hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
熱帯泥炭湿地を利用した持続的・低環境負荷の食料・エネルギー生産技術の確立

熱帯湿地で高デンプン生産植物であるサゴヤシ栽培で、地球温暖化に寄与することなく持続的食物生産・エネルギー生産に利用する技術の確立の基礎的な研究を行った。その結果、地下水位が0cm-45cmの場合、地下水位が高いほどサゴヤシ生育が良好となった。しかし、温室効果ガスについてみると、メタン発生は地下水位を40cm以下に保つことで低く維持できること、二酸化炭素発生速度には地下水位は影響を与えないことが明らかとなった。今後、メタン発生を低下させる技術の開発が必要である。06年9月にインドネシア国リアウ州テビンティンギ島(1°30'N103°40'E)に分布する熱帯泥炭土壌に展開されているプランテーションで地下水位とサゴヤシ生育について調査を行った。調査方法は月に1回地下水位、サゴヤシ幹体積、サゴヤシ葉数の測定を行った。幹体積は幹高と胸高直径から求め、葉数は実際の測定値を用いた。地下水位は地面に塩ビ管を埋め、塩ビ管の頂部から地下水位までの長さを測定し、あらかじめ測定してある塩ビ管の頂部から地表面の長さを引き、その値を地下水位として用いた。調査対象サゴヤシは生育8年の幹立ちが始まっているものを15点用いた。幹体積は05年6月からの増加速度とした。葉数はこの期間内に増加の傾向は確認することはできなかったため、測定期間内に得られた値を平均して用いた。地下水位と幹高増加速度、地下水位と葉数との間にそれぞれ1%有意水準で負の相関を認められた。地下水位は-45cm-85cmの範囲であったことから地下水位が-45cm-85cmの時には地下水位が高いほどサゴヤシの幹体積増加速度が速くなると考えられた。従来、熱帯泥炭土壌におけるサゴヤシ生育は地下水位が低いほどサゴヤシ生育が良好になると考えられている。今回の調査では地下水位が高いほどサゴヤシ生育が良好であるという逆の結果になった。このことから地下水位が低いほどサゴヤシ生育が良好になる現象は地下水位がOcm-45cm以上の場合に発生する可能性がある。06年9月に炭酸ガスの連続測定装置、気象観測装置、地下水位連続測定装置を設置した。9月下旬の1週間の炭酸ガスフラックスは、気温の変化と無関係であった。なお、年末からの降雨により、炭酸ガス測定装置のチャンバーが水没し、測定が不能となった。そのため、07年3月にチャンバーを回収し修理を行っている。地下水位の連続的な測定結果から、急な降雨以外日変動が少ないことが明かとなった。この結果は昨年利用した地下水位(月1度の測定)が圃場の特徴を示し、サゴ生育の関係に利用可能であることを示すものである。圃場レベルでみると、地下水位と土壌中の窒素量との間にはロゼット期、幹立ち期の両サゴヤシ生育地点において相関関係を認めることはできなかった。また、地下水位と土壌中の全銅量、銅錯体との間にはロゼット期、幹立ち期の両サゴヤシ生育地点において相関を認めることはできなかった。さらに、施肥はサゴ小葉の養分率に影響を与えていなかった。この原因として、施用窒素と施用銅が比較的速やかに系外へ流出するためとみられた。この点に関して、平成20年度にモデル的に検討する予定である。サゴヤシ栽培が泥炭土壌からのメタンおよび二酸化炭素発生速度に与える影響を調べた。サゴ齢が同じ場合、地下水位が高くなるにつれメタン発生速度は指数関数的に増大すること、地下水位を40cm以下に保つことでメタン発生を低く維持できること、二酸化炭素発生速度には地下水位は有意な影響を与えないことを明らかにした。また、施肥位置からの距離と温室効果ガス発生速度との関係を調べたところ、両者の間に関係はなく、施肥の影響はないと結論された。一方、サッカーからのメタン発生速度を測定した結果、切断直後では土壌からの発生速度よりも平均で46倍高く、土壌表面からのフラックスの測定が圃場全体のフラックスを低く見積もっていることが示唆された。なお、炭酸ガスの連続測定用のチャンバーは修理に時間がかかり、平成20年3月に現地に再セットした。このため、平成19年度の炭酸ガス連続測定による解析は未実施である。平成20年9月から21年2月にかけてインドネシアの現地観測で炭酸ガス発生量のデータを蓄積し、発生時期・量と地下水位との関係を明らかにする予定であった。現地に設置した炭酸ガス連続測定用のチャンバー(換気部品)が、平成20年12月に故障が判明したしたため、本年度はデータの補足観測を行った。加えて、地下水位・サゴ生育、水耕栽培の追加試験と解析を試みた。なお、炭酸ガス発生装置は修理を行い現地へ搬入したが、再度故障した。そのためこれまで得られた炭酸ガス発生に関する自動測定と手動測定のデータの比較解析を行った。

炭酸ガスフラックスと温度は関係ないと初期のデータは示していたが、その後のデータでは温度に合わせて日変化を示した。この結果はマニュアルで測ったデータに近く、炭酸ガスフラックスは熱帯条件であっても温度に敏感に反応することが明らかとなった。サゴヤシの生育と地下水位の関係について、調査期間を約6ヶ月ごとに区切り、期間中の幹高増加速度と平均地下水位の関係を検討した。その結果、平均地下水位が低いほど幹高増加速度が低下する傾向が認められたが、一定値以下の地下水位ではこの関係が認められなかった。水耕試験の結果、葉数はNPK区と比べて-N区でのみ減少し、実験終了時の乾物重も、-N区でのみ減少する傾向がみられた。そして、-N区でのみ、葉や葉柄の乾物重が著しく小さかった。この結果は、圃場レベルでは明らかにできなかった窒素の役割が、サゴヤシの初期生育にとって重要な要因であることを示している。
ナノ粒子の表面特性がアレルギー疾患に及ぼす影響とその早期分子機構の解明

