hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
南大洋と北極海の完新世水温変動の高時間解像度復元

夏期日射量の減少に伴い海氷と陸地の摩擦が増加したためであると解釈した.この比は1000年周期変動を示し,太陽放射量変動と位相も一致した.1000年スケールの太陽放射量変動がボーフォート循環に影響したことが示唆された.これらの海流変動はTEX86変動とは対応していない.水温変動は海流変動とは別の因子により規定されていたことが示唆された.TEX86の分析により,南大洋ウィルクスランド沖では水温は12,000年前から3000年前にかけて低下し,その後,上昇したことが示された.他方,北極チュクチ海では水温は9000年前以降,上昇した.両地域とも顕著な1000年スケール水温変動を示した.チュクチ海コアのクローライト/イライト比から,ベーリング海峡通過流が1000年スケール変動を示し,中期完新世で強かったことが示された.また,石英/長石比からボーフォート循環が1000年周期変動を伴いながら9000年前以降弱化したことが示された.北極域のデータはとりまとめが終了した.予定通りである.27年度が最終年度であるため、記入しない。古海洋学データを一部追加し,成果を確固たるものにする.南極のデータをとりまとめ論文化し,投稿する.南極コアの分析は後回しになったが,北極コアの分析を前倒しで進めた.研究全体としては進捗は順調であると判断される.27年度が最終年度であるため、記入しない。論文の英文添削以来費として16746円を予定していたが,論文の執筆が遅れ,次年度で依頼する必要が生じたため27年度が最終年度であるため、記入しない。北極コアのTEX86分析終了後,ただちに南極コアのTEX86分析を開始する.チュクチ海とその周辺の鉱物分布に関する知見をとりまとめ,論文を作成する.ボーフォート循環強度変動に関する知見をとりまとめ論文を作成する.北極コアのTEX86分析結果をとりまとめ,論文を作成する.英文校正費として使用する予定27年度が最終年度であるため、記入しない。35,927円を残し,ほぼ全額使用した.残額は年度末の実験に必要な試薬の購入にあてる予定であったが,納品に時間がかかり年度内の手続きに間に合わなかった.年度明けの消耗費支払いに充てられる予定である.
張力センサー生体分子のナノ構造力学特性の解明

張力センサー生体分子の一つとして知られるαカテニンは、細胞間張力を感知し、それを増幅する機能を有することが知られている。本研究では、張力作用下におけるαカテニンの力学的挙動を明らかにすることを目指し、単一分子のAFMナノ引張試験を行った。その結果、張力作用によりαカテニンの立体構造が変化し、アンフォールディングしにくい状態でシグナル分子を待ち受ける適応的な張力感知メカニズムが存在することが明らかとなった。また、ビンキュリンの結合により、張力の作用下で活性化したαカテニンの構造が、力学的に強化されることが示された。以上より、αカテニンの適応的なナノ構造力学特性を明らかにすることができた。細胞間接着における張力センサー分子として知られるαカテニンを対象として、原子間力顕微鏡(AFM)を用いたナノフィッシング(引張)実験、および、分子動力学(MD)法を用いたナノ構造ダイナミクス解析を行い、αカテニン分子のpNオーダの張力に対する力学的挙動を明らかにすることを目的とした。まず、AFMナノフィッシング実験手法の基礎検討として、AFM探針とガラス基板表面の化学修飾法、および、αカテニン分子の結合タグについて検討した。また、ナノフィッシングにより得られるフォースカーブの特徴量を抽出する解析手法を新たに検討した。これらに基づいて、野生型αカテニン分子、および、張力感受部位に変異を与えた変異型αカテニン分子に対してAFMナノフィッシング実験を行い、力学的挙動を解析した。これらの結果、張力作用下において、αカテニン分子が力学活性化状態を維持する中間状態を示すことを示唆する新たな情報が得られた。この状態は、細胞・組織レベルの適応的な構造ー機能ダイナミクスを理解する上で鍵となることが推察されることから、さらに、定量的な実験と解析を継続することとした。次に、MD法を用いて、αカテニン分子の張力作用に対する張力センシング部位(EFGドメイン)の構造ダイナミクスを解析した。まず、αカテニンEFGドメイン野生型、および、その変異型の分子構造モデルを作成し、MD解析のための初期構造を得るための平衡化シミュレーションを行った。次に、両構造の平衡構造におけるドメイン間相互作用エネルギーの比較を行い、平衡構造の平均二乗変位の値が、野生型に比べて変異型において大きくなることを確認した。また、αカテニンEFGドメイン全体の立体構造に大きく影響を与える結合部位を特定することができた。得られたこれらの基礎情報に基づいて、さらに、張力作用に伴うαカテニン分子の力学的挙動をMD解析することとした。αカテニン分子のAFMナノフィッシング実験では、試料作成から実験条件の検討、フォースカーブの解析まで、予定していた実験手法を順調に構築することができた。また、野生型と変異型αカテニンに対する数多くの実験を行うことにより、得られた実験結果の統計的な解析を通して、それぞれの特徴的な力学的ふるまいや両者の差異を明らかにすることができた。さらに、実験前では予想していなかったαカテニン分子の興味深い力学的ふるまいを見出すことができたことから、今後、細胞・組織レベルのダイナミクスにおける生物学的な意義付けを行うための詳細な実験展開を検討することとした。αカテニン分子のMD法を用いた構造ダイナミクス解析についても、当初計画していた通り、張力感受ドメインの野生型および変異型構造の平衡状態を得ることができた。これにより、両構造のエネルギー状態の差異を明らかにすることができただけでなく、ドメイン間の静電相互作用エネルギー解析から、構造安定性に影響を与える結合部位を特定することができた。このように、基礎的な情報を順調に得ることができたことから、次年度の当初計画のMD解析も問題なく開始することができる。