hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自由水面を有する乱流場に対する応力方程式モデルの開発

開水路流れでは水面が存在するために,乱流場は壁面近傍とともに水面付近で強い異方性を示し,流速分布や熱や物質輸送が大きく変化する。この自由水面の効果は従来の応力方程式モデルの枠の中でも正確には表現されていない。本研究はDNSによるデータベースや乱流の素過程のモデルに関する最新の成果を導入して応力方程式モデルの精度を向上させるとともに,それに自由水面の影響を表現するモデルを追加することによって,開水路乱流に適用できる応力方程式モデルを構築したものである。主たる成果は以下の通りである。(1)平行平板間の発達した乱流に対するDNSデータを基に,応力方程式モデル中の素過程に対する種々のモデルの挙動を比較検討した。その結果,モデル定数を小さくしたDaly-Harlowの拡散モデル,Speziale-Sarkar-Gatskiらの圧力-歪速度相関モデル,非等方的な散逸を表現するHallback-Groth-Johanssonモデルの組み合わせがDNSデータを最も良好に算出する事を見いだした。(2)水面での垂直成分間のエネルギー再配分過程をShirモデルを援用して表現し,圧力-歪速度相関項に追加した。また,Shirモデル中の係数や水面への距離を考慮する関数を実験データを基に決定した。その結果,滑面および粗面上の発達した開水路乱流におけるレイノルズ応力成分を良好に再現することが可能となった。また,圧力-歪速度相関モデル中の各項の挙動をDNS結果と比較し,本モデルがDNS結果と定性的に一致することを確認した。(3)水面近傍にて水面に垂直方向のノーマル成分が減衰し他の2成分が増加すること,それに伴い水面に垂直方向の拡散が抑制されるために,水面では乱れエネルギーが対称面と比較して小さくなることなどの知見を得た。(4)水面の変動の取扱いや壁関数法はさらに改良する必要がある。
地理情報科学標準カリキュラムに基づく地理空間的思考の教育方法・教材開発研究

「地理情報科学標準カリキュラム」に基づいた教育内容の検討および教材開発、そして地理情報科学教育の基礎として必要な地理空間的思考の教育方法および教材開発の研究を行った。「地理情報科学の知識体系」、それに基づくe-learning教材の作成、教科書「地理情報科学:GISスタンダード」の刊行、空間的思考能力を測るテストおよび教材の開発、GISのソースコードを書くことでシステムとしてのGISを体験から理解するためのツールキット「gittok」の開発、初等中等教育用の教材としてワークショップの実施および六義園のガイドブック作成、国際会議「空間的思考と地理情報科学」の実施を行った。本科研は,地理情報科学のカリキュラムに基づいた教育を,高等教育をはじめとする教育現場で展開することを大きな目的にしている.そのために,カリキュラム詳細案の作成,地理情報テクノロジ(GIT)の教育・ツール開発,詳細カリキュラムに沿ったe-learning,教科書開発,空間的思考の体系化,初等中等教育での活用を検討することを課題にしている.プロジェクト開始の21年度は,本研究の基本となる地理情報科学の標準カリキュラム案をさらに詳細なものにすることを第一目標にし,「地理情報科学の知識体系(BoK)」の作成を行った.BoKは,21年末までに第1稿を書きあげ,執筆メンバーにより,相互レビューを実施した.このBoKは,22年度早期の一般公開を目指し,引き続き科研のメンバー全員で検討を行っている.この科研で進める他の課題はBoKの完成が前提であるが,その執筆作業と並行して,各班で研究を進めた.GITについては,独自のツールの開発を行い,プログラムのプロトタイプを作成した.e-learningは,システム構築の準備,空間的思考と教育に関する研究や,初等中等教育におけるGIS教育の動向の調査,空間的思考を養うツールの開発の検討を行った.また,本プロジェクトでは,多くの方々と研究成果を共有するために,21年9月に「地理空間的思考の教育研究」プロジェクトシンポジウムを開催した.さらに,海外の地理情報科学関連の研究者との連携を行っており,イギリスUCLのPaul Longley教授との研究方法の方向性に関する意見交換,アメリカ地理学会(AAG)のMichael Solem氏による空間的思考のスキルの教授法ワークショップを開催し,日米の空間的思考に関連する教育に関して情報交換を行った.本科研は、地理情報科学のカリキュラムに基づいた教育を、高等教育をはじめとする教育現場で展開することを大きな目的にしている。2年目である本年は、本研究の基本となる地理情報科学の標準カリキュラム案をさらに詳細にし、文書としてまとめた「地理情報科学の知識体系(BoK)」を2010年6月に完成させた。その後、2010年10月および2011年3月の二度にわたり改訂を行い、内容をさらに充実させた。これらは、プロジェクトのウェブサイトにおいて自由にダウンロードが可能になっている。さらに、このBoKの幅広い活用を目指し、より内容を分かりやすく解説し、大学の講義等で誰でも使えるスライドを作成するプロジェクトを開始した。大部分が今年度中に完成し、来年度前半で、実際に大学の授業で使ってもらうなど相互評価を行い、来年度後半での公開を予定している。本プロジェクトの周知とこれまでの進捗を広く伝えるため、2010年9月に横浜で行われたG空間EXPOにおいてパネルディスカッション、10月のGIS学会によって特別セッションを開催した。同時に、各班で研究を進めている。GITについては,独自のツールの開発を行い,プログラムのプロトタイプを作成した.e-learningは,Wikiシステムの構築および韓国におけるGIS教育の動向調査、空間的思考と教育に関する研究や,初等中等教育における空間的思考を養うツールの開発と実証研究を行った.また,22年年9月に開催予定の国際会議「空間的思考と地理情報科学」(STGIS2011)開催の準備を行っている。発表論文の募集、査読が終わり、発表者が2011年3月に決定した。そして2011年4月にアメリカ・シアトルで行われたアメリカ地理学会AnnualMeetingにおいて、パネルディスカッション「International Research on Spatial Thinking:Implications for Education and Professional Development」を開催した。日本のみならず、アメリカ、シンガポール、オーストラリアの研究者と空間的思考と教育についての事例発表および意見交換を行った。3年目である本年は、本研究の基本となる「地理情報科学の知識体系(BoK)」の幅広い活用を目指し、より内容を分かりやすく解説し、大学の講義等で誰でも使えるスライドを作成するプロジェクトを開始した。23年度前半で実際に大学の授業で使ってもらうなど相互評価を行った。そして、すでに完成し相互評価を経たスライドついては、24年3月より「地理情報科学教育用スライド」として一般公開を開始した。また、空間的思考と地理情報科学に関する最新の研究成果や研究動向を国内外の人々と共有するため、23年4月にはアメリカ地理学会(AAG)において「International Research on Spatial Thinking: Implications for Education and Professional Development」と題したパネルディスカッションを実施した。23年9月、国際会議「空間的思考と地理情報科学」(STGIS2011)を東京大学駒場リサーチキャンパスにおいて開催した。

