hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
視覚情報の脳内での分離・統合に関する研究

色や形,運動など,視覚情報の特徴要素に対応する脳内信号がどのように分離統合しているかについて,脳活動計測実験を行う事によって調べた.まず色刺激に対する脳活動の分類解析により,錐体反対色軸の4色以外に,少なくともその中間方向4色に対応して独立の神経活動が生じる事を示す結果を得た.また,色情報と視覚的運動の情報の結合について,知覚のリンクに特に着目して研究を行った.被験者の知覚応答に対応して脳活動が変化した部位を特定したところ,比較的初期の視覚野と運動に選択的に応答する部位の脳活動が対応を示した.この結果は先行研究の結果をさらに絞り込んだ形で,脳内で知覚に対応した色と運動の結合信号が存在する部位について示唆を得た.色と形の情報の結合について,脳活動の分類解析によって調べたところ,色と線分(形状の素片)の傾きの情報が結合した信号が視覚野の広い範囲に存在する事を示す結果を得た.これらの結果を総合すると,脳内での視覚情報は特徴要素間での結びつきが強いもの(形と色)と,部位によって分離・統合している可能性が高いもの(運動と色)が存在する事を示した.また,高次からの逆行性の信号と,低次から順向性に処理される信号がどのように相互作用しているかを今後明らかにする必要がある事が明らかになった.色や形,運動など,視覚情報の特徴要素に対応する脳内信号がどのように分離統合しているかについて,脳活動計測実験を行う事によって調べた.まず色刺激に対する脳活動の分類解析により,錐体反対色軸の4色以外に,少なくともその中間方向4色に対応して独立の神経活動が生じる事を示す結果を得た.また,色情報と視覚的運動の情報の結合について,知覚のリンクに特に着目して研究を行った.被験者の知覚応答に対応して脳活動が変化した部位を特定したところ,比較的初期の視覚野と運動に選択的に応答する部位の脳活動が対応を示した.この結果は先行研究の結果をさらに絞り込んだ形で,脳内で知覚に対応した色と運動の結合信号が存在する部位について示唆を得た.色と形の情報の結合について,脳活動の分類解析によって調べたところ,色と線分(形状の素片)の傾きの情報が結合した信号が視覚野の広い範囲に存在する事を示す結果を得た.これらの結果を総合すると,脳内での視覚情報は特徴要素間での結びつきが強いもの(形と色)と,部位によって分離・統合している可能性が高いもの(運動と色)が存在する事を示した.また,高次からの逆行性の信号と,低次から順向性に処理される信号がどのように相互作用しているかを今後明らかにする必要がある事が明らかになった.脳活動計測にはfMRIを使用した.(i)平成21年度は,まず分類解析の技術を確立するために,異なる色の視覚刺激を呈示した際に計測した脳活動を刺激の色にあわせて分類することを試みた.4色のうち網膜レベルの色信号だけでは分類できないと想定される2色ずつの組み合わせを2種類用意し,それぞれに対する脳活動を分類する解析を行った.色刺激に対応した脳活動の分類解析は,網膜レベルの信号では分離できない色のペアが脳活動では分離できる事を示した.この結果は脳内での色情報処理が網膜レベルの信号とは異なる事を客観的に示す画期的な成果である.(ii)次に,運動情報と色情報の統合について調べる実験を試みた.上向きに動く赤い点と下向きに動く緑の点からなる刺激Aと,その逆の組み合わせからなる刺激Bを用意し,2者に対応する脳活動の分類を行った.色情報・運動情報を個別に処理する脳内部位は,色あるいは運動方向いずれかの変化にしか対応する脳活動の変化を生じないが,両方の情報を統合している部位は,運動方向と色の組み合わせが一致した場合にのみ固有の活動パタンを示すことが予想される.現時点では,少なくとも運動方向と色の固有の組み合わせに対応した脳活動分類が可能であるという初期的な結果を得た.この結果については解析を進め,平成22年度前半に学会で報告する予定である.(1)平成21年度に行った,色刺激による脳活動変化の分類解析による研究により,脳内での色の情報表現は赤/緑,青/黄色の成分ではなく,個々の色について感度をもつ細胞の応答で表現される事を示した.この成果ついて,国際研究会における招待講演において発表を行った.さらにこの成果については論文として投稿し,掲載された.(2)色と運動の情報の統合を調べる実験を行い,国内の研究会で成果発表を行った.

赤と緑のドットが逆方向に動くパタンを全画面に表示し,同じ色の中心視野付近のドットと周辺視野のドットの運動方向を逆にすると,周辺視野のドットの運動方向が時々中心視野と同じ方向になる錯視(Wu, Kanai & Shimojo, 2004)を用いて実験を行った.色と運動の統合を調べる先行研究は,刺激画像と知覚との関係について議論できる条件での実験を行っていなかったが,錯視を生じる実験刺激を用いると,被験者の知覚が確率的に切り替わる上,その知覚の報告と脳活動との比較を行うことにより,脳活動の中で特に被験者の知覚と密接に関連する部位を抽出することが可能となる.分類解析を行った結果,被験者の知覚に関係なく,刺激画像に対応する脳活動で分類解析を行った場合に関与が確認された部位と,被験者の知覚に対応して分類解析を行った場合に関与が確認された部位は異なり,後者には第一次視覚野が含まれなかった.先行研究では第一次視覚野においても色と運動の情報が統合されていたという報告がされていたが,我々の研究の成果が正しいとすると,第一次視覚野には色と運動の情報のどちらもが存在していたが,必ずしも知覚的な統合と関与していなかった可能性が示唆される.この成果は平成23年度に外部発表を行う予定である.人間の視覚情報処理は,運動・形状・色・奥行き(立体視)など様々な特徴の情報が抽出され,いったん特徴ごとの情報処理を経た後,大脳の高次レベルで再び統合される形で処理されていると考えられている.本研究課題では,視覚情報の分離・統合が脳内のどの部位で行われているか,心理物理学で用いられる刺激を用いて非侵襲計測した際の脳活動パタンから明らかにすることを試みた.平成22年度までに,色と運動の情報の統合に関する実験を行い,脳内の視覚野の広い範囲において色と運動の情報が結合した信号が存在する事を確認した.その中で特に,我々の経験的な視覚体験(知覚)とリンクした部位を特定するため,物理的に同じ刺激でありながら知覚が交代する錯視を利用し,被験者が報告した知覚にあわせて脳活動を解析することを進めた.その結果,初期視覚野の一部(第二次/第三次視覚野)および運動視に特化した脳部位(MT+)において特に被験者の知覚と関連した脳活動の変化が見られる事がわかったため,これを日本神経科学会大会において報告した.また,平成23年度は形と色の情報の統合に関する脳活動計測実験およびその解析を行った.その結果,色と形の情報が結合した信号も初期の視覚野において観察する事ができた.脳活動を調べる範囲をさらに高次視覚野に広げて解析を行い,その結果を映像情報メディア学会ヒューマンインフォメーション研究会において報告した.これらの研究成果については現在論文投稿の準備を進めている.以上の研究の結果,脳内での色と形,色と運動の情報の分離・統合の過程の全てを明らかにするには到らなかったが,視覚野の比較的広い範囲に複数の視覚属性の信号がリンクされた形で存在している事,さらに知覚に関連した脳活動を明らかにする方法を確立できたことは大きな成果であった.
エネルギー ギャップを持つ近藤格子系の大型純良単結晶の作製

