hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ＧＰＣＲの短寿命ダイマーによる細胞内シグナルの制御：１分子イメジングによる解明

Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の2量体化と下流のシグナル分岐機構は、ほとんど分かっていない。最近の我々の研究によって、GPCRに属する3つの型のオピオイド受容体(ミュー、デルタ、カッパー型)がホモダイマーとヘテロダイマーを作ることが分かってきた。いずれも、寿命は短く、80120ミリ秒程度であり、ダイマーは形成されてもすぐにモノマーへと解離し、モノマーは、またすぐにダイマーを形成する。すなわち、モノマーとダイマーは極めて動的な平衡状態にある。本年度の研究では、以下を明らかにした。(1)昨年度に開発に成功した、超長時間1分子追跡の方法を用い(通常の10倍長く、1分子イメジングが継続できる)、オピオイド受容体が、EBP50と過渡的相互作用することを見いだした。(2)EBP50分子は、細胞質から細胞膜の細胞質側表面へとリクルートされ(何らかの膜分子に結合して)、しばらく拡散運動した後に、EBP50と過渡的な相互作用をした。また、EBP50がアクチン膜骨格に結合して静止したところに、オピオイド受容体が短時間結合するという過程も観察された。(3)3種類のオピオイド受容体を用いて、ヘテロダイマー形成に関与する部位を同定することに成功した。すなわち、オピオイド受容体のN末の40アミノ酸と最初の膜貫通ドメインがヘテロダイマー形成をになっていることを見いだした。これは、受容体のアミノ酸を様々に改変し、また、これらの部位のアミノ酸配列をもつペプチドを合成して添加して見いだしたものである。また、C末の細胞内部分がホモダイマー形成に関わることを見いだした。27年度が最終年度であるため、記入しない。Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の2量体と下流のシグナル分岐機構は、ほとんど分かっていない。最近の我々の研究によって、この分岐機構についての2つの作業仮説が得られた。これを、GPCRに属する3つの型のopioidreceptor (OR ; μ、δ、κ型)、下流シグナル分子(3量体Gタンパク質、GPCRキナーゼ)、及び、ドック(足場)分子複合体(後述)を用いて調べる。2つの仮説は以下の通りである。(1)GPCRのモノマーとホモダイマーが、下流シグナルの選択に関与する。(2)細胞膜内の4種の分子複合体・膜ドメイン(アレスチンドック、EBP50ドック、カベオラドック、ラフトドック)のうち、どれに受容体が取り込まれるかで、下流の選択と、異なった下流シグナルの相対的な強度が決まる。この4種のドックはシグナル変換場であり、下流が異なるというだけでなく、そこでシグナル分子との結合速度、下流分子の活性化レベルなどが、単に受容体と下流シグナル分子の相互作用でなく、ドックの性質と、足場タンパク質との相互作用によって決まる。本年度は、我々が世界をリードする1分子追跡法を用いて、以下を明らかにした。(1)顕微鏡の改善を行い、2ミリ秒の時間分解能で、ORの2量体化が観察できるようにした。(2)3種のOR間での、ホモダイマー、及びヘテロダイマーの形成を時間分解能を変えた1分子追跡法を用いて調べた。全ての型はホモダイマーを形成するが、ヘテロダイマーの形成は、起こりにくいか、起こっても寿命が短かった。これにっいては、さらなる検討を進めている。これを、GPCRに属する3つの型のオピオイド受容体(ミュー、デルタ、カッパー型)、下流シグナル分子(3量体Gタンパク質、GPCRキナーゼ)、及び、ドック(足場)分子複合体(後述)を用いて調べている。2つの作業仮説は、以下の通りである。(1)GPCRのモノマーとホモダイマーが、下流のシグナル伝達系の選択に関与する。前年度までの研究で、ヘテロダイマーの形成は、起こりにくいか、起こっても寿命が短かいという、文献からは予想できなかったことが見いだされた。そこで、本年度はこれについて、さらなる検討を進めた。検出が困難なダイマーなどを検出するため、動径分布関数をもとに共局在を定量化する方法を開発した。コントロール(緑と赤の画像が得られたとして、コントロールでは赤の画像を反転させる)の場合の関数値と統計的に比較することによって、検出が難しかったダイマー検出を可能にした。さらに、ホモダイマーやヘテロダイマーの形成が、アゴニスト、インバースアゴニストの添加によって、変化する様子を詳細に明らかにした。

いずれも、寿命は短く、80120ミリ秒程度であり、ダイマーは形成されてもすぐにモノマーへと解離し、モノマーは、またすぐにダイマーを形成する。すなわち、モノマーとダイマーは極めて動的な平衡状態にある。本年度の研究では、以下を明らかにした。(1)昨年度に開発に成功した、超長時間1分子追跡の方法を用い(通常の10倍長く、1分子イメジングが継続できる)、オピオイド受容体が、EBP50と過渡的相互作用することを見いだした。(2)EBP50分子は、細胞質から細胞膜の細胞質側表面へとリクルートされ(何らかの膜分子に結合して)、しばらく拡散運動した後に、EBP50と過渡的な相互作用をした。また、EBP50がアクチン膜骨格に結合して静止したところに、オピオイド受容体が短時間結合するという過程も観察された。(3)3種類のオピオイド受容体を用いて、ヘテロダイマー形成に関与する部位を同定することに成功した。すなわち、オピオイド受容体のN末の40アミノ酸と最初の膜貫通ドメインがヘテロダイマー形成をになっていることを見いだした。これは、受容体のアミノ酸を様々に改変し、また、これらの部位のアミノ酸配列をもつペプチドを合成して添加して見いだしたものである。また、C末の細胞内部分がホモダイマー形成に関わることを見いだした。研究は順調に進行して、ほぼ予定通りのペースで進んだ。(1)昨年度は顕微鏡の改善を行い、2ミリ秒の時間分解能で、オピオイド受容体の2量体化が観察できるようにした。この結果、寿命の短いヘテロダイマー(70ミリ秒程度の寿命でも捕捉できる)でも、検出することが可能になった。さらに、それでもヘテロダイマー検出は簡単ではなかったので、動径分布関数をもとに共局在を定量化する方法を開発した。コントロール(緑と赤の画像が得られたとして、コントロールでは赤の画像を反転させる)の場合の関数値と統計的に比較することによって、検出が難しかったダイマー検出を可能にした。その結果、3種のオピオイド受容体間での、ホモダイマー、及びヘテロダイマーの形成が確実に捉えられた。その結果、ヘテロダイマーの寿命は、ホモダイマーの寿命に比べて30%程度短いことがわかってきた。(2)ホモダイマーもヘテロダイマーも、アゴニスト添加によってダイマー寿命が短くなる傾向が見いだされた。アゴニストによって、ダイマー寿命が短くなる程度は異なっていた。逆に、インバースアゴニストの添加によって、ダイマー寿命が長くなる傾向が見いだされた。アゴニストの場合と同様、ダイマー寿命が長くなる程度は異なっていた。(3)現在、オピオイド受容体が、4種のドック、すなわち、アレスチンドック、EBP50ドック、カベオラドック、ラフトドックのどれにはいるかの解明を進めている。この解明には、1分子が追跡できる時間を、現在より10倍程度長くする必要が認められ、それを達成した。1分子追跡できる時間は、蛍光色素の褪色までの時間と点滅の頻度によって決まる。細胞への影響が少ない条件で、試料中の酸素分子濃度を制御し、酸化剤と還元剤の両方を添加することにより、これらの問題を大きく改善することに成功した。27年度が最終年度であるため、記入しない。
酸無水物の脱ガス反応による高難度炭素－炭素連結反応の開発

