hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
葉緑体の新奇光応答反応-葉緑体DNAの光に依存した動き-

我々は近年,ゼニゴケの葉緑体DNA(cpDNA)が,明所で小さなスペックルを複数形成しながら葉緑体全体に分散し(光分散反応),暗所でスペックルの消失とともに葉緑体中央に集まる(暗凝集反応)現象を発見した.本年度は核様体の光応答反応の仕組みの解明を目的として下記の成果を得た.1.cpDNAの光分散反応の光波長依存性および光強度依存性:光分散反応は青色光(470 nm),緑色光(525 nm),赤色光(660 nm),遠赤色光(735 nm)の全ての波長の光によって誘導された,また,1-100 micromol m-2 s-1の範囲で光の強度を変えたところ,強度に応じて光分散反応は誘導された.以上の結果はcpDNAの光分散反応は光強度に依存することがわかった.2.核様体構成タンパク質の同定:亜硫酸還元酵素MpSiRを同定した.MpSiR-YFPを発現する形質転換ゼニゴケを作製して観察を行ったところ,MpSiR-YFPは明所でスペックルを形成して葉緑体全体に分散し,暗所で葉緑体中央に集まった.またMpSiR-YFPはcpDNAと常に共局在した.以上の結果より,MpSiRはcpDNAとともに核様体を形成していることがわかった.またMpSiR-YFP発現体を作製できたことにより,核様体の生細胞イメージングが可能となった.3.核様体光応答反応の普遍性:種子植物シロイヌナズナ,シダ植物ホウライシダ,藻類シャジクモのcpDNAを観察したところ,ホウライシダでのみゼニゴケと同様の光分散反応と暗凝集反応を確認することができた.ゼニゴケの形質転換体の作製に時間を要したことで,当初予定していた突然変異体スクリーニングを実施することができなかった.ゼニゴケの形質転換体作製は当研究室では初の試みであり,実験系の確立に手間取ってしまった.以上のことより研究はやや遅れていると判断した.主に下記の方法で核様体の光応答反応の仕組みの解明を目指す.1.核様体の生細胞イメージング:MpSiR-YFP発現ゼニゴケを用いて,核様体を生きた細胞で観察し,凝集から分散に至る過程を詳細に追う.また,MppTAC3やMpWHIRLYなどの核様体構成因子候補についても可視化を行う.2.突然変異体ゼニゴケの単離と解析:MpSiR-YFPを核ゲノムにランダムに導入することにより遺伝子破壊を行い,核様体の光応答反応に異常を示す変異体を目指す.また,MpSiRをはじめとする核様体構成因子に標的を絞って遺伝子破壊を行い,核様体の様子を調べる.植物細胞中では,光合成機能を最適化するために葉緑体の配置や光合成反応の調節が行われている.最近我々は,葉緑体DNA(cpDNA)が明暗条件にしたがって分散・凝集することを見いだした.このような現象は未だ報告例がなく,光合成調節機構に関わる新たな光応答反応ではないかと考えている.本研究の目的は,cpDNAの凝集・分散反応の仕組みとその生理学的意義の解明である.平成29年度は,cpDNAの凝集・分散反応の基本的な特徴を明らかにするために,経時変化,可逆性,光波長依存性,光受容体について解析を行った.cpDNAは約2日間の暗処理により葉緑体中央に凝集し,続く1-3時間の白色光照射により速やかに小さなスペックルを形成しつつ葉緑体全体に分散した.凝集・分散反応は明暗サイクルにしたがって繰り返し誘導された.また,分散反応は青色光,緑色光,赤色光のいずれの単色光照射によっても誘導され,光合成阻害剤処理により濃度依存的に阻害された.本研究によりcpDNAの凝集・分散反応の基本的な特徴が明らかになった.cpDNAの分布パターンは葉緑体の発達に伴い変化することが知られているが,今回我々が見出した現象は成熟した葉緑体で見られるものである.分散反応は光照射後数時間以内に起こり,また光合成に依存することから,この反応は植物が光環境変化に対して迅速に光合成系を最適化するための機構と考えている.今後は,cpDNAの葉緑体内分布パターンを詳細に調べるために電子顕微鏡観察を行うとともに,cpDNAの凝集・分散反応の生理学的役割について,特に光合成に関わる遺伝子の転写調節に着目して研究を進めていく予定である.平成29年度の研究計画通り,cpDNAの凝集・分散反応の生理学的特徴を明らかにすることができた.我々は近年,ゼニゴケの葉緑体DNA(cpDNA)が,明所で小さなスペックルを複数形成しながら葉緑体全体に分散し(光分散反応),暗所でスペックルの消失とともに葉緑体中央に集まる(暗凝集反応)現象を発見した.本年度は核様体の光応答反応の仕組みの解明を目的として下記の成果を得た.1.cpDNAの光分散反応の光波長依存性および光強度依存性:光分散反応は青色光(470 nm),緑色光(525 nm),赤色光(660 nm),遠赤色光(735 nm)の全ての波長の光によって誘導された,また,1-100 micromol m-2 s-1の範囲で光の強度を変えたところ,強度に応じて光分散反応は誘導された.以上の結果はcpDNAの光分散反応は光強度に依存することがわかった.

2.核様体構成タンパク質の同定:亜硫酸還元酵素MpSiRを同定した.MpSiR-YFPを発現する形質転換ゼニゴケを作製して観察を行ったところ,MpSiR-YFPは明所でスペックルを形成して葉緑体全体に分散し,暗所で葉緑体中央に集まった.またMpSiR-YFPはcpDNAと常に共局在した.以上の結果より,MpSiRはcpDNAとともに核様体を形成していることがわかった.またMpSiR-YFP発現体を作製できたことにより,核様体の生細胞イメージングが可能となった.3.核様体光応答反応の普遍性:種子植物シロイヌナズナ,シダ植物ホウライシダ,藻類シャジクモのcpDNAを観察したところ,ホウライシダでのみゼニゴケと同様の光分散反応と暗凝集反応を確認することができた.ゼニゴケの形質転換体の作製に時間を要したことで,当初予定していた突然変異体スクリーニングを実施することができなかった.ゼニゴケの形質転換体作製は当研究室では初の試みであり,実験系の確立に手間取ってしまった.以上のことより研究はやや遅れていると判断した.今後も研究計画に沿って研究を推進する.一方で,cpDNAの凝集・分散の定量化方法について,より信頼性の高い方法の開発に着手した.これは当初の計画になかったものであるが,研究のクオリティを高める上で必須であると考えている.現在,バイオインフォマティクスの専門家と共同で定量方法の開発を行い,良好な結果を得つつある.主に下記の方法で核様体の光応答反応の仕組みの解明を目指す.1.核様体の生細胞イメージング:MpSiR-YFP発現ゼニゴケを用いて,核様体を生きた細胞で観察し,凝集から分散に至る過程を詳細に追う.また,MppTAC3やMpWHIRLYなどの核様体構成因子候補についても可視化を行う.2.突然変異体ゼニゴケの単離と解析:MpSiR-YFPを核ゲノムにランダムに導入することにより遺伝子破壊を行い,核様体の光応答反応に異常を示す変異体を目指す.また,MpSiRをはじめとする核様体構成因子に標的を絞って遺伝子破壊を行い,核様体の様子を調べる.当初予定していたより消耗品費の購入が少なく済んだ.また,研究成果をよりクオリティの高い状態で発表するため,平成29年度の学会発表,論文発表は控えた.平成30年度では形質転換体作製,電子顕微鏡観察,共同研究の打合せなどで比較的多くの支出が考えられるため,平成29年度分を充当して対応したい.当初予定していたより物品費の購入が少なく済んだのが主な理由である.2019年度では形質転換体作製,電子顕微鏡観察,共同研究の打合せ,成果発表,機器の購入などでより多くの支出が考えられるため,2018年度分を充当して対応したい.
光誘起キャリアを用いるシリコン上への湿式法マスクレス金属パターニング