本研究は、近藤格子系CeNiSnの大型純良単結晶の作成と、中性子非弾性散乱実験によるそのギャップ形成の起源を明らかにすることを主目的とした。中性子の実験は東大物性研の門脇、佐藤グループによりなされ、非弾性散乱によるCeNiSnの2meVと4meVのピークの反強磁性相関の詳細が明らかにされた。Niの代わりにCoを一部置換した系の非弾性散乱の実験も佐藤らによりなされ、2meVのピークは消失、4meVのピークは強度を減少させてはいるがb軸方向の一次元性を残していることを見い出し、反強磁性相関の詳細を明らかに出来た。CeNiSnについては、大浜等によりNMRの実験が行われ磁気励起の詳細が明らかになり、更に、ホルツマイヤー等により極低温領域までの各軸方向の磁気体積効果の実験成果が得られた。その他に、大型純良単結晶引き上げ炉の改良により、磁気的な近藤格子系であるCeNi2Al5とCePbAlの単結晶が作成された。石川等によりCeNi2Al5の熱伝導と熱電能、電気伝導の結晶異方性のある輸送現象の相関が調べられ、ブッシェ-ル等によりCeNi2Al5が二重kの磁気構造をもつことが明らかにされた。CePbAlは世界で始めて単結晶化に成功し、石川等によってその結晶磁気異方性の詳細が明らかにされた。本研究の目的の一つとして、ギャップを直接観測する目的で遠赤外領域の光の反射吸収の実験を計画したが、難波等によりデータが得られているが成果発表まで至っていない。遠赤外の実験、および、中性子非弾性散乱の高圧下、高磁場下、極低温の実験が今後も引き続いて行われる。
土石流の数値シミュレーションと現地観測に基づいた土砂流出量の長期推定モデルの開発

静岡県大谷崩一の沢流域において,土石流と降雨の観測,ドローンによる地形測量を行った。昨年度の成果から、土砂流出量推定に扇状地での土石流の動態を考慮する必要があると考え、調査・観測範囲を下流部の土石流扇状地まで拡大した。地形測量とインターバル撮影を組み合わせることで,発生・流下した土石流の多くが扇状地の上流部で停止するものの,土石流の継続時間が長い場合に,扇状地で幅10 m・深さ3 m以上の侵食が生じることが明らかになった。つまり、流下する土石流の規模に応じて、扇状地からの土砂流出量が大きく変化する。次に、昨年度行った土石流扇状地に関する水路実験結果の解析を進めた。これにより平均粒径が等しい均一粒径土石流と混合粒径土石流では、流下中の波形および流速にはほとんど差がないことが分かった。しかしながら、氾濫初期の土石流先頭部の到達距離は、均一粒径では約3 mであるのに対し、混合粒径では約2.2 mと両者で明確な違いが生じた。これは、混合粒径土石流では、流れの先頭部に大きな礫が集積することで、流れの抵抗が増加するためだと考えられた。これによって、混合粒径では扇状地下流部がより厚くなり、不飽和領域が形成されることで、後続の土石流の流下方向が変化し、左右非対称な扇状地が形成された。以上の知見を踏まえ、観測で得られた扇状地での土石流の侵食・堆積プロセスの再現数値シミュレーションを行った。しかし、調査で得られたような扇状地の侵食や、実験で見られた流下方向の変化を再現することはできなかった。そのため、実測した土砂流出量の数値シミュレーションによる推定精度は低かった。これは、従来の数値シミュレーションでは、扇状地を含む堆積層内部の水分条件の変化を考慮できないためだと考えられた。そのため、今後水分条件の変化を再現可能な計算手法を開発することで土砂流出量精度を向上できると考えられる。29年度が最終年度であるため、記入しない。静岡県大谷崩一の沢流域において,土石流と降雨の観測,UAV(ドローン)による地形測量を行った。UAVによる空撮画像を多視点写真測量(SfM)技術により数値標高モデル(DEM)化した。このDEMと地上レーザー測量(TLS)で得たDEMとの比較から,UAVによる地形測量の精度が,土石流材料となる不安定土砂(勾配38度以下)の堆積領域において,誤差20 cm程度であることが分かった。また,作成したDEMの解析から,土石流によって地形変化の傾向が異なり,流出土砂量が降雨強度のみで定まらないことを明らかにした。次に,土石流の発生と降雨の関係を整理した。土石流は,10分間降雨強度5 mm以上の継続時間または累積時間が相対的に大きな降雨で発生しやすいことが分かった。これらの非発生降雨との違いは,土石流発生前は明確であったが,土石流が3-4回発生した後では,非発生降雨のように10分間降雨強度5 mm以上の継続時間と累積時間が短い降雨で土石流が発生する場合があった。これらは,土石流の発生が降雨波形と過去の土石流による堆積土砂の変化の影響を強く受けることを示唆する。観測・調査結果を用いて,数値シミュレーションによる観測された土石流の再現計算を行ったが,土石流ごとの侵食・堆積域を再現することはできなかった。その要因のひとつが,実際の土石流が混合粒径土砂で構成されるのに対し,数値シミュレーションでは土石流が均一粒径土石流として取り扱われているためだと考え,水路実験によって均一・混合粒径土石流の堆積過程の違いを検証した。その結果,均一粒径土石流は堆積時に左右がほぼ対称な扇状地を形成するのに対し,混合粒径土石流は右岸または左岸のどちらかに偏った左右非対称な扇状地を形成することが明らかとなった。UAVを用いた地形測量により,当初の想定よりも高い精度でDEMが作成できることが分かった。また,雨量計やタイムラプスカメラによる土石流の観測態勢が確立できた。そのため,現地データは十分に蓄積することができた。その結果,土石流発生危険降雨について想定していた以上の成果が得られた。一方で,モデル開発は当初の計画よりも遅れている。しかしながら,水路実験によって土石流の数値シミュレーションモデルの堆積過程における課題を明らかにすることができた。以上のことから,研究課題の遂行はおおむね順調に進展していると判断できる。