本研究では、生体・免疫応答の上流にある上皮細胞と免疫担当細胞、及び、それらの相互作用に注目し、ナノ粒子の表面修飾がアレルギーに及ぼす影響と、その早期分子機構を解明することを目的とした。本年度は、表面修飾の異なる2種類の酸化チタンと無処理の酸化チタンを、呼吸器との最初の接点である気道上皮細胞と免疫応答の開始細胞である抗原提示細胞に、アレルゲンである卵白アルブミンの存在下および非存在下に曝露し、細胞活性、サイトカイン産生、細胞表面分子DEC205の発現等に及ぼす影響を検討した。その結果、卵白アルブミンの存在下および非存在下、何れの曝露濃度(5, 15, 45, 135 microg/mL)においても、気道上皮細胞に対する細胞活性の低下は認められなかった。また、ある種の表面修飾をした酸化チタンが、卵白アルブミンの非存在下において、気道上皮細胞のIL-6産生を誘導し、無処理の酸化チタンと比較すると、有意に高値を示した。一方、卵白アルブミンの存在下では、卵白アルブミン単独曝露によって、IL-6の増大が確認されたが、何れの酸化チタンの影響も認められなかった。抗原提示細胞に対する影響は、卵白アルブミンの存在下および非存在下、何れの曝露濃度(5, 15, 45 microg/mL)においても、細胞活性の低下は認められなかった。また、卵白アルブミンの非存在下では、無処理および表面修飾した酸化チタン何れも、軽微にDEC205発現が上昇した。一方、卵白アルブミン存在下では、卵白アルブミン単独曝露によって、DEC205発現が増加し、表面修飾した酸化チタンが加わることによって、さらに増加した。従って、ある種の表面修飾は、アレルゲン存在下、あるいは、非存在下において、酸化チタンの特性を変化させ、気道上皮細胞の催炎症性反応や抗原提示細胞の活性化を誘導し、呼吸器疾患の悪化に関与しうることを見出した。本研究では、ナノ粒子の表面修飾がアレルギーに及ぼす影響と、その早期分子機構を解明することを目的とし、それに沿った計画を立案し、研究を進めている。当該年度までに、アレルゲンの存在下、および非存在下において、表面修飾の異なるナノ粒子が、気道上皮細胞と抗原提示細胞に及ぼす影響を検討した。一部、未検討事項があるものの、ある種の表面修飾は、アレルゲン存在下、あるいは、非存在下において、酸化チタンの特性を変化させ、気道上皮細胞の催炎症性反応や抗原提示細胞の活性化を誘導し、呼吸器疾患の悪化に関与しうることを見出し、おおむね順調に進展していると、自己点検、評価した。今後は、昨年度に引き続き、ナノ粒子の表面修飾がアレルギーに及ぼす影響と、その早期分子機構を解明する。具体的には、表面特性の異なるナノ粒子が、抗原提示細胞と各種T細胞サブセットとのネットワークに及ぼす影響、表面特性の異なるナノ粒子が、NH細胞に及ぼす影響等を中心に検討を行なう。

一部、未検討事項があるものの、ある種の表面修飾は、アレルゲン存在下、あるいは、非存在下において、酸化チタンの特性を変化させ、気道上皮細胞の催炎症性反応や抗原提示細胞の活性化を誘導し、呼吸器疾患の悪化に関与しうることを見出し、おおむね順調に進展していると、自己点検、評価した。今後は、昨年度に引き続き、ナノ粒子の表面修飾がアレルギーに及ぼす影響と、その早期分子機構を解明する。具体的には、表面特性の異なるナノ粒子が、抗原提示細胞と各種T細胞サブセットとのネットワークに及ぼす影響、表面特性の異なるナノ粒子が、NH細胞に及ぼす影響等を中心に検討を行なう。出産後の子の養育のため、十分な研究・実験時間の確保が困難であり、一部の検討ができなかったため。実施予定であった、表面特性の異なるナノ粒子が上皮細胞のアレルギー関連分子産生に及ぼす影響の検討のうち、未検討の上皮由来サイトカインの産生の測定等に使用する。
ブタ由来イムノバイオティクスによるエピジェネティック修飾の家畜健全育成応用戦略

近年、乳酸菌やビフィズス菌に代表されるプロバイオティクスの中でも、特に腸管などの粘膜免疫組織において免疫調節機能性を発揮するイムノバイオティクスが注目され、家畜健全育成の飛躍的向上を目指した抗菌剤代替としての発展的利用性が期待されている。我々はこれまでに、抗菌剤代替としてのイムノバイオティクスの家畜対応型選抜・評価系の確立を手掛けてきた。また、外国人特別研究員は、家畜の生体防御免疫機能性におけるジェネティックおよびエピジェネティックな解析を進めてきた。そこで本研究では、それらの研究領域を発展的に融合させ、世界共通課題である薬剤のみに頼らない家畜健全育成技術の飛躍的向上から安全な畜産食品生産に貢献することを目標に、とりわけイムノバイオティクスによる粘膜免疫機構のエピジェネティック修飾に着目した新たな研究基盤を構築し、家畜対応型イムノバイオティクスの発展的利用性について追究する。本年度は、以下の項目について実施し幾つかの研究成果が得られた。具体的には、ブタ由来乳酸桿菌を分離・同定し、イムノバイオティクス評価候補菌株の選抜を進めた。1.離乳12ヶ月齢のブタ腸管(空腸、回腸およびそれらのパイエル板)よりプレート寒天培地法によりグラム陽性微生物を単離した。さらに乳酸桿菌に着目し、16s rRNA塩基配列解析により菌種同定を行った。その結果、乳酸桿菌100株程度の単離同定を進めることができた。2.1で単離した菌株を対象として、イムノバイオティクスの選抜にあたり、まずブタ腸管ムチンならびに上皮細胞における接着性の機能評価を行った。その結果、イムノバイオティクス評価の候補菌株を10菌株程度選抜することができた。次年度以降で、さらにエピジェネティック修飾に着目したイムノバイオティクスとしての免疫調節機構解明を進める。本研究の目的は、世界共通課題である薬剤のみに頼らない家畜健全育成技術の飛躍的向上から安全な畜産食品生産に貢献することを目指し、イムノバイオティクスによる粘膜免疫機構のエピジェネティック修飾に着目した新たな研究基盤を構築し、家畜対応型イムノバイオティクスの発展的利用性について追究することである。そのためには、家畜種に対応した詳細な検討が必要となる。本研究では、家畜の中でも特に抗菌剤使用量の高いブタに着目し、まず初めにブタ腸管由来のイムノバイオティクス候補菌株の単離・同定を進めた。結果として100菌株程の乳酸桿菌が得られ、その中からイムノバオティクス候補菌株を10株程絞り込むことができ、以降の研究を展開する上で順調に推進することができた。本年度で得られたイムノバイオティクス候補菌株に加え、さらに候補を追加しながら選抜を拡大し、ブタ腸管上皮細胞におけるイムノバイオティクスのエピジェネティック修飾に着目した新たな研究を展開する。具体的には、イムノバイオティクス候補菌株とエピジェネティック修飾の標的がそれぞれ多検体であることから、網羅的な解析が必要となる。本研究では、候補菌株による腸管上皮細胞の刺激におけるエピジェネティック変化について、RNAシークエンシング解析を行うことで達成可能と考えている。さらにイムノバイオティクス候補が絞られた段階で、種々のイムノバイオティクス評価系による検討を進め、有用なイムノバイオティクスが得られると共に、家畜健全育成における新たな研究基盤とその応用への発展が大いに期待できる。

