hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ユーラシア大陸横断磁力計列構築と精密衛星磁場観測に基づく自然電磁環境変動の研究

地磁気は超高層物理学および地球内部電磁気学的研究にとって最も基礎的で重要な物理量であり、汎世界的に分布する観測所で長期間安定した測定をする必要がある。当研究では、地磁気ディジタルデータの巨大な空白地帯となっているシルクロード沿いおよびその延長線上の地域に存在する約12ヶ所の地磁気観測所のうち3ヶ所に、高精度ディジタル磁力計を設置し、中緯度のユーラシア大陸を横断する長大な磁力計ネットワークを構築することを計画し実施した。そして、上記ネットワークで取得されたデータとOersted精密磁場観測衛星等のデータを用いて、地磁気脈動の東西伝搬、オーロラ帯に流れ込む沿磁力線電流の刻々の時間変化の推定、電離層ダイナモ電流の逐日および経度依存変動やその原因となる下部電離層の中性風の推定、磁気圏サブストーム開始の指標となるPi2型地磁気脈動のリアルタイム検出等、このネットワークの特徴を生かした超高層物理学的研究を推進した。また、トルコ、中央アジアなど、地殻活動の活発なシルクロード沿いの地球内部電磁気学的諸観測にとって基準となる高精度・高時間分解能地磁気データを提供することも、目的の一つとした。Pi2型地磁気脈動のリアルタイム検出結果は京都大学大学院理学研究科地磁気世界資料解析センターのホームページから公開した。(URL:http://swdcli40.kugi.kyoto-u.ac.jp/pi2/)また、トルコおよびインドからの観測データ(毎分値および毎秒値)は、電話回線およびインターネットを経由して、準リアルタイムで京都に送られている。・地球内部電磁気的研究に必要とされる絶対値精度にも耐えうる高精度の地磁気観測を行うために、フラックスゲート型磁力計とプロトン磁力計を購入し、データロガーを作成するとともに、京都大学防災研究所峰山観測室などで試験観測を行った。・地磁気脈動の東西伝搬、オーロラ帯に流れ込む沿磁力線電流の刻々の時間変化の推定、Pi2型地磁気脈動のリアルタイム検出等、このネットワークの特徴を生かした宇宙天気・超高層物理学的研究を行った。成果は学術誌に発表すると共に、リアルタイム検出結果は順次京都大学大学院理学研究科地磁気世界資料解析センターのホームページから公開予定である。・大志万と能勢が2005年8月トルコに赴き、Istanbul-Kandilli観測所の近くに新たに建設されたInikli観測所に磁力計およびデータロガーを設置した。観測データ(毎分値および毎秒値)は、電話回線およびインターネットを経由して、準リアルタイムで京都に送られている。準リアルタイムプロットは、近々公開予定である。・大志万が2006年3月再度トルコに赴き、プロトン磁力計をフラックスゲート型磁力計用と同じデータロガーに接続した。その結果、プロトン磁力計による全磁力値も準リアルタイムで取得可能となった。・2005年7月にフランスのトゥルーズで開催されたIAGA総会に、家森、能勢およびMcCreadieが参加し、上記成果の一部を発表した。・当初今年度設置予定であった中国・カシガル観測所については、観測所移転のため、平成18年度に延期した。・前年度に引き続き地球内部電磁気的研究に必要とされる絶対値精度にも耐えうる高精度の地磁気観測を行うために、プロトン磁力計を更に1セット購入し、データロガーを作成するとともに、京都大学防災研究所峰山観測室などで試験観測を行った。・家森が2006年6月ポーランド・ベルスクで開催されたIAGA地磁気観測ワークショップに赴き、成果を発表するとともに、関係者と打ち合わせを行った。また、7月にはシンガポールで開催されたAOGS年会で、前年度の成果を発表した。・当初今年度設置予定であった中国・カシガル観測所については、観測所移転のため、更に1年延期することになった。

・2007年3月に、グルジア・トビリシに家森と佐納が赴き、トビリシ(ドゥシェティ)観測所にフラックスゲート磁力計とプロトン磁力計を設置し、テスト観測を行った。・2007年3月のグルジア・トビリシへの往路、イスタンブール・カンディリ観測所を訪問し、前年度設置した装置に関する問題点の検討などを行った。(1)現在も地磁気ディジタルデータの巨大な空白地帯となっているシルクロード沿いあるいはその近辺に存在する観測所のうち、平成19年度は3ケ所目としてインドに、フラックスゲート型磁力計と、プロトン磁力計を設置し、中緯度のユーラシア大陸を横断する長大な磁力計ネットワークの構築を推進した。(2)このネットワークで取得されたデータとOersted精密磁場観測衛星などのデータを用いて、地磁気脈動の東西伝搬、オーロラ帯に流れ込む沿磁力線電流の刻々の時間変化の推定、磁気圏サブストーム開始の指標となるPi2型地磁気脈動のリアルタイム検出等、このネットワークと精密衛星磁揚観測の特徴を生かした宇宙天気研究を含む超高層物理学的研究を継続した。(3)トルコ、グルジアからの磁場観測データの取得を継続するとともに、インドに本年度設置した磁力計からの高精度・高時間分解能地磁気データの取得を開始した。(4)トルコおよびウルムチでの磁場観測データを用いて、2006年3月の皆既日食時の磁場変動スペクトルを調べたところ、日食時の急激な温度変化に伴う気圧変動によって地表面と電離層の問に励起された音波共鳴モードの風によるダイナモ電流の効果と考えられる地磁気の震動を検出した。本年度はこの解析を継続した。(5)トルコ・イズニック観測所で得られた毎秒値磁場観測データは、Pi2型地磁気脈動のリアルタイム検出に用いられ、WP指数算出に用いられている。(6)インド・アリバーグ観測所に設置した磁力計からも毎秒値を準リアルタイム送信ができるようにすることができた。このデータは今後、地磁気Dst指数の算出にも使用される予定である。(7)当研究計画が開始する前に設置したウルムチ観測所からのデータも継続的に取得した。
強度やペースの異なるダイナミックストレッチングが筋力や柔軟性に及ぼす影響