これらのように、当初研究計画については、おおむね順調に進展しており、特に、AFMナノフィッシング実験では、実験前には予想していなかったαカテニン分子の興味深い挙動を新たに見出すことができた。生体組織・器官の発生・形態形成の過程において、細胞間に作用する張力が重要な役割を担っている。細胞は、分子レベルで張力を感受し、フィードバックすることで、機能適応的にアクティブな力の調節を行うことが知られている。この生体分子の張力センサー機構の解明は、多細胞組織・器官の発生・形態形成における力の寄与を理解するための基礎を与える。本研究では、細胞間接着における張力センサー分子として知られるαカテニンに着目し、原子間力顕微鏡(AFM)を用いたナノ引張実験による新たなナノバイオメカニクス研究を展開した。まず、平成27年度においては、αカテニンのAFMナノ引張実験を行い、その力学的特性を明らかにした。また、得られたフォースカーブの特徴量を抽出する新たな解析手法を構築した。これらに基づき、野生型αカテニン分子、および、張力感受部位に変異を与えた変異型αカテニン分子に対してAFMナノ引張実験を行い、その力学的ふるまいを解析した。その結果、張力作用下において、αカテニン分子が力学活性化状態を維持する中間状態をとる可能性を示した。次に、平成28年度においては、AFMを用いたαカテニンの立体構造イメージングにより、張力作用下における分子内相互作用の低下が、αカテニンの立体構造変化を引き起こすことを示唆する結果を得た。また、張力作用下で活性化されたαカテニン分子に対して、ビンキュリンが結合する様子をTIRFMイメージングにより観察した。さらに、ビンキュリンの結合により、活性化したαカテニンの構造が、力学的に補強されることを見出した。

これらの結果は、αカテニンの適応的な構造変化にともなうビンキュリンとの親和性変化が、力学的に安定なαカテニンービンキュリン複合体の形成を導くことを示しており、多細胞組織における細胞・組織レベルの適応的な構造ー機能ダイナミクスを理解する上で鍵となる。張力センサー生体分子の一つとして知られるαカテニンは、細胞間張力を感知し、それを増幅する機能を有することが知られている。本研究では、張力作用下におけるαカテニンの力学的挙動を明らかにすることを目指し、単一分子のAFMナノ引張試験を行った。その結果、張力作用によりαカテニンの立体構造が変化し、アンフォールディングしにくい状態でシグナル分子を待ち受ける適応的な張力感知メカニズムが存在することが明らかとなった。また、ビンキュリンの結合により、張力の作用下で活性化したαカテニンの構造が、力学的に強化されることが示された。以上より、αカテニンの適応的なナノ構造力学特性を明らかにすることができた。αカテニン分子のAFMナノフィッシング実験では、新たに見出された興味深い分子のふるまいに着目し、数多くのフォースカーブから特徴量を詳細に抽出し、ミミズ鎖モデル等の物理モデルとの比較を行いながら、その生物学的な意義を探る。さらに、張力作用にともなって張力感受部位の自己阻害構造が開放されることにより生じると予想されるビンキュリン結合挙動を直接的に観察する実験の構築を進める。αカテニン分子のMD法を用いた構造ダイナミクス解析では、得られた平衡状態における分子構造を用いて、等速引張シミュレーションを行う。これらの解析から、野生型、および、変異型αカテニン分子の張力作用下における分子構造ダイナミクスの差異を見出すと共に、張力緩和などの現象の解析により、細胞接着部位において観察される力のフィードバック機構の分子レベルにおける仕組みを推測する。さらに、以上のAFMナノフィッシング実験、および、MD法を用いたナノ構造ダイナミクス解析から得られた知見を統合し、αカテニン分子の張力感受・応答機構を分子レベルで明らかにする。また、他の力感受性分子の研究への応用可能性を探ることにより、本研究で蓄積された実験・解析手法を活用したナノバイオメカニクス研究分野の開拓を進める。バイオメカニクスαカテニン分子のAFMナノフィッシング実験において、当初予想していなかった興味深い現象を新たに見出すことができた。そのため、詳細な特徴量抽出のためのデータ解析手法の開発およびその解析に時間を費やした。既に十分なデータが揃っていたことから、実験を一旦停止し、この解析結果を待ってその後の追加実験計画や次年度の新しい実験系の構築を検討する必要が生じた。このため、実験のための使用額が減少したが、次年度の実験系構築に有効に利用できることが確認できたことから、予算の繰越の手続きを行った。AFMを用いたαカテニン分子のAFMナノフィッシング実験に関する消耗品費、および、αカテニン分子の張力作用下におけるビンキュリン結合観察を行うための実験系の構築に使用する。
骨形成不全症に対する骨カップリングを標的とした新規治療薬の開発

骨形成不全症(OI)は主にI型コラーゲンの異常により骨脆弱性を呈する先天性骨系統疾患である。本疾患に対してビスホスホネート製剤による姑息的治療が行われているが重症例においては治療効果が乏しい。通常骨は破骨細胞による骨吸収と骨芽細胞による骨形成からなる骨カップリングが正常に起こることで骨強度が維持されている。また破骨細胞と骨芽細胞の間には双方向性の骨カップリング機構があり、これにより骨リモデリングが調整されている。本研究では骨カップリング異常を標的としたOIに対する新規治療の開発を目的とする。まずOIにおける骨カップリング異常を明らかにするため、OIモデルマウス由来破骨細胞と、骨芽細胞の初代培養を行う。次に骨リモデリング異常を規定するカップリング因子を確認し、その機序に作用する薬剤を探求する。そのため本研究ではOIモデルマウスを使用する必要がある。様々なモデルマウスが報告されており、利用可能となっているが、その中でCol1a2oimマウスはOIの病態として骨病変をきたすことが報告されているため本研究ではこのマウスを使用することとしている。これまでに本マウスをオリエンタル酵母工業株式会社を介して米国のThe Jackson Laboratoryから購入し、申請者の試用する動物施設に導入した。その後体外受精を通じてSPF化に成功し、同動物実験施設でmatingを行っている。