hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
RNAシャペロンHfqによるsRNA/mRNA間の塩基対形成の促進作用の解析

本課題では、大腸菌機能性小分子RNA(sRNA)の機能構造に焦点を当て、sRNAの機能に必要なタンパク質因子Hfqの作用の研究を進めてきた。その中で、Hfqをコードするhfq遺伝子の発現制御について興味深い結果を得た。そこで、hfq遺伝子の発現制御の研究に着手した。これは、細胞内におけるHfq作用を理解する上で、極めて重要な課題である。Hfqは、sRNAに加えて、hfq mRNAに直接結合しhfq mRNAの翻訳を阻害することで自己の発現を制御すると考えられていたが、詳細なメカニズム、及び生物学的意義については不明であった。本研究において、Hfqによる自己発現制御に関わるHfqドメイン、およびhfq mRNAのシスエレメントを明らかにした。また、Hfqによる自己発現制御に欠失を示す変異では細胞増殖が阻害されることを明らかにした。このことは、過剰量のHfqが細胞に毒性を示すことを示す。さらに、一部のsRNAはhfq mRNAとHfqとの結合を競合阻害し、Hfq量の増加をもたらすことを見出した。このことは、Hfq自己発現制御を利用し細胞内でsRNA機能がモニターされ、必要なHfq量が保障されていることを示唆する。これらの結果は、100種以上存在するsRNAの機能を一手に担うHfqの量の調節機構の理解をもたらすという点で、本課題のもっとも根本である細胞内におけるHfq作用ネットワークの全体像を明らかにする。この研究成果は、国際的ジャーナルである「RNA」に発表し、また関連する研究内容を国内学会において発表した。本課題研究は、大腸菌における機能性小分子RNA(sRNA)、及び標的mRNA間の塩基対形成を促進するHfq作用、及びsRNA産生における転写終結の意義の解析を目的にする。平成28年度は、転写終結の意義の解析に精力的に取り組んだ。sRNA遺伝子は、ヘアピン構造を形成する回文配列、及びポリT配列により構成される一般的なRho非依存型ターミネーターを持つ。これまでに、申請者らは、3'末端の7塩基以上のポリU鎖がsRNA機能に必要であること、及びsRNAのターミネーターには7塩基以上のポリT配列が備わっていることを確認していた。しかしながら、十分なポリT配列が備わっていたとしても、転写終結が早期に起こった場合には、6塩基以下のポリU鎖を3'末端に持つ転写産物が産生される可能性が考えられる。すなわち、sRNA遺伝子のターミネーターは、7塩基以上のポリU鎖を3'末端に持つように転写終結する性質を持つと考えた。そこで、ターミネーターのヘアピン構造の熱安定性に着目し、上述の可能性を検証した。その結果、ヘアピン構造を安定化させるように組み換えたsRNA遺伝子からは、6塩基以下の短いポリU鎖を3'末端に持つRNAが産生されること、またこれらのRNAは、sRNAとして機能しないことを明らかにした。これらの結果は、1sRNA遺伝子のターミネーターが、7塩基以上のポリU鎖を3'末端に持つように転写終結するのに適した熱安定性のヘアピン構造を持つこと、2ヘアピン構造の熱安定性が3'末端の位置の決定要素であることを示している。1の点は、sRNA遺伝子の性質の理解をもたらし、また人工sRNAの設計に役立つ。2の点は、未解決の問題が残る転写終結様式の解明の鍵になる。課題で提案した研究計画の1つであるsRNA遺伝子の転写終結の意義について、得られた成果を原著論文として発表する段階である(審査中)。また、sRNA/標的mRNA間の塩基対形成促進作用を損なうhfq点変異をいくつか単離しており、研究計画はおおむね順調に進んでいる。さらに、転写終結の意義の解析から明らかになった、ヘアピン構造の熱安定性が転写産物の3'末端位置の決定要素であるという発見は、sRNA研究に留まらず、遺伝子発現の根幹反応である転写反応の研究に波及する重要な成果であると考える。本課題は、大腸菌において、機能性小分子RNA(sRNA)、及び標的mRNA間の塩基対形成を促進するタンパク質因子Hfqの作用の解明、及びsRNA産生における転写終結の意義の解明を目的にする。平成29年度においては、sRNA生合成における転写終結領域のヘアピン構造の重要性について、代表的なsRNAであるSgrS、及びRyhBを用いた研究の成果を国際的学術誌であるRNA誌に発表した。この成果は、課題であるsRNA産生のメカニズムの一端を明らかにするとともに、sRNA遺伝子の性質を浮き彫りにした。この点は、Hfq依存に機能する人工sRNAの設計においても役立つ知見となる。加えて、sRNA機能に影響を及ぼすhfq変異の解析を進める中で、Hfqをコードするhfq遺伝子の発現制御について興味深い結果を得た。これまで、Hfqはhfq mRNAに結合し翻訳を阻害することで自己の発現を制御すると考えられていたが、詳細なメカニズム、及び生物学的意義については不明であった。本研究において、Hfqによる自己発現制御に関わるHfqドメインを決定し、またHfqによる自己発現制御が担う生物学的意義の一端を明らかにした。これらは、大腸菌において100種以上存在すると言われているsRNAの機能を一手に担うHfqの量の調節機構の理解をもたらすという点で、本課題のもっとも根本にあるHfq作用の全体像を明らかにすることにつながる。加えて、効果的に塩基対合を促すHfqタンパク質を利用した系の応用開発の際においても有用な情報になる。