関節の柔軟性向上を目的としてダイナミックストレッチングを行う場合には、ストレッチング中に出来るだけ大きく関節を動かす必要があることが明らかとなりました。その一方で、ストレッチングの速度やストレッチング中に関節を動かすために発揮する筋力は柔軟性増加に影響しないことが明らかとなりました。また、ストレッチング速度や発揮筋力の増加はストレッチング動作による疲労を高めることも明らかとなったため、ストレッチング実施時は注意が必要です。本研究課題の目的は、ダイナミックストレッチングのペースと強度の違いが関節可動域や筋力および筋腱スティフネスに及ぼす影響を明らかにすることである。本年度の課題の実験を行う前に、ダイナミックストレッチング後の関節可動域増加量と相関関係が高い指標は何かについて検討を行った。その結果、ダイナミックストレッチング中に大きな可動域でストレッチングを行える者ほど関節可動域増加率が大きいことを明らかにした。具体的には、ダイナミックストレッチング中に受動的な最大背屈角度と同程度、またはそれ以上の可動域で背屈動作を行える者ほど関節可動域の増加率が高かった。一方で、各個人が有する最大筋力は柔軟性の増加率と一切関係がなかった。つまり、ダイナミックストレッチングによる柔軟性の増加率を高めるためには、関節を動かす際に必要となる筋力が強いかどうかは関係なく、いかにストレッチング中の可動域を大きくして行うかが重要である。本結果は、平成28年度日本体力医学会にて発表した。平成28年度の課題は、ダイナミックストレッチングの実施ペースの違いにより、関節可動域や筋力および筋腱スティフネスに及ぼす影響の程度がどのように変化するか明らかにすることであった。本年度の課題に対する取り組みとして、測定機器の購入及び実験環境の整備を行った。特注の測定機器を購入したため、購入後も機器の再調整などが長期にわたっている。また、プレ実験を行い実験設定の最終検討を行っている。本研究課題を明らかにすることにより、主に運動前のウォーミングアップで行われているダイナミックストレッチングによって筋力や柔軟性を高める最適な実践方法が明らかになると考えられる。また、その結果は学校体育、競技・レクリエーションとしての運動、リハビリテーションなど幅広い領域において応用可能であると考えられる。「研究実績の概要」に記したとおり、本研究課題に重要な示唆を与えるであろうと考えられる実験を本研究課題にに取り組む前に行ったため、当初の研究計画よりも進捗状況はやや遅れている。また、測定機器を特注で作成したため、購入後も機器の再調整が何度か必要となり、このことも実験の進捗を遅らせた要因となっている。しかし、28年度分の遅れは29年度中に十分取り戻せると考えている。本研究の目的は、ダイナミックストレッチングのペースと強度に注目して、柔軟性や筋力を高めるために必要なストレッチング法を確立することであった。具体的な研究項目は、1ダイナミックストレッチング実施ペースの違いが、柔軟性や筋力に及ぼす影響を明らかにする、2ダイナミックストレッチング実施強度の違いが、柔軟性や筋力に及ぼす影響を明らかにする、の2つであった。さらに、追加実験として3ダイナミックストレッチング実施可動域の違いが柔軟性に及ぼす影響についても検討した。一方、研究予算の都合上、筋力については評価することが出来なかった。研究成果として上記1の実験では、ダイナミックストレッチングによる関節可動域の増加に対して、ストレッチング実施ペースは影響しないことを明らかにした。一方で、ダイナミックストレッチングによる主観的疲労度は、速いペースで行った試行の方が遅いペースで行った試行よりも高くなった。2の実験では、ダイナミックストレッチングによる関節可動域の増加に対して、ストレッチング実施強度は影響しないことを明らかにした。一方で、主観的疲労度は最大強度で実施した群において高値を示した。3の実験では、ダイナミックストレッチングによる関節可動域の増加に対して、ストレッチング実施可動域が影響することを明らかにした。具体的には、最大可動域でストレッチングを実施した群では関節可動域が増加したが、その80%の可動域で実施した場合には有意な変化がなかった。主観的疲労度は、最大可動域試行が高値を示した。本研究の結果から、柔軟性増加を目的としてダイナミックストレッチングを行う場合には、出来る限り広い可動範囲でストレッチング行う必要があることが明らかとなった。また、本研究の結果は、運動現場に置いて、実際にストレッチング指導をする際に有益な情報であると考えられる。平成29年度は、当初の29年度研究計画に加え平成28年度に実施出来なかった実験も含めて実施する予定である。具体的には、47月にかけて28年度及び29年度の実験を実施、810月にかけてデータ解析を行う予定である。また、その結果を国際誌へ投稿する予定である。運動生理学、スポーツバイオメカニクス
単離ミトコンドリア移植法の開発

初代培養細胞におけるミトコンドリアの細胞への導入効率は低いことが知られている。そこで細胞膜透過性ペプチドTATとミトコンドリアを結合させる物質としてデキストランに着目し、ミトコンドリアを初代培養細胞へ高効率に導入できる系を構築した。このTATデキストランを用いてミトコンドリア導入したところ、ラット新生児心筋細胞(RNCM)に対してミトコンドリアの導入効率が改善し、過酸化水素処理したRNCMのアポトーシス誘導率を軽減させることを明らかにした。今後はミトコンドリア導入したRNCMのミトコンドリア活性について酸素消費速度を指標としたミトコンドリア機能評価をしていく。細胞膜透過ペプチドであるTATペプチドとデキストランを用いてTATデキストラン複合体の作成を行い、単離したミトコンドリア表面の修飾を行った。10,000-460,500の分子量のデキストラン分子とTATペプチドを用いてTATデキストラン複合体を作成した。作成したTATデキストラン複合体を単離ミトコンドリアと反応させ、ゼータサイザーを用いてゼータ電位の測定を行った。結果、TATペプチドを重量比3.25倍の分子量40,000のデキストラン分子に結合させたTAT-デキストラン複合体を用いることにより、効率的に単離したミトコンドリアが持つ陰性表面電荷を中和できることが明らかになった。このTAT-デキストラン複合体で修飾を行った単離ミトコンドリアをヒト間葉系細胞株やラット胎児心筋細胞と共培養を行い、細胞内に移行した外来性ミトコンドリアをフローサイトメーターを用いて定量を行った。その結果、単離ミトコンドリアのみと共培養を行った場合と比較して、細胞内に有意に多くの外来性ミトコンドリアが取り込まれることが明らかになった。次にミトコンドリア障害モデルとして、in vitroでのラット胎児心筋細胞を用いた虚血再灌流障害モデルを用いて実験を行った。単離ミトコンドリアのみの投与によっても障害は軽減される傾向にあったが、統計学的には有意な効果ではなかった。一方、作成したTAT-デキストランで修飾した単離ミトコンドリアの投与では、有意に心筋細胞のアポトーシスが減少し、関連する遺伝子発現も有意に変化していることが明らかになった。ミトコンドリア細胞移入がマクロピノサイトーシスによって行われることを我々の研究室が報告してきたが、その効率が低いことが大きな問題であった。特に、株化細胞においては極めて高率にミトコンドリアは取り込まれるが、初代培養細胞においては、そのドナーソースに関わらず総じてミトコンドリア移入の効果を確認できるだけの導入効率が得られなかった。HIV-1由来のアルギニンリッチな細胞透過性ペプチド(Cell-penetraing peptides: CPP)は、様々な分野で細胞内への取り込み向上に寄与する可能性が示唆されている。CPPに融合され膜透過が確認されたCargoは化合物から大きなタンパクや数百nmのリポソームにいたるが、細胞内小器官そのものの膜透過を補助するという報告はない。27年度はミトコンドリア細胞内導入効率向上のために、TATの修飾物質としてデキストランを選定し、TATデキストランの安定合成の検討を行った。また、合成されたTATデキストランを用いてラット新生児心筋細胞に対して、TATデキストラン修飾ミトコンドリアの移入効率の測定を行うと共にその効果を虚血刺激におけるアポトーシスの定量化によって観察した。具体的には、様々な条件でTATペプチドとデキストランはカルボニル反応性架橋剤(過ヨウ素酸ナトリウムとシアノ水素化ホウ素ナトリウム)を用いて結合させ、ミトコンドリア粒子径を変化せず、その外膜のマイナス電位を緩衝させる最適な条件を抽出した。至適化されたTATデキストランを用いることでミトコンドリアの株化細胞内への導入効率は有意に高くなり、ラット新生児心筋細胞におけるTATデキストランの添加量の検討にて、高効率の導入が可能であることを確認し、虚血刺激におけるアポトーシスの抑制をもたらすことを明らかにした。効率的にミトコンドリアを細胞内に導入する手法を見つけることができた。TATは様々なタンパク質を細胞内に導入されることにも利用されていることから細胞毒性も低いことが期待される。ミトコンドリア細胞移入がマクロピノサイトーシスを介して行われることを我々は報告してきたがその効率の低さは解決すべき課題である。特に株化細胞においては高効率にミトコンドリアを導入できるものの、初代培養細胞においてはそのドナーソースに関わらずミトコンドリア導入効率が低いことが明らかとなった。そこでHIV-1由来のアルギニンリッチな細胞膜透過性ペプチドTAT(GRKKRRQRRRPQ)に着目し、細胞内小器官であるミトコンドリアを初代培養細胞へ高効率に導入できる系を構築することを目的とした。その際、TATをミトコンドリア上に配置するのにデキストランを用いた。H27年度はTATとデキストランを結合させる系を構築した。また、このTATデキストランを用いてラット新生児心筋細胞に対してミトコンドリアの導入効率とアポトーシスの指標となるTUNEL抑制率について検討した。H28年度はミトコンドリアを効率よく導入したラット新生児心筋細胞の生物活性を測定するための系を新たに構築し、ミトコンドリアの導入による細胞活性の回復について検討してきた。またTUNEL以外の定量可能なアポトーシス解析系、細胞の三次元構造解析の系も構築した。今後はマクロピノサイトーシスの評価も構築し、総合的なミトコンドリア導入による細胞活性評価を試みていく予定である。