α、αー二置換マロン酸モノエステルから合成した酸無水物に対してパラジウム触媒と種々のリガンドを作用させることで脱炭酸反応が進行し、4級炭素を有するβケトエステルを温和な条件下に構築することに成功した。さらに、不斉リガンドを用いることでわずかながら不斉誘起を達成することができた。4級炭素は立体障害のために構築法が限られており、4級炭素を有するβケトエステルを合成するには一般的に強塩基性条件が必要とされるが、今回見出した手法は中性条件下に反応が進行するため多様なβケトエステルの合成への応用が期待できる。βケトエステルは様々な天然物中に見られる骨格であるとともに、更なる分子変換の足掛かりとなるケトン、エステルなどの官能基を有しているためビルディングブロックとしても非常に有用な分子である。安息香酸由来の酸無水物に対してコバルト触媒を作用させることで脱炭酸反応および脱カルボニル化反応が進行し、低収率ながらビアリールが得られることを見出した。ビアリール類は機能性材料や、不斉リガンドなどに利用可能な有用な分子群であるが、これまでの合成法は分子間カップリング反応によるものがほとんどであり、立体障害の大きなビアリール合成は困難であった。今回見出した手法は分子内で反応が進行するため立体障害の影響を受けにくいと予想させるため、これまで合成が不可能であった大きな置換基を有するビアリール類の合成への応用が期待できる。研究計画に挙げた「立体障害の解消」「2連続4級不斉中心の構築」「歪み分子の合成」のうち、「立体障害の解消」に関して4級炭素の構築やビアリール類の合成に成功しており、おおむね研究計画通りに成果がでている。さらに4級炭素の構築では不斉反応への展開についても期待できる結果が得られており、「2連続4級不斉中心の構築」につながる予備的な知見も得られている。「歪み分子の合成」に関してはまだ取り掛かっていないが、上記の研究から得られた知見の集積が本課題の遂行にも役立つはずである。前年度に見出した4級炭素を有するβケトエステルの合成法を様々な基質に適用し、反応の一般性を明らかにする。また、ビアリール類の合成法の反応条件を最適化し、立体障害の大きなビアリール類の合成を目指す。さらに、これら二つの反応に関して、不斉リガンドのスクリーニングを行うことで不斉反応へと展開し、不斉4級炭素や不斉ビアリール合成法を確立する。上記検討によって得られた知見を基に、有機合成化学における重要課題である2連続4級不斉中心の構築法の開発を目指す。現段階では、脱炭酸反応と脱カルボニル化反応が進行する系と進行しない系が混在しており、これらを制御している要因が不確定である。これを明らかにするためにより広範な金属触媒とリガンドを体系的にスクリーニングする。上記の研究結果を基に歪みを有する分子の構築を目指す。本研究には研究協力者として、申請者の研究室の学生である金子祐樹、桜井秋、堀修平が実験を担当する。

上記検討によって得られた知見を基に、有機合成化学における重要課題である2連続4級不斉中心の構築法の開発を目指す。現段階では、脱炭酸反応と脱カルボニル化反応が進行する系と進行しない系が混在しており、これらを制御している要因が不確定である。これを明らかにするためにより広範な金属触媒とリガンドを体系的にスクリーニングする。上記の研究結果を基に歪みを有する分子の構築を目指す。本研究には研究協力者として、申請者の研究室の学生である金子祐樹、桜井秋、堀修平が実験を担当する。購入予定であった試薬が在庫切れによる製造中のため購入できなかった。次年度に当該試薬の購入に使用する。
継続的運動は感染症モデルラットの炎症惹起に伴う臓器のニトロ化傷害を軽減するか？

