hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
昆虫中枢神経系のリモデリング過程におけるホルモン制御機構の解明

変態期にリモデリングを行うTv neuronを材料に、それが脱皮ホルモンシグナルによっていかに支配されているか検証するために、Tv neuron特異的にEcRのアイソフォームを過剰発現させて、軸索および樹状突起の縮退および再成長に与える影響を観察した。さらにTv neuron特異的に脱皮ホルモンシグナルを遮断するため、EcRのリガンド結合領域に変異の入ったドミナント・ネガティブ体を発現させた。これらの結果から、1)軸索および樹状突起の縮退はリガンド非依存的にBアイソフォームによって引き起こされる。Aアイソフォームの寄与は認められなかった。2)軸索および樹状突起の再成長にはリガンド依存的なEcR分子の機能が必要であった。また軸索のgrowth coneのリモデリングにはリガンド結合能そのものが必要であった。Aアイソフォームの過剰発現は再成長を遅延させた。エクジステロイドを修飾して不活化する酵素EGT(Ecdysteroid UDP-Glucose Transferase)をTv neuron特異的に発現させて、脱皮ホルモンシグナルを全てシャットダウンすることをUAS-EGT系統を作製して試みたが、分泌型では明らかにホルモンタイター低下によるシステミックな影響が見られるのに対し、細胞内局在型を使った細胞特異的発現ではTv neuronのみならず、engrailedやtubulinドライバーを用いた場合も、顕著な表現型を得ることが出来なかった。アイソフォーム特異的な機能の関与が示唆されているキイロショウジョウバエのTv neuronという神経細胞のリモデリング過程を材料に、遺伝学および逆遺伝学的アプローチをおこなう。本年度は実際にTv neuronのリモデリングが脱皮ホルモンシグナルによって支配されているか否かをより直接的に検証するために、Tv neuron特異的にエクジステロイドを修飾して不活化する酵素を発現させて、脱皮ホルモンシグナルを全てシャットダウンすることを試みた。バキュロウイルスの持つEGT(Ecdysteroid UDP-Glucose Transferase)遺伝子をカイコ核多角体病ウイルスのゲノムDNAを鋳型にPCR法により増幅し、クローン化し、当該遺伝子産物にはN末端に分泌シグナル配列が存在するため、その部分をコードするDNA配列を除き、産物が細胞質内にとどまるようデザインした。Pエレメントベクターを用いてUAS-EGTを導入された形質転換ショウジョウバエ系統を作出した。現在系統のホモ化および実験計画上有用な系統の選抜を行つている。また、形質転換ベクターにはpUASTを用いた。
有機栽培土壌における銅・亜鉛の過剰蓄積と抗生物質耐性菌の食料・環境影響

食の安全と環境負荷の低減を目指した有機農業栽培には,農作物の生産性を高めるため,土壌へ家畜ふん堆肥が積極的に施用されている。肥料価格の高騰や資源循環利用の観点から,家畜ふん堆肥の利用が今後さらに増加することが考えられる.家畜ふん堆肥のなかでも,豚のふん尿を堆肥化した豚ぷん堆肥には,銅(Cu)・亜鉛(Zn)といった元素が高濃度に含まれている.そのため,豚ぷん堆肥を長期にわたって農地に施用し続けることで,これらの元素が土壌中に蓄積し,作物への過剰害,地下水・河川への流出量増加による富栄養化など,農業生産や周辺環境の悪化を引き起こすことが懸念される.今年度は、豚ふん堆肥を連用した試験圃場に含まれる銅に関して、逐次抽出法や分光分析を用いて化学形態を明らかにした。豚ぷん施用区の土壌では,過酸化水素と酢酸で抽出される銅が最も多く、連用開始から23年間で4.4倍に増加した。この抽出分画は、過酸化水素によって有機物が分解されることから、銅が土壌中の腐植と結合していることを示唆している。X線分光分析の結果、土壌試料中のCuの一つにCu(CH3COO)2が同定されたことから、逐次抽出法の結果と一致していることが示された。施用した豚ふん肥料に含まれている銅の主要な化学形態としては、Cu(CH3COO)2が同定された。これらの結果は、豚ぷん堆肥の連用によって蓄積したCuは,土壌の腐植物質と錯体形成して結合している形態として蓄積していることが示唆された。食の安全と環境負荷の低減を目指した有機農業栽培には,農作物の生産性を高めるため,土壌へ家畜ふん堆肥が積極的に施用されている.家畜の飼料には成長促進や耐病性向上を目的として銅・亜鉛・抗生物質が添加されており,家畜ふん堆肥の長期的施用によってこれらの物質が土壌および作物可食部に蓄積することが指摘されている.家畜ふんの中でも,特に豚ぷんによる寄与が大きいことが知られている.本研究の目的は,銅・亜鉛の蓄積状況・生物利用・移動性の観点から,有機栽培圃場における食料・環境影響についての評価を目指すことである.27年度は,豚ぷん堆肥に含まれるCuおよびZnの濃度を明らかにするとともに,逐次抽出法を用いて堆肥中のこれら元素の溶解性を明らかにした.豚ぷん堆肥に含まれるCuおよびZnの全濃度はそれぞれ328,1296 mg kg-1であった.CuとZnの多くは,H2O画分(Cu 31%,Zn 12%)およびHNO3画分(Cu 31%,Zn 60%)に存在した.水溶性のCuおよびZnは特に溶解性が高いことから,土壌ならびに水域への影響が懸念された.豚ぷん堆肥の銅および亜鉛の濃度ならびに化学分画を実施し,豚ぷんが施用された土壌についても実験を開始している.肥料価格の高騰や資源循環利用の観点から,家畜ふん堆肥の利用が今後さらに増加することが考えられる.家畜ふん堆肥のなかでも,豚のふん尿を堆肥化した豚ぷん堆肥には,リン(P)・銅(Cu)・亜鉛(Zn)といった元素が高濃度に含まれている.そのため,豚ぷん堆肥を長期にわたって農地に施用し続けることで,これらの元素が土壌中に蓄積し,作物への過剰害,地下水・河川への流出量増加による富栄養化など,農業生産や周辺環境の悪化を引き起こすことが懸念される.本研究では23年間の連用試験土壌について,豚ぷん堆肥の連用が土壌の化学性およびP・Cu・Znの濃度と化学形態を明らかにすることを目的とした.豚ぷん堆肥の連用は,土壌のpHおよび層状ケイ酸塩鉱物やAl/Fe(水)酸化物の組成を変化させることで,P・Cu・Znの蓄積形態に大きく影響を及ぼした.豚ぷん堆肥の連用によって土壌に蓄積したPの大部分は,無機態(Pi)であり,特にNH4Fによって抽出される形態(土壌中のAlと結合),およびHClによって抽出される形態(Caと結合),連用開始前と比べて1.5-4.5倍に増加した.豚ぷん堆肥の連用は,土壌中のmica様層状ケイ酸塩鉱物,ならびに非晶質のAl/Fe(水)酸化物を増加させたことから,これらの新規に生成した二次鉱物が新たなPの吸着サイトとして寄与している可能性がある.豚ぷん堆肥の連用によって,Znは酢酸によって抽出される形態(層状ケイ酸塩・酸化物と結合)が約4.0-7.8倍に増加した.Znの化学形態は堆肥の施用量によって顕著に異なり,標準量を施用した土壌では層状ケイ酸塩およびAl(水)酸化物に吸着したZn,3倍量を施用した土壌ではZnCO3およびZn3(PO4)2が主要な形態であった.土壌の亜鉛の化学形態が詳細に明らかにされつつあるため.土壌から水域への元素の流出や植物根近傍への元素の移動には、土壌中の水分散性コロイド(WDC)が大きく寄与している。本研究では、豚ぷん堆肥を連用した土壌に含まれるコロイド粒子を超遠心操作によって分画し、これらについてリンと亜鉛の化学形態を土壌全体の性質と比較して明らかにすることを目的とした。

