hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
遅筋線維の発達にかかわるカルシニューリン情報伝達系活性化に必要な急性運動強度

遅筋線維の発達に関与するとされるCa^<2+>依存性タンパク質脱リン酸化酵素、カルシニューリンの役割を明らかにするために、カルシニューリン情報伝達系に関与する遺伝子の発現を遅筋線維と速筋線維で比較した。その結果、カルシニューリン活性を抑制するMyocyte specific calcineurin inhibitory protein 1(MCIP1)mRNAの発現が、速筋線維に比較して遅筋線維で数十倍高いことを見出した。この発現量の差異と筋線維分化の関係を調べるために、骨格筋に対する支配神経を切断したところ、MCIP1 mRNA発現量の差は、遅筋・速筋線維の分化に依存することがわかった。さらに、マウスやラットに急性運動を負荷した実験より、骨格筋におけるMCIP1 mRNAの発現は、運動後数時間から一過性に強く誘導された。MCIP1遺伝子の転写制御を解析したところ、カルシニューリンによって活性化される転写因子(NFAT)が直接MCIP1遺伝子のプロモーターを活性化しており、MCIP1 mRNAの発現変動が骨格筋におけるカルシニューリン活性を反映することが明らかになった。そこで、トレッドミルを用いてラットに急性運動を負荷し、MCIP1 mRNA発現誘導と運動強度の関係を検討した。その結果、急性運動後4時間でMCIP1 mRNA発現は、非常に低強度(12m/分で10分間)の運動で誘導され、運動時間に比例して増大した。また、スピードを変化させて(816m/分)計120mの運動を負荷したところ、いずれのスピードでも同程度のMCIP1 mRNAの発現が誘導された。以上より、非常に低強度の運動でも骨格筋のカルシニューリン情報伝達系が活性化されることが明らかになった。Ca^<2+>依存性タンパク質脱リン酸化酵素・カルシニューリンは、骨格筋を構成する遅筋線維の発達や維持に重要であることが示唆されている。種々のラット・マウス骨格筋でカルシニューリン情報伝達系に関与する遺伝子のmRNA発現を検索したところ、速筋線維から構成される前頸骨筋などに比較して、遅筋線維に富むヒラメ筋などで、カルシニューリン活性の抑制タンパク質であるMCIP1(myocyte-enriched calcineurin interacting protein)mRNA発現が非常に高いことがわかった。MCIP1 mRNA発現量の差異は、それぞれの骨格節に対する支配神経を切断するとみられなくなった。支配神経による持続的な刺激が筋線維の特性の維持に必要なことから、MCIP1の発現は、筋線維の分化にかかわっている可能性が示唆された。MCIP1遺伝子のプロモーターを解析したところ、カルシニューリンによって活性される転写因子NFAT(nuclear factor of activated T cells)の結合配列が多数存在していた。そこで、ラットやマウスにトレッドミル運動を施行し、ヒラメ筋や前頸骨筋における遺伝子発現変化を検討したところ、運動後数時間以内にMCIP1 mRNA発現が一過性に強く誘導された。また、このプロモーター配列を用いたリポーター遺伝子をマウス骨格筋に導入したところ、運動刺激によってリポーター活性が誘導された。培養細胞系でMCIP1プロモーターの転写活性を詳細に検討したところ、NFAT結合配列がカルシニューリン依存性の転写誘導に重要であることが認められた。以上より、MCIP1 mRNAの発現変化によって、骨格筋活動によるカルシニューリン情報伝達系の活性化を早期にモニターできることが明らかとなった。

その結果、カルシニューリン活性を抑制するMyocyte specific calcineurin inhibitory protein 1(MCIP1)mRNAの発現が、速筋線維に比較して遅筋線維で数十倍高いことを見出した。この発現量の差異と筋線維分化の関係を調べるために、骨格筋に対する支配神経を切断したところ、MCIP1 mRNA発現量の差は、遅筋・速筋線維の分化に依存することがわかった。さらに、マウスやラットに急性運動を負荷した実験より、骨格筋におけるMCIP1 mRNAの発現は、運動後数時間から一過性に強く誘導された。MCIP1遺伝子の転写制御を解析したところ、カルシニューリンによって活性化される転写因子(NFAT)が直接MCIP1遺伝子のプロモーターを活性化しており、MCIP1 mRNAの発現変動が骨格筋におけるカルシニューリン活性を反映することが明らかになった。そこで、トレッドミルを用いてラットに急性運動を負荷し、MCIP1 mRNA発現誘導と運動強度の関係を検討した。その結果、急性運動後4時間でのMCIP1 mRNA発現は、非常に低強度(12m/分で10分間)の運動で誘導され、運動時間に比例して増大した。また、スピードを変化させて(816m/分)計120mの運動を負荷したところ、いずれのスピードでも同程度のMCIP1 mRNAの発現が誘導された。以上より、非常に低強度の運動でも骨格筋のカルシニューリン情報伝達系が活性化されることが明らかになった。
仮想現実空間と自然言語を用いる機器修復支援システム

仮想機械の分解・組立手順を専門家の教示例だけではなく、不合理ではない手順なら受理可能であるように、手順をAND/ORグラフ表現を用いて記述した。この結果、対象をサブアセンブリーや基本部品に自由に分解したり逆に組み立てることが可能となった。本システムは、製品が故障した際に、故障部位の置換が速やかに行い得るように初心者を訓練するのが目的であるため、複数箇所の部品破損が疑われる場合の分解・再組立が効率的に行われるように支援を行う機構を加えた。従来の方法では、最初に疑われる部品が正常であった場合は、取り外した全部品を完成状態まで再組立した後に次の被疑部品を分解していたが、今回の改良で無駄な再組立と分解操作を削除することが可能となった。初心者が犯す誤りとして、手順の誤り、組立最終状態の誤りを想定し、誤りの種類に応じて、適切な情報を音声で指示する予定であったが、音声の発生や中断と、描画との同期がうまくとれず未解決である。この点につき更に研究を進めたい。本システムを用いて仮装機械で訓練を受けた初心者が、実機を上手く分解・組立できるかが問題となる。この点に関して現システムでは物理法則を適用していないため、重力や摩擦力そして物体との接触・衝突による拘束感と力覚が与えられない。このため、例えば圧入を必要とする組立部位をを挿入不可能と誤認する可能性がある。先ず前者については、締結されていない部品は重力の影響を受けて脱落する可能性のあること、後者については力覚フィードバック装置のハプティックマスターを用いて、操作感覚を使用者に返すことを目的として研究を続行したいと考えている。
重症外科侵襲時のアミノ酸・蛋白代謝における消化管の重要性に関する研究