また同マウスのgenotypingについては既報の論文よりプライマー設計を行いWTマウスと変異を有するマウス(heterozygousとhomozygous)がともに検出できることを確認した。現在実験に必要となるマウスを確保するため順次matingを行っており、遺伝子変異を有するマウスが作出されていることを確認した。本研究を遂行するためにはOIモデルマウスが必要である。I型コラーゲンのα2鎖をコードするCOL1a2遺伝子に変異を有するCol1a2oimマウスはhomozygousに変異を有するとき骨脆弱性を主とする骨病変を有することが報告されている。そこでCol1a2oimマウスを本研究に使用することを計画し申請した。本研究計画が受理されたのち本マウスをオリエンタル酵母工業株式会社を介して米国のThe Jackson Laboratoryから購入し、申請者の試用する動物施設に導入した。今後本マウスを使用して実験を遂行していく初期段階は順調に進展していると判断したため上記区分を(2)おおむね順調に進展しているとした。現在繁殖飼育中のCol1a2oimマウスが実験に必要な数得られれば、当初の計画通りCol1a2oimマウスの骨病変の表現型を野生型マウスと比較検討する。Col1a2oimマウスと野生型マウスを用いた破骨細胞、骨芽細胞の初代培養を確立する。これらの初代培養破骨細胞と初代培養骨芽細胞におけるカップリング因子の発現を検討する。次にこれら破骨細胞と骨芽細胞の共培養を行う。この時Col1a2oimマウスと野生型マウスの破骨細胞と骨芽細胞を組み合わせることで4種類の共培養を行う。そして骨芽細胞マーカー(Runx2, Osterix, Alp, Col1)、破骨細胞マーカー(NFATc1、cFos、Cathepsin K、TRAP)の発現を確認するとともに破骨細胞形成能もTRAP染色を行い確認する。これらの実験でOIの病因と考えられるカップリング機構異常を同定したら次にその機構に特異的に作用する薬剤を用いて同様に共培養の実験で治療効果を評価する。最終的にはこれらの実験で同定された薬剤をCol1a2oimマウスに投与し、骨の脆弱性や骨代謝マーカーに対する治療効果を判定する。この時骨病変に及ぼす効果のみならず、歯牙形成不全に対する治療効果も判定する。

また同マウスのgenotypingについては既報の論文よりプライマー設計を行いWTマウスと変異を有するマウス(heterozygousとhomozygous)がともに検出できることを確認した。現在実験に必要となるマウスを確保するため順次matingを行っており、遺伝子変異を有するマウスが作出されていることを確認した。本研究を遂行するためにはOIモデルマウスが必要である。I型コラーゲンのα2鎖をコードするCOL1a2遺伝子に変異を有するCol1a2oimマウスはhomozygousに変異を有するとき骨脆弱性を主とする骨病変を有することが報告されている。そこでCol1a2oimマウスを本研究に使用することを計画し申請した。本研究計画が受理されたのち本マウスをオリエンタル酵母工業株式会社を介して米国のThe Jackson Laboratoryから購入し、申請者の試用する動物施設に導入した。その後体外受精を通じてSPF化に成功し、同動物実験施設でmatingを行っている。今後本マウスを使用して実験を遂行していく初期段階は順調に進展していると判断したため上記区分を(2)おおむね順調に進展しているとした。現在繁殖飼育中のCol1a2oimマウスが実験に必要な数得られれば、当初の計画通りCol1a2oimマウスの骨病変の表現型を野生型マウスと比較検討する。Col1a2oimマウスと野生型マウスを用いた破骨細胞、骨芽細胞の初代培養を確立する。これらの初代培養破骨細胞と初代培養骨芽細胞におけるカップリング因子の発現を検討する。次にこれら破骨細胞と骨芽細胞の共培養を行う。この時Col1a2oimマウスと野生型マウスの破骨細胞と骨芽細胞を組み合わせることで4種類の共培養を行う。そして骨芽細胞マーカー(Runx2, Osterix, Alp, Col1)、破骨細胞マーカー(NFATc1、cFos、Cathepsin K、TRAP)の発現を確認するとともに破骨細胞形成能もTRAP染色を行い確認する。これらの実験でOIの病因と考えられるカップリング機構異常を同定したら次にその機構に特異的に作用する薬剤を用いて同様に共培養の実験で治療効果を評価する。最終的にはこれらの実験で同定された薬剤をCol1a2oimマウスに投与し、骨の脆弱性や骨代謝マーカーに対する治療効果を判定する。この時骨病変に及ぼす効果のみならず、歯牙形成不全に対する治療効果も判定する。当該年度に開始したOIモデルマウスの導入および繁殖は次年度以降も継続して行う必要があるため次年度使用分を合わせ使用してく。また次年度は分子生物学的実験を開始していくためそちらに対しても使用していく予定である。
海底鉱物資源の開発のためのキャリア循環方式による揚鉱システム

テーマ(1)ポンプ圧送性と鉱石保持性を調べる手法の開発平成29年度に作製した小型揚鉱模型実験装置(模型試作品)について,揚鉱現象を観察する1メートルの区間において鉱石モデルの挙動を計測するためのRFID(Radio Frequency IDentifyer)システムの開発に成功した。そして,この実験装置を利用して密度と粒度が異なる球形の鉱石モデルの揚鉱実験を行い,密度が2.7Mg/m3で粒径が25ミリメートルの鉱石モデルの揚鉱に0.035m/sの流速でも成功し,提案する揚鉱システムの実現可能性を確認した。計測された結果は,テーマ(3)数値シミュレータの妥当性の検証に利用する。テーマ(2)揚鉱に好適なキャリア物質の開発鉱石モデルを管状の容器に満たしたキャリア物質中で沈降及び引上げる実験に用いる装置を製作した。球形の鉱石モデルの密度と粒度を変化させ,揚鉱実験と同じRFID(Radio Frequency IDentifyer)システムを利用して挙動を観測して,さまざまなキャリア物質(粘性流体と粒状物質の組合せ)について鉱石保持性能を検討できる。