これは空間的思考と地理情報科学に特化した国際会議としては、世界最初のものであり、さらに東日本大震災で地理情報科学分野が果たした役割などの特別発表や展示を行った。その結果、3日間で30か国、延べ700人の参加者があった。本プロジェクトは、班ごとに研究を進めている。GITについては、独自のツールキットの開発を行い、プログラム「GeoPack」のプロトタイプが完成した。e-learningは、Wikiシステムの構築および韓国におけるGIS教育の動向調査を行った。空間的思考の体系化に関しては、空間的思考と空間的能力の研究を行い、学会発表等をおこなった。またこれまで作成した教材の評価と今後の教材開発に向けて、24年9月にアメリカの研究者と国際情報交換を行った。本プロジェクトは、地理情報科学のカリキュラムに基づいた地理情報システムを活用した教育を、初等から高等教育まで、教育現場で展開することを大きな目的にしている。プロジェクト最終年である本年度は、本研究の基本となる地理情報科学の標準カリキュラム案をさらに詳細にし、文書としてまとめた「地理情報科学の知識体系(BoK)」とそれ基づき作成されたスライドの幅広い活用を目指し、教科書の作成を進めた。空間的思考の体系化の研究については、空間的思考能力を測るテストおよび教材の開発を行い、実際に高等学校で実際に活用した。またそれら教材作成の成果については、学会等で発表を行った。Geogeraphic Information Technology(GIT)の教育については、独自のツールキットの開発を行い、プログラム「gittok」のプロトタイプが完成し、大学生がこのツールキットを用いて学習をした。そしてその効果とフィードバックを得て、さらに完成度を高める作業を行った。また、これまでのプロジェクトの成果を一般にも周知するために、2014年3月29日に公開シンポジウムを行った。これまでの研究成果を報告するとともに、gittokの使い方ワークショップ、空間的思考やGISについて、会場の参加者も交えながらディスカッションを行った。
製造コスト５０円／Ｗをめざした色素増感太陽電池の開発

光電変換効率の改善と低コスト部材の使用が、色素増感太陽電池の製造コスト低減ために必要になる。これら問題を解決するために以下の研究を行った。(1)ナノ多孔質酸化チタン下部層の上に、イオンパスとして空隙を持つ多孔質酸化チタン上部層を構築した二層作用極の開発。(2)ジピリジン錯体色素(N719)を吸着した下層とターピリジン錯体色素(ブラックダイ)を吸着した上層からなるタンデム型電池の開発。(3)白金代替カーボン膜からなる対極の開発。(1)と(2)の技術開発から、9%の変換効率を持つ50mm角の電池が製作された。本研究は、製造コストを50円/Wをめざした色素増感太陽電池開発を行うものである。具体的な取り組みとしては、作用極では、低コストで高効率を導く膜構造の開発であり、対極では、白金をカーボンに転換する技術の開発である。前年度は、カーボンブラックと活性炭の混合割合を検討して、白金と同等の特性を持つ対極の開発を実施した。これを受けて、平成24年度は、対極の面積を拡大するとともに、安定に成膜ができるスクリーンプリント法のためのペースト開発により、25mm角セルのカーボン対極を製膜し、さらにスクリーンプリント法による集電電極を持つ対極を作製した。短絡電流密度15mA/cm2、開放電圧733mV、FF 0.728、効率8.44%のセルが得られた。白金対極セルの効率8.62%に近い値のものを得ることができた。作用極側は、多孔質チタニア膜の膜構造を安価な材料を使い構造を制御することにより、高効率化する技術開発を5mm角のセルにて試みた。チタニア多孔質膜は、透明導電膜付きのガラス基板上に、チタニアペーストを積層して形成するが、その厚みは、20μm程度までは、効率の上昇がみられるが、それよりも厚くなると効率は低下する。この低下の原因をつきとめるとともに、解決策を提案した。セルのインピーダンス評価の結果、その原因は、電荷移動の阻害による抵抗の増加によるものであった。その解決策として、多孔質膜のトップ層に、安価な材料で空隙を形成するために、酸化亜鉛の微粒子を添加したペーストの塗布とその焼成後に硝酸により酸化亜鉛を除去することで、空隙を作製する技術開発をおこなった。その結果、5mm角で、変換効率9.8%まで効率を高めることができた。基板の大型化に対しては、色素増感太陽電池は電解液を使用するために、セルの封し技術が重要であるので、その検討を行った。研究使用に必要な20日程度の安定性を得ることができた。本研究は、色素増感太陽電池を構成する電極を製造する際に、低コストで高効率を維持できる技術の開発を行うものである。具体的な取り組みとして、作用極では、平成23年度から24年度において、作用極のチタニア膜中に空隙を導入することが、効率の改善に有効であることを確認した。平成25年度は、その膜中の構造を制御して、膜の垂直方向の空隙の割合を変えた。さらに、セルのインピーダンス測定により、膜構造の違いによるインピーダンスデータへの影響が確認できたので、光電変換効率の結果を含め検討した。その結果、通常のチタニア膜中のイオン拡散抵抗は、膜のないところのイオン拡散抵抗よりも二倍ほど大きいことがわかった。空隙の導入は、イオン拡散抵抗の低下に効果があるが、色素の吸着量が低下してしまうために、導入には最適な割合があることがわかる。多孔質チタニアのトータルの膜厚を25μmとしたとき、通常のチタニア膜を10μm製膜。その上に空隙割合の高い層を5μm積層。さらに、空隙割合を前記層の半分にした膜を5μm積層。その上に、空隙割合の高い層を5μm積層して、作用極とした。その結果、通常のチタニア膜のみのセルよりも効率で6.7%程度改善することができた。対極に対しては、平成23年度は、カーボンブラックと活性炭の混合割合を検討し、白金と同等の特性を持つ対極の開発を実施した。平成24年度は、対極の面積を拡大するためスクリーンプリント法で用いるペーストの開発を実施。効率8%を超えるセルが得られた。25年度は、空隙を導入した作用極の開発により、作用極側のパフォーマンスが向上したため、対極で起こる反応がカーボン単体のセルで律速となることが懸念されたため、カーボン対極の上に、スパッタ法により白金を堆積した電極を作製した。空隙を持つ作用極とカーボン対極とで構成したセルも作製し、どちらも10%程度の光電変換効率が達成できた。