化学肥料および豚ふん堆肥を23年間連用した試験圃場(近中四農研(当時)、京都)の化成肥料標準量区(化肥区)、豚ぷん堆肥標準量区(豚ぷん区)、同3倍量区(豚3倍区)の土壌、ならびに豚ふん堆肥からコロイド粒子を分散・超遠心操作によって分画した。この試料をX線吸収分光法等で分析して、リン等の化学形態を明らかにした。豚ぷん区および豚3倍区の土壌全体(< 2 mm)におけるPの化学形態は、主にFe(水)酸化物に結合した形態(Fe-P : 81-89%)とCa鉱物に結合した形態(Ca-P : 11-19%)であった。豚3倍区は豚ぷん区に比べてCa-Pの割合が高く、施用した豚ぷん堆肥にもCa-P(41%)が高い割合で含まれていたことから、豚ぷん堆肥の連用によって、堆肥に含まれるCa-Pが土壌中に蓄積したと考えられる。これらの土壌から分画したコロイド粒子に含まれるPの化学形態は、豚ぷん区ではFe-P(100%)、豚3倍区ではFe-P(89%)およびCa-P(11%)が主要な形態であった。豚3倍区の土壌全体(< 2 mm)におけるZnの化学形態は、層状ケイ酸塩の一種であるkaoliniteに結合した形態(Zn-kaolinite : 65%)とZn3(PO4)2(35%)であった。当初予定していた実験内容の実施が遅延したことによる。具体的には試料の再分析や検証の必要性が生じたためである。食の安全と環境負荷の低減を目指した有機農業栽培には,農作物の生産性を高めるため,土壌へ家畜ふん堆肥が積極的に施用されている。肥料価格の高騰や資源循環利用の観点から,家畜ふん堆肥の利用が今後さらに増加することが考えられる.家畜ふん堆肥のなかでも,豚のふん尿を堆肥化した豚ぷん堆肥には,銅(Cu)・亜鉛(Zn)といった元素が高濃度に含まれている.そのため,豚ぷん堆肥を長期にわたって農地に施用し続けることで,これらの元素が土壌中に蓄積し,作物への過剰害,地下水・河川への流出量増加による富栄養化など,農業生産や周辺環境の悪化を引き起こすことが懸念される.今年度は、豚ふん堆肥を連用した試験圃場に含まれる銅に関して、逐次抽出法や分光分析を用いて化学形態を明らかにした。豚ぷん施用区の土壌では,過酸化水素と酢酸で抽出される銅が最も多く、連用開始から23年間で4.4倍に増加した。この抽出分画は、過酸化水素によって有機物が分解されることから、銅が土壌中の腐植と結合していることを示唆している。X線分光分析の結果、土壌試料中のCuの一つにCu(CH3COO)2が同定されたことから、逐次抽出法の結果と一致していることが示された。施用した豚ふん肥料に含まれている銅の主要な化学形態としては、Cu(CH3COO)2が同定された。これらの結果は、豚ぷん堆肥の連用によって蓄積したCuは,土壌の腐植物質と錯体形成して結合している形態として蓄積していることが示唆された。豚ぷんが施用された土壌について,亜鉛を中心に化学形態の分析やコロイド粒子に存在する亜鉛の濃度等を明らかにしていく.土壌中の水分散性コロイドのリンと亜鉛の濃度や化学形態について検討する.試料の化学分析を実施を随時実施して、結果の検証を進める。実験に要する試薬類ならびにフィルター類など効率的に使用したため繰越金ができた実験に使用する試薬類を効率的に使用することができたため.再実験が必要になり、環境試料の分析が遅延したことによって次年度への繰り越しが生じた。資料の化学分析費、試薬等の消耗品等に使用する。次年度では,豚ぷんが施用された土壌について,亜鉛を中心に化学形態の分析やコロイド粒子に存在する亜鉛の濃度等を明らかにしていく.このため,亜鉛の分析ならびにコロイド分画に必要なフィルター類ならびに分析に必要なガス類の支出を計画している.学内の共通機器を利用して土壌の元素分析を進めるため,一部はその使用料金に充てる.
抗腫瘍細胞活性を有す海洋無脊椎動物レクチンの分子細胞生物学