感染に伴う臓器障害の予防に対する自発的運動の寄与ついて、ニトロ化タンパク質や酸化ストレスマーカーの消長から知ることを目標とし、研究を進めている。今回は、感染および運動における知見を得ることが出来た。リポ多糖投与による感染モデルにおいては、リポ多糖の投与量によるニトロ化や酸化ストレスマーカーの応答の強さと時間変化の消長について、臓器ごとに違いがあることがわかった。また、運動については、適度な運動をしていないマウスについては、Mn-スーパーオキシドジスムターゼの発現量が多く、これは、体重当たりの酸素消費量が多いことに起因するものと考える。感染によって酸化傷害が生体に起こるが、その1つに生体物質へのニトロ化ストレスが知られている。身体活動による体力の増強は、感染症予防および感染症による臓器障害の軽減に有効であるとされているが、そのメカニズムは明らかではない。本研究では、我々が独自に開発した抗ニトロ化タンパク質抗体を用い、プロテオーム解析や生化学手法により、運動群と非運動群とで感染に伴うニトロ化タンパク質の消長がどのように変化するか検討する。これらの結果、運動が感染時に酸化傷害を防ぐ仕組みを解明する。・感染に伴うニトロ化とタンパク質機能の相関を調べるための基礎として、モデルタンパク質としてリゾチームを用いたタンパク質ニトロ化を行い、構造ー機能相関について、標的トリプトファン残基の保護を狙い阻害剤との複合体形成後に、ペルオキシナイトライト(ONOO-)によるニトロ化を行った。保護後にニトロ化を行ったリゾチームでは、ONOO-により起こる活性低下が阻害されたことから、リゾチームのTrp残基ニトロ化がタンパク質機能の低下につながることが明らかになった。現在、LC-MS/MSでの解析を進めている。・マウスにおける自発的運動に伴う、代謝指標について調べたところ、週齢を経たための差は見られたものの、運動の有無による差異は今のところ見られていない。その詳細や生化学的解析は、現在進行中である。感染は、酸化傷害を静態に及ぼすが、その1つに生体物質へのニトロ化ストレスが知られている。身体運動による体力の増加は、感染症予防および感染症による臓器障害の軽減に有効であるとされているが、そのメカニズムは明らかではない。本研究では、我々が独自に開発した抗ニトロ化タンパク質抗体を用い、プロテオーム解析や生化学的手法により、運動群と非運動群とで感染に伴うニトロ化タンパク質の消長がどのように変化するか検討する。本研究においては、感染モデルとして、当初、ラットにLPSを投与するという計画にしていたが、マウスへの投与に変更し、実験を進めることとした。感染防御のための運動の効果について調べる前段階として、基礎的なデータを得ることとした。今年度は、臓器中タンパク質ニトロ化の運動による変化を見るために、回転ケージにおけるマウスの自発運動実験をスタートした。今回は、ラットの系において実績が得られている、肝臓について注目し、対照群、運動群共にマウスより肝臓を摘出し、液体窒素で凍結後、-80oCに保存した。平成25年度には、タンパク質抽出後、プロテオームを中心とした生化学的解析を行う。併せて、LPS投与による弱毒性モデルの作成とその生化学的解析を行い、マウスの運動モデルとマウスのLPS弱毒投与モデルの両者における、基礎データを得ることが出来る。感染は、酸化傷害を生体に及ぼすが、その一つに生体物質へのニトロ化ストレスが知られている。今回は、ラットに対し敗血症を起こさせるリポ多糖の投与量とラットの感受性について、投与量を変えて比較した。腎臓において、誘導型NO合成酵素の発現誘導に投与量による差異は見られず、1次的に発現量が上がった後に、発現量が低下する傾向が見られた。Mn-スーパーオキシドジスムターゼの誘導については量依存的および時間依存的な増加が見られた。筋については、6-ニトロトリプトファンの検出を行ったところ、量依存・時間依存の両方の傾向が見られ、臓器によって、ニトロ化や酵素誘導の傾向に差異が見られることが予測された。環境健康学<テーマ1>感染によるニトロ化傷害後のニトロ化タンパク質消失機構の解明<テーマ2>運動によるプレコンディショニングが感染による臓器のニトロ化傷害とその消失へ与える影響を計画しているが、現在は、運動による基本的な変化を知るために、テーマ2を中心に進めており、マウスの運動による代謝等の基礎的な解析までは進めた。現在は、ウェスタンブロットによるニトロ化タンパク質の解析を行っている段階である。

当初、ラットモデルでの実験系を実行する予定であったが、回転ケージの稼働率などの関係上、現在、別の研究者が行っているマウスの系に変更し、一部サンプルを共有するなどの措置をとった。弱毒性モデルの作成と生化学的解析は、平成25年度に行う予定である。今年度は、所属先の異動なども伴い、計画通りとは行かなかったが、次の段階への準備は整ったと考えている。研究協力体制は、現在も継続しており、今後も継続する。全体の計画としては遅れているが、今後、現在進行中の運動群マウスの解析から進め、その後、感染モデル系へとつなげる。ある程度の解析が出来た段階で、年度内には運動後の感染モデルへスタートできる体制を作る。生化学的解析の手法としては、以下の通りである。各種条件での臓器内タンパク質ニトロ化の詳細な解析を進め、特定残基のアミノ酸の位置との関連について、LC-MS/MSの結果と文献との照合から、機能変化を予測する。併せて、NO発生系、活性酸素発生系/消去系、炎症性サイトカインの発現量変化についても調べる。次年度は、モデルマウスについて、運動群の生化学的解析、LPS投与マウスの作成と生化学的解析を行っていく。研究体制については、若干の研究協力者の変更があるものの、マウス運動、解剖実験、プロテオームに関して、新しい所属へ移った後でも、平成24年度に引き続いて協力体制を継続できている。マウス運動関根紀子(順天堂大学助教)解剖実験古川覚(東洋大学准教授)、小林淳(日本獣医生命科学大学助教)プロテオーム解析川崎広明(順天堂大学PD)、松本綾子(順天堂大学技術員)所属変更に伴い計画変更などあったが、本研究に必要な試薬・少額の機器等をある程度まで揃え使用することが出来た。余った額は誤差の範疇である。ほぼ額面通りの利用状況であるため、今後の研究計画に従い、研究試薬等に使用する。新所属先の北陸大学においては、等電点電気泳動に関する装置を購入する必要がある。今までは、共同利用機器としての使用をしていたが、新所属先において、装置がないためである。また、プロテオーム解析での電気泳動ゲルからのタンパク質抽出操作について、遠心濃縮器を購入する必要がある。これは、ホコリが入らないような特別な箱を作成して、その中で行う必要があるため、独自に購入する必要がある。その他、動物関連実験、生化学実験関連等の消耗品、学会参加費などに使用予定である。新規購入予定機器等電点電気泳動装置一式(約40万円)遠心濃縮器(約20万円)
トリアントリル置換有機典型元素化合物におけるπ共役と新機能

本研究は、従来の炭素π電子系を13族,14族,15族典型元素によって連結することにより,概念的に新しいπ電子系を創成することを主目的とする.具体的には,炭素π電子系としてアントラセン骨格に注目し,同一元素上に三つのアントリル基をもつ13族,14族,15族有機典型元素化合物を設計し,その合成と中心元素の配位数と物性との相関関係の系統的な解明について検討を行う.本年度は,中心元素としてホウ素およびケイ素をもつ系について検討した.1.トリアントリルボラン誘導体の合成と物性13族類縁体であるトリアントリルボランを基本骨格とする種々の含ホウ素パイ電子系化合物の合成とその諸物性について検討した.アリール金属化合物とBF_3との段階的な反応により一連のトリアントリルボラン誘導体の合成に成功した.さらに,これらの化合物が,ホウ素の空のp軌道を介したパイ共役の拡張により,紫外可視吸収スペクトルにおける長波長吸収や低い還元電位などの特異な物性を示すことを明らかにした.2.トリアントリルシランからトリアントリルシリカートへの光物性変化14族類縁体であるトリアントリルフルオロシランの合成は既に報告している.トリアントリルフルオロシランから対応するジフルオロシリカートへの配位数変化に伴う光物性変化について検討した.中心ケイ素原子の四配位四面体構造から五配位三方両錘型構造への変化に伴い、アントリル基間の距離が増大し,その結果,蛍光の量子収率の約20倍もの増大など,光物性が大きく変化することを明らかにした.この変化は他のアニオン種との反応では見られず,トリアントリルフルオロシランはフッ化物イオンの選択的蛍光センサーとして機能するといえる.本研究は、従来の炭素π電子系を13族,14族,15族典型元素によって連結することにより,概念的に新しいπ電子系を創成することを主目的とする.具体的には,炭素π電子系としてアントラセン骨格に注目し,同一元素上に三つのアントリル基をもつ13族,14族,15族有機典型元素化合物を設計し,その合成と中心元素の配位数と物性との相関関係の系統的な解明について検討を行う.本年度は,中心元素としてホウ素およびケイ素をもつ系について検討した.1.トリアントリルボラン誘導体の合成と物性13族類縁体であるトリアントリルボランを基本骨格とする種々の含ホウ素パイ電子系化合物の合成とその諸物性について検討した.アリール金属化合物とBF_3との段階的な反応により一連のトリアントリルボラン誘導体の合成に成功した.さらに,これらの化合物が,ホウ素の空のp軌道を介したパイ共役の拡張により,紫外可視吸収スペクトルにおける長波長吸収や低い還元電位などの特異な物性を示すことを明らかにした.2.トリアントリルシランからトリアントリルシリカートへの光物性変化14族類縁体であるトリアントリルフルオロシランの合成は既に報告している.トリアントリルフルオロシランから対応するジフルオロシリカートへの配位数変化に伴う光物性変化について検討した.中心ケイ素原子の四配位四面体構造から五配位三方両錘型構造への変化に伴い、アントリル基間の距離が増大し,その結果,蛍光の量子収率の約20倍もの増大など,光物性が大きく変化することを明らかにした.この変化は他のアニオン種との反応では見られず,トリアントリルフルオロシランはフッ化物イオンの選択的蛍光センサーとして機能するといえる.
階層的なキラル情報伝達システムの創製と応用

