hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超離散時空間解析と大規模配列解析の融合による遺伝子転写原理の解明

そこで、複数RNAPIIのソリトン系協調運動を制御する因子の分子生物学的意味の解明についても、遺伝子構造や速度変化領域などを詳細に解析することで、この特定規則と転写ファクトリーの3次元構造に潜在するメカニズムの予測を行った。これらの研究成果については、論文、解説記事、招待講演などで発表を行った。数理生物学研究実績の概要に示した通り、本研究はおおむね順調に進展している。特に近年の研究では、遺伝子の転写においてクロマチン相互作用などにより染色体は動的な3次元構造をとり、その結果、転写空間の物理距離が転写運動に大きな影響を与え、DNA上のポジションにおいて大きく離れた複数遺伝子についても機能的な相関が見られることがわかってきており、ますます重要な研究テーマとなっている。本研究においても、オートマトンの新規モデルとして写像を取り入れ、RNAポリメラーゼIIの転写運動の記述をより実際の細胞の中での動きに対応させるなど、最新の研究状況に照らし合わせて、着実に進展させていると考えている。また、これらの成果は順次、論文誌や学会での成果発表を行っており、さらに次の新しい論文も投稿中であるため、本研究の達成度としてはおおむね順調に進展しているといえる。本研究の目的の達成については、大きく分けて以下の2点の研究成果の達成度により点検ができる。(1)タイリングアレイなどを用いた細胞実験によって、RNAPII (RNA polymerase II)実体の運動情報、各種タンパク質結合情報、エピジェネティック修飾情報を取得。(2)得られた細胞実験データをもとにデータマイニングの技術を応用して、染色体上の数値データの数理解析を行うプログラムの研究開発。「研究実績の概要」でも述べたように、上記の2点の研究成果は交付申請書の予定通り達成されており、当初の「研究の目的」は概ね達成されていると言える。また並行して、数理科学に関する書籍を用いて数理解析モデルの習得を進めてきたため、次年度以降の計画となっている「遺伝子転写におけるRNAPII実体の粒子動態モデリングと超離散シミュレーション」への応用の準備も行うことができた。さらに、これらの研究成果に関連して、論文誌への論文発表と研究会での招待公演も行い、広く社会・国民に研究成果の発信も行った。これらの理由から、「研究の目的」の達成度については、自己点検により「おおむね順調に進展している」と評価した。本研究ではこれまで、生成されるエクソニック・イントロニックRNAの発現量の波動態シミュレーションを行ってきた。ここでの計算は、時間と空間の分解能が0.01(min)×1(bp)レベルの高密度なシミュレーション計算を行っている。
高等植物幼茎の浸透ストレス応答における膜機能

ミトリササゲ伸長域胚軸切片に導管潅流法により浸透ストレスをかけると、胚軸の伸長生長はいったん停止するか負に転ずるが、15分もすると徐々に回復を始める。しかし、このような対浸透ストレス適応回復はオーキシン存在下(10μMIAA)では顕著に現れるが、欠乏下では起こらなかった。オーキシン存在下の生長のストレス適応では、生長の回復に先立って必ず木部プロトンポンプの活性化に起因する木部膜の顕著な過分極が起こった。そこで、胚軸の生長と木部膜電位の間の関係を検討したところ、オーキシン欠乏状態では木部膜はほとんど脱分極に近い状態にあり、生長速度とに特別な関係は見られなかった。しかし、オーキシン存在下では少なからぬ個体で木部膜の過分極が見られ、生長速度との間に密接な相関関係がみられた。さらに、オーキシン存在下の浸透ストレスに対する生長の適応回復過で、生長回復速度と木部膜の過分極の量的な相関関係を調べてみた。すると、木部膜の最大過分極量と生長回復の相対速度の最大値との間にはr=0.806,p<0.01という密接な相関関係がみられ、膜の過分極はいつも生長回復に先行していることがわかった。以上の事実は、胚時の生長調節に木部プロトンポンプが欠くべからざる役割を果たしており、その活性化にオーキシンが不可欠の存在であることを示している。浸透ストレスが最も影響するのは木部における水吸収阻害に基づく生長抑制である。水吸収の再開に木部プロトンポンプの活性化が不可欠であることは、カナル模型によるシミュレイション解析によりすでに予測しているところであるが(Katou & Furumoto 1986,Katou & Enomoto 1991)、今回の研究によりその予測が実験的にも妥当であることが明らかとなった。
動脈平滑筋細胞の増殖調節機構における細胞骨格の役割

本研究は細胞増殖のためのシグナル伝達機構における細胞骨格の役割に注目し、1.微小管の脱重合や安定化はDNA合成調節に必須であるのか否か2.平滑筋細胞の増殖調節機構におけるビンキュリンの関与の有無を明らかにするのを目的とし実験を行い、次の成績を得た。1.タキソール(110μM)の作用によって、培養平滑筋細胞のDNA合成は低下し、細胞の増殖が抑制された。抗tubulin抗体を用いて微小管の動態を観察すると、タキソールの作用を受けた細胞は抗tubulin抗体と強く反応し、電顕的にも原形質内に微小管の増加が認められた。また、培地からタキソールを除くと微小管が減少(微小管の脱重合)し、DNA合成が開始された。平滑筋細胞をコルヒチンで処理すると抗tubulin抗体の特異蛍光は著しく減少した。しかし、タキソールの作用を受けた平滑筋細胞の微小管は安定化し、コルヒチン処理によっても強い特異蛍光を示した。2.1%ウシ胎児血清(FBS)存在下で静止期に誘導された細胞を10%FBS含有培地で培養すると細胞は増殖を開始した。DNA合成に先だって抗tubulin抗体に対する特異蛍光は著しく減少した。この間、ビンキュリンの動態を蛍光抗体法で経時的(10%FBS添加後1分6時間)に観察したがビンキュリンには明らかな変化はみられなかった。また、10%FBSにタキソールを加えた培地では抗tubulin抗体に対する特異蛍光は保たれており、DNA合成は誘導されなかった。以上の成績より、次の結論を得た。1.培養平滑筋細胞の増殖調節機構において微小管は本質的な役割を果し、微小管の脱重合は増殖シグナルを伝達し、一方、微小管の安定化は増殖シグナルの伝達を阻害する。2.細胞増殖のためのシグナル伝達機構には細胞膜近傍に局在するビンキュリンは関与しない。
免疫組織化学と同一切片対応法による各種脊椎動物の膵島細胞の比較超微形態学的研究