初代培養細胞におけるミトコンドリアの細胞への導入効率は低いことが知られている。そこで細胞膜透過性ペプチドTATとミトコンドリアを結合させる物質としてデキストランに着目し、ミトコンドリアを初代培養細胞へ高効率に導入できる系を構築した。このTATデキストランを用いてミトコンドリア導入したところ、ラット新生児心筋細胞(RNCM)に対してミトコンドリアの導入効率が改善し、過酸化水素処理したRNCMのアポトーシス誘導率を軽減させることを明らかにした。今後はミトコンドリア導入したRNCMのミトコンドリア活性について酸素消費速度を指標としたミトコンドリア機能評価をしていく。TATデキストラン複合体を作成し、単離したミトコンドリアへ修飾を行うことにより、単離ミトコンドリアの負の表面電荷を中和することに成功した。またin vitroでは、この修飾により、細胞内へ移行するミトコンドリアを有意に増加させることが可能となり、虚血再灌流障害モデルにおいて細胞死を軽減することが明らかになった。現在は動物モデルを用いた実験を開始しており、概ね順調に計画は進行している。本年度はTAT-デキストランがミトコンドリアの生理機能に与える影響について検討する。具体的には活性酸素種(ROS)産生と酸素代謝、ATP産生について検証する。ラット胎児由来心筋細胞にTAT-デキストラン修飾ミトコンドリアを導入し、導入細胞にROS産生刺激を加え、ROS産生の増減を未導入細胞と比較する計画である。また、TAT-デキストラン修飾ミトコンドリアの酸素消費及びATPを測定することで修飾の有無によるミトコンドリア機能への効果を調べる。心血管移植今後はin vivoでの疾患・治療モデルとして、心筋虚血・再灌流障害のモデル動物を対象に研究を実施する予定をしている。障害発生時にTAT-デキストランで修飾した単離ミトコンドリアを投与することによって、障害部位の細胞に取り込まれたミトコンドリアの量、投与によってもたらされる臓器保護効果について検証する。この際に投与量や投与方法、投与時期に関しても最適な条件に関しても検討を行う予定である。
景気循環のエージェント・シミュレーション