従来は侵襲後のアミノ酸・蛋白代謝では末梢骨格筋から供給されるアミノ酸が肝臓でネルギ-産生や蛋白合成に利用されるというアミノ酸・蛋白の“末梢骨格筋一肝"経路が重要視されてきた。しかし、蛋白回転率の速い消化管組織は筋組織にくらべて急激なストレスに対してより適応性を有しており、消化管はストレス時にはその迅速かつ効率的な代謝特性を生かして、優れたアミノ酸・窒素の供給源となりうると考えられる。本研究では、重症外科侵襲生体でのアミノ酸・蛋白代謝への消化管の関与を明確にし、この消化管を中心とした代謝病態にもとずく治療法の開発を目的とした。平成元年度の実績として(1)胃切除ラットでの術後の経腸栄養と経静脈栄養を比較し、術後に消化管組織の蛋白合成率が高いほど、肝臓の蛋白合成率は亢進し、かつ筋蛋白の崩壊が少いこと、(2)無麻酔・意識下開腹犬の術後には、腸管からのアミノ酸の放出と肝臓での摂取の亢進が認められたが判明した。平成2年度には、外科侵襲のメヂエ-タとして注目されているILー1とTNFの腸管のアミノ酸代謝に及ぼす影響を、無麻酔・意識下犬で検討した。ILー1とTNFはそれぞれ単独で5μg/kg/時を持続的に2時間にわたって静脈内に投与した。その結果、ILー1投与では腹腔領域の血流量は増加し、また腸管でのグルタミン摂取の増加、アラニン放出の増加が認められた。これに対し、TNF投与では逆に腹腔領域の血流量を減少させ、また腸管での各アミノ酸の有意な変動はみられなかった。このことから、外科侵襲時のメジエ-タであるサイトカインでも同量の投与では、TNFではなく、ILー1が腸管のアミノ酸・蛋白代謝を活発化することが明らかとなった。以上の成績から、重症外科侵襲時には腸管はアミノ酸・蛋白代謝において重要な役割を演じていることが明かとなった。本研究で得られた成果は今後の重症外科侵襲生体での新しい栄養管理法の開発におおいに役立つと考えられる。外科侵襲下の蛋白アミノ酸代謝における腸管の役割の重要性を明らかにする目的で以下の実験を行い、それぞれの結果を得た。実験1.胃切除ラットモデルを用いて経腸栄養法と経静脈栄養法が蛋白代謝に及ぼす効果を安定同位体15N-グリシンを用いて検討した。〔結果〕経腸栄養法では経静脈栄養法に比較して、全身蛋白代謝回転率、全身蛋白崩壊率、また腓腹筋、腹直筋創部、小腸の蛋白合成に良好な影響を与えることが判明した。また、侵襲ホルモンであるカテコラミンの分泌を軽減し、腸管免疫能、全身免疫能にも良好な影響を与えていた。実験2.雑種成犬を開腹し、手術終了直後と術後1日目に肝動脈、門脈、肝静脈の血流量とアミノ酸濃度を測定して、腸、肝でのアミノ酸出納を算出した。〔結果〕術後1日目では腸,肝でのアミノ酸代謝は術後よりも亢進し、肝での活発なアミノ酸の取込みが認められた。この際、腸管はアミノ酸供給臓器のひとつとして重要な役割を果たしていた。また腸管自らはグルタミンをさかんに取込み、エネルギ-基質として利用していることが示唆された。

その上でさらにグルタミンをアラニンへ変換して放出、これを肝臓が摂取するという腸・肝の密接な相互関係の存在も明らかとなった。実験3.術後の敗血症を想定して、敗血症時に放出されるメディエ-タ-IL-1を開腹術後犬に投与し、腸、肝でのアミノ酸代謝を実験2と同様の方法で検討した。〔結果〕グルタミンが腸管へいっそう取込まれ、高度侵襲下での腸管におけるグルタミンの利用亢進が示唆された。以上のごとく侵襲時に腸管が重要な役割を果たすこと明確となり、また侵襲時腸管ではグルタミンの要求が高まっていることが示唆された。今後侵襲時に腸管の働きをいっそう活発にすると期待されるグルタミンを投与し、腸や全身の蛋白アミノ酸代謝を検討する計画である。従来は侵襲後のアミノ酸・蛋白代謝では末梢骨格筋から供給されるアミノ酸が肝臓でネルギ-産生や蛋白合成に利用されるというアミノ酸・蛋白の“末梢骨格筋-肝"経路が重要視されてきた。しかし、蛋白回転率の速い消化管組織は筋組織にくらべて急激なストレスに対してより適応性を有しており、消化管はストレス時にはその迅速かつ効率的な代謝特性を生かして、優れたアミノ酸・窒素の供給源となりうると考えられる。本研究では、重症外科侵襲生体でのアミノ酸・蛋白代謝への消化管の関与を明確にし、この消化管を中心とした代謝病態にもとずく治療法の開発を目的とした。平成元年度の実績として(1)胃切除ラットでの術後の経腸栄養と経静脈栄養を比較し、術後に消化管組織の蛋白合成率が高いほど、肝臓の蛋白合成率は亢進し、かつ筋蛋白の崩壊が少いこと、(2)無麻酔・意識下開腹犬の術後には、腸管からのアミノ酸の放出と肝臓での摂取の亢進が認められたが判明した。平成2年度には、外科侵襲のメヂエ-タとして注目されているILー1とTNFの腸管のアミノ酸代謝に及ぼす影響を、無麻酔・意識下犬で検討した。ILー1とTNFはそれぞれ単独で5μg/kg/時を持続的に2時間にわたって静脈内に投与した。その結果、ILー1投与では腹腔領域の血流量は増加し、また腸管でのグルタミン摂取の増加、アラニン放出の増加が認められた。これに対し、TNF投与では逆に腹腔領域の血流量を減少させ、また腸管での各アミノ酸の有意な変動はみられなかった。このことから、外科侵襲時のメジエ-タであるサイトカインでも同量の投与では、TNFではなく、ILー1が腸管のアミノ酸・蛋白代謝を活発化することが明らかとなった。本研究で得られた成績は今後の重症外科侵襲生体での新しい栄養管理法の開発に役立つと考えられる。
乳腺組織におけるアルギニン代謝動態の網羅的解析

