hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
連続ナノ細孔中での分子拡散工学と界面分子工学を融合した新光電変換素子の提案

本研究の目的はナノ酸化物半導体中に形成される連続ナノ空間での分子拡散に焦点を絞り、高効率化のための光電変換ナノ界面を分子工学的に構築することである。同じ分子サイズの置換基を持った色素で比較した場合、極性基を有する色素でナノポア内壁を修飾した場合に、酸化型レドックス種の拡散が遅く、かつ開放電圧が低かった。これは酸化型レドックス種の拡散が遅いほど、ナノポア内でチタニア電子との電荷再結合が起こりやすいためであると結論できた。ナノポアのレドックス種拡散現象の解析から、高い開放電圧を維持するためには疎水性長鎖のアルキル基を有する色素が良いことがわかった。本研究の目的はナノ酸化物半導体/リキッドジャンクション、ナノ酸化物半導体/有機固体ジャンクションからなる光電変換素子の高性能化のための指針を提案することであり、特にナノ酸化物半導体中に形成される連続ナノ空間での分子拡散に焦点を絞り、高効率化のための光電変換ナノ界面を分子工学的に構築することである。本年度は、ナノポーラスチタニア内の分子拡散をできるだけ素子構成で測定することを目的に、計測システムを構築した。実際にレドックス種のナノポア内での拡散実験を行い、光電変換素子の性能向上に関係する因子を見出した。本計測装置は、自立するナノポアシートをレドックス種濃度測定装置でサンドイッチした構造を有する。ナノポアシートはメッシュ構造を有する支持母体にチタニアナノ粒子を塗布することにより作製した。レドックス種濃度は分光的に連続的に測定し、D.D.Frey,C.J.Kings,J.Chem.Eng.Data.,27,419(1982)らの式を用いて見かけの拡散係数を測定した。レドックス種として、I-,I3-,I2の三種を、ナノポーラスチタニア表面を種々の色素を吸着させたナノポア内を拡散させ、その拡散速度係数を相対的に比較した。I-,I3-の拡散速度はI2の拡散速度よりも遅く、前者は色素とのイオン的、静電的相互作用が強く、拡散が阻害されていることがわかった。特にI3-の拡散速度はその他のレドックス種と異なり、静電相互作用が大きな色素で修飾したナノポア内では拡散が大きく阻害されることがわかった。ナノポア内でのI3-の拡散が遅くなるほど、光電変換セルの解放電圧(Voc)が低下するという新事実を見だした。ナノポア内でI3-の拡散が大きく阻害されるということは、I3-が色素と相互作用し、I3-が色素近傍に存在する確率が高いことを意味しており、このため色素/チタニアからI3-への逆電子移動(電荷再結合)が起こりやすく、Vbcが低下すると説明できた。光電変換効率が高い色素構造をナノポア内でのI3-の拡散係数から推定できることを新しく見出した。この結果は高効率色素の研究開発に大きな指針を与えることができる。高効率色素増感太陽電池には粘度が低いアセトニトリルが使用されている。しかし耐久性を向上させるために高沸点、高粘度の電解液を用いると、太陽電池性能の低下が認められていた。これは電解液粘度が高くなるとともにバルク電解液中のI_3-の拡散が低下し、太陽電池性能が低下すると一般に考えられていた。ナノポア中でのI_3-の拡散が特に重要であると考えられるがナノポア中でのI_3-の拡散と電解液粘度、および太陽電池性能の相関については全く検討されてこなかった。本年度は、電解液溶剤の粘度と色素吸着ナノポア内でのI_3-拡散係数、および太陽電池特性に関する相関を調べた。色素吸着したナノポア中でのI_3-の拡散速度は、バルク中でのI_3-の拡散速度に比べ、より大きく電解液粘度の影響を受けることがわかった。従って、粘度の影響はバルク中でのI_3-の拡散よりもナノポア中でのI_3-の拡散に大きく影響されることがわかった。ナノポア中でのI_3-の拡散は、粘度ばかりでなくナノポアを修飾している色素構造にも大きく依存した。この研究の過程で、ナノポア中でのI_3-の拡散が非常に遅い系であるにもかかわらず、高い開放電圧(Jsc)が得られる系を見出した。本来ポア内でのI_3-拡散が起こらなければ電流は流れないはずである。

このメカニズムを解明することにより、高粘度電解液を用いても高いJscが得られる系を提案できる。今年度の研究によりその指針が得られた。これを来期はさらに発展させ、高粘度電解液を使っても、さらに高Jscを実現できるできる系を作製し、実証する。色素増感太陽電池に代表されるナノ酸化物半導体を使った光電変換素子は従来の半導体プロセスを使わない低コスト型太陽電池として注目を集めている。色素増感太陽電池の性能をさらに向上させるためには電荷再結合を防止する必要がある。本研究の目的はナノ酸化物半導体/リキッドジャンクションからなる光電変換素子の高性能化のための指針を提案することであり、特にナノ酸化物半導体中に形成される連続ナノ空間での分子拡散に焦点を絞り、高効率化のための光電変換ナノ界面を分子工学的に構築することである。色素としてルテニウム錯体、スクアリル色素、インドリン系色素が良く用いられている。これらの代表的な色素で修飾したナノボア内のヨウ素レドックスの拡散を独自に開発した装置で測定し、そのポア内拡散定数と開放電圧(Voc)の関係を明らかにした。色素に置換する側鎖が同じような大きさ、分子サイズが同じような大きさの色素でポア内を修飾する場合、ヨウ素レドックスの拡散速度とVocには明らかに相関性があり、I3-の拡散がナノポア内で遅くなるほど太陽電池のVocが低下した。I3-と強く相互作用すると考えられる色素でナノ界面を修飾するほど、逆電子移動が起こりやすく解放電圧(Voc)が低下したと理解できた。これらの結果を色素構造の観点から考えると色素の置換基が大きいほど、チタニア内電子とI3-の接触を抑制することができVocが高い傾向にあった。同じ程度の嵩高さを有する置換基で比べると、FやO原子のように電荷の偏りを誘発し、I3-と相互作用しやすい置換基を側鎖に有する色素を使った色素増感太陽電池はVocが低い傾向にあると考えられた。これらの結果から、疎水性の長いアルキル基を有する色素が高効率を達成するための一つの候補であることが提案できた。色素増感太陽電池のナノポア中での電解質拡散と開放電圧の関係を調べ、電荷再結合の起こりやすさと開放電圧(Voc)の相関を明らかにし、高効率化への指針を得ることを目標に研究を続けた。I3-のチタニアナノポア中での拡散はチタニアのナノポアの表面を被覆している置換基の種類によって異なり、極性基を有している置換基ほどヨウ素レドックスとの相互作用が強くチタニア内電子とヨウ素との間での電荷再結合が起こりやすくVocが低下する。今期は高電圧型高効率太陽電池として注目されているCoレドックス種のチタニアポア内拡散と色素構造の関係、およびVocとの関係を明らかにすることを目的に研究を行った。色素として一般的に良く使用されるルテニウム色素、スクアリル色素、シアニン色素、インドリン系色素、フタロシアニン色素、ポルフィリン色素を用いてチタニアナノポアの内壁を修飾し、色素とCoレドックス種との拡散を検討した。同種類の色素で比較したところ、コバルト錯体と相互作用しやすい置換基を有する色素で修飾したチタニアほど、ナノポア内でのCo3+の拡散が小さい。さらに拡散が遅いほどチタニア内電子とCo3+との電荷再結合が起こりやすく、Vocが低下することがわかった。4年間の研究で、ヨウ素レドックス、コバルトレドックスとも、チタニアナノポア壁を修飾する色素との相互作用が大きいほどレドックス種の拡散が遅く、チタニア内電子とレドックス間での電荷再結合が起こりやすく、電圧が低下する傾向がある。
円周上の曲面束の構造を許容する3次元双曲的多様体の位相不変量に関する研究