本研究は、太陽電池の国際競争力を回復するために、製造コストを50円/Wをめざした色素増感太陽電池開発を行うものである。そのため、作用極では透明導電膜を使わないセル構造の提案と高効率化を目指したタンデム化、対極に用いられてきた白金をカーボンに転換、さらに、対極基板を、透明導電膜付きガラスをSUSなどの金属基板に変更し、コストダウンすることを検討した。本年度は、対極のカーボン化とセルの大型化のために必要な集電電極の作製技術について検討をおこなった。透明導電膜を使わないセル構造は、通常タイプの効率を上回ることが現状ではできていない。また、SUS基板の作製コスト、貼り合わせなどの問題も浮上したため、量産技術化には難しいことがわかった。対極の改良は、カーボンブラックと活性炭の混合割合を検討して、作用極の反応に見合うだけの還元反応を進めることができる対極材料の選定と開発についてである。活性炭のみを用いたカーボン対極を用いることで、5mm角セルで光電変換効率8.87[%]のセル作製に成功したが、白金対極を用いた場合と比較すると、短絡電流が明らかに劣っていた。そこで、活性炭にカーボンブラックを荷重配分比12[wt%]を添加することにより、活性炭間の結合性や基板との密着性能の向上がはかれた。その結果、短絡電流密度、F.F.の改善に成功し、光電変換効率9.90[%]に達し、白金対極とほぼ同等のセル性能を得ることが出来た。集電配線の技術開発に対しては、50mm角型セルを、集電グリッド配線を持たないセルを製作した場合、フィルファクターが0.58となり、変換効率が6.3%と5mm角セルに比べて、著しく低下する結果が得られた。このセルに、集電のため、銀のグリッド配線を8.4mmの電池部分に対して、2mm幅で4本セル内に配置した。その場合、フィルファクターが0.69に改善し変換効率が7.2%となった。セルの大型化に対して、対極については、カーボン対極とグリッド配線の技術開発がほぼ完了した。作用極に対しては、対極同様、グリッド配線を持つ基板として、チタニア多孔質膜の空隙の調整を、酸化亜鉛微粒子を使って行う方法を開発した。セル面積のソーラーシミュレータの照射面積が50mm角がmaxなので、セルの大型化については、50mm角とすることとして、研究をすすめることにした。通常の大型セルの作製に対しては、カーボン対極とグリッド配線の技術開発がほぼ完了したので、大型化に対する目処がたった。色素増感太陽電池の通常の作用電極作製技術に対して、人的・環境的要因がもたらすセル特性への影響を検証することにより、高い効率をコンスタントに製作できる技術ができたため。前年度、透明導電膜を使用しないセル構造の研究から、作用電極、対極とその間の電解液がどのような状態であれば、ベストの動作が得られるかについての知見が得られた。今年度は、これをヒントとして、通常のセル構造の改良に応用した。作用極のトップ層の電荷移動抵抗の低減化技術を調べ、その低コストの製造方法を提案し、5mm角であるが、高効率化を達成することができた。次年度は、開発した多孔質の構造に対して、色素の塗り分け技術を使い、タンデム化を実施する。これら開発した技術を集積して、50mm角のセルでの高効率化をめざす。透明導電膜を使用しないセル構造の研究から、作用電極、対極とその間の電解液がどのような状態であれば、ベストの動作が得られるかについての知見が得られた。これを通常のセル構造の改良に応用すれば、高効率化が期待できる。作用極に対する研究を中心に展開する。
光受容に伴うロドプシンの構造変化のX線散乱法による研究

ショ糖ラウリン酸エステルで可溶化したウシ・ロドプシンおよびミミイカ・ロドプシンとその光産物についてX線小角散乱の実験を行った.ウシ・ロドプシンの場合は,光中間体の寿命は室温では短いので低温にして安定化する事によって測定する試みを行った.X線溶液散乱の場合,高純度でかつ1%程度のロドプシン溶液が必要とされる.また,試料中のロドプシンに結合していない界面活性剤の濃度とバックグラウンド測定用の溶液中の濃度とが一致しなければならない.本研究において, ConAセファローズ・カラムを用いたクロマトグラフィーとポリバッファー交換体ゲルを用いる事によって,上記の条件を満足する試料調整法を確立する事ができた.ウシ・ロドプシンの場合,室温では光退色に伴って会合体が形成される事を確かめた.次に低温でX線散乱を測定するための試料セルおよびセル・ホルダーを作製し, 0゚Cと-29゚Cの間で実験を行った.その結果,光照射によってはX線散乱曲線に有意な差は認められなかった.しかし, -7゚C付近で溶媒が凍結すると散乱曲線は非常に大きく変化した.温度を再び上げて溶媒が融解すると速やかに元の曲線に戻った事から,この変化はロドプシンが相分離的に集合した事によるのでは無いと思われる.ミミイカ・ロドプシンの場合は12゚Cで光照射前後の試料についてX線散乱の測定を行った.その結果,ロドプシンと酸性メタロドプシンで散乱曲線に有意な差が認められた.例えば,内部構造を強く反映する高角側の2次ピークの位置で散乱強度に3%以上の変化が見られた.現在のところ,どのような構造変化が起ったかは明らかでは無いので,今後は溶媒の電子密度を変えた測定を行って,より定量的な解析を進める予定でいる.ショ糖ラウリン酸エステルで可溶化したウシ・ロドプシンおよびミミイカ・ロドプシンとその光産物についてX線小角散乱の実験を行った.ウシ・ロドプシンの場合は,光中間体の寿命は室温では短いので低温にして安定化する事によって測定する試みを行った.X線溶液散乱の場合,高純度でかつ1%程度のロドプシン溶液が必要とされる.また,試料中のロドプシンに結合していない界面活性剤の濃度とバックグラウンド測定用の溶液中の濃度とが一致しなければならない.本研究において, ConAセファローズ・カラムを用いたクロマトグラフィーとポリバッファー交換体ゲルを用いる事によって,上記の条件を満足する試料調整法を確立する事ができた.ウシ・ロドプシンの場合,室温では光退色に伴って会合体が形成される事を確かめた.次に低温でX線散乱を測定するための試料セルおよびセル・ホルダーを作製し, 0゚Cと-29゚Cの間で実験を行った.その結果,光照射によってはX線散乱曲線に有意な差は認められなかった.しかし, -7゚C付近で溶媒が凍結すると散乱曲線は非常に大きく変化した.温度を再び上げて溶媒が融解すると速やかに元の曲線に戻った事から,この変化はロドプシンが相分離的に集合した事によるのでは無いと思われる.ミミイカ・ロドプシンの場合は12゚Cで光照射前後の試料についてX線散乱の測定を行った.その結果,ロドプシンと酸性メタロドプシンで散乱曲線に有意な差が認められた.例えば,内部構造を強く反映する高角側の2次ピークの位置で散乱強度に3%以上の変化が見られた.現在のところ,どのような構造変化が起ったかは明らかでは無いので,今後は溶媒の電子密度を変えた測定を行って,より定量的な解析を進める予定でいる.本研究はX線溶液散乱法により視物質ロドプシンの形態および光受容に伴う構造変化を調べようとするものである。まず、X線溶液散乱実験のための実験系の確立を行なった。その為に封入X線管用発生装置を購入・設置し、仕様どおりに働くことを確めた。次に、真空パスに寄性散乱防止板を付けるなどの改良を行ないながら光学系の設置と調整を進めた。これらの事によって、かなりS/N比の良いデータが得られるようになった。また、低温実験用試料セルを設計し製作を行なった。温度の制御は試料セルホルダー中を液体を流すことで行なう方式とした。しかし、現在のところセルの窓に付く霜の防止法などに於て解決されていない問題が残っている。次に、X線溶液散乱実験用の試料調整法の確立を行なった。まず、ウシの視細胞からコール酸で可溶化したロドプシンを硫安分画法により純度良く分画した。次に、界面活性剤をショ糖脂肪酸エステルで置換後、コンカナバリンA-セファローズカラムによりさらに精製されたロドプシンを得た。イカ・ロドプシンの場合は硫安溶液中で不安定なので、DEAEセルローズカラムとコンカナバリンA-セファローズカラムの併用によって精製する方法をとった。この後、ポリバッファー交換体カラムを用いることにより、溶媒中の界面活性剤の濃度が調整され、かつ高濃度のロドプシン溶液を得た。現在、室温において上記の方法で得られたロドプシン溶液からの散乱X線の測定を行ない、予備的データを得ている。今後は、溶媒に庶糖を加えてコントラストを変えた実験を進める予定である。また、低温にして光中間体を安定にすることにより、光中間体についてもX線散乱実験を行なう。
遠隔操作ロボットを利用した新規眼科診断システムの開発