アルギニンの乳牛における栄養的意義を明らかにするために、アルギニンとその関連物質について、乳腺組織における代謝状況を検討した。乳腺組織でのアルギニンの取り込みが急激に増加する泌乳初期に低分解性の飼料タンパク質源を補給すると、アルギニンの乳腺組織への供給量は変わらないが、乳タンパク質への変換効率が高まることが判明した。さらに、乳腺組織へのアルギニン供給には内臓組織での代謝が関与していることが示唆された。乳牛の乳腺組織での乳タンパク質合成量の制限要因を探索するために、多種の代謝産物の基質となりうるアルギニンに着目し、アルギニンとその関連代謝物の乳腺組織における代謝動態を乳腺組織での動静脈差などをもとに明らかにすることが本研究の目的である。本年度は、特に分娩前後での乳腺組織における各種アミノ酸および尿素の動静脈差および取込み率とアルギニンの代謝動態との関連を調べた。5頭の経産牛を用い、分娩20日前から分娩30日後まで5日間隔で尾動脈と乳房静脈血を採取し、血漿中遊離アミノ酸と尿素の濃度を測定した。分娩にともない飼料摂取量と乳量が増加しても、必須アミノ酸のうちアルギニン、ロイシン、ヒスチジン、フェニルアラニンの動脈血中濃度は分娩30日後まで有意に増加しなかった。必須アミノ酸の乳腺組織での動静脈差は分娩後増加した。乳腺組織の取込み率ではアルギニン、ロイシン、リジン、フェニルアラニン、スレオニンで分娩直後から急激に増加した。このことから、アルギニンは分娩直後から乳腺組織での需要が高く、乳腺組織にとって重要なアミノ酸であることが示唆された。アルギニンの代謝に関連のあるオルニチンとプロリンの動静脈差と取込み率も分娩後増加したが、シトルリンの動静脈差と取込み率は低く推移し、分娩後の増加もみられなかった。尿素の動静脈差は分娩後5から20日の間、負の値となり、乳腺組織から血中に放出されることが認められた。これらのことは、分娩後の乳腺組織での乳タンパク質生産の増加によって、各種の可欠アミノ酸に変換されうるオルニチンの乳腺組織での需要が増加し、それを補うのにアルギニンからの異化によってオルニチンが供給されることを示唆している。したがって、泌乳初期の乳腺組織でアルギニンは直接タンパク質の某質となる以外にも、可欠アミノ酸給源として重要な役割を担っている可能性が示唆された。本年度は、アミノ酸の乳腺組織への取り込みに関与する要因を明らかにするために、動脈血中のアミノ酸濃度と乳腺組織での取り込み(動静脈差)との関連を調べた。9頭の経産牛を用い、分娩30日前から分娩60日後まで、経日的に尾動脈と乳房静脈血を採取し、血漿中遊離アミノ酸濃度を測定した。各アミノ酸について、分娩前と分娩後にわけて、動脈血漿中濃度と動静脈差および取り込み率の相関関係を解析した。分娩前ではほとんどの必須アミノ酸において、動脈血漿濃度と動静脈差との間に有意な相関関係はみられなかった。分娩後では、ほとんどの必須アミノ酸で、動脈血漿中濃度と動静脈差との間に、2次曲線的な相関が認められた。しかし、アルギニンに関しては、動脈濃度の増加に伴い動静脈差が直線的に増加した。また、多くの必須アミノ酸で動脈血漿中濃度が同程度であっても、分娩後の方が分娩前に比べ、動静脈差は大きくなった。特に、アルギニンに関しては、動脈濃度が同じであっても分娩後の動静脈差は4倍程度増加した。一方、動脈血漿濃度とアミノ酸取り込み率との間には、分娩前および分娩後とも、多くの必須アミノ酸で有意な相関関係はみられなかった。これらのことから、乳腺組織でのアミノ酸の取り込み量は、分娩後では濃度依存的に増加することが明らかとなった。特にアルギニンに関しては、動脈血漿濃度の増加がわずかであっても乳腺組織への取り込み量がすみやかに増加することが明らかとなった。乳腺組織内におけるアルギニンの代謝動態について、(1)主な給与粗飼料源の影響(実験1)ならびに(2)泌乳初期でのタンパク質補給の影響(実験2)について検討した。実験1では、コーンサイレージ単独給与区とコーンサイレージ+グラスサイレージ併給区での乳生産と乳腺組織でのアミノ酸代謝の関連を検討した。併給区で乳脂率が高まる傾向にあったが、乳量や乳タンパク率には違いはなかった。乳腺組織でのアミノ酸の利用状況にも給与区による違いはなかったが、アルギニンの乳腺組織での取り込み率はいずれの給与区でも他のアミノ酸に比べて高かった。

実験2では、分娩前の乳牛を対照区と加熱大豆粕給与区の2群にわけ、分娩30日後まで乳生産状況と乳腺組織でのアミノ酸代謝を調査した。加熱大豆粕給与区では配合飼料1kg分を加熱大豆粕1kgと置き換えて給与した。乾物摂取量、FCM生産量、乳タンパク率は加熱大豆粕給与区で高く推移した。しかし、分娩後でのアルギニンの動脈血漿中濃度、乳腺組織動静脈差、取り込み量には、処理区間に違いはなかった。一方、アルギニンの乳タンパク質への変換効率と乳への分泌量は、加熱大豆粕給与区において分娩20-30日後に高くなる傾向にあった。この時期では、加熱大豆粕区での飼料摂取量が多く、エネルギー基質の乳腺組織での取り込み量も多かったことから、エネルギー摂取量の増加が乳腺でのアルギニン代謝に間接的に影響したものと推察された。さらに、アルギニンの代謝物である尿素やクレアチニンの乳静脈濃度が動脈濃度より高かったことから、アルギニンは乳タンパク質合成以外の種々の代謝にも利用されていることが示唆された。以上のことから、エネルギー摂取量を高めることで、アルギニンの乳タンパク質への変換が高まり、乳タンパク質生産が増加する可能性が示唆された。
コンファインドメーソンリー耐震化による途上国地震災害リスクの軽減

本研究では,枠組組積造(Confined Masonry)建物における主筋の定着破壊の問題を取り上げ,その特性を明らかにするとともに,改善策の提案を行うことを目的としている。本年度は,3種類の改良型主筋定着法を用いた枠組組積造壁体(HA-2,HA-3,HA-4)の耐震性能を実験的に調べ,既往の定着法(SA,HA)による耐震性能と比較検討を行った。得られた結果を以下にまとめて示す。1)既往の定着法の試験体(SA:直線定着の試験体)に比べて,改良型の2体(HA-2:定着専用筋を追加した試験体,HA-3:拘束柱と臥梁との接合部にハンチを設けた試験体)は高い耐震性能を示した。特に,試験体HA-3では拘束柱と臥梁との接合部にひび割れの発生もなく,高い損傷抵抗性を有することが確認された。なお,既往の定着法(HA)と比較しても性能が向上するかどうかは,フック定着でせん断破壊する壁体の実験データを得た上で改めて検証する必要がある。2)改良型定着法の試験体(HA-4:4本の柱主筋を太径の1本に置換し,これを臥梁へ折り曲げ定着した試験体)はすべり破壊に至ったため,定着法による壁体の耐震性能の違いは確認されなかった。臥梁主筋が直線定着およびフック定着された枠組組積造壁体の耐震性能について実験的に検討を行った。その結果を以下にまとめて示す。1)直線定着の試験体では,せん断ひび割れにより最大荷重を記録した後,層間変形角が0.4%の時に梁主筋の定着破壊(引き抜け)が見られた。2)フック定着の試験体では,壁体脚部の水平目地に沿ったすべりにより最大荷重を記録した。層間変形角が0.5%の時に壁体にせん断ひび割れが発生し,拘束柱と臥梁の接合部にひび割れが進展したが,定着破壊には至らなかった。組積体の圧縮強度の影響を含め,実験システムの改良が必要である。生じた課題のうち,組積体の圧縮強度の影響について検討するため,目地の厚さおよび目地モルタルの強度を変動因子とした12種類の試験体に対して圧縮実験を行った。1)組積体の初期剛性は,構成材料であるれんが単体と目地モルタルの力学的性質を考慮に入れた理論式により概ね評価できた。2)組積体の圧縮強度は,目地モルタルの強度のみならず目地の厚さにも影響を受けた。目地モルタルの強度が低いほど,目地厚さの増大による組積体強度の低下が顕著であった。途上国で見られる主筋定着ディテールを有する壁体の破壊実験を実施し,その耐震性能を明らかにするとともに力学上の課題を整理することができた。本年度度は,組積体の圧縮性状に関して低強度れんがに対する目地厚さの影響を明らかにすることを目的とし,目地の厚さおよび目地モルタルの強度を変動因子とした12種類48体の試験体に対して圧縮実験を行った。1)低強度れんがを用いた場合でも,組積体のヤング係数は構成材料であるれんが単体と目地モルタルの力学的性質を考慮に入れた理論式により概ね評価できた。2)組積体の圧縮強度は,目地モルタル強度がれんが単体の強度に対して低いほど,目地厚さの増大による組積体強度の低下が顕著であり,既往の研究と同様の傾向を示した。一方,目地モルタル強度がれんが強度と差の小さいものを使用した試験体では,目地厚さに関わらず同程度の圧縮強度を示し,目地厚さ影響は見られなかった。以上の研究成果に基づいて,枠組組積造における梁主筋定着ディテールの改善案として当初考えたていた方法の妥当性について検討を行い,改善案を具体化させた。枠組組積造における梁主筋定着ディテールの改善案を検討するうえで課題の一つであった組積体の圧縮強度について明らかにすることができた。これに基づいて,改善案の実験計画を立てることができた。