曲面束の構造を持つ三次元多様体の基本群から整数のなす群へは標準的な全射準同型が存在する。この典型的な例が三次元球面内のファイバー結び目の補空間である。ファイバー結び目に限らず一般に結び目の補空間の基本群(以下、単に結び目群と呼ぶ)は整数への全射準同型を持つ。このような整数への全射準同型を用いて定義されるねじれAlexander不変量に関する研究を行った。ねじれAlexander不変量は結び目群の体上の線形表現を一つ固定した時にその体上の有理関数として定義される結び目の不変量である。1.ねじれAlexander不変量がいつLaurent多項式になるかについて、森藤孝之氏(東京農工大)と共同研究を行い、線形表現が非可換二次元ユニモジュラー表現の場合必ずLaurent多項式となる事を証明した。2.結び目群の間に全射準同型が存在する時、二つの捩じれAlexander多項式の間に関係のある事を鈴木正明氏(東京大)、和田昌昭氏(奈良女子大)との共同研究で証明した。3.2で証明した結果を用いると、ねじれAlexander不変量を計算する事により、与えられた結び目の間に全射が存在しない事の判定が可能になる。鈴木正明氏(東京大)との共同研究で10交点以下の結び目全てに対して、それらの間に全射準同型がいつ存在するかを全ての組み合せで決定した。1、ライデマイスタートーションは古典的な3次元多様体の位相不変量である。この不変量は基本群の有限次元線形表現を一つ固定する毎に定まる不変量である.近年その無限次元ユニタリー表現への一般化であるL2-トーションが定義され盛んに研究されている.本研究の主たる研究対象は円周上の曲面束の構造を許容し、かつ双曲的3次元多様体の構造を許容するものである。これらの多様体はファーバー曲面のモノドロミー同相写像により、その位相構造、幾何構造が定まるが、L2-トーションはモノドロミー同相写像から双曲的体積を計算する一つの手段を与える.高沢光彦氏(東工大大学院情報理工)、森藤孝之氏(東京農工大工)と協同で基本群の正則表現にたいするL2-トーションを近似するL2-トーションの列を基本群の羃零商から構成し、それらに関する結果を得た.2、古典的なライデマイスタートーションを使って、結び目のねじれアレキサンダー多項式を解釈する事ができる.アレキサンダー多項式は結び目の古典的な不変量で様々な角度から研究されているが、とくにアレキサンダー多項式の係数を観察することにより、結び目の補空間が円周上の曲面束の構造を許容するかどうかの必要条件が得られる.基本群の表現を使い、アレキサンダー多項式をねじったねじれアレキサンダー多項式で同様の性質が成立する事を合田洋氏(東京農工大工)、森藤孝之氏(東京農工大工)と協同で証明した。この結果を用いるとアレキサンダー多項式の係数だけでは曲面束の構造が入るかどうか判定できないものが、ねじれアレキサンダー多項式の係数まで観察すれば判定できる例をいくつか見つけた。1.Reidemeister torsionは3次元多様体論における古典的な位相不変量であり、ホモトピー不変量ではない重要な不変量である。この不変量は基本群の有限次元線形表現を一つ固定する毎に定まる代数的な量(数、多項式など)である。本研究の主たる課題はこの不変量の無限次元版であるL2-torsionと円周上の曲面束の構造を許容する3次元多様体の位相的性質との関係についてである。高沢光彦氏(東工大・情報理工学研究科)、森藤孝之氏(東京農工大・工学部)と共同で曲面群の冪零商から構成される基本群の正則表現を近似する表現を用いて定義されるL2-torsionの列について研究を続けている。今年度は近似列の1番目に現れる不変量の性質についていくつかの具体的な場合について研究を行った。特に種数1のトーラス束の場合にコンピュータを使い不変量の振る舞いについて実験を行った。また、有限巡回被覆の1次元ホモロジーの位数について考察を行った。2.結び目のTwisted Alexander多項式はRedidemeister torsionの特別な場合として解釈が可能である。古典的なAlexander多項式は様々な観点から研究されているが、Twisted Alexander多項式の場合に関して、古典的な場合から類推される様々な事柄についての研究は未だ始まったばかりであり、未解決の問題が多く存在する。そこでまず結び目の補空間が曲面束の構造を持つ場合について、Twisted Alexander多項式について合田洋氏(東京農工大・工学部)、森藤孝之氏(東京農工大・工学部)と共同で研究を行った。

2.結び目群の間に全射準同型が存在する時、二つの捩じれAlexander多項式の間に関係のある事を鈴木正明氏(東京大)、和田昌昭氏(奈良女子大)との共同研究で証明した。3.2で証明した結果を用いると、ねじれAlexander不変量を計算する事により、与えられた結び目の間に全射が存在しない事の判定が可能になる。鈴木正明氏(東京大)との共同研究で10交点以下の結び目全てに対して、それらの間に全射準同型がいつ存在するかを全ての組み合せで決定した。
次世代拡散テンソルイメージングを用いた匂いの地図の可視化：他覚的嗅覚検査法の開発

