hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
薬物トランスポータの膜局在決定因子の同定と極性輸送機構の解明

腎臓の近位尿細管に局在する薬物の運び屋タンパク質(トランスポータ)がどのように細胞膜に運ばれ機能するか、またその発現量がどのように規定されているか等を明らかにすることを目的として検討を行い、腎臓における薬物輸送を再現するモデル細胞の構築に成功し、また薬物トランスポータの発現量を規定する因子を同定することができた。さらに、トランスポータを全く発現しないマウスを作製し、その役割を明確にした。小腸や腎臓などの上皮細胞では、血管側側底膜と管腔側刷子縁膜に機能特性の異なる薬物トランスポータが局在し、薬物の臓器移行性や薬物輸送の方向性(吸収・分泌)の決定に重要な役割を果たしているが、その細胞膜局在を決定する分子機構については未だ不明な点が多い。本研究では有機カチオントランスポータ(MATE1,0CT2)をモデル蛋白質として選び、それぞれの膜局在を規定する因子(薬物トランスポータ結合蛋白質)を探索、同定することを試みる。まず、有機カチオン輸送活性を有しない培養腎上皮細胞MDCKにMATE1,0CT2を共発現させたところ、OCT2は側底膜、MATE1は頂側膜に局在し、側底膜側から頂側膜側への分泌方向に対応する方向選択的な有機カチオン輸送が認められた。そこで、MATE1のN末端またはC末端側にgreen fluorescent proteinまたはV5をtagとして付加したコンストラクトを作成し、MDCK細胞に安定発現させたところ、N末端にtagを付加した場合には頂側膜に発現するのに対し、C末端にtagを付加したものではほとんど発現が認められないことが明らかになった。従って、MATE1のC末端側の領域がその頂側膜への発現に重要であることが示唆された。また、頂側膜に発現するMATE1は推定される分子量よりも小さく、細胞膜移行の過程で何らかのプロセシングを受けているものと考えられた。現在、MATE1の結合蛋白質の同定を進めており、さらにMATE1の生合成後の細胞内輸送経路、細胞膜発現挙動について明らかにしていく予定である。本研究では有機カチオントランスポータ(MATE1,OCT2)をモデル蛋白質として選び、検討を行った。まず、有機カチオン輸送活性を有しない培養腎上皮細胞MDCKにMATE1,OCT2を共発現させたところ、OCT2は側底膜、MATE1は頂側膜に局在し、側底膜側から頂側膜側への分泌方向に対応する方向選択的な有機カチオン輸送が認められた。そこで、MATE1のN末端またはC末端側にgreen fluorescent proteinまたはV5をtagとして付加したコンストラクトを作成し、MDCK細胞に安定発現させたところ、N未端にtagを付加した場合には頂側膜に発現するのに対し、C末端にtagを付加したものではほとんど発現が認められないことが明らかになった。そこで、MATE1のC末端側の欠失変異体を構築し、細胞に発現させて局在を観察した結果、MATE1の細胞膜局在に重要と考えられるC末端側領域を決定することができた。現在、この領域に特異的に結合する蛋白質の同定を進めている。
ゲノムインプリンティング解析の法医学的展開

インプリンティング領域内における多型現象を法医学的に応用するべく検討した。染色体11p15.5におけるIGF2(父性アレル発現)ならびにH19(母性アレル発現)遺伝子内の塩基置換に基づく既知RFLP多型について,まず基本となるデータを得るために,岩手県集団の頻度調査および親子鑑定事例での遺伝様式を調べた。IGF2多型を報告にあるPCR-RFLP法に代えてPCR-SSCP法で調べたところ,簡単かつ確実な判定が可能となった(RFLP法による判定は時に誤判定を伴う)。一方,H19多型については,報告されているPCR-RFLP法が有効であった。それぞれの対立遺伝子頻度は報告されている数値と似ていたものの,期待値と観察値に若干の差が見られ,サンプル数を増やして追加・検討している。親子30例において遺伝的矛盾は全く見られなかった。各々の多型の塩基配列に基づき、メチル化シトシン部位を推測してプライマーを合成した。DNAをbisulfite処理してmethylation specific PCR(MSP)を試みたが,両多型領域の特異的増幅は困難であった。これは,メチル化シトシン部位を特定するsequencingをすることで適切なプライマーデザインが可能となると考えられる。末消血中の両遺伝子の発現状態をmRNAのRT-PCRにより確認することと併せて,今後も研究を進める予定である。
有機磁性体における多重量子液体相の探索

三角格子有機磁性体の量子スピン液体状態における磁気励起構造を系統的に理解することを目的とし、kappa-H_3(Cat-EDT-TTF)_2、およびkappa-(BEDT-TTF)_2Cu_2(CN)_3の磁気トルク測定を行った。その結果、三角格子有機磁性体における量子スピン液体状態では、磁化率が低温で温度に依存しない有限の値を示すことを突き止めた。さらに、物質間での比較から、その磁化率の値が反強磁性的交換相互作用の大きさの逆数でスケールされるという共通の性質を明らかにした。本研究は,電子スピンおよび電気双極子の量子液体状態が共存した『多重量子液体相』を有機磁性体の特徴を活かして実現し,その量子相での新機能性を明らかにすることを目的としている.近年,研究が盛んに行われているマルチフェロイック物質では,磁場誘起強誘電のように単なる強磁性体あるいは強誘電体では見られない特異な電気磁気効果が実現する.一方で,本研究課題が目指す多重量子液体状態では,強い量子効果が支配する新奇な電気磁気効果が期待される.当該年度は,分子性モット絶縁体κ-H3(Cat-EDT-TTF)2において,量子スピン液体状態が実現しているかどうかを明らかにすることを主な目的とし,希釈冷凍機および精密超伝導マグネットを組み合わせた極低温50 mK,強磁場20 Tまでの磁気トルク測定を行った.測定の結果,対象物質は,反強磁性的交換相互作用の1000分の1という低温においてさえ,磁気秩序を示さない量子スピン液体状態であることを見出した.さらに,低温磁化率が温度に依存しないパウリ常磁性的振舞いを示すことから,本物質の量子スピン液体状態における磁気励起にはギャップが存在しないことも明らかにした.一般的に,系は低温で自発的に対称性を破って秩序化する(例えばスピン系であれば磁気秩序)ため,単一の量子液体状態を実現することですら難しいと言える.実際,量子スピン液体の候補物質は現在のところ,10個に満たない.本研究では,その希少な例を発見した.次年度は,対象物質において多重量子液体性を探索する.本研究は,磁性体の新たな状態と考えられている量子スピン液体状態を実験的に実現すること,および量子スピン液体と量子常誘電との共存状態である多重量子液体状態を探索することを目的とした.昨年度までに,三角格子系有機磁性体κ-H_3(Cat-EDT-TTF)_2の極低温・強磁場下磁気トルク測定を行い,反強磁性的交換相互作用の1000分の1という極低温まで長距離磁気秩序が存在せずに量子スピン液体状態が実現していること,およびその液体状態において磁気励起にギャップが存在しないことを明らかにしている.本年度は,κ-H_3(Cat-EDT-TTF)_2の量子スピン液体状態における熱力学的特性を明らかにするため,不純物レベルの極めて小さな磁気エントロピー変化を検出できる磁気熱量効果の測定システムを立ち上げた.測定の結果,量子スピン液体状態において,磁気エントロピーが磁場印加によって急激に減少し,高磁場でほとんど変化がなくなるという特異な振舞いを明らかにした.この成果は,現在発表準備を進めている.また,量子スピン液体状態を示す新物質の探索を目的としてβ-(BDA-TTP)_2I_3の低温磁気トルク測定を行ったところ,約40 Kで磁気転移を発見した.この磁気転移は,単純なスピンモデルを用いた磁気トルクのシミュレーションから,リング交換相互作用という高次の交換相互作用により生じていることを指摘した.リング交換相互作用によるフラストレート磁気状態は,電子スピン系における初めての発見である。以上の成果は,現在論文投稿中である.固体物理、物質科学平成25年度の研究計画は,(1)分子性モット絶縁体κ-H3(Cat-EDT-TTF)2における量子スピン液体の探索,および(2)単結晶の純良化・巨大化であった.合成当初の10倍程度の単結晶試料を育成し,この試料を用いて極低温における磁気トルク測定を行い,有機三角格子系において3例目という希少な量子スピン液体状態を見出したことから,本年度の計画は充分に果たせたといえる.研究成果は,国内外において研究発表を行った.次年度になると想定していた学術論文についても,既に投稿中であることから,当初の計画以上に進展していると判断できる.平成26年度は,(1)κ-H3(Cat-EDT-TTF)2における量子常誘電の実現,および(2)多重量子液体状態における電気磁気効果の解明,を行う予定である.しかしながら,申請者は平成25年度内に所属変更が生じたため,使用予定であった誘電率の測定機器が手元にない状況となった.