これらの研究内容について、スペインで開催された5th Meeting of Regulating with RNA in Bacteria & Archaeaにおいて発表した。課題で提案した研究計画の1つであるsRNA生合成における転写終結の意義について、国際的学術誌であるRNA誌に発表するに至った。また、sRNA制御において重要な役割を担うタンパク質因子Hfqの自己発現制御の分子機構を明らかにし、現在原著論文として投稿する準備を進めている。これらのことから、本課題研究はおおむね順調に進んでいる。本課題では、大腸菌機能性小分子RNA(sRNA)の機能構造に焦点を当て、sRNAの機能に必要なタンパク質因子Hfqの作用の研究を進めてきた。その中で、Hfqをコードするhfq遺伝子の発現制御について興味深い結果を得た。そこで、hfq遺伝子の発現制御の研究に着手した。これは、細胞内におけるHfq作用を理解する上で、極めて重要な課題である。Hfqは、sRNAに加えて、hfq mRNAに直接結合しhfq mRNAの翻訳を阻害することで自己の発現を制御すると考えられていたが、詳細なメカニズム、及び生物学的意義については不明であった。本研究において、Hfqによる自己発現制御に関わるHfqドメイン、およびhfq mRNAのシスエレメントを明らかにした。また、Hfqによる自己発現制御に欠失を示す変異では細胞増殖が阻害されることを明らかにした。このことは、過剰量のHfqが細胞に毒性を示すことを示す。さらに、一部のsRNAはhfq mRNAとHfqとの結合を競合阻害し、Hfq量の増加をもたらすことを見出した。このことは、Hfq自己発現制御を利用し細胞内でsRNA機能がモニターされ、必要なHfq量が保障されていることを示唆する。これらの結果は、100種以上存在するsRNAの機能を一手に担うHfqの量の調節機構の理解をもたらすという点で、本課題のもっとも根本である細胞内におけるHfq作用ネットワークの全体像を明らかにする。この研究成果は、国際的ジャーナルである「RNA」に発表し、また関連する研究内容を国内学会において発表した。sRNA/標的mRNA間の塩基対形成促進作用を損なうhfq点変異について、変異の影響の詳細を、in vivo、in vitroで解析する。申請者らは、Hfq/RNAの結合実験、RNA間の塩基対形成の解析等のin vitro実験系をすでに確立していることから、これらの実験は可能である。また、塩基対形成作用を損なうhfq点変異の単離の際に構築した、sRNAの1つであるSgrSの機能を指標にしたスクリーニング系を用いて、RNAポリメラーゼの変異の単離を行う。RNAポリメラーゼの構成因子であるβ'サブユニットをコードするrpoC遺伝子の下流にFLAGタグ配列を付加した変異をすでに構築していることから、変異の単離、同定、及びその後の生化学的な解析を行うことが可能である。これらの解析を通して、転写終結に影響を及ぼすRNAポリメラーゼ変異を同定する。上述の研究を通して得られた成果は、学術論文、及び学会等で発表する。塩基対形成を促進するHfqの作用を明らかにするためには、細胞内におけるHfq量の調節機構の理解は必須である。
多様な生物群集で成り立つ「生物多様性と生態系機能」理論の予測と検証

生態系は多種多様な生物を通して、食料資源の生産、有害物質の分解、大気・水環境の維持、自然災害の緩和など多くの機能を人類に提供している。生態学や環境学の分野では、生態系がもつ機能(生態系機能)を安定的に維持する機構を解明することが最大の研究課題のひとつとなっている。なかでも、この二十年とりわけ多くの関心が払われてきたのが生物多様性と生態系機能の関係性(Biodiversity and Ecosystem Functioning; B-EF)である。しかしながら、これまでの理論研究では競争系や3栄養段階系といった単純な系にのみ限定してB-EF関係性が議論されており、より複雑な生物群集で成り立つB-EF関係性は明らかになっていない。本研究課題では、より広い多様な生態系で成り立つB-EF関係性を明らかにするために一般的な生物間相互作用理論に基づくB-EF関係性を明らかにすることを目的とする。保存近似による解析の結果、1)B-EF関係性は生物間相互作用の数と強さのトレードオフによって変化すること、2)生物間相互作用の数と強さのトレードオフがあるのであれば生物が多様なほど機能が安定すること、が予測された。理論解析と数理モデルシミュレーションの作成まで終えており、おおむね順調に進行している。数値実験を行って論文にまとめる。理論の実証に使えそうなデータを論文調査によって探す。論文化(英文校閲・オープンアクセス代)費用と成果発表のための学会参加費用として翌年度使用する
青果物の活性酸素消去能を利用した最適CA(MA)貯蔵条件検索法の開発

本研究では青果物の最適CA(MA)貯蔵条件を明らかにするため、先ず青果物の低酸素障害の様相を調査した。その結果、ピッティング、変色、組織の水浸状化、異臭が認められた。そのうち、異臭が顕著な低酸素障害であり、低酸素に対する耐性を規定する要因となることを見出した。次に、青果物のCA貯蔵中のアルコール発酵の様相についてピーマンをモデルに用いて、貯蔵酸素濃度を変えて調べた。アセトアルデヒド(AA)およびエタノール(EtoH)含量は、0%O_2下で共に増加し、EtoHはAAより多かった。ピルビン酸脱炭酸酵素(PDC)とアルコール脱水素酵素(ADH)の活性は、1%O_2下で共に増加した。次いで、ピーマンをモデルに低酸素条件下とその解除後のアルコール発酵と抗酸化機構の様相について調べた。CO_2排出量は0%O_2下で抑制されたが、解除後に急増したのに対して、1%O_2下では解除後も抑制された。AAおよびEtOH含量は1%O_2下で解除後も当初のレベルを維持したが、0%O_2下では増加し,解除後は徐々に減少した。PDCおよびADH活性は0%O_2下で解除後も当初レベルを維持したが、1%O_2下では増加し、その解除後も高レベルを維持した。抗酸化機構はスーパーオキシドジスムターゼの活性が1%O_2下で解除後も当初レベルを維持したのに対して、0%O_2下では抑制された。また、ピーマン果実以外にニホンナシ、トマトおよびニラについても貯蔵増酸素濃度を変えて、アルコール発酵の様相を調査した.その結果、AAおよびEtOH含量は、0%O_2下で増加し、EtOHはAAより多かった。PDCとADHの活性はニホンナシおよびニラでは1%O_2下で、トマトは3%O_2下でいずれも共に増加した。次に、青果物のCA貯蔵中のアルコール発酵の様相および呼吸代謝についてニラを用いて、高CO_2と空気との組合せのガス条件下で調べた。30%CO_2下でEtOHが増加したが、AAや酵素活性に変化はなかった。しかし、高CO_2処理でピルビン酸含量の一時増加が認められ、その程度はCO_2濃度に比例した。一方、コハク酸脱水素酵素は高CO_2処理により活性が抑制され、その程度は処理濃度に比例した。青果物のCA貯蔵中のアルコール発酵の様相について調査した。先ずCA条件のうち酸素濃度が青果物の品質とアルコール発酵生成物の変化及びそれに関係する酵素の活性に及ぼす影響についてピーマン果実を用いて実験を行った。0、1、3、5、10%O_2及び空気を通気しながら20°C下で7日間貯蔵した。外観上の変化はいずれの酸素濃度ともなかったが、0%O_2で異臭が認められ、経時的にその程度は大きくなった。同様にアセトアルデヒド及びエタノール含量も0%O^2で経時的に増加し、エタノール含量は貯蔵中アセトアルデヒド含量よりも多かった。しかし、それ以外の酸素濃度ではそれら含量は非常に低く、貯蔵中の変化も少なかった。

