいるかについて絞るための実験を進行させる。Abinitio法の特許出願を行うため,研究成果の公表は行っていない。システム生物学初年度の進捗を踏まえ,次の3点に焦点を絞って検討を進める。【遺伝子間相互作用の数学的基礎】私たちのAbinitio法では,遺伝子間の相互排他性と協調性を基に解析を実行しているが,この現象が生じる機序は未知である。
乳汁に含まれる膜小胞含有RNAの生物学的機能の解明

マンモソームを介した細胞間での遺伝子のやり取りの可能性を探るために,ウシマンモソームを培養下のNIH-3T3繊維芽細胞に添加して一定期間インキュベートした。細胞を十分洗浄後,RNAを抽出し,乳汁関連遺伝子(αs1-casein,αs2-casein,β-casein,β-lactoglobulin)に対する特異プライマーを用いてRT-PCRを実施した。調べたいずれのRNAも増幅されたことから,マンモソームを介して細胞への遺伝子移入の可能性が強く示唆された。また消化管内での取り込みを想定し,乳汁を酸性条件下で一定期間インキュベートした後,超遠心分離法によりマンモソームを調製し,引き続いてRNAを調製したところ,未処理サンプルと同程度のRNAが抽出された。さらに含まれるmRNA(αs1-casein,β-casein,β-lactoglobulin)およびmiRNA(miR-93,miR-101,miR-150)量をリアルタイム定量RT-PCR法あるいは半定量的RT-PCR法により測定したところ,酸処理と未処理群間で有意な差が認められなかったことから,マンモソームは腸管内でも比較的安定に存在出来る可能性が強く示唆された。またマンモソームに内包されるmRNAのうちαs1-casein,β-caseinはin vitroで翻訳されることも併せて明らかとなった。さらに予備的実験ながら,MFG-E8ノックアウトマウスの乳汁には野生型マウスと同程度のマンモソームRNAが含まれることも明らかとなった。取扱いの簡便さを考慮し,まずウシ初乳および常乳を対象とした。ウシ乳汁より低速遠心分離により乳脂肪,カゼインを除き、得られた乳清画分より超遠心分離法により膜小胞画分を得た。得られた膜小胞画分には,電子顕微鏡観察により直径50150nm程度の膜小胞が認められた。分光光度法による定量の結果,初乳,常乳6mlにはそれぞれ約1700ng,1000ngのRNAが含まれることが明らかとなった。乳汁には非常に多くのRNaseが含まれることから,得られたRNAは膜小胞に内包され,外部のRNaseから保護されていると考えられる。バイオアナライザーによる分析により乳汁由来膜小胞にはリボゾーマルRNAがほとんど含まれないこと,低分子量のRNAが多く含まれることも明らかとなった。得られたRNAより逆転写反応によりcDNAを合成し,RT-PCRを実施したところ,カゼインやβ-lactoglobulinを始めとする乳関連遺伝子転写産物が含まれることが明らかとなった。また乳関連および免疫関連miRNAが含まれることもリアルタイムRT-PCR法により明らかとなった。またマウス常乳を用いて膜小胞の調製を上記と同様な方法で行った。得られた膜小胞画分からRNAを抽出したところ,マウス膜小胞にはウシ乳汁に比べ約100倍高濃度でRNAが存在していることが明らかとなった。乳関連遺伝子産物が含まれていた他,調べた16種のmiRNAの存在も明らかとなった。現在マイクロアレイ解析も実施している。またマウス乳汁膜小胞のプロテオミクス解析を試みたが,乳タンパク質が予想以上に混入することから,膜小胞の新たな精製法を確立したのち,再度実施する予定である。
積分方程式法に基づく,液体の非経験的電子状態理論の構築