金属イオンを含む溶液にp型シリコンを浸漬し、適当な陰分極条件下で光照射することにより照射部位にのみ位置選択的に金属が析出することを確認した。さらに、光走査することにより、フォトリソグラフィーなどの技術を使用せずとも金属パターンをシリコン上に描くことが可能であることを示した。この際、多孔質表面を使うと、励起キャリアの移動が抑えられるために、平滑シリコン表面に比べて解像度が向上した。5μmビーム径のレーザー光を用いて、15μm程度の析出金属のスポット径が得られた。浸漬時に置換めっきが起こると全面に金属析出が起こってしまい、金属パターニングを妨げる。単純塩の酸性溶液を用いる場合、卑金属系では置換めっきが起こらず、パターニングが可能であることを、ニッケル、鉄、および亜鉛の系で確認した。ただし、浴組成によっては、例えば、フッ化アンモニウムを含む塩基性ニッケル塩溶液、置換めっきが起こった。一方、パターニングには適さない貴金属系でも、錯体形成により酸化還元電位を制御することで置換めっきを防ぐことができ、パターニングが可能となることを銅・塩化物系を用いて実証した。置換めっき挙動研究の過程において、シリコンの開路電位の振動現象を発見した。一方、n型シリコンにおいても光アシスト銅パターニングが可能であった。適当な陽分極条件の下でn型シリコン上に光照射を行うことによって多孔質シリコンパターンを形成し、その後、銅置換めっきを行うことにより多孔質部にのみ金属を析出させることで、銅パターンを描くことを実現した。ここでは、シリコン表面と多孔質シリコンの還元能力の違いを利用する。しかし、P型シリコンを用いる場合に比べて制約が多く、置換めっきが可能な貴金属析出に限られ、さらに、適当なフッ酸濃度や光照射条件の選択が必須となる。シリコン表面を陽極酸化によって多孔質化した多孔質シリコンを用いて、各種金属塩溶液中における置換めっき挙動を検討した。単純水溶液においては貴金属のみが析出した。一方、各種非水系溶液中で置換めっきを行うと、錯形成を起こし中間酸化状態イオンが安定化するアセトニトリル系などでは貴金属析出が起こらず、水溶液系と異なる挙動を示すが、その他の溶媒系では水溶液系と同様な挙動を示し、陽極反応として30ppm程度の残留水分の寄与が大きいことが明らかになった。通常、単純金属塩からは置換めっきが進行しない卑金属であるニッケルの析出をフッ化物イオンを含む溶液を用いて検討した。フッ酸酸性溶液中からニッケルは析出せず、一方、フッ化アンモニウム塩基性溶液からは析出がみられた。卑金属系で相手反応であるシリコンの酸化より十分に貴な電位にあっても析出が起こらないのは、金属イオン還元との競合反応として水素イオンの還元があり、後者が支配的となるためであることがわかった。また、金属イオンの錯化により卑金属でも析出が可能となることを示した。浸漬しても置換めっきが起こらない単純ニッケルイオン水溶液中にp型多孔質シリコンを浸漬し、レーザー照射を行っただけではニッケルの析出が観察されなかった、シリコン/溶液界面では価電子帯から電子が伝導帯へ励起されて電子エネルギーは上がるものの、表面に擬フェルミ準位が形成されるために、シリコンの開路電位が光照射下で貴方向にシフトし、金属析出に不利な条件が生まれる。そこで、光照射に加えて適当な電位を引加した結果、照射部位にのみ金属ニッケルが析出した。光照射と電位制御を併用することによって、p型シリコン表面上で位置選択的金属析出が実現し、レジストレス金属パターニングの可能性を示唆するものである。

光ビーム径に比べ、析出金属パターン径が大きいが、どこまで微細化できるかが今後の課題となる。シリコン上への光アシストマスクレス金属パターニングを試みるにあたり、置換めっきの寄与を考慮しなければならない。ニッケルなどの卑金属の場合には問題にならないが、貴金属の場合はシリコン表面上に置換めっきが自発的に進行する。貴金属として銅を取り上げ、光アシストパターニングの可能性を探った。銅の置換めっき挙動を把握するために、シリコン及び多孔質シリコン上への単純硫酸銅酸性溶液からの金属銅析出を検討した。浸漬当初は銅の置換析出が進行するものの、やがて析出が止まり、その後、析出した銅が溶解した。溶存酸素の存在がこの析出、再溶解現象を引き起こすことを明らかにした。また、銅置換めっき時に電位の振動現象が起こることを見いだした。非分極条件下におけるシリコン電極の電位振動現象はこれまでに観察されたことがなく、初めての発見である。さらに、シリコン及び多孔質シリコン上への置換めっきが、過剰の塩化物イオンの存在によって完全に抑えられることを確認した。p型多孔質シリコンを塩酸酸性塩化第二銅溶液中に浸潰し、適当な電位を印加した条件でレーザー照射を行った結果、光照射部にのみ銅金属が析出した。照射スポット径が5μmであったのに対して、析出金属の径は20μmとなった。シリコンを基板に使った場合にはさらに径が広がった。基板を設置したステージを動かすことにより、金属パターンを描くことも可能になった。描画期間中に既析出部における金属成長が見られず、照射部のみにおいて金属析出反応が進むことを確認した。これは精密パターニングの要件を満たすものである。多孔質p型シリコン基板上へのレーザー照射部位で起こる金属析出を、卑金属である鉄や亜鉛系においても確認した。これまでに扱ったニッケルと銅系を加えた4種類の金属系において、各イオン種を含む溶液とシリコン界面における交流インピーダンス測定を行い、界面におけるエネルギー構造を検討した。フラットバンド電位は溶液中のイオン種の違いによって、大きな変化は生じなかった。また、貴金属である銅系の溶液側のフェルミ準位はシリコン表面の価電子帯エネルギー準位に近く位置し、ホール注入による銅イオンの還元が可能であるが、卑金属系では価電子帯との重なりが期待できない界面エネルギー構造をとり、置換めっきが起こらずに光励起下の位置選択的金属析出に有利な状況にあることを確認した。さらに、銅置換めっきの進行に伴う多孔質シリコン層の酸化の進行を検討した。過程初期には表面層から均一に酸化が進行する。さらに浸漬時間が経過すると、酸化可能サイトが不足して置換めっきが止まる。しかし、この場合においても多孔質層は完全に酸化されておらず、酸化がシリコン柱の表面部分に留まることを明らかにした。また、銅置換めっき過程において開路電位が規則的かつ継続的に振動する現象を発見した。n型シリコンにおいても光アシスト銅パターニングの可能'性を検討した。適当な陽分極条件の下でn型シリコン上に光照射を行うことによって多孔質シリコンパターンを形成し、その後、銅置換めっきを行うことにより多孔質部にのみ金属を析出させることで、n型シリコン上に銅パターンを描くことに成功した。加えて、本プロセスの最適化と問題点を明らかにした。
高スピン巨大変形核の素励起モ-ド