昭和63年より本テ-マの研究を継続して来たが、平成2年度は最終年度であり、研究のまとめの年であった。これを踏まえて前2年度で計画しながら実施出来なかった研究を主として行なった。その結果、次のような研究成果が得られた。(1)「脂質貯蔵細胞(lipidーstoring Gell)」の形態と機能に関する研究:これについては初年度から研究を行なっているが、第3年度においては、脂溶性のビタミン類の内、特にDおよびEについて、これらの物質がビタミンAの如く、「脂質貯蔵細胞」に貯蔵されるか否かを検索した。その結果、両者とも、「脂質貯蔵細胞」の脂質滴を増量することから、その脂質滴の中にビタミンD、Eが貯蔵される可能性があることが示唆された。(2)東洋医学のハリ・灸の膵傷害に対する効果について、これについては先ず、マウスの加齢に伴う膵臓の老化がハリ治療によって防止し得られるか否かについて6カ月2年に亘って研究した。その結果、ハリ治療によって膵の老化による細胞傷害が防止し得られることが解明された。なお、ハリ治療は、マウスに対し延命効果のあることも解った。第2の研究は、ラットに四塩化炭素を投与して膵傷害を惹起せしめると共に、これに灸療法を施したところ、膵傷害が修復せられると共に、「脂質貯蔵細胞」が増量し、施灸が生体の免疫力を高める可能性のあることが示唆された。第3には、ストレプトゾトシン糖尿病および先天糖尿病NODマウスの膵傷害に対し、漢方薬甘草の成分のグリチルリチンが有効であることが証明された。さらに、灸はそれ自身、膵の「脂質貯蔵細胞」を増加し、大食細胞などと接触して「生体防御機構」を強めることがイモリの実験で解明した。(3)「隣接切片対応法」と免疫組織化学の応用、本研究のテ-マであるこの2方法を用いて、膵島細胞の同定を行ない、膵島細胞の識別困難な場合の膵島細胞の判別に役立ち、初期の研究の目的がほぼ達し得られた。われわれは多年に亘って、ヒトを含む各種脊椎動物の膵組織の超微形態学的研究について追求して来たが、本年は特に、種々の化学物質を動物に投与して膵内・外分泌部の超微形到的変化を追求した。その結果、次のような知見が得られた。1.ワインに混入されてその人体への毒性が懸念されたジエチレングリコール(DEG)をマウスに投与せしめて膵の変化を観察したところ、膵の内・外分泌部が傷害を受けた。特に外分泌細胞では、「小胞内顆粒」が出現したり、細胞の部分壊死が起り、ミトコンドリアの中にミエリン様構造が多数出現した。島細胞も破壊し、血糖値が上昇した。2.塩化カドミウムをラットに投与して、膵組織を観察したところ、膵内・外分泌細胞が傷害を受けて、細胞の部分壊死と共に、外分泌細胞の場合には、多数の脂質滴が出現した。さらに興味ある所見は、間質結合組織然に、脂質滴を多数持った線維芽細胞に近似した多数の細胞が出現した、そして、それらの脂質滴の中には、組織化学的にオキシンと反応するカドミウム-オキシンの沈澱物が認められ、脂質滴の中にカドミウムないしそれに関連した物質を保吾していることが解り、「カドミウム摂取細胞」と命名した。この細胞は生体にとって毒性のある物質を、その脂質滴の中に一時溶解して貯蔵し、その毒性を弱めると考えられ、またこの細胞はしばしば、大食細胞と接触するのが見られ、生体防御系の一端をになうものと思われた。この「カドミウム摂取細胞」は、先にわれわれが発見した「ビタミンA貯蔵細胞」とも近似し、いずれも脂質滴を持つ結合組織細胞のため、まとめて「脂質貯蔵細胞」と総称することを提案した。今後、この「脂質貯蔵細胞」の種々の実験条件下における増減や、ヒトを含む各種脊椎動物におけるこの細胞の比較形態と、さらにこの細胞の機能の追求を免疫組織化学的に研究して行く考えである。

第3には、ストレプトゾトシン糖尿病および先天糖尿病NODマウスの膵傷害に対し、漢方薬甘草の成分のグリチルリチンが有効であることが証明された。さらに、灸はそれ自身、膵の「脂質貯蔵細胞」を増加し、大食細胞などと接触して「生体防御機構」を強めることがイモリの実験で解明した。(3)「隣接切片対応法」と免疫組織化学の応用、本研究のテ-マであるこの2方法を用いて、膵島細胞の同定を行ない、膵島細胞の識別困難な場合の膵島細胞の判別に役立ち、初期の研究の目的がほぼ達し得られた。われわれの研究室では、永年に亘って、ヒトおよび各種脊椎動物の膵組織の超微形態について研究を続けているが、本年は、(1)ストレプトソトシン(以下STZ)をラットに投与して、膵傷害を光顕ならびに電顕で観察し、膵の内・外分泌部の変化を追求すると共に、これに漢方薬甘草のエキス成分であるグリチルリチンという薬剤を投与してSTZによる膵傷害の修復についても検索した。STZは糖尿病発症剤であり、これを投与して6カ月後のラットの膵組織を観察すると、まず膵島細胞の内特に、インスリン分泌のB細胞が破壊され、糖尿病となり血糖値が上昇する。また、膵の外分泌部も傷害を受けて、膵外分泌細胞質内に細胞の部分壊死である自家食胞が出現すると共に、細胞基底側に、多数の脂質滴が出現する。また導管系の上皮細胞も傷害を受けて二次ライソゾ-ムや脂質滴が出現する。さらに興味ある所見は、膵の間質結合組織内に、STZ投与によって、脂質滴を保有した「脂質貯蔵細胞」が出現することである。この細胞については1982年以来研究し、ビタミンA投与の場合にも出現し、「ビタミンA貯蔵細胞」と報告した。またカドミウム投与の場合にも出現し、「カドミウム貯蔵細胞」と命名されたが、これらの細胞は体外から進入した毒物の解毒に関係する細胞であり、グリチルリチンの投与によって、STZ投与による膵傷害が改善されると共に、この毒物の解毒のためにこれらの「脂質貯蔵細胞」が増加し、さらに大食細胞の活発化と共に、脂質貯蔵細胞と大食細胞が接触して互いに情報交換を行い、広義の生体防御機構が強まることが解明された。これらの「ビタミンA貯蔵細胞」や「カドミウム貯蔵細胞」などと命名された脂質滴を保有する間葉系由来の細胞をまとめて「脂質貯蔵細胞系」と呼称することをわれわれは提案した。今後さらに種々の実験を重ねて、この「脂質貯蔵細胞系」の形態と機能について研究して行きたい。本研究は昭和63年度より平成2年の3年間に亘る研究のため平成2年度は最終年ということになる。従って、過去2年間に計画しながら実施出来なかった研究を重点的に行い、同時に3年間のまとめを行なった。その研究成果を要約すればおよそ次の如くである。(1)「脂質貯蔵細胞(lipidーstoring cell)」の形態と機能についての研究:これについてはすでに昨年度にも一部報告したが、本年度は脂溶性ビタミンの内、特にD,Eについて、これを動物に投与してその動態を研究した結果、「脂質貯蔵細胞」の脂質滴が増量し、ビタミンD、Eもこの細胞系に貯蔵される可能性が間接的に証明された。(2)東洋医学のハリ・灸の膵臓内・外分泌部の傷害に対する効果の研究:マウスの老化に伴う膵傷害がハリ治療によって改善されることが、超微形態的に解明された。また、ラットに四塩化炭素を投与して膵傷害を惹起せしめると共に、これに灸治療を施したところ、四塩化炭素による膵臓内・外分泌部の傷害が改善された。なお、灸それ自身が、膵の「脂質貯蔵細胞」を増加させ、生体の防御機構を改善することがイモリの研究で解明された。(3)免疫組織
シンビオジェネシスの基礎となるプロモーター獲得原理の解明