したがって,まず誘電率測定システムの構築を行う必要がある.これにより,計画に若干の遅れが生じると考えられる.その代替となる研究として,対象物質において発見した量子スピン液体状態における新奇な量子現象と期待される磁気トルクの低温異常の起源を解明することを狙いとした磁気熱量効果測定を行う予定である.平成25年度中の所属変更によって,研究計画を若干見直す必要があった.年度内に購入予定であった誘電率測定に必要なエレクトロニクス部品や温度計等の購入を次年度にすることにした.前年度に購入予定であった誘電率測定の際に使用するエレクトロニクス部品や温度計の購入に使用する.
自然災害を起因とした火災のリスク評価に関する研究

自然災害全般を対象とした火災のリスク評価・対応技術の確立のために、(a)自然災害を起因として発生する火災に関する国内外を対象とした事例収集、(b)自然災害を起因として発生する火災に関する調査方法の確立、(c)上記のデータから、出火メカニズムを推定、(d)自然災害全般を起因として発生する火災に関する出火予測手法の確立、の各課題にわたって順次、研究を実施する。事例収集にあたっては、これまでに実施した東日本大震災、熊本地震、大阪府北部地震などの地震火災の実態を把握する網羅調査を含め、わが国もしくは海外で過去に発生した自然災害を網羅的にリストアップし、それぞれに文献調査やインタビュー調査を実施する。
生存戦略としての高山植物の種子発芽特性の評価

北海道大雪山系の高山帯で,高山植物実生の発生時期と生存パターンについての調査を2年間行った。また,現地で採取した10数種の種子を用いて実験室内で発芽試験を行い,発芽の温度特性を比較した。野外での観察の結果,雪解けの早い風衝地植物群落では生育シーズンを通しての発芽が認められたのに対して,雪解けの遅い雪田植物群落では雪解け直後に発芽が集中していた。風衝地では生育シーズン初期の乾燥による死亡と越冬期の死亡が高かったが,雪田環境では発芽実生の死亡率は低かった。実験室での様々な温度制御下での発芽試験の結果、風衝地植物の発芽は種内においても様々な温度特性を示したのに対して,雪田植物の発芽はある温度域に集中していた。また,一般に風衝地植物の発芽開始積算温度は雪田植物に比べて低い傾向が認められた。これらの傾向は,風衝地から雪田まで広い分布域をもつミヤマキンバイの個体群間でも認められた。以上の結果より,風衝地は植物にとって変動環境にあり,生育シーズン初期の乾燥や冬季の死亡率が実生の定着を制限していることが推測された。早く発芽した実生は乾燥による死亡の危険性が高いが,長い生育期間を確保できるために根茎の発達がよく,冬季の死亡の危険性が低いというトレードオフの関係が認められた。このような環境では,発芽時期に変異を持たせる危険分散によって,実生集団の絶滅確率を低くするような発芽パターンが適応的であると考えられる。異なる積雪環境にある個体群間では,発芽特性に作用する選択圧が異なっていることが本研究によって示唆された。北海道大雪山系の高山帯で、風衝地から雪田にかけて5つの調査プロットを設定し、土壌温度と水分環境を計測した。そして、そこに出現した当年生実生の出現時期と生存率を測定した。さらに、各プロットから合計24種の高山植物の種子を採取し、実験室内で発芽特性を比較した。当初予測したとおり、風衝地の土壌温度は季節変動が激しく、初夏には氷点下の温度に下がることもしばしばであった。そして日中は40度近くまで上昇し、日変動が激しく、土壌も乾燥することが多かった。これに対して雪田では、気温の上昇する盛夏に積雪から解放されるので、土壌温度は比較的高く保たれ、融雪水の供給を受けるため土壌水分も比較的高く保たれていた。このような異なる土壌環境条件を反映して、風衝地では季節を通じて発芽が,起こり、雪田では消雪後短期間で一斉に発芽が起こっていた。風衝地での発芽時期の分散は、予測不能な霜害や乾燥による実生集団の絶滅を回避するための戦略と考えられた。また、雷田での一斉発芽は、短い生育期間中にできるだけ早く成長するために有利な形質と考えられる。これらの発芽パターンの変異は、発芽のための温度要求性の違いを反映したものと考えられる。実験室での温度コントロール下での発芽試験により、個々の種に特有な温度要求性が明らかにできた。このような生育環境の違いを反映した発芽特性の分化は、これまで高山生態系ではほとんど研究されておらず、高山帯での群落発達や多様性維持機構を研究していく上で非常に重要な情報となる。平成10年度に得られた結果については、現在学術誌に投稿準備中である。
全固体リチウムイオン電池用固体電解質におけるリチウム析出現象のメカニズム解明