ヒト献体を用いたトラクトグラフィーの実施結果を検証するため検体の組織標本作成と免疫染色による神経線維の確認を実施した。しかしながら固定状態が悪いためか、切片作成や染色方法が悪いためか十分に神経線維の陽性染色所見が得られず、また神経線維の連続性やトラクトグラフィーの描出結果の一致性を確認するのは困難であった。ヒト献体での組織評価には限界があると考えたため、良好な標本が作製できるマーモセットにおいてトラクトグラフィー後に組織検体の評価と神経線維の免疫染色を実施して確認する方針とした。ヒト献体にて確立したトラクトグラフィーの手法をマーモセットに応用するため、マーモセットの複数検体に対してトラクトグラフィーの実施を行い、描出可能であることを確認した。ヒト献体の結果と同様、鼻中隔側の線維と鼻甲介側の線維があり、前方の嗅糸から後方の嗅糸に向かうに連れて、鼻腔内への神経線維の分布も前方から後方へと描出されていた。描出範囲については個体差があり、撮影方法やデータ変換の際のパラメータ調整が必要である。ヒト献体の固定状態が悪く組織評価が困難であったため。引き続きマーモセットの組織評価を行う。ヒト献体と違い良好な固定標本が作製できる見込みである。マーモセットの嗅覚障害モデルも作製し、嗅神経分布の差異を評価する。今年度で研究が終了しない場合には1年間の延長申請をする。ヒトの篤志献体を使用し、鼻腔標本を9.4テスラMRI機にて撮影し、嗅神経のトラクトグラフィーを行った。撮影手順や方法、ソフトウェアの設定などを試行錯誤し、最適な方式を模索した。トラクトグラフィーで描出された鼻腔内の線維分布は、鼻甲介側は上鼻甲介の全体と中鼻甲介の前端にあり、鼻中隔側は鼻甲介側で描出された線維分布とほぼ同一の広がりであった。描出された線維は嗅球を通り、分布の広がりとしては嗅神経であると考えられ、嗅神経であることの確認は組織切片での免疫染色にて確認を行っている。トラクトグラフィーで描出された鼻腔内の線維分布は、従来認識されていた鼻腔内の嗅神経分布と比較し、主に中鼻甲介への分布、およびそれに対応する鼻中隔側の分布があり、この点が大きく異なる。また、神経を連続して評価する方法は今まで困難であったが、本手法によって嗅糸レベル、場合によってはそれよりも細かい単位で線維を追跡することができ、鼻腔内の線維分布と嗅球の分布を対応させることも可能である。この評価方法により、鼻腔の前方に分布する線維は嗅球の頭側より投射され、鼻腔後方の線維になるにつれ、嗅球への投射も腹側から尾側へ移動しているのが観察できた。また、鼻甲介側の線維と鼻中隔側の線維は、嗅球でも外側と内側に明確に分かれており、前述の鼻腔前方と後方の分布と合わせて、鼻腔内の線維が分布する位置と、嗅球へ投射する位置が対応することが分かった。この対応関係は嗅球内の糸球体で二次ニューロンに投射され、嗅索を走行する段階でも維持されていた。ヒトの篤志献体に対する撮影が一段落し、その評価方法を検討している。今年度のマーモセットに対する撮影およびトラクトグラフィーを開始しているため、おおむね研究計画に記載した通りである。研究計画に記載の通り、マーモセットによるトラクトグラフィーを進める。組織標本による神経線維の評価方法は、別の免疫染色手法や、良好な検体を作製できるマーモセットでの評価を試みる。各種費用が想定よりも抑えられたことと、成果発表を次年度の国際学会に予定し、費用を発生させず繰り越すこととしたため。やや進捗が遅れていることと、国際学会をはじめとした費用が想定よりも抑えられたため。
群馬県太田・大泉の小中学校国際化の実態と求められる教員資質の総合的研究

本研究では、太田・大泉地区の小中学校の教育の国際化の実態に関して、教育学的側面、人文地理的側面、日本語教育的側面から調査を行うとともに、必要とされる教員資質について検討を進めた。教育学的側面の調査では、日系ブラジル人児童生徒の在籍数の多い公立小中学校について、授業の実際、授業方法の開発、日本語教育の実際、学校建築、学校環境などについて調査を進めるとともに、ブラジル政府の認可する学校であるピタゴラス、パラレロ等でも実態を調査した。特に、公立小中学校に在籍するブラジル人児童生徒の教育のあり方については、太田市の学校現場で蓄積されている授業実践の収集も行い、報告書にも掲載した。また、小学校入学時の背景となる保育園での保育の実態についても調査した。日本語教育的側面でけ、参与観察、アンケート調査を行ったほか、群馬大学教育学部の学生を太田市の公立小学校およびブラジル人学校ピタゴラスへ連れていって授業実習を行わせ、それによって問題点を探るというアクションリサーチ型の調査も行った。人文地理学の面からは、日系南米人の生活実態に関する調査を行うとともに、コミュニティの存在形態と祭り組織の関連性に関する聞き取り調査を行い、アリーナ理論から大泉町祭りにおけるサンバパレードの消長についての解釈を試みた。また、以上のような太田・大泉地区の実態調査を進めるだけでなく、豊橋市で行われている日本語教室や、オーストラリアで行われている外国人向け英語教室の実態もさぐり、外国人子女教育のオルターナティブのあり方にも視野を広げた。平成12年度、13年度に日本教育大学協会全国教育実習研究部門の研究集会で研究成果の発表を行い、外国人子女の存在を前提とした場合の教員養成のあり方について調査を報告し、特に県下に浜松という同様の地域を持つ静岡大学が関心を示したことから今後共同研究へと発展させる方向で協議をすすめている。初年度は、太田・大泉地区の小中学校の教育の国際化の実態に関して、第1段階の調査を行った。太田・大泉地区はブラジル日系人児童・生徒の在籍数が非常に多く、その存在が学校環境を著しく国際化しているが、その事態に対応するために教員に必要な資質については、ほとんど先行研究がない。そこで、初年度は、本研究グループが機会あるごとに現地を訪問し、様々な角度から実態を体験しながら、基礎的データを収集し、教員の養成に必要となるポイントを探ることに努めた。研究は、主に、授業の実際、授業方法の開発、日本語教育、地域の実際、学校環境の面から進められた。授業の実際に関しては、太田市及び大泉の小学校が参与観察の方法で進められ、授業の実際に関して映像記録、及び観察記録の作成を進めた。授業方法の開発については、太田市立中学校が、現地の私立ブラジル人小中学校と行った生徒交流の実際について、授業の進行、生徒の意識の変化などに検討を進めるとともに、太田市立小学校で、日本人児童を対象に、ブラジル人指導助手のポルトガル語のみによる指導でブラジル料理を作る授業を試行し、映像記録の作成、授業記録の作成、授業案の検討などを行うと共に、児童の意識の変化について、アンケート調査を行って分析を進めた。日本語教育については、教育委員会毎に仕組みが異なっている実態に関して、基礎的情報の収集に努めるとともに、太田市立小学校の日本語教育(海外子女教室)担当教諭の職務の実際的な内容について、職務内容の観察調査を進めた。地域の実際に関しては、人文地理的な側面から、日系人の持つ意識の実際、人口の移動と職業の関連性などに関して、太田市及び大泉町実地調査を行うと共にアンケート調査の準備を進めた。また学校環境の面からは、特に住宅及び学校建築に関して現地調査を進め、住環境の特異性、学校空間の利用の特異性などを探った。第2年度は、太田・大泉地区の小中学校の教育の国際化の実態に関して、前年度の実績をふまえてさらに具体的な問題に立ち入った調査を行うとともに、必要とされる教員資質について検討を進め、その成果の一端を中間報告書としてまとめ、平成13年2月に刊行した。