生物進化の過程では、しばしば、外来遺伝子が宿主の核ゲノムに取り込まれ、そこで新たなプロモーターを獲得して宿主の遺伝子制御系に組み込まれる。この現象の分子機構を、形質転換植物によるモデル実験系で解析した。その結果、新規プロモーターの獲得・出現過程には、「コード領域の5'末端近傍でクロマチンのリモデリングが誘導される」という核ゲノムのもつエピジェネティックな性質が関与していることが示唆された。シロイヌナズナの遺伝子トラップ系統を用いた昨年までの解析から、「構造遺伝子配列がゲノムDNAに挿入」されると、近傍のゲノム領域ではクリプティックプロモーターの活性化や転写開始点の誘導が生じることが強く示唆された。本年度は、この可能性を実験的に検証するため、キメラプロモーターと形質転換植物によるモデル実験を行った。まず、野生型プロモーターを基にして、コア領域だけを3回重複させた改変型プロモーターを作成し、レポーター遺伝子に連結した。このキメラ遺伝子を植物に形質転換し、植物体中での転写開始点をcap-trapper法によって解析したところ、野生型プロモーターでは調節領域の直下に出現していた転写開始点が、改変型プロモーターでは、3つあるコア領域のうち、最もコード配列近い、最下流のコア領域に移動していた。そこで、転写開始複合体の形成位置が実際にどうなっているのかを、RNAポリメラーゼやTBPに対する抗体を用いたクロマチン免疫沈降法によって解析したところ、確かにコード領域の最近傍のコア領域に移動していることが示された。上記の知見は、ゲノム上での転写開始位置は上流のプロモーター配列によって一義的に決定されるわけではなく、プロモーター領域とコード流域との相互作用によって決まることを意味している。言い換えると、コード領域自体がプロモーターの広義の構成要素になっている、ということである。これは真核プロモーターについての従来の見方を大きく変えるばかりではなく、「ゲノムのシャフリング」や「構造遺伝子の挿入」がどのようにして「新しいプロモーターの出現」を誘導するのか、という本研究課題の最も本源的な問いに、重要な手掛かりを与えてくれる。次年度以降は、構造遺伝子領域が上流近傍のコアプロモーター領域を活性化する分子的なメカニズムについて解明を進める。シシンビオジェネシスの過程では、共生者ゲノムにコードされている遺伝子群が、次第に宿主核に転移し、そこで新たなプロモーターを獲得する。本研究課題では、「植物の核ゲノムに転移したコード領域は、どのようなメカニズムで新しいプロモーターを獲得するのか?」という問題に焦点を絞って研究を進めてきたが、本年度は、植物核のエピゲノム状態に着目し、ChIP-on-chip法による解析を進めたところ、次のような新しい知見が明らかになった。(1)植物核のコアプロモーター領域に特徴的なクロマチンリモデリングを明らかにした。コアプロモーター領域は、修飾ヒストンであるH3K4me3とヒストンH2AのバリアントであるH2A.Zをともにもつ二つの特殊なヌクレオソームの間隙に出現することがわかった。(2)この場合、下流側のヌクレオソームの位置は、コード領域の5'末端付近に対応していた。(3)植物の核ゲノムに新規挿入されたコード領域がプロモーターを獲得する様子を、上記のヌクレオソーム構造を手掛かりに解析したところ、少なくとも三つの異なる獲得様式のあることが明らかになった。それらを、それぞれ、「プロモーター領域新生型」「既存プロモーター捕獲型」「両者の混合型」と名付けた。(4)このうち、「プロモーター領域新生型」では、それまで全くプロモーター構造の見られなかったゲノム領域に、新規のコード領域が挿入されることによって新たなプロモーター構造が形成された。これは、プロモーターの新生現象を明確に捉えた初めての解析例である(5)プロモーター領域が新生されたメカニズムについて解析を進めたところ、コード領域の開始コドンが関与していることが示唆された。
ランダム行列の積で表現可能な確率モデルの研究

分枝過程は人口の発展を確率的に表現したモデルであり、現在では物理や数理生物学の分野においても興味の対象となっている。特にランダム環境下における分枝過程は実際に確認できる現象に現れる"ノイズ"を考慮に入れたものであり応用への期待も持たれている。ランダム環境中の分枝過程には様々な種類がある。その定義の仕方は主に生成分布と呼ばれる各粒子が次の世代に生み出す粒子の数の分布の言葉で表現される。また空間の中を各粒子がランダムに動く分枝ランダムウォークに関しては未解決の問題が多々ある。特に空間を占める粒子の分布やその端にいる粒子の挙動を調べる研究を行っている。主に二つのことについて研究した。まずある特殊な条件を満たすランダム環境の下での1次元分枝ランダムウォークにおける粒子の左端粒子の位置M(n)の挙動に関する考察である。そのランダム環境の下ではM(n)は非ランダム環境中の分枝ランダムウォークには現れなかった挙動をし、さらに強い振動が起こることも確認できた。また、ランダム環境中の分枝過程についてその個体数に関する大偏差原理について考察を行った。この問題は粒子が確率1で1体以上の粒子を生み出す場合については解かれていたが死滅する可能性がある場合については解かれていなかった。そこでその問題に取り組み一部解決した。平成22年度研究代表者は主に二つのことについて研究した。まずひとつはランダム媒質中のディレクティドポリマーの拡張したランダム媒質中の部分的ディレクティドポリマーについて関するものである。これはディレクティドポリマーでは環境が各時刻ごとに刷新されるのに対して、あるランダムな時間同じ環境の中を動き続けるものである。このモデルではポリマーの動きにより大きな相互作用が働きその解析はさらに複雑なものになる。一方で上に述べた理由からこのモデルはディレクティドポリマーよりも実際の物理現象に近いものになっているということが予想される。研究では特に自由エネルギーと呼ばれる物理の分野でも非常に重要な数値の解析を行った。ランダム媒質中のディレクティドポリマーでは自由エネルギーの計算にはエルゴディック劣加法定理を使えたが、部分的ディレクティドポリマーではこの定理を直接使うことはできなかった。そこでこのモデルから定理が適用できるモデルを構成し、そのモデルの自由エネルギーとの比較を行うことで自由エネルギーの存在の証明、およびその値を与えた。ふたつ目はランダム環境中の一次元分枝ランダムウォークの最左端粒子の解析である。一次元分枝ランダムウォークの最左端粒子の解析はすでに様々な先行結果が存在するがランダム環境中に関してはほとんどない。特に粒子が死滅する可能性があるものについてはなかった。しかし研究代表者はある特定のモデルに関して粒子が死滅する可能性があるモデルについて最左端粒子の解析に成功した。このモデルでは最左端粒子は時刻nではnのオーダーよりも小さいオーダーで成長し、そのオーダーは多項式のオーダーであることがわかった。さらに振動することもわかった。多項式のオーダーは分枝ランダムウォークで現れたオーダーとは全く異なるものである。これらの結果よりこの研究に関する更なる発展が期待される。
赤外線加熱炉を用いた、キャスタブルセラミックスの繰り返し鋳造について