金融のシステミックな脆弱性に関する政策的含意を得るため、ミクロレベルの行動ルールをもつ異質な複数の経済主体を対象とした金融部門を統合化したマクロ経済の基礎モデルを構築する。現実の景気変動は、複数の異質な経済主体の複雑な相互関係によって生じているため、代表的個人を仮定する既存のマクロモデルでは取り扱うことができず、本研究のアプローチ、すなわち、エージェントモデリングの手法が有効である。この基礎モデルを用いた様々な金融・財政政策のエージェント・シミュレーション分析によって、景気循環に関する統合的な視点を提供できる。本研究は、金融部門を統合したマクロ経済モデルのエージェント・シミュレーション・モデルを構築し、日本経済が直面するデフレや財政破綻を回避する金融・財政政策の提言を行うことを目的としている。本年度の研究目標は過去の景気循環モデルをサーベイし、景気循環の基礎的なメカニズムを解明するために、投資の意思決定を中心にしたエージェント・モデルを構築することであった。とりわけ、景気循環(より一般的には経済成長や景気の後退)を引き起こす基本的メカニズムは金融的な現象(信用の拡張や収縮、資産価格や担保価値の変動等)なのかあるいは実物的現象なのかを突き止めることを中心に研究した。我々は長い投資の懐妊期間をもち、減価償却費だけ元本を返済する投資企業を仮定した。その上で、有効需要と投資の採算性の制約を意識した多数の投資企業のエージェント・モデルを構築した。実証研究と首尾一貫している景気循環がロバストに起こること、全体のパーフォーマンスに賃金の下方硬直性が重要な役割をはたすという結果を得た。この成果は、2010年9月にレイキャビクで開催された、MAFIN(Managing Financial Instability in Capitalist Economies)2010と2011年2月にニューヨークで開催されたEEA(Eastern Economics Association)2011という2つの国際会議で研究報告した。そこで、一定の評価を頂き、また、有益なフィードバックを得ることが出来た。また、景気循環の理論的側面の解明も同時並行で進めており、景気循環を引き起こす基本的なメカニズムが金融的側面とは独立に存在することが分かりつつある。本年度の目標に照らして、充分な成果があったと考えている。今年度は、関連研究のサーベイと情報収集、研究分担者との情報交換を継続しつつ、主に以下の二つを行った。1)研究代表者を中心に、景気循環のモデルの均衡解の導出変数の数が膨大になるので、工夫しつつ、3月までに均衡解をもとめ、景気循環の動学的基本的メカニズムをほぼ理論的に解明した。2)研究分担者を中心に、異質性を導入しないエージェントモデルにおけるビジネスサイクルの再現昨年度の成果として、異質性を導入した予備的なエージェントモデルのシミュレーションを行っており、均衡モデルの導出と合わせて、いわゆる経済学のメインストリームにも理解可能な意味での同質エージェントによるビジネスサイクルの再現に成功した。それによれば、金融システムや経済主体の異質性なしに、実物経済における消費財と投資財の二つの異なる財の特性の違いだけで、景気循環が発生することを確認することができた。ここまでの研究成果を、特にマクロ基礎モデルの構築と分析に関する部分を中間報告として発表するため、論文としてまとめ、国際会議で発表するとともに、投稿論文としてまとめる。論文は来年度の初期に投稿するため準備をしている。また、このような研究手法に対する意見交換と情報公開を目的に、研究分担者が中心となって、日本社会情報学会大会(9月)において「社会シミュレーション」に関するワークショップを、Hawaii International Conference on Systems Sciences(HICSS・1月・ハワイ)において「シミュレーションによるソーシャルメディアと消費行動」に関する国際ワークショップ(Minitrack)を開催した。研究目的は、金融のシステミックな脆弱性に関する政策的含意を得るため、ミクロレベルの行動ルールをもつ異質な複数の経済主体を対象とした金融部門を統合化したマクロ経済の基礎モデルを構築することであった。平成24年度は、情報収集、研究分担者との情報交換を継続しつつ、基礎モデルの政策シミュレーションを試みる計画を立てていた。実績としては、前年度までの分析に基づき、自己生成的な不安定化要因の解明をすることが重要であるとの認識に基づき、それを可能とするマクロモデルの構築に注力した。その結果、技術的生産サイドと有効需要サイドの両面を統合し、完全に閉じた景気循環を再現するマクロ経済モデルの構築に成功し、基礎的なシミュレーションを行った。これらは、デフレーションがハイパーインフレーションに転化するシナリオや企業や銀行のバランスシートの損傷に対して有効な政策をシミュレーションすることが可能なプラットフォームになっていると考えている。当該年度は事業の最終年度に当たるため、年度末において、これらの成果を論文としてまとめ、投稿した。今年度で3年計画の2年次が終了し、均衡解の導出と同質エージェントモデルにおけるビジネスサイクルの再現に成功した。これを論文として投稿し、研究の最終目標である異質エージェントとビジネスサイクルとの関連に取り組む準備が完了したと判断している。24年度が最終年度であるため、記入しない。

景気循環については、エージェント・シミュレーションによる分析のための基礎的な分析が終了したので、異質性の導入による効果を測定する。この研究の成果は本研究の全体テーマである、景気循環の発生メカニズムに対する主要な知見となるので、今年度はそれに集中し、最終年度としてまとめていきたい。24年度が最終年度であるため、記入しない。
補体フラグメントC3a/C4a受容体の遺伝子クローニング

C3a/C4a受容体をコードするcDNAをクローニングするために,抗体を用いたスクリーニング系の確立を計画した。はじめに,未だ作製されていない抗C3a/C4a受容体抗体を得るために,リガンドのレセプターに対する結合部位に相当するアミノ酸約15残基程度のペプチド(C3a-peptide)を合成して,リガンドに対する抗体(イディオタイプ)から,その受容体に対して特異的に反応する抗体(抗イディオタイプ)の作製を試みた。まず、抗原性を高めるためにC3a-peptideをキャリアタンパク質に結合させてウサギに免疫した。得られた抗血清から,C3a-peptideに対して特異的なイディオタイプ抗体を精製した後,マウスに免疫して,C3a/C4a受容体に反応するモノクローナル抗体を,蛍光標識したC3aの分化THP-1に対する結合阻害活性を指標にしてスクリーニングした。約2000クローンのハイブリドーマをスクリーニングしたが,陽性のクローンを得ることが出来なかった。そこで次に,抗原(C3a/C4a受容体)そのものの精製を試みた。C3a-peptideを固定化したゲルを用いてアフィニティクロマトグラフィーを行い,分化THP-1の細胞膜画分に含まれるpeptide結合タンパク質を精製した。これを抗原としてマウスに免疫し,上記と同様な方法を用いてスクリーニングを行ったが,C3a/C4a受容体に対するモノクローナル抗体は得られなかった。この結果は免疫した抗原量が少なかったことによると考えられたので,現在,分化THP-1の細胞膜画分の大量調製を行っている。2.サブトラクションcDNAライブラリーの作製これまでに我々はTHP-1細胞を分化誘導すると,C3a/C4a受容体の発現レベルが増加することを見いだしている。そこで、より効率の良いスクリーニングを行うために,分化および未分化のTHP-1より調製したmRNAをもとにサブトラクションcDNAライブラリーの作製を試みている。
関葉系幹細胞の分化系列を制御する遺伝子ネットワークの同定

間葉系幹細胞の機能の維持に必要な遺伝子を明らかにするために、幹細胞特異的遺伝子の探索を行った。以前のわれわれのDNAマイクロアレイデータの再解析によって、線維芽細胞に比べて間葉系幹細胞で発現が2倍以上高い遺伝子が約180個同定された。これらの遺伝子の発現レベルを複数の細胞株でRT-PCR法によって調べたところ、約30個の遺伝子が確かに間葉系幹細胞で発現が高いことが確認された。さらに腸骨由来、大腿骨由来、頸骨由来、顎骨由来の4種類の由来の間葉系幹細胞では、LIF, IGF1, PRG1, MGP, BMP4, CTGF, KCTD12, IGFBP7, DYNC1I1の発現が共通して高いことが確認された。また、これらの遺伝子は、細胞の継代回数や患者の年齢にあまり関係なく高いレベルが維持されていることも明らかになった。次に、間葉系幹細胞の骨分化、軟骨分化、脂肪分化の3方向の分化のいずれによっても発現が低下する遺伝子を、転写因子に絞って探索した。その結果、同定された10個の遺伝子のうちの一つであるGATA6は、siRNAの導入によって細胞増殖能の低下と各種のインテグリン遺伝子の発現の低下が認められた。いくつかのインテグリン遺伝子にはGATA6結合サイトの配列が同定されたので、ChIPアッセイによって検討したところ、実際に複数の場所にGATA6が細胞内で結合することが明らかになった。このように間葉系幹細胞では、その分化系列を支配する転写因子ネットワークによってその機能が維持されていると結論された。間葉系幹細胞は、多分化能、未分化能の維持、自己複製能、の3つの大きな特徴を持っている。これらの性質の維持に必要な遺伝子を明らかにするために以下の実験を行った。骨/脂肪/軟骨へとそれぞれ分化誘導を4週間行った間葉系幹細胞および線維芽細胞からRNAを抽出しDNAマイクロアレイ解析を行った。まず、未分化の間葉系幹細胞で発現が高い転写因子に着目したところ、9個の遺伝子が抽出された。これらの遺伝子の発現について調べたところ、分化誘導後24時間以内に大きく低下することが明らかになった。次に、これらに対するsiRNAを作製して間葉系幹細胞に導入し、特異的なノックダウンを行ったところ、多数の標的遺伝子の発現の低下あるいは上昇が認められた。このことから、これらの転写因子が未分化間葉系幹細胞の特徴的な遺伝子発現に大きく関与していることが明らかになった。また、これらの転写因子のいくつかのノックダウンは、間葉系幹細胞の増殖を抑制した。同様に骨分化時に特異的に発現が上昇する10個の転写因子を抽出し、RNA干渉法によるノックダウンの実験を行ったところ、骨分化マーカーの発現の低下が認められた。これらの結果から、間葉系幹細胞では互いに異なる複数の転写因子が、自己複製能(増殖能)、多分化能、未分化能の維持にそれぞれ協同して関係し、その性質を発揮する際に重要な働きを担っていることが明らかになった。また、分化誘導時には、これらの未分化間葉系幹細胞特異的遺伝子の発現抑制と同時にそれぞれ特異的な転写因子の発現上昇が起こると考えられる。