海棲無脊椎動物由来のガラクトシド結合性レクチンの役割を明らかにする目的から、軟体動物二枚貝ムラサキイガイと環形動物イソゴカイから得たレクチンに対する抗体を作り、組織内の局在を免疫組織化学的に明らかにした。ムラサキイガイレクチンは、鰓や外套膜で高いシグナルを示すことが判明した。これは2016年に報じた、微生物の暴露によりMytiLecのmRNAが鰓や外套膜で高く転写される結果を支持した。イソゴカイから得たレクチンは、表皮と腸に高いシグナルを有することが判明した。それぞれの組織を部位別に分け、ハプテン糖を含む緩衝液で溶出した上清を電気泳動し、それぞれの抗レクチン抗体を用いて検出すると、どちらのレクチンも、組織の細胞が有するガラクトース糖鎖に結合して存在していることが認められた。これにより海棲無脊椎動物レクチンは、その存在様式として、リガンド糖鎖に結合せず遊離状態で存在するもの(カイメンレクチン、ウニ卵レクチン、ウミシダレクチン)と、リガンドに結合して存在するもの(ムラサキイガイレクチン、イソゴカイレクチン、スガイレクチン)に分類できることが判明した。糖鎖アレイを用い、ムラサキイガイレクチンはαガラクトースに、イソゴカイレクチンはβガラクトースに特異的に結合することが判明した。エラと外套膜から得られた抽出残渣を有機溶媒で抽出し、薄層クロマトグラフィー(TLC)を用いてムラサキイガイの糖脂質を分離できた。その中にはガラクトースを含む中性糖鎖を持つスフィンゴ糖脂質が存在することの示唆が、抗体を用いた解析から得られた。その後、TLCにより分離した糖脂質を疎水性膜に転写するファーイースタンブロッティングの手法を改良した。そして標識レクチンや抗体を用いた検出技術の向上を行ない、ムラサキイガイの組織中に含まれる、レクチンの内在性リガンド糖脂質の同定を継続している。29年度が最終年度であるため、記入しない。ウニ卵から精製した、αガラクトシド結合性レクチンSUELの一次構造からPHYRE2サーバーで立体構造予測を行った。3つのαヘリックスと5つのβシート構造を持ち、ヒト脳における女郎蜘蛛由来ラトロトキシン神経毒の受容体、ラトロフィリンと似たフォールデングが認められた。未受精卵において細胞内にアモルファスに存在したSUELは、受精と共に卵膜直下に移動、原腸胚期では、原腸と上皮に局在したがプルテウス幼生期に発生が進むにつれて消失した。この観察からSUELは発生初期に働き、特に食物の通過する消化管における自然免疫に働くと考えた。SUELファミリーに属す魚卵レクチンSALはGb3糖鎖への結合を認め、この糖鎖を細胞表面に持つリンパ腫細胞Rajiに加えると、細胞内情報伝達活性化を経て、細胞表面の多剤耐性タンパク質の発現が抑制された。SUELファミリーにはウニの自然免疫からがん細胞の情報伝達活性化とタンパク質発現制御を起こす高いポテンシャルを持つと推察された。SUELファミリーと同様にαガラクトシド・Gb3に結合するが、全く新規なR型レクチン、MytiLec-1を軟体動物ムラサキイガイから精製した。40%のアミノ酸を置換し、3サブドメインが相同するアミノ酸配列からなる単量体型人工MytiLec-1の腫瘍細胞に対する作用を調べた。蛍光標識した人工型をRaji細胞へ投与した実験から、人工型は細胞表面に結合し、メリビオース共存下では結合は抑制された。立体構造研究から、天然型は149アミノ酸からなるポリペプチド鎖のサブユニットが非共有結合した2量体で、サブユニット内の3箇所の糖鎖結合性部位には、全て糖が結合した。天然型はRaji細胞を凝集し、細胞死を引き起こしたが、人工型はいずれも起こさなかった。この結果、サブユニット中に複数の糖鎖と結合する部位が存在しても、MytiLec-1が細胞凝集と細胞死を起こすには、二量体構造を取ることが必須であることを明らかにした。海洋無脊椎動物由来のレクチンは、それを産生する生物の種の多様性、遺伝子の多様性を反映して、陸上生物のレクチンに無い、多様な糖鎖構造を認識する性質を有する。海洋無脊椎動物レクチンの特徴を活かし、ヒト腫瘍細胞の壊死因子としての活性と、無脊椎動物体内での役割の両方の視点から研究している。その成果として、本年度は査読のある学術書の分担章を筆頭著者として執筆できたこと、タンパク質工学的に作り出した人工レクチンの腫瘍細胞に対する活性を明らかにしたこと、二枚貝と環形動物から発見した、互いに全く異なるアミノ酸配列を持つR-型レクチンの組織内局在性を明らかにする研究に取り組み、何れのR-型レクチンも、外来物と接触の多い器官での高い発現を認めた。これらの研究結果から、当初の計画以上の進展が見られたと評価している。

それぞれの組織を部位別に分け、ハプテン糖を含む緩衝液で溶出した上清を電気泳動し、それぞれの抗レクチン抗体を用いて検出すると、どちらのレクチンも、組織の細胞が有するガラクトース糖鎖に結合して存在していることが認められた。これにより海棲無脊椎動物レクチンは、その存在様式として、リガンド糖鎖に結合せず遊離状態で存在するもの(カイメンレクチン、ウニ卵レクチン、ウミシダレクチン)と、リガンドに結合して存在するもの(ムラサキイガイレクチン、イソゴカイレクチン、スガイレクチン)に分類できることが判明した。糖鎖アレイを用い、ムラサキイガイレクチンはαガラクトースに、イソゴカイレクチンはβガラクトースに特異的に結合することが判明した。エラと外套膜から得られた抽出残渣を有機溶媒で抽出し、薄層クロマトグラフィー(TLC)を用いてムラサキイガイの糖脂質を分離できた。その中にはガラクトースを含む中性糖鎖を持つスフィンゴ糖脂質が存在することの示唆が、抗体を用いた解析から得られた。その後、TLCにより分離した糖脂質を疎水性膜に転写するファーイースタンブロッティングの手法を改良した。そして標識レクチンや抗体を用いた検出技術の向上を行ない、ムラサキイガイの組織中に含まれる、レクチンの内在性リガンド糖脂質の同定を継続している。海洋無脊椎動物体内におけるレクチンの作用を推察するため、ヒト腫瘍細胞に対し抗腫瘍活性を示したMytiLec-1に代表される海洋無脊椎動物R-型レクチンは、無脊椎動物体内でどういう局在性を有しているかを免疫組織化学的に調べた。ムラサキイガイ由来MytiLec-1、イシイソゴカイ由来PnLはいずれもR-型(植物毒素リシンB鎖様立体)構造を持つレクチンで、それらを大量に精製して、免疫し抗血清を得た。ムラサキイガイとイシイソゴカイの凍結組織切片を得て、それぞれのレクチンの局在性、その他糖鎖の局在性を調べている。29年度が最終年度であるため、記入しない。
摂食亢進物質オレキシンのカテコールアミン生合成・遊離に及ぼす影響