1、一般臨床で広く用いられている金銀パラジウム合金(キャストウェル、GC)1gに赤外線ゴールドイメージ炉から発生した光を照射し、合金の経時的変化を観察した。照射開始直後より合金は発光し始め、1517秒後に溶融を想像させる形態変化が観察された。照射終了後形態変化を再確認すると、凝集し球状に形態変化しており全面に黒色の酸化膜が観察された。2、OCCガラスインゴット(5.2g)に赤外線ゴールドイメージ炉から発生した光を照射し、インゴットの経時的変化を観察した。照射開始20分を経過しても、発光や形態変化は観察されなかった。ガラスインゴットが溶融しない原因として次の事が考えられた。(1)ゴールドイメージ炉から照射される赤外線のピーク波長(1.15μm)付近の光をOCCが透過する。(2)ガラスインゴットの容積が大きいため、吸熱と放熱の平衡状態がガラスの溶融温度以下で生じる。照射開始20分を経過しても、発光や形態変化は現われなかった。まとめ:赤外線透過性を持つOCC溶融に赤外線加熱炉を使用することは不適当であると考えられる。
地球科学・化学・生物学的手法を組み合わせた土壌の採取地点推定に関する研究

「この土壌はどこから来たものか?」という問いは、我々の研究分野において常に求められてきた課題であり、これまで、主として地球科学的なアプローチでこの問題の解決が試みられてきた。様々な地域の土壌が分析されてきたものの、そこから踏み込んで採取地点の特徴、すなわち土地利用や植生などを決定するには至っていない。そこで本研究では土壌の土壌たる部分、すなわち生物活動の痕跡を、土壌中主要有機物である腐植の熱分解GC-MS分析等による化学的分析、DNAメタバーコーディング解析による土壌中植生の解析(生物学的解析)することにより土壌の持つ特徴を明らかにする。
昆虫寄生菌の土壌中における生残と感染に対する物理的ストレスと土壌静菌作用の影響

土壌中には多くの昆虫寄生菌が生息しており、その一部は土壌生息害虫の防除に利用されている。しかし、土壌環境おける物理的環境ストレスや微生物相が昆虫寄生菌の定着や感染におよぼす影響に関する基礎的知見が乏しく、現行の防除法には改良の余地がある。本研究では、重要害虫であるアザミウマ類を対象とし、蛹期アザミウマの生息する土壌環境中における昆虫寄生菌の定着性と病原性に対する、物理的ストレス(紫外線および高温ストレス、潅水による沈降)および共存する土壌細菌の影響を明らかにする。さらに、これらの影響に関する菌株間差異を明らかにし、土壌生息害虫に対する高い防除効果に求められる菌株特性を明らかにする。
熱的搖動による核生成のマルチスケールモデリング

固液界面エネルギーのサイズ依存性に関して分子動力学法を用いて調査を行いTolmanの式を用いておおよそ説明することが可能であることを示した。分子動力学法を用いた核生成の計算の結果、現実的な計算時間で核生成が起きるほど過冷却した場合には、正二十面体の短距離規則性が冷却後即座に現れることが明らかとなった。Phase-Fieldモデルへの揺動の導入の結果、古典核生成理論に従う結果が得られるモデルを構築した。平成28年度は固液界面エネルギーのサイズ依存性に関して分子動力学法を用いて調査を行った。核生成が起こる際には界面エネルギーが重要である為、核生成を調べる上ではまずはそのサイズ依存性について明らかにしておく必要があった。その結果、Feの固液界面の場合、固相核の大きさが10 nm程度以下となった場合に、平滑な界面と比較して界面エネルギーが低下することが明らかとなった。低下の傾向は気液界面について調査したTolmanの式を用いておおよそ説明することが可能であった。これらの結果から、Phase-Field法を用いて核生成を考える場合には、核が小さい場合に界面エネルギーが低下する機構を入れる必要があることが示唆された。これと並行して、分子動力学法を用いた揺動の定量化を試みた。結果としては、Fe液相について分子動力学計算中に現実的な計算時間で自然に核生成が起こるほど過冷却させた場合には、液相状態が凍結されず、準安定状態と考えられる正二十面体の短距離規則性が冷却後即座に現れることが明らかとなった。現在この現象の発現条件などを含めて核生成機構について検討を行っている段階である。Phase-Fieldモデルへの揺動の導入については、まずはWangらが提案した方法で揺動を導入し、古典的核生成理論に基づく核生成頻度を自然に表現できることを確認している。ただし、空間スケール・時間スケール依存性については恣意性があり、上述した分子動力学計算を用いて検討中である。懸念事項であった界面エネルギーのサイズ依存性は明らかとなったものの、搖動をモデル化するにあたって、準安定状態が観測されたため、この状態を含めた揺動の表現を考える必要が出てきた。その為に揺動のモデル化に遅れが出ている。低下の傾向はTolmanの式を用いておおよそ説明することが可能であった。Fe液相について分子動力学計算中に現実的な計算時間で自然に核生成が起こるほど過冷却させた場合には、液相状態が凍結されず、正二十面体の短距離規則性が冷却後即座に現れることが明らかとなった。平成29年度には、正二十面体の短距離規則性の発現条件について調査した。二次元的な計算条件で確認されたことから、三次元的な条件の場合を調査したところ、前者と同様に正二十面体の短距離規則性が現れた後に、BCCが核生成し凝固が進行するといった結果となった。また、冷却条件依存性についても調査したところ、融点の2/3倍程度の温度へ冷却した場合においても、正二十面体の短距離規則性が観察された。文献を調査したところ、実験においても正二十面体の規則性が前駆体として観察されている例があり、実態を反映している可能性がある。Phase-Fieldモデルへの揺動の導入は、準安定状態を考慮に入れると、モデルが複雑化することから、現象論的に捉えることとし、Wangらが提案した方法で揺動を導入することとした。固相変態における変態ひずみ場を考慮したPhase-Field計算によって、定性的ではあるが、弾性エネルギー的に安定となるような対となる2種のバリアントが同時に析出する傾向を再現することが可能なモデルを構築した。核生成を現実的な時間で起こすためには、分子動力学法から計算される揺動よりも大幅に大きな揺動を入れる必要があったものの、古典核生成理論に従う結果が得られた。進捗状況にて課題として挙げた準安定状態を考慮した核生成については、本研究費を用いて出張を行った2016年米国MRS fall meetingにおける講演で詳細に取り上げられており、その手法を参考とすることで準安定状態を考慮した核生成のモデル化を進めることができると考えられる。また、搖動の空間/時間スケールの整合性についても、文献調査によって市坪による2011年の論文に詳細に記述があり、この手法を参考とすることで研究を推進可能であると考えている。東北大学大学院工学研究科上島伸文個人ページ計算材料学
高次非線形ラマン散乱顕微鏡による結晶化モニタリング