電解質に固体電解質を用いた二次電池である全固体リチウムイオン電池においても、負極にリチウム金属を用いると、通電時に粒界にリチウムが析出し、正極に達して短絡が生じる。これは、全固体リチウムイオン電池の実現・普及を目指す上で致命的な問題である。しかしながら、その発生メカニズムは「いつどのような条件で、リチウム析出が生じるのか?」といった具体的な予測を行えるほどには理解されていない。本研究では、微細加工技術を用いて解析が容易な表面形状を固体電解質に導入し、発生したリチウム析出をアコースティックエミッションを用いて局所的に観測することで、現象の本質を解明することを目指す。
移動中に行う活動の時代変遷と活動可能な環境に対する支払い意思

社会において人は通勤,通学,買い物など移動を伴う様々な活動をしているが,移動それ自体が目的ではなく,移動先での活動のために仕方なく移動していることも多い.しかし,近年ではインターネットに接続可能な携帯端末を使うことで,移動時間を有効に活用できるようになってきた.本研究では,公的機関の実施したデータや筆者の独自調査データを用いることで,移動中に行う活動の時代変遷を把握するとともに,移動中に行われる活動はどの程度生産的なのか,また生産的な活動が実行可能な移動環境の整備に,どの程度の金銭的価値があるか,解明する.社会において人は通勤,通学,買い物など移動を伴う様々な活動をしているが,移動それ自体が目的ではなく,移動先での活動のために仕方なく移動していることも多い.しかし,近年ではインターネットに接続可能な携帯端末を使うことで,移動時間を有効に活用できるようになってきた.本研究では,公的機関の実施したデータや筆者の独自調査データを用いることで,移動中に行う活動の時代変遷を把握するとともに,移動中に行われる活動はどの程度生産的なのか,また生産的な活動が実行可能な移動環境の整備に,どの程度の金銭的価値があるか,解明する.
遊離神経片内motoneuron移植によるfree-design筋移植術の実現

遊離神経片を移植細胞のcarrierとして使用し、脱神経筋を再建する技術を確立した。遊離神経片内に移植された胎児脊髄前角細胞は、Waller変性に陥った末梢神経を至適環境として中枢神経系細胞から成る脊髄類似環境を構築した。組織学的評価と運動機能評価では、遊離神経片は任意の位置に設置可能な異所性神経節として脱神経筋の新たな支配神経となっており、電気刺激によって良好な筋収縮も認められた。歩行パターンの解析には至らなかったが、刺激電極や非接触刺激用コイルの開発を始めた結果、臨床を視野に入れた大型動物での実験に向けた基盤となり、骨格筋麻痺に対する再生医療の道を示す技術を開発することができた。遊離神経片を脱神経筋に縫合し、ここへ胎児脊髄前角細胞を移植して骨格筋再建を行った。細胞移植部位である遊離神経片内には神経細胞・グリア細胞などによって結節性構造が作られており、電気刺激による再建筋の収縮も良好であることから、結節性構造は中枢神経系に類似した異所性神経節であると考えられた。この神経節をより詳細に評価するため、電子顕微鏡による観察を行った。神経内には神経細胞体と無数の有髄軸索が認められ、軸索走行は神経内中央と辺縁では異なっていた。髄鞘も厚みの異なる2種類が観察され、移植細胞に含まれる中枢神経由来のものと、移植床である末梢神経由来のものが混在した状況が示唆された。また、工学部教室の協力のもと、神経刺激に用いる小型刺激電極の開発に取り組んだ。実験動物のラット大腿部に絶縁コーティングした金箔電極を埋め込み、背部から出した導線によって体外からの刺激を行うことができた。移植細胞を胎児脊髄後根神経節由来の感覚神経細胞とする感覚再建にも取り組んでいる。骨格筋の制御について、正常個体では筋の伸長をモニタリングする筋紡錘からのフィードバックを介して筋収縮が制御されている。中枢との連続性を断った神経内に感覚神経細胞を移植し、筋紡錘と表在神経の再生を免疫組織学的に評価した。surgical controlと比べ、36か月の時点では軸索の再生が確認できた。骨格筋内の筋紡錘の数自体が少ないが、今後は機能評価・定量的評価を行う予定である。移植細胞によって作成された異所性神経節の評価は順調に進んでおり、感覚神経細胞移植を組み合わせた再建にも取り組んでいる。再建筋の運動解析と制御プログラミングについては実験が遅延している。胎児脊髄前角細胞を使用する技術は安定し、良好な成績が得られるようになった。移植細胞としてマウスES細胞、ヒューマンiPS細胞を使用する実験も平行して行っており、こちらも細胞生着と良好な軸索伸長を観察できている。大型動物を用いた実験にも取り組んでいるが、運動機能評価には至っていない。胎児脊髄前角細胞での移植では、細胞移植部である遊離神経片内に神経細胞・グリア細胞から成る結節性構造が作られており、これを組織学的に解析した。免疫染色、電子顕微鏡による評価によって中枢神経系である脊髄構造に類似していることが分かり、再生骨格筋の機能評価でも電気刺激によって良好な筋収縮が認められていることから、これは異所性神経節であると考えられた。移植細胞を胎児脊髄後根神経節由来の感覚神経細胞では、支配領域の皮下の感覚受容器と骨格筋内の筋紡錘への軸索再生を認めている。感覚神経細胞と運動神経細胞をハイブリッドで移植することで、反射回路が出来上がる可能性があり、当初予定の末梢完結型の運動機能再建に限らず、中枢へのフィードバックを組み込むことで随意的な機能再建を目指すことも可能であることが示唆された。運動制御のための工学的技術としては刺激電極を改良することで、小型化されるとともに神経への刺入が容易になり、また刺激の方法として、コイルを用いた非接触体外刺激を行うことができた。臨床導入を考えた際に体内装置に電源を必要としないことは大きなメリットになると思われた。移植モデル作成と組織学的評価を継続するとともに、電気刺激に用いる電極の改良と刺激方法の検討を行っていく。運動神経細胞移植モデルでは組織学的にはかなり評価出てきており、今後は感覚神経細胞を用いた評価を主に行っていく。末梢神経実験用機材購入を行わず、主に実験動物と消耗品の購入になったため。組織学的評価に力を入れたために、設備としての機材を必要とせず、次年度使用額が発生することとなった。ラットモデルの追加作成と組織学的評価をさらに行っていく。運動機能評価について必要な機材・周辺物品の購入をする。
有機物により構成される生体等価型輝尽蛍光体の開発