今迄に作成した「回転座標系での殻モデルに基づくRPA」数値計算プログラムに改良を加えながら,高スピン巨大変形状態のうえに形成される八重極振動モ-ドの性質を系統的かつ詳細に分析した。これらの分析の結果,今後の実験的研究に役立つと思われる多くの理論的知見を得た。とりわけ注目されるのは,初年度得られた量子数K=0をもつ八重極振動モ-ドにつけ加えて、量子数K=1をもつ八重極振動の存在と、それらの集困性が増大するための物理的条件が理論的に明らかになったことである。1990度は,従来より知られていたGdやDy領域につけ加えて,Hg領域の原子核において多くの超変形回転バンドが実験で発見された。しかも,イラスト状態だけでなく,超変形イラスト状態からの粒子一空孔励起あるいは準粒子励起状態を内部状態とする回転バンドが観測された。私達はこれらの新しい実験デ-タを分析し,Hg領域の超変形回転バンドではGdやDy領域と比較して,対相関(ペアリングによる超伝導性)がはるかに重要な役割を果していること,その結果, K=1型の八重極励起の自由度が解放され,低い振動数の極めて集団性の高い八重極振動モ-ドが形成される可能性が大きいとの結論を得た。このモ-ドが励起した回転バンドに対しては,巨大変形した原子核がバナナ型の振動をしつつ静止座標系に対しては高速回転しているという古典力学的描像が成立する。Hg領域だけでなく,GdーDy領域でも巨大変形での二重閉殻核であるDy152につけ加わる粒子(空孔)数が増大すると対相関が効いてきて類似した現象が期待される。また,oddーA核では準粒子ー振動結合の結果としてコリオリ行列要素のデカップリング因子が大きな影響を受けること,そのために回転スペクトルのパタ-ンが変化する可能性が明らかになりつつある。巨大変形したoddーA核での粒子ー振動結合の微視的モデルによる研究は今後の重要な課題である。A=152のDy原子核を典型例として長軸と短軸の比が2:1の形をした超変形状態の高速回転状態に対して、その内部構造を微視的理論の観点から「回転座標系での殻模型」で基底を作る方法により詳細に分析した。更に、この基底を用いて乱雑位相近似(RPA)による大規模数値計算を行うための数値計算プログラムを作成した。このプログラムにより、巨大変形状態の上に形成されるλ=0,1,2,3の多重極巨大共鳴励起状態に対する応答関数・強度関数を計算することが可能になった。アイソスカラ-型、アイソベクトル型の巨大共鳴はもとより、イラスト領域に現れる低振動数の多重極振動励起モ-ドの性質を理論的に予言することもこの計算プログラムを利用することによって可能となった。今年度、既に初歩的な数値計算を実行した。その結果、超変形回転バンドは空間反転対称性を破る八重極変形の方向にソフトであり、低振動数で集団性が異常に強い新しい型の八重極振動モ-ドが存在する可能性が示唆された。その新しい振動モ-ドの励起エネルギ-は超変形イラスト状態から測って約2MeVの領域になると予想される。この励起エネルギ-は巨大変形(超変形)状態と通常変形状態の間のポテンシャル障壁の高さより低い。したがって、この振動状態から超変形イラスト状態への遷移に伴うガンマ線を離散スペクトルとして実験的に観測できる可能性がある。

理論的な分析の結果、このガンマ線は電気双極成分によるものと考えられ、現有のガンマ線測定器システムではその強度が弱いため測定困難であるが、23年後にアメリカ及びヨ-ロッパで実現する次世代のガンマ線多重測定器システムによって充分測定可能であるとの予想に至った。次年度にかけて、この点を更に詳細に定量的に検討する予定である。昨年度作成した「回転座標系での殻モデルに基づくRPA」数値計算プログラムに改良を加えながら,高スピン巨大変形状態のうえに形成される八重極振動モ-ドの性質を系統的かつ詳細に分析した。これらの分析の結果,今後の実験的研究に役立つと思われる多くの理論的知見を得た。とりわけ注目されるのは,昨年度得られた量子数K=0をもつ八重極振動モ-ドにつけ加えて,量子数K=1をもつ八重極振動の存在と,それらの集団性が増大するための物理的条件が理論的に明らかになったことである。本年度は,從来より知られていたGdやDy領域につけ加えて,Hg領域の原子核において多くの超変形回転バンドが実験で発見された。しかも,イラスト状態だけでなく,超変形イラスト状態からの粒子ー空孔励起あるいは準粒子励起状態を内部状態とする回転バンドが観測された。私達はこれらの新しい実験デ-タを分析し,Hg領域の超変形回転バンドではGdやDy領域と比較して,対相関(ペアリングによる超伝導性)がはるかに重要な役割を果していること,その結果,K=1型の八重極励起の自由度が解放され,低い振動数の極めて集団性の高い八重極振動モ-ドが形成される可能性が大きいとの結論を得た。このモ-ドが励起した回転バンドに対しては,巨大変形した原子核がバナナ型の振動をしつつ静止座標系に対しては高速回転しているという古典力学的描像が成立する。Hg領域だけでなく,GdーDy領域でも巨大変形での二重閉殻核であるDy152につけ加わる粒子(空孔)数が増大すると対相関が効いてきて類似した現象が期待される。また,oddーA核では準粒子ー振動結合の結果としてコリオリ行列要素のデカップリング因子が大きな影響を受けること,そのために回転スペクトルのパタ-ンが変化する可能性が明らかになりつつある。巨大変形したoddーA核での粒子ー振動結合の微視的モデルによる研究は今後の重要な課題である。
フラーレン誘導体を用いた光電流制御についての研究