4次ラマン散乱(FOCRS)分光顕微鏡を結晶化モニタリングに用いることを提案した.結晶化は飽和溶液中でのプロセスであり,結晶と飽和溶液からの信号を分別する必要がある.偶数次の非線形光学現象は,中心対称性を持つ物質からは禁制となるため,4次の非線形光学効果であるFOCRSを用いることで,非中心対称性の結晶の分子振動情報の,溶液の影響ない観測が期待できる. FOCRS分光顕微鏡を開発し,対称心を持つ水和DAST結晶と対称心を持たない無水DAST結晶のFOCRSとCARSを観測した.CARSでは両者でラマンバンドが得られるが,FOCRSでは無水結晶のみラマンバンドを示し,FORCSの選択性を示した.これまで開発してきた,マルチプレックス4次ラマン散乱顕微鏡の光学配置を見直し,より調整がしやすく,ルーチン的に実験を行うことができるシステムとした.これまで,スーパーコンティニューム光を発生させるために,NA=0.6 x40の対物レンズを用いてフォトニック結晶ファイバーに入射していたが,振動によってその強度揺らぎが大きく生じることが分かった.そこで,NA=0.4 x20の対物レンズを使用することにした.これにより,実験をより長時間行え,またフラットなスペクトルを得る事ができるようになった.また,発生したCARS光や4次ラマン散乱光を,反射配置,透過配置いずれも簡単に観測が行えるように改造した.3次の非線形ラマンであるCARSは,対称心を持つ物質に対しても光学的に許容であるが,4次ラマンは対称心を持つような物質に対しては禁制となる.このため,CARSと4次ラマンを比較することで,試料内で部分的に対称性が異なる箇所が存在すると,4次ラマン散乱強度が変化し,結晶の対称性によるマッピングを行うことができると考えられる.DAST結晶はは,単斜晶系の結晶構造を有する赤い結晶であるが,水を含有する場合中心対称性を持つ構造を持つオレンジ色の結晶となることが知られており,結晶生成中に水を加え,単斜晶系の結晶と中心対称性を持つ結晶が混じった試料の作成を行い,そのCARSと4次ラマンの取得を行った.水和結晶の4次ラマンの強度が非水和結晶に比べて著しく小さいことが確認できたが,CARS光も水和結晶で数分の1以下であった.水和DAST結晶の通常のラマン散乱を観測すると,偏光によってその強度が大きく影響を受けることが分かった.これらにより,今後,偏光を制御してCARS, 4次ラマンを観測する必要があることが分かった.試料での励起光の偏光を制御するシステムを構築した.4次コヒーレントラマン散乱は,非中心対称性物質にのみ生じるため,非常に偏光に敏感である.したがって,その信号強度は偏光に敏感である.開発した装置は,市販の顕微鏡をベースとした観測システムを構築しているため内部ミラーの反射により,顕微鏡光入射光の偏光(直線偏光の向き)を制御しても,試料への入射時にはその偏光状態が変化してしまっていた.そこで,対物レンズ直前に回転色消し半波長板を設置し,高い偏光の純度(100:1以上)を達成した.4次コヒーレントラマンスペクトル強度の較正法を確立した.広帯域光にスーパーコンティニュウム光を用いているが,スーパーコンティニュウム光は構造をもっているために,正確な4次コヒーレントラマンスペクトルを得る為には,強度較正が必要である.しかしながら,直接スーパーコンティニュウム光のスペクトルを用いることは難しい.これは,4次コヒーレントラマンスペクトルの分解能は,分光器よりもむしろ狭帯域光のスペクトルに依存すること,また狭帯域光とスーパーコンティニュウム光の時間的重なりに4次コヒーレントラマンスペクトル強度が依存するためである.そこで,狭帯域光とスーパーコンティニュウム光の和周波光を用いた強度較正法を確立した.水和DAST結晶と無水DAST結晶を用いて,構成分子はほぼ等しいにも関わらず,CARSと4次コヒーレントラマンで信号がどのように変化するか検証した.両結晶でCARSは観測されるものの,同じ位置で4次コヒーレントラマンは無水DAST結晶でのみ観測され,対称性による観測結果の違いを示すことができた.マルチプレックス4次コヒーレントラマン散乱の観測には,狭帯域なパルスレーザー光と,広帯域なパルス光の2つの光が必要とされる.これまで,狭帯域光にはフォムト秒チタンサファイアレーザー光をフィルターによって狭帯域化した光を,広帯域光にはフェムト秒チタンサファイアレーザー光をフォトニック結晶ファイバに入射して得られるスーパーコンティニュウム光を用いていた.しかしながら,フォトニック結晶ファイバに入射して得られるスーパーコンティニュウム光はスペクトルの安定性が悪く,またスペクトルに構造があり,広帯域光の構造か,4次ラマンスペクトルなのか見分けづらかった.そこで,広帯域な10 fsレーザーを用いたマルチプレックス非線形コヒーレントラマン散乱散乱顕微鏡を開発した.10 fsレーザーのスペクトル幅は,1400 cm-1まで広がっており,またそのスペクトル形状は非常に滑らかである.狭帯域光にはピコ秒レーザーを用い,両者を同期させて試料に入射してマルチプレックス非線形コヒーレントラマン散乱信号を得るシステムを構築した.バランス相互相関を用いた自作の同期システムを用いて,約700 fs以下のジッタで同期できることを確かめた.