本研究では、家畜の中でも特に抗菌剤使用量の高いブタに着目し、まず初めにブタ腸管由来のイムノバイオティクス候補菌株の単離・同定を進めた。結果として100菌株程の乳酸桿菌が得られ、その中からイムノバオティクス候補菌株を10株程絞り込むことができ、以降の研究を展開する上で順調に推進することができた。本年度で得られたイムノバイオティクス候補菌株に加え、さらに候補を追加しながら選抜を拡大し、ブタ腸管上皮細胞におけるイムノバイオティクスのエピジェネティック修飾に着目した新たな研究を展開する。具体的には、イムノバイオティクス候補菌株とエピジェネティック修飾の標的がそれぞれ多検体であることから、網羅的な解析が必要となる。本研究では、候補菌株による腸管上皮細胞の刺激におけるエピジェネティック変化について、RNAシークエンシング解析を行うことで達成可能と考えている。さらにイムノバイオティクス候補が絞られた段階で、種々のイムノバイオティクス評価系による検討を進め、有用なイムノバイオティクスが得られると共に、家畜健全育成における新たな研究基盤とその応用への発展が大いに期待できる。
対集団差別における自動的成分の測定指標の開発とその妥当性に関する研究

初年度は「色グラデーション帯」尺度の作成、及びスクリーン投影による呈示法確立のための予備的作業を試みた。萌芽的な集団間関係を実験室内で実現する方法に最小条件集団状況と呼ばれるものがあるが、この予備作業ではそれに準じた集団実験状況において被験者二十数名の参加を得て問題が検討された。購入したプロジェクター(EPSON ELP-3500)を屋内の通常の教室で点灯の上呈示したのでは十分な呈示が得られないことが分かったため、黒色カーテンを閉めた上で一部点灯し、明るさ最大、コントラストその他は中の設定で、スクリーン面から5.5m、床面から1.25mの位置より刺激を呈示した。刺激はラップトップパソコンのスライド呈示用ソフトで色相・光度等を数値統制したものを作成し、それをプロジェクターに接続してスクリーンに呈示した。被験者はプロジェクター本体とスクリーンの間に着席し、刺激に関する一連の評定を行った。じゃんけんを用いた集団分け操作の後、被験者は3種の教示((1)分割比率の美しさ、(2)集団イメージ、(3)色強調)のもとで、(1)白色帝、(2)赤のグラデーション帯、(3)赤と青が両端にあり中間が白色となったグラデーション帯、の3種の刺激に対して判断をおこなった。全て被験者内要因計画を用いた。教示(3)の下で回答のバラツキが相対的に大きく、また特に教示(2)と(3)の下で所属集団による判断の差がみられるなど、興味深いデータが得られた。次年度は初年度に作成した実験刺激を用いて、実際に最小条件集団状況での集団間における評価・行動に加えて、対集団差別における自動的成分の測定をおこなった。通常の最小条件集団実験のなかに、色グラデーション帯による集団間分化の測定を組み込み、さらに自動的成分の検出に有効と考えられる「注意の撹乱」操作のあるなしを実験計画に盛り込んだ。統制条件と実験条件それぞれに二十名ずつの被験者の参加を得た。結果の詳細は学会などで発表される予定である。2年間の研究期間中、本年度はまず「色グラデーション帯」尺度の作成、及びスクリーン投影による呈示法を確立するための予備的研究を行う計画であった。計画段階で分けて設計していた2つの実験研究を、今年度には実際1つに合併した形で、最小条件集団実験に準じた集団実験状況において問題を検討した。被験者二十数名の参加を得た。刺激呈示方法の確立に関して、購入したプロジェクター(EPSON ELP-3500)を用いて屋内の通常の教室で点灯の上呈示したのでは、事実上十分な呈示が得られないことが分かった。そこで黒色カ-テンを閉めた上で一部点灯し、明るさ最大、コントラストその他は中の設定で、スクリーン面から5.5m、床面から1.25mの位置より刺激を呈示した。刺激はスライド呈示用ソフトを用い、色相・光度等を数値統制したものを作成し用いた。事後面接において、被験者から呈示された刺激については問題点は報告されなかった。実験者の目視によると、当該実験場面において被験者の不審な挙動は観察されなかった。具体的な実験手続きは、じゃんけんを用いた集団分け操作の後、3種の教示((1)分割比率の美しさ、(2)集団イメージ、(3)色強調)を用意し、それぞれの教示のもとで。(1)白色帯、(2)赤のグラデーション帯、(3)赤と青が両端にあり中間が白色となったグラデーション帯、の3種の刺激に対してそれぞれの教示に従って判断を行うというものであった。教示(3)の下で回答のバラツキが相対的に大きく、また特に教示(2)と(3)の下で所属集団による判断の差がみられるなど、興味深いデータが得られているが、分析がまだ十分でないため、引き続き分析を加え、さらに次の実験計画を作成・実行していく予定である。

教示(3)の下で回答のバラツキが相対的に大きく、また特に教示(2)と(3)の下で所属集団による判断の差がみられるなど、興味深いデータが得られた。次年度は初年度に作成した実験刺激を用いて、実際に最小条件集団状況での集団間における評価・行動に加えて、対集団差別における自動的成分の測定をおこなった。通常の最小条件集団実験のなかに、色グラデーション帯による集団間分化の測定を組み込み、さらに自動的成分の検出に有効と考えられる「注意の撹乱」操作のあるなしを実験計画に盛り込んだ。統制条件と実験条件それぞれに二十名ずつの被験者の参加を得た。結果の詳細は学会などで発表される予定である。
ソルボサーマル反応による硫化物ナノ粒子の合成と酸素還元触媒の開発

