hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
化合物ライブラリーを用いたレドックス感受性イオンチャネルの機能解明に関する研究

動物は常に様々な酸化ストレスにさらされており、それを厳密に感知することが生命維持に必須である。近年、TRPチャネルが感覚受容に必須であることが知られつつある。本研究では、固有の酸化還元電位を持つレドックスケミカルライブラリーを構築し、化合物の特性から各種TRPチャネルの酸化・還元に対する機能を網羅的に解析した。その結果、TRPA1チャネルが酸化および還元に対して極めて高感受的であることを同定した。また、マウス個体内においては、TRPA1チャネルが体内の酸素濃度を感知することを見いだした。著者らのグループはDTNB誘導体がTRPC5を含む複数のTRPチャネルを活性化することを報告した。本年度は、その知見を基に、DTNBが有するジスルフィド結合周囲の置換基構造を変えて、酸化能および還元能が異なるレドックスケミカルライブラリーを構築した。得られたケミカルライブラリーの酸化還元電位は、直線走査ボルタンメトリーを用いて算出した。その結果、著者らの予想通り、ケミカルライブラリーの電子密度に応じた酸化還元能を示すことを確認した。次に、これらの酸化型レドックスライブラリーを用いて、酸化に対する各TRPチャネルの効果を検討した。TRPチャネルの活性は、Ca2+蛍光性インジケーターであるFura-2を用いたライブセル蛍光イメージングにより行った。その結果、酸化型レドックスライブラリーが複数のTRPチャネルを活性化することを見出した。興味深いことに酸化型レドックスライブラリーに対する応答は各種TRPチャネルの種類によって異なり、中でもTRPA1チャネルは活性の低い酸化剤に対しても応答することを見出した。著者らのグループはTRPチャネル活性を制御する機能未知なタンパク質を同定しており、酸化型TRPチャネルとの機能関連が考えられる。そこで、その遺伝子を欠損させたマウスの作成をトランスジェニック社に受託することで進めた。その受託作業が当初に提案いただいた予定より遅れたため、予算の一部を平成23年度に繰り越して遂行した。その結果、予定通り目的タンパク質遺伝子を欠損させたES細胞の取得まで成功した。昨年度に作成したレドックスケミカルライブラリーを用いて、還元剤で活性化するTRPチャネルのスクリーニングをHEK293を用いた過剰発現系で行った。各種還元剤に対する応答は、蛍光生Ca2+プローブであるFura2を用いて評価した。その結果、弱い酸化剤で活性化されたTRPA1チャネルが還元剤によっても活性化されることが明らかになった。すなわち、TRPA1は酸化側だけでなく、還元側でも活性化されることが示唆された。TRPA1は酸化に対する強い感受性を持っており、その酸化還元電位は酸素よりも低電位側であった。そこで、TRPA1が弱い酸化剤として位置づけられる酸素で活性化されるのかどうかについて評価した。具体的には、酸素を一定時間バブリングした溶液でTRPA1の活性化をHEK293を用いて評価したところ、TRPA1の活性化が確認できた。活性酸素種による二次的な効果が懸念されたので、活性酸素種阻害剤を用いて評価したが、同様の結果が得られた。すわなち、TRPA1が酸素で直接活性化されることが示唆された。本年度の結果から、TRPA1は還元側でも活性化することがわかった。そこで窒素バブリングを行った低酸素溶液でもTRPA1の活性化を評価した。すると、低酸素溶液でもTRPA1が活性化された。すなわち、TRPA1が酸素濃度を感知して活性化することが示唆された。昨年度に、TRPチャネルの相互作用タンパク欠損マウス作成用のES細胞を取得したが、今年度はノックアウトマウス作成を遂行した。昨年度までに酸化および還元で活性を示すTRPチャネル群を同定してきた。その中でも、TRPA1は酸素に応答するという興味深い性質を示した。そこで、マウスの細胞における分布をRT-PCRを用いて評価した。その結果、肺に投射する神経である迷走神経に発現していることを確認できた。迷走神経におけるTRPA1タンパク質の発現は、ウェスタンブロッティングからも評価した。次に、迷走神経におけるTRPA1チャネルの機能について評価した。蛍光生Ca2+プローブであるFura2を用いたCa2+イメージングで評価したところ、高酸素だけでなく低酸素でもCa2+応答応答が見られることが確認できた。一方、TRPA1を欠損させたマウスから単離した迷走神経では酸素に対する応答が見られなかった。電気生理学的手法(パッチクランプ法)を用いた評価からも同様の結果が得られた。すなわち、迷走神経においても酸素の違いによりTRPA1が活性化されていることが確認できた。動物(マウス)個体におけるTRPA1の意義については、外部の酸素分圧を変えた際のマウスの呼吸回数の変化について評価した。野生型マウスとTRPA

1欠損マウスとで比較したところ、野生型マウスでは、高酸素下では呼吸回数が下がり低酸素下では呼吸回数が増加するという、酸素濃度に依存した呼吸回数の変動が確認できたが、TRPA1欠損マウスでは、そのような呼吸回数の変化が失われていた。すなわち、TRPA1が酸素濃度を感知する酸素センサーであることをマウス個体でも確認できたと言える。当初の計画通り、還元側で活性化されるTRPチャネルのスクリーニングを行い、還元側で活性化されるTRPA1チャネルを同定できた。前年度の結果も踏まえると、TRPA1は定常状態の酸化還元電位から外れることで活性化されると言える。また、TRPA1が極めて高い酸化感受性を有しているという実験結果に基づき、TRPA1が弱い酸化剤である酸素によっても活性化されることを見いだした。これらの結果はTRPA1の生理的意義を化学的手法により見つけてきたということを意味しており、ほぼ予定通りに研究計画が進行していると言える。24年度が最終年度であるため、記入しない。次年度は、本年度に同定した酸化感受性および還元感受性のTRPチャネルの生理的意義の解明を遂行する。酸素濃度を感知するという現象から考えると、TRPA1が肺に投射する迷走神経で機能する可能性が考えられる。そこで、マウスの迷走神経から単離した細胞を用いて、HEK293を用いた実験と同様に高酸素および低酸素による応答が確認できるかどうかを評価する。次に、マウス個体においてもTRPA1が酸素センサーとして機能しているかどうかを、酸素濃度変化に伴うマウスの呼吸回数の変動に着目して評価する。
新規な導電性ポリマーおよび非線形光学材料の合成