しかしながら、氾濫初期の土石流先頭部の到達距離は、均一粒径では約3 mであるのに対し、混合粒径では約2.2 mと両者で明確な違いが生じた。これは、混合粒径土石流では、流れの先頭部に大きな礫が集積することで、流れの抵抗が増加するためだと考えられた。これによって、混合粒径では扇状地下流部がより厚くなり、不飽和領域が形成されることで、後続の土石流の流下方向が変化し、左右非対称な扇状地が形成された。以上の知見を踏まえ、観測で得られた扇状地での土石流の侵食・堆積プロセスの再現数値シミュレーションを行った。しかし、調査で得られたような扇状地の侵食や、実験で見られた流下方向の変化を再現することはできなかった。そのため、実測した土砂流出量の数値シミュレーションによる推定精度は低かった。これは、従来の数値シミュレーションでは、扇状地を含む堆積層内部の水分条件の変化を考慮できないためだと考えられた。そのため、今後水分条件の変化を再現可能な計算手法を開発することで土砂流出量精度を向上できると考えられる。現地観測と調査を継続して行う。また,当該年度で得られた土石流の数値シミュレーションモデルの課題を考慮しつつ,申請時の計画に基づき,土砂流出量の長期推定モデルの開発を進める。29年度が最終年度であるため、記入しない。
量子ビームを用いたナノクラスターの作製と評価

イオンビームによって重元素を酸化物に打ち込み、酸化物を反応させることによってナノサイズの強誘電体を作製に成功した。ナノサイズ強誘電体で得られた知見をもとに、強誘電体の特性向上を種々の強誘電体に体して行い、放射光を用いて特性向上機構を解明した。本年度は強誘電体ナノ構造体の作製にあたり、イオンインプランテーションを用いた手法の実現性の可能性を探った。原子力機構高崎量子応用研究所に設置されているイオン照射装置(TIARA)を用いる事によって、ほぼ全ての元素のイオン照射が可能である。イオンビームは通常の蒸着に比べるとマイグレーションエネルギーが非常に高く、そのためインプラントした金属元素が凝集すると考えられている。酸化物作製においてはインプラントする母物質中の酸素と反応することによって、酸化物が形成されると考えられている。そこで、まず、インプラントした元素の反応経路を放射光X線を用いて探ることとした。そのためにはできるだけ重い元素をイオン照射によってインプラントし、またインプラントされる母材にはできるだけ軽い酸化物材料を選択する必要がある。予備実験として種々の母材へのイオン照射を行った結果、TiO_2を母材とすることとした。そしてインプラントする金属としてビスマスを選択し、イオンインプランテーションを用いた酸化物作製の実証実験を行った。その結果、照射されたビスマスイオンは金属状態でTiO2中にはとどまらず、直ちにTiO_2の酸素を奪って酸化ビスマスとなっていることがわかった。そしてアニールによってさらに周囲のTiO_2と反応し、パイロクロア型のBi_2Ti_2O_9が生成されるという反応経路を突き止めた。昨年度に既にイオンインプランテーションを用いた手法によって酸化物ナノ構造体の作製に成功したため、そこで得られた知見をバルク物質への適用を目指した研究を行った。我々が作製したナノ構造体においては、そのサイズ効果のため、バルク物質とは異なる平均構造を有していた。例えばペロブスカイト系酸化物強誘電体(化学式:ABO_3)では、酸素八面体の中心にあるBサイトと酸素12配位のAサイトではコヒーレント長が異なり、一般的にAサイトの方がランダムネスが大きくコヒーレント長も短い。このコヒーレント長の差異が種々の相転移の原因になっている。しかし、ナノ構造体においてはサイズ効果によってAサイトとBサイトのコヒーレント長がほぼ等しくなっており、この2つのコヒーレント長の競合が新規な物性の原因となっている。このようなコヒーレント長の競合をバルク物質においても実現、検証するために今年度は種々のペロブスカイト構造における局所構造解析を行った。特にペロブスカイト酸化物強誘電体のAサイトとBサイトのコヒーレント長にモジュレーションを与えるために圧力を印加、またイオンサイズの異なる原子で置換することなどを試みた。特に高圧下におけるペロブスカイト酸化物Bi(Mg_<0.5>Ti_<0.5>)03では、圧力効果によってBiサイト(Aサイト)のコヒーレント長が変化し、これによって平均構造も変化していることがわかった。また、圧力によって出現した高圧相において、常圧相では得られない強誘電性も発現していることから、異なるコヒーレント長にモジュレーションを与えることの重要性を示すことができた。また、同様の効果がイオンサイズの小さな原子による置換効果によっても生じていることが、AgNbO_3のLi置換効果によっても示すことができた。長距離の相互作用によって、結晶内の多くの部分をあたかも単結晶のような振る舞いをさせ、巨大な自発分極を誘発させることに成功したものがリラクサー強誘電体と呼ばれる物質群である。リラクサー強誘電体では、polar nano region (PNR)と呼ばれる微小ドメインが常誘電相に島状に浮いている。自由度の高いPNRはクラスター間で長距離相互作用が存在するため、常誘電相をも巻き込んだドメインダイナミクスが実現する。このように、強誘電体の長距離相互作用を有効に利用したドメイン配置を実現することによって、特性が高まる現象が多くの強誘電体で報告されており、リラクサー強誘電体のドメイン構造を模倣した人工的なドメインの研究がドメインエンジニアリングと称して行われるようになった。リラクサーを模倣したドメイン構造は、強誘電体材料開発の観点から興味が持たれてきた。特に環境汚染の可能性がある鉛を使った材料開発に制限があるため、これまで幅広く用いられてきたPZTに替わる新たな材料開発と伴に、既存の材料に対してドメインエンジニアリングを行うことによって特性向上を図る試みが多くなされてきた。しかし、リラクサー強誘電体の有するナノオーダーのドメインサイズに比べると、ドメインエンジニアリングによって導入されたドメインはサブミクロン程度で、技術的にはまだ多くの課題が残されている。近い将来、リラクサーと同様の強誘電特性を発現させるためには、1強誘電体と常誘電体との融合、2強誘電体ドメイン構造のナノサイズ化、3強誘電体ナノドメインの長距離相互作用が最大化するように配置、などの課題をクリアしなければ自由な材料設計はできない。本研究では、特に強誘電体と常誘電体の融合に着目し、イオンインプランテーション技術を使った強誘電体ナノクラスターを常誘電体中に作製し、その生成機構を明らかにすることを目的とした研究を行った。

最優先のテーマであった、イオンビームを用いたナノ強誘電体の作製は、昨年度に日本原子力研究開発機構高崎量子ビーム研究所のマシンタイムが大幅に追加されたことから、目的を達成することができている。得られたナノサイズ強誘電体をバルク物質へも展開するために、他の手法で強誘電体のナノサイズ化を試みている。今年度は高圧効果や置換効果によってナノドメイン化を図り、いずれも良好な結果を得ている。24年度が最終年度であるため、記入しない。イオンインプランテーションはナノサイズの強誘電体を確実に作製するには非常に有効な手法である。事実、この方法で得られた強誘電体からナノサイズ特有の構造や物性の発現を確認した。しかし、この手法は非常にコストがかかり、工業的に展開するには不利である。そこで、イオンインプランテーションで得られた強誘電体と同じ特性を得られる他の手法の開発へと繋げなければならない。今年度は、強誘電体のナノサイズ化、ナノドメイン化を図るために高圧合成や不純物ドープなどを試みた。今後はさらに水熱合成などのpureでさらに安価な合成法で得られたナノサイズの強誘電体で、イオンインプランテーションで得られたサンプル同様の物性発現を試みる必要がある。
緑色波長光照射による血小板シグナルを介した肺保護効果の検討