フォトニック結晶ファイバによるスーパーコンティナム光よりも,強度揺らぎは1/100であった.ピコ秒レーザーを用いることで,スペクトル分解能が20 cm-1から5 cm-1まで向上した.また,マルチプレックス非線形コヒーレントラマン散乱スペクトルを全指紋領域に渡ってを安定的に得られた.4次ラマン散乱(FOCRS)分光顕微鏡を結晶化モニタリングに用いることを提案した.結晶化は飽和溶液中でのプロセスであり,結晶と飽和溶液からの信号を分別する必要がある.偶数次の非線形光学現象は,中心対称性を持つ物質からは禁制となるため,4次の非線形光学効果であるFOCRSを用いることで,非中心対称性の結晶の分子振動情報の,溶液の影響ない観測が期待できる. FOCRS分光顕微鏡を開発し,対称心を持つ水和DAST結晶と対称心を持たない無水DAST結晶のFOCRSとCARSを観測した.CARSでは両者でラマンバンドが得られるが,FOCRSでは無水結晶のみラマンバンドを示し,FORCSの選択性を示した.偏光の正確な制御,スーパーコンティニュウム光のスペクトル構造による影響の強度較正法の確立など,基礎的観測環境の整備を行うことができ,結晶の対称性を4次コヒーレントラマンで検出可能であることを示すことができた.27年度が最終年度であるため、記入しない。顕微分光4次コヒーレントラマン散乱は,試料の対称性に敏感な観測手法である.そこで,対称性の異なる微結晶が混在した試料を作成,実際に対称性が異なることによってその信号が変化し,結晶の対称性によるマッピングを行うことが可能となる.観測の高速化を,ヘテロダイン検出によって実現する.4次コヒーレントラマン散乱は,ストークスラマン散乱と,アンチストークスハイパーラマン散乱過程が合わさった現象である.波長の異なる2色のレーザー光(角周波数をω1, ω2とする)を用いた場合,4次コヒーレントラマン散乱は,(ω1 - ω2) + 2ω1 = 3ω1 - ω2,または(ω1 - ω2) + 2ω2 = ω1 + ω2に現れる.前者がこれまで用いてきたホモダイン検出コヒーレント4次コヒーレントラマン散乱であり,後者がヘテロダイン検出コヒーレント4次コヒーレントラマン散乱である.後者には,和周波発生が重畳するため,これらの干渉として信号が得られる.この際,和周波光が局部発信器となり,和周波光と4次コヒーレントラマン光の積が信号として現れる.このため,4次コヒーレントラマン光が増強されて検出される.このため,観測時間の短縮が期待できる.本原理による気ー液界面研究が行われてきたが,イメージングは未だ行われていない.そこで,ヘテロダイン検出4次コヒーレントラマン散乱イメージングの確立を行う.構成分子は同じでありながら,対称心を持たない結晶と,対称心を持つ結晶の2種類の試料を用意し,これらのCARSと4次ラマンを取得して,4次ラマンイメージングの優位性を証明する事を目的とした研究を行ってきた.当初,3次の非線形光学効果であるCARSでは同様な信号が得られるものの,4次ラマンでは対称性による影響で,大きくその信号が変化することを予想していたが,CARSでもその信号に大きな違いがみられた.自発ラマン散乱を観測した所,偏光によりその信号が大きく変化したことから,水和結晶でのCARS信号の低下は偏光が最適化されていなかったことが原因と考えられる.偏光の向きを自在に変化できるように,光学系を改良した.
第４次産業革命を志向したリアルタイム生産スケジューリングシステムの開発

不安定な需要動向,異常気象および諸外国との摩擦などによる生産環境の変化に柔軟に対応し,第4次産業革命を推進するためには,リアルタイム生産スケジューリング法の開発が重要となる.本研究では,大域的な情報に基づき静的に生成された非劣スケジュール集合の中からリアルタイムに参照すべき規範スケジュールを選定し,本情報を反映させた自律分散型の意思決定により,高精度のスケジュールを柔軟かつ効率的に決定するスケジューリングシステムを開発する.不安定な需要動向,異常気象および諸外国との摩擦などによる生産環境の変化に柔軟に対応し,第4次産業革命を推進するためには,リアルタイム生産スケジューリング法の開発が重要となる.本研究では,大域的な情報に基づき静的に生成された非劣スケジュール集合の中からリアルタイムに参照すべき規範スケジュールを選定し,本情報を反映させた自律分散型の意思決定により,高精度のスケジュールを柔軟かつ効率的に決定するスケジューリングシステムを開発する.
全天・深宇宙探査による巨大ジェットをもつ活動銀河中心核の構造と宇宙論的進化の解明

本年度は、日本のX線衛星「すざく」で観測したジェットをもつ高光度活動銀河核の周辺構造の研究結果を専門雑誌で報告した。我々はジェットから放射されている電波強度から、降着流由来のX線に混ざっているジェットのX線放射を見積もるという世界初の手法を、本ターゲット天体に適用した。これによってジェットの寄与を正確に除いて解析することができ、ジェットをもつ高光度な活動銀河核は、中心核の周囲を覆うドーナツ状ダストの立体角が小さい、あるいは赤道方向のダスト吸収が小さい、という結果を得た。これはジェットをもたない活動銀河核で知られる、「高光度な活動銀河核ほど吸収を受ける確率が小さい」という関係と一致する。また、「すざく」と欧州のX線衛星「XMM-Newton」で観測されたジェットをもつ活動銀河核24天体のスペクトルを、これまでの個々の天体に対する研究で得られたモデルを利用して、統一的に解析した。その結果、ジェットを噴出している中心核を取り巻くドーナツ状ダストの立体角が、ジェットをもたない活動銀河核とどの光度でも同程度である、という結論を得た。これは銀河や活動銀河核の進化と深く関連していると考えられているジェットが、ブラックホールへのガスの供給源であるダスト構造に影響を及ぼさない、という重要な結論を示唆している。また、ジェットをもたない活動銀河核では幾何学的に薄く光学的に厚い標準降着円盤がブラックホールのごく近傍まで伸びていると考えられているが、本研究ではジェットをもつ活動銀河核の標準降着円盤が観測できるのは外側のみで、内側では分厚い高温電子雲などに円盤が隠されてしまっている可能性が示唆された。つまりジェット根元の降着流は特殊な状態になっており、ここにジェット形成のメカニズムが隠されているかもしれない。上記の結果も含め、博士後期課程で行った研究を博士論文にまとめた。また、国内学会や研究会、国際会議などで発表し、専門雑誌へ論文を投稿する準備をしている。(抄録なし)本研究では、これまでに日本のX線衛星「すざく」で観測したジェットをもつ高光度の活動銀河核(AGN)2天体のX線データを解析し、その成果をApJ誌に投稿した。我々は、ジェットのからの放射が大部分を占めていると考えられる電波強度から、X線データにおけるジェットの寄与を見積もるという世界初の手法によって、観測した2天体のうち、よりジェットの軸に近い向きで観測していると考えられるAGNではX線放射中に20%程度のジェット放射が含まれていることをつきとめた。この寄与を除いて解析することによって、ジェットをもつ高光度AGNは、中心核の周囲を覆うダストトーラスの立体核が小さい、または赤道方向の吸収体量が少ない、という結果を得た。これはジェットをもたないAGNで知られる、高光度なAGNは吸収を受けている割合が少ない、という関係性と一致し、ジェットの有無ではトーラス構造に違いがないことを示唆する重要な成果である。また、ジェットをもつAGNのX線データを使った系統的研究も行っている。「すざく」で観測されたジェットをもつAGNの全アーカイブデータを取得し、最新の較正データベースを使って慎重にデータ処理を行った。さらにヨーロッパのX線衛星「XMM-Newton」の観測も合わせて全26天体・62観測のデータを使って系統的研究を進めている。我々は、ブラックホール周辺にあるガスやダストの幾何構造について調べるために、まずX線反射体から放射される鉄の蛍光X線に注目し、この輝線の強度や幅から、反射体の性質を調べた。この結果、吸収をあまり受けていないAGNは大きな吸収を受けたものと比べて、輝線幅が広く、より回転速度の速い、ブラックホール近傍まで観測できていることがわかった。今後は吸収を受けていないAGNを詳細に調べ、ジェットをもつAGNのブラックホール近傍の統一的な描像を理解する必要がある。