大部分の液体の積分方程式理論においては、分子間の相互作用を相対的距離の関数を用いて表現する。これに対して、一般の分子軌道法に基づく手法では三次元実空間における相互作用を前提としている。このために、両者の間を直接関連付けることは困難である。前年度までの研究から、本研究課題を実現する上での最大の問題の一つは、以上の様な分子積分の方向依存性の実際的な処理であることが解った。これらを受て、今年度は、(1)三次元実空間と相対距離で定義される空間(Distance Geomtry)との関連を明らかにするとともに、(2)スペクトル表示による擬ポテンシャル法を用いて、電子状態・液体構造を決定する方法の開発に取り組んだ。(1)は前年度からの継続であり、二つの空間表現を結びつけるためには、誤差関数を最小化する方法と計量行列を直接対角化する方法の二つがあることが解った。特に前者はRISMなどの相互作用点モデルの計算結果の解析に有効な方法となることを示し、学術論文として発表した。一方(2)は上述の問題点を、sおよびp型関数の場合に解決する方法を考案し、プログラムを作成の上、Ne原子からなる単純液体の系の計算を行い、本研究課題の目的であった、液体を非経験的電子状態理論に基づいて実際に計算できることを示した。新しいこの方法では、温度や密度によって電子分布の広がり方が変化していく様子を正しく記述することが可能である。この方法は、溶媒和電子をはじめとした、従来法では不可能であった系の計算など、今後の発展が期待できる。この結果については現在発表準備を進めている。研究課題の理論構築・プログラム化を行う上での問題点について検討を行うとともに、新法と同じ理論背景を有する3D-RISM-SCF法の開発・応用計算を行った。(1)積分方程式(OZ法)と非経験的分子軌道法とを結合した新しい理論の試験的プログラムを作成し、最小基底関数系のAr液体に対する計算を行った。得られた液体構造は、これまで知られている古典液体とよく合致していたが、同法で得られた動径分布関数は量子的効果を反映して短いサイト間距離領域で僅かに立ち上がりが異なっていることを見いだした。より一般的な系への応用のためには角度依存性を反映する分子積分が必要であり、現在検討を行っている。(2)Kovalenko・平田によって近年提案された新しい積分方程式理論(3D-RISM法)は、従来のRISM法を三次元空間へ拡張した方法であり、溶媒和構造を動径方向へ射影して表現する必要がなく、溶媒和構造に関するより詳細な知見を直接的に得ることができる。そこで同法と非経験的分子軌道法と結びつけた新しい方法である3D-RISM-SCF法の開発を行った。新しい方法では溶質分子周辺の溶媒和構造が三次元情報として得られるので、これまでRISM-SCF法の問題点の一つとされていた、電子状態(分布)の点電荷への変換を不要とした。水中の一酸化炭素について調べたところ、溶質分子周辺の水分子の分布は、従来のRISM-SCF法で得られた結果と概ね良い一致を示しているが、一方で、RISM-SCF法では見いだされなかった水素結合構造の存在が示唆された。同法の実際の計算アルゴリズムは、フーリエ展開した分子積分を直接求めることで計算精度・効率の向上を計っている。同分子積分を計算するためのサブルーチンは、本研究課題で掲げた新法を更に三次元空間へ拡張する上で共有できるものである。
固体における集団スピンのエンタングル状態の実現と集団量子計算の提案

固体中の集団スピンの集団性を利用した新しい計算手法の提案とその物理現象の解明について研究を進めた。特にそのために必要な半導体の試料構造を作成し、基礎的物性を電気伝導と光学手法を用いて評価し、最適化を図った。特に電子スピンと核スピンに注目し、半導体量子構造中のスピン制御を行った。本研究の目的は、固体中の集団スピンの集団性を利用した新しい量子計算手法の提案とその物理現象の解明である。量子力学的重ね合わせ状態(コヒーレント状態)と超並列性を利用した量子計算の最小基本単位は、1量子ビットであるが、ほとんどすべての系において、単一量子のコヒーレント状態を、1量子ビットとした研究が行われているが、集積化に有利と考えられる固体素子の分野では、単一電子スピンや、単一核スピン等をコヒーレントに制御検出すること自体が技術的に難しいため、2量子ビットを作ることは、いずれの系でも実現されていない。