アルコールを溶媒とする金属カルボニルとイオウとのソルボサーマル反応による硫化物の合成では,硫化物と炭素質を含んだ単分散球状粒子が生成することを明らかにした。ソルボサーマル反応により酸素還元触媒を合成する際には,カーボンブラックを添加してからソルボサーマル反応を実施した方が,触媒の分散性が向上し,優れた触媒活性を示した。また,硫化ルテニウム系よりもセレン化ルテニウム系の方が,高い触媒活性を示した。キシレンを溶媒とするソルボサーマル反応と水を溶媒とする水熱反応を利用して,ロジウムカルボニルと固体イオウから硫化ロジウムの合成を行なった。イオウの添加量が少ない場合にはRh_17S_15が,多い場合にはRh_2S_3が生成し,原料のRh:S比により生成相を変化させることができることを見出した。結晶性の高い硫化ロジウムを合成するためには,両方法とも350から400°Cの比較的高温が必要であった。水熱反応では原料のロジウムカルボニルの形状を有する凝集体として生成物が得られたが,キシレンを溶媒とするソルボサーマル反応では100nm程度の大きさの単結晶粒子が軽く凝集した状態で生成物が得られ,触媒合成のためにはソルボサーマル反応の方が適していることがわかった。得られた結果は,2報の論文としてまとめ国際会議でも発表した。一方,溶媒を変化させてソルボサーマル反応を実施したところ,アルコール系の溶媒を用いることにより得られた生成物が、大きさの揃った単分散真球粒子になることを見出した。アルコールの種類を変化させることにより,硫化ロジウム微結晶の球状凝集体の大きさを数十から数百nmの大きさに制御可能であった。ソルボサーマル反応を他の硫化物の合成に応用するために,ルテニウムやモリブデンのカルボニルと固体イオウを原料として合成実験を行なった。ルテニウムやモリブデンの硫化物は,合成温度が高くとも低結晶性物質として生成した。また,アルコール類を溶媒とすることにより,ロジウムの場合と同じように,単分散した球状粒子として生成することがわかった。現在,この球状粒子の生成機構について検討を続けている。炭素(ケッチェンブラックEC300J)を添加してルテニウム硫化物をソルボサーマル反応により合成し,その触媒特性を評価したところ,酸素還元性を有することが確認できた。現在,イオウ添加量,合成温度,仮焼温度を変化させて触媒を合成し,合成条件が酸素還元特性におよぼす影響について研究を行なっている。平成22年度の研究目的の一つは,ソルボサーマル反応による球状硫化物の生成機構を明らかにすることである。そこで,原料や溶媒の種類,モリブデン:イオウ比,温度,時間などの合成条件を変化させて合成実験を行ない,結晶構造,組成,形態などに関し,得られた生成物を総合的に評価した。その結果,150°C程度の低温から球状粒子の生成が確認された。生成した球状硫化物の硫化物部分を酸で溶解させることにより炭素の球が残ることから,球の形態は炭素からなり,その炭素は有機溶媒から生成することが判明した。溶媒を変えることにより生成物の形態が変化することなどは,溶媒が化学的な反応により炭素質に変化する過程の違いによるものと考えられる。また,モリブデン以外のルテニウムやロジウムにおいても類似した球状の硫化物粒子が合成できることを確認した。硫化モリブデンとの大きな違いは,球状硫化モリブデンでは合成温度を高くしても,仮焼温度を高くしても硫化モリブデン自体は低結晶性のままであったが,球状硫化ルテニウムやロジウムの場合,合成温度を高くすることにより結晶性が向上することがわかった。もう一つ研究目的は,酸化還元触媒能の向上である。まず硫化ルテニウム系において合成条件を変化させながら合成した試料の酸化還元触媒能を測定し,好適な合成条件を決定した。その結果から,比較的低温で合成し低温で仮焼した低結晶性試料が優れた触媒能を有することを見出した。モリブデンを添加することにより触媒能の向上を期待したが,現在のところ,モリブデンの添加により顕著な改善は得られていない。一方,硫化物に替えて同じ方法を利用してセレン化物の合成を試み,その試料の触媒能を測定したところ,硫化物よりも優れた触媒特性を有することを見出した。現在,より触媒能の高いセレン化物試料の合成条件を探るために研究を継続中である。金属カルボニルとイオウを高温高圧のプロパノールなどの有機溶媒中で反応させることにより,10nm以下の微結晶が凝集した単分散球状粒子が生成するが,23年度は引き続き,硫化モリブデンに着目しその単分散球状粒子の生成機構に関して研究を実施してきた。その結果,単分散球状粒子は硫化モリブデンだけではなく炭素も含有していること,球状粒子は反応の初期に生成することなどから,球状粒子は原料のモリブデンカルボニルからのカルボニルの離脱と溶媒に用いたプロパノールの縮合によりモリブデンを含有した球状炭化水素重合物の生成が引き金になるものと推察した。

この結果は,論文として公表することができた。同じ方法で,他の硫化物も合成した。特に硫化ロジウムに関しては,炭素を添加して合成実験を行ったところ,比較的高い酸素還元触媒能を有する試料が作製できた。透過型電子顕微鏡で観察したところ,炭素を添加した場合には球状粒子が生成しておらず,硫化物は分散した状態で炭素に担持できていることがわかた。この試料の酸素還元触媒能が,炭素を添加せずに合成した硫化ロジウムに後から炭素を加えて物理的に混合した試料よりも高い値を示した原因は,硫化物の分散性に起因するものと考えられる。この結果も,論文として公表することができた。先に硫化物に替えてセレン化物の合成を試み,硫化物よりも優れた酸素還元触媒特性を有することを見出した。23度も引き続き,より触媒能の高いセレン化物試料の合成条件を探るために研究を実施し,その研究は現在も継続している。モリブデンカルボニルと固体イオウを原料としてi-プロパノール中でソルボサーマル反応を行なうと,単分散した真球状の生成物が得られた。本年度はこの反応の普遍性を調べるために,カルボニル原料や溶媒の種類を変えて,合成実験を行なった。まずモリブデンカルボニルを原料として,400°Cで溶媒の影響を調べた。エタノール,プロパノール(i-とn-),ブタノール(n-と2-)を溶媒としたところ,いずれの実験でも低結晶性硫化モリブデンが生成し,生成物の形態は球状でn-プロパノールとn-プロパノール中では粒子の凝集が観察されたが,他の溶媒中ではきれいな分散球であった。球の大きさは,溶媒により変化した,また,ルテニウム,ロジウム,レニウムのカルボニルを原料とした場合にも,原料に相当する硫化物が,基本的には球状粒子として生成した。硫化モリブデンは最も低結晶性で大きな単分散球として生成し,硫化ロジウムが最も結晶性が高く微細な球状粒子が凝集した形で生成した。原料の種類や溶媒の種類により生成物が変化する様子から,球状粒子の生成はカルボニルとアルコールとの反応による重合体生成が引き金となる同一生成機構によるものと考えられる。反応系に炭素を添加し,酸素還元用触媒能を合成した。昨年までの研究で,炭素を添加して合成した硫化ルテニウムが比較的高い酸素還元触媒能を有することがわかった。しかし,合成条件をいろいろ変化させても性能が向上しないので,イオウではなくセレンを原料として触媒を合成した。その結果,触媒の無触媒能は格段に向上した。しかし,セレン化ルテニウム触媒の性能も白金触媒の性能に達することはできなかった。硫化物球状粒子の生成に関し結果を論文にまとめることができ,硫化ロジウム系の試料の酸素還元触媒特性に関しても論文にまとめることができた。24年度が最終年度であるため、記入しない。ソルボサーマル反応による球状硫化物の合成反応を,原料や溶媒の種類を変えて実施することにより,合成方法として一般化する。また,より高い酸素還元触媒特性を有することが期待できるセレン化物に着目し,合成条件が触媒特性におよぼす影響を検討し,高い酸素還元触媒特性を有する触媒の合成条件を決定する。
小さなベント角を有するバナナ型分子の強誘電液晶とそのディスプレイへの応用