Orphan receptorに対する内因性リガンドとして1998年に発見されたオレキシン(AとB)は、視床下部外及び後側野等に作用し摂食行動を亢進させることが知られている。その他、行動や覚醒レベルを亢進させ、また自律神経系や内分泌系への影響も報告されている。一方、生体内カテコールアミンは、中枢神経や末梢の交感神経及び副腎髄質で生合成され、熱産生、脂肪分解さらにエネルギー代謝等に重要な役割を演じている。そこで今回の研究では、中枢作用に加えて、オレキシンが末梢において交感神経モデル細胞といわれている副腎髄質細胞に作用し、ノルアドレナリンやアドレナリンのカテコールアミン生合成や分泌に影響を及ぼすかどうか、検討した。その結果、培養ウシ副腎髄質細胞においてオレキシン-Aを作用させると、(1)^<14>C-チロシンからの^<14>C-カテコールアミンの生合成を促進した。(2)オレキシン-A(1100pM)は細胞内チロシン水酸化酵素活性を増加させた。このオレキシン-Aの促進作用は、プロティンキナーゼCの阻害剤で抑制された。(3)オレキシン-Aはカテコールアミン遊離には影響しなかった。(4)RT-PCR法により副腎髄質におけるオレキシン受容体1mRNAが同定された。以上の結果より、生理的濃度のオレキシン-Aは副腎髄質細胞においてオレキシン受容体1-プロティンキナーゼC系を介して、チロシン水酸化酵素を活性化し、カテコールアミン生合成を促進していることが明らかとなった。今回得られたオレキシン-Aのカテコールアミン生合成の促進作用は、オレキシンの脂肪分解やエネルギー代謝への関与の可能性を示唆し、小児肥満などの栄養障害におけるエネルギー代謝を考察する上で重要であり、今後の研究の発展が期待される。脳内の摂食亢進因子として1998年に同定された新しい神経ペプチドであるオレキシンのカテコールアミン生合成、遊離に及ぼす影響について検討した。今回の研究のもう1つの目的は、カテコールアミン産生細胞の代表である副腎髄質細胞に対するオレキシンの作用を通して、末梢組織におけるオレキシンの生理的意義の一端を明らかにすることである。本年度の研究において、筆者らは培養ウシ副腎髄質細胞を用いてオレキシンAを作用させると、(1)^<14>C-チロシンからの^<14>C-カテコールアミンの生合成は促進したが、^<14>C-DOPAからの生合成には影響を与えなかった。(2)オレキシンAは細胞内チロシン水酸化酵素活性を濃度依存的(1100pM)に増加させた。(3)オレキシンAは副腎髄質細胞からのカテコールアミン遊離には影響しなかった。以上の結果より、オレキシンAは生理的濃度において副腎髄質細胞でのカテコールアミン生合成を促進した。この促進はカテコールアミン生合成の律速酵素であるチロシン水酸化酵素の活性化である事が明らかとなった。今後は、オレキシンの副腎髄質細胞での受容体を同定し、その細胞内シグナル伝達系についても検討する予定である。視床下部外及び後側野に主として分布するオレキシンは、1998年に摂食亢進ペプチドとして発見された後、その他多くの生理機能や覚醒行動にも影響していることが明らかになってきた。

今回の実験では、オレキシンの中枢神経系以外の作用として、末梢の自律神経特に交感神経系や副腎髄質でのカテコールアミン生合成や遊離に及ぼす影響について検討した。昨年度までの研究結果から、(1)オレキシン-Aは副腎髄質細胞でのカテコールアミン生合成を促進し、その作用点として律速酵素のチロシン水酸化酵素の活性化によるものであること、一方、(2)カテコールアミン遊離には影響しないことが判明した。本年度の研究では、オレキシン-Aの副腎髄質細胞での受容体を同定し、その細胞内シグナル伝達系について検討した。まず、(1)RT-PCR法により副腎髄質細胞におけるオレキシン受容体mRNAの発現を検討した結果、オレキシン受容体1は存在したがオレキシン受容体2のmRNAは確認できなかった。(2)オレキシン-Aのカテコールアミン生合成やチロシン水酸化酵素活性の増加には、少なくともプロティンキナーゼCが関与している可能性が示唆された。以上の結果より、オレキシンは副腎髄質細胞においてオレキシン受容体1-プロティンキナーゼC系を介して、チロシン水酸化酵素を活性化し、カテコールアミン生合成を促進していることが明らかとなった。このオレキシンのカテコールアミン生合成系への影響からオレキシンの脂肪分解やエネルギー代謝への作用について小児肥満や神経性食欲不振症などの栄養障害におけるオレキシンの生理、病理的意義について考察した。
マウス乳がん細胞FM3A高転移性variantsのヒアルロン酸合成

われわれは、マウス乳がん細胞FM3Aから分離した肺への転移能の異なる細胞variantsの細胞表面成分を比較分析した所、転移能とヒアルロン酸合成能との密接な関係を見い出した。本研究は、この結果をもとに、高転移能variantsの高ヒアルロン酸合成活性を人為的に低下させ転移の抑制が可能かを問うこと、その為にまずヒアルロン酸の生合成速度を制御している細胞内因子の徹底した解析を目標にした。ヒアルロン酸合成亢進の一因として、合成開始因子としてのヒアルロン酸"コア蛋白質"の合成増加が考えられる。われわれは、マウス真皮繊維芽細胞の培養系にcyclic AMPを投与するとヒアルロン酸合成は数倍に促進され、それにつれて量が増加するヒアルロン酸に固く結合した分子量86Kの蛋白質の存在を見い出した。この分子に対する特異抗体を作製し、この抗体を用いてイムノブロッティング法、螢光染色法によりFM3Avariants間で86K蛋白質の存在を調べた所、転移能とヒアルロン酸合成能と86K蛋白質存在量の三者の間によい相関を認めた。然しながら、細胞に蛋白質の放射能トレーサーを与えて86K蛋白質の合成活性を調べたが、FM3Avariantsのいずれも、またマウス繊維芽細胞を用いてもこの分子は放射能で標識されなかった。つまりこの分子は細胞自からが合成する成分ではないと思われた。生化学的免疫学的に由来を探ると、培養に用いた牛血清中にこの分子の存在を認めた。従って血清からの外来の因子によるヒアルロン酸合成が制御される可能性が出てきた。螢光染色像でみる限り86K蛋白質は細胞表面上に散在したから、予期した"コア蛋白質"として作用するならば、表面から細胞内へ取り込まれ、合成開始因子となる経路が考えられる。現在この経路を証明すべく、【^(125)I】で標識した86K蛋白質を調製し細胞への取り込みとその時のヒアルロン酸合成活性との対応を検討している。備品として購入した微量高速遠心機は、これらの解析に有効に使用された。
パーキンソン病遺伝子ＰＩＮＫ１の分解酵素ＰＡＲＬによるミトコンドリア品質管理

ミトコンドリア機能低下は孤発性および家族性パーキンソン病の特徴の一つである。本研究では、家族性パーキンソン病原因遺伝子PINK1欠損によるミトコンドリア機能低下の詳細な解析を行った。その結果、呼吸鎖複合体のComplex I活性低下などを明らかにした。一方、新たなパーキンソン病原因遺伝子としてCHCHD2が報告された。本研究では、CHCHD2遺伝子産物がミトコンドリア膜間腔に局在することを明らかにした。CHCHD2 (Coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain containing 2)は、新規に報告された常染色体優性遺伝性のパーキンソン病原因遺伝子である。その遺伝子産物の機能は不明であるが、N末端にミトコンドリア移行シグナルと推定される配列が存在した。そこで本研究では、ヒト神経芽細胞腫SN-K-SHの細胞分画を行い、Western blotting法により細胞内局在を調べた。その結果、CHCHD2はミトコンドリア画分に存在していることを明らかにした。また細胞蛍光染色法によっても、CHCHD2がミトコンドリアに局在していることを認めた。さらにミトコンドリア内の局在を明らかにするため、SN-K-SH細胞から単離したミトコンドリアをトリプシン処理し、Western blotting法によりミトコンドリア局在の各マーカータンパク質と分解程度を比較した。その結果、CHCHD2はミトコンドリア外膜と内膜との間、つまり膜間腔に局在していることが判明した。今後、CHCHD2のミトコンドリア内における機能を調べることで、パーキンソン病発症機序の一端を明らかにする。生化学当初ターゲットにしていたPARLに関してはあまり進展がなかったが、他の因子がミトコンドリア機能不全に関与していると考えられることが明らかとなりつつあるため。計画段階では予想できなかった問題が生じ、解決に時間を要したため。当初の予定にこだわらず、パーキンソン病におけるミトコンドリア機能不全に関与していると考えられる因子の解析を進める。当初の計画で未実施の部分を中心に行う。申請時は科研費で支払う予定だった国際学会DynaMito2013(沖縄県)の旅費を、所属機関から支給される旅費で支払ったため。主に実験を行うために必要な消耗品の購入に使用する。
ニジマスの免疫応答に及ぼす飼料中亜鉛の影響