動的ならせんペプチド鎖を有する面性キラルな金属サレンマクロサイクルを、金属イオン存在下、対応する配位子とジアミンとの自己組織化により高効率的に合成することに成功した。さらに、導入した光学活性基によるアキラルペプチド鎖の一方向巻きのらせん誘起を介した動的な面不斉の遠隔制御ならびに溶媒の変更によるらせんペプチド鎖部位の310-ヘリックスからα-ヘリックスへの構造転移を介して遠隔制御した動的な面不斉を固定化(記憶)できることも見出した。さらに、動的ならせんペプチド鎖を用いることで軸不斉の遠隔制御にも成功した。本研究では、動的ならせん構造が有する『キラル情報の長距離伝達能』の特徴を最大限に活用したキラル構造の遠隔制御システムの構築とその応用を目指す。これまでに、動的ならせんペプチド鎖を有するトリスビピリジン金属錯体の中心金属周りの動的なプロペラ状のキラリティーを、中心金属から離れた位置に導入したキラル残基によるアキラルペプチド鎖の一方向巻きのらせん誘起を介して、ほぼ100%の選択性で完璧に遠隔制御することに成功している。そこで、この遠隔制御を他の動的なキラル構造体へ拡張することを目指し、動的な面性キラリティーを有するメタロマクロサイクルに着目した。目的の面性キラルなマクロサイクルは、Ni(II)イオン存在下、動的ならせんペプチド鎖を有するビスサリチルアルデヒド誘導体とオルトフェニレンジアミンとのイミン結合と配位結合の形成を介した自己組織化の手法を用いることで、ほぼ定量的に合成可能であることが分かった。また、鎖長の異なるペプチド鎖を有するマクロサイクルも同様の手法により合成した。得られたマクロサイクルの面性キラリティーの優先性と動的性質(異なる面性キラリティー間の相互交換速度)は、1H NMR、円二色性(CD)測定により検討した。その結果、その面性キラリティーの優先性と動的性質は、導入したペプチド鎖長と溶媒の極性に大きく依存することが明らかとなった。すなわち、遠隔制御された面性キラリティーの優先性を溶媒によりスイッチングし、さらに、そのスイッチングの速度を溶媒とペプチド鎖長により制御することに成功した。興味深いことに、より極性の高い溶媒を用いた場合では、らせんペプチド鎖の構造が310-ヘリックスからα-ヘリックスへと変化し、その結果、動的な面性キラリティーが固定化されることも明らかにした。本研究では、動的ならせん構造が有する『キラル情報の長距離伝達能』の特徴を最大限に活用したキラル構造の遠隔制御システムの構築とその応用等を目指し、以下に示す成果を得た。1.安定ならせん構造を形成するアキラルペプチド鎖のC末端部位に光学活性基を導入した動的ならせんペプチド鎖を有する面性キラルなサレンマクロサイクルを合成し、導入した光学活性基によるアキラルペプチド鎖の一方向巻きの誘起を介した動的な面不斉の遠隔制御ならびにその固定化(記憶)について検討を行った。その結果、面性キラルなマクロサイクルが、対応する構成単位の自己組織化により高選択的に生成することを明らかにした。また、マクロサイクルから離れた位置に導入したキラル残基のキラル情報が、アキラルペプチド鎖の一方向巻きのらせん誘起を介して伝搬されることで、マクロサイクルの面不斉を遠隔制御することにも成功し、溶媒によりその面性キラリティの優先性が可逆的にスイッチング可能であることも見出した。さらに、極性の大きなフルオロアルコールを溶媒に用いたところ、マクロサイクルのらせんペプチド鎖部位が、約3残基で1回転の310-ヘリックス構造から、らせんの直径がより大きなα-ヘリックス構造へと転移し、その結果、pR/pS間の面不斉の反転を完全に抑制(記憶)することにも初めて成功した。2.動的に軸性キラルな2,2'-ビピリジン(bpy)の3,3'位に1.で用いた動的ならせんペプチド鎖を導入し、その軸不斉の遠隔制御に成功した。さらに、bpy部位のN,N'-ジオキシド化反応がジアステレオ選択的に進行することも明らかにするとともに、得られたジアステレオマーの分離にも成功した。本研究で得られた成果は、キラル情報の伝達過程を理解するだけでなく、生体を模倣した遠隔制御システムの構築や新規な光学分割材料、不斉触媒の開発にもつながることが期待される。当該年度の計画通り、動的ならせんペプチド鎖を有する面性キラルなマクロサイクルの合成とその動的な面性キラリティーの遠隔制御に成功した。さらに、遠隔制御された面性キラリティーの優先性は溶媒により可逆的にスイッチング可能であり、そのスイッチングの速度をペプチド鎖長と溶媒により制御可能であることも明らかとした。また、高極性溶媒中、らせんペプチド鎖の構造が310-ヘリックスからα-ヘリックスへと変化することで、動的な面性キラリティーが固定化される興味深い現象も見出した。