教育面の調査では、日系ブラジル人児童生徒の在籍数の多い学校を中心に、昨年度に続いて、授業の実際、授業方法の開発、日本語教育の実際、学校環境などについて調査を進めた。今年度新たに加えた調査は、小学校入学者の教育基盤を形成している大泉町の保育園の実態調査、および、日系人児童の行動形態と学校建築の関係である。また、学校現場で教員が見いだしている問題点を探るために、群馬大学教育学部の受講学生に太田市の小学校の外国人子女教室において授業の補助の体験を持たせ、その上で、受講学生から外国人子女教室担当教諭へ質問する形での質疑応答の場をたびたび設けた。一方、地理学の面からは、太田・大泉地域の地域的特質を解明するために、各区の区長と隣保班の班長に対して、コミュニティの存在形態と祭り組織の関連性に関する聞き取り調査を行うとともに、研究分担者の1人が町祭りに出場し、内側から日系人社会を探った。中間報告書はこうした実態調査の成果の一端を収録するとともに、太田市内の学校現場で自然発生的に形成された日本人児童生徒と日系ブラジル人児童生徒との交流を促進する授業実践例を収集収録した。なお、求められる教員の資質という問題に関しては、研究代表者が、平成12年10月に日本教育大学協会全国教育実習研究部門で口頭で研究成果の中間報告を行った。第3年度は、太田・大泉地区の小中学校の教育の国際化の実態に関して、前年度までの実績をふまえてさらに具体的な問題に立ち入った調査を行うとともに、必要とされる教員資質について検討を進め、まとめの方向に向かった。教育面の調査では、昨年度まで日系ブラジル人児童生徒の在籍数の多い学校を中心に、授業の実際、授業方法の開発、日本語教育の実際、学校環境などについて調査を進めてきたきたが、本年度はさらにブラジル政府の許可する学校であるピタゴラス、パラレロ等でも実態を調査し、公立小中学校に在籍するブラジル人児童生徒の教育のあり方と比較を進めつつある。また、前年度から着手した保育園の実態調査、および、日系人児童の行動形態と学校建築の関係の調査は、今年度も継続した。1昨年度、昨年度とも学校現場で教員が見いだしている問題点を探るために、群馬大学教育学部の受講学生に太田市の小学校の外国人子女教室において授業の補助の体験を持たせ、その上で、受講学生から外国人子女教室担当教諭へ質問する形での質疑応答の場を設けて来たが、本年度はさらにブラジル人学校ピタゴラスで動揺の機会を設け、日本人の側とは違う視点を研究に取込むように努めた。地理学の面からは、コミュニティの存在形態と祭り組織の関連性に関する聞き取り調査を行ない、アリーナ理論から大泉町祭りにおけるサンバパレードの消長についての解釈を試みた。なお、平成13年10月に日本教育大学協会全国教育実習研究部門で研究成果の発表を口頭で行ったが、外国人子女の存在を前提とした場合に、教員養成はなにをおこなわなければならないか、という視点をとったものである。
時系列情報の神経回路基盤

ソングバードは、生得的にパターンが決定している「コール」に加えて、ヒトと同様に模倣により獲得する「ソング」という2種類の音声信号によりコミュニケーションする。高度な時系列情報処理を必要とする音声認識・制御の神経回路の形成機構を明らかにするために、トランスジェニックソングバードを作成し解析した。その結果、神経活動依存的な転写因子CREBの活性を操作してもコールには影響ないが、CREB活性を抑えるとソングの発達が有意に障害されることが明らかとなった。以上の結果は、後天的に獲得される音声のような時系列情報処理能力の獲得にはCREBを介する神経活動依存的な遺伝子発現調節が重要であることを示唆する。1.ヒトの言語獲得と同様にソングバードも生後発達の過程で社会学習(模倣学習)により複雑な音声を獲得する。発達期の社会学習の有無で前脳の遺伝子発現プロファイルの違いをマイクロアレイにより探索し、社会学習における神経可塑性誘導に関与する候補遺伝子の同定を行った。さらにこの遺伝子のdominant negative form、constitutive active formをソングバードの中枢神経系へ導入したところ、前者では模倣による音声獲得が障害され、後者では成鳥ではなく音声プレイバックのみでも効率よく音声学習が可能であった。以上の結果は同遺伝子の活性が社会学習(ソングバードの音声獲得)に必要な社会的相互作用の程度を規定する可能性を示唆する。2.鳥類の中枢神経系への遺伝子導入を目的としてウイルスベクターの探索を行った。その結果、鳥類アデノ随伴ウイルス(Avian Adeno-Associated Virus, A3V)ベクターが孵化前・孵化後の脳で神経細胞に効率よく遺伝子導入可能であることを見いだした。さらにA3Vベクターを用いて音源定位の聴覚情報処理回路である大細胞核-層状核の中で大細胞核選択的に遺伝子を発現させる手法の開発に成功した。3.ソングバードでの遺伝子操作はウイルスベクターに組み込み可能なサイズに限定されてきた。より大きな自由度の高い遺伝子操作を行うために、生殖系細胞の培養技術の確立を行った。1.ソングバードは、ヒトと同様に生後発達の過程で社会学習(模倣学習)により複雑な音声を獲得する。発達期の社会的接触の程度により、ソングバードの音声学習の効率が変化すること、さらに前脳でのCREBのリン酸化およびCREB依存的な遺伝子発現が大きく変化することを明らかにした。CREBを介したシグナル伝達が音声学習における社会的接触の効果を媒介するかどうかを明らかにするために、神経細胞選択的にCREBの転写活性が異なるトランスジェニック・ソングバード系統の開発を行った。2.聴覚系神経回路は周波数情報が各神経回路の位置情報に変換される「tonotopy」の性質を有することが知られている。tonotopyに基づいた精緻な神経投射に関わる分子群の網羅的探索を鳥類大細胞核-層状核神経回路において行った。その結果、tonotopyと相関する遺伝子群の同定に成功した。これらの遺伝子群のtonotopy構築や周波数特異的情報処理における役割を明らかにするために、研究代表者らが開発した鳥類アデノ随伴ウイルス(Avian Adeno-Associated Virus, A3V)ベクターによる強制発現および遺伝子サイレンシング用のウイルスベクターの作成を行った。より大きな自由度の高い分子遺伝学的技術を確立するために、ソングバードの始原生殖細胞の培養の条件検討を行い、培養した始原生殖細胞でマーカー遺伝子の発現を確認した。1.ソングバードに属する鳥類は、複雑な配列規則(一種の文法)のある音声を学習する。音声学習に関与するシグナル伝達を明らかにするために、神経可塑性シグナル伝達のハブとして機能する転写因子CREBに注目し、ソングバードのトランスジェニック個体を作成することで、その活性を操作することに成功した。CREB転写活性を抑制したトランスジェニック群では、聴力は正常であり、生得的な音声であるコール(地鳴き)も変化しないが、ソング(囀り)の学習が障害された。以上の結果はCREBの活性化が音声学習に必須であることを示唆する。2.哺乳類モデル動物での行動の時系列パターンを解析するために、自由行動を阻害しないワイヤレス方式の神経活動計測技術を開発した。ファラデーケージのような電磁シールド設置が困難な屋外や広いスペースでの計測を可能とするためにデジタル方式(Bluetooth)とし、さらに安定してデータ転送を行うために電気生理データに適したデータ圧縮技術を開発した。その結果、実験動物に搭載可能なコンパクトな電子回路という制約にもかかわらず、ほぼ理論的限界に近い圧縮効率を達成することに成功した。これにより、集団の中で行動する動物個体からリアルタイムに単一ニューロンの精度で神経活動を計測が可能となった。さらに本技術を用いて、自由行動下の個体での視床束傍核からの単一神経細胞記録に成功し、社会的接触により束傍核ニューロンの神経活動が持続的に促進するという興味深い結果を得た。1.スズメ亜目(Passeriform、ソングバード)に属する鳥類は、複数の音素(シラブル)を一種の文法規則に従って構成する複雑な音声パターンを後天的に学習する。このような時系列情報を伴う音声パターンの学習に関与するシグナル伝達を明らかにするために、神経活動依存的な転写因子CREBに注目し、分子遺伝学的手法によりソングバード生体のCREB転写活性の操作することに成功した。H26年度にひきつづき、本トランスジェニックソングバードを中心に音声学習におけるCREBの役割を解析した。