これまでほとんどの系で単一量子の制御を目指して研究が行われてきたが、最近、原子分光の分野で、10^<8-12>個程度のマクロな数の原子集団のスピンを1量子ビットとする試みが進んできた。本申請では、このような集団量子の特性を生かした新たなアーキテクチャを持った固体量子計算を提案し、実現を目指すことを目的とする。本年度は、実際のデバイスと測定装置を作製し、超微細相互作用によって、「集団スピンと電子スピン」、あるいは、「集団スピンと光の偏光」をエンタングルさせることを目標として研究をすすめてきた。測定用試料の作成では、半導体ウエハをフォトリソグラフィー、電子ビーム描画装置などを使って、ナノ構造に加工し、半導体核スピンを電流によって偏極できる試料の作製を行った。測定装置の立ち上げとしては、波長可変のレーザを購入し、半導体からの発光を観測することによって、量子構造と試料の品質の評価を行った。現在のところ20ミリケルビン程度の極低温で光学測定、電気測定を行う実験設備は整ったため、試料のパラメタの最適化を図っている段階である。本年度は、昨年度に引き続き、実際のデバイスと測定装置を作製した。特に測定装置の構築に関しては、ほぼ完成し、極低温(20ミリケルビン)、強磁場(8テスラ)環境でのフォトルミネッセンス測定が可能になった。実際のデバイス作製は、高品質の半導体ウエハが、なかなか得らなかった関係で、試料作成に関しては難航したが、占有率n=2/3の量子ホール状態を光検出し、電子スピン偏極に対応した発光スペクトルの変化を観測することができた。これにより、電流注入により集団核スピンと電子スピンの相互作用を顕著に発現させ、その集団核スピンの状態を光学的な情報として取り出すことが可能となった。また、試料近傍に作り込んだ電極に対し、パルスRF電磁波と、パルス傾斜磁場を効果的に印可することにより、集団スピンの局所的な情報を電気測定によって検出する手法についても一定の成果が得られた。それらの成果をまとめ、学会や論文誌等で発表を行った。
データ駆動パラダイムによるデータベース処理システムに関する研究

本研究は、副作用が原理的に生じない検証性と高度並列・多重処理の能力を併せ持つ、データ駆動型処理原理を基礎として、多様な処理要求に柔軟に対処できかつ高い処理性能と信頼性を有するデータベース処理システムの実現法の確立を目標として開始した。1.図的仕様記述体系の構造体データ処理に関する仕様記述能力の拡張要求仕様記述水準で、利用者の多種・多様な要求に柔軟に対処するために、木構造、ネットワーク図、(関係)表形式や実体関連図などを記述できる、多面的な図的表現手法を導入し、仕様記述体系の構造体データ処理の記述能力を拡張した。2.データ駆動型構造体データ処理モデルに関する研究データベース処理プログラムの実行原理として、状態変数と入力系列によるアルゴリズムの選択、純粋なデータ駆動原理によるアルゴリズムの実行機能、およびアルゴリズム実行部に必要なデータを供給する構造体データ処理機能、に分離した処理モデルが有望であることを明らかにした。3.データベース処理プログラム導出手法に関する研究前述した処理モデルの導入によって、仕様記述水準で対象とする問題の機能ブロック図、状態遷移図およびデータ構造図を詳細に定義することによって、データベース処理プログラムを対話的に導出できる手法を明らかにした。4.データ駆動型データベース処理システムの実現法の検討構造体データを多数の二次記憶に分割記憶し、多数の処理要求に対して、二次記憶間の同時並行処理と同一の二次記憶上でのパイプライン並列処理を行うために、データ駆動型プロセスのパイプラインを動的に生成する方式を提案し、その実現法を検討した。5.