本研究では、有機物を主要成分とし、生体組織と等価な原子番号分布を有する輝尽蛍光材料の合成を目的とした。そのためには、有機無機ハイブリッド材料の合成手法の確立が不可欠である。本研究では、ゾルゲル法というonepotの手法、および超臨界水熱合成したナノ粒子のポリマーへの分散という2段階プロセスによる合成手法の2つの手法を採用し、いずれの手法においても、透明な有機無機ハイブリッド蛍光材料の合成に成功した。今年度には、ポリマーベースの有機蛍光体の開発を行った。特に、少量の無機ナノ粒子添加や、多様な蛍光体分子の添加技術を確立した。これらの技術は、次年度以降の材料開発における基盤技術となる。従来の輝尽蛍光材料と同様の、波長500 nm以上の刺激光での読み出しを想定すると、発光波長として450 nm以下が望ましい。その場合、蛍光量子収率が高く、なおかつその発光波長(短すぎても光電子増倍管などでの検出感度が低いため、350 nm以上の発光波長が望ましい)のものとなると、想定される有機蛍光分子として、DPO-POPOP系、あるいはbutyl-PBDが望ましい。これらの分子を高濃度に導入すると、濃度消光が生じる。そのため、最適な濃度範囲が存在する。今年度の研究の結果、この最適な濃度範囲は、DPO-POPOP系において、butyl-PBDの10倍程度であることが明らかとなった。後述するように、蛍光分子の濃度は、輝尽蛍光過程を決定付ける重要なパラメータの一つである。このような相補的な最適濃度を有する蛍光分子を見出したことにより、蛍光分子濃度の範囲を幅広く探索しながら、次年度の材料設計を行うことが可能となった。材料作製手法としても、有機溶媒中にポリマーと有機蛍光分子との双方を溶解させ、その後の有機溶媒の蒸発によって蛍光体を作製する手法と、ポリマーの原料(モノマー)の熱重合により材料を得る手法との双方を確立した。有機物ベースでの輝尽蛍光体開発を行った。従来の輝尽蛍光材料では、構成元素の原子番号や密度が大きく、生体内での線量計として利用するには制約が多い。輝尽蛍光材料を有機物で構成することにより、生体とほぼ等価な元素組成となるため、生体内での精密な線量測定が可能となる。多核の錯体結晶という新たな材料系の利用により、有機物ベースでの輝尽蛍光特性を達成する。このような材料開発は、輝尽蛍光材料を開発する上で新規かつ有効なアプローチであると考えられ、有機物での輝尽蛍光特性が実現されれば、生体等価材料を用いた線量計として広くその応用が期待される。輝尽蛍光体を形成するためには、無機元素の助力が不可欠である。即ち、無機元素による電荷捕獲状態の形成に基づき、輝尽蛍光特性の発現を試みた。そのための手法として、本研究では、ナノメートルスケールで無機物をポリマー中に析出させ、あるいはあらかじめ別の手法で合成したナノ粒子をポリマー中に分散させ、有機無機ハイブリッド材料を構築することに成功した。この手法は、あらゆる無機ナノ粒子に対して適用可能であるため、研究開始当初に掲げられた目的の大部分は達成されたといえる。一方、現状で得られている輝尽蛍光の強度はそれほど大きくない。そのため、ポリマーマトリクスへの分散制御手法の更なる改良や、添加するナノ粒子の種類、あるいはナノ粒子そのものの特性をよりよいものに改良することが必要となってくると想定される。放射線物理化学非常に多様な物質を導入して、ポリマー系材料を作製することが可能となった点が第一点である。例えば、超臨界水で合成したナノ粒子の担持が可能となった。この際に、ポリマーの重合による手法、あるいは溶媒蒸発による手法の双方が可能となったため、導入する物質の幅が非常に広がった。このことは、輝尽蛍光を実現するうえで非常に重要である。なぜなら、電子や正孔のトラップサイトとなる分子や蛍光分子など、多様な成分の導入が不可欠なためである。第二の点は、上述のように、幅広い濃度の蛍光体を用いて開発が可能となった点である。今後、多様な分子を添加したポリマー系材料を開発する予定である。中でも対象となるのが、ドナー、あるいはアクセプターとなる分子の導入である。これらは、ポリマー中で励起状態(あるいは電子正孔対)が生じた際に、電子、あるいは正孔を、準安定的にトラップすると想定される。電荷移動錯体の既往の膨大な研究を参照し、多様なドナー・アクセプター分子の導入を進める。今後の研究におけるパラメータとしては、1.ドナー・アクセプター分子の種類、2.導入濃度、3.蛍光分子濃度、の3つが挙げられる。これらは、電子および正孔の準安定的なトラップや、その後の再結合、および再結合エネルギーの蛍光分子への移動、という過程で決定的な役割を果たすパラメータである。なお、輝尽蛍光特性の解析と並行して、融点や熱分解温度以下での熱蛍光特性の解析を視野に入れている。熱蛍光では、準安定的にトラップされた電子や正孔を、刺激光ではなく、熱により再励起する。
適応度地形の特性に注目した進化と学習の相互作用の解析とその工学的応用