これらの成果は学術論文として投稿中であることから判断して、期待以上の研究の進展があったと判断する。超分子化学前年度で得られた結果と動的ならせんペプチド鎖が有する『キラル情報の長距離伝達能』の特徴を最大限に活用し、以下の研究を開始する。1.【階層的なキラル情報の伝達を利用した不斉反応】らせんペプチド鎖の末端に導入したフェニルピリジン誘導体は、不斉触媒へと展開可能な動的な軸不斉を有している。特に、ピリジンN-オキシド誘導体は、有機分子触媒として働くことが知られている。そこで、動的ならせんペプチド鎖の末端に導入したフェニルピリジン誘導体の動的な軸性キラリティーを遠隔制御した後、N-オキシド化により固定化することで、軸性キラルな化合物の遠隔不斉反応に取り組む。さらに、それを用いた不斉触媒への応用も検討する。2.【キラルな空孔を利用したキラル認識】前年度に合成した動的ならせんペプチド鎖を有するマクロサイクルの内部空孔は、その面性キラリティーと複数のらせんペプチド鎖に由来した高い不斉環境を有することが期待される。そこで、キラルなゲスト分子の不斉選択的な包接を目指す。この際、空孔内部へのゲスト分子の包接を促進するため、水溶性らせんペプチド鎖や特定のゲスト分子を認識可能な官能基をペプチド側鎖に導入したマクロサイクルを合成し、さらなる綿密な分子設計・条件検討を行う。また、動的な軸不斉を有するゲスト分子の包接による遠隔不斉誘起についても取り組む。平成26年12月、マクロサイクルの面性キラリティーの遠隔制御の評価の段階で、当初予定していた面性キラリティーの遠隔制御だけでなく、面性キラリティーの優先性やキラリティーの反転速度が溶媒やペプチド鎖長により制御可能であることが見出された。研究遂行上、この現象の本質を見極めることが重要であることから、面性キラリティーとペプチド鎖長ならびに配列の関係を明らかにする必要が生じたため、当該助成金を翌年度へ繰り越すことにした。本年度に実施予定の研究計画では、目的達成のために、らせんペプチド鎖の配列や、アミノ酸残基の種類などを様々に変化させて最適な条件を検討する必要がある。そのため、高価な非天然アミノ酸や立体障害の大きなアミノ酸同士を縮合させる特殊なカップリング剤を大量に購入する。また、軸性キラリティーが遠隔制御されたキラルな化合物を触媒に用いた不斉反応やマクロサイクルへの不斉選択的なゲスト分子の包接を評価するために、高価な低温反応装置や光学分割カラムを数本購入する。
トリパノソーマ原虫に発現する複合糖鎖の生合成機構および機能に関する研究

アフリカ睡眠病の新しい治療薬開発を目的に,その原因となるトリパノソーマ原虫(Trypanosomabrucei)の遺伝子ノックアウト株を作製し,N-結合型複合糖鎖末端の多様性を生じさせる遺伝子を2種類同定した。複合糖鎖は本原虫の生存に不可欠と予想されていたが,作製した遺伝子ノックアウト株はいずれも野生株と等しい増殖速度を示した。従って,複合糖鎖の末端構造の違いは,本原虫の生存にとって重要でないことが明らかになった。Trypanasoma bruceiは,アフリカ睡眠病の原因原虫である.T. bruceiは細胞表面に様々な複合糖鎖を発現しており,これらが哺乳類宿主中での免疫回避に機能すると考えられている.しかし,それら複合糖鎖の生合成に関わる遺伝子とその翻訳産物,そして個々の複合糖鎖の具体的な機能は分かっていない.そこで,本研究では複合糖鎖の合成に関わる糖転移酵素を同定し,各々の糖鎖の機能を調べることを目的とする.本研究で標的とした候補遺伝子(Tb927.8.71407160)は8番染色体にタンデムに並んでおり,これらの遺伝子ノックアウト株および過剰発現株の作製および解析から機能に迫る.遺伝子ノックアウト株は,Tb927.8.7140について樹立することができたが,他の遺伝子では様々なノックアウトコンストラクションを用いたにもかかわらず樹立できていない.このことは,標的遺伝子がT. bruceiの生存に重要な機能を持つことを示唆しており,引き続き解析を進める意義が大きいと考えられる.得られた遺伝子ノックアウト株は,純粋培養系での増殖速度において野生株と差が無く,この遺伝子はT. bruceiの生存に決定的な影響は与えないことが明らかになった.一方で,トマトレクチンとの反応性は,遺伝子ノックアウト株と野生株で明らかな差が認められ,さらに解析を進めた結果,遺伝子ノックアウト株では野生株よりも小さいN-結合型複合糖鎖を発現していることを明らかになった.現在,その複合糖鎖を有するタンパク質の同定を進めている.また,過剰発現株はすべての標的遺伝子で樹立できたが,T. bruceiには抗FLAGタグ抗体と強く反応する内在性タンパク質が存在することが判明したため,現在,タグを替えて標的酵素のオルガネラ分布を調べている.Trypanosoma bruceiは,アフリカ睡眠病の原因原虫である.T.bruceiは細胞表面に様々な複合糖鎖を発現しており,これらが哺乳類宿主中での生存に重要な役割を果たすと考えられている.本研究で標的としている遺伝子(Tb927.8.71407160)は,この複合糖鎖の合成に関わる糖転移酵素をコードすると推測され,8番染色体にタンデムに並んでいる(7160は偽遺伝子と考えられる).本研究では,これら遺伝子をノックアウトまたは過剰発現させた原虫株の解析からそれらの機能に迫ろうとしている.本年度はTb927.8.7140遺伝子のノックアウト株のプロテオーム解析により,N型糖鎖の分子量が野生型のそれに比べて低下するタンパク質を同定した.加えて,実験条件の変更により,これまで作製できなかったTb927.8.7150遺伝子のノックアウト株の取得に成功した.本株の性状を解析し,7150遺伝子は培養系でのT.bruceiの生存に必須ではないことを明らかにした.また,種々のレクチンとの反応性においても顕著な変化認められなかった.この点で,先の7140遺伝子との機能の違いが示唆される.また,これら遺伝子産物のオルガネラ分布を明らかにするために,3'末端にHAタグ遺伝子を付した標的遺伝子を過剰発現させ,蛍光抗体法による解析を進めた.以上の結果,標的酵素の機能する場とその機能についての知見を得た.しかし,標的遺伝子がコードするタンパク質の機能については,酵素反応レベルでの裏付けがあることが望ましい.そこで,今後はこれら遺伝子を無細胞タンパク質合成システムを利用して合成し,その酵素活性を中心に解析する予定である.Trypanosoma bruceiは,哺乳動物の血流中に寄生し、アフリカ睡眠病をひきおこす原虫である。この原虫は様々な複合型糖鎖を発現しており,糖鎖が宿主免疫の回避やエンドサイトーシスなどに重要な役割を果たすと考えられている.しかし,複合型糖鎖の合成を担う糖転移酵素遺伝子が同定されていないため,個々の糖鎖の機能は不明である.本研究では,糖転移酵素候補遺伝子をノックアウトした原虫株から,全N-結合型糖鎖を分離精製し,その比較解析を行った.その結果,gene ID: Tb927.8.7140にコードされるタンパク質は,複合型糖鎖のN-アセチルグルコサミン末端またはガラクトース末端にガラクトースを転移する活性を持つことが示唆された.すなわち,複合型糖鎖のバリエーションを生み出す酵素であると考えられた.