1.原料(ジヒドロピロロ[3,2-b]ピロール)の合成出発物質であるテトラヒドロピロロ[3,2-b]ピロールは3,6-ジ-tert-ブチル,3,6-ジ-iso-プロピル及び3,6-ジエトキシカルボニル体を準備することができた。これら,種々の置換基を持つテトラヒドロピロロ[3,2-b]ピロールの反応性は一様ではなく,tert-ブチル及びエトキシカルボニル体についてはDDQを用いた脱水素により10π電子系芳香族化合物ジヒドロピロロ[3,2-b]ピロールに誘導することができたが,iso-プロピル体は反応条件を種々検討したが脱水素反応は起こらず,相当する芳香族化合物に導くことができなかった。2.3,6-ジ-tert-ブチル及び3,6-ジエトキシカルボニルジヒドロピロロ[3,2-b]ピロールの反応性ジヒドロピロロ[3,2-b]ピロールはこれまでに殆ど反応性・物性が検討されていない新しい複素環芳香族化合物である。本研究で,これが異常な反応性を示す理由がそのπ電子過剰性が大きいことに起因することを明らかにした。即ち,3,6-ジ-tert-ブチル体は臭素との反応で予期しない酸化体を高収率であたえるが,系のπ電子過剰性を電子吸引性置換基の導入により抑えた3,6-ジエトキシカルボニル体ではジブロモ体を定量的に与えた。また,異常な反応性を示す3,6-ジ-tert-ブチル体について,クロロスルホニルイソシアナ-ト(CSI)との親電子置換反応及びVilsmeiyer反応を行い,このπ電子系についての新しい知見を得た。3.ポリピロロ[3,2-b]ピロールの合成Yamamoto法により非ドープ型のポリマーを得る目的で3,6-ジ-tert-ブチル体をジブロモ体に変換する試みは成功せず,ポリマー合成はKovacic法により行った。その結果,触媒として用いた金属によりp-ドープされたポリマーを得,導電特性その他の物性に関する知見を得た。
キラル錯体化学を基盤とした時空間制御型分子スイッチングシステムの構築と機能化

本基盤研究では、置換活性なキラル金属錯体を基盤とした瞬時な構造スイッチングを活用して、多重入出力型キラル錯体から生体/人工高分子の構造と機能制御を含む新しい時空間制御型キラリティースイッチング錯体システムの開発を目指し、(1)平面型錯体におけるヘリシティー反転プログラミング、(2)キラル錯体の動的構造変換を基盤としたマルチスイッチング錯体の開発、(3)キラル錯体を活用したキラリティーの集積化と動的ヘリシティー制御、(4)光応答性キラル錯体の創成、(5)キラル錯体フォルダマーの構築と外部刺激応答制御、(6)高配位希土類錯体を活用したキラル空間の動的創出、を行った。金属錯体を活用した情報変換や分子認識など新規機能の発現には、その配位立体構造を刺激応答により自在にコントロールする必要があるが、らせんの方向や運動速度も含む錯体化学的アプローチはきわめて限られていた。本基盤研究では、キラルな置換活性金属錯体を基盤とした瞬時な構造変換運動を活用して、多重入出力型キラル錯体から生体高分子の構造と機能制御を含む新しいキラリティースイッチング型錯体システムの開発を目指している。本年度は次の研究成果が得られた。(1)キラル錯体の動的構造変換を基盤としたマルチスイッチング錯体の開発キラル4座配位子の両末端に補助配位部位を導入し、錯形成や酸-塩基、レドックス駆動によるキラル錯体分子の伸縮スイッチングを実現した。中心金属としてコバルトイオンを用い、様々な補助配位部位との組み合わせにより、金属中心の酸化還元電位をコントロールすることができた。酸-塩基や硝酸アニオンを外部刺激として、伸縮やらせん反転スイッチングを実現し、さらに、適切な酸化剤と還元剤をトリガーとした、らせん反転と伸縮運動が連動する瞬時な多重入力-多重出力を実現した。この分子運動を吸収スペクトル色や円二色性スペクトルの情報変化として検出し、かつそれらの運動速度のコントロールも可能となった。さらに、(2)ユーロピウム(III)や亜鉛(II)中心を持つキラルな金属錯体を合成し、水溶液中におけるpH応答型発光スイッチング錯体を開発した。さらに、(3)ニッケル(II)錯体の酸-塩基刺激によるジオメトリー変換を活用した動的錯体スイッチングシステムも構築し、新しい外部刺激に応答するキラルスイッチング錯体の開発を行った。金属錯体を活用した情報変換や分子認識など新規機能の発現には、その配位立体構造を刺激応答により動的にコントロールする必要がある。本基盤研究では、キラルな置換活性金属錯体を基盤とした瞬時な構造変換を活用して、多重入出力型キラル錯体から生体/人工高分子の構造と機能制御を含む新しい時空間制御型キラリティースイッチング錯体システムの開発を目指している。本年度は以下の研究結果が得られた。(1)キラル錯体を活用したキラリティーの集積化と動的制御:キラリティーの集積化と増幅を図るため、三次元的に配列された複数のキラル錯体を集積し、新たに組み上がった錯体部位へキラル情報を集中的に伝達できる、新しいキラリティー集積/変換システムを構築した。組み上がったデンドリマー型キラル錯体では、キラル情報の伝達の方向が明らかになるとともに、その時間制御を行うこともできた。(2)光応答性キラル錯体の創製:光応答するアゾベンゼンをキラル配位子に組み込み、光スイッチング特性を示すキラル錯体を構築した。アゾベンゼンのtrans→cis型異性化運動が錯体らせんの反転運動へと変換され、その伝達時間についても詳細に検討した。(3)キラル錯体フォルダマーの構築と運動制御:キラルな遷移金属錯体の多核化によりらせん型フォルダマーを構築した。多核化錯体においてもアニオン刺激や酸ー塩基刺激によるスイッチングが可能であった。(4)高配位希土類錯体を活用したキラル空間の動的創出とその検出:希土類トリス(βージケトナート)錯体には3つのβージケトナート配位子に加え、通常1つまたは2つの溶媒分子が配位しているが、これらの溶媒がキラルなアミノアルコールと置き換わるとキラルな三元錯体が形成される。この現象を振動円二色性法により検出できた。その課程において、本年度は次の研究結果が得られた。(1)錯体ヘリシティーを活用したキラリティーの集積化