フラーレンはその巨大な共役ネットワークに由来する特異な光電気化学特性を有し,分子デバイスの核となる分子として注目を集めている.本研究において著者らは,フラーレンに適切な化学修飾を施すことによって,光を電流へと変換する,いわゆる光電変換素子への応用することを試みた.フラーレンは高い電子受容能を持ち,電子ドナー分子を結合させることで,光励起による分子内電荷分離状態を生成することが容易であると考えられる.著者らは,優秀な電子ドナー分子である種々の金属ポルフィリンと,ラーレンを連結させた新規化合物を合成した.光励起後の金属ポルフィリンからの発光は劇的に減少し,このことは光励起されたポルフィリンの電子が,フラーレンへと電子移動していることを示唆している.続いて著者らは,イミダゾールによって予め修飾されたインジウムスズ酸化物(ITO)を,上述した連結分子の溶液中に浸漬させた.結果,ITO表面に,連結分子の単層分子膜が形成されていることがわかった.イミダゾールの窒素部位が金属ポルフィリンの中心金属に配位したものと考えられる.得られた分子膜に,光を照射したところ,光電流の発生を確認することが出来た.興味深いことに,用いた金属ポルフィリンの中で,マグネシウムを中心金属とする金属ポルフィリンが,最も高い量子収率を示した,通常,金属ポルフィリンを用いた光電流の研究領域では,酸素に対する不安定性から,マグネシウムポルフィリンは用いられない.しかし本研究で得られたフラーレンとの連結分子は,酸素に対して高い安定性を有しており,光電変換素子へと応用することが可能であった.これは,マグネシウムポルフィリンを光電変換素子として用いた最初の例であり,天然光合成のミミックとして,有益な知見を与えるものである.フラーレンはその巨大な共役ネットワークに由来する特異な光電気化学特性を有し,分子デバイスの核となる分子として注目を集めている.本研究において著者らは,フラーレンに適切な化学修飾を施すことによって,光を電流へと変換する,いわゆる光電変換素子への応用することを試みた.フラーレンは高い電子受容能を持ち,電子ドナー分子を結合させることで,光励起による分子内電荷分離状態を生成することが容易であると考えられる.著者らは,優秀な電子ドナー分子である種々の金属ポルフィリンと,ラーレンを連結させた新規化合物を合成した.光励起後の金属ポルフィリンからの発光は劇的に減少し,このことは光励起されたポルフィリンの電子が,フラーレンへと電子移動していることを示唆している.続いて著者らは,イミダゾールによって予め修飾されたインジウムスズ酸化物(ITO)を,上述した連結分子の溶液中に浸漬させた.結果,ITO表面に,連結分子の単層分子膜が形成されていることがわかった.イミダゾールの窒素部位が金属ポルフィリンの中心金属に配位したものと考えられる.得られた分子膜に,光を照射したところ,光電流の発生を確認することが出来た.興味深いことに,用いた金属ポルフィリンの中で,マグネシウムを中心金属とする金属ポルフィリンが,最も高い量子収率を示した,通常,金属ポルフィリンを用いた光電流の研究領域では,酸素に対する不安定性から,マグネシウムポルフィリンは用いられない.しかし本研究で得られたフラーレンとの連結分子は,酸素に対して高い安定性を有しており,光電変換素子へと応用することが可能であった.これは,マグネシウムポルフィリンを光電変換素子として用いた最初の例であり,天然光合成のミミックとして,有益な知見を与えるものである.
クロロフィル蛍光動画像計測法による農作物の生育異状の診断に関する研究

農作物の生育異状の早期発見のためには、形態的な生異変状だけでなく、光合成のような生理機能の異状の画像診断法の開発が望まれる。クロロファルの蛍光誘導期現象は、光化学系IIの電子受容体Q_Aの酸化還元状態を反映し、初期光化学反応、電子伝達反応、炭酸固定反応などの光合成の各々の反応過程の状態に影響されることが知られている。本研究では、このクロロフィル蛍光誘導期現象を画像計測し、農作物の生育異状を診断する手法について検討した。このため、まず、葉の生長に伴う光合成器官の発達を蛍光の画像計測と二酸化炭素の吸収を測定することにより調べた。その結果、蛍光誘導期現像IDPSMTのパターンはその組織の発達段階により特徴が変化し、また、光合成機能の発達と深い関係をもつことが明かになった。具体的には、先端の葉では、光合成機能が未発達のためにピークPが小さく、I、S、Mといった誘導期現像の典型的な肩が認められなかった。また、老化葉では、Pの低下に加えて、SMTの変化が大きくなった。次に、種々の環境ストレス(夜温変化や紫外線、汚染ガスなど)による光合成機能への影響について検討し、蛍光誘導期現像の最も蛍光強度が大きくなるPのレベルでの画像を解析することにより、環境ストレスの早期診断が可能であることがわかった。さらに、蛍光誘導期現像を画像解析することにより、葉の局所部位における光合成反応への影響の違いを明かにすることができた。今年度は、これらの研究成果をとりまとめ、報告書の作成を行った。農作物の生育異常の早期発見のためには、形態的な生育異常だけでなく、光合成のような生理機能の異常診断が必要である。このためには、前段階として、葉の各生育段階における光合成機能の発達を調べる必要がある。そこで、光合成の各反応過程の状態を反映するクロロフィル蛍光誘導期現象を解析できる画像計測システムを用いて、キュウリ葉の各生育段階における蛍光誘導期現象の違いについて検討した。その結果、葉の成長に伴って蛍光誘導期現象に変化が認められた。具体的には、先端の葉では、光合成機能が未発達のためにピ-クPが小さく、I、S、Mといった誘導期現象の典型的な肩が認められなかった。各葉位において、葉の部位における誘導期現象の変化を調べたところ、葉の先端部の方が基部に比べて変化の進行が早かった。このことは、先端部の方が早く成熟し、老化も早いことを示している。一般に、キュウリのような双子葉植物は、一枚の葉で複数の分裂組織をもつ。半葉で、誘導期現象が同じパタ-ンをもつ領域を調べたところ、葉縁の部分が各々特異的な器官の発達を示し、蛍光誘導期現象のパタ-ンも異なっていた。葉肉部は、二つの異なったパタ-ンに分類された。蛍光誘導期現象のパタ-ンはその組織の発達段階や環境履歴に影響を受ける。このため、隣接する組織でもクロ-ンが異なると異なったパタ-ンを示したと考えられる。以上のことから、クロロフィル蛍光動画像計測システムにより、葉の光合成機能の発達段階を診断できることがわかった。先年度の研究で、農作物の生育異常の早期診断のために、光合成反応に関係するクロロフィル蛍光誘導期現象の画像計測法について検討した。今年度は、酸素発生系の働きと関連している蛍光誘導期現象のPのレベル(正確にはDPの傾き)の変化を光合成機能の指標として用い、種々の環境ストレスの影響診断を行った。具体的には、まず、夜間の低温が翌日の光合成に与える影響を調べた。夜温が2°C、10°C、20°Cの状態で、10時間置いた後、翌日20°Cで測定したところ、2°Cの場合において蛍光強度の低下が著しかった。