一方,gene ID: Tb927.8.7150のノックアウト株は,発現するN-結合型糖鎖のパターンに変化がないことから,糖脂質などの修飾に関与する可能性が考えられた.次に,これら遺伝子がコードする酵素の機能をin vitroで調べるために,コムギ無細胞タンパク質合成システムで酵素を得,その糖転移活性の検出を試みた.糖転移反応の供与基質として,UDP-ガラクトースおよびUDP-N-アセチルグルコサミン,受容基質として市販の各種糖鎖,アシアロフェツインに由来する糖鎖,オボインヒビターに由来する糖鎖,そして遺伝子ノックアウト原虫に由来する糖鎖を使用したが,いずれのケースでも糖転移活性は認められなかった.従って,T. bruceiの糖転移酵素が機能を発現するためには,協同して働く別のタンパク質の存在もしくは特異な反応条件が必要であると考えられた.遺伝子ノックアウト株および遺伝子過剰発現株の作製は日数を要し,不確定要素も多い作業であるが,それらの樹立に成功しており,ここまでは概ね計画通りに進展している.24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は,解析に必要な試料量に対し,得られる試料量が少なくなるため,ある程度の困難が予想されるが,実験スケールの拡大と解析装置の高感度化により対応する予定である.24年度が最終年度であるため、記入しない。
血小板の接着分子を標的とした血管の炎症性疾患治療薬の開発

血小板と白血球の接着を修飾することを通して血管の炎症性疾患を制御する医薬品の開発の基盤を築くことを目標とし研究を進め、下記のような成果を挙げた。(1)血小板-白血球相互作用を標的とした抗血小板薬スクリーニング法について検討を加えた。蛍光物質でラベルされた活性化血小板を白血球と混合し、細胞接着をフローサイトメーターにより分析する方法を開発した。(2)組み換え型可溶性P-セレクチンは、ホルミルペプチドや腫瘍壊死因子(TNF-α)により誘導される白血球からの活性酸素の産生を制御したが、ホルボールエステルやアラキドン酸による活性化を抑制しなかった。(3)一方、インターロイキン8などのサイトカインを前処理した白血球は、可溶性P-セレクチンに反応し活性酸素を産生した。(4)P-セレクチンを固相化したプレート上で抹消血由来の単球を培養すると、炎症性サイトカインの一つであるTNF-αの産生および分泌が誘導されることがわかった。プレートにコートするP-セレクチンの濃度には最適刺激濃度が存在することが明らかになった。(5)P-セレクチンを固相化したプレートで白血球を培養することによって活性酸素やTNF-αの産生が誘導された。この時、好中球の表面の糖鎖リガンドであるアリルルイスX糖鎖の分布を蛍光抗体法で調べたところ、細胞のプレートへの接着面に集合していることがわかり、リガンド糖鎖のクラスター形成と白血球の活性化との関連が示唆された。本研究においては、血小板と白血球との接着を修飾することを通して血管の炎症性疾患を制御する医薬品開発の基盤を築くことを目標にし、今年度は、以下の小目標を設定し研究を進めた。1)血小板-白血球相互作用の制御を標的とした抗血小板薬のスクリーニング法の確立蛍光物質でラベルされた抗血小板膜糖タンパク質GPIbに対する抗体で標識した活性化血小板を白血球と混合し一定時間後に細胞浮遊液をフローサイトメーターにより分析することにより、両細胞間の接着反応を測定する方法を開発した。本法により、活性化血小板と好中球あるいは単球との接着反応を定量的に解析することが可能となった。2)組換え型可溶性P-セレクチンの活性酸素産生阻害作用の特性の解明この分子がどのような白血球活性化物質によるスーパーオキシドアニオン産生を抑制するかスペクトルを調べた。その結果、ホルミルペプチドや腫瘍壊死因子により誘導される活性酸素の産生が抑制されたが、ホルボールエステルやアラキドン酸による活性化は抑制されなかった。このことから、可溶性P-セレクチンは受容体刺激の下流に位置するシグナル伝達経路に直接作用する刺激物質に対しては無効であるが、受容体を介した活性酸素の産生誘導に対しては抑制効果を示すことが推察された。今年度の本研究においては、血小板の接着分子P-セレクチンの誘導する白血球の活性化の特性について、以下の視点から研究を進めた。1)P-セレクチンによる単球からの腫瘍壊死因子の産生の誘導前年度までの研究において、P-セレクチン依存的に好中球および単球から活性酸素の産生が誘導されることを示したが、P-セレクチンをコートしたプレート上で末梢血由来の単球を培養すると、炎症性サイトカインの一つである腫瘍壊死因子(TNF)の産生および分泌が誘導されることがわかった。この場合、プレートにコートするP-セレクチンの濃度を変化させると、0.3μg/mlの濃度の時に最大の反応を示し、最適刺激濃度が存在することが明らかになった。また、P-セレクチンの白血球膜表面のリガンド糖鎖であると考えられているシアリルルイスXに対する抗体によってもTNFの産生誘導が認められ、P-セレクチンと同様アゴニストとしての活性をもつことが判明した。