ピルビン酸脱炭酸酵素活性は1、3、5%O_2で増加したが、それ以外は変化が少なかった。アルコール脱水素酵素活性は1、3%O_2のみ著しく増加し、ピルビン酸脱炭酸酵素の約10倍の活性を示した。次に、ピーマン果実と同様の処理条件でニホンナシ'幸水'果実について貯蔵実験を行った。外観、可溶性固形分量ともいずれの酸素濃度とも変化はなかった。しかし、異臭が0%O_2で認められて、その程度は貯蔵中増加した。アセトアルデヒド含量はいずれの酸素濃度も増加したが、エタノール含量は0%O_2で著しく増加した。また、エタノール含量はピーマン果実と同様にアセトアルデヒド含量より多かった。ピルビン酸脱炭酸酵素活性は1、3%O_2で増加したが、それ以外の酸素濃度では変化が少なかった。アルコール脱水素酵素活性は0、1、3、5%O^2で著しく増加したが、10%O_2及び空気下では貯蔵中活性の変化は少なかった。ピーマン果実を低酸素条件下とその解除後のアルコール発酵と抗酸化機構の様相について20°Cに貯蔵して調べた.外観は,1%O_2下で貯蔵中変化はなかったが,0%O_2下ではがくが褐変し,その解除後は褐変が進み,水浸化がみられた.CO_2排出量は,0%O_2下では抑制されたが,解除直後に急増し,その後その高いレベルが維持された.一方,1%O_2下では貯蔵中抑制されて,解除後も抑制されたままであった.アセトアルデヒド(AA)およびエタノール(EtOH)含量は,1%O_2下およびその解除後とも貯蔵当初のレベルを維持したのに対して,0%O_2下では経時的に増加し,解除後は徐々に減少し,その減少程度はAA含量がEtOH含量に比べて小さかった.ピルビン酸脱炭酸酵素(PDC)とアルコール脱水素酵素(ADH)の活性は,0%O_2下およびその解除後とも貯蔵当初のレベルを維持したのに対して,1%O_2下では経時的に増加し,その条件解除後はその高いレベルを維持した.抗酸化機構ではスーパーオキシドジスムターゼの活性が1%O_2下およびその解除後とも貯蔵当初のレベルを維持したのに対して,0%O_2下では抑制されたが,その解除直後に一時的増加がみとめられた.次に,ピーマン果実以外にトマト果実とニラを低酸素条件下で貯蔵し,アルコール発酵の様相を調査した.トマト果実では3%O_2で貯蔵中PDCとADHの活性が増加したのに対して,AAおよびEtOH含量が低いレベルを維持した.それに対して,0%O_2では貯蔵中PDCとADHの活性が貯蔵当初のレベルを維持したが,AAおよびEtOH含量が増加した.貯蔵中のピルビン酸含量は0%O_2で増加した.ニラでは1および3%O_2で貯蔵中PDCとADHの活性が増加したのに対して,AAおよびEtOH含量が低いレベルを維持した.一方,0%O_2で貯蔵中ADHの活性が貯蔵当初のレベルを維持したが,AAおよびEtOH含量が増加した.20種類の青果物における低酸素障害の様相について、貯蔵酸素濃度を変えて貯蔵して調査した。0%O_2では全ての青果物で低酸素障害が起こり、貯蔵中障害の程度が進展した。ピッティングがオクラ、ナス、キュウリで観察され、変色はニラ、カリフラワー、ホウレンソウ、ナス、洋ナシで認められた。組織の水浸状化はニラ、カリフラワー、ホウレンソウ、イチゴ、バナナ、洋ナシで発生した。オフフレーバーと異臭については全ての青果物で認められ、0%O_2下でピーマンは1日、ナスは3日、ナシは4日、カキは7日、ブロッコリーは1日に、追熟処理バナナでは0%O_2下で1日、1%O_2下で2日に、
高速トラッキング顕微鏡を用いた神経微小領域の活動計測

顕微鏡観察下で自由に行動する微小生物を自動追尾するトラッキングシステムを開発し、温度勾配上を自由に行動する線虫を高倍率の対物レンズ下で追尾することに成功した。特定の神経細胞に蛍光カルシウムプローブを発現させ、このシステムで測定することで、自由行動下での非侵襲神経活動計測を実現した。さらにこのトラッキングシステムから得られる動画データを解析するため、画像解析プログラムを開発した。これら開発したツールを用い神経活動計測と温度勾配を探索しているときの行動要素を比較することで、介在神経細胞の活動が探索行動にどのように関わっているかを定量した。自由行動している線虫の神経細胞微小領域からカルシウムシグナルを計測するため、これまでに開発した高速トラッキングシステムを使い、遺伝的にコードされた蛍光カルシウムプローブであるGEM-GECOをAIY介在神経細胞に発現させた線虫から蛍光画像を取得した。さらにその画像を解析するためのプログラムを開発し、視野内を動く神経細胞から神経突起部分を抽出することで、その蛍光輝度値の時系列を抽出した。このプログラムは蛍光画像から細胞体の中心を基準にして、特定の距離に応じて神経突起領域を特定し、神経突起に沿った蛍光輝度値を抽出するもので、時系列画像を処理することで神経突起上の蛍光輝度値変化を解析することができる。この解析プログラムは本研究で最も重要なツールであり、このプログラムが作成できたことにより、自由行動中の微小領域からの時系列シグナルを抽出できるようになり、今後の実験で重要となる蛍光輝度値の変化を詳細に計測することが可能となった。時系列画像から任意の場所を手動で抽出することは非常に労力が必要であり、プログラムにより自動抽出することで時間、労力、客観性が大幅に改善された。開発した解析プログラムは本研究を通して使われるもので、今後の実験を進める上で非常に重要である。また画像取得におけるオートフォーカスのプログラムを修正し、より安定した蛍光輝度値の計測ができるように改善した。神経突起は生体内で3次元的に複雑な形状をしているため、オートフォーカスや顕微鏡制御プログラムの改善は実験のスループットや精度、客観性を高めるために重要であり、これらの改善により、次年度以降に計画されている発展的な実験の基盤が整った。さらに、次年度から行う実験に先立ってマイクロ秒単位でON/OFF制御ができるLumencore照明を導入し、実験環境を整えた。前年度までに開発した高速トラッキングシステムを用いて、行動中の細胞局所的な神経活動の計測を進めた。遺伝的にコードされた蛍光カルシウムプローブであるGEM-GECOを用いた高速トラッキングを実施し、行動中のAIY介在神経細胞の活動計測と、そのときの行動変化を解析した。計測を実施する過程で、GEM-GECOの励起に必要な短波長の光が行動に影響する可能性も確認されたため、GEM-GECOに加えて、新しく開発された、遺伝的にコードされたカルシウムプローブであるYCXを導入し、AIY神経細胞でのみYCXタンパクを発現する系統の作成と、その系統を使ったカルシウムイメージングも実施した。YCXは以前からあるcameleonと同様に蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)を利用したプローブであるが、cameleonよりもシグナルノイズ強度比が高く、GEM-GECOと比べて長波長の励起光を用いるため、生体への毒性が少ない。また、GEM-GECOと同じくレシオメトリックな測定系であるため、計測対象の動きによるアーチファクトやシグナルの減衰が少ない。これを用いて、より自然な状態で行動と神経活動の計測を行い、AIY介在神経細胞の活動がどのように行動に関わっているか、検証を進めた。また、昨年度に導入した高速にON/OFF制御が可能なLumencore照明について、プログラムによって制御する環境を整え、様々な強度、時間幅で光刺激を与えることを可能にした。成果発表としては高速トラッキングシステムでの計測、解析の基盤となる別のトラッキングシステムでの研究結果をthe Journal of Neuroscience誌に発表した。行動中の神経活動を蛍光プローブで計測するための高速トラッキングシステムのハードウェア、ソフトウェアを整備し、Lumencore照明など光学系の調整、そしてカルシウムプローブを測定対象である介在神経細胞などに発現させた線虫系統の作成などを進め、行動中の特定の神経細胞における軸索などの局所部位の蛍光カルシウムイメージングを線虫が自由に行動できる温度勾配上で行えることが確認された。さらに画像解析、行動解析のプログラムを作成することで、蛍光イメージングにより得られた画像から特定の部位の蛍光強度を抽出し解析することを可能にした。介在神経細胞の機能を調べるために神経活動を制御する方法としては、オプシンを用いた光制御の実験系を整備し、加えてヒスタミン依存性ClイオンチャネルHisCl1とヒスタミンを用いた、細胞、時期特異的な化学抑制方法の実験系も整備した。現在対象としているAIY介在神経細胞やRIA介在神経細胞は後退などの劇的な行動変化でなく、定量的な解析が必要な行動変化に関連することがわかってきたため、より定量的な解析を進める実験計画、解析方法の検討を進めている。また、AIY介在神経細胞、RIA介在神経細胞の活動は確率的な振る舞いを見せており、同じ刺激に対しても施行ごとに異なる応答を見せつつ、分布として再現性があることも分かってきた。そのため、この確率的な性質を捕らえるための実験計画と、数理的な解析方法も検討している。これまでに開発してきたトラッキングシステムを用い、温度勾配上を自由に行動する線虫を高倍率の対物レンズ下で追尾し、AFD神経細胞とAIY神経細胞に対する同時カルシウムイメージングを実現した。