眼科医数の不足や眼科医の都市部への集中による偏在が問題となっており、患者の存在する現地に眼科医が存在しないケースが非常に多い現状である。そのため眼科診療の最も重要な検査機器である細隙灯顕微鏡を遠隔地から操作できる眼科遠隔診療ロボットシステムを開発し、医療過疎、特に専門医医療過疎を解消し、社会福祉向上に貢献することが今回の目的である。現在すでに作成している眼科遠隔診療ロボットを用い下記の点に関して研究を進めた。1)診断能力の検討:通常の細隙灯顕微鏡をコントロールとして眼科遠隔診療ロボットの診断能力を比較検討した。眼科診断の正確性、迅速性を下記の対象者を用いて検討する準備を行った。a)正常対象者を用いた検証、b)病状が安定した入院患者を用いた検証2)診療の共有化システムの開発:通常の対面診療を基準として、眼科遠隔診療ロボットを用いた場合の患者側の診療内容の理解と医師側の理解の一致性の検討を行い眼科遠隔診療ロボットを用いた診療によって対面診療と同等な患者説明が可能であるかを検討した。3)通信環境による操作性の確認:通信帯域を最大の30Mbpsから減少させた際の操作性、診断能力を検証し、必要な帯域量を確定する。さらに帯域を減少させた際の診療レベルの低下を防止するための装置開発の開発を進めた。4)得られた診療情報の定量化:本装置によってデジタル化された診療情報の解析によって病変部の定量化を行うシステムの開発を進めるとともに、これらのデータを電子カルテ内に取り込み可能とする準備を行った。通信環境の整備、人を対象とした検証に時間を要しているため。上記内容に関して引き続き準備を進めると同時に下記の点も検証する。1)平成30年度に引き続き診断能力の検討:通常の細隙灯顕微鏡をコントロールとして眼科遠隔診療ロボットの診断能力を比較検討する。眼科診断の正確性、迅速性を下記の対象者を用いて検討する。a)外来患者を用いた検証、b)救急患者を対象とした検証2)通信環境による操作性の確認:通信帯域を減少させた際の診療レベルの低下を防止するための装置開発をさらに進めるとともに通信帯域の優先確保のためのシステムの開発を進める。以上によって安定した診療が可能となる条件を設定する。3)現有機では眼底の観察が困難であるため眼底観察が可能となるような装置の改良を進める。4)装置全体の軽量化、操作性の向上を進め、汎用性を高めるための改良を行う。5)複数地点からの操作が可能なシステムを開発し複数の専門医による遠隔診療カンファレンスが可能な装置を開発する。

4)得られた診療情報の定量化:本装置によってデジタル化された診療情報の解析によって病変部の定量化を行うシステムの開発を進めるとともに、これらのデータを電子カルテ内に取り込み可能とする準備を行った。通信環境の整備、人を対象とした検証に時間を要しているため。上記内容に関して引き続き準備を進めると同時に下記の点も検証する。1)平成29年度に引き続き診断能力の検討:通常の細隙灯顕微鏡をコントロールとして眼科遠隔診療ロボットの診断能力を比較検討する。眼科診断の正確性、迅速性を下記の対象者を用いて検討する。a)外来患者を用いた検証、b)救急患者を対象とした検証2)通信環境による操作性の確認:通信帯域を減少させた際の診療レベルの低下を防止するための装置開発をさらに進めるとともに通信帯域の優先確保のためのシステムの開発を進める。以上によって安定した診療が可能となる条件を設定する。3)現有機では眼底の観察が困難であるため眼底観察が可能となるような装置の改良を進める。4)装置全体の軽量化、操作性の向上を進め、汎用性を高めるための改良を行う。5)複数地点からの操作が可能なシステムを開発し複数の専門医による遠隔診療カンファレンスが可能な装置を開発する。1)平成30年度に引き続き診断能力の検討:通常の細隙灯顕微鏡をコントロールとして眼科遠隔診療ロボットの診断能力を比較検討する。検証の準備に要する金額が予定より少なくなり未使用金が生じた。次年度に未使用金も合わせて計画内容の検証を継続していく。
浄水上における藻類分離操作に関する基礎的研究

1.藻類の凝集と阻害に関する実験的検討走査型電子顕微鏡(SEM)とエネルギ分散型X線分析により、硫酸アルミニウムとPACの凝集効果の違いを不溶性アルミニウムの架橋現象の強さから確認した。藻類観察には、凍結低真空乾燥法が簡単で有用な方法である。藻類のライフサイクルでは定常期、死滅期におけるTOC成分の生産かつ紫外線吸光度成分が多く、それが凝集剤のアルミニウムと多く結合して溶解性アルミニウムになる。なお他の藻類種についても検討が待たれる。凝集剤接触時間に溶解性アルミニウムの変化については、ある時間接触後に極大濃度に達し、その後また減少するという傾向をとる。その濃度や接触時間はいわゆる凝集剤の最適注入量をはずれると濃度は高く、注入アルミに対する比率も高くなる。最適な凝集操作が行われないと、溶解性アルミニウム生成率は5%程度と低いものの0.455μmの比較的小さな不溶性アルミニウムが多く形成される。2.針状珪藻の急速ろ過実験によるろ過閉塞防止のための検討アステリオネラのような藻類のろ過効率は、結合体の場合には高いが結合が壊れて単体になると低下する。また結合体では損失水頭も大きい。ろ材厚(L)をろ材径(d)で割った無次元値(n=L/d)はろ材径に相当する厚さのろ層がn層あることに近似でき、ろ層厚さを設計する上で重要な指標となる。アンスラサイト複層の優位性をろ過効率の高さ、幅広い珪藻長に対する効率的ろ過、抑留のろ層全層にわたる広がり、小さな損失水頭の発現などが長さの異なる混合藻類の実験で確認した。実際のろ過池では凝集沈澱で相当針状珪藻は除去されるが、未ろ水中に針状珪藻が多く残留する期間がある。その場合有効径1.4mm、均等係数1.5のアンスラサイトを10cm布設するだけで、損失水頭は砂単層の場合の1/21/3以下にでき、長いろ過継続時間と安定したろ水を得ることができる。510cm程度の複層化は表面洗浄による洗浄効果もきわめて高い。実際池でも(ろ材径/珪藻長)<50という条件下で(ろ層厚/ろ材径)<100の範囲に95%の珪藻が抑留されるという実験結果が適用できた。1995年度の研究において明らかになった点を列記すると次の通り。1.藻類の凝集と阻害に関する実験的検討(1)走査型電子顕微鏡(SEM)による観察とエネルギ分散型X線分析によって、硫酸アルミニウム(Alum)とPACの凝集効果の違いを不溶性アルミニウムの架橋現象の強さから確認できた。なお、藻類フロックのSEM観察のためには、凍結低真空乾燥法が簡単でしかも有用な方法であることが確認できた。(2)藻類のライフサイクルでは定常期、死滅期におけるTOC成分の生産かつ紫外線吸光度成分が多く、それが凝集剤のアルミニウムと多く結合して溶解性アルミニウムになること、PACはAlumに比較して溶解性アルミニウムが生成しにくいことが明らかになった。