さらに腸骨由来、大腿骨由来、頸骨由来、顎骨由来の4種類の由来の間葉系幹細胞では、LIF, IGF1, PRG1, MGP, BMP4, CTGF, KCTD12, IGFBP7, DYNClI1の発現が共通して高いことが確認された。また、これらの遺伝子は、細胞の継代回数や患者の年齢にあまり関係なく高いレベルが維持されていることも明らかになった。次に、間葉系幹細胞の骨分化、軟骨分化、脂肪分化の3方向の分化のいずれによっても発現が低下する遺伝子を、転写因子に絞って探索した。その結果、向定された10個の遺伝子のうちの一つであるGATA6は、siRNAの導入によって細胞増殖能の低下と各種のインテグリン遺伝子の発現の低下が認められた。いくつかのインテグリン遺伝子にはGATA6結合サイトの配列が同定されたので、ChIPアッセイによって検討したところ、実際に複数の場所にGATA6が細胞内で結合することが明らかになった。このように間葉系幹細胞では、その分化系列を支配する転写因子ネットワークによってその機能が維持されていると結論された。
多重エアロジェル幅射体を用いたコライダー実検用RICH検出器の開発

多重エアロジェル輻射体という新しいアイデアに基づくリングイメージング型チェレンコフ検出器(RICH)の開発研究を行った。多重エアロジェル輻射体とは、屈折率が異なる複数枚のエアロジェル輻射体を粒子の通過方向に配したもので、これによって、RICH検出器の性能限界の要因となるチェレンコフ光発生点の不定性による角度分解能の悪化を避けながら検出光子数を増加させることが可能となる。得られた成果の骨子は以下のとおりである。1.ビームテストによる原理検証2重4重輻射体を用いてビームテスト実験を行った。これによって、多重輻射体の原理導入によって角度分解能(約13mrad)を保ったまま、検出光子数を約1.5倍(約6個から9個へ)改善できることを実証し、さらに、輻射体の屈折率や厚さの組み合わせ方の最適化に関する考究を進めた。2.エアロジェル輻射体の性能改善この検出器原理に最適な輻射体として、二層ないし三層の異なる屈折率層を持つ一体型エアロジェル輻射体の製作方法の考究と試作を行った。単層タイプと同程度の透過率など良好な結果を得つつある。3.光検出に関する研究ガイガーモードAPDと呼ばれる新しいタイプの半導体検出器とライトガイドを組み合わせた光センサーのデザインを行った。ガイガーモードAPDの量子効率、時間分解能、ノイズ特性に関する詳細な調査を行い、シミュレーションによってこれを用いた場合のエアロジェルRICHの性能の定量的な評価を行った。その結果、多重エアロジェル輻射体の上流側輻射体で発生したチェレンコフ光をより有効に捉えることが可能となり、検出光を最大で約4倍に向上できることがわかった。以下の成果が得られた。ビームテストによる原理検証KEK-PSのテストビームラインにおいて、2重4重輻射体を用いた原理検証実験を行い、これまで単輻射体で得られていた角度分解能(約13mrad)を保ったまま、検出光子数を約1.5倍(約6個から9個へ)改善できることが実証できた。この成果は論文として発表した。また、輻射体の屈折率や厚さの組み合わせ方の最適化に関する考究を進めた。エアロジェル輻射体の性能改善この検出器原理に最適な輻射体として、二層ないし三層の異なる屈折率層を持つ一体型エアロジェル輻射体の製作方法の考究と試作を行った。光検出器の開発600nm程度の長波長領域に感度の高い光検出器を用いれば、エアロジェルの透過率は格段に良くなり、多重エアロジェル輻射体の上流側輻射体で発生したチェレンコフ光を有効に捉えることができる。そのような光検出器として、SiPMと呼ばれる半導体検出器に注目し基礎特性の測定を進めた。

多重エアロジェル輻射体とは、屈折率が異なる複数枚のエアロジェル輻射体を粒子の通過方向に配したもので、これによって、RICH検出器の性能限界の要因となるチェレンコフ光発生点の不定性による角度分解能の悪化を避けながら検出光子数を増加させることが可能となる。以下の成果が得られた。ビームテストによる原理検証前年度に2重4重輻射体を用いて行ったビームテスト実験のデータ解析を進め、多重輻射体の原理導入によって角度分解能(約13mrad)を保ったまま、検出光子数を約1.5倍(約6個から9個へ)改善できることが実証し、さらに、輻射体の屈折率や厚さの組み合わせ方の最適化に関する考究を進めた。エアロジェル輻射体の性能改善この検出器原理に最適な輻射体として、二層ないし三層の異なる屈折率層を持つ一体型エアロジェル輻射体の製作方法の考究と試作を行った。単層タイプと同程度の透過率など良好な結果を得つつある。光検出器の開発ガイガーモードAPDと呼ばれる新しいタイプの半導体検出器とライトガイドを組み合わせた光センサーのデザインを行った。ガイガーモードAPDの量子効率、時間分解能、ノイズ特性に関する詳細な調査を行い、シミュレーションによってこれを用いた場合のエアロジェルRICHの性能の定量的な評価を行った。その結果、多重エアロジェル輻射体の上流側輻射体で発生したチェレンコフ光をより有効に捉えることが可能となり、検出光を最大で約4倍に向上できることがわかった。
ビデオマクロスコ-プを用いた小児歯齦の直接的観察