次に、中心波長が、300nmで、半値幅10nmの干渉フィルタを通して照射した紫外線(強度=0.07mWcm-2)による影響を調べたところ、3時間程度の照射で蛍光強度の低下が認められた。しかし、照射終了後6時間経過した時点では、蛍光強度は回復し、軽度の紫外線による光合成阻害は、可逆的な障害であることがわかった。また、大気汚染ガスの主要な成分であるPAN(Peroxyacety nitrate)の影響について、同化箱によって測定される蒸散速度やCO2吸収速度の低下と蛍光画像計測により測定される蛍光強度の低下との関係を調べたところ、同化箱法では葉の平均的な蒸散速度やCO2吸収速度が検出されるのに対し、画像計測による蛍光計測では局所的な変化も検出できるので、蛍光画像計測の方が異常を早期に検出できた。このことは、蛍光計測により、環境ストレスによる光合成への影響の早期診断が可能であることを意味している。先年度に引き続き、農作物の生育異状の早期診断のために、光合成反応に関係するクロロフィル蛍光誘導期現象の画像計測法について検討した。今年度は、先年度までの夜温や紫外線、汚染ガスなどの影響に加えて水ストレスに対する影響を調べた。水ストレスは、葉脈を切断することより行ったが、その際、水ポテンシャルが約20分間程0.4MPa低下した。蛍光誘導期過程IDPSMTは、葉脈の切断直後IDの肩が小さくなり、DPが早く立ち上がる現象を示した。また、僅かではあるがPの低下が観測されたが、SMTには、顕著な影響は認められなかった。一方、切断から3時間程度経過した部位では、顕著なDPの低下とそれに伴うPSMTの肩の消失が認められた。蛍光解析の知見から、クロロフィルの蛍光誘導期現象は、光化学系IIの電子受容体QAの酸化還元状態を反映し、初期光化学反応、電子伝達反応、炭酸固定反応などの光合成の各々の反応過程の状態に影響されることから、水ストレスによりこれらの反応過程に何らかの影響を受けたことを示している。一方、葉脈の切断による水ストレスの影響は、切断した箇所よりも先端部に主に現れ、切断直後は切断した箇所の近傍に、その後は班点状に徐々に広がった。しかし、切断後約5時間経過した時点では、正常な状態に回復した。以上のことから、植物葉では一部の葉脈が切断されても他の葉脈からの水の供給により水ストレスとしては一過性で軽度のものであり、また、一時的に光合成機能への影響は受けるが回復できる程度のもであることがわかった。今年度は最終年度ということもあり、報告書の作成を行った。
新型非線形離散時間モデルを用いた小型浮揚ロボットの姿勢制御

1.定係数非線形スカラ系のダイナミクスを表現するロジスティック、ベルヌーイ、リカッチ微分方程式に対して、各種の非線形変数変換による厳密線形化手法とそれらに基づく厳密離散時間化手法を開発した。既存の方法では線形化されたシステムは一般に不安定であるた、提案した方法では必ず安定にできるなど、制御系設計に有効である。またこれらの知見を適用して、行列の定係数リカッチ型微分方程式の厳密線形化と厳密離散時間化にも成功した。2.厳密離散時聞化に未だ成功していない非線形システムに対して、デルタ形式で現れる離散時間積分ゲインという概念を導入し、新しいパラメータ同定法を提案した。このゲインは線形システムでは定数であるが、非線形システムの場合には状態変数や入力に依存する。いくつかの1次系とファンデルポール型の2次系については、ノイズのない理想的な場合、ゲインの形をうまく選定することにより、従来の方法よりも精度が高い結果が得られることをシミュレーションにより確認した。3.圧縮空気の噴出による2次元および3次元小型浮揚機を設計・試作した。ノズルから噴出する空気はサーボバルブでその流量を調節し、それにより高度、ロール、ピッチ姿勢の制御を行った。実験によりプラントのモデルを求め、制御系を部分モデルマッチング法により設計した。このコントローラの実行はディジタル制御によったが、一般に用いられているタスチン法ではサンプル周波数が1kHz必要であるのに対して、本研究で提案した方法では50Hzでも十分良い結果を得ることができた。圧縮空気の噴出による3次元小型浮揚ロボット(UAV)を設計・試作した。3つのノズルへの空気流量を適切に調節することによる高度、ロール、ピッチ姿勢の制御系を設計し、シミュレーションや実験により基本的動作を確認した。UAVを安定化しつつモデルのパラメータ同定を行うために、姿勢制御系を部分モデルマッチング法によるI-PD制御として設計した。これをDSPにより実行するために、一般的に用いられているタスティン法により1kHzのサンプル周期でディジタル制御系に変換し、ロールとピッチの同時制御により比較的良好な姿勢制御の実験結果を得た。なお、2次元飛行の場合には当研究室が開発したPIMディジタル再設計法によりサンプル周期を10Hzまで落として実験したが、50Hzでも十分よい結果を収めることを確認した。上の実験と平行して、新しい非線形離散時間モデル化についての理論的研究も行った。特に、我々が提唱するスカラーリカッチ微分方程式を厳密に離散時間化する方法の拡張を幾つか行った。ひとつはオブザーバ設計への応用、もう一つは特殊ではあるが連立2次のリカッチ微分方程式で表されるシステムの場合である。更に、この離散時間化法と埋め込みの操作を併せることで、更に厳密離散時間化可能なシステムを拡張できることが分かった。可積分でないシステムなど、現在のところ厳密離散時間化の方法が知られていないあるいは原理的に不可能と思われる場合への対策として、デルタ形式の離散時間積分ゲインに注目した新しい非線形離散時間モデリングの方法を開発し、シミュレーションによりその有効性を確認した。前年度に成功した圧縮空気の噴出による2次元小型浮揚ロボット(UAV)のロール姿勢の制御系は、部分モデルマッチング法によるI-PD制御をPIMディジタル再設計法によりサンプル周波数50Hzにおいて十分な性能を発揮できたが、今年度は安定性を確保しながら積分動作を導入するIA-PIM方法を新たに開発し、昨年度と同等以上の性能を10Hzで実現することに成功した。理論的にはいかなるサンプル周期に対しても安定性を確保するが、実験では少なくとも周波数0.3Hzでも安定化でき、これはナイキスト周波数(1.4Hz)の5分の1程度である。昨年度はスカラーリカッチ微分方程式の厳密離散時間化については、そのパラメータの3分類のうちの一つの場合を解決したが、今年度は他の2分類についても成功した。また、2次の非線形微分方程式のあるクラスの厳密線形対角化条件について調べ、この変数変換を利用することで厳密離散時間化に成功した。可積分でないシステムなど、現在のところ厳密離散時間化の方法が知られていないあるいは原理的に不可能と思われる場合への対策として、デルタ形式の離散時間積分ゲインに注目した新しい非線形離散