2)組換え型可溶性P-セレクチンとサイトカインの協同作用遺伝子工学的に調製した組換え型可溶性P-セレクチンを好中球や単球などの白血球に作用させてもスーパーオキシドアニオン産生は誘導されなかったが、あらかじめ低濃度のインターロイキン8や顆粒球コロニー刺激因子などのサイトカインで処理した好中球においては、組換え型可溶性P-セレクチンに反応し、スーパーオキシドの産生が認められた。P-セレクチンを表面に発現した活性化血小板を用いた場合にも、スーパーオキシド産生に対しこれらのサイトカインの増強効果が観察された。活性化された血小板に発現するP-セレクチンは、好中球や単球などの白血球表面のシアリルルイスX構造を含む糖鎖と結合し、活性化血小板と白血球の接着反応を媒介することが知られている。本年度の研究においては、白血球の重要な機能であるサイトカインの産生および放出がP-セレクチンとの相互作用においてどのように影響を受けるか検討を加えた。ヒト末梢血より単離した単球を、P-セレクチンをコートした培養プレート上で培養することにより、炎症性サイトカインである腫瘍壊死因子(TNF-α)が放出されることが判明した。プレートにコートするP-セレクチンの濃度と、TNF-α誘導との間にどのような相関があるか調べるため、P-セレクチンの濃度依存性について検討した。0.0420μg/mlの濃度のP-セレクチンでコートしたプレート上で単球を培養したところ、0.3μg/mlの濃度を用いたときに最大のTNF-αが放出され、コートする濃度に最適値が存在することが明らかとなった。次に、TNF-αの放出の経時変化について検討した。その結果、2時間後以降からTNF-αの放出が確認され、4および6時間と時間が経過するのにつれ上清中のTNF-α量は増加した。細胞のmRNA量が増加していることがRT-PCR法により明らかになり、転写レベルの制御を受けていることが示唆された。これらの結果より、白血球膜の糖たんぱく質と内在性レクチンであるP-セレクチンの相互作用によって白血球機能を修飾するシグナルが伝えられることが示された。TNF-αは炎症アレルギー反応の発症および進行を促す重要なサイトカインであるので、これら血球細胞の相互作用は炎症性の病態に緊密に関与するものと思われる。
非モデル植物におけるゲノムスキャン解析のための基盤塩基配列データ迅速構築法の開発

単一の植物個体から得られた花粉一粒ずつのDNAを材料として、迅速に高密度連鎖地図を構築する方法の技術開発を行った。まずその基礎となる手法として、次世代シーケンサーによって通常のゲノムDNA試料からゲノム網羅的に一塩基多型(SNP)マーカーを得る新手法を開発した。この手法を花粉DNAの解析に応用し、1個体のユリ科植物から得られた花粉を材料としてSNPの検出を行った。その遺伝分離を解析した結果、期待分離比どおりに検出された226座のSNPマーカーが得られ、新手法による連鎖地図の構築が可能であることが確かめられた。基盤塩基配列データ迅速構築法として、花粉一粒DNAの全ゲノム増幅法の基礎技術開発を行った。その材料として当初予定していたシロイヌナズナではなく、既に研究室に保存してあったマツ属花粉を用いた。具体的には、花粉に含まれるゲノムDNAを全ゲノム増幅法によって増幅し、葉緑体DNAの塩基配列解析を行うことに成功した。なおこの手法では、材料(DNA)が極微量であることから、試料とは別に混在(コンタミネーション)したDNAを除去するために、エンドヌクレアーゼとエキソヌクレアーゼを用いて花粉表面に付着したDNAの除去、さらにPCRキャリーオーバー防止試薬を使用してキャリーオーバーによる偽陽性を防止した。一方、パーソナル次世代シーケンサーによる花粉DNAの網羅的解読手法の基礎技術開発にも取り組んだ。解析用ライブラリーの構築および解析手法として、当初はRAD-seq (restriction-site associated DNA sequence)の手法を適用することを計画していたが、技術的な問題点が明らかになったため、別途新たな手法を考案し、その新手法をほぼ完成させた。この手法開発に予定よりも時間がかかってしまったため、花粉粒を用いた連鎖解析や、そのデータを用いた既存ゲノム情報との比較解析には至っていない。次のステップとして、ゲノムサイズが最も大きい仲間の一つと考えられている非モデル植物のユリ科植物を対象として、その連鎖解析の基盤となる、交配家系を用いたゲノム情報の取得に着手した。本研究では、実質的にゲノムスキャンのリファレンスとして利用できる基盤塩基配列データを、次世代シーケンサーを利用した花粉一粒DNA分析による高密度連鎖地図として迅速に構築する方法の基礎技術を開発した。まず、マツ属花粉を用いて、花粉一粒DNAの全ゲノム増幅法の基礎技術開発を行った。これにより、花粉一粒から直接PCRを行えない場合でも、次世代シーケンサーで解析するためのDNA試料が得られるという道を開いた。次に、パーソナル次世代シーケンサーによって通常のゲノムDNA試料から網羅的に塩基配列を得る新手法を開発し、この手法を花粉DNAの解析に応用した。この方法を用いて、ゲノムサイズが最も大きい仲間の一つと考えられている非モデル植物のユリ科植物を対象として、その連鎖解析の基盤となる、交配家系を用いたゲノム情報の取得を行った。なお、この解析では、花粉一粒DNAの全ゲノム増幅法は用いず、花粉一粒から直接PCRによって複数領域を増幅する方法を用いた。具体的には、ハマカンゾウとキスゲを交雑させたF1個体の葯から花粉58粒を単離して、DNAを抽出した後、特殊なマルチプレックスPCRによってゲノム内の多数の領域を同時増幅し、パーソナル次世代シーケンサーによる網羅的塩基配列分析を行った。その結果、全体で1,938万リードを得た。そのうち15粒(25%)以上で共通して得られた248 SNP座を対象として、アリル分離比をカイ2乗検定したところ、226座(91%)でメンデル遺伝として期待される1 : 1に分離した。以上の予備的試験により、新手法による非モデル植物の基盤塩基配列データ迅速構築法の基礎が開発できたと言える。森林分子生態学基礎技術開発については順調に成果をあげつつあるが、パーソナル次世代シーケンサー分析用のライブラリー構築法の開発に予定より時間がかかってしまったため、実際に次世代シーケンサーを用いて花粉DNAの情報を得るところまでには至っておらず、連鎖解析にまで着手できていない。全ゲノム増幅およびパーソナル次世代シーケンサーによる解析のための新たなライブラリー構築法についてはほぼ確立できたため、今後はこれらの基礎技術を用いて、実際に花粉DNA分析に着手し、連鎖解析を行うことを計画している。
世界最高強度の負ミュオンビームが拓く量子ビーム応用分析の新展開