歯齦の健康度あるいは炎症症状を診断するにあたっては、発赤、腫脹、出血、排膿およびスティップリングの有無などの所見によって肉眼的に判定することが多い。しかしながら、肉眼的な判定は主観がはいりやすいのが欠点である。そこで、チェア-サイドで簡単に歯齦の客観的な診断を行う方法を考案する目的で、日本光電工業社製ビデオマクロスコ-プVMSー1200を用いて小児の歯齦表面を10100倍大に拡大して観察し、正常歯齦と歯齦炎に罹患した歯齦の所見を比較検討した。今回の被験対象は、東京歯科大学小児歯科外来に来院し、肉眼的な所見から正常な歯齦を有すると判定した乳歯列期、混合歯列期、永久歯列期の小児それぞれ10名計30名である。被験部位は上顎乳中切歯もしくは永久中切歯の唇側固有歯齦から遊離歯齦部および歯間乳頭部の歯齦表面である。また、歯齦炎に罹患した小児10名についても同様に観察した。その結果、歯齦表面の観察はいずれの倍率においても鮮明な画像を得ることが可能であり、焦点合わせなどの操作も容易であった。また、100倍大に拡大した画像では、歯齦毛細血管の係蹄数やその形態が歯齦上皮を通して容易に観察することができた。一方、炎症のみられる歯齦では、歯齦縁に波濤状の凹凸がみられたり、毛細血管も歯齦縁まで集塊状に延長するもの、拡張、蛇行がみられるもの、また係蹄内分枝および係蹄吻合がみられるものなど変異に富んでいる所見が観察された。以上の結果は、第245回東京歯科大学学会例会(平成4年3月7日)に発表した。また、研究は未だ続行中であり、現在症例数を追加するとともに正常歯齦と歯齦炎における毛細血管像の解析を行っている。そしてその結果は、平成4年5月に行われる第30回日本小児歯科学会大会で発表する予定であり、その後は早急に紙上発表にする所存である。
汎関数解析

1.今年度は、研究上重要な成果を得た。すなわち、従来、振動積分を使ってFeynmann経路積分を論ずる場合、その基礎にはKumanogo-Taniguchiの基本評価を使った。その証明には、Maslov-Egoroffの変換理論の1変形を必要とした。そのためにこのKumanogo-Taniguchiの評価式の証明が非常に長く成りしかも何となく遠回りであると言う感じが残った。しかし、今年度に研究代表者は、Kumanogo-Taniguchiの評価式のきわめて直接的な、短い証明を得た。これは1995年3月に東北大学での研究会で発表する予定である。また、従来の方法では取り扱い不可能な形の汎関数にたいしてもKumanogo-Taniguchi型の評価を証明することが出来るように思われる。2.研究代表者は、1994年7月はじめてドイツのHolzhauの偏微分方程式の研究会において大次元空間上のstationary phase methodにつき研究発表をし、ロシアのMaslov教授、ドイツのAlbeverio教授から好意的な意見をえた。つまりMaslov教授が提出しMITのGuillemin教授が著書で解説した問題に、解答を与えたことに相当しているというのである。3.本年度は、研究代表者は、日本数学会の秋季総合分科会において総合講演を行う機会を与えられた。Feynmann経路積分についての研究とStationary phase methodにつき、総合的に解説した。
カワカイメンの襟細胞室形成をモデルとした幹細胞分化における細胞間相互作用の解析

カワカイメンの原始細胞からの襟細胞室形成過程をトレースするため、またこの過程の制御に関与すると考えられる遺伝子を単離するためにカワカイメン遺伝子のESTライブラリーから候補となる遺伝子を選出しその発現を解析した。細胞の分化や運命決定に関与する転写因子や襟細胞に特徴的な細胞接着や鞭毛運動に関与する遺伝子を選出し発現を解析したが、特異的な発現を示しよいマーカーとなる遺伝子を単離する事は出来なかった。また、本年度計画書にも示した様に、本研究では襟細胞室形成だけではなく原始細胞が骨格骨片形成細胞に分化し骨片を形成する過程にも着目し遺伝子の探索を行った。昨年度報告した様に、この過程において骨片の主成分である珪酸の沈着に必要な酵素であるシリカテイン-M1-M4という4種類の遺伝子が、骨格骨片形成細胞分化、骨片形成過程でステージ特異的に発現する事を見出した。本年度にこの成果を原著論文として投稿しており、現在改訂中である。2.外来遺伝子導入法の改良カワカイメンへの遺伝子導入法の改良を試みた。本年度は、(1)原始細胞が多いステージのカイメンの細胞を解離し、それに対してエレクトロポレーションを行う方法や、(2)芽球から遊走する原始細胞の前駆細胞である貯蔵細胞に対してエレクトロポレーションを行う、といった方法を試みたが、(1)の方法でも遺伝子導入効率を高めることはできず、また(2)の方法では細胞へのダメージが強くほとんどの細胞が死滅する結果となった。ダメージが少なく導入効率の良い遺伝子導入法を開発する事は出来なかった。上記1、2を検討するため、計画書に示した(3.RNA干渉法による遺伝子発現抑制系の確立)に着手することが出来なかった。また上記計画1、2で好結果が得られなかったため、計画書に示した(4.襟細胞質形成過程における細胞の挙動の解析)および(5.襟細胞室形成に関与する遺伝子の機能解析)を進める事は出来なかった。1、襟細胞室形成過程における細胞の挙動の解析蛍光色素によりラベルした細胞を継時的に観察し原始細胞から襟細胞が形成される過程を解析する事を試みた。しかし、蛍光色素による標識は、蛍光色素の導入範囲がコントロールできない事や、色素の蛍光を検出するために必要な励起光の光量が細胞に強いダメージを与える事から有効な解析方法ではないことが判明した。そこで申請者は、緑色蛍光蛋白質(GFP)遺伝子を細胞に導入し細胞標識する事を試みた。脊椎動物等で用いられているサイトメガロウイルスプロモーターを持つGFP発現ベクターをエレクトロポレーション法によってカワカイメンの細胞に導入することにより、GFPを発現し蛍光を発する細胞を持つカワカイメンを作る事に成功した。今後この実験系を用いて原始細胞を標識し、襟細胞室形成過程の継時的な観察を行う予定である。申請者の所属機関によってカワカイメンに発現している遺伝子のESTデータベースが作製されている。申請者はこのデータベースから候補となる遺伝子を探し出し、in situハイブリダイゼーション法による発現解析を行うことにより襟細胞特異的なマーカー遺伝子を得る事を試みた。(1)襟細胞は鞭毛を持つこと、(2)襟細胞が持つ襟は束化されたアクチンフィラメントで構成されていること、(3)襟細胞室は上皮細胞様であることから、鞭毛の微小管構造に含まれるRadial spoke protein、アクチン束化因子であるFascinとFimbrin、細胞の上皮化や上皮細胞の極性形成に関与するLKB1とPar1の遺伝子を単離し発現解析を行った。しかしいずれの遺伝子も襟細胞室に特異的な発現は認められなかった。今後もこの方法による遺伝子の探索を継続する予定である。前年度に引き続き、カワカイメンに発現している遺伝子のESTライブラリーから候補となる遺伝子を選び、in situハイブリダイゼーション法による発現解析を行い、襟細胞室形成および芽球形成過程で働く遺伝子および細胞のマーカーとなる遺伝子を得ることを試みた。襟細胞室形成に関与する新しい遺伝子は得られなかったが、芽球形成に関与する細胞のマーカーとして、芽球の骨片を形成する細胞(芽球骨片細胞)に特異的に発現している珪素沈着に関連する酵素であるシリカテイン-G1、G2と、芽球の殻を作るコラーゲン分泌細胞に発現しているコラーゲンα鎖の遺伝子を同定した。また、前述のシリカテイン-G1、G2を探索する過程で、ESTライブラリーには6種類のシリカテイン遺伝子が存在しそのうち4種類が体を支持する骨片を形成する細胞(骨片細胞)に発現しており(シリカテイン-M1M4)、残り2種類が芽球骨片形成細胞に発現している(シリカテイン-G1、G2)ことが判明した。さらに骨片細胞に発現している4種のうち2種(シリカテイン-M3、M4)は若い段階の骨片細胞のみに発現していることが明らかとなった。このことは、分化段階の異なる骨片細胞をこれらのマーカーで識別することができるということを示している。2.襟細胞室形成過程における細胞の挙動の解析前年度に申請者はエレクトロポレーション法によるカワカイメンへの遺伝子導入法を開発し、この方法を用いて原始細胞から襟細胞室への形成過程をトラッキングすることを試みた。しかし、この方法によるとカワカイメン個体へのダメージが大きいことや、導入効率が辺縁部に位置する上皮様細胞では比較的高いのに対し体の内部に存在する原始細胞では大変低い、といった問題が生じ目的の実験には適さないことが判明した。今後も引き続き遺伝子導入法の改良を行う予定である。