データベース処理システムの実験環境の構築と実験的評価現在稼働中の1チップデータ駆動プロセッサを多数用いた実験システム、および設備備品に申請したワークステーション上に構築した実行可能なプログラムの生成系を構築し、本研究で提案した手法を実験的に評価した。本研究は,申請者らが既に提案・研究してきた,仕様記述から高度並列実行に到るまでを統合的に取扱う、新しいデ-タ駆動型処理パラダイム研究の一環として,(1).多面的な図的表現を中心とする仕様記述から,高度並列・分散型に実行可能なデ-タ駆動型デ-タベ-ス処理プログラムを導出する手法,(2).このプログラムを,デ-タ駆動型処理機能を付与した多数の機能的記憶機構からなるシステム上で自律分散的に実行する手法、をそれぞれ明らかにし,多様な処理要求に柔軟に対処可能でかつ高い処理性能と信頼性を維持できるデ-タベ-ス処理システム実現法の基礎の確立を目的としている。研究初年度にあたる本年度の成果は以下のように要約される。1.仕様記述手法に関する基礎的研究:対象とする問題に適した形式で、多様な側面から表現できる多面的記述手法を,デ-タベ-ス処理の観点から検討した結果,デ-タベ-ス処理固有のセマンティクスを反映した、一貫性制約を維持するための情報が自然に導出できる見通しが得られた。2.動的デ-タ駆動型処理モデルの基礎的研究:先の手法から生成されるプログラムの実行原理に,状態依存処理と構造体デ-タ処理を導入した動的デ-タ駆動型処理モデルが有望であることを明らかにした。3.デ-タ駆動型デ-タベ-ス処理の実現法の研究:このモデルに従うデ-タ駆動型デ-タベ-ス処理プログラムを実験的に検証するため,流れ処理概念に基づくデ-タ駆動型プロセッサを処理要素としたマルチプロセッサ構成によるエミュレ-タを構築した。さらに,触媒リングと呼ぶ自己同期型パイプラインを基礎とする高度並列連想処理機構を提案し,このエミュレ-タ上にプロトタイプを実現するとともに,その自律分散型処理を評価する視覚的環境を構築した。

本研究では、要求仕様記述から高度並列実行に到るまで一貫して適用できる新しいデータ駆動パラダイムの研究の一環として、(1).多面的な図的仕様記述からの、高度並列・分散型実行可能なデータ駆動型データベース処理プログラムの導出手法、(2).このプログラムをデータ駆動型処理機能を持つ多数の機能的記憶機構からなるシステム上で自律分散的に実行する手法、を明らかにすることによって、高い処理性能と信頼性を有するデータベース処理システム実現法の基礎の確立を目的としている。今年度の主な研究成果は以下のように要約される。1).図的仕様記述体系のデータベース処理に関する仕様記述能力の拡張要求仕様記述水準で,利用者の多種・多様な要求に対処するために、木構造図、ネットワーク図、(関係)表形式や実体関連図などを積極的に導入した、多面的な図的表現手法を導入し、仕様記述体系の構造体データ処理の記述能力を拡張した。2).データ駆動原理によるデータベース処理モデルの定式化データベース処理プログラムの基本構造を、1).状態変数と入力系列によるアルゴリズムの選択、純粋なデータ駆動原理によるアルゴリズムの実行機能、および2).アルゴリズム実行部に必要なデータを共給する構造体データ処理機能、に分離した処理モデルを採用し、データ駆動型のデータ構造体処理方式を明らかにした。3).データ駆動型データベース処理システムの実現法の検討構造体データを多数の二次記憶に分割記憶し、多数の処理要求に対して、二次記憶間の同時並行処理と同一の二次記憶上でのパイプライン並列処理を行なうための、データ駆動型プロセスのパイプラインを動的に生成する方式を提案し、その実現法を検討した。4).データ駆動型データベース処理システムの実験環境の構築前述の実現法の有効性を検証するため、既設のデータ駆動型プロセッサ上にエミュレーション手法による実験環境、および実験結果の視覚的評価環境を構築した。本研究では、要求仕様記述から高度並列実行に到るまで一貫して適用できるデータ駆動パラダイムの研究の一環として、1).