テーマ(3)移送メカニズムの解明と数値シミュレータの開発格子方の1つであるExplicit-Moving ParticleSimulation(E-MPS)を数値解析手法として選択した。この手法の適用が最も困難な静的な条件下(管状の容器内の静水)でも計算が実行できるように様々なスキームを取り込んだ。そして,キャリア物質を一様流体と仮定して粘性特性を非ニュートン流体によるモデル化することについて検討した。平成29年度に開発が停滞していたRFID(Radio Frequency IDentifyer)システムによる鉱石モデルの観測方法の開発に成功して,揚鉱実験ならびに沈降実験及び引上げ実験が実施できる状態になった。揚鉱実験を行うことによって,キャリア物質が粘性流体のみの場合に比較して一定以上の配合で粒状物質を含んだ場合には揚鉱性能が格段に向上することが明らかになった。一方,テーマ(3)数値シミュレータの妥当性の検証では,まだ数値解析の手法の確立にとどまっており,揚鉱に関する数値実験を行う段階には進んでいない。揚鉱実験を引き続き実施すると共に,揚鉱のメカニズムを明らかにするための沈降実験及び引上げ実験も行う。やや遅れ気味のテーマ(3)数値シミュレータの妥当性の検証については,さまざまな条件を想定した数値実験を行い,キャリア物質が鉱石を移送するメカニズムを解明する。鉱石の形状と粒度についてマンガン団塊型(球形・狭い粒度)と海底熱水鉱床・マンガンクラスト型(角形・広い粒度)の2ケースについて,さまざまな設定条件について定常流動,始動・停止時の非定常流動の状況あるいは閉塞の条件について検討する。設定条件としてライザー管の内径や壁面の粗度,管路の形状,キャリア物質の種類や配合,流量(流速)などの影響について調べる。テーマ(1)ポンプ圧送性と鉱石保持性を調べる手法の開発:提案する揚鉱システムの実現可能性を確認するために行う揚鉱実験に使用する小型揚鉱模型実験装置(模型試作品)を設計・作製した。長さが1メートルで内径が50ミリメートルのライザー管の中を密度と粒度(最大径25ミリメートル)が異なる球形の鉱石モデルが上昇する様子を観察する。

鉱石モデルがライザー管内を上昇する速度を計測するためのRFID(Radio Frequency IDentifyer)システムの開発にチャレンジしたが,好適なRFタグとアンテナを選定する段階までには至らなかった。ただし,最も有望な計測方法であるとの感触を得たので,適切な周波数帯の選択を検討する。テーマ(2)揚鉱に好適なキャリア物質の開発:さまざまなキャリア物質(粘性流体と粒状物質の組合せ)について鉱石保持性能を検討するために,管状の容器をキャリア物質で満たして,その中で鉱石モデルの沈降を観察した。この沈降実験では,密度と粒度が異なる球形の鉱石モデルの沈降挙動(沈降時間と沈降距離の関係)を調べた。その結果,粘性流体のみの場合に比較して,細粒分を多く含むキャリア物質ほど鉱石保持性能が高いことが分かった。テーマ(3)移送メカニズムの解明と数値シミュレータの開発:キャリア物質中の鉱石モデルの挙動をシミュレーションする数値解析モデルとして格子方の1つであるExplicit-Moving ParticleSimulation(E-MPS)を選択した。静的な条件下(管状容器内の静水)における計算の安定性について主に検討した。テーマ(1)ポンプ圧送性と鉱石保持性を調べる手法の開発については,揚鉱実験で鉱石モデルを計測する方法として当初計画していたレーザーを用いた液浸法(LAT)が使えないことが分かったため,代替手法としてRFIDシステムを活用する方法の開発に取り組んだ。しかし,適切なシステムの構築に時間が掛かっている。また,テーマ(3)移送メカニズムの解明と数値シミュレータの開発についても,鉱石モデルのように巨大な粒子とキャリア物質中の粒状物質のように細かい粒子を同時にモデル化が可能な解析方法の開発は容易ではなく,安定的に計算ができる方法の開発に手間取っている。揚鉱実験を引き続き実施すると共に,揚鉱のメカニズムを明らかにするための沈降実験及び引上げ実験も行う。やや遅れ気味のテーマ(3)数値シミュレータの妥当性の検証については,さまざまな条件を想定した数値実験を行い,キャリア物質が鉱石を移送するメカニズムを解明する。鉱石の形状と粒度についてマンガン団塊型(球形・狭い粒度)と海底熱水鉱床・マンガンクラスト型(角形・広い粒度)の2ケースについて,さまざまな設定条件について定常流動,始動・停止時の非定常流動の状況あるいは閉塞の条件について検討する。設定条件としてライザー管の内径や壁面の粗度,管路の形状,キャリア物質の種類や配合,流量(流速)などの影響について調べる。テーマ(1)ポンプ圧送性と鉱石保持性を調べる手法の開発については,平成30年度にはRFIDシステムの技術が確立したので,揚鉱実験の実施が可能となった。
変分APW法の開発と超イオン伝導物質の電子状態解析

1)電子状態計算手法の整備・開発変分APW法の詳細を公刊した.また,変分APW法の基本的アイディア(マフィン・ティン球半径の変分的決定)がLMTO法やASW法に対しても適用可能であることを確認した.また,電子状態レベルでイオンのダイナミックスを記述するためにタイトバインディング(TB)法に基づく分子動力学シミュレーション法の開発を行った.MPI(Nessage Passing Interface)を利用することにより複数のコンピューターを同時に使用できる並列計算アルゴリズムを組み込み,計算を格段に高速化した.今後の課題は第一原理的な変分APW計算から如何にTBパラメターを抽出するかである.一連の貴金属ハロゲン化物,AgXおよビCuX(X=C1,Br, I)、について変分APW法に基づく電子状態計算を行うことにより,p-d状態混合強度とイオン伝導度との相関を包括的に調べた.p-d状態混合強度を特徴づけるパラメター「generalized covalency」を新たに導入し,超イオン伝導性発現の基本要因として提案している「弱いp-d状態混合の実現」が普遍的に成立することを確証した.