2)改良型定着法の試験体(HA-4:4本の柱主筋を太径の1本に置換し,これを臥梁へ折り曲げ定着した試験体)はすべり破壊に至ったため,定着法による壁体の耐震性能の違いは確認されなかった。力学的な観点に加えて施工性も考慮に入れ,数種類の主筋定着法の改善案を検討し,それらの性能を破壊実験と解析により評価する。実験計画に従って,主筋定着ディテールの改善案の性能を検証するとともに,解析により評価する。実験システムの改良の必要が生じたが,本年度の未使用額では不足した。また,改良の実施は十分に検討したうえで次年度に行った方が大きな成果が得られると考えられた。(理由)主筋定着ディテールの改善案の性能を検証する実験計画を立てたが、本年度の未使用額では不足した。(使用計画)次年度の助成金と合わせて,検証実験を実施する。次年度の助成金と合わせて,実験システムの改良を行う。
無線通信多次元空間のためのネットワークコーディング

本研究は、多次元に拡大している無線通信ネットワークのためのMIMOネットワークコーディング法を検討し、その特性を明らかにすることを目的としている。研究期間内において、二次元、三次元に適したネットワークコーディング法を提案し、その性能を理論解析により評価している。その結果、提案したネットワークコーディング法は、それぞれの次元において、従来法の約2倍の性能を達成可能であることを明らかにしている。本研究は、多次元に拡大している無線通信ネットワークのためのネットワークコーディングの特性を明らかにするものである。ネットワークコーディングは、無線通信の同報性を活かして効率良く符号化を行い中継伝送するものである。しかしながら、ネットワークコーディングを多次元化された無線通信ネットワークに適用する場合、次元の拡大による中継点の増加、理想的な電波伝搬モデルと実際のモデルとの差異の影響、など検討しなければならない課題がある。平成21年度は、特に、(1)二次元空間ネットワークコーディング法、(2)二次元空間におけるMIMO送受信ウェイトの計算法について検討し、(3)三次元空間への可能性を図るものである。本研究では、(1)、(2)について、一次元空間におけるネットワークコーディング手法について調査し、二次元空間におけるネットワークコーディングを実現するMIMO送受信アンテナウェイトの計算方法を理論解析により検討した。その結果、次元を拡大したことによる自由度を活かした二次元MIMOネットワークコーディングを構成可能であることを明らかにした。さらに、(3)について、三次元空間におけるMIMOネットワークコーディングの基本性能を計算機シミュレーションにより明らかにした。その結果、アンテナの構成によりスループット性能が劣化することを示した。今後は、三次元空間におけるMIMOネットワークコーディングの最適化を行う予定である。平成22年度は、昨年度の調査検討結果を活用し、三次元空間のためのネットワークコーディングとしてぐ複数のアンテナを用いて送受信を行うMIMOネットワークコーディングに着目し、送受信アンテナの構成法、干渉回避及び除去法を理論解析により検討した。本研究では、新たに水平・垂直偏波をMIMOネットワークコーディングに適用することで、多次元空間における同一チャネル干渉の軽減を行った。性能評価の結果、偏波を導入することより対象次元がさらに拡大し、ネットワークスループットが向上できることを明らかにした。さらに、偏波を用いたMIMOネットワークコーディングに時空間ブロック符号を適用することで、符号化率とダイバーシティ利得を改善でき、従来の2倍以上のネットワークスループット性能を達成可能であることを明らかにした。
火葬骨を”自然に土に還す”手法の確立

日本は舎利信仰が深く、火葬後の収骨儀礼も敬いの念があり、世界的にも亡骸を深く尊重する国であると言える。一方で、すべての遺骨が永続的に崇め祀られることはなく、弔い手のいなくなった放置遺骨が増えつつある。超高齢化社会になり、その数はさらに増え、社会問題になる可能性もある。まさに今、葬儀・埋葬様式を変えていかなければいけない過渡期にある。本研究においては、日本の埋葬文化を尊重しながら、新たな埋葬方式を導入することを目指す。つまり、1火葬骨を、急激にではなく、自然の土壌中の分解に似せて徐々に分解する手法、かつ、2普通に手に入る毒性のない化学試薬・反応を用いて環境に優しい手法、を確立する。
糖尿病発症における給餌刺激感受性リズムの解析