ジヒドロキシナフタレンのベントコア・チオエーテル末端鎖を分子設計の中心として駆使し様々な新規強誘電・反強誘電性液晶の発現の確認に成功した.1,7ージヒドロキシナフタレンのコアを用い、メソゲンの長さを通常五員環から七員環に伸ばした系では、スメクチック層方向に平行な自発分極を有するSmAP相が確認され、新規in-planeスウィッチング液晶材料として期待が集まる.さらに同じくナフタレンコアにチオエーテル末端鎖を導入した系では新規強誘電カラムナー相が確認され、その相構造の解明が行われた.これら新規強誘電相の発現はサイエンス・応用の両面において新たな材料となることが期待される.ジヒドロキシナフタレンのベントコア・チオエーテル末端鎖を分子設計の中心として駆使し様々な新規強誘電・反強誘電性液晶の発現の確認に成功した.1,7ージヒドロキシナフタレンのコアを用い、メソゲンの長さを通常五員環から七員環に伸ばした系では、スメクチック層方向に平行な自発分極を有するSmAP相が確認され、新規in-planeスウィッチング液晶材料として期待が集まる.さらに同じくナフタレンコアにチオエーテル末端鎖を導入した系では新規強誘電カラムナー相が確認され、その相構造の解明が行われた.これら新規強誘電相の発現はサイエンス・応用の両面において新たな材料となることが期待される.本年度は小さなベント角を有する新規バナナ型液晶を中心に分子設計・合成を行い、その構造および物性の詳細を解明し分子設計の最適化を行った。まずベント角を与える中心コア部には1,7-ジヒドロキシナフタレンを用いることで約60度の屈曲形状を与えた。サイドウィング部としては、コアの両翼に2つのエステル結合と1つのシフ結合を介して3つのベンゼン環を繋いだ構造を導入することによって分子のアスペクト比を高め相転移挙動の多様化と複屈折性の向上を同時に図った。その効果は非常に著しく、2つのベンゼン環を用いてサイドウィング部を設計した時とは全く異なる液晶相転移挙動が確認できた。すなわち、小さなベント角のコアに対しサイドウィング部の長さを伸ばす最適化の結果、より短いサイドウィング部を有する分子系では高温側から等方相-B4相の相転移を見られたのに対し、新たなSmAP相を発現させ、等方相-SmAP-B4相の相転移の多様化に成功した。SmAP相はスメクチック層内で分子のベント軸を層と平行に一方向に効率よくパッキングされた構造と考えられており、申請者らが提案した新規ディスプレイモードへの応用の面においても非常に有効であると期待できる。さらに上記分子設計を基本に末端鎖にチオアルキル基を導入することによって、スウィッチングが可能な強誘電性ヘキサゴナール・カラムナー相(Co1h)を発現させ、初めてCo1h-B4相転移を確認することができた。今回の発見は枝分かれ末端鎖を持たないバナナ型分子系においては初めての確認であり、今後Co1h液晶相の詳細な構造・物性を解明し、強誘電性を用いた新規ディスプレイモードへとアプローチしていく予定である。本年度は小さなベント角を有する新規バナナ型液晶を中心に分子設計・合成を行い、その構造および物性の詳細を解明し分子設計の最適化を行った。さらに上記分子設計を基本に末端鎖にチオアルキル基を導入することによって、スウィッチングが可能な強誘電性ヘキサゴナール・カラムナー相(Colh)を発現させ、初めてColh-B4相転移を確認することができた。今回の発見は枝分かれ末端鎖を持たないバナナ型分子系においては初めての確認であり、今後Colh液晶相の詳細な構造・物性を解明し、強誘電性を用いた新規ディスプレイモードへとアプローチしていく予定である。
最速追従推力のモータ制御で実現する次世代超薄型高速大容量光ディスク装置の開発

近年,デジタルコンテンツの容量は増大を続けており,デジタルデータ記録メディアの大容量化が求められている。一般的に、光ディスクのピックアップはそれぞれトラッキングが横方向、フォーカスが縦方向になっている。従来の制御系は縦方向と横方向を別々に設計してきたので、次のピックアップ動作点への移動が遅くなってしまうことがある。より早く動作点移動を達成するために、われわれは、光ディスクのトラッキングとフォーカスの同時制御を開発し、動作点の短い軌道制御を実現する。本研究では、トラッキングとフォーカスの同時制御系を有する新しい2次元フィードフォワード制御系を提案する。実験結果から提案法の有効性を確認する。平成23年度は、既存の光ディスク実験装置DDU1000で、CD-Rのトラックピッチより狭いDVDの媒体を用いて、最大限界ディスク回転数7200rpmの条件で、制御構造をパーフェクトトラッキング制御系で実装し、その有効性の検証を行う。その上で、上下方向のフォーカス軸と左右方向のトラッキング軸のエラー信号を2次元的に予測して、2次元エラー予測型高速高精度追従制御系を構成する。これは、本研究の最終目標のディスク回転数15000rpm(線速度75m/sec)の2/3の実験条件であり、この実験条件でフォーカスとトラッキングのエラーを±10nm以下を目標とするためである。平成23年度はDVDを媒体として、回転数7200rpmの実験条件でパーフェクトトラッキング制御系と等価完全追従制御系の両方を構築し、良好な応答性能を得た。また、上下方向のフォーカス軸と左右方向のトラッキング軸のエラー信号を2次元的に予測する2次元エラー予測型高速高精度追従制御系を構成した。次に、これと平行して、超薄型光ディスクの近接場光ピックアップを実現するために、ピックアップ器と光ディスクのギャップ(フォーカス)サーボのボイスコイルモータ駆動法を開発するために、ギャップ(フォーカス)サーボアクチュエータ制御を、エラー予測型サーボアクチュエータ制御とトルク飽和対策を組み合わせる制御法を確立した。以上の研究成果を光ディスク関係の国際会議ISOM/ODS2011とモーションコントロール関係の国際会議AMC2012において研究成果の発表を行った。2次元エラー予測型高速高精度追従制御系を、新しく評価機として導入されたブルーレイディスク実験装置DDU1000に対して用いて、その有効性を評価検討した。トラッキング軸はトラバース制御とトラッキング制御を連動させてのフォーカス制御をする必要性は無いとなったので、今までの回転数7200rpmより高速回転の10000rpmの条件下で、トラッキングサーボとフォーカスサーボの各々の最速追従推力ベクトル制御を実施した。新しいブルーレイディスク実験装置DDU1000で、トラッキングサーボとフォーカスサーボの各々に対して、10000rpmの条件下で、最速追従推力ベクトルのロバスト制御を実現し、その有効性を検証した。以上の実験結果のデータ取得のための高速デジタルオシロスコープを購入した。実験結果の評価を受けて、各サーボ系を改良するための機械部品一式と、インターフェース回路等の電子回路部品一式を購入した。平成24年度は、15000rpm超薄型光ディスクのための近接場光ピックアップを実現する要素技術の開発を行う。そのため、平成23年度の理論的に開発したエラー予測型サーボアクチュエータ制御をフォーカスサーボ系とトラッキングサーボ系の両方に適用する。光ディスク実験装置に、フォーカスサーボ系とトラッキングサーボ系の両方を一括にベクトル的に制御する2次元エラー予測型高速高精度追従制御系を構築し、実現した。そして、本研究の最大目標であるフォーカス軸とトラッキング軸の推力(電流)ベクトルによるトラッキングサーボ軸とフォーカスサーボ軸のそれぞれのボイスコイルモータの2次元ベクトル駆動法を実現した。以上の研究成果を電気学会産業応用部門の産業計測制御研究会において2回発表を行った。また、本研究を遂行する上での研究資料収集を、電気学会で行うとともに、アメリカ電気電子学会(IEEE)の国際会議IECON2012とICM2013において行った。最終年度の平成26年度は、今までの研究成果を受けて、先ず、DVD光ディスク実験装置DDU1000(NO.1)において、フォーカスサーボ系とトラッキングサーボ系の両方を一括にベクトル的に制御する2次元エラー予測型高速高精度追従制御系を、より高速追従制御を実現する2次元等価完全追従制御系の構成に改良する。そして、その有効性を確認した。次に、Blu-Ray Discの光ディスク実験装置DDU1000(NO.2)に対して、現在の光ディスク装置の最高回転数を超える8000rpmの高速回転時において、フォーカスサーボ系とトラッキングサーボ系の両方を一括にベクトル的に制御する2次元高速高精度追従制御系を、先と同様に、より高速追従制御を実現する2次元等価完全追従制御系で構成し、その実現を完遂した。