時間モデリングの方法を開発し、ベルヌーイ系や2次の非線形系に対して有効であることをシミュレーションにより確認した。この方法はまた、連続時間と離散時間両方のシステムパラーメータを決定するハイブリッドモデリング方法としても利用できることを示した。1.前年度に開発したスカラ系の場合に続いて行列リカッチ型微分方程式の厳密離散時間化に成功した。いかに大きな離散時間間隔を用いても、誤差のない解を得ることができるようになった。この結果は雑誌論文に投稿中である。2.前年度行った1次の非線形微分方程式の線形化条件を拡張し、さらに一般的な非線形微分方程式に対して線形化が可能であるための十分条件を導出した。ラグランジ型偏微分方程式として与えられるこの条件を1次と2次の場合について特に詳しく検討した。また線形化された方程式を離散時間し、厳密離散時間化を行い、シミュレーションによりその有効性を示した。3.可積分でない非線形系の精密離散時間化手法としてデルタ型離散時間モデリング手法を1次系に対して昨年度研究したが、今年度はこれを2次系に拡張した。特に、ファンデルポール型の2次非線形系を離散データからパラメータ同定する手法では、従来の形式を利用した場合よりも精度の高い結果を得た。4.昨年度に実施した空気ジェットを用いた浮揚体および回転体の姿勢制御実験結果は2編の論文として2008年5月に国際学会で発表することになっている。
パースのプラグマティズムに基づく「心の哲学」再構築

2018年度の研究実績は次の通りである。4月に、応用哲学会にて「プラグマティズムと実在:パースの実在論と実践的実在論をめぐって」という題の口頭発表を行なった。この発表では、態度の実在性をめぐる現代の議論に注目することで、パースのプラグマティシズムの現代的意義を展望した。その後、この発表に基づく論文を執筆しており、現在、応用哲学会の機関誌に投稿中である。本稿は採択が決まっており、2019年度前半に公刊予定。6月には、アメリカ哲学フォーラムの企画パネルにて、「知覚、推論、イコン」という題の口頭発表を行なった。この発表は、パースの「存在グラフ」においてイコン性なるものがどういった意義を持つのかを明らかにする共同研究の一環である。発表内では、知覚判断が下される過程には二つの段階においてアブダクションという推論過程の要素が認められるということを主張するパース研究者の論説を検討し、それを踏まえて、イコンとアブダクションの関連を明らかにした。10月には、美学会全国大会にて、「分析プラグマティズム美学事始め:まずは「経験」から」という題の口頭発表を行なった。この発表では、現代のネオ・プラグマティズムの泰斗ロバート・ブランダムが提唱する「分析プラグマティズム」の考え方を美学に応用することを試みた。その後、この発表に基づく論文を執筆し、『美学』に投稿中である。次号『美学』(2019年6月発行)に掲載されることが決定している。さらに3月に、〈科研費助成事業「新学術領域研究」トランスカルチャー状況下における顔身体学の構築(顔・身体学)顔と身体表現の比較現象学〉の一環で開催された『インゴルドと「あいだ」のシンポジウム』にて、「芸術とともにある人類学とエージェンシー論の再考」という題の口頭発表を行なった。本研究では、心をめぐるC・S・パースの思想を現代の心の哲学の文脈の中で語り直す研究、いわばパースの「心の哲学」を再構築する研究を進めている。そのために本年度は特に、L・R・ベイカーの提案する実践的実在論を活用し、パースのプラグマティズムに基づく命題的態度の理論が現代の自然主義をめぐる議論状況にどういった貢献を果たすのかを明らかにした。この成果は、年度序盤に応用哲学会にて口頭発表を行い、さらにその内容に基づく論文を応用哲学会機関誌に投稿した。本稿は採択され、2019年度前半に公刊予定である。投稿プロセスにおいて非常に有意義な意見を得ることができ、本研究に役立つ新しい観点を見つけ出すことができた。たとえば、現代の自然主義をめぐるプラグマティストの議論状況に対してパースのスコラ的実在論が示しうる特色を明確化する研究のきっかけが、本稿執筆作業を通して得られた。この観点は、2019年度に継続するプラグマティズムの翻訳プロジェクトにおいても重要な意義を持つ。前年度から続けているプラグマティズム関連書籍の翻訳も順調に進んだ。まず、かねてより共訳にて進めていた、クリストファー・フックウェイのパース研究書の邦訳出版が実現した。『プラグマティズムの格率』という書名で春秋社より、2018年11月に刊行された。また、気鋭のプラグマティズム研究者シェリル・ミサックの手によるプラグマティズム史の概説書The American Pragmatists (2013)の翻訳を、単訳にて進めている。こちらは目下、初校ゲラの校正まで作業が進んでおり、勁草書房より2019年8月刊行予定である。さらに、ネオ・プラグマティズムの泰斗ロバート・ブランダムのプラグマティズム論を集めたPerspectives on Pragmatism (2011)の翻訳を共訳にて進めており、2019年秋頃に刊行予定である。本研究では、命題的態度をめぐるパース独自の実在論を現代にどのように受肉させられるかという問題を検討してきた。パースは「スコラ的実在論」という説を主張し、自然界で実際に作用している種々の一般法則は実在のものと見なしている。この考えは現代の標準的な実在論ないし自然主義とは隔たりがある。しかしこの主張は規範学というパース思想独自の考えと密接な関連があり、これを踏まえれば、パースのプラグマティズム思想は現代の心の哲学に対しても、さらには現代のプラグマティズム研究に対しても、独自の貢献を果たせると本研究では明らかにした。こうした研究の過程で、ヒュー・プライスやマイケル・ウィリアムズ、ロバート・ブランダムなどの現代のプラグマティストたちが熱心に議論を交わしている主体自然主義(subject naturalism)とパースのスコラ的実在論の関係についてさらなる探究を深める必要を認識した。2019年度は、こうした観点から、ネオ・プラグマティズムとパースのプラグマティズムとを交差させる研究を進めてゆく。共訳で進めているブランダムの邦訳書の刊行などが、具体的な研究成果として期待される。また、本研究独自の貢献として、パース記号論において最も解明の進んでいない、「存在グラフ」を用いた論理学体系においてアブダクションの働きを解明する研究も進めてきた。これに関しては、アメリカ哲学フォーラムでの企画パネルでの発表を通して一定の成果を示すことができたと考える。本研究で進行中のプラグマティズム関連の翻訳プロジェクトで取り上げる各種文献でも、「存在グラフ」を用いた推論は現代において再評価されるべき着想を含むものとして注目されている。今年度はこの翻訳プロジェクトを具体化してゆくことにより、「存在グラフ」の本邦への紹介を促進する。