その結果、CREB転写活性を抑制したトランスジェニック個体群では、先天的に決まっている音声(call;地鳴き)に関しては、野生型と差異を認めないが、後天的に獲得する音声(song;囀り)の発達は障害された。音声学習には聴覚系が重要であるが、聴力に関して、トランスジェニック個体群と野生型間で差異を認めなかった。音声制御系神経回路でCREBが活性化されることが、その機能的成熟に必要であると考えられた。本研究成果についてPNAS誌に発表した(Abe et al., PNAS 2015)。2.ソングバードの分子遺伝学的技術を確立したことにより、従来は困難であった音声のように複雑かつ正確な時系列情報制御を必要とするスキルの獲得・制御に関する神経科学研究は一層加速すると期待される。本技術は、上記1のように音声学習における神経可塑性関連分子の役割を検証するためのみならず、GCaMPのようなCa2+指示タンパク質やFRETバイオセンサーを発現させることで、神経活動や細胞内シグナル動態の研究にも役立つ。本年度はCREB活性化にいたる細胞内シグナル伝達に注目して、イメージング用プローブの開発、条件検討を行った。ソングバードの分子遺伝学的手法を確立することにより、今後ソングバードの音声学習プロセスについて分子レベルの研究が加速すると期待できる。またCREB活性化のシグナル伝達経路に注目し、音声制御系でのその細胞内シグナル動態解析として、自由行動下でのイメージング技術の整備をすすめることができた。鳥類の音声制御系と相同な回路構築をもつ哺乳類(マウス)の大脳-基底核回路に対して、CREB活性化関連シグナル伝達について、イメージング用プローブを使って長時間安定してイメージング計測可能であることが確認できた。音声学習は行動学的には2つのステージに分類される数週間以上のプロセスであること、またその学習プロセスが概日リズムと密接に関係していることが指摘されている。従来の電気生理学的計測では同一細胞から数時間以上安定して記録をとることは困難であり、学習中の神経活動やその可塑性の動態を長期的に研究することは不可能であった。このように長期にわたり神経機能計測が可能となったことで、音声学習の神経基盤について急速に研究が進むと期待できる。1.スズメ亜目(Passeriform、ソングバード)に属する鳥類は、複数の音素(シラブル)を一種の文法規則に従って構成する複雑な音声パターンを後天的に学習する。このような時系列情報を伴う音声パターンの学習に関与するシグナル伝達を明らかにするために、H27年度にひきつづき、トランスジェニックソングバードを用いて音声学習におけるCREBの役割を解析するとともに、音声学習により誘導される遺伝子群に関して網羅的解析を実施した。その結果、複雑な音声パターンの獲得制御に関わる新規遺伝子群の同定に成功した。
村上春樹文学における「世界」表象に関する総合的研究

本研究の目的は、村上春樹文学における「世界」の変化に着目し、その変化を作者と読者の相互作用の過程と捉えることで、村上文学の特徴を総合的に明らかにするところにある。「世界」の変化は自作を書き直す村上の方法からもたらされている。この書き直しを通じて、村上文学の「世界」に「謎」を作る作者村上からその「謎」を解く読者村上への変化が理解できることになる。方法としては雑誌版、単行本版、全作品版を比較し、村上文学を読者の視点から書き直す村上の方法意識を明らかにした。結論としては書き直しを通じて小説の宛先を自覚的に取り込むことによって、村上文学における「世界」が「謎」をめぐって転回していると考えられる。たとえば、『ねじまき鳥クロニクル』は短編『ねじまき鳥と火曜日の女たち』を長編に書き直しただけでなく、第1・2部を刊行した後、第3部を書き加えて成り立っている。短編では主人公の「僕」が聞き覚えのない女から電話がかかってくる「謎」が描かれ、第1・2部でもこの電話の女が失踪した妻クミコだと「僕」は直感するが、彼女がなぜクミコであるかは「謎」のまま終えられている。作者村上は主人公と共に「謎」に巻き込まれる読者に宛てて小説を書くのだ。一方、第3部ではこの女の「謎」を解き明かすことが試みられている。村上は第3部でシベリア収容所における通訳者の体験を語る間宮の話を組み込むことで、間宮と「僕」の関係を電話の女とクミコの関係に重ねる。このことは聴き手のいなかった戦時下の通訳者に「僕」が耳を傾けるように、宛先を持たなかったクミコの声に耳を傾ける聴き手がいたことを教える。それが電話の女である。この読者村上による「謎」解きが隠された聴き手たちの繋がりを浮かび上がらせる。村上文学の「世界」を転回するのは、書き直しを通じて小説の宛先を取り込み、「謎」を解く村上自身である。その結果、村上文学の「世界」も転回するのである。
大腸菌の進化実験を用いた生体リズム現象の創出