なお、塩素処理した場合のPACのこの溶解性アルミニウムを少なくさせる効果については検討を要する。また、他の藻類種についても検討が待たれる。2.針状珪藻の急速ろ過実験によるろ過閉寒防止のための検討(1)アステリオネラのような藻類のろ過効率は、結合体の場合には高いが、結合が壊れて単体になると低下する。また結合体では、同一の抑留量に対して発生する損失水頭が大きくなる。(2)ろ材径と針状珪藻の長さの比は、抑留の特性に大きな影響を与えるので、この比がろ過閉寒防止のためのろ層構成を考える上で有用となる。(3)ろ材厚(L)をろ材径(d)で割った無次元値(n=L/d)は、ろ材径に相当する厚さのろ層がn層あることに近似でき、ろ層厚さを設計する上で重要な指標となりそうである。1996年度の研究において明らかになった点を例記すると次の通り。1.藻類の凝集と阻害に関する実験的検討(1)凝集剤接着時間によるアルミニウムの変化については、溶解性アルミニウムがある時間接触後に極大濃度に達し、その後また減少するという傾向をとる。その濃度や接触時間はいわゆる凝集剤の最適注入量をはずれると高度は高く、注入アルミに対する比率も高くなる。これは溶解性アルミの残留という観点から重要な知見といえる。(2)昨年度の結果である死滅期における藻類は凝集剤のアルミニウムと多く結合して溶解性アルミニウムになるなりやすいことを確認した。この傾向はPACの方がAlumに比較して顕著である。しかし有機物の紫外部吸光度成分との相関性は得られず、この点はさらに検討を要する。2.針状珪藻の急速ろ過実験によるろ過閉塞防止のための検討と実ろ過池の複層ろ過池調査結果(1)アンスラサイト複層の優位性をろ過効率の高さ、幅広い珪藻長に対する効率的ろ過、抑留のろ層全層にわたる広がり、小さな損失水頭の発現などの長さの異なる混合藻類に実験で確認できた。(2)実際のろ過池では凝集沈澱で相当程度針状珪藻は除去されるが、やはり季節的に多くの針状珪藻が未ろ水中に残留する期間がる。(3)その場合でも有効径1.4mm、均等係数1.5のアンスラサイトを10cm布節するだけで、損失水頭は砂単層の場合の1/21/3以下に小さくすることができ、長いろ過継続時間と安定したろ水を得ることができることが確認できた。1997年度の研究において明らかになった点を列記すると次の通り。1.藻類の凝集(1)凝集剤接触時間によるアルミニウムの変化については、溶解性アルミニウムが数時間から二日接触後に極大濃度に達し、その後また減少するという傾向をとる。その濃度や接触時間はいわゆる凝集剤の最適注入量をはずれると濃度は高く、注入アルミに対する比率も高くなる。(2)最適な凝集操作が行われないと、溶解性アルミニウム生成率は5%程度と低いものの0.455μmの比較的小さな不溶性アルミニウムが多く形成され、ろ過池を通過するアルミニウムが多くなることが示唆された。2.複数ろ過池の実プラント実験および調査結果(1)今回も有効径1.4mm、均等係数1.5のアンスラサイトを10cm布設するだけで、損失水頭は砂単層の場合の1/21/3以下に小さくすることができ、長いろ過継続時間と安定したろ水を得ることができることが確認できた。(2)実際の複層ろ過池の抑留状況を実測した結果、抑留量が10^2変化するのに砂単層では表面3cmなのに対して、複層では10cmまでと深い。(3)510cm程度の複層化は表面洗浄による洗浄効果がきわめて高く、薄い複層化は洗浄面でも大きな利点となる。(4)実際池においては、(ろ材径/珪藻長)
励起酸素を応用した新たな歯科材料消毒方法の確立

義歯床用レジンの安定性を考慮した消毒方法の効果を、励起酸素を用いた新しい消毒方法も含め検討した。今回の実験では、以下の消毒薬を用いた: 5%次亜塩素酸ナトリウム、70%アルコール、励起酸素。また、この消毒方法によるレジン表面のカンジダ菌の付着量を測定した。励起酸素処理試験片の表面粗さと機械的強度は、コントロール試験片と差が認められず、また励起酸素処理試験片はカンジダ菌の付着量を減少させた。この結果は、励起酸素による消毒方法が義歯床用レジンにおいて安全な水準であることを示している。本研究は活性酸素を利用し歯科材料への新たな消毒方法を確立することを目的とする。義歯床用レジン材料を用い、消毒方法の違いが材料の表面性状や物性に与える影響、ならびに各消毒後の材料表面への細菌付着状態の観察を行った。すなわち、活性酸素による消毒法と歯科医療現場で主に使用されている70%アルコールおよび5%次亜塩素酸水溶液による薬液消毒について比較検討した。試験項目は、床用レジンからの残留塩素濃度の測定、3点曲げ試験における機械的強度試験、表面粗さ試験、表面形状の観察を行い、さらに、カンジダアルビカンズを用いた消毒後の細菌付着状態の観察を行った。今回新たに見出されたことは、次亜塩素酸水溶液消毒では消毒後十分に洗浄したにも関わらず材料内に塩素が残留し溶出することが確認されたが、活性酸素による消毒方法では検出されなかった。機械的強度試験においては,次亜塩素酸水溶液消毒では未処理と比較し有意な材料強度の低下を認めたが、活性酸素消毒では有意な差は認められなかった。表面粗さ試験では、次亜塩素酸水溶液消毒において、未処理と比較し算術平均粗さが有意に増加していたが、活性酸素消毒では有意な差は認められなかった。走査型電子顕微鏡による表面形状観察では、次亜塩素酸水溶液消毒において材料表面の粗槌化が確認されたが、活性酸素消毒では大きな変化は認められなかった。各消毒後の細菌付着状態にも違いが見られ、活性酸素消毒では独立した細菌の付着が観察されたが、次亜塩素酸水溶液による消毒後の細菌付着数は増加し、凝集する傾向にあった。以上の結果より、今回使用した活性酸素による消毒方法は、材料物性及び表面性状に対する影響を最小限にすることができ、消毒後の細菌付着においても影響がなく有益な消毒方法であることが示唆された。走査型電子顕微鏡による表面形状観察では、次亜塩素酸水溶液消毒において材料表面の粗〓化が確認されたが、活性酸素消毒では大きな変化は認められなかった。
超広帯域I/Oを想定したアーキテクチャの検討