本研究は,集団レベルで働く進化と個体レベルで働く学習という2つの適応メカニズム間の相互作用に関し,遺伝子・表現型空間の各点に対応する適応度の山として描かれる適応度地形の特性に注目してそのダイナミクスを明らかにすることを目的とし,人工生命モデルに基づく解析と工学的応用への検討を行った.その結果,凸凹した複雑な適応度地形や,コミュニケーション能力や言語能力の進化,ニッチ構築形質の進化など,個体間の相互作用に依存する動的環境において,学習が進化に大きな影響を果たしうることが示された.本研究は,集団レベルで働く進化と個体レベルで働く学習という2つの適応メカニズム間の相互作用に関し,遺伝子・表現型空間の各点に対応する適応度の山として描かれる適応度地形の特性に注目してそのダイナミクスを明らかにすることを目的とし,人工生命モデルに基づく解析と工学的応用への検討を行った.その結果,凸凹した複雑な適応度地形や,コミュニケーション能力や言語能力の進化,ニッチ構築形質の進化など,個体間の相互作用に依存する動的環境において,学習が進化に大きな影響を果たしうることが示された.本年度は,進化と学習の相互作用に関する次のモデルを構築し,実験と解析を行った.まず,凸凹した適応度地形における進化と学習の相互作用に関して知見を得るため,各個体の遺伝子間の相互作用(エピスタシス)とその適応性に正の相関を想定した多峰性の適応度関数[Suzuki and Arita2007]を用いて学習能力(表現型可塑性)の進化モデルを構築した.実験の結果,進化と学習の相互作用であるボールドウィン効果が繰り返し生じることで,集団が局所的なピークを抜け出し,より適応的な集団へと進化することが判明した[鈴木,有田2007].現在,より一般的な適応度地形における結果を含めた研究成果を論文誌に投稿中である.また,生物の生態的活動に基づく適応度地形の改変であるニッチ構築が学習に与える影響を明らかにするため,両形質の共進化を想定した人工生命モデルを構築した[野場,鈴木,有田2008].各個体は,状態が実数値で表される同一の環境に共存し,環境値との差で適応度が決まる形質の初期値に加え,学習で形質値を環境値に近づける大きさ,ニッチ構築で環境値を形質値に近づける(遠ざける)大きさを決める3つの遺伝子を持つ.各世代ですべての個体が両活動を一定回数行い,その間の適応度に基づき集団が進化するものとした.実験の結果,両活動に関する遺伝子の値が交互に増減する共進化の過程が見られ,これはニッチ構築による環境状態の安定・不安定化が学習のメリットとコストのバランスの変移を駆動するためであることが判明した.さらに,工学的応用も念頭に置き,群ロボットなどの自律分散システムが外界と相互作用することによる挙動の変移を,集団レベルでの表現型可塑性と捉え,外乱をきっかけに自己組織的な挙動を示すセルオートマトンの進化的探索を行った[岩瀬,鈴木,有田2007].その結果,外乱の発生に応じて系の挙動(セルの状態分布)が大きく切り替わるルールが発生することを確認した.昨年度の研究成果をさらに掘り下げ,次の研究を行った.個体間の相互作用で変動する適応度地形上における進化と学習の相互作用を理解するため,コミュニケーション能力の進化を考え,前年度の凸凹した地形おける表現型可塑性の進化モデルの拡張を行った.具体的には,各個体が信号の送信または受信を行った際に生じるコミュニケーションの適応性のレベルが,それぞれの立場において用いる形質の構成によって決まり,高いレベルほど形質間の相互作用の影響が大きいものとした上で,学習はレベルの可塑的な変化をもたらすものとした.あるレベルに収束した集団からの進化実験を行ったところ,学習が無い場合にはより適応的なレベルを持った個体が突然変異により生じても,理解する相手がいないために集団中に侵入できないことが確認された.一方,学習能力の進化を導入した場合には,学習によってレベルを使い分ける個体が生じることで,より適応度の高いコミュニケーションを行う個体が次第に集団中に広がっていくことが判明した.さらに.表現型可塑性と関連の深い人工発生の解析手法や言語能力の進化とボールドウィン効果,動的な適応度地形としての性選択に基づく進化,自律分散系における集団レベルでの可塑性としてのセルオートマトンと外界との相互作用についても成果発表・検討を行った.前年度における,進化と学習,ニッチ構築間の相互作用に関する知見も総合し,複雑かつ動的な適応度地形上の進化を理解する上では,表現型可塑性とその進化の役割が極めて重要であることが明確に示された.また,コミュニケーション能力の進化など,自律分散的な工学システへの応用に関しても,重要な示唆を与えることができた.
海域地下構造状態監視観測の刷新的手法の研究

精密に振幅と位相を制御した弾性波を連続送信して地下の状態探査監視する技術(アクロス:ACROSS:Accurately Controlled, Routinely Operated, Signal System)を発展させ,海上を曳航して使える方法を検討し,その具体化を実現する戦略を確保し,そのための技術的資料を作成するのが本研究の目的である。次世代の地下深部〈海域〉研究においては,地下の状態変化の検出を目指した監視観測手法を確立することが急務である。そのため,海底設置型のアクロス送信装置と並行して,海面上を曳航して送信する装置の開発を目標として設定し,既存の探査手法との比較検討を試みた。昨年度は,理論的考察と概念設計を始めた。とくに技術的評価では,海水面上で精密制御した定常的弾性波信号を発信する装置技術について,従来の大容量エアガンによる送信波形やノイズについてやや詳しく検討を行った。まだ充分ではないが,ノイズや高調波成分などについて地震アクロス送信で克服すべき信号精度やその安定度について,ある程度の見通しを得た。また,実用性評価では,送信信号の長時間スタックで,海面上アクロスにとって最適なスタック方法についてやや原理的な解析手法を検討した。ただし,現実的なデータに適用するためには更なる工夫が必要であることが分かった。今年度は,昨年同様に以下の2つのアプローチをそれぞれ進展させた:(1)技術的評価:送信装置の機構では,常識的な「船底加振方式」,および「パイプオルガン方式」がある。そこで本研究では,それらの変種、および他にもいくつか新規アイディアを検討した結果,各種の水中音波送信アンテナの設計とその送信効率(送信周波数・波数特性)や水面上を曳航しながら安定な連続送信をする技術上の問題点とその対応方策など,重点的に議論してある程度の結論を得た。(2)実用性評価:(実用化のために目標を5年間と設定して,実現させるための具体化案を検討した)(ア)水面上を曳航できる(位置と姿勢が繰返し送信時間と同程度で変化する)連続送信装置の信号を長時間スタックして,高いS/Nを得るためのスタック手法の開発/改良にある程度のメドを得た。(イ)曳航型アクロスにおいて安定な連続送信のための概念設計とシミュレーションを行った。本計画では,役割分担を4つにわけてそれぞれが2人づつ組んで責任を持って資料を収集するとともに,総合評価会議ではより具体的な問題点を整理して,実用化への道筋を作成した。精密に制御した連続周波数変調弾性波を発信して地下の状態探査監視する技術を発展させ,海上を曳航して使える方法を検討し,その具体化を実現する戦略を確保したい.そのための技術的資料を作成するのが本研究の目的であった。そこで本年度では,海水面上で精密制御した定常的弾性波信号を発信する装置技術について,理論的考察と概念設計を始めた。とくに技術的評価では,従来の大容量エアガンによる送信波形やノイズについてやや詳しく検討を行った。また,実用性評価では,連続送信信号の長時間スタックで,海面上アクロスにとって最適なスタック方法についてやや理論的な解析手法を検討した。

(イ)曳航型アクロスにおいて安定な連続送信のための概念設計とシミュレーションを行った。本計画では,役割分担を4つにわけてそれぞれが2人づつ組んで責任を持って資料を収集するとともに,総合評価会議ではより具体的な問題点を整理して,実用化への道筋を作成した。
電気化学規制による高密度水素化物相の創製とその動的挙動