つまりジェット根元の降着流は特殊な状態になっており、ここにジェット形成のメカニズムが隠されているかもしれない。上記の結果も含め、博士後期課程で行った研究を博士論文にまとめた。また、国内学会や研究会、国際会議などで発表し、専門雑誌へ論文を投稿する準備をしている。これまでにないサンプル数でのジェットをもつAGNの研究を行い、この種族の中心核構造を明らかにすることは、順調に計画通り進んでいる。AGNや銀河の進化の謎を解明するためには、まずは近傍の(新しい)AGNを詳しく調べる必要があり、現在のジェットをもつAGNの描像を得ることは、おおむね達成しつつある。しかしながら、遠くの(昔の)AGNと比較し、その進化を調べるにはまだ及んでいない。したがって、上記のような評価を行った。今後は、近傍のジェットをもつAGNの調査を完成させ、もっとも精度のよい観測データを用いることで明らかになった、その中心核構造を公表する。これは世界中のAGN研究者にとって有用な情報となるはずである。さらに、遠方のAGNとの比較も行い、AGN進化の謎に切り込んでいく。(抄録なし)
高エネルギーリン酸がラット筋の形態的・機能的発育に及ぼす影響

クレアチン又はβ-guanidinopropionic acid (β-GPA)の経口投与により、筋中の高エネルギーリン酸レベルを変えた場合、筋に起こる変化をウィスター系ラットで調べた。その結果、遅筋(ヒラメ筋)も速筋(長指伸筋)も収縮特性が更に遅筋化し、疲労耐性も改善された。速筋である足底筋におけるミオシン重鎖及び軽鎖のisoformもβ-GPA投与によりslow typeにシフトした。糖負荷試験における血糖値及び血中インスリンの上昇もβ-GPA群はコントロールよりも低く、しかも早く回復した。これらの動物の筋には、glucose uptakeの増加も認められた。又、オートラジオグラフィーを使って測定したヒラメ筋におけるβ-adrenoceptorの最大結合能も、β-GPA群では有意に高値であった。この場合、親和性は変わっておらず、最大結合能の上昇は、受容体数の増加によるものであるということも示唆された。クレアチン投与により高エネルギーリン酸レベルを高めた場合は、一般的にβ-GPA投与によって起こる反応と逆の現象が誘発された。長期間にわたる高エネルギーリン酸の低下は、筋におけるアデノシン・3・リン酸(ATP)の産生を刺激するためにミトコンドリア機能が改善されるものと推察される。この場合、ミオシン重鎖及び軽鎖のisoformも遅筋タイプに移行し、筋の収縮速度及び弛緩時間もslow-twitchタイプに変わるという結果も得られた。更には、ATP産生能が改善されておれば、筋における疲労耐性の維持には高エネルギーリン酸レベルを高い水準に保つ必要はないということも示唆された。β-GPA又はクレアチンを経口投与し、飼育したメスラットでも妊娠・出産は可能であった。特にクレアチン投与に対しては同一のメスラットが数回出産することも可能であった上に、子ラットの出生数もコントロール食ラットの場合と同じであった。これに対し、β-GPA投与の場合、出生数が少なく、しかも2回位しか妊娠も認められなかった。しかし、生まれた子ラットは非常に健康であり、生後3週目からβ-GPAを投与したラットと比較し、自発的運動パターンや運動能力も有意に異なるという傾向は認められなかった。骨格筋の収縮特性や代謝特性は更に遅筋化が進んでいる傾向が見られたが、β-GPA群の出生児数が少なかっため、まだ、分析数が少なく断定はできない。クレアチン枯渇又は投与ラットでも妊娠・出産が可能であり、しかも(クレアチン枯渇の場合、出生児数は少ないものの)子ラットの健康状態や発育には異常が認められなかった。又、遅筋化もクレアチン枯渇により進行する傾向にあった。遺伝子レベルに変化が起きたか否かは不明であるが、もし変化が起きているならクレアチン含有量が遺伝子に影響すると言えるし、もし起きていないなら、筋の収縮及び代謝特性は遺伝子とは直接関係ないが、エネルギー代謝レベルの程度によって左右されることが示唆されよう。出生児数が少ないため、実験に時間を要したり、母ラットの数を増やす必要があるなどの問題点はあるが、これらの知見は今後の研究に大きな希望と可能性を与えてくれたと信じる。クレアチン又はβ-guanidinopropionic acid(β-GPA)の経口投与により、筋中の高エネルギーリン酸レベルを変えた場合、筋に起こる変化をウィスター系ラットで調べた。速筋である足底筋におるミオシン重鎖及び軽鎖のisoformもβ-GPA投与によりslow typeにシフトした。

この場合、親和性は変わっておらず、最大結合能の上昇は、受容体数の増加によるものであるということも示唆された。クレアチン投与により高エネルギーリン酸レベルを高めた場合は、一般的にβ-GPA投与によって起こる反応と逆の現象が誘発された。長期間にわたる高エネルギーリン酸の低下は、筋におけるアデノシン・3・リン酸(ATP)の産生を刺激するためにミトコンドリア機能が改善されるものと推察される。この場合、ミオシン重鎖及び軽鎖のisoformも遅筋タイプに移行し、筋の収縮速度及び弛緩時間もslow-twitchタイプに変わるという結果も得られた。更には、ATP産生能が改善されておれば、筋における疲労耐性の維持には高エネルギーリン酸レベルを高い水準に保つ必要はないということも示唆された。
超音速噴流における非平衡凝縮の研究