4月に、応用哲学会にて「プラグマティズムと実在:パースの実在論と実践的実在論をめぐって」という題の口頭発表を行なった。この発表では、態度の実在性をめぐる現代の議論に注目することで、パースのプラグマティシズムの現代的意義を展望した。その後、この発表に基づく論文を執筆しており、現在、応用哲学会の機関誌に投稿中である。本稿は採択が決まっており、2019年度前半に公刊予定。6月には、アメリカ哲学フォーラムの企画パネルにて、「知覚、推論、イコン」という題の口頭発表を行なった。この発表は、パースの「存在グラフ」においてイコン性なるものがどういった意義を持つのかを明らかにする共同研究の一環である。発表内では、知覚判断が下される過程には二つの段階においてアブダクションという推論過程の要素が認められるということを主張するパース研究者の論説を検討し、それを踏まえて、イコンとアブダクションの関連を明らかにした。10月には、美学会全国大会にて、「分析プラグマティズム美学事始め:まずは「経験」から」という題の口頭発表を行なった。この発表では、現代のネオ・プラグマティズムの泰斗ロバート・ブランダムが提唱する「分析プラグマティズム」の考え方を美学に応用することを試みた。その後、この発表に基づく論文を執筆し、『美学』に投稿中である。次号『美学』(2019年6月発行)に掲載されることが決定している。さらに3月に、〈科研費助成事業「新学術領域研究」トランスカルチャー状況下における顔身体学の構築(顔・身体学)顔と身体表現の比較現象学〉の一環で開催された『インゴルドと「あいだ」のシンポジウム』にて、「芸術とともにある人類学とエージェンシー論の再考」という題の口頭発表を行なった。本研究では、心をめぐるC・S・パースの思想を現代の心の哲学の文脈の中で語り直す研究、いわばパースの「心の哲学」を再構築する研究を進めている。そのために本年度は特に、L・R・ベイカーの提案する実践的実在論を活用し、パースのプラグマティズムに基づく命題的態度の理論が現代の自然主義をめぐる議論状況にどういった貢献を果たすのかを明らかにした。この成果は、年度序盤に応用哲学会にて口頭発表を行い、さらにその内容に基づく論文を応用哲学会機関誌に投稿した。本稿は採択され、2019年度前半に公刊予定である。投稿プロセスにおいて非常に有意義な意見を得ることができ、本研究に役立つ新しい観点を見つけ出すことができた。たとえば、現代の自然主義をめぐるプラグマティストの議論状況に対してパースのスコラ的実在論が示しうる特色を明確化する研究のきっかけが、本稿執筆作業を通して得られた。この観点は、2019年度に継続するプラグマティズムの翻訳プロジェクトにおいても重要な意義を持つ。前年度から続けているプラグマティズム関連書籍の翻訳も順調に進んだ。まず、かねてより共訳にて進めていた、クリストファー・フックウェイのパース研究書の邦訳出版が実現した。『プラグマティズムの格率』という書名で春秋社より、2018年11月に刊行された。また、気鋭のプラグマティズム研究者シェリル・ミサックの手によるプラグマティズム史の概説
磁束オブザーバに基づく誘導電動機のすべり周波数制御形ベクトル制御の研究

本研究は,申請者らが考案している磁束オブザーバに基づく誘導電動機のすべり周波数制御形ベクトル制御の実験装置を製作し,理論の検証を行って,従来の方式に比べパラメータ変動に対するロバスト性に優れた定常及び過渡特性を有するシステムを実現することを目的としている。これまでの成果をまとめると以下の様になる。1.システムの解析:誘動機のd-qモデルを用いて,系の定常解析を行った。また,線形モデルを導出してトルク伝達関数の極と零点の軌跡より系の安定性を明らかにした。更に,実際のディジタル制御系として解析するためシミュレーションプログラムを開発した。3.理論と実験の比較:考案した磁束オブザーバによる誘導電動機ベクトル制御の特性試験を行った。この結果,提案方式は,従来のすべり周波数制御形ベクトル制御に比べ二次抵抗変化に対するロバスト性が大きく改善されることが検証できた。また,これらの結果は理論解析の結果とも良く一致しており,提案した解析モデルによるシステム設計が可能であることを立証できた。4.制御電圧源による新方式の考案:新たに同一次元の磁束オブザーバを用いたベクトル制御系を考案した。これにより,パラメータ変動にロバストなシステムが構築できるばかりか速度,一次抵抗及び二次抵抗をオンラインで同定することが可能となった。2.実験装置の製作:DSP(TMS320C30)を用いたPWMインバータ制御の実験システムを試作し,ハードウェアの製作とC言語による通信プログラム及びアセンブリ言語による制御プログラムを開発した。本研究は、申請者らが考案している磁束オブザーバに基づく誘導電動機のすべり周波数制御形ベクトル制御の実験装置を製作し、理論の検証を行って、従来の方式に比べ、特にパラメータ変動に対しロバスト性に優れた定常及び過渡特性を有するシステムを実現することを目的としている。本年度の成果をまとめると以下の様になる。1.オブザーバゲインの決定:系の定常及び安定解析を行い、電動機パラメータの変動に対してロバストなオブザーバゲインを決定した。2.ハードウェアの製作:回転数検出回路、端子電圧検出回路、電流検出回路、ディジタルシグナルプロセッサ(DSP)とのインターフェイス回路、主回路等を設計・製作し、調整した。3.シミュレーション解析:実際の制御がDSPによるディジタル制御として実現されることから、離散形の制御アルゴリズムを考慮した解析を行った。4.ソフトウェアの開発:C言語による通信プログラムやDSPのアセンブリ言語を用いたベクトル制御プログラムを開発した。以上の成果を基に、過渡特性の試験を行い、パラメータ変動に対し、本方式が有効であることが実証できた。今後は特に、低速運転時の特性改善を行う。本研究は,申請者らが考案している磁束オブザーバに基づく誘導電動機のすべり周波数制御形ベクトル制御の実験装置を製作し,理論の検証を行って,従来の方式に比べ,特にパラメータ変動に対しロバスト性に優れた定常及び過渡特性を有するシステムを実現することを目的としている。1.理論と実験の比較:DSP(TMS320C30)を用いたPWMインバータ制御の実験システムを試作し,考案した磁束オブザーバによる誘導電動機ベクトル制御の特性試験を行った。また、これらの結果は理論解析の結果とも良く一致しており,提案した解析モデルによるシステム設計が可能であることを立証できた。2.電圧センサレス制御:新たに電動機の電圧センサを省いた同一次元の磁束オブザーバによるベクトル制御系を考案し,理論解析を行った。この結果,オブザーバゲインを適切に選定することで,パラメータ変動にロバストなシステムが構築できることが判明した。3.適応磁束オブザーバの提案:一次抵抗と二次抵抗をオンラインで同定する適応磁束オブザーバを考案した。解析の結果,本方式では,抵抗変化があっても自動的にその値を同定し,抵抗変化の影響を全く受けないベクトル制御系が得られることが明らかとなった。
無架橋線状ポリマー電気泳動法の開発