LSIのI/Oの帯域が、計算機システムの性能向上全体の隘路となってきている。この問題に対処するために、シリコンインタポーザなどを用いて同一パッケージ内に複数のLSIを実装するSiP (System in Package)が注目されている。しかし、3次元集積メモリなどを用いても、SiP内に実装できるメモリ量には限りがあり、広帯域でアクセスできるメモリ量の不足が問題となってきている。一方、ムーアの法則にしたがった半導体集積度向上の限界が近づきつつあり、汎用プロセッサの性能向上も望めなくなりつつある。このような背景から、パッケージ外のメモリへのアクセス性能を確保し、得手不得手のある専用ハードウェアを複数組み合わせて性能向上を図ることを想定し、従来より飛躍的に広帯域なインターコネクトにより計算機性能の向上を図るための必要要件を検討した。インターコネクトの広帯域化と低消費電力を同時に実現する必要があることを既存方式の電力消費等から導出し、パッケージ内のメモリと同等の帯域を同等の消費電力で実現することをターゲットとして、具体的な要求数値を検討した。また、光モジュールを電気回路と同一パッケージ内に実装するCo-packaging技術の重要性を指摘した。さらに、このような通信が用いられるようになると、計算機システム内の通信の階層構造がより複雑になり、これをモデル化してプログラムのマッピングや通信の最適化などに用いていかなくてはならないことを指摘した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。評価環境については、NetFPGA 2セットを導入し、10GBASE-ERのSFP+で対向接続して、相互に通信できるようにし、評価に向けて環境を整え整備した。通信方式については、広帯域I/Oと計算回路やメモリとの接続法の検討を行った。現在の並列計算機での通信は、メモリからメモリへデータをコピーする方法をとっている。しかし、将来メモリのアクセス帯域に対して通信の帯域が相対的に大きくなると、メモリのアクセス帯域によって通信の帯域が制限されてしまう。これを避ける手法として、計算エレメント間で同一クロックソースを用いることで、計算エレメント間のフローコントロールを排除した通信方式の設計を行った。これは、チップ内のALUなどの論理回路内部でデータを受け渡すのと同様に、チップをまたがる回路間で同期してデータを受け渡す方式である。同一クロックソースを用いることにより、送信側のクロック周波数が受信側のクロック周波数と同一であることが保証でき、送信側と受信側の回路が決定的な動作をすれば、送ったデータが受信側に確実に受け渡され、フローコントロールを行う必要がなくなる。この方法を用いれば、チップ間の伝送に用いられる高速シリアル信号に多数のチップ内信号を決定的に重畳して送受することで、メモリアクセスの帯域に制限されずに広帯域のチップ間通信性能を活用することができる。また、本方式を用いることにより、通信時のシステムソフトウェアの介在を無くすことができる。光通信方式については、波長多重を用いて10Tbpsクラスの通信を実現する方法と、その際の光スイッチの制御方法について検討を行った。初年度は評価環境の構築が主要な目標であったが、この目標は達成できた。また、通信方式の基本設計も終えることができた。将来のデータセンターにおける光インターコネクション、光デバイスの役割を、データセンターの漸進的な性能向上を支えるという観点と、インターコネクションの革新的な広帯域化により、ムーアの法則の限界を超えたデータセンターの性能向上を図るという観点から検討した。光サーキットスイッチと従来型パケットスイッチのハイブリッドネットワークとすることにより、ネットワークの柔軟性を損なうことなくアプリケーションが広帯域通信の利点を享受することが可能であることを示し、異なる種類の専用ハードウェア間でデータを動かしながら処理をするAt-Function Processingが有効な手法となる可能性を示した。ハイブリッドネットワークの制御方式として、proactive制御とreactive制御の2種の手法を検討し、近年重要度が高まっているデータインテンシブな用途ではproactive制御が有望であることを確認した。特に、機械学習の一手法であるCNN (Convolutional Neural Network)について、問題分割時に発生する通信量を評価し、遅延の小さな通信を生かして問題を分割し並列処理する手法の検討を行った。

光通信方式については、将来実現可能なデータセンター内通信の帯域と消費電力について検討し、シリコンフォトニクスによるスイッチと波長多重方式の組み合わせにより、2028年までにはHBM2 DRAMのアクセス帯域や消費電力に匹敵する6.4Tbpsの通信を10pJ/bit以下の消費電力で実現することが可能であるとの見通しを得た。通信方式の検討を中心に消費電力や帯域面での課題が整理された。高速シリアル信号を用いて複数の計算エレメントを連携させる方式をFPGA上に実装して評価する。サーキットスイッチと時分割多重(TDM)を組み合わせることにより、多波長光サーキットネットワークをエミュレートし、決定的な振る舞いをする回路と広帯域通信を組み合わせることで高い性能が得られることを示す。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。システム性能向上の隘路になっているI/O性能を、広帯域な光通信技術を導入することにより飛躍的に向上させる方式を、構成方式、通信帯域と電力コストの面から検討する。また、近年注目を集めている機械学習アプリケーションについて、数値を表現するのに必要なビット数の削減により、並列処理する際の演算装置間の通信量を削減する手法の開発を行う。
計量と両立する接続の幾何学とアフィン超曲面論について