貴金属ハロゲン化物について簡便なTB法を用いた電子状態計算も行った.TBパラメターを適切に取ることにより,変分APW計算に基づいてすでに得られたp-d状態混合強度とイオン伝導度との相関関係の結果を定性的に再現できることを示した.3)その他の関連研究超イオン伝導性ガラス(Ag/Ge/Se)の構造やダイナミックスを分子動力学シミュレーションによって明らかにした.特に銀原子クラスター化の前駆現象を発見し,その詳細を明らかにした.二酸化チタン(超イオン伝導体の母物質)のナノ粒子の焼結過程を電荷可変型ポテンシャルに基づく分子動力学シュミレーションで調べ,基盤結晶構造の違い(rutile, anatase)によって焼結ナノ構造体の特性が定性的に異なることを見出した.1)電子状態計算手法の整備・開発変分APW法の詳細を公刊した.また,変分APW法の基本的アイディア(マフィン・ティン球半径の変分的決定)がLMTO法やASW法に対しても適用可能であることを確認した.また,電子状態レベルでイオンのダイナミックスを記述するためにタイトバインディング(TB)法に基づく分子動力学シミュレーション法の開発を行った.MPI(Nessage Passing Interface)を利用することにより複数のコンピューターを同時に使用できる並列計算アルゴリズムを組み込み,計算を格段に高速化した.今後の課題は第一原理的な変分APW計算から如何にTBパラメターを抽出するかである.一連の貴金属ハロゲン化物,AgXおよビCuX(X=C1,Br, I)、について変分APW法に基づく電子状態計算を行うことにより,p-d状態混合強度とイオン伝導度との相関を包括的に調べた.p-d状態混合強度を特徴づけるパラメター「generalized covalency」を新たに導入し,超イオン伝導性発現の基本要因として提案している「弱いp-d状態混合の実現」が普遍的に成立することを確証した.貴金属ハロゲン化物について簡便なTB法を用いた電子状態計算も行った.TBパラメターを適切に取ることにより,変分APW計算に基づいてすでに得られたp-d状態混合強度とイオン伝導度との相関関係の結果を定性的に再現できることを示した.3)その他の関連研究超イオン伝導性ガラス(Ag/Ge/Se)の構造やダイナミックスを分子動力学シミュレーションによって明らかにした.特に銀原子クラスター化の前駆現象を発見し,その詳細を明らかにした.二酸化チタン(超イオン伝導体の母物質)のナノ粒子の焼結過程を電荷可変型ポテンシャルに基づく分子動力学シュミレーションで調べ,基盤結晶構造の違い(rutile, anatase)によって焼結ナノ構造体の特性が定性的に異なることを見出した.1)電子状態計算手法の整備・開発変分APW法の基本的アイディア(マフィン・ティン球半径の変公的決定)を公刊した.現在,その詳細を明らかにする論文を準備中である.2)銀イオンd閉殻の多重極変形効果孤立原子の多重極分極率を計算するための手法を相対論的取り扱いを含めて定式化(Sternheimer法の拡張)している.3)貴金属ハロゲン化物におけるp-d状態混合一連の貴金属ハロゲン化物,AgXおよびCuX(X=Cl,Br,I),について変分APW法に基づく電子状態計算を行うことにより,p-d状態混合強度とイオン伝導度との相関を包括的に調ベた.p-d状態混合強度を特徴づけるパラメター「generalized covalency」を新たに導入し,超イオン伝導性発現の基本要因として提案している「弱いp-d状態混合の実現」が普遍的に成立することを確証した.4)その他の関連研究超イオン伝導性ガラス(Ag/Ge/Se)の構造やダイナミックスを分子動力学シミュレーションによって明らかにした.特に銀原子クラスター化の前駆現象を発見し,その詳細を明らかにした.また,超イオン伝導体の母物質である二酸化チタンに対して電荷可変型のポテンシャルを開発し,その有効性を確認した.1.電子状態計算手法の整備・開発変分APW法の基本的アイディア(マフィン・ティン球半径の変分的決定)が基底関数を規定するLMTO法やASW法に対しても適用可能であることを確認した.2.超イオン伝導物質に対するタイト・バインディング計算一連の貴金属ハロゲン化物について簡便なタイト・バインディング(TB)法を用いた電子状態計算を行った.TBパラメターを適切に取ることにより,変分

APW計算に基づいてすでに得られたp-d状態混合強度とイオン伝導度との相関関係の結果を定性的に再現できることを示した.また,電子状態レベルでイオンのダイナミックスを調べるために,並列計算アルゴリズムを利用したTB法に基づく分子動力学シミュレーション法の開発に着手した.3.銀イオンd閉殻の多重極変形効果昨年に引き続き,相対論的取り扱いを含めた孤立原子の多重極分極率を計算するための手法を開発中である.4.その他の関連研究二酸化チタン(超イオン伝導体の母物質)のナノ粒子の焼結過程を電荷可変型ポテンシャルに基づく分子動力学シミュレーションで調べ,基盤結晶構造の違い(rutile,anatase)によって焼結ナノ構造体の特性が定性的に異なることを見出した.1)電子状態計算手法の整備・開発電子状態レベルでイオンのダイナミックスを記述するためにタイトバインディング(TB)法に基づく分子動力学シミュレーション法の開発を行った.MPl(Message Passing Interface)を利用することにより複数のコンピューターを同時に使用できる並列計算アルゴリズムを組み込み,計算を格段に高速化した.今後の課題は第一原理的な変分APW計算から如何にTBパラメターを抽出するかである.昨年度のp-d状態混合強度に着目した銀ハライドのイオン伝導に関する研究をさらに押し進め,複雑な3元貴金属化合物AgIS, AgISeにおいてもp-d状態混合強度とイオン伝導度との間に明白な相関関係が存在することを明らかにした.3)その他の関連研究相補的な結晶構造をもつ価数揺動化合物Yb4As3(anti-Th3P4型構造)ならびにSm3Te4(Th3P4型構造)についてそれらの電荷秩序構造をクーロンエネルギーの観点から調べた.モンテカルロシミュレーションに基づく解析の結果,電荷秩序特性は結晶構造に鋭敏であり,Yb4As3が明確な電荷秩序転移を示すのに対し,Sm3Te4では温度を下げると連続的にガラス的状態が実現する.これらの定性的結果は実験事実と符合する.