AFD神経細胞とAIY神経細胞は非常に近接しており、軸索と樹上突起が神経環と呼ばれる構造上で接続しているが、AFD神経細胞に核局在シグナルを含んだカルシウムプローブを発現させることでAFD、AIYそれぞれの蛍光シグナルが干渉しない状況を作り、それぞれの蛍光シグナルを同時に計測した。核におけるAFDのカルシウムシグナルは細胞体とほぼ同じタイミングでシグナルが変化することを確かめ、自由行動下での計測も実現した。さらにこのトラッキングシステムから得られる動画データを解析するため、画像解析プログラムの開発を行った。自由行動下では画像内での神経細胞の位置、形状が変化するため、まず輝度値に従って自動的に神経細胞領域を抽出し、さらに抽出した領域における神経突起の特徴点を抽出するプログラムを開発した。この抽出した神経突起中の特徴点は時間ごとに変形する神経突起の位置合わせに用い、自由行動中に変化する神経突起であっても対応する位置関係を保つ補正を行った。最終的に、神経細胞体を中心とする極座標空間に蛍光シグナルを投射し、抽出した特徴点を基準に位置合わせを行うことで、自由に行動する線虫に対しての時系列解析を可能にした。またAFD神経細胞にヒスタミン依存性ClチャネルHisCl1を発現させた系統を作成し、神経活動を制御することによってAFD神経細胞とAIY神経細胞間における情報伝達の様式を定量した。さらにAIYの神経活動計測と、温度勾配を探索しているときの行動要素を比較することで、介在神経細胞の活動が探索行動にどのように関わっているかを定量した。顕微鏡観察下で自由に行動する微小生物を自動追尾するトラッキングシステムを開発し、温度勾配上を自由に行動する線虫を高倍率の対物レンズ下で追尾することに成功した。特定の神経細胞に蛍光カルシウムプローブを発現させ、このシステムで測定することで、自由行動下での非侵襲神経活動計測を実現した。さらにこのトラッキングシステムから得られる動画データを解析するため、画像解析プログラムを開発した。これら開発したツールを用い神経活動計測と温度勾配を探索しているときの行動要素を比較することで、介在神経細胞の活動が探索行動にどのように関わっているかを定量した。本年度は当初計画通り、研究目的を達成するための解析方法を開発することに特に専念した。研究計画の記述にあった解析プログラムの開発や、画像取得技術の改善は、全研究計画を通して基盤となる重要事項であるため、研究期間の初期にこれらを整備することは目的達成において大いに意義がある。生物実験における画像解析プログラムは、一般的に共通して使える機能と、特定の実験に焦点を合わせた機能を合わせ持ち、本研究で用いる解析プログラムもこれに当てはまる。ただし、本研究で得られる画像データは顕微鏡視野内を高速に動く対象を捉えたものであるため、これまでに類をみない実験データであり、本実験データに特化した解析方法の割合が大きい。そのため、実験装置の開発と同じかそれ以上に、画像解析プログラムの開発は重要であり、時間のかかる工程でもある。
鳥類雄生殖器と精子に発現する新規な宿主防衛機構の解明への挑戦

本研究は、ニワトリ雄生殖器と精子において自然免疫系による宿主防衛機能が構築されている可能性を追究した。その結果、精巣と生殖道には多様なTLRとavBDが発現し、TLR4をリポ多糖で刺激すると炎症性サイトカインの発現が高まることが明らかとなった。このサイトカイン発現の増加は、T細胞を誘導して細胞性免疫を高めるとともに、avBD産生も誘導することが推定された。これらのTLR及びavBDを介する免疫応答は雄生殖器と精子の宿主防衛能を構築するものと思われた。鳥類のオスの生殖器にはウイルスと細菌性微生物が侵入することがあり,生殖器の組織と精子が感染するリスクは高い.トリβ-ディフェンシン(avBD)は自然免疫系で働く抗菌ペプチドである.Toll様受容体(TLR)は微生物成分を認識する分子である.体細胞では微生物成分によるTLRの刺激で炎症性サイトカインやavBDの産生が刺激される.オス生殖器では,適応免疫系が劣ると考えられており、このため,自然免疫が発達していることが推定される.本研究では,鳥類のオス生殖器と精子自身の感染防御機構が存在することを検証することを目的とし,オス生殖器がTLRを発現し,これの刺激がβ-ディフェンシンや炎症性サイトカインの産生を促すという機構の存在を追究する.本年度は,オス生殖器におけるTLR,炎症性サイトカイン,およびavBDが発現することを検証したところ、精巣、精巣上体および精管に、それぞれ7種、6種及び5種のTLRが発現し、これらにはグラム陰性菌とRNAウイルス成分を認識するTLR4とTLR3が含まれていた.また、精巣と精巣上体には10種、10種及び7種のavBD遺伝子が発現し、さらに3種のavBD蛋白について免疫染色で局在を解析すると、精巣の精子とセルトリ細胞、精巣上体の上皮細胞に免疫反応が検出された.炎症性サイトカインのIL-1β、IL6IFNγ遺伝子も精巣や精巣上体で発現することも確認した.TLRが微生物成分を認識して抗菌因子やサイトカインを産生する可能性の基礎が得られた.現在、TLR4とTLR3のリガンドで刺激すると生殖器の炎症性サイトカインの発現が増加することを示す若干の知見も得ている.オス生殖器では、精子に対する免疫応答を避けるために、適応免疫系より自然免疫系が発達していることが推定される。トリβ-ディフェンシン(avBD)は自然免疫系で働く抗菌ペプチドである。Toll様受容体(TLR)は微生物のパターンを認識する分子である。本研究は、鳥類のオス生殖器の自然免疫機能を明らかにすることを目的としている。今年度はTLRリガンドで刺激すると、生殖器や精子で炎症性サイトカインとケモカインの発現を誘導し、このとき免疫担当細胞の生殖器への流入も促進されること、さらに精子がavBD産生を行い、このavBDが精子の受精能に関与する可能性を検証した。(1)精巣と精巣上体にTLR4を含む多様なTLRが発現すること、TLR4のリガンドであるリポ多糖(LPS)を生体内投与すると、精巣と精巣上体で炎症性サイトカイン(IL-1β、IL-6)とケモカイン(IL-8)の遺伝子発現が高まることを認めた.また、これらの組織ではIL-1βとIL-6蛋白も発現していることが確認された。さらに、(2)LPSがサイトカインの発現を誘導することに連動して、精巣上体と精管でヘルパー(CD4+)およびキラー(CD8+)T細胞が増加することを明らかにした。また、(3)精子をLPSで刺激するとavBD発現が高まることを明らかにしたが、さらに微生物特異的CpGオリゴDNAで刺激してもIL-1βやavBp10の発現が高まる傾向を認めた。一方、(4)精子が発現するavBDと受精能との関係を解析するために、avBD抗体でインキュベートした精子を産卵鶏へ人工授精したが、受精率に影響は認められなかったので、精子のavBDと受精能との関連は少ないものと思われた。
地殻活動予測シミュレーションにおける4次元データ同化手法の構築