多様体上の捩れをもたない接続∇と非退化な計量hが両立するとは、∇hが対称なテンソルとなることである。両立する接続と計量をもつ多様体を統性多様体という。前年度までの成果をふまえ、統性多様体の幾何について今年度は特に統性多様体のα-共形変形に着目し、次のように研究を推し進めた。・通常のリーマン多様体における共形変形と射影変形、および上に述べた統性多様体のα-共形変形を特殊な場合として含む「一般化された共形変形」を定義し、その幾何学的な性質を調べた。特に、この一般化された共形変形によって不変に保たれるテンソルについて調べ、(接続に関して)平坦な統性多様体に変形されるための必要条件を与えた。さらに、この不変テンソルの代数的な特徴付けについて研究した。・上に述べた一般化された共形変形は東北大学・松添博氏によっても(1,-1)-共形変形という名で独立に研究されており、一般化された共形変形に関して平坦な統性多様体上の、距離関数の二乗によく似た性質をもつ二点関数(幾何的ダイヴァージェンスという)が定められた。我々は松添氏の結果をふまえて、この幾何的ダイヴァージェンスを統性多様体の内的な量を係数とする微分方程式の解として特徴付けることによって、その詳しい性質を調べた。また以上の研究とは別個に、3次元ユークリッド空間内の負の定曲率曲面の具体的な例について研究し、曲面として実現可能なポアンカレ円盤の領域およびそのチェビシェフ網について詳しく調べた。
半導体微細構造におけるゼロ磁場スピン分裂の解明と量子計算機への応用

本研究では、(001)量子井戸における電子スピン才差運動とその空間的コヒーレンス、およびそのスピンFETへの応用についての研究を行うとともに、電子スピン才差運動への原子核スピン分極の影響についても研究した。不純物やフォノンなどによる運動量散乱を考慮した、スピン輸送のモンテカルロ・シミュレーションを行い、デバイス応用上十分なスピン・コヒーレンス長を得るためには、次の2つの方法が有効であることを明らかにした。1.ラシュバ有効磁場がドレッセルハウス有効磁場よりも強く、後者が無視できる場合には、円形のコルビーノ型電極を用いると十分なスピン・コヒーレンス長が得られる。その際、中心電極の半径は小さいほど良い。2.ラシュバ有効磁場とドレッセルハウス有効磁場が同程度の場合には、電流方向を(110)やそれと等価な方向にすれば、十分なスピン・コヒーレンス長が得られる。いずれの場合も、ゲート電圧を通してラシュバ場を制御することで、ドレイン端でのスピン分極方向を有効に制御することが可能である。原子核スピンの影響については、電子スピンと原子核スピン間のフェルミ接触相互作用を考慮して、原子核スピン分極と電子スピン才差運動のシミュレーションを行った。その結果、原子核スピン分極が電子スピン才差運動に大きな影響を与えることが分かった。原子核スピンの分極に要する時間は10秒程度で、それにより電子スピン分極の大きさは最大で数10%減少する。これは応用上たいへん問題となり得る結果である。しかし、有効磁場を時間的に変化させることで原子核スピンを乱すことができれば、電子スピン才差運動に対する原子核スピンの影響が十分に減少する可能性がある。今後、有効磁場を時間的に変化させた場合の、原子核スピン分極の影響を詳細に研究する必要があるだろう。半導体ヘテロ接合および量子井戸におけるスピン分裂、すなわちスピンが上向きの電子と下向きの電子のエネルギーに差が生じる現象、を研究するためのツールとして、強結合近似によるバンド計算プログラムの作成をおこない、このプログラムを用いて数種類の量子井戸構造における伝導帯スピン分裂を調べた。この結果、量子井戸を構成する物質自体がスピン分裂を示さないSiやGeの場合でも、電場を印可することによってスピン分裂を誘起できることが明らかになった。このことは、製造技術が最も確立しているSiをベースとしたスピンデバイスの実現が可能であることを示すものである。まず量子井戸を構成する物質自体がスピン分裂を示す場合の例として、GaAs/AlGaAs量子井戸とInGaAs/InAlAs量子井戸の伝導帯スピン分裂の計算をおこなった。これらの量子井戸では電場を印可していない場合でもスピン分裂が生じるが、その波数依存性は波数ベクトルの方向によって異なる。たとえば[001]方向に成長させた量子井戸の場合、波数ベクトルが[100]方向ではスピン分裂が単調に増加するが、[110]方向では一旦増大したあとに減少に転じて0を横切り、さらにその絶対値が増大する。また、その変化の様子は電場の印可によって顕著に変化し、電場が一定の値以上になると[110]方向でも単調に増加するようになる場合がある。次に、量子井戸を構成する物質自体がスピン分裂を示さないSiやGeの量子井戸の場合、電場を印可しない状態ではスピン分裂は生じないが、電場の印可することによってスピン分裂が誘起されることを明らかにすることができた。これは、バルクには見られない特性を、量子井戸構造によって発現させることができることを示す、たいへん意義深い結果である。本年度は、2次元系でのスピン才差運動とそのコヒーレンスを中心に研究した。半導体中の電子は、内部磁場に応じて才差運動を行なう。

2次元系での内部磁場の要因には、結晶自体の反転非対称性に起因し、波数の3乗に比例するドレッセルハウス機構と、構造の反転非対称性に起因し、外部電場によって制御可能で波数に比例するラシュバ機構がある。またスピンのコヒーレンスは、電子の運動量散乱に伴うスピン反転による、いわゆるEY機構と、内部磁場の波数依存性による、いわゆるDP機構によって制限される。スピン才差運動はラシュバ機構を通して制御できるが、それと同時にスピンコヒーレンスも制御できる可能性がある。量子井戸構造では、電子をz方向に閉じ込めるとすると、ドレッセルハウス機構によるスピン分裂は2次元面内波数に比例する項と、3乗に比例する項に分けられるが、波数が小さい場合には3乗の項は無視できる。このとき波数に比例する項と、ラシュバ機構のスピン分裂の大きさが同程度の場合には、スピン分裂の大きさは波数の(1-1)方向成分に比例し、(11)成分には依らなくなる。(1-1)方向の電流を考えると、電子速度とスピンの才差運動の振動数はともに波数の(1-1)成分に比例するため、スピンの回転角は(1-1)方向に電子が移動した距離で決まり、DP機構によるコヒーレンス長は、原理的には無限大になることになる。実際には、波数の3乗に比例する項があるためコヒーレンス長が無限大になることはないが、実際にどの程度のコヒーレンス長が実現可能であるかを探ることは、大変重要である。このため、モンテカルロ・シミュレーションを行ない、InAs量子井戸においては数μmのコヒーレンス長が達成できることを明らかにした。この値はスピンFETの動作に十分な長さであり、スピンFETの実現に大きく貢献するものと考えられる。本年度は、昨年度に引き続き2次元系でのスピン才差運動とそのコヒーレンスの研究を行うとともに、スピンFETへの応用について研究を行った。昨年度の研究で、2次元電子ガスのいわゆるDPスピン緩和を抑制し、スピン・コヒーレンス長を増大させる方法を見いだしたが、実際のスピンFETではラシュバ場を変化させてスピン分極を変化させる必要があるため、この条件を常に維持できるわけではない。このためスピンFETを有効に動作させるためには、何らかの工夫が必要である。これに関して我々は、スピンFETのゲート電圧の符号を反転させることで、有効磁場の方向を90度回転させることが可能であることに注目した。このことを用いると、スピンが回転する条件とスピンが全く回転しない条件とを、コヒーレンス長を保ったまま行き来させることが可能である。スピンが回転する条件下でスピンがちょうど反転する距離とチャネル長を等しくすれば、十分なスピン・コヒーレンス長を維持したまま、ON-OFF動作が実現できるのである。このことは、スピンFETの研究開発の進展に大きな影響を与え得ると思われる。またこれとは別に、ラシュバ場のトポロジーを考慮して、いわゆるコルビーノ型の円形電極を用いることを提案し、電子伝導にともなうDPスピン緩和のシミュレーションを行った。その結果、円形電極を用いることでDPスピン緩和を抑制できることが明らかになった。ドレッセルハウス場が小さい物質や構造でスピンFETを実現するための一助となるだろう。
日本の社会的ルールシステムの構造-社会の秩序はどのようにして保たれるか-