キラリティーの集積化と増幅を図るため、新たな錯体ヘリシティー創出部位を導入したキラルなビスアミノ酸配位子を合成した。ビスアミノ酸部位での錯体形成により誘起された錯体ヘリシティー情報が、新規に創出された中央錯体部位へ伝達し、新たにキラリティーが誘起できた。さらに、末端錯体ヘリシティーの反転に伴い中央錯体ヘリシティーも反転したことから、新しいキラリティー伝達・変換システムが構築できた。(2)錯体フォルダマーを活用したキラリティーの集積化とナノスケール運動制御伸縮運動を行うキラル錯体ユニットを連結させた複核遷移金属錯体からなるキラルフォルダマーを構築した。ナノレベルでの錯体分子の伸縮運動が可能となった。(3)新しい外部刺激に応答するキラルスイッチング錯体の開発生体分子であるアミノ酸アミド部位における溶媒和や金属中心への配位性外部基質の配位が錯体ヘリシティーの反転に重要である。種々の溶媒との相互作用を系統的に精査し、その影響を明らかにしている。時空間制御型キラル金属錯体の構築と、構造スイッチングについて、初期システムの構築を行い、研究計画に沿った具体的な成果が得られた。25年度が最終年度であるため、記入しない。新規な時空間制御型キラル金属錯体の構築と、構造スイッチングやキラリティー伝達のシステム化を行い、研究計画に沿った具体的な成果が得られた。時空間制御型分子スイッチングシステムの開発をさらに推進するため、(1)錯体ヘリシティーを活用したキラリティーの集積化(2)錯体フォルダマーを活用したキラリティーの集積化とナノスケール運動制御に加え、(3)新しい外部刺激に応答するキラルスイッチング錯体の開発を行い、さらに多方面からのアプローチを行う。時空間制御型分子スイッチングシステムの開発をさらに推進するため、以下の研究計画に従い、多方面からのアプローチにより強力に研究を進める。(1)キラル錯体を活用したキラリティーの集積化と動的制御キラリティーの集積化と増幅を図るため、三次元的に配列された複数のキラル錯体から新たな錯体部位へキラル情報を集中的に伝達できる、新しいキラリティー集積/変換システムを構築し、さらに組み上がったキラル錯体を用いてキラル情報の伝達時間制御を目指す。(2)光応答性キラル錯体の創製アゾベンゼンなど光応答する置換基をキラル配位子に組み込み、光スイッチング特性を示すキラル錯体を構築する。アゾベンゼン中の窒素原子はオルト位のアミド水素と分子内水素結合を形成するので、アミド基との立体反発をアゾ基の光異性化により制御できる。アミド基まわりの立体が錯体キラリティーに影響を及ぼすので、光異性化によるキラル錯体の構造スイッチングを詳細に検討する。(3)キラル錯体フォルダマーの構築と運動制御キラルな遷移金属錯体を多核化し、らせん型フォルダマーを構築する。キラル情報の伝搬におよぼす多核化効果とスイッチング性能を明らかにする。配位子の合成は申請者が既に開発した方法を組み合わせて行い、構造変換の追跡は円二色性分光法やX線構造解析、発光、振動円偏光二色性測定などを必要に応じて駆使し詳細に検討する。
東濃西部方言アクセントの研究

岐阜県東濃西部にあたる多治見方言のアクセントについて研究を行った。この地域のアクセントは、おおむね東京方言や名古屋方言などのものと似ているが、語によって違いがある。調査の結果、「日が」「葉が」などは、多治見市をほぼ東西に流れる土岐川を境として、おおまかに北部は名古屋方言などのアクセントと同様に「日」「葉」が高く、南部は東京などのアクセントと同様に「が」が高いことがわかった。また、形容詞は全体的に名古屋方言と同じで、下がり目のあるアクセントであった。動詞は語形によって異なるが、名古屋と一致するものが多いなかで、全体として東京や名古屋よりも起伏の多いアクセントであることがわかった。初年度は、多治見市および多治見市と産業や学区の関係で関わりの深い土岐市および笠原町の方言について、調査項目を選定するための基礎作業を行った。このためにまず、岐阜県及び愛知県の各図書館において地域で作られた方言集を収集するとともに、大学図書館を通じて学術的調査の文献も収集した。さらに、データベース「日本語の語彙特性」(三省堂)に基づき各アクセント語類の所属語の中で音声的親和度の高い語を選んで調査票を作成し、多治見市内の新興住宅地を除く各小学校区において2週間の予備調査を行った。予備調査では、6070代の各小学校区3,4名の生え抜きの多治見方言話者を対象に、まず調査語彙の認知度について確認したうえで、面接による読み上げを行い、インフォーマントの許可を得て録音した。分析、整理したデータは、データベースソフトウェアを用いて言語地図の形にした。調査結果を分析したところ、現在までに、1拍二類名詞のアクセントに市内での地域差があること、3拍名詞の一部に性差が見られること、形容詞終止形は類にかかわらず起伏式となることが明らかになった。また、形容詞および動詞の活用形のアクセントにばらつきがみられ、先行研究における近隣地域のアクセントと類似する点もあるものの、さらなる調査と分析が必要であることがわかった。この調査結果は、翌年度以降のアクセント調査の実施及び結果の考察のための基礎資料となる。また、調査対象地域の人々との意見交換のためにホームページを作成してウェブ上に公開する準備を行うとともに、翌年度の一般市民向け講演の計画を多治見市とともに立案した。東濃西部方言の総合的な記述の計画の一部として、アクセントの調査と分析を行ってきた。特に今年度は名詞のアクセントに焦点を絞り、分析を行った。その結果、金田一春彦のアクセント語類の区分でいう1拍2類名詞については、多治見市内を流れる土岐川をおよその境界として、内輪東京式アクセントと中輪東京式アクセントに分かれることが明らかになった。そのほかの名詞のアクセントについては、地域内の地理的区分は明確ではないが、市中心部に、共通語化とは別に名古屋方面とのつながりが見られるものがあった。調査対象は60歳代から70歳代であったが、その範囲にも年代差の可能性が見られ、他の世代の調査の必要性が浮かび上がった。以上の分析は論文「多治見方言における名詞のアクセント」にまとめた。さらに、調査結果を市民に還元することを目的に、講演とWEBページの作成を行った。9月に行った講演(於:こけいざん森の家)では、117名の来場者があり、アクセントに関する主な研究成果のほか、東濃方言の位置づけ、イントネーションの特徴、特徴的な文末表現や語彙、敬語などの文献調査の成果も取り上げた。WEBページ作成では、上記論文の内容および次年度発表予定の論文に掲載する形容詞・動詞のアクセントの概要を取り上げ、さらに、市民の関心の高い語彙や文末表現のリストを作成した。アクセントやイントネーションの違いが一般の読者にもわかるよう、音声ファイルを組み込んでいる。東濃西部方言の総合的な記述の計画の一部として、3年にわたり音韻面の調査と分析を行ってきた。その中で今年度は特に多治見市における動詞のアクセントに焦点を絞り、分析を行った。東濃西部方言は、アクセントの面では東京と同じ中輪東京式アクセントと名古屋などと同じ内輪東京式アクセントが混じりあう。今年度の分析では、活用形が多治見方言と類似している愛知県岡崎市の中輪式アクセントと名古屋市の内輪式アクセントを比較対象とした。その結果、1拍2類名詞のアクセントが多治見市内でほぼ地域的に内輪式/中輪式に2分されるのに対し、動詞ではそのような地域的分断は見られないことがわかった。ただし、動詞や活用形の種類によって、中輪式のアクセントを示すものと内輪式のアクセントを示すものがあった。具体的には、二類2拍一段動詞の過去形やテ形など(「見た」など)で無核となる点、一類五段イ音便活用動詞・一類一段動詞の過去形やテ形など(「聞いた」「並べた」など)で有核となる点などが内輪式の名古屋と共通している。一方、一類一段動詞の終止形・禁止系・否定形など(「入れる」「入れるな」「入れん」など)は中輪式の岡崎と一致している。特に山口幸洋氏が指摘する内輪式の特徴を比較の対象とした場合には、名古屋・岐阜と同程度に内輪式の性質を持った地域であると考えられる。さらに、イ音便活用動詞のイ音に当たる特殊拍にアクセント核が置かれたり、「働く」が3拍目にアクセント核を持つなど、名古屋にも岡崎にも見られない独自の特徴、とりわけ有核の語形の多さが明らかになった。加えて、動詞に種々の付属語を伴った文節において複数の顕著なピッチの下降が観察されることから、今後、音声学的に詳細な記述の必要性があることが認められた。