助産外来における評価指標としてのルーブリックの開発

助産外来での実践能力の評価方法として、ルーブリックを開発した。手順は、1.文献検討、2.ルーブリックの構造の明確化、3.参加観察から技能習熟段階を記述、4.ルーブリック案作成と修正である。開発したルーブリックは、評価の観点を「思考・判断」「技能」「情意・態度」とし、助産行為を「妊娠経過の判断」「健康生活を診断」「健康生活を支援」「妊婦とその家族および多職種との人間関係の調整」とし段階別の行為を抽出した。妊婦には出産準備尺度、専門職の雰囲気を調査し、妊婦への信頼と出産準備に弱い相関があることを確認した。ルーブリックを用い、助産師にグループインタビュー、リフレクションを実施し運用可能性を確認した。院内助産・助産外来が推進されているが、担当助産師が育成されていないのが現状である。そこで助産外来で診察・保健指導を実施する助産師の実践能力を適切に評価し、実践能力を向上させるために、施設管理者と助産外来実施者間における相互評価方法として、助産外来用ルーブリックを開発することを目的としている。ルーブリックは、質的観点を規準として段階的に評価される客観的な評価ツールであり、パフォーマンス評価に有効な手段とされており、助産師の技能の評価に活用できるものである。本研究計画は、「実践場面分析」「ニーズ調査」「評価方法開発」「社会貢献」の4側面から構成されている。今年度は、「実践場面分析」である、助産外来での助産師の知識・技術・態度を統合した行為の現れとしてのパフォーマンスレベルを数段階に分けて記述するための実践状況の参加観察を実施した。さらにエキスパートとされる助産師の実践場面の分析を実施し、その行為における卓越性を抽出した。現在、参加観察した結果を、臨床現場の助産師の協力を得ながら、様々な技能習熟段階にある助産師の実践場面の分析を行っている。次年度は、「評価方法開発」として、参加観察した行為を段階別に分け、質的観点を明らかにする。これは質的転換点から、習熟度を検討し、評価観点の尺度と記述内容を作成し、評価ツールを開発するものである。加えて、「ニーズ調査」として、助産師が自己成長のために何を望んでいるのかを調査していく予定である。助産外来での助産師の実践能力を適切に評価し、実践能力を向上させる相互評価方法を開発するために、今年度は以下のように進めた。1.文献検討および助産師の実践場面の参加観察から、助産外来で使用するルーブリックに必要な構造を明確にした。その構造は「助産行為」「評価規準」「評価の観点」「行為(パフォーマンス)」とした。「助産行為」は、〈妊娠経過を的確に診断できる〉〈妊婦の健康生活を診断できる〉〈妊婦の健康生活を支援することができる〉〈妊婦とその家族および多職種との人間関係を調整できる〉とした。評価の観点は、〈思考・判断〉〈技能〉〈情意・態度〉とし、それぞれに「助産行為」の観点別の評価規準を検討し、記述語を作成した。2.8名の助産師を対象に助産外来での妊婦との関わり場面を参加観察し、それぞれの評価規準と行為(パフォーマンス)を技能習熟段階として、三段階で記述した。行為(パフォーマンス)のレベルは、助産外来を実施し始めた段階を1とし、3は熟練した技能を持つ助産師の行為とし、それぞれの段階の技能を明らかにした。3.助産師の技能習熟段階を検討し、助産外来用ルーブリック(案)を作成した。それをもとに実践家、有識者、看護管理者からの意見を聴取し、修正を重ねた。現在、臨床現場での運用可能性を確認するため、実際に助産外来を実施している助産師を対象にフォーカスグループインタビューを実施し、分析している。これまでの行動目標を中心とした評価から、思考・判断、状況に合わせたスキルなどを評価し、助産師が自己成長できる支援モデルの構築を目指し、検討を重ねている。前年度までの研究結果から作成した助産外来用ルーブリック(案)をもとに、助産外来を担当している助産師8名を対象に、2グループに分け、フォーカスグループインタビューを実施した。グループは、類似した経験を持つ助産師に分け、グループは助産師経験5年と助産師経験1115年である。その結果、助産師の成長には継続的に妊婦を受け持つこと、熟練した技能をもつ先輩の存在、自分自身の行為の意味づけが必要であることが明らかになった。助産外来用ルーブリック(案)試用後の助産師にリフレクションを実施し、作成したルーブリック(案)の運用可能性を調査した。助産師は、妊婦の印象をアセスメントの手がかりとし、その手がかりをもとに思考を推し進めていることが明らかになり、リフレクションを実施するなかで、自分自身の成長と課題を確認しており、助産外来用ルーブリック(案)の運用可能性が確認できた。助産外来担当助産師の関わりと出産準備状況を妊婦117名を対象に、亀田らが開発した出産準備尺度、安酸らが開発した専門職に備わっている雰囲気(PLC)を用いて調査した。助産外来で妊婦健康診査を受けている妊婦の結果を分析する上での参考として、産婦人科診療所で医師の診察を受けている妊婦71名にも調査した。その結果、助産師が妊婦に対して信頼を寄せることで、妊婦の出産準備が進むことが示唆された。以上の結果から、助産外来での助産師の実践能力の課題が明らかになるとともに、助産師の成長には、行動目標のみではなく質的な評価としてのルーブリックの必要が確認できた。