敗血症は、依然として致死的な病態であり、早期の積極的な治療介入と、多臓器不全への進展防止が重要である。我々は、治療戦略の一つとして安全かつ簡便な光療法に注目してきた。光による抗炎症効果は広く知られているが、十分なメカニズムの解明は行われていない。我々はこれまでの先行実験において、太陽光を模した自然光蛍光灯が敗血症モデルにおいて抗炎症効果を有し、肺傷害を軽減すること、光依存性に血小板関連遺伝子が変動していることを見出した。本研究では、光治療における血小板遺伝子の変化が抗炎症にどのように関与するか究明することを課題とし、光療法の抗炎症メカニズムについて検討する。
量的手法と質的手法を統合した授業分析システムの開発

最終年度にあたる本年度は、前年度までの成果をふまえ以下の通り研究を行った。●授業観察と記録授業観察と記録を継続した。●授業分析手法の開発引き続き、授業分析の方法について検討を深め、必要なデータ分析手法を開発した。●インターネット版授業分析システムの開発と評価前年度までの成果にもとづき遠隔地から複数人から分析可能となるようなインターネット版のシステムを開発/改良した。研究の性質上、アクセス制限をした。複数の地点から同時にアクセスし、協力しながら授業分析を行うことを継続し、システムの評価を行った。●オンライン/オフラインの授業研究会でのシステムの活用と評価授業分析を行う研究者や教師が参加する、オンラインとオフラインで行う授業研究会を開催し、本システムを活用した協同的な授業分析を行い、評価した。●教師教育研究者からのシステムの評価システムの可能性について、教師教育の研究者から評価を受けた。●成果発表学会などで成果発表を行った。【授業記録の採取ならびに編集】愛知県内の公立小中学校(6校)において、様々な学年・教科の授業を観察し、授業記録、授業案、作文等を採取した。内、1校では、研究者が研究授業を企画し、授業の立案から関与した。身近な自然物を対象とした子どもの観察・表現活動の過程を詳細に記録した。【Webによる授業分析システムの開発】動画、文字記録を参照しながら、授業に関するコメントを入力閲覧できるWeb上のシステムを開発した。これはDVDに保存した動面の再生にあわせて、文字記録がスクロールする機能を備えている。また、特定の授業場面に対してコメントを入力すると、ネットワークを介して、他のメンバーが参照できるものである。【Webによる授業分析システムの活用と評価】市教育委員会の教員研修と連動し、研究授業の事後検討にもとづく議論をWeb授業コメントシステムによって補足することを試みた。動画の再生や、コメント入力・参照をスムーズにすることなどの技術的な問題とともに、ワークショップ形式の授業研究会(事後検討会)と、Web上のシステムを連携させていくことが課題となった。【新たな授業分析手法(量的手法)の開発】授業の逐語記録を対象とした新たな量的な分析手法を開発した。これは、発言間での語の重複出現頻度に注目し、授業の中で鍵となる発言を探索的に発見するための手法である。この成果を日本教育工学会にて発表した。【質的手法を用いた授業分析】上述の身近な自然物を用いた授業を質的に分析し、子どもの活動におけるイメージの関与を明らかにした。また、名古屋大学教育方法研究室で長年取り組まれてきた「中間項」について、研究方法論的に再検討し、今後の量的手法との統合の可能を検討した。これらの成果は日本教育方法学会にて発表した。2年目の成果は、以下の通りである。○授業観察と記録授業観察と記録を継続して行った。愛知県内の公立小・中学校(8校)において、授業を観察し,記録を採取するとともに、授業案等関連資料を収集した。○授業分析手法の開発引き続き、授業分析の方法について検討を深め、必要なデータ分析手法を開発した。学習者の操作的な活動(実験や思考)を○インターネット版授業分析システムの開発と評価前年度の成果にもとづき遠隔地から複数人から分析可能となるようなインターネット版のシステムを開発した。ネットワーク経由でアクセスし、協力しながら授業分析を行うことを試み、システムの評価を行った。○オンライン/オフラインの授業研究会でのシステムの活用と評価授業分析を行う研究者や教師が参加する授業研究会において、このシステムを用い、分析結果の集積を行った。○教師教育研究者からのシステムの評価システムの可能性について、国内外の教師教育の研究者から、意見を聴取した。○成果発表授業分析を中心とする授業研究のあり方等について、研究成果を発表した。
らい菌の比較ゲノム解析

ハンセン病はらい菌による感染症で、多菌型と少菌型の2病型がある。研究目的は、病型を分ける菌側要因の探索であり、次の研究及び成果を得た。(1)日本の本州で分離された多菌型患者由来らい菌のゲノムシーケンスを決定しデータバンク登録されているインド及びブラジル由来のらい菌と比較解析を行い、日本由来株に特徴的な情報を得た。(2)日本株に特徴的だったSNPsを多数の保存らい菌分離株について調べた結果、日本の本州および韓国で分離されたらい菌には同様のSNPsパターンがあることを発見した。(3)少菌型患者由来菌は極端に少なく、次世代シーケンサーにて一定の結果を得たが、期間内に探索を終了するに至らなかった。日本由来のらい菌のゲノム解析を行っている。特にらい菌感染により発症するハンセン病には2病型があり多菌型と少菌型に分かれるが、これらの病型をもたらす菌側の要因を発見することが大きな目的の1つであるが、少菌型ハンセン病患者由来らい菌ゲノムシーケンスは困難を極め、ごく微量のシーケンスデータしか得られていない。しかし、多菌型由来らい菌ではこれまで十分なデータ解析ができた。すなわち、日本の多菌型ハンセン病患者由来のらい菌Kyoto-2株のホールゲノムシーケンスを決定し、ゲノムデータバンクに登録した。すでに登録されているらい菌TN株とBr4923株との比較解析を行い、Kyoto-2株に特徴的なSNPs情報を得た。中でもKyoto-2のJK2ML_0411(TN株でML0411)という遺伝子にはSNPsが合計6つ存在すること、そのパターンがKyoto-2のみならず日本の本州および韓国で分離されたらい菌では同じパターンを示すこと、他のゲノムタイピングとの連動していることからこれららい菌は北東アジアに一定のタイプがあることを明らかとして来た。多くのらい菌分離株や臨床検体を用いてこれまでに解析したSNPsタイピングとこれまで確立されよく知られたいくつかのゲノタイピングツールとの比較を行い疫学および進化学的解析を行う。また、多菌型患者由来株としてKyoto-2株に加えてHoshizuka-4株、Ryukyu-6株、Tahi-53株について実施しているがこれらを含めたSNPs比較解析を行っている。少菌型患者由来らい菌株のゲノム解析は大変困難であり、これまでとは異なる少菌型患者由来試料を用いてさらに高性能の最新型ゲノムシーケンスマシン(業者委託シーケンス)で再挑戦する予定である。らい菌を原因菌として発症するハンセン病の2病型、多菌型と少菌型の間には様々な面で大きな隔たりがあり、予防・診断・治療に関して、異なる対処の必要性が認識されている。一般に病型は生体側の免疫の違いによるとされているものの、多菌型と少菌型に分かれる具体的な要因は未だ不明のままである。本研究は、その2病型をもたらす何らかの要因が生体側の免疫状態の違いとは別に菌側にも何らかの要因が存在する可能性を考え、次世代ゲノム解析にてその要因を探索・同定することを目指している。初年度は主に多菌型ハンセン病患者由来らい菌(多菌型らい菌)を用いた解析を行い、ゲノムシーケンスを行い、既にデータベースにあるらい菌株TN及びBr4923との比較解析を行い、その結果としていくつかの新しい知見を得た。多菌型少菌型いずれにおいてもらい菌は人工培地において培養が不可能であり、その培養は日本ではヌードマウスのフットパッドでのみ可能であり、しかも世代時間はヌードマウスフットパッドで約13日間という長時間を要すことから現在多菌型らい菌については保存菌があるが、少菌型ハンセン病患者からのらい菌(少菌型らい菌)は培養できた菌が存在しておらず、本実験では患者バイオプシーから抽出した菌由来のDNAを用いたが、ゲノムシーケンスに関してはサンプル中に存在する少菌型らい菌DNAの量があまりにも少なく、現在のところほとんどデータが得られていないのが現状である。らい菌株の由来は地理的な違いや病態の異なる患者由来等様々であり、それらのゲノム解析が可能であれば、本研究の主目的である病型決定因子に限らず、不明であったらい菌の性状や病原性因子等が明らかとなることが期待される。らい菌感染で発症するハンセン病には多菌型と少菌型の2病型がある。本研究の主目的は、病型を分ける菌側要因を発見することである。比較対照に日本の多菌型患者由来らい菌Kyoto-2株のゲノム配列を決定した。データバンクに登録後、すでに登録されているらい菌TN株及びBr4923株と比較解析を行い、Kyoto-2株に特徴的な情報を得た。