ミュオンは物質の透過性が高く、またこれを試料に照射した際に発生する捕獲特性X線のエネルギーが高いため、物質の内部を非破壊で分析可能である。大強度陽子加速器J-PARCでは世界最高強度のミュオンビームを発生させることが可能となり、これまでにない分析が可能となりつつある。本研究では、これまで分析手法として確立されていないミュオンX線分析を手法として確立・発展させるため、分析装置を開発した。アルミチェンバーと偏向電磁石から構成された本装置をJ-PARCミュオンビームラインに設置して実験を行った。結果、バックグラウンドレベルを大幅に低下させることに成功し、地球外物質に含まれる全主要元素を検出できた。本年度は下方照射負ミュオン元素分析装置の設計開発を行った。装置は主に偏向電磁石とアルミ真空チェンバーから構成される。装置全体は三軸に稼働可能な架台によって光軸の調整が可能な仕様とした。Ge検出器の鉛遮蔽も新たに作製し、検出器の位置再現性を確保した。電磁石は最大0.45Tの磁場を発生させることができ、これによって最大約47MeV/cの負ミュオンを下方45度に偏向させることができる。試料は100×100mmのベリリウム板上に載せて設置できる構造とし、ローディングハッチによって容易に試料交換可能とした。装置開発後、装置はJ-PARCミュオンビームラインD2に設置し、基礎的な動作確認実験を行った。装置は問題なく動作し、45MeV/cまでの運動量での動作を確認した。一方、装置には幾つかの改良すべき点があることも明らかとなった。本年度では初年度に開発した下方照射ミュオン元素分析の動作試験と性能評価、高度化、及び実試料の分析を行った。ミュオンビームのプロファイルが撮像可能になったことにより最適な電磁石の励磁電流を経験的に求めた。またビームコリメータとコリメータアダプタを新たに製作することでビーム形状が制御できるようになった。これらの改良によってバックグラウンドの大幅な低減に成功し、予備実験時と比較して格段に高いS/N比が実現された。隕石や岩石標準の測定では全ての主要元素の検出が確認された。実験後に装置架台の大幅な改修を行い、装置のスリム化とアライメント調整機構の導入を行った。また遮蔽体を増設した。これらの改良によってさらなる性能向上が見込まれるが、J-PARCのビームタイムがキャンセルになったため性能評価実験は実行できなかった。26年度が最終年度であるため、記入しない。分析科学26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の予定どおり分析装置の設計と開発を完了した。開発した分析装置には幾つかの改善すべき点があり、それらを早急に解決する。まず、偏向させた負ミュオンビームのビームプロファイルが現状では不明であるため、ビームプロファイルの撮像システムを開発・導入する。また脱着可能なコリメータを設計・開発し、これをサンプルチェンバー上流に設置する。また偏向電磁石用の電源をリモートコントロール可能とすることで、ビームを止めることなく磁場が変更できるように改良する。分析装置の改良と高度化に充てることとする。
ランダム性のあるトポロジカル相におけるエンタングルメントと局在効果

今年度は、トポロジカル相を示すKitaev模型やクラスター模型などの一次元量子系に関して、様々な相互作用を変化させたときの相転移現象や、相互作用にランダム性を加えたときの相転移現象を調べた。まず、トポロジカル相を示すクラスター模型に相互作用を加えた模型を解析し、その基底状態の相図を明らかにした。具体的には、無限系に対するTEBDの数値的な解析を用いて、非局所的なストリング秩序パラメータ、エンタングルメントスペクトル、そしてエンタングルメントエントロピーを用いて各相を特徴づけた。この相互作用の結果、一次相転移や二次相転移が現れることが分かった。次に、相互作用にランダム性を入れたときの、トポロジカル相の安定性を解析した。具体的には、Kitaev梯子模型やクラスター模型を考え、エッジ状態を構成し、その安定性の解析から臨界点を決定した。クラスター模型においては、臨界点におけるエンタングルメント特性を詳細に調べた。まず、先行研究で特定の模型に対して知られていたエンタングルメントスケーリングの普遍的な関係を厳密対角化の方法で確認した。また、この結果を、ランダム性があるときの実空間繰り込み群の方法を用いても確認した。最後に、トポロジカル相転移が関与したダイナミクスについて、エンタングルメント特性に注目しながら、数値的に解析を行った。トポロジカル相のダイナミクスにおいては、そのトポロジカル相をラベルする離散的な量が重要であることが判明した。先行研究では、特定の場合にパリティブロッキング(トポロジカルブロッキング)という現象が報告されていた。我々はその現象を詳しく調べ、それがさらに広い場合に適用できる概念であることを示し、トポロジカル相が関与するダイナミクスの研究に指針を与えた。29年度が最終年度であるため、記入しない。トポロジカル相を示すKitaev模型やクラスター模型などの一次元量子系に関して、様々な相互作用を変化させたときの相転移現象とダイナミクスを調べた。まず、ダイナミクスを調べるための準備として、考察する模型の基底状態の相図を明らかにする。今年度はKitaev模型に様々な相互作用を加えたときに生じる相転移現象を解析した。具体的には、トポロジカルに異なる寄与をする相互作用を加えたときの基底状態の性質を調べた。厳密対角化とTEBDの数値的な解析と、場の理論を用いた厳密な解析により、この模型の基底状態の相図を明らかにした。様々な相互作用の結果、新たな相や臨界点が現れることが分かった。ストリング秩序パラメータとエンタングルメント、トポロジカル不変量を用いて各相を特徴づけた。次に、相互作用を時間的に変化させることで、トポロジカル相におけるダイナミクスを解析した。具体的には、異なるトポロジカル相の間の臨界点を通過するように相互作用を変化させるスウィープダイナミクスにおいて、ストリング相関関数やエンタングルメントエントロピーの距離及び時間依存性を調べた。様々なスウィープダイナミクスを検討することにより、動的な過程においても、これらの物理量の間に関係があることを示した。とくに、励起状態のエンタングルメントから新たな物理的描像を得ることができ、物性物理学と量子情報科学の分野に新たな方向性を与えることができた。また、このダイナミクスはトポロジカルな性質に依存していて、トポロジカル相に特有の動的な現象であることが分かった。最後に、非一様性があるときのトポロジカル相の安定性を調べた。具体的には、空間的に変調した外場を加えた時のKitaev模型を解析した。空間変調と相互作用の競合の結果、新たな相が現れることが判明した。その相をストリング相関関数、トポロジカル不変量、エンタングルメントで特徴づけを行った。現在までの研究進捗状況はおおむね順調である。当初の予定通り、ダイナミクスに現れるトポロジカルな性質を明らかにすることができた。それに加えて、非一様性がトポロジカル相に与える影響を考察し、新たなトポロジカル相転移現象を発見した。

トポロジカル相のダイナミクスにおいては、そのトポロジカル相をラベルする離散的な量が重要であることが判明した。先行研究では、特定の場合にパリティブロッキング(トポロジカルブロッキング)という現象が報告されていた。我々はその現象を詳しく調べ、それがさらに広い場合に適用できる概念であることを示し、トポロジカル相が関与するダイナミクスの研究に指針を与えた。現在、ランダム性があるときのダイナミクスを解析するための準備を行っている。具体的には、実空間繰り込み群と密度行列繰り込み群を用いた手法を開発中である。来年度はこの手法をKitaev模型やクラスター模型以外の量子系に適用し、多体局在効果をエンタングルメントの観点から研究する予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。