本研究では、周期的に時間変動する環境下で大腸菌の進化実験を行い、どのような表現型と遺伝子型の変化が出現するかを解析することを目的とした。周期的に変動する炭素源や抗生物質添加といった環境下で大腸菌を植え継ぎ培養することにより、変動環境に適応した大腸菌の取得を試みた。結果として、2つの抗生物質の添加を周期的に切り替えた場合に、一方の薬剤には耐性を獲得し、もう一方への耐性獲得は抑制されるという非対称な進化ダイナミクスが見出された。このことは、環境が時間的に変動することにより、進化ダイナミクスの軌跡に複雑なバイアスがかかる場合があることを示している。本研究は、大腸菌の実験室進化を用いることにより、生体リズム現象を実験的に構成し、その出現メカニズムを理解することを目的とする。周期的に変動する環境条件下で大腸菌を長期に培養し、そこで高い適応度を持つ株を選択することによって、生体リズムを新規に獲得した大腸菌株を取得する。次世代シーケンサによる変異解析とマイクロアレイによる発現解析によって、生体リズムを維持・制御するメカニズムの同定を行う。新規に獲得された生体リズムを解析することにより、生物システムがどのように環境変動を「モデル化」し、それを細胞内ネットワークによって実現するか、その進化ダイナミクスの詳細を理解することが可能となり、世界でも類を見ない極めて独創的な生物適応ダイナミクスの構成論的理解の試みである。平成26年度は、時間的に変動する環境での進化実験のセットアップを行った。本研究グループが開発したラボオートメーションを用いた全自動進化実験システムを用いて、炭素源を時間的に切り替える進化実験系の構築を行った。複数の炭素源を用いた培養での大腸菌の比増殖速度を定量した結果、進化実験にはグリセロールとリンゴ酸を単一炭素源として、12時間程度以上の周期で切り替える実験系が適切でると判断された。今後、この進化実験により、生体リズムが実験的に構成することが可能であるかを検証し、生体リズムの出現が観察された場合には、それを担う分子ネットワークの同定を試みる予定である。周期的に変動する環境条件下で大腸菌を長期に培養し、そこで高い適応度を持つ株を選択することによって、生体リズムを新規に獲得した大腸菌株を取得することを目指す。平成27年度は、時間的に変動する環境での大腸菌の進化実験を行った。本研究グループが開発したラボオートメーションを用いた全自動進化実験システムを用いて、i)グルコースとピルビン酸の組み合わせなど炭素源を周期的に切り替える実験と、ii)異なる作用機序を持つ抗生物質の添加を時間的に切り替える実験を行った。i)の炭素源の切り替え進化実験については、双方の炭素源で高い増殖能を持つ状態に細胞が進化し、切り替えをしない進化実験の結果と大きな差異は存在せず、またリズム的な振る舞いを見ることが出来なかった。一方で、ii)の抗生物質を時間的に変動させて添加する進化実験においては、クロラムフェニコールとアミカシンなどの特定の抗生物質の組み合わせでは、一方の抗生物質には耐性を持ち、他方へは耐性能の上昇がみられないという非対称な適応度の上昇が見られた。リズム的な振る舞いを見出すことには至っていないが、こうした複数の環境の時間的なスイッチによって進化ダイナミクスが影響を受けるというハイスループット実験系の構築に成功しており、今後の進化実験を用いたリズム研究の基盤として有用であると考えている。ラボオートメーションを用いた進化実験システムを用いて、複数の炭素源を時間的に切り替えて行う進化実験の構築に成功しており、これを用いた生体リズム現象の出現を観察が出来る状況になっている。このことから、研究は順調に進展していると言える。生物物理学平成26年度に開発した、複数の炭素源を時間的に切り替えて行う進化実験を3ヶ月程度を目処にして行い、環境変動を予測するための生体リズム現象が出現するかを解析する。そうした現象が観察された場合には、マイクロアレイによる発現時系列解析と次世代シーケンサによる変異解析を用いて、生体リズム現象を生み出す分子ネットワークの同定を試みる。
アレクサンドロフ空間の崩壊現象及び距離カレントの幾何学

報告者は距離空間や多様体のモジュライをグロモフ・ハウスドルフ位相を用いて調べている.特に,アレクサンドロフ空間と呼ばれる曲率が下に有界な距離空間を詳しく調べている.当該年度において,境界を持つ3次元アレクサンドロフ空間が,低次元のアレクサンドロフ空間に収束する場合に,それが,低次元空間上の特異束構造を持つ事を解明しつつあった.この目的の為に,境界付きアレクサンドロフ空間の正則領域に対して適用可能な,正則距離関数のフロー定理を証明した.また,アレクサンドロフ空間を含む十分広いクラスの位相空間に対して,領域不変性定理を証明した.これらは京都大学の山口孝男氏との共同研究である.また,シンプレクティックトーリック多様体のモジュライに定義される距離や自然な位相の同値性について,基本的な結果を得た.もっと言えば, Delzant対応を通じて,そのモジュライは,ユークリッド空間の閉凸体のモジュライの部分集合とみなせるので,閉凸体の世界において,議論を展開した.これらは日本女子大学の藤田玄氏と熊本大学の北別府悠氏との共同研究である.前年度に引き続き,山口孝男氏とアレクサンドロフ空間の非崩壊収束における距離構造の安定性の共同研究を行い,以下の結果を得た.曲率の下限が一様におさえられた非崩壊する同次元のアレクサンドロフ列とその極限に対して,我々の定義した良い被覆が安定的である事を証明した.また,アレクサンドロフ空間の良い被覆と被覆の脈複体がリプシッツホモトピー同値である事を証明した.これらの事から,非崩壊するアレクサンドロフ空間のモジュライに含まれる空間のリプシッツホモトピー類の有限性が従う.この事はペレルマンの双リプシッツ安定性予想の肯定的な解決をサポートする事になる.また,前年度に引き続く単独の研究で,アレクサンドロフ空間の向きに関する研究に進展があった.向き付けられた閉アレクサンドロフ空間は,筆者自身の結果から,整係数基本類を持つ事が従う.それと筆者自身の研究を含む距離カレントの研究成果と合わせる事によって,アレクサンドロフ空間に対するフィリング不等式を得る事ができた.また,境界を持つアレクサンドロフ空間の境界の部分集合を適切に選ぶ事によって,その部分によって空間の貼り合わせを行っても曲率の下限が保たれる事を証明した.これらの結果は国内の研究集会や国外(マドリッド・上海)の研究集会で口頭発表を行った.研究の進行具合と論文執筆の進行具合が揃っておらず,早く論文を執筆すべきである.当該年度は,京都大学の山口孝男氏との共同研究により以下の結果(1),(2)を得た.(1)アレクサンドロフ空間の体積非崩壊の族に対して,ある正の数εが存在して,もしその族の中の二つのアレクサンドロフ空間の間のグロモフ・ハウスドルフ距離がεよりも小さければ,グロモフ・ハウスドルフ距離を実現する近似写像は,それに,写像の各点毎の距離の意味でτ(ε)近い様な,リプシッツ・ホモトピー同値写像によって置き換えられる.ここで, τ(ε)はεが零に近づくとき零になる正値関数である.特に,二つの空間がグロモフ・ハウスドルフ距離の意味で近ければ,それらはリプシッツ・ホモトピー同値である事が従う.更に,この結果に現れるリプシッツ・ホモトピー同値写像は,アレクサンドロフ空間の正則な領域上では,リプシッツ同相写像として取れる事も示した.この結果のひな型は前年度に完成していたが,今年度は精密な形でプレプリントにし,投稿を行った.(2)アレクサンドロフ空間の比較角の概念を用いて,鈍角定数なるものを定義した.鈍角定数が零に近づく事と,コンパクトアレクサンドロフ空間の体積が零に近づく事が同値である事を証明した.ただし,ここで,考えているアレクサンドロフ空間の曲率の下限は一様に抑えられている.また,非コンパクト非負曲率アレクサンドロフ空間に対して,その無限大からの鈍角定数が零に近づく事(零である事)と,その体積増大度が零に近づく事(零である事)が同値である事を証明した.ある方向に考えていた問題がとても難解そうだという事が明らかになるまでに時間を費やしてしまった.曲率が下に有界な距離空間であるアレクサンドロフ空間に対する「鈍角定数」なる不変量を京都大学の山口孝男氏と定義し,それに関わる幾何について研究した.この不変量は距離空間やリーマン多様体の構造の研究に重要な,各点からの距離関数の正則性に関連する不変量であり,多様体の場合には, CheegerやGrove-Petersenによる関連する仕事があった.具体的には「ある適切なクラスのアレクサンドロフ空間のモジュライにおいて,鈍角定数と正規化体積はある意味で等価な量」となる事を示した.さらに,いくつかの鈍角定数の亜種についてその最大値を達成する空間に対する幾何学的剛性定理を証明した.以前に完成した「崩壊する閉3次元アレクサンドロフ空間」の構造定理に関する集中講義を山口大学で行った.ふとした研究の流れで「鈍角定数」という新しい不変量を定義する事ができた.本年度の研究によって鈍角定数の重要性を見る事ができた.この定数についてまだ研究の余地があり,今後の展開が期待できる.報告者は距離空間や多様体のモジュライをグロモフ・ハウスドルフ位相を用いて調べている.特に,アレクサンドロフ空間と呼ばれる曲率が下に有界な距離空間を詳しく調べている.当該年度において,境界を持つ3次元アレクサンドロフ空間が,低次元のアレクサンドロフ空間に収束する場合に,それが,低次元空間上の特異束構造を持つ事を解明しつつあった.