この地域のアクセントは、おおむね東京方言や名古屋方言などのものと似ているが、語によって違いがある。調査の結果、「日が」「葉が」などは、多治見市をほぼ東西に流れる土岐川を境として、おおまかに北部は名古屋方言などのアクセントと同様に「日」「葉」が高く、南部は東京などのアクセントと同様に「が」が高いことがわかった。また、形容詞は全体的に名古屋方言と同じで、下がり目のあるアクセントであった。動詞は語形によって異なるが、名古屋と一致するものが多いなかで、全体として東京や名古屋よりも起伏の多いアクセントであることがわかった。昨年度実施できなかったWEBページ作成の計画を今年度達成したうえ、当初27年度に予定していた座談会を、26年度に講演の形で前倒しして行うことができた。また、アクセントに関する面接調査がほぼ終了しており、予定したとおりの論文発表を行うことができた。音韻論最終年度は、分析の残っている動詞・形容詞のアクセントについて作業を進め、近隣地域のアクセントに関する文献調査の結果と照らし合わせて、学術論文にまとめる。さらに、アクセント型だけでなく実際のピッチの変動をイントネーションと合わせて検討するため、談話音声の収集を行う。また、WEBページの充実のため語彙の使用調査を継続し、調査結果を市民向けに公開するほか、調査協力者に文書で研究成果を配布する。実施計画のうち、文献収集・アクセント語類と音声的親和度に基づいた調査語彙の選定・面接調査・調査データの分析を終えることができた。翌年度に予定していた調査の内容の大半を今年度の予備調査の段階で行うことができたため、予定よりデータが大量になったことから分析に時間がかかり、当初の予定であった調査結果のWEB公開の作業は途上にある。計画以上の調査の進展と公開作業の遅れを差し引きした結果、おおむね順調に進展していると言える。WEBページ作成の見積もり上、年間契約の管理費用が計上されていたが、実際には管理費用のみ翌年度4月の支払いとなったため。2年目には、平成25年度に行った調査結果の公開のための作業を進めるとともに、調査結果に基づいた多治見市の一般市民対象の講演(平成26年9月)に向けて準備を行う。さらに、調査協力者および市民向けに調査結果を簡潔にまとめた冊子を作成する。さらに、平成25年調査によって浮き出てきた調査項目(動詞・形容詞の活用形のバリエーションなど)についてアンケート調査を行い、2回の調査結果を論文にまとめる。3年目には、それまでに収集したデータについて、各語類のアクセントと語の親和度や音節構造、母音の無声化の有無などとの関係を分析する。また、その結果について理論的にどのような枠組みで捉えられるかを検討し、論文にまとめる。WEBページの管理費用を27年度4月に支払うほか、27年度の更新等費用に充てる。当初の予定より調査が進展したためデータ量が増大し、分析に時間がかかったため、WEB上での研究結果公開が翌年度に持ち越された。これにともない、WEBページ作成にかかる予定であった費用を翌年度に使用することとした。調査結果のWEBページ作成と公開を翌年度に行うにあたり、持ち越された研究費を使用する。
人工DNA制限酵素の設計と機能解析

現在,多くの制限酵素が発見され,遺伝子工学や分子生物学領域で利用されているが,切断し得る塩基配列は限定されている.そこで,特定塩基配列を認識・切断する分子を設計・合成し,試薬としての有用性を評価することを計画した.ブレオマイシンー金属錯体による効率のよいDNA切断能および選択的DNA塩基認識の分子機序を確立し,本原理に基づいた人工制限酵素の設計を試みた.人工制限酵素の設計の基本原理としての金属ブレオマイシンによるDNA塩基認識と切断の分子機序に関しては, β-アミノアラニンーピリミジンーβ-ヒドロキシヒスチジン部分で形成される5-5-5-6員環の金属錯体とその酸素活性化によるDNA攻撃種の生成とビチアゾール部位での選択的DNA塩基相互作用の二官能性が重要であることが明らかになった.また,グロースーマンノース糖鎖部位もブレオマイシンの効果的な酸素活性化やDNA切断を示すための立体環境因子として重要であることが判明した.さらに,ブレオマイシンー金属錯体によるDNA切断の塩基配列特異性がビチアゾール周辺部位のDNAマイナーグルーブへのイソヘリカルな結合,ビチアゾール環窒素とグアニン塩基の2位のアミノ基との水素結合,およびビチアゾール部位とグアニンN2-ピリミジン02領域との適合によって達成されていることが強く示唆された.人工制限酵素の分子設計に対する基本戦略として, DNA攻撃部位の設計と合成,およびそれへのDNA認識部位の結合による人工の選択的DNA塩基切断分子の生成を考えた.その結果,合成化合物ピリジンモデル配位子の一つがブレオマイシンに匹敵する分子状酸素活性化能力をもち,この配位子へのビチアゾール周辺部位の結合は,確かに天然ブレオマイシンと類似したグアニンーピリミジン(5′→3′)部位の選択的DNA切断を与えた.現在,多くの制限酵素が発見され,遺伝子工学や分子生物学領域で利用されているが,切断し得る塩基配列は限定されている.そこで,特定塩基配列を認識・切断する分子を設計・合成し,試薬としての有用性を評価することを計画した.ブレオマイシンー金属錯体による効率のよいDNA切断能および選択的DNA塩基認識の分子機序を確立し,本原理に基づいた人工制限酵素の設計を試みた.人工制限酵素の設計の基本原理としての金属ブレオマイシンによるDNA塩基認識と切断の分子機序に関しては, β-アミノアラニンーピリミジンーβ-ヒドロキシヒスチジン部分で形成される5-5-5-6員環の金属錯体とその酸素活性化によるDNA攻撃種の生成とビチアゾール部位での選択的DNA塩基相互作用の二官能性が重要であることが明らかになった.また,グロースーマンノース糖鎖部位もブレオマイシンの効果的な酸素活性化やDNA切断を示すための立体環境因子として重要であることが判明した.さらに,ブレオマイシンー金属錯体によるDNA切断の塩基配列特異性がビチアゾール周辺部位のDNAマイナーグルーブへのイソヘリカルな結合,ビチアゾール環窒素とグアニン塩基の2位のアミノ基との水素結合,およびビチアゾール部位とグアニンN2-ピリミジン02領域との適合によって達成されていることが強く示唆された.人工制限酵素の分子設計に対する基本戦略として, DNA攻撃部位の設計と合成,およびそれへのDNA認識部位の結合による人工の選択的DNA塩基切断分子の生成を考えた.その結果,合成化合物ピリジンモデル配位子の一つがブレオマイシンに匹敵する分子状酸素活性化能力をもち,この配位子へのビチアゾール周辺部位の結合は,確かに天然ブレオマイシンと類似したグアニンーピリミジン(5′→3′)部位の選択的DNA切断を与えた.
アモルファス系電池用材料の局所原子配列と充放電機構