本研究はリズム異常を指標として糖尿病関連遺伝子をスクリーニングすることを目的としている。研究開始当初、代表的なリズム遺伝子と糖代謝に重要な関連があると予想される遺伝子合計10種を解析対象として脳内及び肝臓での発現プロファイルを完成させる事を達成目標とした。本研究はin situ hybridizationによる解析を中心に、制限給餌を施した動物を用いて給餌刺激に特徴的な反応を示す遺伝子の検索を行った。まずは15年度内にPer1,Per2,Bmal1,RGS16について脳内における解析を終了した。その結果、体内時計中枢である脳内視床下部、視交叉上核(SCN : Supurachiasmatic nucleus)とその周辺領域を解析した所、梨状葉皮質(Pyriform cortex)においてPer2,RGS16ともに制限給餌に由来する発現の新たなピークを得た(第81回日本生理学会大会にて発表)RGS16 (regulators of G-protein signaling)は3量体Gタンパクのαサブユニットをターゲットとするリガンドである。Per2や他の体内時計遺伝子では給餌刺激によって本来の発現パターンが変動する事が報告されているが、時計遺伝子以外でのこのような現象は本報告が初出となる。概日リズムの振動体を形成する体内時計遺伝子とシグナル伝達に関与する物質との連携を解析する事は、時計中枢による末梢臓器の生理機能の制御を解明する糸口となる事が期待できる。一方、本研究では生活習慣の憎悪によって発症する糖尿病を解析対象とするために、肥満を発症しないながらも絶対的インスリン不足によらない糖尿病モデルとして、Akita mouseを対象群として設定し、この遺伝子発現及び行動リズムに関する基礎データの収集を行った。(第82回日本生理学会大会にて発表予定)17年度以降は、本研究の成果を生かすべく、現在Tissue Micro Arrayを用いた解析に着手している。均一な条件でより多くの、より多様なサンプルを同時に解析する事ができるようになるため、解析速度が飛躍的に向上されることが期待される。これにより、脳、肝臓のみならず糖尿病の様な全身疾患に必須である多臓器プロファイルの大量集積により、インフォマティクスのソースの構築を目指す。マウスのリズム発現する遺伝子はピークの位相からRev-ErbA/Per2,Cry1,Bmal1,Id2をそれぞれ代表とする4つのクラスタに分類されている。これら4種のクラスタ代表遺伝子とDbpなど糖代謝に関与している遺伝子6種、合計10種の遺伝子について脳内リズム及び摂食中枢、肝臓でのmRNAの発現パターンの解析を計画し、15年度はこの中の5種類について達成する目標を立てた。給餌刺激への感受性の高い遺伝子を探索するために、実験動物に非摂食時間帯における1日4時間の制限給餌を施し自由摂食群と遺伝子発現を比較した。発現の解析はin situ hybridizationによる時間的空間的な発現プロファイルの作成を目指した。本来、ではcRNAプローブを用いた方が高感度であると言われているが、立案の段階では本機を使用しての実験系はオリゴプローブを用いたものだけであった。しかし、その後cRNAプローブによるプロトコールが開発されたので、新手法による利点からこれを採用した。このような経緯により、現在解析が終了したのはPer1,Per2,Bmal1,RGS16の4つとなっている。この遅れを挽回するために、プラスミドのクローニングする事に無しにcRNAプローブを作成する手法の採用し、これを遂行中である。RGS16(regulators of G-protein signaling)は3量体Cタンパクのαサブユニットをターゲットとするリガンドである。この遺伝子発現が24時間で振動する事は既に報告されているが、本研究において制限給餌で位相が変動する事は初めて示された。また、摂食亢進作用を持つグレリンという生理活性ペプチドがGタンパクを介して細胞内シグナリングを誘導するという事も報告されている。以上を踏まえて、16年度の研究では脳内各領域と肝臓に絞って検索を行う予定であったが、RGSのその他のサブタイプにも注目し、膵臓・腎臓などにも検索範囲を広げて、より詳細なプロファイルの作成に努めていく。また、高脂肪飼料を用いて血糖上昇と遺伝子発現の関連を解析する予定であるが、自然発症型の疾患モデル動物を用いて、先天的な因子との比較検討も併せて行う予定である。Per2や他の体内時計

遺伝子では給餌刺激によって本来の発現パターンが変動する事が報告されているが、時計遺伝子以外でのこのような現象は本報告が初出となる。概日リズムの振動体を形成する体内時計遺伝子とシグナル伝達に関与する物質との連携を解析する事は、時計中枢による末梢臓器の生理機能の制御を解明する糸口となる事が期待できる。一方、本研究では生活習慣の憎悪によって発症する糖尿病を解析対象とするために、肥満を発症しないながらも絶対的インスリン不足によらない糖尿病モデルとして、Akita mouseを対象群として設定し、この遺伝子発現及び行動リズムに関する基礎データの収集を行った。(第82回日本生理学会大会にて発表予定)17年度以降は、本研究の成果を生かすべく、現在Tissue Micro Arrayを用いた解析に着手している。均一な条件でより多くの、より多様なサンプルを同時に解析する事ができるようになるため、解析速度が飛躍的に向上されることが期待される。これにより、脳、肝臓のみならず糖尿病の様な全身疾患に必須である多臓器プロファイルの大量集積により、インフォマティクスのソースの構築を目指す。
思考・推論への順逆モデルアプローチ

WCSTは、トランプのカードを順次4つの山のいずれかに分類し、分類が正しかったか否かの教示情報に基づいて、未知の分類規則(色による分類、形による分類、数による分類の3種類)を推論するものである。対象課題としてWCSTを取り上げたのは、正常な人でも時々間違えるという適度な難しさを有しており、また前頭葉に障害のある患者で種々の実験がなされているからである。本研究では、第一にWisconsin Card Sorting Test(WCST)の被験者実験を行うための実験システムをワークステーション上に構築した。なお正答が10回程度続いた場合、これまでの規則を破棄し新しい規則に変更する。第二に、この実験システムを用いて被験者実験を行ない、被験者の応答および応答時間をワークステーションおよびビデオカメラでも記録した。個人差があると思われるので、20数人の被験者を対象として実験を行なった。個人差はあるが、正答率はおおむね80%90%であった。第三に、WCSTの思考・推論モデルを構築し、被験者実験データを説明できるよう強化学習を用いてモデルパラメータを推定した。モデルの振る舞いと被験者実験データを対照することにより、モデルの精緻化を図る。逆モデルの修正方法としては強化学習を用いる。ここでの困難な点は、いつ規則が変更されたかが教えられる訳ではなく、あくまでも各々の回答が正答か誤答かののみが教えられ、また、たとえ正答であっても実験システムで想定している規則と被験者が考えている規則が一致しているとは限らないことである。分類規則の変更直後に13回の誤答が見られるが、その後は正しい分類規則が見つかっている。なお人間は複雑な推論を行なうので、もう少し少ない誤り回数で規則が発見できる。
結核菌感染防御におけるLipocalin 2の役割の解析