この目的の為に,境界付きアレクサンドロフ空間の正則領域に対して適用可能な,正則距離関数のフロー定理を証明した.また,アレクサンドロフ空間を含む十分広いクラスの位相空間に対して,領域不変性定理を証明した.これらは京都大学の山口孝男氏との共同研究である.また,シンプレクティックトーリック多様体のモジュライに定義される距離や自然な位相の同値性について,基本的な結果を得た.もっと言えば, Delzant対応を通じて,そのモジュライは,ユークリッド空間の閉凸体のモジュライの部分集合とみなせるので,閉凸体の世界において,議論を展開した.これらは日本女子大学の藤田玄氏と熊本大学の北別府悠氏との共同研究である.得られた結果は多くの研究集会で周知するとともに,論文を速やかに執筆し,プレプリントサーバへの投稿や,ジャーナルへの投稿を行う.新しく定義した鈍角定数の振る舞いや性質について調べる.またアレクサンドロフ空間と距離カレントの関係も引き続き研究する.当面は,崩壊する境界付き3次元アレクサンドロフ空間についての論文を仕上げる.おそらくその論文完成について,多くの時間を割く事になるだろう.また,最近,距離空間における距離構造に依存したコホモロジーの定義がいくつかなされているが,それらについて,調べる.特に,それらの位相不変性を,アレクサンドロフ空間やもっと一般の局所リプシッツ可縮空間について考える.次年度への持ち越しが可能なので,無理やりにでも0にする必要はないと思われる.PCを買い替える予定があったが,当該年度中はまだ使用に耐えたので,購入を見送った.当初存在すると考えていた国外の研究会が当該年度に実施されなかった為,その分の繰越が生じた.次年度においては,現在使用中の古い型のPCを買い替えるなどして,その分を使っていきたい.研究集会への旅費として使用する.次年度は海外(スペインなど)の研究集会に行く予定なので,そこで大半を使う予定である.またPCなどが古くなってきたので,それを買い替える予定もある.
大腸菌耐熱性エンテロトキシンIIの活性発現機序の解析

毒素原性大腸菌が産生する耐熱性エンテロトキシンII(STII)は48個のアミノ酸から構成されるペプタイド毒素です。腸管壁に定着した大腸菌から産生されたSTIIは細胞表面上のSTIIのレセプターに結合し、結合が生じた細胞では、結合のシグナルをうけて細胞内でメディエーターが生合成されます。合成されたメディエーターは細胞のイオンバランスを乱し、下痢が発症すると言われています。しかしSTIIのレセプターや細胞内のメディエーターは明らかにされていないので、今回検討し、以下の結果を得た。1)STIIには皮膚血管透過性増進作用や腸管以外の臓器への障害作用はなく、STIIの作用は腸管細胞に特異的であることを明らかにした。腸管細胞膜を可溶化し、STIIとの結合実験を行った結果、STIIが結合する分子量2万のタンパクを見いだした。調べた限り、STII以外の下痢毒素(STIやコレラエンテロトキシン)はこのタンパクに結合しないので、このタンパクはSTIIに特異的に結合するタンパクであることが判明した。2)STIIを腸管に作用させると細胞内でのプロスタグランジンの生合成が活性化されること、またカルシウムの取り込み阻害剤やカルシウム-カルモジュリンの阻害剤がSTIIによる下痢を抑制し、STIIの作用をうけた腸管細胞ではカルモジュリン依存性キナーゼが活性化していることを明らかにした。これらの結果はSTIIが腸管細胞膜に変動をきたし、カルシウムの取り込みを促進し、その結果下痢を誘発していることを示唆している。
新たな染色体外DNA維持機構の解明と画期的な分子育種技術への応用