保存らい菌株を調べた結果、Kyoto-2で特徴的なSNPsを日本の本州および韓国で分離されたらい菌の多くが示すことが明らかとなった。それら株を地理的分布からNortheast Asian(NA)strainと命名した。一方、少菌型ハンセン病患者由来らい菌は菌数が極端に少ないため患者材料から直接らい菌DNAの解析を試みた。サンプルはベトナムで採取し、対照として同地域から多菌型サンプルも採取した。DNA抽出、ゲノムライブラリー作成、その後イルミナ社のNextSeq500で解析した。らい菌由来断片は少菌型では0.008%、多菌型では0.012%であった。多菌型のゲノムは全体を解読し、以前報告のある86カ所のSNPsを利用したタイピングでKyoto-2と同じ3Kタイプを示した。しかし、全SNPsによる樹形図ではKyoto-2が含まれるNA strainが属す枝(グループ)には属さないことが示された。少菌型の解読は困難を極め未終了であるが、近く終了が見込まれ少菌型特有の領域の発見が期待されている。本研究において日本の本州分離らい菌がこれまで知られていない遺伝子型を示し、韓国分離株とともに樹形図に新しい枝を形成したことは、らい菌の分子進化あるいは伝播様式の詳細解明への一助として貢献できたと考えられる。また、今後少菌型由来らい菌のゲノム解析から特徴的な領域が発見できればそれはこれまでのハンセン病病型の概念をより正しく理解できると期待される。微生物学日本の多菌型ハンセン病患者由来のらい菌Kyoto-2株のホールゲノムシーケンスを決定し、ゲノムデータバンクに登録した。他の日本の多菌型患者由来株についてもホールゲノム解析を実施している。その結果かららい菌の疫学に重要な新しいゲノタイピングを可能とするようなSNPsパターンを発見した。初年度は多菌型ハンセン病患者由来らい菌ですでにヌードマウスのフットパッドでの培養に成功し、ハンセン病研究センターにて保存している菌株を用いてそのゲノムシーケンスを次世代型オートシーケンサーにより決定した。もっとも解析がすすんでいるらい菌Kyoto-2株ではシーケンス断片のアッセンブルが終わり、接続されなかったgapもPCRと通常のシーケンスですべて埋めることができた。すでに登録されているらい菌TN株及びBr4923株との比較解析を行った結果、使用したKyoto-2株において見られるいくつかの特徴的な違いを発見した。多菌型患者由来株ではKyoto-2株、Hoshizuka-4株、Ryukyu-6株、Tahi-53株についてSNPs比較解析を行い疫学および進化学的解析を行う。少菌型患者由来らい菌株のゲノム解析は新たな試料を用いて最新型ゲノムシーケンスマシン(業者委託シーケンス)で再挑戦する。多菌型ハンセン病患者由来らい菌(多菌型らい菌)のゲノム解析及び比較ゲノムを進める。少菌型ハンセン病患者からのらい菌(少菌型らい菌)については、その分離は極めて困難が予想されていたが、実際患者バイオプシーから抽出して保存しているDNAを用いて実験を行ってみた結果、PCR実験ではある程度の菌由来DNAの増幅は認められるものの、ゲノムシーケンスのためには不十分なサンプル量であることがわかった。そこで考えられる今後の方策として、以下のことを検討する予定である。1つは少菌型患者由来サンプルにわずかに存在するらい菌もしくはらい菌DNAを増幅させること。2つ目は現在使用している次世代型シーケンサー
先天性心疾患におけるデュアルソースCTと逐次近似法を用いた画像診断法の確立