これまでにLipocalin 2欠損マウスおよび肺胞上皮細胞を用いた実験より、Lipocalin 2が結核菌感染防御に重要な役割を担っていることが明らかになった。またリコンビナントLipocalin 2が結核菌の増殖を抑制することも明らかにした。これまでの抗結核薬、特に抗生物質に対して耐性な多剤耐性結核菌の出現により世界的に結核菌患者が微増しているのに対して、もしLipocalin 2が抗結核薬として機能すれば、Lipocalin 2は結核菌の増殖に必要な鉄イオンをターゲットにしているため、これまでのような耐性菌の出現が起こりにくいと考えられる。そこでリコンビナントLipocalin 2の抗結核薬としての臨床応用を検討した。高純度のリコンビナントLipocalin 2のタンパク質精製に成功し、また結核菌の強毒株H37Rvを用いたマウス感染実験も確立していることから、次にマウスを用いたリコンビナントLipocalin 2の抗結核薬としての効果を検討した。まず投与方法としてリコンビナントLipocalin 2を気道より投与したところ、特にマウスへの影響は認められなかった。そこで野生型およびLipocalin 2欠損マウスに結核菌H37Rv株を感染させ、2日後にリコンビナントLipocalin 2を気道より投与した。現在継続中であり結果は得られていないが、この実験が今後リコンビナントLipocalin 2の抗結核薬としての応用に向けての基盤になればと思っている。これまでにLipocalin 2欠損マウスおよび肺胞上皮細胞のcell line(AECs)を用いた実験より、Lipocalin 2が結核菌感染防御に重要な役割を担っていることが明らかになった。またLipocalin 2が細胞内の結核菌の増殖抑制に関わっていることが予想されることから、AECsを用いて細胞内でのLipocalin 2の結核菌感染防御メカニズムを解析した。細胞内での結核菌数をより厳密に測定するために、活動性の結核菌に優先的に取り込まれる[^3H]Uracilを用いて解析したところ、Lipocalin2欠損マウス由来のAECsのほうでより細胞内での結核菌の増殖が亢進していることが明らかになった。これに対して、マクロファージでは差が認められなかった。このことからLipocalin 2による結核菌感染防御には、肺胞上皮細胞が主に関わっていることが明らかとなった。またリコンビナントLipocalin 2が結核菌の増殖を抑制することから、抗結核薬としての臨床的応用を検討した。まず高純度でのリコンビナントLipocalin 2のタンパク質精製の条件(温度、時間、用量など)を検討したところ、最終濃度が3mg/mlのリコンビナントLipocalin 2が3.5ml得られるようになった。今後はこのリコンビナントLipocalin 2を投与することで、実際に結核菌感染マウスの病状が回復するか検討していく予定である。
破壊確率を考慮したコンクリ-ト舗装の寿命評価

本研究の目的は、コンクリ-ト舗装を経済的、合理的に設計するために必要となる、交通荷重、温度変化などの外的条件の変動および舗装材料の力学的性質などの内的条件の変動などを、確率論的に解析するシステムを構築することである。得られた主な成果は以下のとおりである。(1)建設省東北地方建設局管内の国道全線路に関する、過去10数年間のコンクリ-ト舗装路面の調査資料を入手し、これを分析、整理しデ-タファイルを構築した。また建設省が実施している交通荷重調査資料、コンクリ-ト版の温度変化に関する資料などを入手し、その変動特性を確率論的に分析、整理した。(2)横目地縁部構造をFEMモデル化し、その数値計算結果に重回帰分析を適用して、実用的な横目地縁部応力式を導いた。(3)舗装用コンクリ-トの曲げ疲労試験を実施し、その試験結果を確率論的に解析することにより、舗装用コンクリ-トの疲労変動特性を明らかにした。(4)コンクリ-ト版に、疲労やひびわれが発生するまでの供用寿命のばらつきを評価する、モンテカルロシミュレ-ションシステムを(2)、(3)で得られた成果をもとに構築した。(5)(1)で作成したデ-タファイルをもとにコンクリ-ト版にひびわれが発生した後のコンクリ-ト舗装の供用寿命を評価する、モンテカルロシミュレ-ションを構築した。これらのシミュレ-ションシステムを用いることにより、コンクリ-ト版の供用寿命の信頼性を解析、予測することが出来る。本研究の初年度である昭和63年度において、次の研究を行なった。1.本研究の基礎である、コンクリート舗装の曲げ疲労に影響を及ぼす外的要因、内的要因のばらつきを考慮したい、コンクリート舗装の破壊寿命に関するモンテカルロシミュレーションを完成した。2.1.のシミュレーションにおけるコンクリート舗装破壊の内的要因の一つである、コンクリートの曲げ疲労強度のばらつきに関するデータは、静的曲げ強度52kg/cm^2のコンクリート供試体の試験結果に基づいている。そこでさらに静的曲げ強度40kg/cm^2、60kg/cm^2の2種類のコンクリート供試体に関して曲げ疲労試験を実施した。試験の際の応力レベルは0.90、0.85、0.80、0.70の4種類、打切り繰り返し載荷数は、200万回とした。供試体数は各応力レベル24本、合計240本の曲げ疲労試験を実施することにより、品質の異なるコンクリートの曲げ疲労強度のばらつきに関するデータを得た。3.建設省東北地方建設局で管理している国道全路線におけるコンクリート舗装の路面現状調査データを入手し、これに交通量、舗装構造などを入力したデータファイルを作成した。この調査は同一箇所を3年間隔で既に3回実施している。またこれらのデータに関して、青森、盛岡、秋田、山形、いわき、郡山などにおいて調査内容のチェックを行なっている。データ数は舗装構造が明確なもの1,593箇所、舗装構造が不明なもの6,733箇所、合計8,326箇所である。4.3.のデータファイナルにより、コンクリート舗装が、交通区分、経年数によって、そのひびわれ度がどのようなばらつきをもって分布するか分析を行ない、その度数分布をベータ分布関数で表現した。本研究課題に関する平成元年度の主な研究実績は次のとおりであり、これにより、本研究の目的である破壊確率を考慮したコンクリ-ト舗装の寿命評価の手法を確立することができた。(1)昭和63年度に作成したコンクリ-ト舗装の寿命評価シミュレ-ションモデルは、コンクリ-ト版の疲労値を基準としたものであった。しかしながら実際には、コンクリ-ト舗装はひびわれが発生した後も交通に供用される。したがって、寿命評価のためには、コンクリ-ト版のひびわれ進行に関してのシミュレ-ションモデルを作成する必要がある。このようなことから、平成元年度においては、コンクリ-ト舗装の経年的なひびわれ挙動に関するシミュレ-ションモデルを構築した。

(2)寿命(疲労値)評価シミュレ-ションにおいて、コンクリ-ト版の横目地縁部応力式が必要である。昭和63年度作成のシミュレ-ションにおいては、現行設計法で用いられている縦目地縁部応力式を転用していたが、本年度の研究においては、横目地縁部応力式を有限要素解析および重回帰分析により作成した。これにより本シミュレ-ションにおいて、横目地縁部における疲労計算の精度を高めることができるようになった。(3)建設省で実施している全国的な車輪重量測定デ-タを入手し、交通レベルごとの輪荷重分布モデルを構築し、昭和63年度に作成した寿命(疲労値)評価シミュレ-ションの修正を行なった。
実世界の如何なる質問にも回答するユニバーサル・オープンドメイン質問応答の実現