本研究では、Pd foil上にNiを始めとする金属を10-50nm被覆し、これらが被覆した金属本来の電極触媒活性を示すと共に、Pdに基づく良好な水素吸収-放出作用によりGalvanostatic Transient法をそれらに適用できることを明らかにした。その結果、Ni/Pdが最も優れた電極触媒活性を示すと共に、Volmer過程とTafel過程とに対応する全過電圧に占めるh2'の割合も大きいことが判明した。しかしながら、VおよびTiではほとんど活性は見られず、この原因はこれまでにも指摘されているように、Pd foil上に形成されたVあるいはTi薄膜が真空蒸着あるいはその後の取り扱いの際に電気化学的に不活性な酸化物に酸化されてしまったためと結論され、これは並行して行ったXPSによる表面分析の結果とも一致した。一方、これらの金属からなる2成分合金薄膜の電極では、Niをベースとした合金において、水素吸蔵ならびに放出に対する触媒活性が見られた。次に、V-Ti系ならびにV-Ti-Cr系合金を作製しその電極触媒活性を調べた。しかしながら、得られたインゴット試料あるいは水素化分解した粉末試料共、十分な電極触媒活性を示さず合金内部には水素を導入することができなかった。これは、上述のとおり、試料表面に不活性なVあるいはTiの酸化物層が形成されているためであった。そこで、これらの合金粉末をNi-Al合金と溶融した後、これをアルカリ溶液あるいはフッ酸で処理し、表面に存在するVあるいはTiに由来する不活性酸化物層の除去を行うと共に、活性Ni層を表面に形成させた。その結果、電気化学的には不可能であったV-Ti系あるいはV-Ti-Cr系合金への水素の導入が可能となった。
場の理論・弦理論の可解構造

場の理論・弦理論の可解構造を様々な切り口で研究した。厳密なハイゼンベルグ演算子解と生成・消滅演算子を,1および多自由度系で与えた。種々の動力学的対称性代数を構成した。q-変形ハイゼンベルグ代数も動力学的に導出した。可解性と準可解性の統一理論を与えた。離散量子力学(純虚数および実数シフト)を構成した。これらは,超幾何直交多項式を固有関数として持つ。種々の完全可解な誕生・死滅過程を与えた。反ドジッター空間を伝播する弦の挙動を,対応する非線形シグマ模型で記述できる.特殊な標的空間の場合に,共形対称性が量子論でも保持されることが報告されている.超グラスマン多様体上のシグマ模型の厳密古典解を初等的に構成して見せた(佐々木,楊,張).自己双対ヤン・ミルズ・ヒグス場に渦糸や境界壁のある場合の理論が可解でないことを,パンルベ性の欠如から示した.また非(反)可換空間上の可解場の理論の例として超対称複素射影空間シグマ模型のインスタントン方程式を調べた.非(反)可換性がインスタントン方程式を変形しないことを見た(稲見他).2次元共形場の理論のくりこみ群の流れを記述するc-定理の4次元超共形場の理論での対応物(a-定理)を幾何学的に定式化した(加藤).超弦のコンパクト化に現れるカラビ・ヤウ多様体を共形場で記述する際に出てくる,離散・連続表現を結合して簡単なモジュラー変換性を持つものを得た(江口他).可換・非結合的なファジー空間の動力学的生成を,テンソル模型に基づき行った.またボアンカレ対称で可換・非結合的時空の中のスカラー場の理論を論じ,1ループの計算でユニタリ性が破れていないことを見た.これは非可換空間の場合と対照的である(笹倉他).2成分KP方程式の非分散極限から,非分散広田方程式を得た.これは普遍ウィタム階層のハミルトン・ヤコビ方程式の系に同値である.更に,種数0の普遍ウィタム階層と多成分KP階層の非分散極限が同一であることを示した(高崎他).今まで自由場でしか知られていなかった場の理論や量子力学系の厳密解であるハイゼンベルグ演算子解と生成・消滅演算子の具体形を,一体の(連続・離散)量子力学で包括的に与えた(佐々木,小竹).揺動現象を記述するフォッカー・プランク方程式の可解な変形を,可解な離散量子力学に基づいて提案した(佐々木,何).ハイゼンベルグ演算子解とその正・負エネルギー部分としての消滅・生成演算子は、場の理論・弦理論の可解構造の根幹をなす。また現代量子物理学のもっとも基本的な構成要素でもある。可解多粒子量子系の典型例であるCalogero系についてハイゼンベルグ演算子解の完全系を、すべてのルート系について与えた。SUSY量子力学の種々の内挿理論の具体形を構成した。離散(準)可解量子力学に対応するFokker-Planck方程式を、1および多粒子系について導出した。因子化されたハミルトニアンとその形不変性・閉性関係式から出発して、離散(準)可解量子力学系の統一理論と、種々の具体形を与え、(q-)アスキー体系の超幾何直交多項式理論を構成した。可解性を特徴付ける動力学対称性代数の種々の具体形を提示した。q-振動子の具体的演算子形をq-エルミート多項式の離散量子力学から与えた。離散測度を持つ超幾何直交多項式系の統一理論を、ジャコビ行列理論から構成した(小竹・佐々木、Ho,Pehlivan)。4次元超共形場理論のR荷電とカイラル場のスケール次元を決定するa-極大化法の臨界点の存在と一意性を示した(加藤)。非(反)可換超空間上の2次元CP^N模型の紫外性質を1/N展開で調べた。主要項は変形前と同じだが、次の項は異なる(稲見ほか)。Hopf代数構造を持つ場の量子論のいくつかの具体例を論じた。一般相対論のテンソル模型を動力学的ファジー空間の例として、そのガウス古典解の近傍のスペクトルを数値解析した。非可換場の理論における領域壁とHopf代数的平身対称性の関係を論じた(笹倉ほか)。N=2超重力とヤング・ミルズ場の結合系をその剛性極限の近傍で論じた。一般に新しい質量スケール(プランク質量にゲージ結合定数を掛けたもの)が出現する。これは最近の弱重力予想と合致する(江口ほか)。前年度までの個々の系についての可解・準可解量子力学系の研究;スペクトル・固有関数の決定,形状不変性,ハイゼンベルグ演算子解,生成消滅演算子の構成などを,統一的に第一原理から作り上げた。

特に,重要な閉性・双対閉性関係式とアスキー・ウィルソン代数との関係を明らかにした。可解量子力学とフォッカー・プランク方程式の関係を離散化することにより,マルコフ連鎖の典型例である誕生・死滅過程の完全に解ける例18個を離散直交多項式から与えた。1次元量子力学(スツルム・リューヴィル理論)の基本的定理であるクラムの定理を離散量子力学に拡張した(佐々木・小竹).反可換でない超空間上の場の理論の例として,非線形シグマ模型を研究し,繰り込み可能性を調べ,インスタントン解を構成した。AdS/CFT対応とホログラフィの考え方をバリオンに適用し,新しいバリオン模型を提案した(稲見他)。Dixmier予想「ワイル代数A1の任意の自己準同型は自己同型である」を証明した(加藤)。溶解結晶模型の可積分構造を研究した。その分配関数が1次元戸田階層のタウ関数になることを示し,更に2個のqパラメタを含む場合に拡張した。溶解結晶模型の熱力学的極限から,対応するサイバーグ・ウィッテン曲線を導出した(高崎他)。リー代数的非可換空間上の場の理論の性質を,ホップ代数不変性を軸に研究した。ワード・高橋関係式に相当するものを導いた。その自発的対称性の破れに付随するドメイン壁解を調べた。また動的ファジー空間上の理論としてのテンソル模型を調べた(笹倉他)。擬似テータ関数の方法を用いて,N=4の超対称共形代数を一般のレベルで扱い,BPS表現の指標分解を扱った(江口他)。
鉄アルミ基合金の熱力学的データベースの構築と低比重高強度鋼の開発への応用