カワカイメンの原始細胞からの襟細胞室形成過程をトレースするため、またこの過程の制御に関与すると考えられる遺伝子を単離するためにカワカイメン遺伝子のESTライブラリーから候補となる遺伝子を選出しその発現を解析した。細胞の分化や運命決定に関与する転写因子や襟細胞に特徴的な細胞接着や鞭毛運動に関与する遺伝子を選出し発現を解析したが、特異的な発現を示しよいマーカーとなる遺伝子を単離する事は出来なかった。また、本年度計画書にも示した様に、本研究では襟細胞室形成だけではなく原始細胞が骨格骨片形成細胞に分化し骨片を形成する過程にも着目し遺伝子の探索を行った。昨年度報告した様に、この過程において骨片の主成分である珪酸の沈着に必要な酵素であるシリカテイン-M1-M4という4種類の遺伝子が、骨格骨片形成細胞分化、骨片形成過程でステージ特異的に発現する事を見出した。本年度にこの成果を原著論文として投稿しており、現在改訂中である。2.外来遺伝子導入法の改良カワカイメンへの遺伝子導入法の改良を試みた。本年度は、(1)原始細胞が多いステージのカイメンの細胞を解離し、それに対してエレクトロポレーションを行う方法や、(2)芽球から遊走する原始細胞の前駆細胞である貯蔵細胞に対してエレクトロポレーションを行う、といった方法を試みたが、(1)の方法でも遺伝子導入効率を高めることはできず、また(2)の方法では細胞へのダメージが強くほとんどの細胞が死滅する結果となった。ダメージが少なく導入効率の良い遺伝子導入法を開発する事は出来なかった。上記1、2を検討するため、計画書に示した(3.RNA干渉法による遺伝子発現抑制系の確立)に着手することが出来なかった。また上記計画1、2で好結果が得られなかったため、計画書に示した(4.襟細胞質形成過程における細胞の挙動の解析)および(5.襟細胞室形成に関与する遺伝子の機能解析)を進める事は出来なかった。
胎盤形成過程における雌雄ゲノムの役割の解明

哺乳動物は、卵子と精子とが受精することで個体発生する。一方、片親性ゲノムしか持たない雌核発生胚や雄核発生胚は、マウスでは妊娠9.5日に致死となる。これらの受胎産物の形態的特徴として胎盤の形成不全が挙げられる。以上のことから、雌雄両ゲノムが胎盤形成に必要であることは容易に想像できるが、どのようなメカニズムで関与するかは明らかにされていない。そこで、胎盤形成における雌雄ゲノムの役割を明らかにするために、雌核発生胚および雄核発生胚から栄養膜幹細胞(TS細胞)を樹立し、その細胞特性を明らかにすることを目的とした。まず、雌核発生胚および雄核発生胚由来胚盤胞から樹立したTS細胞における3つの未分化マーカー遺伝子(Eomes,Cdx2,Errb)の発現を調べた。その結果、雄核発生胚由来TS細胞では、3つの未分化マーカー遺伝子の発現が認められたが、雌核発生胚由来TS細胞では、Eomesの発現しか認められなかった。次に分化誘導後の遺伝子発現解析を行った結果、雄核発生胚由来TS細胞では栄養膜巨細胞特異的発現する遺伝子Pl-1,Hand1の発現が認められたが、雌核発生胚由来TS細胞では認められなかった。さらに、雄核発生胚由来TS細胞の海綿状栄養膜細胞への分化能を明らかにするために、特異的マーカー遺伝子であるMash2とTpbpaの発現を調べた。その結果、これらの遺伝子の発現が認められなかったことから、雄核発生胚由来TS細胞は、海綿状栄養膜細胞へは分化出来ないことが明らかとなった。以上の結果から、雄核発生胚由来TS細胞は栄養膜巨細胞へのみ分化できるのに対し、雌核発生胚由来TS細胞は未分化能を維持出来ないことが示唆された。本研究で得られたTS細胞は、その分化能がIn vivoにおける雌核および雄核発生胚の胎盤形成能と類似していたことから、胎盤形成過程における雌雄ゲノムの役割を解明する上で、有力なツールと成り得る。マウス排卵卵子を人為的活性化することにより、雌核発生胚を作出した。また、排卵卵子から分裂装置を除去後、体外受精を施し、雄核発生胚を作出した。体外培養後、得られた胚盤胞から常法に従いTS様細胞株を作出した。雌核発生胚および雄核発生胚からそれぞれ5株および6株のTS様細胞が樹立できた。樹立できた細胞株が未分化能を有しているか検証するために、5つの未分化マーカー遺伝子(Eomes,Cdx2,Fgfr2,Ap2a, Errb)の発現を調べた。その結果、それぞれ2株ですべての遺伝子の発現が認められたが、残りの株は共通してCdx2の発現が認められなかった。次に5つの未分化マーカー遺伝子の発現が認められたそれぞれ2株について分化誘導を行った結果、雄核発生胚由来TS様細胞では栄養膜巨細胞が観察された。これらの細胞は栄養膜巨細胞特異的発現する遺伝子Pl-1,Hand1が発現していた。一方、雌核発生胚由来TS様細胞では栄養膜巨細胞は観察されず、Pl-1,Hand1の発現も認められなかった。以上の結果から、雄核発生胚由来TS様細胞は栄養膜巨細胞へ分化できるのに対し、雌核発生胚由来TS様細胞は分化できないことが明らかとなった。従って、栄養膜巨細胞への分化には、雄ゲノムが関与していることが示唆された。