今年度は、電池用材料へ向けたアモルファス局所構造解析手法の検討を以下の通り行った。*オングストロームビーム電子回折マッピングの検討負極材料で使われるアモルファスSiOに代表されるように空間的な不均一性を含むものが多い。そこで局所構造の空間分布を調べることが重要になってくる。本研究では、電子線をコントロールして各サブナノ領域から電子回折パターンを撮影してデータセットとし、それを解析に供する。この際、同様な特徴を持つ領域からの回折パターンを積算し、フーリエ変換することにより空間的に情報を分離した2体分布関数を得るための強度解析手法を検討した。*局所リバースモンテカルロ法の開発これまでアモルファス物質の局所領域から得た電子回折パターンに対し、分子動力学法から得られた局所構造のパターンと比較することで解析を行っていた。しかし系が複雑になった場合、分子動力学法が必ずしも適用できるとは限らない。そこで、本研究においては局所領域から得られるオングストロームビーム電子回折パターンから直接構造モデルを得る計算手法の開発を行った。具体的には、リバースモンテカルロ法を応用し、局所的な2次元回折パターンにフィットするように数十の原子を動かす局所リバースモンテカルロ法のプログラムを試作した。局所構造モデルを局所領域から得る2次元的な実験回折パターンにフィットさせるため、特別な設計を行った。このプログラムを種々のアモルファス物質の回折データに適用し、妥当性を検討した。当初の計画通り、局所リバースモンテカルロ法のプログラムのプロトタイプを作製しできており、研究は順調に進んでいる。今後は局所リバースモンテカルロ法の改良を引き続き行い、リチウムイオン電池電極用アモルファス物質への適用を試みる。
半導体製造工程から排出される三フッ化窒素の化学的固定による無害化システムの確立

半導体エッチングプロセスおよび洗浄プロセスで使用されているフッ素系特殊ガスは、フロンや二酸化炭素と同様に地球温暖化に多大の影響を与えている。有毒なフッ素系特殊ガスを金属塩化物や金属酸化物と低温(80°C400°C)で化学反応させてフッ化金属に変換する新しい無害化処理技術を検討した。化学反応を利用した無害化処理法は、半導体製造工程で使用されている様々なフッ素系特殊ガスの処理に適用できるだけでなく、フロンガスのような難処理ガスの無害化にも応用が期待されている技術である。フッ素系特殊ガスを無害化するために、反応容器にはハステロイ製の耐圧セル(内容積60ml、最大30気圧)を用いた実験装置を試作した。実験は乾燥した塩化金属を秤量後、セル内に導入した後、反応セルおよび装置配管内を真空ポンプで約10分程度脱気する。フッ素系ガスは任意の圧力でセルに導入され、パネルヒーターにより一定の速度で昇温される。固体試料の昇温速度は80°Cまでは3°C/分で行い、予測される反応開始温度付近では約0.5°C/分の昇温速度を保った。この間、温度と圧力は自動記録装置で連続的に記録した。本装置によって、特殊ガスと反応物の反応前後の温度変化と圧力変化が計測可能である。実験によって得られた反応生成物はX線解析装置(X-RAY Diffractometer System,日本電子(株))によって定性分析することにより確認した。特殊ガスと塩化金属をそれぞれ等モル導入し、化学反応させる過程における温度、圧力および反応剤量の影響を回分式実験によって調査した。反応開始温度はそれぞれの塩化金属で異なっており、AlCl_3で80°C、CaCl_2で160°C、MgCl_2で約180°C付近から化学反応が急激に進行していることがわかる。これらの化学反応はどれも最高温度が約200°Cを超える発熱反応であったが、特殊ガスの一般処理に適用されている燃焼処理(800°C)に比較してかなり低温で処理することができた。三フッ化窒素を含む混合ガスを塩化金属を用いて低温(80°Cから300°C)で処理できることを確認した。1.緒言近年、半導体製造工程でフッ素系、塩素系の特殊材料ガスが多量に使用され、これらが処理されずに排出されている。これら特殊材料ガスを化学反応により無害化する方法について検討を行った。フッ素系、塩素系の特殊材料ガスと金属塩の反応性、反応温度などの基礎データは少ないのが現状である。そこで本研究では反応装置を試作し、フッ素系特殊ガスである三フッ化窒素と塩化カルシウムの反応性についての検討を行った。2.実験結果および考察CaCl_2導入量を0.03molと一定とし、NF_3導入量を変化させたときの温度と圧力の変化を観察した。当量導入したとき約170°C付近から急激な温度上昇が見られ、この温度付近から反応が進行したと考えられる。一方、圧力変化は化学量論計算での値よりも低い結果が得られた。これは粒状のCaCl_2を使用したため、CaCl_2の内部まで反応が進行せず、未反応のNF_3が残ったためと考えられる。X線回折の結果からCaCl_2はCaF_2に変換されていることが確認された。

このことから、NF_3およびNF_3を含む混合ガスにCaCl_2による化学反応を適用することにより、燃焼処理に比較して低温でかつ無害化処理できることが確認できた。3.結言半導体製造工程から排出されるNF_3は現在、約800°Cで燃焼処理されていることを考慮すると本方法では約200°Cの低温で処理が可能である。また、反応生成物は塩素を除いて無害であり、特殊材料ガスの無害化に対して有効な方法であると考えられる。半導体エッチングプロセスおよび洗浄プロセスで使用されているフッ素系特殊ガスは、フロンや二酸化炭素と同様に地球温暖化に多大の影響を与えている。有毒なフッ素系特殊ガスを金属塩化物や金属酸化物と低温(80°C400°C)で化学反応させてフッ化金属に変換する新しい無害化処理技術を検討した。化学反応を利用した無害化処理法は、半導体製造工程で使用されている様々なフッ素系特殊ガスの処理に適用できるだけでなく、フロンガスのような難処理ガスの無害化にも応用が期待されている技術である。フッ素系特殊ガスを無害化するために、反応容器にはハステロイ製の耐圧セル(内容積60ml、最大30気圧)を用いた実験装置を試作した。実験は乾燥した塩化金属を秤量して、セル内に導入した後、反応セルおよび装置配管内を真空ポンプで約10分程度脱気する。フッ素系ガスは任意の圧力でセルに導入され、パネルヒーターにより一定の速度で昇温される。固体試料の昇温速度は80°Cまでは3°C/分で行い、予測される反応開始温度付近では約0.5°C/分の昇温速度を保った。この間、温度と圧力は自動記録装置で連続的に記録した。本装置によって、特殊ガスと反応物の反応前後の温度変化と圧力変化が計測可能である。実験によって得られた反応生成物はX線解析装置(X-RAY Diffractometer System,日本電子(株))によって定性分析することにより確認した。特殊ガスと塩化金属をそれぞれ等モル導入し、化学反応させる過程における温度、圧力および反応剤量の影響を回分式実験によって調査した。反応開始温度はそれぞれの塩化金属で異なっており、AlCl_3で80°C、CaCl_2で160°C、MgCl_2で約180°C付近から化学反応が急激に進行していることがわかる。NF_3を含む混合ガスを塩化金属を用いて低温(80°Cから300°C)で処理できることを確認した。
統計的タイミング解析用次世代アルゴリズムとバラツキ考慮設計手法の確立に関する研究