また、Blu-Ray Discの光ディスクの8000rpmの高速回転時における有効性を確認した。これにより、本研究課題で提案する2次元エラー予測型ロバストフィードフォワード制御系を一歩発展させて、2次元等価完全追従制御系でフォーカスとトラッキングの両方で安定に動作させることを、現時点の最高難度のBlu-Ray Discの光ディスクを8000rpmの高速回転時において確立する。この結果により、近接場光ピックアップと超薄型光ディスクをディスク回転数15000rpmで駆動させる光ディスク装置の駆動技術を確立できた。よって、本研究課題の目標を完遂した。26年度が最終年度であるため、記入しない。電気電子工学26年度が最終年度であるため、記入しない。(1)回転数7200rpmの実験条件でパーフェクトトラッキング制御系と等価完全追従制御系の両方を構築し、良好な応答性能を得た。(2)ギャップ(フォーカス)サーボアクチュエータ制御を、エラー予測型サーボアクチュエータ制御とトルク飽和対策を組み合わせる制御法を確立した。以上2つのことからおおむね順調に進展している。平成25年度は、新しく導入したブルーレイディスクの評価機において、10000rpmの高速回転において、トラッキングサーボとフォーカスサーボの各々の最速追従推力ベクトル制御を実現することができた。最終年度の平成26年度に、新しく導入したブルーレイディスクの評価機において、10000rpmの超高速回転において、トラッキングサーボとフォーカスサーボの2次元最速追従推力ベクトル制御への道筋ができた。このことはとても重要な成果である。よって、概ね順調に進展している。平成24年度の計画は、15000rpm超薄型光ディスクのための近接場光ピックアップを実現する要素技術の開発を行う。そのため、平成23年度の理論的に開発したエラー予測型サーボアクチュエータ制御をフォーカスサーボ系とトッキングサーボ系の両方に適用する。光ディスク実験装置に、フォーカスサーボ系とトラッキングサーボ系の両方を一括にベクトル的に制御する2次元エラー予測型高速高精度追従制御系を完成させる。そして、本研究の最大目標であるフォーカス軸とトラッキング軸の最速推力(電流)ベクトルによる高速高精度モータ駆動法を確立する。以上の計画を達成しているので、当初の計画をおおむね順調に進んでいると判断する。今後の研究の推進方向は、15000rpm超薄型光ディスクのための近接場光ピックアップを実現する要素技術の開発を行う。そのために、平成23年度の理論的に開発したエラー予測型サーボアクチュエータ制御をフォーカスサーボ系とトラッキングサーボ系の両方に適用する。そして、本研究の最大目標であるフォーカス軸とトラッキング軸の最速推力(電流)ベクトルによる高速高精度
トポロジカル電子状態の理論的研究

当該年度は3年間の課題の最終年度に当たり、2年間の研究を踏まえた発展的な内容として(1)異方的なバントタッチングのある2次元系、および(2)傾斜したディラックコーンを持つ2次元電子系における長距離クーロン相互作用の解析を行った。対象の系はともにエネルギーバンドの分散関係と、波動関数の幾何学的(トポロジカル)な性質が関連している。結晶の構造に由来する異方性により生じる複雑さを取り込んだ解析を行うことにより、等方的な場合と比較しより豊富で新奇な物性を見出した。(1)異方的なバンドタッチングのある2次元系における長距離クーロン相互作用の解析。トポロジカル相の相転移の量子臨界点や、黒リンの薄膜、チタン酸化物・バナジウム酸化物の超格子などにおける2次元系では、一方向は線形でもう一方は二次のエネルギー分散関係を持つような異方的なバンドタッチングを持つ電子系が実現する。バンドタッチングの点では、状態密度が消失するため電子間クーロン相互作用が遮蔽されず長距離力となる。この長距離クーロン相互作用の効果を繰り込み群の手法により解析した結果、電子の速度や準粒子の繰り込み因子などのスケール依存性に3つのクロスオーバーがあり、非フェルミ流体としての性質を持つことを見出した。(2)傾斜したディラックコーンを持つ2次元電子系における電子間相互作用の解析。以前、擬2次元有機導体α-(BEDT-TTF)2I3を対象として長距離クーロン相互作用の効果を調べた際は、非相対論的な範囲で解析を行ったが、今回は相対論的効果までを取り込んだ解析を行い、低エネルギー極限において、無相関時の異方性に関わらず等方的なディラックコーンが現れることを発見した。この性質はディラックコーンの傾斜が大きく、電子・ホールポケットが生じている場合でも成立する。この結果は、低エネルギーにおけるローレンツ不変性の回復の普遍性を示すものである。27年度が最終年度であるため、記入しない。当該年度は、1、ディラック電子系における電子相関効果の繰り込み群を用いた解析、2、結晶性トポロジカル絶縁体における電子間相互作用の効果の解析、3、原子におけるフント則の2原子模型への拡張を行った。研究計画では物質中のトポロジカルな電子状態に対する理論的解析を目的としており、これらの研究はトポロジカルな電子状態と電子相関およびスピン軌道相互作用の協奏関係を主眼に据えたものである。研究の具体的内容については、1では複数個のディラックフェルミオンの現れる物質を対象として電子間の相互作用の効果を繰り込み群の手法により解析した。一般に、物質中では電子の速度と光速とは異なる速さを持つが、相互作用の影響により電子の速度と光速が変化し、低エネルギー極限において両者が一致することを見出した。また、速度の変化に伴って変化する物理量を計算した。2では、結晶性トポロジカル絶縁体の端状態における電子相関の効果を解析した。結晶性トポロジカル絶縁体とは、結晶の対称性によって物質中では絶縁体であるが、その表面のみに伝導状態が現れる物質である。特に2次元の結晶性トポロジカル絶縁体では伝導状態は1次元となり、朝永・ラッティンジャー流体と呼ばれる特殊な電子状態となる。この1次元電子系における電子相関効果を、ボゾン化や繰り込み群などの手法を用いて解析し、安定性などを議論した。3では、フント則の対象を2原子系へと拡張し、電子相関効果と、電子の波動関数のトポロジカルな性質を引き起こす主因であるスピン軌道相互作用の協奏関係について議論した。スピン軌道相互作用の強い物質はスピントロニクス等の応用上も重要な意義を持つが、希少な元素が多くこれを安価で豊富な元素で実現することは大きな価値がある。ここでは、スピン軌道相互作用の電子間相互作用による実効的な増大の可能性について、ハミルトニアンの厳密対角化により調べた。当該年度の研究テーマは主として以下の3つである。研究計画では物質中のトポロジカル電子状態の理論的解析を目的としており、本研究はトポロジカルな性質の発現した電子系における電子相関の効果を明らかにすることを目指したものである。(1)ディラック電子系における電子間長距離クーロン相互作用の及ぼす効果の摂動論的解析。ディラック電子系を2つのエネルギーバンドが1点で接する特徴的なエネルギー分散を持った系と捉え、クーロン相互作用の遮蔽や系の異方性のもたらす効果について、3次元系を対象に解析した。こうした異方性を持った電子系はトポロジカル絶縁体の相転移の際に現れ、その際のクーロン相互作用の遮蔽の様子が通常の金属や等方的なディラック電子系とは異なる新奇なものとなることを見出した。(2)電子間相互作用による実効的なスピン軌道相互作用の変化に関する数値的解析および理論的考察。スピン軌道相互作用は固体中でトポロジカルな電子状態を引き起こす主な要因であるが、スピン軌道相互作用が強い元素には希少な元素が多く、これを安価で豊富に存在する元素で実現することには応用上の大きな意義がある。2サイトのd電子系をモデルとして数値的に解析することで、電子相関によりスピン軌道相互作用が実効的に増大する領域が存在することを確認し、理論面からの考察を行った。(3)電子間相互作用による結晶性トポロジカル絶縁体のトポロジカル相の分類の変化。結晶性トポロジカル絶縁体とは、結晶の対称性により電子のトポロジカルな性質が保護されている絶縁体であり、近年理論と実験の両面から注目を集めている。