魚体内における利用性が問題とされている亜鉛(Zn)に着目し、ニジマスの抗病性とZnとの関連について検討するために、Znの添加量(0,20,40mg/kg)を調整した魚粉飼料を作製し、ニジマス稚魚(平均体重6g)を長期間飼育した。飼育20週目までには、増重、飼料効率等には各区の間で明らかな差は認められなかった。25週目より、Zn無添加飼料および20mg/kg添加飼料区で、Znの外観的な欠乏症である短躯症が認められた。20週目より、臨床的な検査を開始した。アルカリフォスファターゼ活性はZn無添加飼料区において低下した。Zn無添加飼料区では85IU/Lであるのに対し、40mg/kg添加区では111IU/Lとなり、Zn欠乏によりアルカリフォスファターゼ活性が弱くなったのではないかと推察された。ニジマスの頭腎細胞由来のナチュラルキラー活性には、Znが必要であると認められた。また、白血球中の細胞障害能は、40mg/kg Zn添加飼料区に比較し、無添加飼料区では約3倍高い値であった。組織学的な検査により、Zn無添加区では胸腺の萎縮が観察された。さらに、上皮網様体が傷ついており、胸腺細胞の数も少なくなっていた。ニジマスの補体活性については外見的なZn欠乏症の発現が遅れたためまだ測定していないが、早急に測定する予定である。以上、本実験では、飼料へのZn添加量の差により、成長のみならず、アルカリフォスファターゼ活性、チナュラルキラー活性、細胞障害能に影響が現れた。このことより、飼料中のZnがニジマスの生体防御および抗病性に影響を及ぼすのではないかと推察された。
エンドソーム局在型ユビキチンE3リガーゼによる血管新生制御の分子機構

血管新生に必須な接着分子integrin β1の細胞内膜輸送経路を制御するCUL3型ユビキチンE3複合体足場タンパク質ANKFY1の基質タンパク質を同定するために、愛媛大学が保有するヒト2万リコンビナントタンパク質アレイに対してアルファスクリーン結合アッセイスクリーニングを実施した。その結果、ネガティブコントロールの10倍以上のシグナルを結合陽性とした所、結合陽性と判定できたタンパク質は同定されなかった。そこで次に、狙い撃ちで膜輸送関連分子群との結合アッセイをアルファスクリーンを用いて実施した。その結果、複数のANKFY1結合タンパク質の同定に成功することに成功した。当該ANKFY1結合タンパク質のうち、細胞内膜輸送に関与する分子に絞って、ヒト臍帯血静脈血管内皮細胞で解析を進めた。その結果、1つの分子に関して、その過剰発現によって、初期エンドソームの形態が異常になり、integrin β1の細胞内局在が異常になる事を見出した。当初の計画通り、ANKFY1の結合タンパク質同定に成功したため。2018年度に同定したANKFY1結合タンパク質が、実際にANKFY1依存的にユビキチン化を受けるかを、in vitro及び、細胞レベルでユビキチン化アッセイを行い、検証する。結合タンパク質探索に関しては、質量分析法を用いて更なる解析を進める。また、当該結合タンパク質の過剰発現、発現抑制によって、接着分子integrin β1の細胞内局在や血管新生に異常が生じるかを調べる。Ub化部位に関しては、質量分析を用いて同定を試みる。ANKFY1と当該結合タンパク質との結合を阻害する化合物探索のためのスクリーニング実施の準備を行う。具体的には、ハイスループットスクリーニングに耐えうるアルファスクリーンによる結合検出系の系を構築する。
地震力を受ける鉄筋コンクリート靭性骨組架構の限界変形点の定量化に関する基礎的研究

梁曲げ降伏型の鉄筋コンクリート造靭性骨組架構の倒壊余裕度を定量化するには、曲げ降伏する梁の限界変形点や大変形領域での耐力低下に関する精度の高い情報が必要となる。そこで計23体の曲げ降伏する片持ち梁を作製し、主筋量(0.932.06%)、コンクリート強度(2868MPa)、シアスパン比(36)、横補強筋比(0.262.35%)、横補強筋強度(350750MPa)を実験変数とし、これらを系統的に組み合わせ、耐力低下を確認するまで載荷する静的漸増振幅正負繰り返し載実験を行って,限界変形点や耐力低下点に及ぼす影響を調べる実験を実施した。さらに、耐力低下にいたる崩壊機構の同定や終局限界部材角ならびに、それらを推定するメカニズムを検証することができるよう、試験体の写真の画像処理により局所的変形の遷移を数値化したデータベースを作成した。併せてこれらの試験体と断面・配筋が共通な部材からなる十字形柱梁接合部部分架構4体の試験体を作成し、柱梁接合部の横補強量・柱梁強度比の組み合わせが架構の復元力特性における変形能力に及ぼす影響を確認する静的漸増振幅正負繰り返し載実験を行い、柱梁接合部の影響を検討した。今回実施した実験の範囲においては,シアスパン比と横補強筋量が終局限界部材角に影響を及ぼす主要な因子であり,主筋量、横補強筋強度とコンクリート強度は、限界変形に影響を及ぼさないことが確かめられた。Haseltonら(2008)の示した方法による終局限界部材角の推定値は耐震診断基準による評価や靭性保証型指針による評価より良い対応が得られ、建物全体の倒壊余裕度を定量化のための資料が得られた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。梁曲げ降伏型の鉄筋コンクリート造ラーメン架構は,梁端の安定した履歴エネルギー吸収により,設計地震力を超える大地震に対する倒壊余裕度を有する優れた構造形式である。しかし,建物全体の倒壊余裕度や使用限界点を定量化するには、曲げ降伏する梁の損傷の進展に対応した変形限界点や大変形領域での耐力低下に関する情報が必要であるが、それらに関する系統的な実験は少ない。そこで今年度は、準備として今後実験に用いることになる補強筋の材料強度の実験検討による確認と、基準試験体となる鉄筋コンクリート片持ち梁の試設計を行い、三体のパイロット試験体を作成した。また、これらの加力治具の設計および作成と、実際の加力試験を行い、試験体のスタブ形状が実験結果に影響を及ぼさないこと、試験体が想定した曲げ破壊を起こし、計測システムにより正しく強度や変形が測定できることの確認を行った。また、新たな計測方法として、表面のデジタル写真から画像処理アルゴリズムにより変形分布を精度よく求める方法を試行し、その適用性や有用性および誤差についての確認を行った。平成28年度においては、試験体の試設計とパイロット実験により実験方法の妥当性を確認するために、想定以上に時間を要したため、本実験のための試験体の設計と試験体の作成が平成28年度中に終了しない見込みとなった。そのため、研究費の一部を平成29年度に繰り越し申請して、平成29年度にそれらの実験を実施することとなった。しかし,建物全体の倒壊余裕度を定量化するには、曲げ降伏する梁の損傷の進展に対応した変形限界点や大変形領域での耐力低下に関する情報が必要であるが、それらに関する系統的な実験は少ない。そこで今年度は、昨年度実施したパイロット実験3体の実験に引き続いて、16体の曲げ降伏する片持ち梁を作製し、主筋量、コンクリート強度、シアスパン比、横補強筋量を実験変数とし、これらを系統的に組み合わせ、耐力低下を確認するまで載荷する静的漸増振幅正負繰り返し載実験を行って,限界変形点や耐力低下点に及ぼす影響を調べる基礎的な実験を実施した。今回の実験の範囲においては,横補強筋量は終局限界部材角をわずかに増大させる影響は見られたが,せん断スパン比,横補強筋降伏強度,コンクリート強度は、いずれも耐力低下時の限界変形に及ぼす影響がなかった。実験で得られた終局限界部材角は、耐震診断基準による評価は,実験結果を安全側に包含していたが,靭性保証型指針による評価値は,ほとんどが実験値を上回った。ACI369で示された方法により,各限界点と4折れ線で表される復元力特性を求め,実験結果と比較したところ、終局限界部材角も含めて比較的実験結果と良い対応が得られた。また、今年度は、終局限界部材角を推定するための耐力低下のメカニズムの定量的解明とモデルの開発にむけて、試験体の写真のイメージから大変形時の局所的変形の分布と大きさを数値化することを試み、精度よく変形場が計測可能であることを確かめ、12体の実験に適用して、局所的な変形データのデータベースが得られた。次年度に終局限界部材角の推定モデルの開発に取り組むための準備を整えることができた。実験が予定通り進み、期待した成果が得られているため。