小児先天性疾患に対する低電圧の造影CTのプロトコルを、ファントム実験から得られたデータを参考にし、作成した。その後、造影CTが撮影された実際の症例の画像データ収集を行った。これまでの報告では80 kVの管電圧で撮影することが一般的であったが、本研究により8 kg以下の乳幼児に対しては、70 kVの管電圧が使用でき、より低被曝での撮影が可能であることを明らかにした。従来の80 kVの画像データと70 kVの画像データを比較したところ、70 kVでの撮影の方が造影剤による心血管系の増強効果が有意に高いことがわかったため、造影剤を減量・希釈し投与することが可能となった。しかし、低線量撮影のための画像ノイズとartifactが強くでてしまうという欠点も明らかになった。そこで、70 kVの低電圧撮影に逐次近似画像再構成法を併用することで、画像ノイズとartifactを低減でき、従来の80 kV管電圧での撮影と同等の、臨床的に有用性のある胸部造影CTが撮影できることも明らかにした。本研究の成果は2014年4月の「第73回日本医学放射線学会総会」と、2014年6月の「European Society of Paediatric Radiology 51st Annual Meeting」にて発表し、好評を得ている。これらの学会で他の専門家と意見交換をして得られた情報も参考にし、現在論文を作成し、投稿する予定である。低電圧デュアルソースCT撮影と逐次近似画像再構成法を併用するプロトコルの有用性をより確かなものとするため、昨年よりさらに実際の先天性心疾患をもつ小児例の画像データを蓄積した。そのデータを元に撮影プロトコルを洗練し、低被ばくかつノイズの少ない画像がより確実に得られるようになった。この結果をまとめた論文はPediatric Radiologyに投稿され、acceptされた(Pediatr Radiol. 2015;45:1472-9)。この成果により逐次近似画像再構成法により画像のノイズが抑えられ明瞭な画像が得られることが明らかになったので、次にこのCT画像が実際の解剖学的特徴を正確に現しているかを確認することとした。同様のプロトコルで撮影した症例のデータを積み重ね、これらのCT画像所見が小児循環器医が施行した超音波所見と、心臓血管外科医の手術所見を比較した。その結果、CT所見は正確に症例の解剖学的所見を正確に描出していることが明らかになった。この成果をまとめた論文は、Japanese Journal of Radiologyに投稿され、acceptされた(Jpn J Radiol. 2016;34:284-91)。現在我々は低電圧撮影と逐次近似再構成法を併用する手法が頭部や腹部領域に応用できるかを検討するため、頭部や腹部領域のファントムを使用した実験を積み重ねている。これらの領域に特化したプロトコルを作成し、臨床応用することを目指している。本研究の1年目の目標は、造影CTプロトコルの作成までであったが、順調に進み、さらに実際の症例における画像データ収集も行うことができた。今年度で得られた成果をまとめ、公表するために現在論文作成中である。今後は、得られた造影CT画像データを超音波や心臓カテーテル検査、手術所見など比較し、実際の形態情報をどれだけ正確に得ることができているかを評価する計画をしている。また、本研究は胸部の造影CTを対象に行っているが、頭部や腹部においても同様の技術が応用可能かどうかを検討する予定である。初年度に購入予定であったファントムが当施設の備品で補うことができた。画像解析用のPCとワークステーション、統計解析用のソフトを購入予定。
細胞の圧ストレスと麻酔の圧拮抗を利用した酵母のアルコール耐性の強化

12%(w/w)までのエタノールを含む培地中で酒酵母7号とSaccharomyces cerevisiae AKU4100の2種類の酵母を400気圧までの高圧力下で生育させたところ,エタノールを含まない培地では酵母の生存率は圧力により低下した.これに対し,4および8%(w/w)のエタノールを含む培地では加圧により生存率が増加し200気圧で極大を示した.すなわち,エタノールが存在する系では圧力は酵母の生存率を高める方向に働く.これらの結果は新しい実験事実で,色々な分野での応用が可能であると考えている.下の(2)で示した加圧下におけるアルコール発酵はその一つである.酵母以外の微生物についても,高圧力下における挙動を調べてきた.例えば,大腸菌を400気圧の圧力下で一晩おくと,細胞1個の長さが約7倍長くなる異常伸長の現象が観察された.このように,約500気圧までの非致死的高圧力条件下における微生物はさまざまな興味ある現象を示す.本研究は,高圧力という地表菌では経験し得ない人工的ストレスを微生物に加えることにより,微生物の性質を変えこれを有効利用する可能性も秘めている.アルコール存在下の酵母が加圧により増殖することは,酵母のエタノール耐性が圧力により強化されたことを意味する.そこで,この実験結果の応用として高圧力下でアルコール発酵を試みた.200気圧の高圧力下で圧搾パン酵母を用いグルコースを発酵させたところ,酵母の生菌数は常正発酵の場合に比べ明らかに増加したが,アルコール濃度に関しては,現在のところ高濃度のアルコールが得られるところまでに至っていない.閉鎖系における二酸化炭素の除去が今後の課題である.12%(w/w)までのエタノールを含む培地中で酒酵母7号とSaccharomyces cerevisiae AKU4100の2種類の酵母を400気圧までの高圧力下で生育させたところ,エタノールを含まない培地では酵母の生存率は圧力により低下した.これに対し,4および8%(w/w)のエタノールを含む培地では加圧により生存率が増加し200気圧で極大を示した.すなわち,エタノールが存在する系では圧力は酵母の生存率を高める方向に働く.これらの結果は新しい実験事実で,色々な分野での応用が可能であると考えている.下の(2)で示した加圧下におけるアルコール発酵はその一つである.酵母以外の微生物についても,高圧力下における挙動を調べてきた.例えば,大腸菌を400気圧の圧力下で一晩おくと,細胞1個の長さが約7倍長くなる異常伸長の現象が観察された.このように,約500気圧までの非致死的高圧力条件下における微生物はさまざまな興味ある現象を示す.本研究は,高圧力という地表菌では経験し得ない人工的ストレスを微生物に加えることにより,微生物の性質を変えこれを有効利用する可能性も秘めている.アルコール存在下の酵母が加圧により増殖することは,酵母のエタノール耐性が圧力により強化されたことを意味する.そこで,この実験結果の応用として高圧力下でアルコール発酵を試みた.200気圧の高圧力下で圧搾パン酵母を用いグルコースを発酵させたところ,酵母の生菌数は常正発酵の場合に比べ明らかに増加したが,アルコール濃度に関しては,現在のところ高濃度のアルコールが得られるところまでに至っていない.閉鎖系における二酸化炭素の除去が今後の課題である.酵母(Saccharomyces cerevisiae AKU4100,酒酵母7号)の生育に及ぼす圧力とエタノールの影響を調べた.圧力とエタノールはともに酵母の生育に対して負の効果がある.したがって,培地中のエタノール濃度が増加すると酵母の生育は次第に抑制される.しかし,両者が共存する系,たとえば,エタノールを含む培地の酵母に2030MPaの圧力を加えると,エタノールの影響は低下し生存率が増加する傾向が観察された.すなわち,エタノールを麻酔薬とみなすと,麻酔の圧拮抗現象がこの場合も起こっていることになる.この結果の応用の一つとして,高圧力下で酵母によるグルコースのアルコール発酵を試みた.常圧で,発酵途中とほぼ発酵が終了した酵母懸濁液を20MPaまで加圧して酵母の生菌数とエタノール濃度を測定したところ,生菌数は加圧により増加したものの常圧発酵で得られるよりも高濃度のアルコールを得ることはできなかった.発生した二酸化炭素の除去も含め,高圧発酵の最適条件をさらに探る必要がある.酵母に圧力やエタノールに対する耐性を付与するため,酵母を熱ショック処理して圧力耐性(100MPa,1時間)と熱耐性(51°C,10分)を調べた.酵母に熱ショックを加えることにより圧耐性と熱耐性は増加したが,培地にエタノールを加えると,熱ショック酵母の方が熱処理しない酵母よりも生存率が急激に低下する現象が見いだされた.S.cerevisiaeの方が酒酵母7号よりも種々のストレスに対する耐性は弱かった。12%(W/W)までのエタノールを含む培地中で酒酵母7号とSaccharomyces cerevisiae AKU4100の2種類の酵母を400気圧までの高圧力下で生育させたところ,エタノールを含まない培地では酵母の生存率は圧力により低下した.これに対し,4および8%(W/W)のエタノールを含む培地では加圧により生存率が増加し200気圧で極大を示した.すなわち,エタノールが存在する系では圧力は酵母の生存率を高める方向に働く.これらの結果は新しい実験事実で,色々な分野での応用が可能であると考えている.下の(2)で示した加圧下におけるアルコール発酵はその一つである.酵母以外の微生物についても,高圧力下における挙動を調べてきた.