多面的な図的仕様記述からの、高度並列・分散型実行可能なデータ駆動型データベース処理プログラムの導出手法、2).このプログラムをデータ駆動型処理機能を持つ多数の機能的記憶機構からなるシステム上で自律分散的に実行する手法、を明らかにすることによって、高い処理性能と信頼性を有するデータベース処理システム実現法の基礎の確立を目的としている。最終年度の主な研究成果は以下のように要約される。1.データベース処理プログラムの導出手法の定式化前年度に検討したデータベース処理モデルの導入によって、仕様記術水準で対象とする問題の機能ブロック図、状態遷移図およびデータ構造図を詳細に定義することによって、データベース処理プログラムを対話的に導出できる手法を明らかにした。2.データベース処理プログラムの分散配置手法の定式化導出したデータ駆動型データベース処理プログラムを高度並列に処理するため、このプログラムのデータ依存関係に着目した、多数のプロセッサ上への分散配置の手法を提案した。3.データ駆動型データベース処理システムの実験的評価
重症患者の回復期のせん妄・睡眠障害・対光反射と短期ADLとの関連

病気や怪我で重症になった患者は集中治療室(ICU)で濃厚な治療を行うが、回復の過程で一過性の認知症(せん妄)あるいは睡眠障害に陥る。これらの発現には、患者の年齢、重症度、炎症(感染)、神経伝達物質のバランス障害、鎮痛・鎮静薬の影響など様々な因子が複雑に絡み合っている。ICU退室前の、急性期から脱した回復期の患者において神経伝達物質の1つであるアセチルコリンに焦点を当てて、副交感神経支配の対光反射とせん妄発症、睡眠障害との関連を探究する。
微小循環中の物質輸送センシングに基づく光バイオプシー技術の創出

本研究は,ナノ・マイクロスケール熱工学の視点から設計された熱駆動式光MEMSトラッキングを提案し,モーションロバストな測定によって消化器腫瘍部位における微小循環動態の定量的センシングを可能にする内視鏡光バイオプシーデバイスの開発を目的としている.本年度は,提案する測定手法を内視鏡デバイスに実装するための不可欠な要素であるMEMSアクチュエータの設計・作製に取り組んだ.アクチュエータは臓器運動の変位に追従可能な長ストローク(2 mm)・内視鏡先端部に搭載可能な小型(4.5 mm角)・生体内測定に安全な低電圧駆動(≦5 V)といった従来小型アクチュエータにはない革新的な機能を有する必要がある.それらの仕様に対して,熱膨張率が異なる2層ナノ薄膜を通電加熱した際の熱膨張率差による熱駆動原理に着目し,ユニークな曲線構造を有する熱駆動式MEMSアクチュエータを提案するに至った.設計においては,ナノ薄膜特有の熱物性値(線膨張率・熱伝導率など)から材料探索を行い,バイマテリアルデバイスであるMEMSアクチュエータの設計に成功した.また,アクチュエータのMEMSファブリケーションプロセスを考案し,クリーンルーム施設において熱駆動MEMSアクチュエータの作製を行った.プロセスの問題点の洗い出しと改善を行うことで,作製に不可欠なフォトリソグラフィーパラメータ,ウェット・ドライエッチングパラメータ,ダイシングパラメータ,スパッタ成膜パラメータ,PECVD成膜パラメータを明らかにした.その結果、ファブリケーションパラメータを明らかにするばかりでなく、歩留まりを向上させるための新たなプロセス構築も達成した.2018年度は,提案する測定手法を内視鏡デバイスに実装するための不可欠な要素であるMEMSアクチュエータの設計・作製に取り組み,着実に研究を遂行した.アクチュエータは臓器運動の変位に追従可能な長ストローク(2 mm)・内視鏡先端部に搭載可能な小型(4.5 mm角)・生体内測定に安全な低電圧駆動(≦5 V)といった従来小型アクチュエータを凌駕する革新的な機能を有する必要がある.それらの高度な仕様に対して,ナノ・マイクロスケール熱工学の視点から設計を行うことで,ナノ薄膜特有の熱物性値(線膨張率・熱伝導率など)から材料を探索したバイマテリアルデバイスである熱駆動式MEMSアクチュエータを設計した.