特に鏡面対称性で保護された結晶性トポロジカル絶縁体を対象に電子間相互作用の効果を考え、2次元系と3次元系の両方においてトポロジカル相の分類が相互作用により変化することを見出した。また、相互作用により現れる新奇な電子相の測定について提案を行った。当該年度は3年間の課題の最終年度に当たり、2年間の研究を踏まえた発展的な内容として(1)異方的なバントタッチングのある2次元系、および(2)傾斜したディラックコーンを持つ2次元電子系における長距離クーロン相互作用の解析を行った。対象の系はともにエネルギーバンドの分散関係と、波動関数の幾何学的(トポロジカル)な性質が関連している。結晶の構造に由来する異方性により生じる複雑さを取り込んだ解析を行うことにより、等方的な場合と比較しより豊富で新奇な物性を見出した。(1)異方的なバンドタッチングのある2次元系における長距離クーロン相互作用の解析。トポロジカル相の相転移の量子臨界点や、黒リンの薄膜、チタン酸化物・バナジウム酸化物の超格子などにおける2次元系では、一方向は線形でもう一方は二次のエネルギー分散関係を持つような異方的なバンドタッチングを持つ電子系が実現する。バンドタッチングの点では、状態密度が消失するため電子間クーロン相互作用が遮蔽されず長距離力となる。この長距離クーロン相互作用の効果を繰り込み群の手法により解析した結果、電子の速度や準粒子の繰り込み因子などのスケール依存性に3つのクロスオーバーがあり、非フェルミ流体としての性質を持つことを見出した。(2)傾斜したディラックコーンを持つ2次元電子系における電子間相互作用の解析。以前、擬2次元有機導体α-(BEDT-TTF)2I3を対象として長距離クーロン相互作用の効果を調べた際は、非相対論的な範囲で解析を行ったが、今回は相対論的効果までを取り込んだ解析を行い、低エネルギー極限において、無相関時の異方性に関わらず等方的なディラックコーンが現れることを発見した。この性質はディラックコーンの傾斜が大きく、電子・ホールポケットが生じている場合でも成立する。この結果は、低エネルギーにおけるローレンツ不変性の回復の普遍性を示すものである。本研究では、固体中のトポロジカル電子状態における電子相関の影響を理論的に解析することを目的としている。また計画では現時点までに異方性のあるディラック電子系における解析を行うことを予定していた。実際には現在までに異方性のあるディラック電子系における電子間相互作用の影響の解析に加えて、強相関電子系におけるスピン軌道相互作用の実効的増大についての数値的解析、また電子間相互作用による結晶性トポロジカル絶縁体のトポロジカル相の分類の変化についての研究を行っており、本研究は当初の計画以上に進展しているといえる。27年度が最終年度であるため、記入しない。これまで3次元の異方的なディラック系に対して電子間相互作用の影響を解析してきたが、2次元系では3次元系とは異なる振る舞いを示すことが予想される。このように次元性と、電子系における相互作用の影響を調べることが今後の研究の方針として考えられる。
量子重力理論への窓としての時空特異点形成の研究

曲率が発散する時空特異点付近では量子重力の効果が優勢になっていると考えられ、微小なブラックホールの性質においてもその効果は重要である。ところで現在提唱されている量子重力理論の最有力候補である超弦理論は高次元時空を予言するが、現在までに超弦理論の非摂動的側面はまだ完全には理解されてない。一方でヘテロ型超弦理論の低エネルギー有効理論として曲率二次の項を含むガウス・ボンネ理論が実現することが知られている。この理論は準線形二階微分理論であり、またゴーストフリーであるなどの特筆すべき性質を備えており、古典重力と量子重力をつなぐ重要な役割を果たすと考えられる。そこで今年度は主に高次元時空のガウス・ボンネ理論におけるブラックホールの動的な性質を研究した。単純化のためにn(>4)次元時空を2次元ローレンツ時空とコンパクトな(n-2)次元極大対称時空の直積と仮定した。動的時空におけるブラックホールをHaywardによって1996年に定義された未来光的捕捉地平線で定義する。我々は適切なエネルギー条件の下で以下を示した。[I]一般相対論極限を持つブラックホールは面積増大定理など一般相対論の場合と同じ性質を備えており、そうでないブラックホールは逆の性質を持つ。後者の病的な振る舞いの起源も明らかにした。[II]定常時空におけるキリングベクトルを一般化された小玉ベクトルに置き換えて得られる動的ブラックホール熱力学第一法則から動的ブラックホール・エントロピーを定義し、これが一般相対論極限の有無によらず常に増大することを示した。またもう一つの成果として、4次元ブラックホールの半古典的放射であるホーキング輻射における、宇宙膨張と物質降着の効果を明らかにした。本研究課題に対する本年度の結果は4次元時空における一般相対論の内容と高次元時空におけるガウス・ボンネ理論の内容とに大別される。前者においては膨張宇宙におけるブラックホールの自己相似的成長の可能性に対して重要な貢献をした。宇宙初期に形成された原始ブラックホールの自己相似的急成長の可能性は1969年にゼルドビッチとノビコフによって最初に提唱されて以来、銀河中心に存在する超巨大ブラックホールの起源の魅力的なシナリオとして研究されてきた。彼らの結果はニュートン的な解析から得られているため、一般相対論においてフリードマン宇宙におけるブラックホールを表す自己相似解が存在するかどうかが注目されてきた。しかしこれまでの研究のほとんどは数値的な解析にとどまり、解の存在を証明することも棄却することもできていなかった。その中で我々はスカラー場もしくは硬質流体を含む場合に漸近的フリードマン宇宙の球対称自己相似ブラックホール解が存在しないことを解析的に証明し、この分野の研究に大きな一石を投じた。後者においては高次元ブラックホールとその形成に対して成果を得た。準線形2階微分理論の枠組みにおいて最も一般的な任意次元の重力理論は作用に曲率高次項を含むラブロック理論である。これは4次元で一般相対論に帰着し、曲率二次のガウス・ボンネ項は超弦理論の低エネルギー有効理論の中でも現れることから、これら曲率高次項のブラックホールや時空特異点のあり方に対する影響が注目されている。そこで我々は曲率二次までの項を含んだガウス・ボンネ理論において高次元球対称重力崩壊の研究を行った。我々はこの理論における準局所質量を定義することで系の非常に簡潔な定式化を行い、ダスト流体の重力崩壊の最終状態が次元の数に依存するという興味深い結果を得た。特に5次元の場合、一般相対論では禁止される質量を持つ裸の特異点が形成されることがわかった。一方我々はコンパクトな余剰次元を持つカルツァ・クライン時空の研究も行い、余剰次元が負曲率アインシュタイン空間となる一連の新しい厳密解を発見した。これらの解はブラックホールやその形成を表しており、ガウス・ボンネ項の効果が4次元時空上に現れている点で非常に興味深い。
分子クラウディングワールドを活用した変異導入不要の酵素機能変換システムの開発