1.実世界質問の収集如何なる質問にも対応するユニバーサル質問応答システムの実現のため、まず、実世界にはどのような質問が現れているかを調査した。Web上で発せられる質問に注目し、ある利用者の書き込んだ質問に対し他の利用者が解答を登録する質問ポータルコミュニティサイトから、「質問」と「回答の集合」を1ペアとして、約119万ペアを収集した。2.実世界質問の分析次に、収集した質問の分類を試みた。しかし、質問の与え方は様々で、質問を見ただけでは質問者がどのようなタイプの情報を欲しているかを判断するのが難しいということが分かった。そこで、質問を投げることによって結果として質問者が得られた情報の種類から質問の分類を行った。以降、これを「回答タイプ」と呼ぶ。質問・回答ペア約2000に対し、人手で回答の分類を行いつつ回答タイプの設計を行い、10種類の回答タイプに分類した。3.システムの実装収集・分析した基礎データを元に、ユニバーサル質問応答システムの実装を行った。回答抽出のアプローチとして、質問に対する正解らしさを質問内容の一致と回答タイプの一致の2つの指標の組合せで評価し、2つが共に尤もらしい回答を抽出する手法を実装した。そのうち、回答タイプの一致判定には、分類した回答タイプのいずれかであるかを判定する分類器を用いる手法と、タイプ一致の有無を二値分類する手法を検討した。4.システムの評価本研究課題開始後の平成18年度には、国立情報学研究所主催の評価型ワークショップであるNTCIRにて非事実型の任意の質問を対象とするQAタスクが開始された。そこで、収集した実世界質問での評価に加えて、ワークショップで配布された質問200問の両方を対象に、システムの評価実験を行った。その結果、評価対象によらずタイプ一致の有無を二値分類する手法が有効であることがわかった。本研究の目的は、人が音声によって発した質問に対して、検索対象とする文書(対象文書)で回答できる範囲であれば、種類によらずどんな質問でも回答するユニバーサル・オープンドメイン質問応答を実現することである。本年度の研究計画に対する研究成果は以下の通り。(1)実世界質問の分析および分類まず、テキストによる質問に対するユニバーサル質問応答実現の可能性を調査するため、WWW上で問われる質問の調査を行った。WWW上の質問ポータルサイトから様々な分野・ユーザによる質問とそれに対する回答のペアを収集した。収集した約100万の質問回答ペアから、実際に質問されている質問の分野の分布に従いランダムに2000問を抽出し、質問がどのような回答を求めているかという観点から期待する回答タイプのグルーピングと分類を行った。この分類について、質問サイトを対象に回答タイプ一致を手がかりとした回答抽出の予備実験を行い、まずまずの手ごたえを得た。(2)factoid型質問応答システムの高度化質問応答を対話的に利用する場面では、対話の文脈からユーザの質問を適切に解釈する文脈処理が必要となる。対話的質問応答での文脈処理に、質問応答のパッセージ検索を利用した情報検索的手法を開発した。本手法は、質問のトピックが質問毎に移り変わるブラウジング型の対話の文脈処理に有効であることが分かった。本手法を実装したシステムで、質問応答の評価型ワークショップに参加したところ、良好な成績を得ることができた。(3)音声認識機能の高度化音声入力による質問応答の問題点は音声認識誤りによる性能低下である。この問題に対し、音声認識と質問応答を統合し、質問応答の構成要素であるパッセージ検索のスコアを音声認識の候補選択に利用する手法を開発した。この手法により、認識精度の改善および質問応答の性能を大きく改善できた。1.実世界質問の収集

如何なる質問にも対応するユニバーサル質問応答システムの実現のため、まず、実世界にはどのような質問が現れているかを調査した。Web上で発せられる質問に注目し、ある利用者の書き込んだ質問に対し他の利用者が解答を登録する質問ポータルコミュニティサイトから、「質問」と「回答の集合」を1ペアとして、約119万ペアを収集した。2.実世界質問の分析次に、収集した質問の分類を試みた。しかし、質問の与え方は様々で、質問を見ただけでは質問者がどのようなタイプの情報を欲しているかを判断するのが難しいということが分かった。そこで、質問を投げることによって結果として質問者が得られた情報の種類から質問の分類を行った。以降、これを「回答タイプ」と呼ぶ。質問・回答ペア約2000に対し、人手で回答の分類を行いつつ回答タイプの設計を行い、10種類の回答タイプに分類した。3.システムの実装と評価収集・分析した基礎データを元に、ユニバーサル質問応答システムの実装を行った。回答抽出のアプローチとして、質問に対する正解らしさを質問内容の一致と回答タイプの一致の2つの指標の組合せで評価し、2つが共に尤もらしい回答を抽出する手法を実装した。そのうち、回答タイプの一致判定には、分類した回答タイプのいずれかであるかを判定する分類器を用いる手法と、タイプ一致の有無を二値分類する手法を検討した。4.システムの評価本研究課題開始後の平成18年度には、国立情報学研究所主催の評価型ワークショップであるNTCIRにて非事実型の任意の質問を対象とするQAタスクが開始された。そこで、収集した実世界質問での評価に加えて、ワークショップで配布された質問200問の両方を対象に、システムの評価実験を行った。その結果、評価対象によらずタイプ一致の有無を二値分類する手法が有効であることがわかった。
分葉核形成誘導化合物2057による好中球様細胞へのダイレクトリプログラミング

我々は、HeLa細胞の核を、好中球細胞に特徴的な分葉核状に変化させる化合物2057を同定した。本研究では、「HeLa細胞から好中球細胞への直接変換」が化合物2057処理により生じている可能性を検証した。2057処理により、HeLa細胞の顕著な遊走性上昇が観察されたが、好中球特異的表面抗原の発現や貪食活性の誘導は検出されなかった。また、2057による核分葉化機構を解析し、2057処理によるProtein Kinase Cの活性化により細胞骨格Tubulinの分布変化が誘導され、核膜裏打ちタンパク質ラミンA/Cの分布変化との協働作用によって、核の分葉化が生じている可能性が示された。我々は、放線菌培養上清サンプルから、ヒト子宮頚部癌由来の上皮様癌細胞(HeLa細胞)の核形態を、白血球の一種である好中球細胞に見られる「分葉核」に変化させる化合物2057を同定した。本研究では、2057処理による核分葉化機構について解析するとともに、HeLa細胞から好中球細胞への化合物によるダイレクトリプログラミングの可能性について検証した。まず、化合物2057がProtein Kinase C (PKC)の活性促進活性を持つことを、スタウロスポリンによる阻害実験により証明した。次に、化合物2057処理による核分葉化が、新規な転写やタンパク質への翻訳を必要としないことを示した。また、チューブリンの重合阻害によって2057処理細胞の核分葉化が抑制されたことから、チューブリンのダイナミックな局在変化が核を分葉化する力を生み出していることを明かにした。PKCによってαチューブリンがリン酸化されることが核の分葉化を誘導していると推測された。また、核の分葉化によって、ヒストンのメチル化など、顕著なクロマチン修飾変化は観察されなかった。2057処理後、910時間経過すると、浸潤突起の形成などHeLa細胞の細胞形態が大きく変化し、遊走性が顕著に上昇することが示された。マーカー蛋白質の発現解析から、2057長時間処理によりHeLa細胞に上皮間葉分化転換(EMT)が生じている可能性が示唆された。一方、HeLa細胞から好中球様細胞へ直接変換したかどうかを検証するため、化合物2057で処理後、好中球細胞特異的表面抗原CD32、CD43、CD16bなどが発現しているか、それら因子に対する抗体を用いた解析を行ったが、長時間処理細胞においても、好中球細胞特異的表面抗原の有意な発現は検出されず、HeLa細胞から好中球様細胞へ変換した可能性を支持する結果は今回得られなかった。分子遺伝学
ストレス応答性超分子マテリアルの創成と機能開拓