例えば,大腸菌を400気圧の圧力下で一晩おくと,細胞1個の長さが約7倍長くなる異常伸長の現象が観察された.このように,約500気圧までの非致死的高圧力条件下における微生物はさまざまな興味ある現象を示す.本研究は,高圧力という地表菌では経験し得ない人工的ストレスを微生物に加えることにより,微生物の性質を変えこれを有効利用する可能性も秘めている.アルコール存在下の酵母が加圧により増殖することは,酵母のエタノール耐性が圧力により強化されたことを意味する.そこで,この実験結果の応用として高圧力下でアルコール発酵を試みた.200気圧の高圧力下で圧搾パン酵母を用いグルコースを発酵させたところ,酵母の生菌数は常圧発酵の場合に比べ明らかに増加したが,アルコール濃度に関しては,現在のところ高濃度のアルコールが得られるところまでに至っていない.閉鎖系における二酸化炭素の除去が今後の課題である.
森林性野ネズミの貯食活動が樹木の分布拡大・更新に果たす役割

昨年度に引き続き、野外調査によるマテバシイ堅果の生産から実生の定着までの生命表解析を実施し、野ネズミの種子散布者としての貢献度について明らかにすることが出来た。1995年から2008年までの生命表解析の結果、堅果の死亡は、堅果が地上に落下してから発芽するまでの期間に最も多く、野ネズミによる捕食が最も強く影響していることが明らかになった。また、その年の堅果生産量が豊作であることは、マテバシイ実生が多く定着するための必要条件であったが、それだけでは不十分であり、野ネズミの定住個体数が少ない年である必要があることが明らかになった。野ネズミの貯食活動をより詳細に明らかにするため、野ネズミに小型発信機を取り付けて行動圏を調べたところ、これまでに捕獲調査結果から最外郭多角体法で推定されていた行動圏よりもかなり広い面積を利用していることが明らかになった。また、スギ人工林と広葉樹林両方を利用する野ネズミの行動圏は、一方の林相を利用する野ネズミの行動圏よりも広く、このような個体によって広葉樹林からスギ人工林内へ堅果が持ち運ばれることが示唆された。また、個体間で行動圏が重複している例もみられた。このように重複している部分では、貯食者以外による貯食の盗難が起こっていることが確認された。また、貯食の盗難が起こる時、堅果は餌場からより遠くへ運搬されることも明らかになっている。したがって、このように広い行動圏内での貯食の繰り返しや、行動圏が重複する部分での盗難の発生によって、堅果はリレー方式で複数個体によって運搬され、母樹からの長距離分散が起こりうるということが示唆された。本研究により、野ネズミの種子散布者としての貢献度や、その実態をより明確にすることが出来た。このような結果は、我が国の森林管理を行う際の重要な情報となりうると考えられる。今年度予定していた貯食活動についてのより詳細な調査が出来、生命表などの作製も完了することが出来、ほぼ予定通りの研究内容となったため。今後は、野ネズミによる貯食活動のより細かい部分について調査・研究する必要があると考えられる。たとえば、野ネズミの行動圏と貯食活動の関係などを野外調査により明らかにすることによって、野ネズミが自然条件下でどのくらいの範囲を行動、活用するのかを明らかにすることは、我が国の今後の森林施業を考える上で非常に重要な情報となりうるだろう。また、ヒメネズミの貯食活動を明らかにすることも必要であり、ヒメネズミについての調査を進めることで、日本に広く分布している野ネズミの代表種である、彼らの種子散布者としての役割を考察することが重要である。自然条件下において稚樹が母樹からどのように分布しているのかを明らかにするため、マテバシイのマイクロサテライトマーカー10座を用いて常緑広葉樹林内のマテバシイ母樹52個体とスギ人工林内で採取した堅果174個の親子解析を行ったところ、174個中23個(13.2%)の堅果は母樹特定ができた。堅果は単一母樹から様々な場所へ、また複数の母樹から同一箇所へと運搬されており、平均親子間距離は30.3±23.1(SD)mで、097.1mの範囲で運搬されていた。堅果は比較的長距離である50m以上の運搬もされており、自然条件下において野ネズミが種子散布者として役割を果たしていることが明らかになった。また、堅果落下から実生定着までの運命を明らかにするため、1995年2008までの14年間に生産されたマテバシイ堅果の生命表を作成した。その結果、堅果は落下ステージ貯食ステージで多くが死亡することが明らかになった。これらのステージにおける死亡要因の中で、野ネズミによる堅果捕食が堅果生産から実生定着までの死亡率の変動に深く関わっていた。結果として堅果が豊作で野ネズミの生息数が少なかった1999年、2003年、2007年でマテバシイは多く定着し、野ネズミは種子散布者として貢献していたが、それ以外の年ではマテバシイの更新の可能性は無いか極めて低く、種子捕食者としての役割の方が大きいということが明らかになった。これらの結果は、遺伝実験によって、また長期的な調査研究によって得られ、野ネズミの貯食活動の森林更新に対する貢献度を総合的に検討するに当たって非常に重要な結果であると言える。

また、スギ人工林と広葉樹林両方を利用する野ネズミの行動圏は、一方の林相を利用する野ネズミの行動圏よりも広く、このような個体によって広葉樹林からスギ人工林内へ堅果が持ち運ばれることが示唆された。また、個体間で行動圏が重複している例もみられた。このように重複している部分では、貯食者以外による貯食の盗難が起こっていることが確認された。また、貯食の盗難が起こる時、堅果は餌場からより遠くへ運搬されることも明らかになっている。したがって、このように広い行動圏内での貯食の繰り返しや、行動圏が重複する部分での盗難の発生によって、堅果はリレー方式で複数個体によって運搬され、母樹からの長距離分散が起こりうるということが示唆された。本研究により、野ネズミの種子散布者としての貢献度や、その実態をより明確にすることが出来た。このような結果は、我が国の森林管理を行う際の重要な情報となりうると考えられる。今年度予定していた貯食活動についてのより詳細な調査が出来、生命表などの作製も完了することが出来、ほぼ予定通りの研究内容となったため。今後は、野ネズミによる貯食活動のより細かい部分について調査・研究する必要があると考えられる。たとえば、野ネズミの行動圏と貯食活動の関係などを野外調査により明らかにすることによって、野ネズミが自然条件下でどのくらいの範囲を行動、活用するのかを明らかにすることは、我が国の今後の森林施業を考える上で非常に重要な情報となりうるだろう。また、ヒメネズミの貯食活動を明らかにすることも必要であり、ヒメネズミについての調査を進めることで、日本に広く分布している野ネズミの代表種である、彼らの種子散布者としての役割を考察することが重要である。
ユビキチンサイクルが支配するがん細胞の増殖と染色体不安定化