データ同化は物理モデルによる予測とデータによる状態の更新とから成る。今年度はデータによる状態の更新の部分の開発を行い、東海地方のGPS観測データに対して適用した。従来、GPSデータを用いた地殻変動の時間発展の推定では、カルマンフィルターという手法が用いられ、状態の時間変化の滑らかさや断層すべり量の空間分布の滑らかさを支配するパラメータは最尤法を用いて決められてきた。しかし、地表のデータのみで地下の断層運動を推定しているので、断層すべり量の空間分布の滑らかさに関しては決まりが悪かった。そこで、本課題では、これらの平滑化パラメータも断層すべりなどの未知数と一緒に推定する定式化を行い、拡張カルマンフィルターという手法で状態の推定を行った。その結果、平滑化パラメータはより厳密に求まるようになった。この手法を、2000年から起こっている東海地方のスローイベントに対して適用した。用いたデータは国土地理院のGPSデータで、まず国土地理院から提供を受けたデータから不要な拘束条件を除去し、異常な地殻変動が見られなかった観測点を多数選び出して、それらに拘束を与えることで、一点だけの固定点を置くことなく、基準系を決めることができた。その後、2000年以前のデータから定常的な地殻変動や年周変化を推定し、2000年以降のデータからあらかじめ差し引いておいた。得られた結果から、イベントは浜名湖の少し西の地域から始まり、時間が経過するとともに東に移動していく様子がわかった。
転換神経細胞による疼痛治療

慢性の神経障害性疼痛に対しては、三環系抗うつ薬やプレガバリン、ガバペンチンなどの抗てんかん薬による内服治療が主体になるが、難治性で服薬も長期に渡る症例が多い。最近、新たな治療の試みとして、ラットを用いた実験で胚性幹細胞(ES)細胞から分化誘導させたGABAergic神経細胞のくも膜下投与によって脊髄損傷に因る神経障害性疼痛が軽減される事が報告されている。将来的な臨床応用を目指して、マウス線維芽細胞を神経細胞に変換し、GABAergic神経細胞を誘導分離する方法を検討する。神経障害性疼痛モデルマウスを作製し、試験的に分離細胞をくも膜下に投与し、神経障害性疼痛が軽減されるかどうかを検討する。末梢神経あるいは中枢神経の損傷による神経障害性疼痛に対しては、慢性期には三環系抗うつ薬やプレガバリン、ガバペンチン、クロナゼパムなどの抗てんかん薬による内服治療が主体になるが、難治性で服薬も長期に渡る症例が多い。最近、新たな治療の試みとして、ラットを用いた実験でマウスの胚性幹細胞(ES)細胞から分化誘導させたGABAergic神経細胞のくも膜下投与によって脊髄損傷に因る神経障害性疼痛が軽減される事が報告されている。2006年にYamanakaらによって、ES細胞の様に多様な細胞に分化出来る分化万能性(pluripotency)と、分裂増殖を経てもそれを維持出来る自己複製能を持つiPS細胞(induced pluripotent stem cells)が、マウスの線維芽細胞に4種類の遺伝子を導入することにより、世界で初めて作られた。また、2007年にはヒトの線維芽細胞からも同様にiPS細胞が作成された。iPS細胞は体を構成するすべての組織や臓器に分化誘導することが可能と考えらる。一方、iPS細胞を経ずに体細胞を直接特定の細胞に変換分化させる試みも始まっている。2010年には3種類の遺伝子を導入する事により、マウス線維芽細胞を神経細胞に変換出来た事が発表された。Vierbuchenらはこの神経細胞をinduced neuronal(iN)cell(転換神経細胞と仮に呼ぶ)と名付けた。このiN cellは大部分が興奮性の神経細胞だが一部はGABAergic神経細胞である。将来的な臨床応用を考えるとES細胞の使用は問題が多い。一方、体細胞からiPS細胞へのde-differentiationとiPS細胞から特定の分化した細胞へのre-differentiationの過程を簡略化して、iPS細胞を経ずに体細胞を直接特定の細胞に変換分化させる試みも始まっている。本研究では、マウス線維芽細胞からiN cellを作成し、GABAergic神経細胞を誘導分離し、神経障害性疼痛モデルマウスにくも膜下投与し、疼痛が軽減されるかどうかを検討する事を目標とする。Vierbuchenらはマウス線維芽細胞がAscl1、Brn2、Myt1lの3種類の蛋白質によって、iN cellになる事を示した。また、KimらはiPS細胞作製に必要な蛋白質にnine arginine repeat (9R)配列を融合させると、細胞培養液に加えた融合蛋白質が線維芽細胞の細胞内に取り込まれiPS細胞に転換される事を報告している。