ばらつきおよび表示品質を考慮した小型液晶ディスプレイ用駆動回路のトランジスタサイズ最適設計手法を提案し,市販の最適化ツールと同程度の結果を約11分の1の時間で得られることを確認した.また,遅延と遷移時間のばらつきを混合正規分布(Gaussian Mixture Model)で表現する統計的静的遅延解析手法を提案し,最大遅延の分布関数が99.865%になる値の相対誤差を,正規分布を用いた統計的静的遅延解析に比べて約3割削減できることを確認した.これは,混合正規分布を用いることにより,ばらつきの相関を容易に扱えるという特徴を生かしつつ,非正規分布を表現できたことによる効果と言える.ばらつきおよび表示品質を考慮した小型液晶ディスプレイ用駆動回路のトランジスタサイズ最適設計手法を提案し,市販の最適化ツールと同程度の結果を約11分の1の時間で得られることを確認した.また,遅延と遷移時間のばらつきを混合正規分布(Gaussian Mixture Model)で表現する統計的静的遅延解析手法を提案し,最大遅延の分布関数が99.865%になる値の相対誤差を,正規分布を用いた統計的静的遅延解析に比べて約3割削減できることを確認した.これは,混合正規分布を用いることにより,ばらつきの相関を容易に扱えるという特徴を生かしつつ,非正規分布を表現できたことによる効果と言える.本研究では,高性能システムLSIの耐ばらつき設計に不可欠となる統計的タイミング解析のための新しいアルゴリズムの構築を目的に,小型液晶ディスプレイ用駆動回路に対するばらつき考慮設計手法ならびに遅延と遷移時間のばらつきを2つ同時に伝搬させるタイミング解析手法について考察した.本年度は,以下に示す特筆すべき成果を得た.前者の研究から,遷移時間のばらつきを単一の正規分布で表現することは現実的でないことが判明したため,これを混合正規分布(正規分布の確率重み付き和:Gaussian Mixture Model)で表現する手法を考案した.特に,回路が2入力論理ゲートから成る場合,出力がどちらかの入力によって決定されることが多いため,2つの正規分布から成る混合正規分布(2-GMM)で表現することにした,また,この表現法により遷移時間のばらつきが適切に表現されることを,モンテカルロシミュレーションと回路シミュレータを用いた実験により確認した。後者に関して,遅延のばらっきを2-GMMで表現すると,正規分布を用いた統計的タイミング解析では正確に表現できなかった最大値あるいは最小値演算後の分布を遙かに正確に表せることが判明した.そこで,遷移時間と遅延のばらつきを共に2-GMMで表現することとし,これらのばらつきを同時に伝搬させるために必要な基本演算手法を考案した.この手法を単純な回路に適用し,モンテカルロシミュレーションと回路シミュレータによる結果と比較することにより,その有効性を検証した.なお,2つ以上の入力信号の同時遷移および入力遷移時間の分散が出力遷移時間および遅延に与える影響を解析することや,提案手法の大規模回路への適用などは,次年度の課題である.なお,同時遷移の影響を見積もる手法に関しては既に腹案を持っている.本研究では,高性能システムLSIの耐ばらつき設計に不可欠となる統計的タイミング解析のための新しいアルゴリズムの構築を目的に,小型液晶ディスプレイ用駆動回路に対するばらつき考慮設計手法ならびに遅延と遷移時間のばらつきを2つ同時に伝搬させるタイミング解析手法について考察した.本年度は,前年度に考案した混合正規分布(正規分布の確率重み付き和:Gaussian Mixture Model)を用いてばらつきを表現した統計的静的遅延解析手法を完成させ,モンテカルロシミュレーションとの比較により性能を検証した.また,論理ゲートの2つの入力が同時に遷移する確率を計算する手法,論理回路において与えられたパスがクリティカルパスになる確率を計算する手法,ならびにクリティカル遅延のばらつきを削減する際,どの論理ゲートの遅延ばらつきを削減すれば良いかを求める手法を提案し,シミュレーションによりその効果を確認した.小型液晶ディスプレイ用駆動回路に対する自動設計手法では,電源電圧およびトランジスタのしきい値電圧のばらつきを考慮し,ディスプレイにおいて最も重要な画素充電率を最適化する設計手法を提案した.この手法は,精確な回路モデルを用い,SPICE付属の最適化ツールと同等の結果を11分の1の時間で得ることができる.また,ここで得られた遷移時間のばらつきに関する知見から,ばらつきを混合正規分布で表現するというアイデアが生まれた.これを用いた統計的静的遅延解析手法では,記憶すべきデータ量がほぼ2倍になるものの,正規分布を用いたばらつき表現では表すことのできなかった非正規分布を効果的に表現でき,かつ遅延の大きいところでの誤差を削減することができたこれにより,ISCAS85ベンチマーク回路による比較実験では,最大遅延の分布関数が99.865%となる値の相対誤差を平均3割程度抑えることができている。
カイコ濃核病ウイルス抵抗性遺伝子Nid-1とnsd-1の単離と作用機構の解明