設計したアクチュエータは,膨張率が異なる2層ナノ薄膜を通電加熱した際の熱膨張率差による曲げを駆動原理とし,ユニークな多層曲線構造を有する.また,アクチュエータのMEMSファブリケーションプロセスを考案し,クリーンルーム施設において設計した熱駆動MEMSレンズアクチュエータの作製を行った.プロセスの問題点の洗い出しと改善を繰り返すことで,ユニーク多層曲線構造の作製に不可欠なフォトリソグラフィーパラメータ,ウェット・ドライエッチングパラメータ,ダイシングパラメータ,スパッタ成膜パラメータ,PECVD成膜パラメータを明らかにした.ファブリケーションパラメータを明らかにするばかりでなく,歩留まりを向上させるための新たなプロセス構築も達成しており,期待以上の研究の進展があった.構築したファブリケーションレシピをもとに設計した熱駆動MEMSアクチュエータを作製し,アクチュエータの動作評価(動作ストローク,温度分布,動作周波数,駆動電圧,再現性,ヒステリシス,長期安定性)を行う.さらに熱駆動MEMSアクチュエータにマイクロレンズをアセンブリすることでマイクロレンズアクチュエータとしての機能を持たせる.これによって臓器運動の変位に追従可能な長ストローク(2 mm)・内視鏡先端部に搭載可能な小型(4.5 mm角)・生体内測定に安全な低電圧駆動(≦5 V)といった革新的な機能を有する熱駆動MEMSレンズアクチュエータをコアとした光MEMS焦点トラッキング機構が構築され,血球細胞からのドップラー信号光を検知するMEMSセンシングシステムが実現する.これまでに,共焦点赤外ドップラー深さ方向1次元センシングによる焦点トラッキングの妥当性を検証しており,それらのセンシング手法をベースにすることで,光MEMSドップラーセンシングシステムへと発展させる.マイクロ流路を有する生体ファントムを振動器に設置し,内視鏡下を模擬して提案システムの妥当性を検証する.収縮運動による測定対象との相対位置変化を光学的に非接触かつ高感度に検知し,作製したレンズアクチュエータにフィードバックさせることで,収縮運動を補正したロバストな焦点トラッキングを行い,定量的な血流量測定(空間分解能: 30 μm・測定深度3 mm・血流量値不確かさ: 1 %)を達成する.本研究は,ナノ・マイクロスケール熱工学の視点から設計された熱駆動式光MEMSトラッキングを提案し,モーションロバストな測定によって消化器腫瘍部位における微小循環動態の定量的センシングを可能にする内視鏡光バイオプシーデバイスの開発を目的としている.本年度は,提案する測定手法を内視鏡デバイスに実装するための不可欠な要素であるMEMSアクチュエータの設計・作製に取り組んだ.

アクチュエータは臓器運動の変位に追従可能な長ストローク(2 mm)・内視鏡先端部に搭載可能な小型(4.5 mm角)・生体内測定に安全な低電圧駆動(≦5 V)といった従来小型アクチュエータにはない革新的な機能を有する必要がある.それらの仕様に対して,熱膨張率が異なる2層ナノ薄膜を通電加熱した際の熱膨張率差による熱駆動原理に着目し,ユニークな曲線構造を有する熱駆動式MEMSアクチュエータを提案するに至った.設計においては,ナノ薄膜特有の熱物性値(線膨張率・熱伝導率など)から材料探索を行い,バイマテリアルデバイスであるMEMSアクチュエータの設計に成功した.また,アクチュエータのMEMSファブリケーションプロセスを考案し,クリーンルーム施設において熱駆動MEMSアクチュエータの作製を行った.プロセスの問題点の洗い出しと改善を行うことで,作製に不可欠なフォトリソグラフィーパラメータ,ウェット・ドライエッチングパラメータ,ダイシングパラメータ,スパッタ成膜パラメータ,PECVD成膜パラメータを明らかにした.