申請者は環状ホスト分子であるシクロデキストリン(CD)を用いて可逆的な超分子の錯形成に注目し、刺激応答性超分子材料の研究テーマにおいては、CDとアゾベンゼンを組み込んだ超分子ヒドロゲルの作製と光刺激応答性ゾル-ゲルスイッチングの実現および超分子アクチュエータを実現した。この可逆的なホスト-ゲスト相互作用は自己修復性超分子材料の研究テーマにおいても有効であり、CDの可逆的な錯体形成を利用した超分子ヒドロゲルの作成と、外部刺激に応じた超分子ヒドロゲルの接着挙動、および破断面選択的な接着性を示す自己修復挙動の観察した。(Nat. Chem. 2011, Nat. Commun. 2011)。日本の科学技術発展において高分子科学が果たせる役割に人工筋肉や自己修復性などの再生医療への創発機能を持った材料が期待されている。その中で高分子ゲルが果たせる役割は重要な領域である。本申請課題ではホスト分子とゲスト分子の組み合わせに応じた多機能な超分子ヒドロゲルの構築を試み、ストレスとして光や酸化還元を用いて、ゾル・ゲル相転移、人工アクチュエーターを目指した膨潤・収縮の制御を試みる。超分子ゲルのレスポンス改善・自己修復性超分子マテリアルの構築ホスト分子としてシクロデキストリン、酸化還元応答分子としてフェロセンを利用して、高分子側鎖に修飾することにより、酸化還元応答性の超分子ヒドロゲルにゾル-ゲルスイッチに成功した。特異的なホストーゲスト相互作用に応じて、ゾルゲル変化が確認された。形成された超分子ヒドロゲルの架橋が可逆的なホストーゲスト錯体形成によることに着目し、一度切断してそのネットワークが崩れても、包接錯体形成の自己組織化(回復)により傷を修復できるのではないかと考えた。実際にゲルを切断し、切断面同士にて再び接合したところ、切断した際の傷が消失し、再接着が確認された。これにより、この超分子ヒドロゲルの自己修復性が確認された。更に、ゲル表面でのフェロセンの酸化状態を変化させることによる自己修復能の制御を試みた。ゲルの切断面に酸化剤を塗布し、表面のフェロセンをプラスイオン状態としたところ自己修復能の低下が確認された。続いて還元剤を塗布してフェロセン部位を中性状態に戻したところ元のように自己修復能の回復が認められた。以上のように、生体系に見られるような刺激に対する応答性、自己修復性を兼ね備えた新規機能性材料を人工系で実現することに成功した.日本の科学技術発展において高分子科学が果たせる役割に人工筋肉などの創発機能を持った材料が期待されている。本申請課題ではホスト分子とゲスト分子の組み合わせに応じた多機能な超分子ヒドロゲルの構築を試み、ストレスとして光や酸化還元を用いて、ゾル-ゲル相転移、人工アクチュエーターを目指した膨潤-収縮の制御を試みた。酸化還元刺激応答性超分子ゲルアクチュエーターの構築ホスト分子であるβ-シクロデキストリン(βCD)を用いて、ゲスト分子にはフェロセン(Fc)を選択した。βCDとFcのホスト-ゲスト相互作用を利用して、超分子ヒドロゲルを作製した。βCDは選択的に疎水性のFc分子を取り込み、包接錯体を形成する。我々はホストーゲスト相互作用を高分子側鎖間の架橋として利用するだけでなく、化学架橋部位を導入することによって、外部刺激に対しても形態が崩れない超分子ヒドロゲルを作製した。作製した超分子ヒドロゲルは有機溶媒中では大きく膨潤するのに対して、溶媒を水に置き換えることによって、大きく収縮した。このような溶媒の疎媒変化に対して示す膨潤収縮性は、CDとゲスト分子の包接錯体形成に依存しており、水中においては包接錯体が形成されるため、架橋密度が上昇し、収縮したものと考えられる。一方で、有機溶媒中においては架橋密度が低下するため、膨潤したものと考えられる。今回、刺激として、酸化還元刺激を用いて、ゲルの膨潤収縮性を制御することに成功した。また二層ゲルを作成することで、刺激に応じたゲルの屈曲運動を制御する成功し、作成したゲルの仕事量を見積もることにも成功した。本申請課題ではホスト分子とゲスト分子の組み合わせに応じた多機能な超分子ヒドロゲルの構築を試み、ストレスとして光や酸化還元を用いて、ゾル-ゲル相転移、人工アクチュエーターを目指した膨潤-収縮の制御を試みる。光刺激応答性超分子ゲルアクチュエーターの構築今回、我々はホスト分子であるシクロデキストリン(CD)を用いて、CDのホスト-ゲスト相互作用を利用して、超分子ヒドロゲルを作製した。その特徴はCDの包接錯体形成能にある。CDは選択的に疎水性の有機分子を取り込み、包接錯体を形成する。

今回、我々は高分子の側鎖にホスト分子であるCDとCDのゲスト分子となる刺激応答性分子、さらに超分子ヒドロゲルを構成する分子と形態が崩れないようにするための架橋分子を加えて、超分子ヒドロゲルを作製した。作製した超分子ヒドロゲルは有機溶媒中では大きく膨潤するのに対して、溶媒を水に置き換えることによって、大きく収縮した。このような溶媒の疎媒性の変化に対して、CDとゲスト分子の両方が修飾されていないゲルでは逆に大きく膨潤した。CDとゲスト分子の両方が修飾されている超分子ゲルが示した収縮性はホスト-ゲスト相互作用による包接錯体が形成されることにより、高分子鎖間の架橋点数が増加したことが原因であることが明らかとなった。このようなホスト-ゲスト相互作用による架橋点の形成は可逆的に制御できるため、刺激応答性のゲスト分子を選択することで、可逆的に膨潤収縮を行うことが出来る。今回、ホスト-ゲスト相互作用による可逆的な架橋点の形成を光刺激と酸化還元刺激の二つの系にて実施し、筋肉の様な伸縮性を示す超分子マテリアルの作製に成功した。研究課題の進捗状況に関して、申請時の研究計画に基づいて、初年度は自己修復性のゲルの作製を行った。特に酸化還元応答性の自己修復ゲルの作製に成功し、Nature Communicationsに発表した。現在、ホスト-ゲスト相互作用を利用した自己修復ゲルを勢力的に実験しており、初期の材料強度と同じ程度まで回復することを確認している。25年度が最終年度であるため、記入しない。研究課題の進捗状況に関して、申請時の研究計画に基づいて、初年度は自己修復性のゲルの作製を行い、二年目には光刺激応答性超分子ゲルアクチュエーターの作製に成功した。作製したゲルは光刺激に対して、膨潤収縮する挙動を示し、平板状ゲルでは屈曲する挙動やひも状ゲルでは生き物のように巻き上がったり戻ったり可逆的な挙動を観察した。分子の側鎖にホスト分子であるCDとCDのゲスト分子となる刺激応答性分子、さらに超分子ヒドロゲルを構成する分子と形態が崩れないようにするための架橋分子を加えて、超分子ヒドロゲルを作製した。この作動原理はCDに限らず、超分子化学全般に観察されるホスト-ゲスト相互作用を利用することが出来ると考えられる。