低比重鋼の基本系であるFe-Al-Mn-C-Cr-Si 6元系を構成する各2元系、3元系の過去にある実験データを整理、熱力学的パラメータを評価して合理的なパラメータに統一し、熱力学データベースの基盤を整備した。さらに、再解析が必要であったFe-Al-C、Mn-Al-C、Fe-Mn-Cr各3元系に関して熱力学パラメータを決定した。特にFe-Al-C 3元系に由来するκ相は熱力学モデルを検討することでκ相の特徴の1つである広い単相域と化学量論組成からのずれをよく再現している。更にFe-Mn-Al-C、Fe-Mn-Al-Cr、Fe-Al-Cr-C、Fe-Al-Si-C 4元系に関しては実験を行い、γ相とα相、κ相へのMn、Cr、Siの分配挙動を明らかにし、熱力学的解析を行うことで熱力学データベースの精度が向上した。この熱力学データベースからの計算結果を基にγ相が母相となる組成を予想して、実際に低比重鋼を試作した。強度、比重、冷間圧延率を調査したところα相が析出していない試料で機械的特性に優れていることが分かり、計算状態図から高温でγ相単相域となる組成での低比重鋼の機械的特性を詳細に調査した結果、κ相をナノオーダーで組織制御することで1000MPa近い引張応力と60%を超える伸びを示す比重が6.67の低比重高強度鋼の開発や、引張試験中の変形応力の上昇が少ない低加工硬化の現象を見出した。また、AlをSiで置換することにより優れた機械的特性を保ちつつMnやCを低減することに成功した。
乳癌微小環境におけるマクロファージの脳転移特異的な役割の解明

H30年度はH29年度に予定した通り、既知の遺伝子変化がホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)組織に対する遺伝子発現解析においても生組織解析と同等に精度高く解析可能であることを確認することを目的として、PDXモデルでの解析を行った。乳癌細胞におけるTGF-beta投与によるEMTマーカーの発現変化をFFPEサンプルと凍結サンプルとの間で比較検討した。TGF-beta投与により認められたビメンチンの遺伝子発現上昇はFFPEと凍結サンプルの間で特記すべき差を認めないことを確認した。すでに抽出した評価すべき脳転移症例では凍結サンプル解析の保存がすべての症例においては行われておらず、その解析は不可である。そこで、上述の基礎データをもとに、FFPEサンプルでのRNA-seq解析のためRNA抽出、DNAにおける遺伝子解析ならびにエピゲノム解析のためDNAの抽出を行った。今後得られるであろう分子の臨床的意義の評価を目的に、2004年から2017年における当院にて放射線治療を受けた乳癌脳転移症例を後ろ向きに解析し、乳癌脳転移後予後規定因子の臨床病理学的検討を行った。122例中臨床情報が確認可能な91例を対象に解析を行った。結果、原発巣のフェノタイプだけでなく原発巣治療開始時のTNM因子は脳転移診断後の予後と明らかな相関を認めなかった。すなわち、これまで一般的な予後予測因子とされていた乳癌フェノタイプやTNM因子は、一度脳転移を認めてしまうとそれ以降の予後には影響を及ぼさないことが示唆された。この結果は2nd Annual Advancing CNS Biotherapeutics and Crossing the Blood-Brain Barrier(2019/1/14-15, San Diego)にて発表した。予備実験に想定したより長い時間を要した。脳転移組織サンプルの払い出しに想定したより長い時間を要した。しかしながら、その間に臨床症例での臨床病理学的解析が行うことができた。すでに解析すべき乳癌脳転移症例ならびにそのサンプルからのRNAならびにDNAの抽出は行っており、H31年度で乳癌原発組織、脳転移組織の遺伝子発現解析を癌細胞、免疫細胞に分けて解析を予定する。発現比較解析により脳転移特異的と考えられる分子の同定を行う。さらにここで得られた分子の臨床的意義の解析を臨床症例を対象に解析を行う。また、これら分子を標的としてin vitro、in vivo実験を行い機能的意義の検証を行う。H29年度は乳癌脳転移患者の腫瘍検体を用いた解析に入る前に、実験系の確立を目的として我々がすでに確立しているpatient derived xenograft (PDX)モデルでの解析を行った。ここでは、ある既知の遺伝子変化がホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)組織に対する遺伝子発現解析においても生組織解析と同等に精度高く解析可能であることを確認することを目的としている。そのためまず乳癌PDXモデルに対してTGF-betaの投与を行った。乳癌細胞はTGF-betaによるEMTマーカーの上昇が認められることが知られている。薬物投与後の遺伝子発現をRT-PCRで確認したところ、TGF-beta投与によりビメンチンの遺伝子発現上昇が認められた。この結果を元に、上述のPDXモデルに対して末梢血単核球(PBMC)の投与を行った上でTGF-beta投与を行いTGF-beta投与による乳がん細胞へのEMT変化ならびにPBMCに対するregulatoryT cell (Treg)の誘導(既知の事象)を遺伝子発現解析により検討する。ここで重要なのは上述の様に生組織解析で確認された遺伝子発現変化がFFPE組織でも同様に確認されるかどうかである。コントロール、TGF-beta投与それぞれのPDXモデルの腫瘍組織を切除しそれぞれ生組織、FFPE組織へとわけて処理を行った。生組織に対しては組織の細片化の後CD45マグネットビーズ処理を行いCD45陰性細胞をがん細胞と定義、CD45陽性細胞を腫瘍浸潤免疫細胞と定義しそれぞれ分取しRNAの抽出を行い凍結保存した。一方で対応するFFPE腫瘍組織に対してはDEPAarray関連技術を用いて細胞懸濁を作成し同様に癌細胞と免疫細胞に分取し、それぞれのRNA抽出ののち凍結保存した。乳癌脳転移の腫瘍組織は貴重であり解析系の確立の上で組織解析を行う必要がある。そのため慎重に解析系の確立を目指したため予定より時間を要している。しかしながら、これまでに確立した解析系は仮説の通り進んでいる。