その結果、これらの遺伝子の発現が認められなかったことから、雄核発生胚由来TS細胞は、海綿状栄養膜細胞へは分化出来ないことが明らかとなった。以上の結果から、雄核発生胚由来TS細胞は栄養膜巨細胞へのみ分化できるのに対し、雌核発生胚由来TS細胞は未分化能を維持出来ないことが示唆された。本研究で得られたTS細胞は、その分化能がIn vivoにおける雌核および雄核発生胚の胎盤形成能と類似していたことから、胎盤形成過程における雌雄ゲノムの役割を解明する上で、有力なツールと成り得る。
多種反応系の見せる多階層的挙動の理論的研究

今年度は主に触媒増殖反応ネットワーク系において分子複製に必須な栄養資源が枯渇・競合している状況での振る舞いについて研究を進めた.これまで先行研究において,多種類の分子種がランダムな触媒・基質関係をネットワーク状に構成しながら複製・増殖する化学反応モデルを用いて,確率的でエラーの生じる“いい加減な"化学反応系からいかに化学成分・組成を一定に保持しながら再帰的に増殖できる細胞が生じるかなどが議論されてきた.しかし,そのような分子集団が再帰的に増殖する状況では少数種のみが生き残り、多様な分子組成が失われる傾向があることが知られており、いかに細胞が多様な組成を安定に保持出来るのかという疑問には答えられてこなかった.そのような背景のもと,複製の際に必須な栄養資源を陽に取り入れたモデルを提案し、それらが枯渇・競合した状況では細胞の多様性が転移的に増す振る舞いを見せることを発見した.各細胞レベルで栄養資源が枯渇すると、より少数の構成分子間の反応経路を選択し成長する領域から、より多くの構成分子間の反応経路を用いて成長する領域へと資源の枯渇具合に応じて転移的に変化することを力学系モデルによって説明し、資源の枯渇具合に応じた分子種の増加の仕方について解析的な結果を導いた。また、細胞間で栄養資源が競合する効果を導入すると、各細胞の構成分子の多様化に加えて、相互に触媒関係を構成する異なる分子種の組から成る細胞(細胞タイプの多様化)が共存し、100世代程度の分裂世代にわたって似た化学分子種構成の細胞が増殖する様子が見られた.この結果は複雑な機構を持ち合わせた化学反応系でなくとも、資源が枯渇・競合した状況下では再帰的な増殖を続けながら多様性を増す様子が普遍的に見られることを示唆する結果である.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,一般の化学反応系と生命現象の大きな違いとして,遺伝情報などの重要な情報がどのような条件下で確率性の高い反応系の中で頑強に保持・伝達できるのかを数値シミュレーションおよび解析的手法により探求する.今年度は(1)申請者がこれまで分子動力学法を用いて見出していた触媒増殖反応系での時間スケールの差による空間構造形成の普遍性,および(2)単純な遺伝子発現モデルを用いた効率的な情報伝達の機構について研究を進めた.(1)について2種相互触媒増殖系において両者の増殖・分解の時間スケールが大きく異なる場合,遅い分子が空間的局在構造を誘起し,その分子の増殖に同期して局在構造が分裂することを、セル・オートマトンを用いた離散モデルで見出されることを確認し,3,4種とより多種類の反応系においても類似の構造が形成されることを見つけた.また,2種分子に加えて増殖に必要な栄養ダイナミクスを取り入れたモデルの解析を行い,栄養の拡散が遅く,枯渇するような条件下では2種分子の数よりも,栄養があるかないかが分子の増殖に重要となる領域が自然に生じうることがわかった.(2)については,遺伝子を発現したタイミングにmRNAを経てタンパク質を作るという,時間的に変化する情報をいかに確率的な反応系で頑強に伝達するかを最も単純な線形遺伝子発現モデルを用いて調べた.情報理論で知られている相互情報量を計算することにより,mRNAの寿命を調整してmRNAの量に反映された情報量よりもタンパク質の量に反映できる情報量のほうが大きくなるという,しばしば遺伝子発現モデルで用いられるガウス近似では見られない振る舞いを見せることがわかった.上記結果は確率シミュレーションに加えてmRNAおよびタンパク質の解析的に得られる分布の結果と定量的に一致することも確認した.本研究では,一般の化学反応系と生命現象の大きな違いとして,遺伝情報などの重要な情報がどのような条件下で確率性の高い反応系の中で頑強に保持・伝達できるのかを数値シミュレーションにより探求する.今年度は主に触媒増殖反応系において分子複製に必須な栄養・資源が枯渇しているような状況での振る舞いについて研究を進めた.これまで研究代表者が行った研究成果のひとつである、分子の少数性と混雑性に起因した分子の局在構造の形成過程の新奇性は、個々の分子レベルから局在した分子集団レベルへと一段階上の選択・進化の単位の形成の可能性を提示した点にある.少数分子と接触できる微小空間の取り合い(混雑性)を、反応を進める"資源"を取り合う効果として一般化し、触媒反応増殖系の増殖速度が速いというだけでない新規な選択の方向性を探求できないか?という着想に至った.まず単純な2種相互触媒増殖系に対して複製反応を進めるために必要な資源を表す変数を導入したモデルを提案した.一般に資源が減少することで反応レートが減少するが、確率的な化学反応において反応レートが減少するのに伴い揺らぎも減少してしまい、先行研究で指摘されてきた揺らぎの大きさと進化可能性の性質を失う.本研究では資源を複数の細胞間で取り合う効果を導入した結果、資源が枯渇し平均的な複製レートが減少した状況下でも、細胞間の揺らぎの効果により進化可能性を保持することを確認した.その後、多種類の分子種がランダムに触媒・基質関係を構成しながら複製・増殖する触媒反応ネットワークを形成する細胞集団に適用し、資源が枯渇した状況下では細胞の多様性が転移的に増す振る舞いを見せることを発見した.この結果は複雑な機構を持ち合わせない化学反応系においても、資源が枯渇した状況下で再帰的な増殖を続けながら多様性を増す様子が普遍的に見られることを示唆する結果である.今年度は主に触媒増殖反応ネットワーク系において分子複製に必須な栄養資源が枯渇・競合している状況での振る舞いについて研究を進めた.