ポリメラーゼによるDNAやRNA重合反応において、分子クラウディング環境が変化することで、重合するDNAやRNAの量や質が変わってくることを明らかにした。これらの現象はタンパク質を介さない遺伝子発現制御であることから、タンパク質が無かったRNAワールドでは鋳型核酸の構造が遺伝子発現制御を司っていたことが示唆された。さらに、細胞内解析により、鋳型核酸の構造による遺伝子発現制御が現在の細胞システムでも活用されていることを見出した。したがって、RNAワールドからDNAワールドに移り変わる過程で、その制御システムがRNAからDNAに引き継がれた可能性が示された。本研究の目的は、分子クラウディング環境の変化が生命進化をもたらしたとする「クラウディングワールド仮説」を提唱し、RNAワールドからDNAワールドへと移る過程を分子クラウディング環境の変化によって実現できるかどうかを検証することである。H28年度は、クラウディング環境下において各種ポリメラーゼのRNAおよびDNA合成活性を定量解析することを目標とした。先ず分子クラウディングが核酸に及ぼす効果について検討した。ポリエチレングリコール(PEG)による分子クラウディング効果による核酸構造のダイナミクスを解析したところ、PEG鎖が核酸の部位特異的に相互作用することで局所的な脱水和を引き起こし、構造安定性を変化させることが見出された(S. Takahashi et al., Mol. Enz. Drug Targ., 2, 3 (2016), S. Takahashi et al., J. Inorg. Biochem.,166, 199-207 (2017).)。これらの知見を生かし、T7 RNAポリメラーゼの反応系中に種々の分子量の異なるPEG鎖を添加して反応を観察したところ、反応速度と基質特異性がそれぞれPEG鎖の違いによって影響を受けることが分かった。特にPEG200(平均分子量200)を用いた際に、元来の基質であるRNAの重合が低下し、元来基質ではないDNAの重合活性が促進された。したがって、RNAワールドからDNAワールドへと移る過程では、PEG200と同じような分子によるクラウディング環境がRNAポリメラーゼに影響することで、DNA重合が行われていたことが示唆された。分子クラウディングが核酸やタンパク質に特異的かつ直接的に相互作用することで、標的分子上に局所的なクラウディング環境が生まれることが見出された。したがって、分子クラウディングの構造や物性を変えることで、標的分子の機能を様々に調節することができることが分かってきた。その結果、分子クラウディングワールドとして仮説を立てていたRNAポリメラーゼ活性がクラウディング環境に応じてDNAポリメラーゼへと変換する様子を実証することに成功した。クラウディング環境の系統的な検討と、蛍光相関分光法を用いたポリメラーゼと鋳型核酸複合体の観察、および立体構造情報から推測される活性変換のメカニズムの推定などにより、反応メカニズムの化学的な解釈を進めることができた。当初はH29年度に行う予定であった様々な非天然型核酸の合成反応も行い、非天然型核酸を含むオリゴRNA重合ができるクラウディング条件も既に見つけることができた。現在はこれらの手法に関する特許の出願準備をしており、研究成果は論文投稿中である。H29年度は細胞内クラウディング環境に応じたDNAやRNAの重合反応に関する定量的な解析を進めた。まず、分子クラウディングによって誘起される鋳型DNAの特殊構造(グアニン四重鎖やi-motif構造)がDNA重合反応に与える影響を解析したところ、特殊構造の安定性に応じてDNA重合反応の速度が低下することを見出した(S. Takahashi, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 114, 9605 (2017))。さらに、特殊構造を有する鋳型DNAからのRNA重合反応に関する解析を行い、細胞内の分子環境が変化することで、重合するRNAの量や質が変わってくることを明らかにした(H. Tateishi-Karimata, et al., J. Am. Chem. Soc. 140, 642 (2018))。さらに、鋳型核酸の構造による遺伝子発現制御が現在の細胞システムでも活用されていることから、RNAワールドからDNAワールドに移り変わる過程で、その制御システムがRNAからDNAに引き継がれた可能性を示すことができた。さらに、分子クラウディングによる核酸重合反応の調節を工学的に活用することも検討した。その結果、T7 RNAポリメラーゼの反応系内に高濃度のPEG200を添加することで、DNAの2'位がFやOMeに修飾されたモノマーを重合できるように酵素活性が変化する事を見出した。これらの成果に関しては、現在論文投稿中である。

したがって、RNAワールドからDNAワールドに移り変わる過程で、その制御システムがRNAからDNAに引き継がれた可能性が示された。細胞内のクラウディング変化による生体分子の機能変換のモデル実験を行う。具体的には複製系を内包したリポソーム内でのRNAおよびDNAの重合反応を解析する。PEG濃度を系統的に変えることでリポソーム内のクラウディングを変えた際にもポリメラーゼの活性変換が生じるか確認する。さらにリポソーム内にクラウディング状態が経時的に変化するシステムを共存させて、複製反応の転換が起こるか検討する。系内のクラウディング状態はグルコースからグリコーゲンを合成するグリコーゲン合成酵素によって鎖長の長いグリコーゲンを経時的に作製することを計画している。多糖のグリコーゲンはクラウディング剤として働くと期待できる。RNAおよびDNA合成速度をグリコーゲン合成のキネティクスと比較し、低クラウディング状態ではRNA合成が、高クラウディング状態ではDNA合成が優先的に起こっているか確認する。生命分子化学主に執行予定であった論文の英文校正費が、当初の予定していた価格より安価に抑えられたため。次年度での英文校正費や実験用消耗品費として使用する。