結果、原発巣のフェノタイプだけでなく原発巣治療開始時のTNM因子は脳転移診断後の予後と明らかな相関を認めなかった。すなわち、これまで一般的な予後予測因子とされていた乳癌フェノタイプやTNM因子は、一度脳転移を認めてしまうとそれ以降の予後には影響を及ぼさないことが示唆された。この結果は2nd Annual Advancing CNS Biotherapeutics and Crossing the Blood-Brain Barrier(2019/1/14-15, San Diego)にて発表した。予備実験に想定したより長い時間を要した。脳転移組織サンプルの払い出しに想定したより長い時間を要した。しかしながら、その間に臨床症例での臨床病理学的解析が行うことができた。すでに解析すべき乳癌脳転移症例の抽出は行っており、H30年度で乳癌原発組織、脳転移組織、その他の臓器での転移組織の遺伝子発現解析を癌細胞、免疫細胞に分けて解析を予定する。発現比較解析により脳転移特異的と考えられる分子の同定を行う。この段階でまず学会発表を目指す。H31年度にはここで得られた分子を標的としてin vitro、in vivo実験を行い機能的意義の検証を行うと同時に治療標的の可能性を探る。すでに解析すべき乳癌脳転移症例ならびにそのサンプルからのRNAならびにDNAの抽出は行っており、H31年度で乳癌原発組織、脳転移組織の遺伝子発現解析を癌細胞、免疫細胞に分けて解析を予定する。さらにここで得られた分子の臨床的意義の解析を臨床症例を対象に解析を行う。また、これら分子を標的としてin vitro、in vivo実験を行い機能的意義の検証を行う。
候補サイトの空間分布に注目した信頼度の高いタンパク質ドッキング判定手法の開発

複数のタンパク質の立体構造データを入力し、表面形状相補性と静電相互作用に基づいて、各ペアがドッキングするか否かの判定を行うための手法を開発した。既存法ZDOCKとは異なり、実数のみで表面形状相補性を計算するrPSCモデルの着想を得て、精度を落とさず約4倍の高速化が達成できた。タンパク質の性質に応じて評価関数を動的に調整する手法も開発した。候補サイトの空間分布に注目した後処理により信頼度の向上が達成できた。各種の生物のゲノム情報が急速に読み取られ、生体細胞を構成する要素としての遺伝子やタンパク質の列挙的な理解が大きく進展した。2000年頃からは、これらの要素間のシステム上での関係を研究する「システム生物学」(Systems Biology)が勃興し、遺伝子制御ネットワーク、タンパク質相互作用ネットワーク、化合物の代謝ネットワークなど、各種の細胞内ネットワークを実験計測と計算の融合により求める研究が深化している。本研究は、タンパク質-タンパク質間相互作用(Protein-Protein Interaction ; PPI)ネットワークの解明を支援する新たな計算論的な手段の提供を目的として、タンパク質立体構造を活用したドッキング計算に基づき、任意の2つのタンパク質構造間での相互作用の可能性の有無を網羅的かつ高速に判定する計算手法の開発を行う。生体内ではタンパク質間の会合を通じて、複雑な機能を有する複合体の形成、シグナル伝達、物質の細胞内輸送など多くの現象が制御されており、PPIを知ることは「生命機能のシステム的理解」を支える最も重要な柱の一つである。PPIを調べるための様々な実験計測手法(LC-MS/MS,Y2H,FRET等)が発展し、網羅的な解析プロジェクトも進みつつあるが、タンパク質の組合せは膨大であることから、計算論的な手法による予測への期待は大きい。本研究では、提案者らが開発中の独自のタンパク質ドッキングソフトウェアの評価関数および計算アルゴリズムに改良を重ねて、我が国最高速の並列計算機を活用した網羅的な評価実験を行う。計算の中核は主に構造表面の幾何学的な相補性に注目するものであるが、静電相互作用をはじめとする物理化学的相互作用についても計算量を増大させないよう慎重に工夫しながら計算に加える。PDBデータベースに登録済のタンパク質立体構造から、システム生物学上のテーマ等に基づき重要度の高い集合を選び出し、その変形構造なども考慮した上で、少なくとも数百×数百通りの網羅的なドッキング計算を実施し、最終的には1000×1000(百万通りのペア)級を越える計算の提供を目指す。ドッキングの解を選ぶ際、自由エネルギーの見積値といった従来の物理化学的な概念とは異なる視点も重視し、特に候補となるドッキングサイトのタンパク質表面での分布の特徴やその統計的有意性に注目して、計算によって得られた解の「信頼度」を数値的に提示する方法を開発する。従来の技術では、比較的良くドッキング現象を捉えた正しい計算結果が、スコア数値だけは高いが生物学的には到底信頼できないドッキング予測と混在しており、両者の判別が困難であった。もしもこの両者をきちんと切り分けて提示することができれば、利用者は可能性の高いペアだけを選び、実験へのフィードバックを的確に行うことが可能となろう。「信頼度」の定量的な目安を与えることができれば、その閾値をユーザが選ぶことにより、感度(Sensitivity)と選択度(Specificity)のバランスを変化させて、信頼度の高い予測や、逆に新規の相互作用の発見につながる感度の高い予測を行うことが可能となる。配列解析におけるBLASTのように、ユーザがクエリ構造を入力すると、既知構造との間で網羅的計算を行い、相互作用候補のタンパク質を順位表示する機能の提供も目指す。H19年度は、東工大TSUBAMEスパコンシステム(11,664CPUコア,日本最大)上にドッキングソフトウェアおよび関連機能の整備を行い、約90×90の網羅的なドッキング計算などを実施した。ドッキング計算の中核部分には、これまで主に既存のZDockシステムを利用してきたが、本年度内にZDockとは無関係の独自のドッキングソフトウェアの開発が進み、TSUBAME上で稼働を開始した。独自ソフトウェアを使用した場合には、ドッキングにおいて独自の物理化学的評価関数を導入することができ、性能の向上が期待できる。ドッキングの後処理では、候補サイトのタンパク質表面での分布を調べるために、ドッキングで発生する上位2000個程度の候補解に関して空間的なクラスタ解析を行っている。従来研究でも候補解の簡単なグループ化を試みた例はあるが、本研究では階層型・非階層型の6種類のクラスタリング法を本年度に実装し、網羅的なドッキング計算を通じてクラスタ化手法の差異を評価した。また候補解の間の「距離」を定義するには、平行移動の誤差と、回転の誤差を同列に扱う必要があるが、本研究では両者を統合するための新しいアイデアを提案した。計算によって得られた解の「信頼度」の評価方式としては、上述の解析で得られたクラスタの大きさ(メンバー数)や、各クラスタのスコアの最大値など様々な基準を吟味して、クラスタリングをしない場合に比べて、正しい解を提示する感度と選択度が向上することを示した。