加えて評価を行うだけではなく、リフレクションを同時に行うことが有効であるが明らかになった。助産外来での実践能力の評価方法として、ルーブリックを開発した。手順は、1.文献検討、2.ルーブリックの構造の明確化、3.参加観察から技能習熟段階を記述、4.ルーブリック案作成と修正である。開発したルーブリックは、評価の観点を「思考・判断」「技能」「情意・態度」とし、助産行為を「妊娠経過の判断」「健康生活を診断」「健康生活を支援」「妊婦とその家族および多職種との人間関係の調整」とし段階別の行為を抽出した。妊婦には出産準備尺度、専門職の雰囲気を調査し、妊婦への信頼と出産準備に弱い相関があることを確認した。ルーブリックを用い、助産師にグループインタビュー、リフレクションを実施し運用可能性を確認した。おおむね計画通りに進めており、目標としていた相互評価評価方法としての助産外来用ルーブリック案を作成し、臨床現場での運用可能性を探っている段階である。サービスの受け手である妊産婦とその家族からの意見も加味し、検討している段階に入っている。母性看護学・助産学助産外来を実施している医療機関を対象に、助産師の実践能力の評価方法および、評価実施状況とその課題を明らかにしていく。加えて、医療機関において助産外来を担当している助産師からの意見をもとに、臨床現場での活用を目指し、記述語のブラッシュアップを重ねていく。本研究で開発した助産外来用ルーブリックを活用し自己評価した助産師と、その施設の看護管理者が到達段階を相互評価する。その結果から、助産師の実践能力向上に向けた支援の在り方を検討していく。施設内で助産外来を実施している臨床現場との調整に時間がかかり、参加観察した場面を分析するまでに至らなかった。しかし、現在は調整が済み、今後は進められる予定である。今年度調査を実施した医療機関が、東京都内であったため、旅費が少なかった。本研究計画における「実践場面分析」として参加観察内容の分析を行っている。この分析結果から、パフォーマンスを言語化し記述していく。また、「評価方法開発」として、参加観察した実践場面でのパフォーマンスを段階別に分け、質的観点を明らかにし、評価ツールを作成する。「ニーズ調査」では、助産師が自己成長のために何を望んでいるのかについて調査する。さらには、「社会貢献」として、開発した評価指標を、助産師の現任教育に活用し、そのルーブリックを用いることに対する評価を得る予定である。次年度は、助産外来実施医療機関の状況を調査するため、旅費、人件費がかかる予定である。参加観察した結果の分析が、当初の計画よりも進んでいないために、次年度使用額が生じた。それについては、現在、分析中であり、計画を遂行している。インタビュー内容および、観察した内容の会話分析を行うために、逐語録作成業者に依頼する予定である。
マウス胚ノードのNodalシグナルが左右非対称に側板中胚葉へ伝わる機構の解明

前年に引き続き、私はノードから側板中胚葉へのNodalシグナル伝達には硫酸化グリコサミノグリカンが必要であることを明らかにした。前年までは、Nodalはヘパリンに結合することを示したが、今回私はNodalはコンドロイチン硫酸に結合するが、ヘパラン硫酸には結合しないことを明らかにした。さらにコンドロイチン硫酸とヘパラン硫酸は共にノードと側板中胚葉の間の基底膜に局在し、ちょうど両者をつなぐような分布をしていることを明らかにした。そこノードで作られたNodalがコンドロイチン硫酸やヘパラン硫酸を伝って、側板中胚葉まで運ばれるのではないかと思い、以下の実験により検証した。まず塩素酸ナトリウムによりコンドロイチン硫酸とヘパラン硫酸の両者の合成を阻害すると、ノードのNodalは発現するが、側板中胚葉のNodal発現が抑制されることを示した。さらにxylosideでコンドロイチン硫酸のみの合成を阻害した場合も同様に側板中胚葉のNodal発現が抑制されることを示した。これらの実験では側板中胚葉がNodalを発現できないような状態になっているにすぎないとも考えられるので、両阻害実験において右側の側板中胚葉にNodalの発現ベクターを導入したところ、Nodalは右側に発現しており、側板中胚葉はNodalを発現できる状態にあることを確認した。これらの結果より、ノードで作られたNodalはコンドロイチン硫酸を伝って、側板中胚葉まで運ばれること、さらにその過程にはヘパラン硫酸だけでは不十分であることか示唆された。今回私はノードからのNodalシグナルは、いかにして側板中胚葉に伝えられるかを以下の点に着目して検証した。(1)ノードのNodalシグナルは、なぜ左側にのみ伝えられるか?ノードのNodal蛋白質は左右非対称に修飾(プロセシングや糖鎖修飾など)されているかを検証するために、ノードでFLAGペプチドタグを融合させたNodalを発現するトランスジェニックマウス胚を回収し、ノードを左右に切り分けてWestern blot法にて比較した。しかしノードの左右で違いは見られなかったので、左側にのみ伝えられる仕組みは、ノードのNodalの左右非対称な発現によるものと考えられる。