そこで計23体の曲げ降伏する片持ち梁を作製し、主筋量(0.932.06%)、コンクリート強度(2868MPa)、シアスパン比(36)、横補強筋比(0.262.35%)、横補強筋強度(350750MPa)を実験変数とし、これらを系統的に組み合わせ、耐力低下を確認するまで載荷する静的漸増振幅正負繰り返し載実験を行って,限界変形点や耐力低下点に及ぼす影響を調べる実験を実施した。さらに、耐力低下にいたる崩壊機構の同定や終局限界部材角ならびに、それらを推定するメカニズムを検証することができるよう、試験体の写真の画像処理により局所的変形の遷移を数値化したデータベースを作成した。併せてこれらの試験体と断面・配筋が共通な部材からなる十字形柱梁接合部部分架構4体の試験体を作成し、柱梁接合部の横補強量・柱梁強度比の組み合わせが架構の復元力特性における変形能力に及ぼす影響を確認する静的漸増振幅正負繰り返し載実験を行い、柱梁接合部の影響を検討した。今回実施した実験の範囲においては,シアスパン比と横補強筋量が終局限界部材角に影響を及ぼす主要な因子であり,主筋量、横補強筋強度とコンクリート強度は、限界変形に影響を及ぼさないことが確かめられた。Haseltonら(2008)の示した方法による終局限界部材角の推定値は耐震診断基準による評価や靭性保証型指針による評価より良い対応が得られ、建物全体の倒壊余裕度を定量化のための資料が得られた。平成29年度には、繰り越した予算で梁の本実験の試験体の作成と実験を実施し、部材の終局変形限界と架構の限界変形の関係についての実験を行い、架構の倒壊余裕度と部材の終局限界変形の関係を明らかにする基礎データの収集を行うこととしている。次年度は最終年度であり、残りの予算で梁の追加実験と柱梁接合部の部分架構の実験を実施し、部材の終局変形限界と架構の限界変形の関係についての実験を行い、架構の倒壊余裕度と部材の終局限界変形の関係を明らかにする基礎データの収集を行うこととしている。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
液胞内における二次代謝化合物の糖修飾機構の解明

アントシアニン修飾に関わる液胞型アシル-グルコース依存型配糖化酵素について、単子葉植物のアガパンサスにおいて機能していること、またシロイヌナズナの紅葉においてアシル化されたアントシアニン分子の最終ステップの配糖化に機能していることを明らかにし、この配糖化反応が植物界に一般的であることを示した。またデルフィニウム萼片において、p-hydroxybenzyl-glucoseが液胞内において配糖化酵素およびアシル化酵素の基質として一物二役の役割を果たしていることからZwitter donorという新しい概念を呈示した。Acyl-glucose-dependent anthocyanin 5/7-O-glucosyltransferase(AA5/7GT)タンパク質の大腸菌における大量発現系を確立するために様々な条件検討を行なった。アミノ酸を置換しないように大腸菌のcodon usageに変えたAA5/7GT cDNAを合成し、これを大腸菌に導入したが、それでも大量発現できなかった。そこでピキア酵母での発現系を導入し、それに対応したコンストラクトを作成した。またシネラリア、アガパンサスの花弁からの粗タンパク質画分を調製し、アシル-グルコースを糖供与体としてアントシアニンの7位配糖化酵素活性を検出することに成功した。さらにアガパンサス花弁から抽出したmRNAを用いてRACE法によって7位配糖化酵素cDNAの全長をクローニングし、これを大腸菌で発現させ、7位配糖化酵素活性を有することを示した。この成果はアガパンサスという単子葉植物においてもAA7GTが存在していることを示したものであり、このAAGTは単子葉植物と双子葉植物が分かれて進化する前に、すでに存在していたことを示すものである。またアラビドプシスにおいて、今回見いだしたglycoside hydrolase family 1(GH1)の機能未知でAA5/7GTと同じクレードに属する機能未知の遺伝子が11個あることを明らかにし、各々についてT-DNA挿入がなされている変異体を手に入れて、これらのホモ化を進めた。そのうちの1つの変異体において、合成蓄積されているアントシアニン分子種プロファイルが野生型のそれと異なることを明らかにし、その遺伝子をクローニングし、その変異体に強制発現させるコンストラクトの導入を行い、その変異が相補されるかどうかを解析中である。またアラビドプシスのロゼッタ葉植物体を強光条件にすることでアントシアニン合成を誘導できる実験系を確立した。デルフィニウム萼片の粗抽出液において、acyl-glucose dependent anthocyanin 7-O-glucosyltransferase (AA7GT)によってアントシアニンの7位に結合したグルコース残基に、p-hydroxybezoyl-glucose (pHBG)がアシル基供与体となってacyl-glucose dependent acyltransferase (AGAT)によってp-hydroxybezoyl基が結合し、さらにそのアシル基にやはりpHBGがグルコース供与体となってacyl-glucose dependent anthocyanin glucosyltransferase (AAGT)によってグルコースが結合し、さらにそのグルコースの先にやはりpHBGがアシル基供与体となってAGATによってp-hydroxybezoic acid (pHBA)が結合して、グルコース3分子とpHBA 2分子が直鎖状に結合したvioldelphinが合成されることを見いだした。さらにそのAAGT cDNAをクローニングして得ることに成功し、大腸菌内でAAGTタンパク質を発現させ、その酵素活性の基質特異性などについて明らかにした。またAGATについては、候補となるcDNAを3種類得ることができたが、大腸菌内でそのタンパク質を発現させることはできなかった。しかし、最初のステップのAGAT活性が消失しているデルフィニウム変異体を見いだし、その変異体においては3種類のうちの1つのAGAT遺伝子の発現が消失していることが見いだされ、この遺伝子がAGATの責任遺伝子であることを明らかにした。これらのことから、pHBAは液胞内においてアシル基供与体およびグルコース供与体の2つの役割を果たすZwitter donorであることを明らかにした。さらにpHBGを合成するUDP-dependent glucosyltransferaseについても、その活性が著しく低下している別の変異体群を見いだし、その遺伝子cDNAの同定に成功した。シロイヌナズナにおいて、切断葉を強光下に置くことでアントシアニン合成を誘導できる系を確立した。そこでシロイヌナズナおけるacyl-glucose dependent glucosyltransferase (AAGT)候補遺伝子群であるAtBGLU遺伝子のノックダウン変異体について、その紅葉時のアントシアニン分子種の解析を行なったところ、AtBGLU10ホモ変異体において野生型が合成・蓄積しているアントシアニン分子の修飾末端のp-coumaroyl基の先のグルコースが欠失していることが明らかになった。そこでAtBGLU10ホモ変異体からこのアントシアニンを抽出・精製し、これを基質とし、アシル-グルコースを糖供与体として、野生型の紅葉から得た抽出液を用いて酵素反応を行なわせたところ、グルコースの付加が確認された。またAtBGLU10ホモ変異体にAtBGLU10プロモーター::