納豆ネバ成分“ポリ-γ-グルタミン酸"の生合成遺伝子クラスターから新奇な染色体外DNA維持遺伝子edmSが見いだされた。本遺伝子は55アミノ酸からなる超小型タンパク質EdmSをコードしていた。本EdmSタンパク質を基盤とするDNA維持(EDM)機構の解明が急がれている。昨年、本機構が鞭毛形成タンパク質との機能的相互作用を介して成り立つとする驚くべき可能性が示された。最有力候補として鞭毛基底部の形成に関与するFliFタンパク質の名前が挙がっている。そこで、まずEdmSとFliFの両タンパク質の発現が人為的かつ同時にオンオフできる発現ベクターを新たに作製した。次いで、鞭毛形成/走化性(fla/che)オペロン全域を欠く枯草菌変異株に導入し形質転換体を得た。選択圧を負荷しない条件下でベクターDNAが維持されるかどうか調査したところ、極めて良好なベクター維持効果が認められた。本結果は概ね35の構造遺伝子を含むfla/cheオペロンのうち、本DNA維持機構の成立に関わっているのは唯一FliFタンパク質(fliF遺伝子)ということを意味している。さて、大腸菌やヒトをはじめ様々な生物種の全ゲノム解析が完了する中、複雑な生命現象を説明するには遺伝子の数が余りにも少ないことが分かってきた。その補完機構として“Moonlighting"タンパク質による機能重複/変換が提唱されている。本研究では、図らずも鞭毛形成の主役と信じられてきたFliF因子がEdmSと相互作用することでDNA維持装置に変換されることを暗示する結果を得た。私の知る限りこのような報告は先に例がない。今後は両タンパク質分子間の相互作用メカニズムに係る精密分析が課題になる。さらに、大腸菌や巨大菌等の異種微生物を宿主とした場合の該EDM効果について調べた。結果、少なくともバシラス種において同程度の効果が認められた。本実験開始当初、計35にものぼるfla/cheオペロン構造遺伝子群からカウンターパートナー(CP)を正確に同定するのは至難と思われていた。このような状況下、CP=FliF因子との結論に至ったこと、本実験最大の目的を達成することができたのは非常に幸運であった。現在、かかる成果をまとめ、インパクトファクターの高い分子微生物学関連国際誌に投稿する準備をしている。本年度は当該研究実施機関の最終年度に当たるため、今後の推進方策,こついて述べたい。まず、選択圧負荷を必要とせず、かつ広範な生物細胞種への有用遺伝子導入が可能なEDMベクター開発に繋げていく必要がある。さらに、本成果を足掛かりに本DNA維持機構の全容解明、並びにこれを支える分子装置(複合体)の同定が進めば、当該EDMベクターから高性能分子育種ツールが創製されることも期待できるようになるものと思われる。本研究に役立つ新機能遺伝子edmSは、納豆菌類がつくるネバネバの糸の成分であるポリ-γ-グルタミン酸(PGA)の生合成と分解に関わるpgs遺伝子クラスター内に存在している。これまでの研究から、亜鉛存在下で本遺伝子を強発現させると納豆菌類のPGA生産能が飛躍的に向上することが分かっている。これまでedmS遺伝子機能の表の顔として信じられてきた。本研究では裏の顔ともいうべき「染色体外DNAの超安定化」に係る分子生物学的知見を得ることを目的とした。結果、ローリングサイクル型レプリコンを基礎とするベクタープラスミドの安定化を極限まで高めることが分かり、例えば、抗生物質等の選択圧を全く負荷しない条件で細胞分裂を500回繰り替えさせてもベクターの脱落は皆無であった。本遺伝子の発現により少なくとも当該レプリコンの半永久的な維持が可能になることが判明した。また、この機能発現に亜鉛は要求されないことから表の顔のPGA増産とは全く異なる機構によるものと示唆された。さらに、変異導入実験の結果、染色体外腿Aの超安定化を引き起こす要因はedmS遺伝子がコードするタンパク質にあることが判明した。本タンパク質はアミノ基末端側に位置する膜結合ドメインとカルボキシル基末端側に位置する酸性ペプチドドメインからなり、いずれのドメインも機能発現に必須であった。中でも、各ドメインの末端構造は特に重要であることが分かった。異種微生物での用途化を目指し大腸菌でのedmS効果も調べたが、残念ながらベクターの脱落は抑えきれず、脱落速度を遅くする程度に止まった。この結果から、完全な機能発現には納豆菌類特有の未知タンパク質成分の存在が不可欠である可能性を示唆された。さて、このような解析にはDNAアレイよりもBlue-Native PAGE解析の方が効果的であることから後者による分子解析に軌道修正した。EdmSタンパク質は少なくとも3つの異種タンパク質と20kDa程度の膜結合性複合体を形成していることが初めて明らかとなった。宿主細胞からのベクターDNAの脱落阻止(EDM機能)に役立つ新機能遺伝子edmSが、納豆菌類がつくるネバネバの糸の成分であるポリ-γ-グルタミン酸(PGA)の生合成と分解に関わるpgs遺伝子クラスター内に存在することが判明した。edmS遺伝子は構造遺伝子であり、EdmSタンパク質をコードしているが、DNAの安定化や分配、複製などに関わるいかなる既存因子とも構造上の類似性がない。そのため、全く新しいEDM機能の発現機構の存在が示唆された。種々検討の結果、大腸菌では本機能が十分に発揮されないことが判明し、納豆菌や枯草菌に存在するバイオシステムとの相互作用の重要性が示唆された。

そこでまず、枯草菌の細胞機能を広く制御するグローバルレギュレーターの変異株を利用し、本機能の発現調節機構について調査した。その結果、意外にも本EDM機能の発現は鞭毛形成・/走化性(fla/che)オペロンの存在と強い相関性が認められた。さらなる詳細解析を進めたところ、fla/cheオペロンでも走化性関連遺伝子群が並ぶ該オペロン後半部の欠失はEDM機能の発現には影響を与えないことが分かった。これにより、前半部の鞭毛形成遺伝子群との機能的相互作用の重要性が強く示唆された。事実、鞭毛基底部の形成に関わるfliF遺伝子の役割は必須であった。すなわち、これを単独で欠失させるだけで本EDM機能は完全に失われた。fliF遺伝子が鞭毛をもつ微生物に広く存在することは知られていたが、染色体外DNAの維持にまで関わることを示した例は先にない。また、EdmSタンパク質が本EDM機能発現の引き金、あるいは仲介役(メディエーター)である可能性が高いと思われる。EdmSとFliFの両タンパク質間の機能的相互作用を明らかにするとともに、どのような分子メカニズムに基づいて役割を果たしているかを知る必要がある。本研究を遂行する上で、特に重要な課題を浮き彫りにすることができた。納豆ネバ成分“ポリ-γ-グルタミン酸"の生合成遺伝子クラスターから新奇な染色体外DNA維持遺伝子edmSが見いだされた。本遺伝子は55アミノ酸からなる超小型タンパク質EdmSをコードしていた。本EdmSタンパク質を基盤とするDNA維持(EDM)機構の解明が急がれている。昨年、本機構が鞭毛形成タンパク質との機能的相互作用を介して成り立つとする驚くべき可能性が示された。最有力候補として鞭毛基底部の形成に関与するFliFタンパク質の名前が挙がっている。そこで、まずEdmSとFliFの両タンパク質の発現が人為的かつ同時にオンオフできる発現ベクターを新たに作製した。次いで、鞭毛形成/走化性(fla/che)オペロン全域を欠く枯草菌変異株に導入し形質転換体を得た。選択圧を負荷しない条件下でベクターDNAが維持されるかどうか調査したところ、極めて良好なベクター維持効果が認められた。本結果は概ね35の構造遺伝子を含むfla/cheオペロンのうち、本DNA維持機構の成立に関わっているのは唯一FliFタンパク質(fliF遺伝子)ということを意味している。さて、大腸菌やヒトをはじめ様々な生物種の全ゲノム解析が完了する中、複雑な生命現象を説明するには遺伝子の数が余りにも少ないことが分かってきた。その補完機構として“Moonlighting"タンパク質による機能重複/変換が提唱されている。本研究では、図らずも鞭毛形成の主役と信じられてきたFliF因子がEdmSと相互作用することでDNA維持装置に変換されることを暗示する結果を得た。私の知る限りこのような報告は先に例がない。今後は両タンパク質分子間の相互作用メカニズムに係る精密分析が課題になる。さらに、大腸菌や巨大菌等の異種微生物を宿主とした場合の該EDM効果について調べた。結果、少なくともバシラス種において同程度の効果が認められた。