そこで、Ascl1、Brn2、Myt1lの3種類の蛋白質のカルボキシル末端にそれぞれ9R配列を付加し、また、アミノ末端に6 x histidine tagを付加した融合蛋白質を発現するcDNAを含む発現プラスミドベクターを作製する。各蛋白質のcDNAはマウス胎児脳RNAからRT-PCR反応によって作製中であり、この発現プラスミドベクターをHEK293細胞(ヒト胎児腎臓細胞由来)に遺伝子導入し、融合蛋白質を一種類ずつ産生する安定発現細胞株を得る予定である。並行して、神経障害性疼痛モデルマウスの作成を進めている。C57/BL6マウスを用いて坐骨神経部分損傷モデル(partial sciatic nerveinjury,PSL,Seltzer model)を作製した。プランター式鎮痛効果測定装置(UGO BASILE社)を用いて、マウスの後肢に赤外線光源から熱刺激を与え、反応時間をカウンターで自動測定し、熱刺激に対する痛覚過敏度を患側肢と健側肢それぞれ測定している。Ascl1、Brn2、Myt1lの3種類の融合蛋白質の作成をさらに進める。この発現プラスミドベクターをHEK293細胞(ヒト胎児腎臓細胞由来)に遺伝子導入し、融合蛋白質を一種類ずつ産生する安定発現細胞株を得る予定である。これらの細胞は遺伝子導入された各融合蛋白質を産生する。各融合蛋白質の線維芽細胞への取り込みの最適な条件を検討した上で、それに従って、3種類の融合蛋白質をマウス線維芽細胞に同時に投与する。線維芽細胞に融合蛋白質を投与して、12日前後から、細胞を一部固定し、神経細胞に発現するMAP2蛋白の発現を免疫蛍光染色で観察する。坐骨神経部分損傷モデルを作成後1週間で患側肢に痛覚過敏が検出出来たら、このモデルマウスにGABAergic神経細胞への分化を促進したiN cellをくも膜下投与する。対照群として生理食塩水注入群、マウス線維芽細胞注入群を設ける。投与後1週間ごとに、プランター式鎮痛効果測定装置による測定を行う。測定結果に応じて、iN cellの投与量、投与方法(複数回、単回)など改善点を適宜検討する。一部のiNcell投与後の神経障害性疼痛モデルマウスは、投与後1ヶ月経過した時点で、安楽死させ、経心臓的に灌流固定し、パラフィン包埋標本を作製する。組織切片を作製し、hematoxylin-eosin染色によって脳・脊髄の病理変化を、形態学的に観察する。本研究はマウスの解析が主となり、マウスの繁殖、飼育が必要である。エサ代も含め、マウス維持に経費がかかる。また、実験補助(謝金)は主にマウスの飼育管理に用いる。抗体、試薬、プラスチック製品などの消耗品は研究の進行に応じて適宜必要なものを購入する。
グローバル化時代の映像社会学の課題と展開 -映像アーカイブを用いた共有知の研究-

本研究は、グローバル化時代における日本の映像社会学の本格的な構想と分野としての確立とを目指して、総合的な見地から公的映像アーカイブ群の公開を模索し、同時に、学術的な方法論の精緻化と国際的な研究成果発信を目的に企画立案されるものである。本研究計画は、研究目的(iiv)に対応した次の5つのステップで構成し、各年度において順次推進する。I.国内外における映像アーカイブズの基礎的資料収集と調査、II.映像アーカイブズの構築完成と公開、III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求、IV.シンポジウムの開催と公的映像アーカイブズへの提言、V.研究成果の公開と社会的共有、である。2018年度の研究においては、前年度に引き続き、上記のI. III.を実施した。I.国内外における映像アーカイブズの基礎的資料収集と調査。(1)既存の映像アーカイブズの検証。(3)海外映像データベースにおける現地調査と資料収集。海外映像アーカイブ資料について、補完作業を行った。II.映像アーカイブズの構築完成と公開(1)映像データベースのデジタル化作業。I.の作業と同時に、既にアナログデータとして収集済みの映像資料について、デジタル化とデータベース入力を行った。(2)総合的な映像アーカイブズの構築完成と公開。IIー(1)の作業を経て、総合的な映像アーカイブズとして構築を完成し、持続可能でより望ましい形で研究利用を行い、公開のための整備を行った。III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求。(1)個別研究主題における映像資料の研究価値の確定。さまざまな社会学の個別主題として「家族写真の社会学」という主題群を設定し、新たな研究課題の発見と展開に努めた。(2)映像社会学における方法論の探求。映像資料を扱う研究手法の利点や意義、問題点や課題を探求、報告書としてまとめた。2017年度は、諸般の事情により研究がやや遅れ気味であったが、2018年度は当初の計画通り概ね研究推進できた。2017年度は、諸般の事情により研究がやや遅れ気味であったが、2018年度は当初の計画通り、引き続き以下の作業を行った。I.国内外における映像アーカイブズの基礎的資料収集と調査(継続)、II.映像アーカイブズの構築完成と公開(継続)、III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求(2年目より展開)。2019年度は、さらに研究計画を進め成果につなげて行きたい。III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求(継続)、IV.映像社会学の研究成果発信。研究4年目には、国際的に発信可能なデジタルデータベースとして映像アーカイブズを構築・公開するとともに、当該研究領域の国際的展開を積極的に目指す。平成29年度の研究においては、上記のI.およびII.を実施した。I.国内外における映像アーカイブズの基礎的資料収集と調査1既存の映像アーカイブズの検証これまで研究代表者が従事してきたプロジェクトにおいて収集した各種映像を基盤に、映像社会学の研究対象となるアーカイブズを系統的に分類・整理・検証し、既存の公的映像アーカイブ群との整合性を考慮して欠落部分を洗い出した。その欠落部分については、情報提供と映像資料の閲覧、データ入力を実施した。II.映像アーカイブズの構築完成と公開1映像データベースのデジタル化作業Iの作業と同時に、既にアナログデータとして収集済みの映像資料について、デジタル化とデータベース入力を行った。2総合的な映像アーカイブズの構築完成と公開IIー1の作業を経て、総合的な映像アーカイブズとして構築を完成し、著作権法との問題点に考慮しながら、より望ましい形で研究利用を行い、公開のための整備を行った。研究分担者の体調不良のため、I.2海外映像データベースとの連携、および、I.3海外映像データベースにおける現地調査と資料収集を実施することは出来なかった。II.映像アーカイブズの構築完成と公開