AtBGLU10 cDNAのコンストラクトを導入した形質転換体の紅葉を解析した結果、アントシアニンの分子種が野生型に復帰し、相補されることが明らかになった。これまでに見いだされたAAGTは花弁において発現が見られ、しかもアントシアニンのアグリコンにグルコースを付加する酵素のみであったが、AtBGLU10は花ではなく紅葉において発現が見られること、またアグリコンにグルコースを付加するのではなく、アシル基や糖で修飾されたアントシアニンの末端のアシル基の先に糖を付与することを明らかにした。またデルフィニウム萼片の粗抽出液において、AA7GTによってアントシアニンの7位に結合したグルコース残基に対し、p-hydroxybezoyl glucoseがアシル基供与体およびグルコース供与体となってアシル基とグルコースが結合されていくことを見いだした。大腸菌によるacyl-glucose-dependent anthocyanin 5/7-O-glucosyltransferase(AA5/7GT)タンパク質の大量発現につき、様々な条件検討を行なったが少量しか発現させられず、酵素タンパク質の結晶化、さらにその構造解析が未達成である。しかし、一方で、単子葉植物であるアガパンサスからAA7GT cDNAの単離・同定に至ったことは、この酵素の進化過程を明らかにする上で重要な研究成果であり、その価値は大きい。25年度が最終年度であるため、記入しない。大腸菌によるAA5/7GTタンパク質の大量発現につき、codon usageを最適化したcDNAを人工合成したものを用いたが高発現が見られず、また酵母の大量発現を用いた場合にも発現量はわずかであり、酵素タンパク質の大量発現が得られない状態のままで、酵素タンパク質の結晶化は未達成である。しかし、植物におけるAAGT反応の一般性を明らかにするため、シロイヌナズナのAAGT相同性遺伝子であるAtBGLU遺伝子群の解析を進めたところ、AtBGLU10が葉において強光で誘導されるアントシアニン合成において修飾末端のp-coumaroyl基の先のグルコースを付加する反応を司る酵素をコードしていることを明らかにした。このことはAAGT反応は、花に限らずその他の植物の組織・器官におけるアントシアニン合成の修飾反応に関与していること、アグリコンだけでなく修飾残基の先へのグルコース付加に関与していることを明らかにしたものであり、植物におけるAAGT反応の一般性を示したことが達成した大きな成果である。
マルチメディア型コンピュータを用いた授業理解実習システムの開発

これまで、教員養成系大学での学生の授業力量の向上のために、スライド、ビデオ、OHPなどの多様な教育メディアを用いた実習システムが開発されてきた。本研究では、これらの知見を受け継ぎながら、新しくマルチメディア型のコンピュータを活用して、熟練教師や教育実習生の授業を深く理解するための実習システムを開発することを目的とした。マルチメディア型のコンピュータは、ビデオ動画像を含めた授業に関する多様な情報を提示することができるので、授業について教育実習生に対して深く学ばせることができる。本研究では、そのようなコンピュータプログラムを作成して、それを教育実習生に活用させ、反応分析や、効果測定研究を行った。研究の手続きは、1)対象とする授業のビデオ記録、2)授業者への授業意図のインタビュー、3)授業観察者へのインタビュー、4)子どもの学習情報の収集、という流れで、多様な情報を収集し(67月)、それらをコンピュータプログラムとして構造化した。コンピュータプログラムの開発は、現有設備を用いた(89月)。システムの活用は、主に、教育学専門科目「教育方法学演習1」の中で行った(1012月)。授業者へのシステムに関するアンケート調査と反応分析により、システム評価を行った。(1月)。(1月)。
脳卒中片麻痺患者の屋外環境下における歩行障害のメカニズムの解明