目的:がん細胞の特性である異常増殖を細胞周期の面で捉え、その制御に関わるユビキチンの代謝サイクルの役割を関連遺伝子の温度感受性変異株を用いて分子遺伝子、生化学の手法により明かにする。1.DNA複製および修復に関わるE2分子種の同定とクローン化を、非許容温度下、E1の変異に起因してユビキチンを受け取れなくなることを指標に、紫外線高感受性を示すE1変異株ts85、tsFT5、tsFS20について行った。2.E1の細胞周期上の発現はmRNA、蛋白質の両レベルで構成的であるが、細胞周期の各期に要求されるE1活性のレベルは各々異なるので、翻訳後修飾による活性調節としてリン酸化を検討した。E1上の特定位置のセリン残基が細胞周期M期に依存してリン酸化され、そのリン酸化はcdc2キナーゼによることをin vitro、in vivo両方で証明した。3.ts85は制限温度下G2期に停止するが、その際、核小体が異常形態を示すことを発見した。すなわち、核小体の中心部に間隙領域ができるが、電子顕微鏡観察によってこの間隙領域には均一サイズの粒子(直径約70nm)が星雲状に存在した。この粒子の実体を明かにすべく解析を進行中であるが、熱応答蛋白質HSP70の関与が蛍光免疫染色によって示唆された。また、G2期停止ts85細胞を許容温度に戻してM期まで進ませ、染色体をギムザ染色したところ、核小体の解離が不完全であることを示す染色体異常が認められ、銀染色、およびrDNAをプローブに用いたFISH及びセントロメア由来の反復配列DNAをプローブにしたFISHで核小体の異常に起因することを確認した。
均一系触媒を用いるアルケンの新規アシル化反応-芳香族ケトンの高効率合成

交付申請書に記した計画に従って、まず各種配位子とクロロシクロオクタジエンロジウムからロジウム錯体を調製し、それらを触媒に用いてスチレンの無水安息香酸と分子状水素によるヒドロベンゾイル化反応について系統的に検討した。その結果、目的生成物であるケトンの収率は、錯体の配位子の種類とロジウムに対する比、副生する安息香酸のトラップのための塩基の種類、および反応温度に大きく依存することがわかった。配位子としては、トリフェニルホスファイト等の芳香族ホスファイトが適しており、ロジウムに対して2当量用いた場合に反応速度の極大が見られた。また、塩基としては、ジイソプロピルエチルアミンのような嵩高い3級アミンが適しており、温度は60-70°C程度で最大収率が得られた。これまでに得られた最適条件では、40mol/mol・h^<-1>の触媒効率が達成された。なお、水素の圧力は、常圧で充分であった。次いで、無水安息香酸あるいはスチレンのベンゼン環に置換基を導入した基質を用いて反応を行ったところ、無置換の基質の最適条件で効率よく反応が進行し、いずれの場合もイソ体優先的にケトン生成物を与えた。スチレンに代えて脂肪族アルケンを用いて反応を行った場合には、生成物収率は低下するものの、反応の進行が認められた。また、反応機構に関する知見を得る目的で、水素に代えて重水素を用いて無水安息香酸とスチレンの反応を行ったところ、生成物のみならず、回収したスチレンのαおよびβ両炭素に重水素の導入が見られ、反応の初期段階でのスチレンと触媒活性種であるヒドリドロジウム錯体との反応が可逆であることが示唆された。
木材腐朽のリグニン分解性ペルオキシダーゼを用いる新規ポリマー合成法の開発

まず、Bjerkandera adustaの生産するマンガンペルオキシダーゼ(MnP)を用いる重合反応についての検討を行った。MnPを用いることによりグアイアコールを基本単位とするポリマーが生産された。IRおよびNMR分析により、ポリマーにおいては、基質に比べて水酸基が減少するが、エーテル結合、ビフェニル結合およびキノン構造が増加することが認められた。また、MULDI-TOF-MSを用いることにより、生産されたポリマーは基本構造がグアイアコールであること、分子量が約3200付近であることが明らかになった。さらに、熱分析の結果、明確な融点やガラス遷移点を有しないことが示された。また、グアイアコール以外のフェノール性物質および芳香族アミンも重合反応を受け、ポリマーを生成した。さらに、ビニル化合物であるアクリルアミドからもポリマーが得られることが分かった。重合反応の過程において、カーボンセンターラジカルの生成が認められ、また、NMR分析によりポリマー中のアミドの立体的構造がアタクティックな構造をとることが示された。一方、担子菌Coriolus versicolorやPycnooporus coccineus生産するラッカーゼを用いてフェノールからゲル状のポリマーを得た。この反応は50%ジオキサンアセトン中でも起こった。また、0-クレゾール、0-あるいはp-メトキシフェノール、p-フェニルフェノールなどの重合反応を認めた。また、得られたポリマーについても熱分析を行った。一方、横型回転式固体培養装置を用いるラッカーゼの大量調製を試みた。さらに、木質材料(マカンバ木粉)をクレゾール系溶媒で可溶化した。得られたポリマーはノボラック樹脂に近い物性を示し、成型加工した。西洋わさびペルオキシダーゼ(HRP)、担子菌Bjerkandera adustaの生産するマンガン(II)ベルオキシダーゼ(MnP)およびCoriorus versicolorの生産するラッカーゼを用いる各種のフェノール性化合物の重合反応を試みた。得られたポリマーは、メタノール不溶性画分あるいはジメチルスルフォキサイド(DMF)不溶性画分として分離した。まず、HRPはジオキサンを含む緩衝液中でグアイアコールから高い収率でDMF不溶性のポリマーを合成した。反応はアセトン、アセトニトリルなど水可溶性溶媒中においても進行し、各種のフェノール性物質から重合体がえられた。ついで、MnPを用いてポリマーの合成を試みた。グアイアコールを基質とした場合、アセトン中での反応により最も高いポリマー収率が得られた。GPCによる重量平均分子量は約30000であった。^<13>C-NMRにより、ポリマー中にはビフェニル結合のほか、エーテル結合も形成されていることが示された。このことは熱分解GC-MSによっても確認された。また、TOF-MALDI分析により、分子量がGPC分析によるよりも低いことが示された。さらに、得られたポリマーのTGA分析を行った。また、ラッカーゼによってもフェノール性化合物から重合体が得られた。一方、重合反応に用いる酵素の大量調製を行うための各種リアクターについても検討を行い、横型回転式固体培養法により、C.versicolorのラッカーゼを高収量で生産する条件を設定した。