キャピラリー電気泳動においては内径が50100μmの細管の内部を分離の場として活用する。そこでは、地球上で液体について精密測定を行う場合に何時も支障となる対流が発生しにくい。このために、蛋白質や核酸といった生体高分子を分子のサイズにしたがって、ふるい分けるために用いられてきたゲルの代わりに無架橋線状ポリマー溶液を活用できるようになった。この種の溶液が“ふるい"として働くことは既に知られていたが、本研究は、それをキャピラリー電気泳動へ導入することを提唱する段階から始められた。しかし、新手法である“無架橋ポリマーキャピラリー電気泳動"を分析手法として確立するためには、実験と理論の両面において基礎的な研究が必要である。同法に関わっている研究者達は、すべて単なる分析手法としての同法の応用を追求している。本研究においては、同法の基盤をなしている分子ふるい機構の原理を明らかにすることを通じて、より高度の応用面を開拓することに重点を置くことにより、独自性を打ち出すことにした。これまでに、研究した事項は以下の通りである:1)無架橋線状ポリマー電気泳動の実施に当たっての全ての技術的な問題点を検討し、日常的に実施できる方式を確立した;2)分子量分布が非常に狭くなるように高度に分画された多糖、プルラン、を媒体として用いることによって、線状高分子のサイズとDNAフラグメントに対する分離能との関連を明らかにした;3)同様な性格の多糖、デキストラン、を媒体としてSDS存在下での蛋白質についても同様な検討を加えた。得られた結果は、無架橋線状高分子キャピラリー電気泳動においては、高分子のサイズと濃度の選択により分離能を様々に制御できることが明らかになった。本研究は電気泳動の媒体として長期にわたって使用されてきた架橋ポリマ-ゲルを無架橋線状ポリマ-でもって代替することによって、電気泳動に新たな局面を開こうとするものである。泳動の場としては、第一は在来のガラス管あるいはガラス板間のスラブ状空間内、第二はキャピラリ-内を予定した。前者に関しては線状ポリマ-の存在による高粘度にも関わらず、ポリマ-濃度が10%を越える場合を除けば、対流の発生を避けることに現在のところ成功していない。他方、後者に関しては幸いに以下のように成果が着々と挙がりつつある。ポリアクリルアミドを0.21.0%含有する緩衝液を媒体とするキャピラリ-電気泳動により、λファ-ジDNAを制限酵素HindIIIで切断して得られた7種の主要断片の分離を試み0.3%付近において全てを分離することに成功した。現在用いている条件下においては、DNA断片は電場により配向した状態で泳動していけるものと推定される。今後はさらにポリアクリルアミドも分子量あるいは電位勾配の影響などを明確にするとともに、より分離に適したポリマ-を探索する予定である。蛋白質を対象とする場合には、キャピラリ-を用いても数%以上のポリアクリルアミド濃度を必要とする。このような極めて高粘度の媒体をキャピラリ-内に導入する手法を模索し、有効な方式を確立することが出来た。当面は、在来のSDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動を、この種の媒体中で行うキャピラリ-電気泳動を新規な電気泳動法として確立する。過去20年間、電気泳動はゲルブロックを場とした方式を主流として発展してきた。それはキャピラリー電気泳動の出現によって大きな転機を迎えている。後者においてもゲルを媒体として用いることができるが、同一キャピラリーの再使用不可およびゲル形成の低再現性はキャピラリー電気泳動電気泳動の特性である定量性を大きく減殺するものである。

本研究は媒体として高分子溶液を用いることによって、媒体の特性の制御を容易かつ精密化することによって、キャピラリー電気泳動の活用に新規な局面を切り開こうとして企画された。その後、このアプローチは世界的に注目されるところとなり激しい研究開発競争が展開されてきている。我々は、この種の方式の原理に切り込んだ研究を通じて、独自性ある研究開発を目指している。今年度においては、キャピラリー電気泳動において、λ-ファージーのDNAの制限酵素(Hind III)断片が線状多糖類、プルラン、の溶液によってふるい分けられる状況を、プルランの濃度と重合度を変えて詳細に検討した。その結果、現在の通念である高分子鎖の絡み合いによって形成された網目によってDNA断片がふるい分けられているとする解釈が誤っていることが明らかになった。断片と高分子鎖がキャピラリー内空間での独立物体として相互作用することによって、充分にふるい分けられるのである。現在、この状況をさらに光散乱測定などによって確認し、理論構築を行い、さらに実用性のある方式を生み出すべく努力をしている。本研究の成果は、昨年秋に開催された日本生化学会年会およびキャピラリー電気泳動シンポジュウムにおいて報告した。頭書の課題で申請した時点においては、関連した研究は全く公表されていなかった。しかし、この課題は同時点で多くの研究者に関心が持たれていたようであり、その後において多くの報文が現れ始めた。そこで、我々はキャピラリー電気泳動において分子ふるい媒体として用いる線状高分子を、その特性が高度に明かなものに限定することによって、独自性を発揮するよう努めることにした。研究代表者である高木は10年余り以前に、バクテリアが産生した多糖の一種であるプルランの一群の標品の分子量分布の評価を行うグループ研究に参画する機会を得ていた。同標品群は(株)林原生化学研究所が製造し、高性能ゲルクロマトグラフィーにおける分子量標準物質として用いるべく高度に分別したものであった。手元に残されていた標品に新たに供給されたものを加えたものを、本研究における分子ふるい媒体として用いた。その結果、以下のように要約できる成果を得ることができた。1)平均分子量が40万以下のものに、実用性のある分子ふるい効果を認めることは出来なかった;2)80万のものに関しては、プルランの分子鎖が相互に絡まりあい始める濃度以上において初めて、実効性のある分離が認められた;3)160万と250万のものに関しては、上記の濃度以下においても実効性のある分離が認められた。分離機構としては、3)の条件下においては、低濃度域において比較的に大きな網目をくぐって行くことによって起こるオグストン形式の分離が検知された。しかし、その他の条件下における分離においては、濃密な網目を蛇のような動きでくぐり抜けて行くと想定するレプテーション形式の分離は、バイアスを受けないもの受けたもの双方を通じて認められなかった。以上の知見は線状高分子による分子ふるい機構としては、多くの点において、従来のゲル電気泳動において考えられていたものとは異なる分離機構の概念が必要とされることを示すものである。