〔目的〕私たちの社会には、法律を始めとして、規則,道徳,掟,慣習などさまざまな「社会的ルール」が存在する。これらのルールは独立したものではなく、相互に関係を保ちながら重層的な構造を保っている。本研究は、これら多様なルールが、全体としてどのような構造を持ち、その中で個別的なルールがいかなる働きをするのか、そのシステムを、社会調査によって明らかにすることを目的としている。〔方法〕(1)被調査者大阪府下に在住する成人男女を母集団とした。(2)抽出方法大阪府下を都市部と農村部に階層化し、住民台帳の中から、それぞれ400人ずつを二段無作為抽出した。(3)質問紙の内容新聞紙上で報道された過去の事件の中から、新宿西口バス放火事件,日航機長逆噴射事件,外国人指紋押なつ拒否事件,四つ子選択出産事件等12の事件を選び、それぞれの事件が、どのような社会的ルールによって処罰されると思うかを問うた。また、それぞれの社会的ルールの性質についての質問、人びとの価値観、政治的態度、道徳観、各種のデモグラフイック属性を問う質問が含まれている。〔結果〕社会事件の中には、法律のみならず道徳や規則など複数のルールによって処罰されるものと、法律上は罪になるがそれ以外のルールからは処罰されないもの、またそれと全く逆のケースなど、いくつかのタイプのあることが明らかになった。その意味で、社会的ルールは、相互に関係を保ちながら、全体として社会の秩序をレギュレートしているようである。またこれらの処罰の与え方は、地域のもつ社会的規範や、各人の道徳性、価値観、政治的イデオロギー、それに性、年令、学歴といった個人属性によって、強い影響を蒙っていることが明らかとなった。
HIVのVifタンパク質による宿主細胞を利用したヒト抗ウイルス因子排斥機構の解明

ヒトAPOBEC3G(A3G)タンパク質は、ウイルスDNAを改変することによりHIVに対する生体防御を担う。一方でHIVのVifタンパク質はA3Gを無力化する。ヒト細胞中では、Vifタンパク質はヒトのE3ユビキチンリガーゼ複合体と複合体(Vif複合体)を形成する。前年度はVif複合体がA3Gの活性を直接阻害することを示し、これまで報告されていたA3GのN端ドメインのみならず、C端ドメインもVif複合体と相互作用することを見出した。今年度はVif複合体中のどの分子が、何と相互作用しているのか詳細な検証を行った。ゲルシフトアッセイ、蛍光異方性、サイズ排斥クロマトグラフィー、分析用超遠心、NMR法で解析した結果から、VifはDNAと強く相互作用する一方、Vif複合体に含まれるヒト由来のタンパク質がA3Gと弱いながらも相互作用することが明らかになった。更に、Vif単独の調製に成功し、このVifはDNAと強く相互作用するものの、A3Gの活性を阻害する効果はないことが明らかになった。その結果、Vifタンパク質によるA3G阻害の実態はVifタンパク質中に含まれるヒトタンパク質が担っていることが示唆された。また、Vif複合体の標識では、昨年度達成した、複合体の各蛋白質の選択的13C、15N標識に加え、各タンパク質中のプロトンを重水に置換することも可能となった。超遠心解析の結果、Vif複合体は低濃度では主として単量体として溶液中に存在するものの、NMR濃度では凝集しやすい傾向があることが明らかになった。当初想定していなかった、Vif複合体中のヒトタンパク質とA3Gとの相互作用が示唆され、その検証のため、計画の変更を余儀なくされたため。Vif複合体によるA3G阻害効果をVif以外のタンパク質が担うか検証するため、Vifの変異体を作成し、Vifによる影響を検討する。溶媒条件等を検討することで、Vif複合体が多量体を形成しにくい条件を模索し、複合体中のVif分子のみを標識したNMRスペクトルを測定する。また、共同研究の結果、Vifと結合するRNAアプタマーを同定することができた。このRNAアプタマーがVif複合体によるA3G阻害を無力化、即ち抗HIV薬のシーズとなり得るか検証する。今年度はVif複合体によるA3G活性の阻害と各構成タンパク質間の相互作用に着目した。Vif複合体存在下で全長A3G及びA3GC端ドメインの活性を比較した結果、いずれの場合もVif複合体はA3Gの活性を阻害することが明らかになった。VifによるA3G阻害のメカニズムを明らかにするために、Vif複合体中の各構成タンパク質とDNA及びA3Gとの相互作用をそれぞれ評価した。Vif複合体はDNAと強い相互作用を示す一方で、複合体中の他の構成因子はDNAとほとんど相互作用しなかった。また、標識したA3GC端ドメインのNMRスペクトルを測定することにより、A3GC端ドメインは静電相互作用によりVif複合体と相互作用することが明らかになった。以上の結果から、VifによるA3Gの阻害にはVif複合体とDNA間の相互作用とA3G間の相互作用の双方が重要であることが明らかになった。さらに、標的配列を含むDNAと標的配列を含まないDNAが混在する溶液中で、A3GC端ドメインの活性を評価したところ、A3GはDNA上の標的配列を探索する際に、あるDNAから別のDNAに移動(ストランド間移動)することを示唆する結果を得た(Kamba et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 2018)。通説ではストランド間移動は複数ドメインからなるタンパク質に特有の現象と考えられていた。単一ドメインから成るA3GC端ドメインにつて本論文で発表した結果は従来の知見を覆す発見であり、2018 PCCP HOT Articlesに選ばれた。今年度は、Vif複合体がA3Gの活性を阻害することを示し、そのメカニズムがVif複合体とDNAとの相互作用と、A3Gとの静電相互作用であることを明らかにした。並行して、Vif複合体中の各構成タンパク質を個別に安定同位体標識する方法を確立した。Vifのみを安定同位体標識したVif複合体のNMRスペクトルを得ることはできたが、分子量が大きいこともあり、解析するには十分なスペクトルを得られなかったが、他の構成タンパク質を安定同位体標識することでVif複合体およびその阻害剤の最適化を行うための準備を整えた。今年度得た活性測定、分子間相互作用、A3Gの物性解析で蓄積した知見を併用し、VifによるA3G阻害に拮抗する薬剤のスクリーニングを行う準備が確立された。