1.凝縮を伴うアルゴンの自由噴流の実験的研究1)凝縮粒子からのレーザー・レーリー散乱を利用し、自由噴流の形状および凝縮の開始面の可視化を行った。この可視化写真の解析から岐点およびノズル形状の、自由噴流構造および凝縮開始面への影響を調べた。凝縮によってマッハディスクは後退し、バレルショックの径も拡がること、また、バレルショックとジェット境界の間に凝縮粒子が多く存在することが判った。2)自由噴流の軸上においてレーザー・レーリー散乱の強さを測定し、凝縮粒子の成長過程を調べた。この方法は次項の数値計算による凝縮粒子の質量比を用いているという点では直接的な方法ではないが、凝縮粒子が数個から数千個まで成長する過程をかなり良い精度で測定することができる。凝縮粒子1個当りの平均原子数は岐点条件によって数百から数千となるが、この値はクラスタービーム中で測定された値とも良く一致している。高い温度・低い圧力の岐点状態に対しては、小さいが多くの凝縮粒子が・低い温度・高い圧力に対しては大きいが少ない凝縮粒子が生じていることが判った。2.非平衡凝縮を伴うアルゴンの自由噴流の数値シミュレーション1)古典凝縮理論を用いた流れ場の数値計算法を確立し、実験で観測した凝縮の開始面を含む自由噴流の構造を良く再現することができた。2)古典凝縮理論における凝縮核の生成を速度論的に取り扱い、凝縮粒子の成長過程を計算した。凝縮粒子の物性値に関しては幾つかの未知量が含まれるが、流れの巨視的な状態量および凝縮粒子の質量比については、これら未知量による影響が殆んどないことが判った。後者のことは、1.の凝縮粒子の大きさの測定を可能にした。これら未知量に対するパラメトリック計算と実験を比較することにより、本計算法を超音速噴流における非平衡凝縮の機構の一層の理解に役立てることができる。
力学刺激特異的バイオマーカーの探索に向けた細胞核変形模倣デバイスの開発

力学的刺激による細胞核の変形は、遺伝子発現挙動に直結し細胞機能・分化を制御する。しかしながら、この細胞核の変形のみに応答するバイオマーカー(遺伝子)は殆ど明らかになっていない。本申請は、申請者らが独自に開発を進めている「大量の細胞核を強固に固定化しつつ定量的な伸展刺激をかけうる細胞核伸展シート」を完成させ、in vitroで力学刺激をうけた細胞核の変形を再現し、特異的バイオマーカー探索の基盤を築く事を目的とする。具体的には、2つの異なるシートの創製と、同シートを利用した細胞外転写反応系の確立を目指す。本デバイスが開発され、将来的にバイオマーカーが同定されれば、治療部位における力学刺激に対する細胞応答の詳細な解析に繋がり、メカノバイオロジーや再生医療等を大きく飛躍させる可能性を持つ。本申請期間には、ナノリン酸カルシウムが結合した高分子膜の合成に成功した。同材料は、光透過性を持ち、かつ繰り返しの伸展刺激を与えてもナノリン酸カルシウムが脱落しないことを、水中、空気中において確認した。また、3種類の手法を用いて間葉系幹細胞から細胞核の抽出を行った。その結果、分子クラウディング法を応用した手法を用いることで、核の凝集を伴わない比較的純度が高い核の抽出に成功した。同手法にて採取した核を上記のナノリン酸カルシウム高分子膜上に播種したところ、核の接着が確認できた。更に、伸展刺激を加えたところ、高分子のひずみに応じて核に伸展刺激を加えられることが明らかとなった。以上の結果より、ナノリン酸カルシウムが結合した高分子膜は、核変形デバイスとして応用できる可能性が示唆された。平成28年度は、一方の細胞核結合シートの作製と細胞核単離を試みた。細胞核結合シートの作製では、伸縮性に優れたポリジメチルシロキサン(PDMS)薄膜を定法で作製し、カルボキシル基を持つポリアクリル酸(PAA)の修飾を行い、Nano-CaPをコーティングした。Nano-CaPの結晶粒子径と凝集具合は、CaPの剥離のし易さや、力学的刺激受容時の粒子間で起こる破壊頻度に直結する。この課題にはナノ粒子コーティング法を応用しシートに固定化した。核の単離の予備的検討では、間葉系幹細胞と、市販の核抽出キットやRosnerらの方法を用いて、複数の方法で細胞核の単離を行った。細胞核結合用シートの作製と、核の単離に関する予備的検討がおおむね順調に行われれたため。平成29年度は、平成28年度の予備的研究の知見をもとに作製したNano-CaP結合PDMSシートの材料評価と、細胞核単離・保存状態の最適条件の探索を進めた。具体的には、材料評価ではX線電子分光分析、フーリエ変換型赤外分光分析、走査型電子顕微鏡観察、エネルギー分散型X線分析器、Nano-CaP剥離試験を持ちいて評価した。その結果、Nano-CaPが剥離されないシートの調製を終えた。更に、核抽出および保存方法では、市販の核抽出キットおよび同方法の改良や、複数の論文の方法を参考にTry and errorを繰り返した。現在、得られた知見を踏まえ、より細胞内に近い核の抽出条件の探索を進めている。細胞核結合用シートの作製はおおむね順調であったが、より細胞内に近い核の単離条件の探索が必要となったため。

具体的には、2つの異なるシートの創製と、同シートを利用した細胞外転写反応系の確立を目指す。本デバイスが開発され、将来的にバイオマーカーが同定されれば、治療部位における力学刺激に対する細胞応答の詳細な解析に繋がり、メカノバイオロジーや再生医療等を大きく飛躍させる可能性を持つ。本申請期間には、ナノリン酸カルシウムが結合した高分子膜の合成に成功した。同材料は、光透過性を持ち、かつ繰り返しの伸展刺激を与えてもナノリン酸カルシウムが脱落しないことを、水中、空気中において確認した。また、3種類の手法を用いて間葉系幹細胞から細胞核の抽出を行った。その結果、分子クラウディング法を応用した手法を用いることで、核の凝集を伴わない比較的純度が高い核の抽出に成功した。同手法にて採取した核を上記のナノリン酸カルシウム高分子膜上に播種したところ、核の接着が確認できた。更に、伸展刺激を加えたところ、高分子のひずみに応じて核に伸展刺激を加えられることが明らかとなった。以上の結果より、ナノリン酸カルシウムが結合した高分子膜は、核変形デバイスとして応用できる可能性が示唆された。研究計画書に則り、細胞核の結合、力学付与を行い、バイオマーカーの探索に移る。研究計画書に則り、より細胞内の核に近い核の抽出条件を探索後、細胞核の結合、力学付与を行い、バイオマーカーの探索に移る。核単離実験で用いる試薬の入手に手間取ったため。より細胞内の細胞核に近い核の抽出がもとめられ、研究計画に遅れがでたため。核単離実験の条件出しを継続し、細胞内に存在する核の状態に近似した核の単離を目指す。