平成30年度は、3次元動作解析装置を用いて、i)13名の健常高齢者及び若年者の歩行中における下肢関節間の力学的な協調性への歩行速度の影響、ii)6名の健常若年者の不整地歩行中における下肢関節間の力学的な協調性への影響を調べた。ii)の不整地の条件下の歩行においては、人工芝生上を歩行することとした。また、iii)健常若年者を対象とし、活動量計を5日間装着し装着感と固定性の確認を行った。i)においては、当初、計画されていなかったが、下肢関節間の力学的な協調性における歩行速度の変化に伴う特性及び年齢の特性は、今後、本研究を進める上で重要な知見であり把握しておく必要があると考え、実施された。下肢関節間の力学的な協調性の解析においては、主成分分析を用いて、歩行中に各関節で発揮された力の時系列データの主成分を算出した。第1主成分は歩行中の推進力の時系列データの波形と類似していた。i)の主な結果においては、歩行速度が増加すると、第1主成分の寄与率が低下し、第1主成分のピーク値が歩行中のより遅い時期に発現した。一方、高齢者は若年者より第1主成分のピーク値が歩行中のより早い時期に発現した。ii)の不整地の条件下の結果においては、i)の実験における歩行速度の増加に伴う第1主成分に関する結果と類似していた。速い速度または不整地の条件下での歩行中における下肢関節間の力学的な協調性による推進力の制御は時間的な変化を伴うことが明らかとなった。また、本研究結果より、設定した人工芝生の実験条件が歩行中の下肢関節間の力学的な協調性における視点から環境適応を捉える上で適切な実験条件であることが確認された。平成30年度に計画していた、3次元動作解析装置を用いて健常者及び脳卒中片麻痺患者における不整地条件下での歩行の測定は、測定した被験者数が少なく未だ不十分である。一方で当初、計画されていなかったが、下肢関節間の力学的な協調性における歩行速度の変化に伴う特性及び年齢の特性は、今後、本研究を進める上で重要な知見であり把握しておく必要があると考え、実施された。その結果、屋外歩行能力に関連するパラメーターとして予想されている下肢関節間の力学的な協調性への、年齢、歩行速度、及び不整地条件の影響についての知見が得ることが出来た。平成31年度においては、20名の健常者及び20名の脳卒中片麻痺患者を対象とし、3次元動作解析を用いた屋外環境下での歩行測定及び、実際の生活下における活動量の計測を同時に行う。解析は、歩行時の下肢関節間の力学的な協調性と活動量の計測との関連を調べていく予定である。

予定していた、人件費の支出が不要となり、次年度使用額が生じた。本年度の予算は、実験で協力して頂いた被験者の謝礼金や研究で必要な書籍及び統計ソフトの購入費に使用することも計画している。
金ナノ粒子の触媒活性に関する理論的研究

金ナノクラスターの触媒活性について、DFT計算に基づき、サイズ依存性、担体効果に着目した理論研究を行った。金クラスター触媒を用いた酸素分子によるエチレンの酸化反応について、反応分子が共吸着することにより酸素分子がより活性化される共吸着効果を見出した。担体効果については、不活性なh-BN担体であっても、担持した金原子に吸着した酸素分子が電子押し出し効果により活性化される機構を明らかにした。また、h-BN単層自体に窒素ドープすることで酸素還元反応触媒として活性が生じることを示した。活性なTiO2に担持された金クラスター上での水素解離反応過程を計算し、触媒活性が金クラスターと担体の境界の周に沿った長さに比例することを示した。本研究では、金属ナノ粒子触媒に吸着した酸素分子による、炭化水素と有機分子の選択的酸化反応の機構を理論的に解明することを目的とし、特に金クラスターのサイズに依存した触媒活性に対する包括的な理論研究を推進する。金属ナノ粒子のサイズ、化学組成、構造、電荷状態を変えることにより、触媒反応をより効果的に促進、増強、制御することを想定し、触媒活性と金属ナノ粒子の構造、電子的・磁気的性質の相関を原理的に理解することに焦点を当てる。本年度は、金クラスター表面への分子の吸着と触媒活性化プロセスに対するクラスターサイズの依存性について、系統的な理論計算を行うことを計画している。理論計算にはDFT法を適用し、Gaussian09プログラムを用いる。本理論計算で特に重要となるのは、炭化水素と酸素分子が互いに近づこうとするクラスター表面上の活性点の探索である。本研究ではさらに、金クラスターにAl,Ag,Cuといった異種金属を混合して合金化することにより、クラスター構造、電子構造、触媒活性がどのような影響を受けるかについても調べる。純粋な金属クラスター、合金クラスター及び分子が吸着したクラスターの構造に対しては、クラスター融合アルゴリズムにより最適化計算を行う。DFT計算は研究代表者であるLyalinが行い、金属クラスターの電荷状態、スピン多重度については分担者である武次が予備的計算から算出する。本プロジェクトの予算で本研究の専用ワークステーションを複数台購入し、並列化して用いる。本年度は特にルチル型TiO_2(110)表面に担持された金ナノ粒子上における水素分子の解離吸着プロセスを詳細に調べた。対象とした金ナノクラスター(Au_n)のサイズはn=1,2,8,20である。クラスター上でのH_2分子の解離吸着には、ナノクラスターのサイズ、構造、クラスターの柔軟性、支持界面との相互作用が影響することが示された。ルチル型TiO_2(110)界面の担持効果により、金クラスター上での水素分子の解離が促進される。得られた計算結果は、春田らによる実験結果(T. Fujitani et al, Angew. Chem. Int. Ed., 48, 9515 (2009))をよく説明する。また無欠損、及び欠損を含むh-BN支持面の金原子及び金2量体の触媒活性について研究を行った。金原子と担持体の相互作用が弱い場合にも担持体の効果は現れることを示した。我々は特に無欠損及び欠損を含むh-BN表面への金原子及び金2量体の吸着プロセス、Au/H-BNとAu_2/h-BNにおける酸素分子の活性化、担持された金原子及び金2量体上における酸素分子の解離について研究を行った本課題では、金クラスターに触媒された酸素分子による酸化反応の機構解明を目的とし研究を進めた。最終年度は、不活性なh-BN担体上の金クラスターの触媒活性を調べた。計算より、不活性とされているh-BN担体であっても、金クラスターへの酸素分子の吸着とO-O結合の活性化が強く影響されることを見出した。Bader電荷を解析したところ、h-BN担体からO2-Auへ電子移動するわけではなく、h-BN担体が金から吸着酸素への電子移動を促進していることがわかった。またh-BN担体に欠陥を導入してその効果を調べたところ、金クラスターと空孔点欠陥が強く結合すること、その強い相互作用は大きな電荷移動によること、さらにはそれが担持された金の触媒活性に強く影響することを見出した。

担持された金原子上での酸素分子の活性化と酸素解離の活性化エネルギーが、金とh-BN担体との相互作用によって大きく影響を受けることも示した。更に、h-BN担体上のAu原子を触媒とした酸素分子によるCO酸化機構を調べたところ、2つの異なる反応経路を得た。すなわち、2つのCO2分子が独立で形成される二段階反応と、1つ目のCOの酸化が第2のCO分子によって促進される自己促進経路である。本計算により、h-BN担体に担持された金原子は擬似原子とみなすことはできないことが明らかとなった。理論計算の結果は、h-BNといった不活性な担体に担持した金クラスターの触媒活性に関する実験データを適切に解釈する上できわめて重要である。加えて、不活性なh-BN単層がN-ドーピングによって機能を持たせることができ、酸素還元反応に対し活性を示すことを示した。計算で得られた酸素還元過程の中間種のh-BNへの吸着エネルギーはPt(111)表面の場合とよく似ており、機能を持たせたh-BN単層は燃料電池で使われる白金触媒を置き換える有望な候補といえる。研究は研究計画書のスケジュール通り、順調に実施されている。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題の成果は国内及び国際学会における発表、また国際誌への投稿を予定している。本研究課題の研究成果が更なる理論計算、及び実験的な探求へと繋がることを期待している。