その結果、ファブリケーションパラメータを明らかにするばかりでなく、歩留まりを向上させるための新たなプロセス構築も達成した.2018年度は,提案する測定手法を内視鏡デバイスに実装するための不可欠な要素であるMEMSアクチュエータの設計・作製に取り組み,着実に研究を遂行した.アクチュエータは臓器運動の変位に追従可能な長ストローク(2 mm)・内視鏡先端部に搭載可能な小型(4.5 mm角)・生体内測定に安全な低電圧駆動(≦5 V)といった従来小型アクチュエータを凌駕する革新的な機能を有する必要がある.それらの高度な仕様に対して,ナノ・マイクロスケール熱工学の視点から設計を行うことで,ナノ薄膜特有の熱物性値(線膨張率・熱伝導率など)から材料を探索したバイマテリアルデバイスである熱駆動式MEMSアクチュエータを設計した.設計したアクチュエータは,膨張率が異なる2層ナノ薄膜を通電加熱した際の熱膨張率差による曲げを駆動原理とし,ユニークな多層曲線構造を有する.また,アクチュエータのMEMSファブリケーションプロセスを考案し,クリーンルーム施設において設計した熱駆動MEMSレンズアクチュエータの作製を行った.プロセスの問題点の洗い出しと改善を繰り返すことで,ユニーク多層曲線構造の作製に不可欠なフォトリソグラフィーパラメータ,ウェット・ドライエッチングパラメータ,ダイシングパラメータ,スパッタ成膜パラメータ,PECVD成膜パラメータを明らかにした.ファブリケーションパラメータを明らかにするばかりでなく,歩留まりを向上させるための新たなプロセス構築も達成しており,期待以上の研究の進展があった.構築したファブリケーションレシピをもとに設計した熱駆動MEMSアクチュエータを作製し,アクチュエータの動作評価(動作ストローク,温度分布,動作周波数,駆動電圧,再現性,ヒステリシス,長期安定性)を行う.さらに熱駆動MEMSアクチュエータにマイクロレンズをアセンブリすることでマイクロレンズアクチュエータとしての機能を持たせる.これによって臓器運動の変位に追従可能な長ストローク(2 mm)・内視鏡先端部に搭載可能な小型(4.5 mm角)・生体内測定に安全な低電圧駆動(≦5 V)といった革新的な機能を有する熱駆動MEMSレンズアクチュエータをコアとした光MEMS焦点トラッキング機構が構築され,血球細胞からのドップラー信号光を検知するMEMSセンシングシステムが実現する.これまでに,共焦点赤外ドップラー深さ方向1次元センシングによる焦点トラッキングの妥当性を検証しており,それらのセンシング手法をベースにすることで,光MEMSドップラーセンシングシステムへと発展させる.
低加速二次電子像におけるコントラスト増幅観察法の開発

本申請研究では,まずSiGe薄膜における低加速二次電子(SE)像コントラストの問題を取り上げ,系統的なSEM観察と詳細な表面物性計測により像コントラストの成因を探り,これをモンテカルロ理論計算で解析して物理的裏付けのある成因解明を行う.次に,ビームスキャンにより試料表面に導入される汚染(コンタミ)層がSE像コントラストを増幅させる現象について,系統的なSEM観察と表面物性計測により探索する.さらにモンテカルロ理論計算によりコントラスト増幅現象の物理的根拠を明確にしながら,微弱な像コントラストをコンタミ層導入により増幅して可視化する新たな観察技法の構築を目指す.本申請研究では,まずSiGe薄膜における低加速二次電子(SE)像コントラストの問題を取り上げ,系統的なSEM観察と詳細な表面物性計測により像コントラストの成因を探り,これをモンテカルロ理論計算で解析して物理的裏付けのある成因解明を行う.次に,ビームスキャンにより試料表面に導入される汚染(コンタミ)層がSE像コントラストを増幅させる現象について,系統的なSEM観察と表面物性計測により探索する.さらにモンテカルロ理論計算によりコントラスト増幅現象の物理的根拠を明確にしながら,微弱な像コントラストをコンタミ層導入により増幅して可視化する新たな観察技法の構築を目指す.