本研究は、カイコ濃核病ウイルス1型の感染に対して、独立に完全抵抗性を示す2種類の遺伝子Nid-1とnsd-1の単離とその作用機構の解明を目的としている。Nid-1を明らかにするため、ウイルス接種および非接種の抵抗性カイコを用いたトランスクリプトーム解析を進めた。両者で発現量が異なる遺伝子を数多く見つけ出すことに成功したが、Nid-1の責任領域(カイコ第17番染色体上の約260 kb)内にマップする遺伝子はなかった。一方nsd-1は、原因遺伝子の単離に成功した。その遺伝子はウイルスの感染組織である中腸の膜タンパク質をコードしており、ウイルスのレセプターとして機能していると考えられた。本研究は、カイコ濃核病ウイルス1型の感染に対して、独立に完全抵抗性を示す2種類の遺伝子Nid-1とnsd-1を単離することと、その作用機構を調査することで昆虫病原性ウイルスに対する宿主昆虫側の抵抗性機構を解明することを目指している。初年度は、2種類の遺伝子のうちNid-1に着目し、その特定を目指した。まず、Nid-1系統におけるウイルス抵抗性機構の調査を行った。すなわち、Nid-1系統にウイルスを接種したのち、ウイルスの感染組織である中腸からウイルス由来の遺伝子およびタンパク質が検出されるかどうかを調査した。その結果、Nid-1系統ではウイルス由来の遺伝子がはっきりと検出されたことから、ウイルスは中腸細胞内に侵入していることがわかった。一方で、ウイルス由来のタンパク質はウイルス感染後まったく検出されなかった。このことから、Nid-1はウイルスが細胞に侵入したのち、ウイルス由来タンパク質が翻訳される過程で阻害していることが明らかになった。この結果は大変興味深く、なぜなら昆虫ウイルスにおいて、ウイルスが細胞に侵入した後に働く因子で抵抗性および感受性を決定するものについては、これまでひとつも報告がないからである。このことは、Nid-1は昆虫ウイルス感染に関わる新規因子をコードする重要な遺伝子であることを意味しており、この遺伝子本体がなんであるのか今後の解明が強く求められる。また、初年度はNid-1の原因遺伝子を特定するため次世代シークエンサーを用いた発現遺伝子の網羅的解析を実施した。具体的にはウイルス抵抗性系統においてウイルス接種区と非接種区を準備し、その後24、48、72時間の中腸をサンプリングしRNA-seqを行った。現在得られた膨大なデータの解析を進めている。初年度は、Nid-1の抵抗性機構の解析と原因遺伝子の特定を目指し、Nid-1系統にウイルスを感染させた際の中腸への影響の調査とトランスクリプトーム解析を行った。はじめにNid-1をもつ系統にウイルスを接種後、感染組織である中腸を経時的にサンプリングし、ウイルス由来の転写産物およびタンパク質の変化を調査した。その結果、ウイルス由来の転写産物は感染直後には検出されるが、時間の経過に伴い減少した。また、ウイルス由来のタンパク質を認識する3種類の抗体を用いてウエスタンブロッティングを行ったところ、どの抗体を用いた場合でもウイルス感染後の中腸からは、目的のタンパク質は検出されなかった。このことから、Nid-1遺伝子産物は、ウイルスタンパク質の翻訳ステップを阻害している可能性が考えられた。この結果を踏まえ、次に、Nid-1をもつ系統においてウイルス接種区と非接種区を準備し、その後24、48、72時間の中腸をサンプリングしRNA-seqを行った。解析には次世代シークエンサーHiseq4000を使用して、101PEでシークエンスを行った。その結果、各データセットで約6090 Mリードのデータが得られた。本研究は、カイコ濃核病ウイルス1型の感染に対して、独立に完全抵抗性を示す2種類の遺伝子Nid-1とnsd-1を単離することと、それらの作用機構を調査することで、昆虫病原性ウイルスに対する宿主昆虫側の抵抗性機構の解明を目指している。2年目は、Nid-1の原因遺伝子の特定を目指した。これまでの研究により、Nid-1候補領域をカイコゲノム上の約260 kb内に限定することに成功し、その中に11個の予測遺伝子が存在することを明らかにしている。そこでこの11個の遺伝子について、Nid-1系統(No. 908)とNid-1をもたない標準系統(C108)間で、1.ウイルスの感染組織である中腸での候補遺伝子の発現の有無、2.候補遺伝子の完全長cDNA配列の比較、3.定量的PCRを用いた候補遺伝子の発現量の比較、4.候補遺伝子のアノテーションを行った。その結果この中の一つの遺伝子において、No. 908とC108間でORF内に1塩基の多型が存在することがわかった。さらにこの塩基多型は、アミノ酸置換を引き起こしており、両系統間で異なるタンパク質が翻訳されていることが予測された。また、カイコの遺伝子データベース上に登録されている標準系統(p50T)由来の本遺伝子の塩基配列も、C108のものと同じであった。このことから、本遺伝子をNid-1の候補遺伝子と考えた。次に、この遺伝子の組織別および発育ステージ別の発現を調査したところ、多くの組織かつ様々な発育ステージにおいて発現が確認された。なかでも組織では、脳、後部絹糸腺、精巣、卵巣で、発育ステージでは、卵の時期で高発現していた。さらに、見つかったNid-1候補遺伝子がどのようなタンパク質をコードするのかを、NCBIデータベース検索により調査した。その結果、Nid-1候補遺伝子は、鞭毛内輸送タンパク質をコードしていることが明らかになった。

Nid-1の抵抗性機構の解析と原因遺伝子の特定を目指し、初年度は、ウイルスを感染させたNid-1系統の中腸を用いたトランスクリプトーム解析を行い、ウイルス接種区と非接種区間で変動する発現遺伝子を網羅的に明らかにした。このデータに関しては現在アセンブリーを進めている段階であるが、ウイルス接種および非接種区間で発現パターンが異なる遺伝子を数多く見つけ出すことに成功している。そこで、これらの遺伝子が約260 kb内に絞り込まれているNid-1候補領域内またはその近傍にマップされるのかについて、現在さらなる解析を進めている。また2年目は、Nid-1候補領域内に存在する11個の予測遺伝子について、Nid-1系統とNid-1をもたない標準系統間での比較解析を進めた。その結果、ORF内にアミノ酸置換をもつ有力な候補遺伝子の特定に成功した。この遺伝子の組織別および発育ステージ別の発現を調査したところ、ユビキタスに発現していることがわかった。なかでも特に脳、後部絹糸腺、精巣、卵巣および卵の時期で高発現していることをRT-PCRおよび定量的PCRによって明らかにした。また、データベース検索による機能予測を行ったところ、本遺伝子は鞭毛内輸送タンパク質をコードすることが予想された。現在までの進捗状況としては、ウイルス感染の有無によって発現変動する遺伝子を明らかにしたこと(1年目)と、Nid-1の候補遺伝子を発見したこと(2年目)から、おおむね順調に進行していると判断している。本研究は、カイコ濃核病ウイルス1型の感染に対して、独立に完全抵抗性を示す2種類の遺伝子Nid-1とnsd-1を単離することと、それらの作用機構を調査することで、昆虫病原性ウイルスに対する宿主昆虫側の抵抗性機構の解明を目指している。Nid-1に関しては、昨年度の研究により、カイコゲノム上の約260 kb内に限定した責任領域内で、有力な候補遺伝子の特定に成功した。本遺伝子には、Nid-1系統(No. 908)とNid-1をもたない標準系統(C108)間でORF内に1塩基の多型が存在し、さらにこの塩基多型はアミノ酸置換を引き起こしていた。そこで本年度は、この候補遺伝子についてNid-1系統と標準系統の数を増やして候補遺伝子内のアミノ酸置換を比較することで、本当にこの遺伝子がNid-1本体となり得るのかを調査した。その結果、このアミノ酸配列はNid-1系統で保存されておらず、残念ながらこの遺伝子はNid-1ではないことがわかった。さらに本年度は、初年度に実施したウイルスを感染させたNid-1系統の中腸を用いたトランスクリプトーム解析によるデータの解析も行った。その結果、ウイルス接種および非接種区間で発現パターンが異なる遺伝子を数多く見つけ出すことに成功した。この中にはNid-1がマップする第17染色体上で発現している遺伝子がいくつか存在したが、Nid-1の責任領域内、さらにはその近傍にマップする遺伝子は見つからなかった。よって、これらのアプローチからはNid-1の原因遺伝子の特定には至らなかった。
超高速知的ディジタル信号処理