(1)映像データベースのデジタル化作業。I.の作業と同時に、既にアナログデータとして収集済みの映像資料について、デジタル化とデータベース入力を行った。(2)総合的な映像アーカイブズの構築完成と公開。IIー(1)の作業を経て、総合的な映像アーカイブズとして構築を完成し、持続可能でより望ましい形で研究利用を行い、公開のための整備を行った。III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求。(1)個別研究主題における映像資料の研究価値の確定。さまざまな社会学の個別主題として「家族写真の社会学」という主題群を設定し、新たな研究課題の発見と展開に努めた。(2)映像社会学における方法論の探求。映像資料を扱う研究手法の利点や意義、問題点や課題を探求、報告書としてまとめた。2017年度は、諸般の事情により研究がやや遅れ気味であったが、2018年度は当初の計画通り概ね研究推進できた。初年度は、諸般の事情により研究がやや遅れ気味であるため、今年度も引き続き以下の作業を行っていく。I.国内外における映像アーカイブズの基礎的資料収集と調査(継続)II.映像アーカイブズの構築完成と公開(継続)III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求(2年目における新規研究課題)2017年度は、諸般の事情により研究がやや遅れ気味であったが、2018年度は当初の計画通り、引き続き以下の作業を行った。I.国内外における映像アーカイブズの基礎的資料収集と調査(継続)、II.映像アーカイブズの構築完成と公開(継続)、III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求(2年目より展開)。2019年度は、さらに研究計画を進め成果につなげて行きたい。III.映像社会学の個別主題確定と方法論の探求(継続)、IV.映像社会学の研究成果発信。研究4年目には、国際的に発信可能なデジタルデータベースとして映像アーカイブズを構築・公開するとともに、当該研究領域の国際的展開を積極的に目指す。研究計画のうち一部が実施できなかったため、主に旅費の執行分が繰越となった。23年度の予算にて執行予定。2017年度の研究計画の遅れによるもの。これらの予算は、2018年度および2019年度で執行予定である。
依存性薬物による脳幹コリン作動性ニューロンでの新規シナプス可塑性とその意義の解明

コカインを含む薬物による依存形成に腹側被蓋野(VTA)から側坐核および内側前頭前野に至る中脳辺縁皮質ドパミン神経系の活動と可塑的変化が重要な役割を果たすことが知られている。しかし,報酬系に投射し,その活動制御に関わるとされる報酬系外の神経核の関与やそこでのコカインによる可塑的変化の誘導については不明であった。そこで我々は背外側被蓋核(LDT)に着目し、コカインによる依存形成における役割を解析したところ、LDTの神経活動およびLDTからVTAへのコリン作動性神経伝達がコカイン依存形成に関与すること、また、この過程にLDTコリン作動性ニューロンでのシナプス可塑性が関与する可能性を見出した。麻薬や覚醒剤による薬物依存の形成には、様々な脳部位における可塑的変化が重要であると考えられている。本研究では、これまで注目されてこなかった脳幹の背外側被蓋核(LDT)に着目し、依存性薬物の一つであるコカインの摂取による可塑的変化の誘導の有無、および、その機能的意義を電気生理学的および行動薬理学的手法を駆使して明らかにすることを目的としている。昨年度までの研究から、コカインを慢性投与したラットから作成したLDTを含む脳スライス標本にホールセル記録法を適用することにより、LDTコリン作動性ニューロンにおいて興奮性シナプス伝達が可塑的に増強していることを見出した。さらに、この可塑的の誘導にはNMDA受容体の活性化とNOの産生が関わっていることを明らかにした。そこで本年度は可塑的変化が誘導される興奮性入力がどの脳部位に由来するのかを調べる目的で、解剖学的に結合が示されている内側前頭前野(mPFC)からの投射に着目し研究を進めた。コカイン投与前にmPFC内にGABAアゴニストを局所投与し、その活動をブロックするとLDTでのシナプス可塑性は抑制された。したがって、mPFCからLDTへの興奮性シナプス伝達がコカイン慢性摂取により可塑的に増強することが示唆された。また、条件付け場所嗜好性(CPP)試験を用いた行動薬理学的解析において、コカイン条件付けの際にLDTの活動を抑制すると、コカインによるCPPが抑制されることも見いだした。以上の結果は、脳幹のLDTコリン作動性ニューロンの活動とそこでの可塑的変化がコカインによる依存形成に重要な役割を果たすことを示唆している。本年度はコカインを投与したラットから作成したLDTを含む脳スライス標本にホールセル記録法を適用することにより、LDTコリン作動性ニューロンにおいて興奮性シナプス伝達が可塑的に増強していることを見出した。すなわち、コカインを5日間投与し、その1日後においてプレシナプスに起因する可塑的変化が観察されることが分かった。一方で、このような変化はコカインを1日投与したのみ、あるいは、5日間コカインを投与し、その後5日間の退薬を行った場合には認められなかった。以上の結果は、コカインの慢性投与によりLDTコリン作動性ニューロンにおいて一過性の興奮性入力の可塑的増大が誘導されることを示している。この可塑的変化の誘導メカニズムを調べる目的で、NMDA受容体アンタゴニストおよび一酸化窒素合成酵素(NOS)阻害剤の作用を調べたところ、コカイン慢性投与による可塑的変化が抑制されることが分かった。したがって、LDTコリン作動性ニューロンでの可塑的変化の誘導にはNMDA受容体の活性化とNOの産生が関わっていることが示唆された。以上の結果は、脳幹のLDTコリン作動性ニューロンの活動がコカイン摂取により増強される可能性を示す初めての知見である。LDTでの可塑的な興奮性増強が、その投射先である腹側被蓋野ドパミンニューロンの活性化を介して、コカインによる依存形成に関与している可能性が示唆される。麻薬や覚せい剤による薬物依存の形成には、様々な脳部位における可塑的変化が重要であると考えられている。

昨年度までの研究に引き続き、条件付け場所嗜好性(CPP)試験を用いた行動薬理学的解析を進めたところ、コカイン条件付けの際にLDTからVTAへのコリン作動性神経伝達をムスカリン性アセチルコリン受容体アンタゴニストのスコポラミン、あるいは、ニコチン性アセチルコリン受容体アンタゴニストのメカミラミンの局所投与により抑制すると、コカインCPPが抑制されることを見いだした。この結果は、コカイン報酬効果と場所との連合学習過程においてLDTからVTAへのコリン作動性神経伝達が重要であることを示している。また、ポストテストの直前にLDTへグルタミン酸受容体アンタゴニストであるCNQXおよびAPVの混合液を投与することによっても、コカインCPPの発現が抑制されることを見出した。さらに、LDTからVTAへのコリン作動性神経伝達の抑制もCPPの発現を抑制することが分かった。VTAの活動を抑制することによってもCPPの発現が抑制されたことから、以上の結果は、コカイン慢性投与によるLDTコリン作動性ニューロンの可塑的な興奮性増大と、それに続く、VTAニューロンの活動上昇がコカインによる依存形成に重要な役割を果たすことを示唆している。神経薬理学研究の目的を達成するために記載したH25年度の研究計画をおおむね遂行することができたため。研究の目的を達成するために記載したH24年度の研究計画をおおむね遂行することができたため。研究計画に記載したH25年度以降の研究計画に沿って、LDTで誘導される可塑的変化の機能的意義を行動薬理学的手法を用いてさらに明らかにすることを目指す。研究計画に記載したH25年度以降の研究計画に沿って、LDTで誘導される可塑的変化が、どこからの神経入力に由来するのかを明らかにし、さらに、この可塑的変化の機能的意義を行動薬理学的手法を用いて明らかにすることを目指す。B-Aの差額である667円は平成24年度3月に既に納品された物品費に充てられる。
ソフトマター系の非線形動力学の統一的理解とそれによる生体機能発現機構の解明

本研究は、様々な生物の様々な部位で様々な形で実現している、情報、物質、エネルギーの伝達、増幅、変換、記憶(蓄積)といった、様々な生体機能の実現メカニズムを、ソフトマター系の動力学、化学反応動力学の理解を通じて解明することを目的としている。そこで本年度は、生体機械の集団としての細胞系の運動、及びその細胞の集団系の挙動に潜む動力学的側面の解明に向け、簡単な格子ガスモデルや、結合振動子モデルを提案、及びその解析を行い、以下のような成果を得た細胞の自律的な運動は、その内部にある微小管やアクチンフィラメント等といった細胞骨格や、脂質からなる膜構造等の、流動化や組織化を通じて起こる。よってその理解には、高分子溶液やコロイド溶液といったソフトマター系のレオロジーの理解が不可欠である。そこで滑り面の熱運動を考慮した、少数自由度格子ガスモデル及びランジュバンモデルを用い、様々なソフトマター系が普遍的に示すShear Thinning及び個別的に現れるShear Thickeningについて議論した。細胎内において成される情報のやり取りや、代謝に伴う多様な振る舞いを理解するために、大自由度触媒反応ネットワーク系の定常状態の動的、続計的性質について議論した。特に細胎内での分子種数の多数性及び分子数の少数性が、生体内反応ネットワークに及ぼす影響を考察した。その結果、分子数が分子種数より少ない場合、多い場合と比べ、平均的な反応率が激減すること、また典型的な反応経路が大きく変化する事等を見出した。このような反応経路の変化は、大腸菌等を用いた実験においても確認されており、これらの結果が、細胞の示すスイッチ的な状態変化を理解する土で、大きな知見を与えると期待できる。(論文作成中)本研究は、様々な生物の様々な部位で様々な形で実現している、情報やエネルギーの伝達、増幅、変換、記憶(蓄積)といった、様々な生体機能の発現メカニズムを、ソフトマター系の非線形動力学、化学反応動力学の理解を通じて解明する事を目的としている。そこで本年度は、その基礎的な研究として、特に化学反応性と拡散による構造形成、および柔らかい物質系の実現する、エネルギーの伝達性に着目し、以下のような研究成果を得た。生物の発生過程における濃度不均一性や、生体内での強い揺らぎに対する非平衡状態の維持は、如何にして可能になっているのか。その理解に向けたFirst stepとして、「非平衡状態に置かれた反応拡散系が形成する散逸構造は、その非平衡性に対し如何なる影響を及ぼすのか。」という問いをたて、孤立した化学反応系の、系に過渡的に形成された構造に依存した物性の変化、特に緩和の性質について議論した。そして系の構成が同一であっても、Turingパターンを形成した場合は、しない場合より平衡への緩和が格段に遅くなり、パターン形成が非平衡性の維持に働く事を見出した(PRL 2004)。細胞やタンパク質等といった柔らかい物質から構成される生体機械が、マクロな硬い材質の機械と比べ、どのような動作(運動)特性の違いがあり、またどのような機能が可能(不可能)であるのか。そこで、変形可能なモデル歯車の結合系を構成し、歯車の硬さを変えつつ、歯車一つにトルクをかけ、系の応答を調べた。そして柔らかい歯車系では、硬い歯車系とは逆に、フラストレーションが存在することで回転が伝達すること、また系に温度差を与えた場合、方向性のある運動を実現することを見出した。(論文投稿中)本研究は、様々な生物の様々な部位で様々な形で実現している、情報やエネルギーの伝達、増幅、変換、記憶(蓄積)といった、様々な生体機能の実現メカニズムを、ソフトマター系の動力学、化学反応動力学の理解を通じて解明する事を目的としている。そこで本年度は、個々の生体機械、及びその集団系の持つ力学的側面の解明に向け、簡単な格子ガスモデルの提案、及び解析を行い、以下のような成果を得た。生体内の分子機械は、その存在する環境の大きな揺らぎの影響や、その材料の特徴により、我々の良く知るマクロな機械と異なる原理で、動作している可能性が示唆されている。そこでまず、イオンポンプや分子モーターといった、能動輸送を行う分子機械の動作について、揺らぎの影響が考慮された格子ガスモデルを用い、議論した。そして、入力の違いに応じた輸送方向の切り替えが、環境揺らぎの助けを借りて実現する可能性を見出した。またこれから、バクテリアの鞭毛回転モーターの反転機構等に対し、考察を与えた。(JPSJ2005)多くの細胞は自律的に運動する。この運動は、微小管やアクチンフィラメント等といった内部の紐状(管状)の構造や、脂質からなる膜等の、流動化や組織化を通じて起こる。よって、その性質の理解には、高分子、コロイド系といったソフトマター系のレオロジーの諸性質の理解が不可欠である。そこで簡単な格子ガスモデルを用い、ソフトマター系の普遍的性質であるShear Thinning、及び、個別的性質であるShear Thickeningについて議論した。そして相空間の構造と拡散の特徴から、これら二つの出現が説明される事を明らかにした。(論文投稿中)本研究は、様々な生物の様々な部位で様々な形で実現している、情報、物質、エネルギーの伝達、増幅、変換、記憶(蓄積)といった、様々な生体機能の実現メカニズムを、ソフトマター系の動力学、化学反応動力学の理解を通じて解明することを目的としている。

そこで本年度は、生体機械の集団としての細胞系の運動、及びその細胞の集団系の挙動に潜む動力学的側面の解明に向け、簡単な格子ガスモデルや、結合振動子モデルを提案、及びその解析を行い、以下のような成果を得た細胞の自律的な運動は、その内部にある微小管やアクチンフィラメント等といった細胞骨格や、脂質からなる膜構造等の、流動化や組織化を通じて起こる。よってその理解には、高分子溶液やコロイド溶液といったソフトマター系のレオロジーの理解が不可欠である。そこで滑り面の熱運動を考慮した、少数自由度格子ガスモデル及びランジュバンモデルを用い、様々なソフトマター系が普遍的に示すShear Thinning及び個別的に現れるShear Thickeningについて議論した。細胎内において成される情報のやり取りや、代謝に伴う多様な振る舞いを理解するために、大自由度触媒反応ネットワーク系の定常状態の動的、続計的性質について議論した。特に細胎内での分子種数の多数性及び分子数の少数性が、生体内反応ネットワークに及ぼす影響を考察した。その結果、分子数が分子種数より少ない場合、多い場合と比べ、平均的な反応率が激減すること、また典型的な反応経路が大きく変化する事等を見出した。このような反応経路の変化は、大腸菌等を用いた実験においても確認されており、これらの結果が、細胞の示すスイッチ的な状態変化を理解する土で、大きな知見を与えると期待できる。(論文作成中)