本研究では,次世代の知的ディジタル信号処理として提案している進化論的ディジタルフィルタ(evolutionary digital filter : EDF)の信号処理能力を理論的に研究するとともに,そのVLSI実現によって,信号処理能力を実験的に検証している.提案しているEDFをVLSI実現するためにその並列分散処理化によるアルゴリズムと構造の改良を行い,信号処理性能が向上することをソフトウェアシミュレーションにより確認した.さらに,VLIS実現のためのプロトタイプとして,EDFをFPGA上に実現し,その構造について提案した.まず,単一のFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)上でのEDFの実現と評価を行った.並列EDFを高速に実行するための高並列VLSIシステムのプロトタイプを試作し,性能を評価した.設計は,ハードウェア記述言語によって行い,FPGAによって実現する.ここでは,高並列VLSIシステム実現の基礎的実験として,単一のEDFを単一のFPGA上で実現し,処理速度や回路規模,VLSI実現の適合性を評価した.次に,EDFのVLSI実現に関して総合的に評価している.上述のEDFのFPGA上での並列実現による実験結果に基づき,単一のEDFのVLSIシステムを試作し,性能を評価した.設計は,ハードウェア記述言語によって行った.チップ試作は,東京大学大規模集積システム設計教育センター(VDEC)を通して行い,このチップに関して,処理速度や回路規模を評価した.評価実験により,今回試作したチップではサンプリング周波数は3.7KHzであり,ソフトウェア上でEDFを実現した場合に対して2.2倍高速に動作する.本研究では,次世代の知的ディジタル信号処理として提案している進化論的ディジタルフィルタ(evolutionary digital filter : EDF)の信号処理能力を理論的に研究するとともに,そのVLSI実現によって,信号処理能力を実験的に検証している.提案しているEDFをVLSI実現するためにその並列分散処理化によるアルゴリズムと構造の改良を行い,信号処理性能が向上することをソフトウェアシミュレーションにより確認した.さらに,VLIS実現のためのプロトタイプとして,EDFをFPGA上に実現し,その構造について提案した.まず,単一のFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)上でのEDFの実現と評価を行った.並列EDFを高速に実行するための高並列VLSIシステムのプロトタイプを試作し,性能を評価した.設計は,ハードウェア記述言語によって行い,FPGAによって実現する.ここでは,高並列VLSIシステム実現の基礎的実験として,単一のEDFを単一のFPGA上で実現し,処理速度や回路規模,VLSI実現の適合性を評価した.次に,EDFのVLSI実現に関して総合的に評価している.上述のEDFのFPGA上での並列実現による実験結果に基づき,単一のEDFのVLSIシステムを試作し,性能を評価した.設計は,ハードウェア記述言語によって行った.チップ試作は,東京大学大規模集積システム設計教育センター(VDEC)を通して行い,このチップに関して,処理速度や回路規模を評価した.評価実験により,今回試作したチップではサンプリング周波数は3.7KHzであり,ソフトウェア上でEDFを実現した場合に対して2.2倍高速に動作する.1.進化論的計算手法による適応ディジタルフィルタである進化論的ディジタルフィルタ(EDF)の収束特性の向上と並列実現を目的として,並列形のEDFである分散形EDFを提案した.分散形EDFでは,従来提案してきたEDFの個体群を小さな個体群に分割し,分割された生物群に対して,生物数が少なくなったという点を除いて従来法のEDFと同じ処理を行っている.システム同定の実験により,分散形EDFは従来のEDFよりも収束速度が速く,収束後の2乗誤差の大きさが小さいという意味で収束特性が優れていることを明らかにした.2.遺伝的アルゴリズムを用いてノイズを含む2値画像から不連続な輪郭線を抽出する手法を改良した.この改良法では,輪郭線を構成する画素に対して,閉曲線を逐次的に変形して目的とする輪郭線に近づけていく.この方法によって従来法では抽出できなかった形状の輪郭線を抽出できることを実験によって明らかにした.3.進化論的計算手法によるディジタル信号処理及び画像処理のためのアルゴリズムを提案し,この処理を行うためのプロセッサの設計とその評価を行った.まず,進化論的計算手法による適応フィルタとして本申請者らが提案している進化論的ディジタルフィルタ(EDF)について,並列プロセッサ上での実現を考慮した分散形EDFを提案し,これをFPGA上で実現するためのフィルタリングモジュール部の実現した.次に,遺伝的アルゴリズム(GA)による不連続閉曲線抽出手法について,並列実現に適した分散形GAによる手法を提案し,その抽出能力向上について示した上で,FPGA上での実現によりその性能を評価した.平成12年度において提案・評価をしている知的ディジタル信号処理の手法としての進化論的ディジタルフィルタのアルゴリズムを画像用に発展させた.(1)多次元信号である画像処理を目的として,進化論的多次元ディジタルフィルタのアルゴリズムを開発した.また,進化論的多次元ディジタルフィルタのアルゴリズムの性能評価を行った.性能評価は,収束性の速さ,残留誤差,計算量,処理の並列性についてであり,比較対象は,LMS, RLS,ニュートン法および最急降下法の適応アルゴリズムである.(2)以上までのステップで得られた進化論的フィルタのための高並列VLSIシステムのプロトタイプを設計した.設計は,ハードウェア記述言語によって行い,FPGA(フィールドプログラマブルゲイトアレイ)によって実現した.(3)高並列VLSIシステムのプロトタイプをVDECを通して,ROHMにより試作した.

本研究では,次世代の知的ディジタル信号処理として本申請者らが提案している進化論的ディジタルフィルタ(evolutionary digital filter : EDF)の信号処理能力を理論的に研究するとともに,そのVLSI実現によって,信号処理能力を実験的に検証している.提案しているEDFをVLSI実現するためにその並列分散処理化によるアルゴリズムと構造の改良を行い,信号処理性能が向上することをソフトウェアシミュレーションにより確認した.さらに,VLIS実現のためのプロトタイプとして,EDFをFPGA上に実現し,その構造について提案した.まず,単一のFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)上でのEDFの実現と評価を行った.並列EDFを高速に実行するための高並列VLSIシステムのプロトタイプを試作し,性能を評価した.設計は,ハードウェア記述言語によって行い,FPGAによって実現する.ここでは,高並列VLSIシステム実現の基礎的実験として,単一のEDFを単一のFPGA上で実現し,処理速度や回路規模,VLSI実現の適合性を評価した.次に,EDFのVLSI実現に関して総合的に評価している.上述のEDFのFPGA上での並列実現による実験結果に基づき,単一のEDFのVLSIシステムを試作し,性能を評価した.設計は,ハードウェア記述言語によって行った.チップ試作は,東京大学大規模集積システム設計教育センター(VDEC)を通して行い,このチップに関して,処理速度や回路規模を評価した.評価実験により,今回試作したチップではサンプリング周波数は3.7KHzであり,ソフトウェア上でEDFを実現した場合に対して2.2倍高速に動作する.