(2)ノードのNodalは、どのように側板中胚葉に拡散するか?拡散性の分子の一部は、ヘパラン硫酸鎖を伝って拡散することが報告されているので、Nodalもこの機構に従うのではないかと考えた。まずNodalは、ヘパラン硫酸によく似たヘパリンに結合することを示した。またヘパラン硫酸の局在を免疫染色にて調べたところ、ノードと側板中胚葉の間の基底膜に局在を認めた。これらのことからノードのNodalは、ヘパラン硫酸鎖を伝って側板中胚葉に拡散すると仮説を立てた。培地にヘパリンを添加して胚培養すると、側板中胚葉におけるNodal発現が阻害されたことより、上記の仮説は強く支持された。(3)ノードのNodalの拡散を可視化する実験ノードでMycペプチドタグを融合させたNodalを発現するトランスジェニックマウス胚を回収し、抗c-Myc抗体で免疫染色したが、拡散するNodalを可視化できていない。現在、技術的な改善を行っている。またどのように分泌されるかを調べるために、免疫電顕法による局在証明を準備している。現在までに、透過型電顕観察に必要な試料調製法で免疫染色が可能になり、これから電顕観察を行っていく予定である。
幹細胞分化における基底膜蛋白質ラミニンの機能解析

本研究は、基底膜蛋白質ラミニンがマウス胚性幹細胞(ES細胞)の分化に及ぼす影響を解析し、基底膜が細胞の分化制御にどのような役割を果たしているかを明らかにすることを目標としている。平成19年度は、組換え蛋白として発現・精製した各種ラミニンアイソフォームを細胞培養基質として用い、各アイソフォーム上におけるES細胞分化パターンの比較を行った。1)ES細胞は胚様体形成法によって分化誘導を行った後、細胞を解離して各種ラミニンまたは他の細胞外マトリックス蛋白質でコーティイングした上に播種した。ラミニン511、フィブロネクチンは比較的強い細胞接着活性を示したのに対し、ラミニン211、411、IV型コラーゲンでは細胞接着活性が低かった。2)各種細胞外マトリックス上で培養した細胞から継続的に全RNAを抽出し、分化マーカー遺伝子の発現パターンを定量RT-PCR法により解析した。その結果、中胚葉分化マーカー遺伝子であるBrachyury、Goosecoidの発現レベルが接着基質によって大きく影響を受けることが示唆された。3)一方、胚葉体での分化誘導は異なる細胞系譜が混在することから、特定の系譜への分化誘導効率の評価には至らなかった。また、細胞分化の方向性には胚葉体ごとに差異があり、分化誘導条件を均一にすることが難しいなどの分化誘導系の問題点も明らかとなった。今後、ES細胞分化におけるラミニンアイソフォームの影響を評価するためには、細胞表面マーカー分子の発現などを指標に特定の分化系譜にある細胞を単離し、それを用いて基質上での培養を行う方法が有効だと考えられる。本研究の結果から、分化誘導刺激をうけたES細胞は細胞外マトリックス基質によって異なる接着性を示し、分化マーカー遺伝子の発現パターンも異なることが示された。このことから、細胞外マトリックスによる選択的分化誘導制御の可能性が示唆された。本研究は、基底膜蛋白質ラミニンがマウス胚性幹細胞(ES細胞)の分化にどのような影響を及ぼすかを検討することで、基底膜が細胞の分化制御にどのような役割を果たしているかを解析することを目標としている。平成18年度は、本研究の基礎となる各種ラミニンアイソフォームの精製を行った。また、複数のES細胞の系統について分化誘導条件を検討し、培養基質の効果を検討するのに適した分化誘導系の検討を行った。1.組み換えラミニン蛋白質の精製については、ヒト293F細胞にヒトラミニンα、β、γ各サブユニット発現ベクターを導入し、分泌されたラミニン蛋白質を、特異抗体を用いたアフィニティクロマトグラフィーにより精製した。精製蛋白質はウェスタンブロット等で品質を確認した。このようにして、ラミニン各α鎖(α1α5)とβ1、γ1鎖を含むラミニンアイソフォームを精製した。2.ES細胞については、野生型ゲノムを持つD3、Nkx2.5遺伝子座にGFPを導入したNkx2.5-GFP、およびその親株であるht7の分化誘導法を検討した。分化誘導にあたっては、ES細胞の自発的な分化を開始させるため、未分化ES細胞を浮遊培養し、embryoid body (EB)とよばれる細胞塊を形成させる方法を用いた。5日間の浮遊培養後にEB内部で複数の細胞系譜への分化が進んでいることを、ES細胞の分化マーカーとなる遺伝子の発現解析によって確認した。現在、EBで分化させた細胞を異なる基質上培養し、細胞の挙動および分化マーカー遺伝子発現について解析を行っている。平成19年度には、EBで分化させた細胞を各ラミンアイソフォームの基質上で培養し、それぞれのラミニン蛋白質が分化誘導または分化形質の維持にどのような効果を及ぼすかを明らかにする。
銀河団における銀河間高温ガスの冷却流の熱的不安定過程の研究

x線銀河団の観測から銀河団の冷却流が示唆されている。この冷却流の進化とその熱的不安定過程は銀河形成過程との類似性から興味がもたれている。x線観測から冷却流の質量流束は銀河団中心に近づくにつれ減少することが示され、その機構として熱的不安定性が提案されていた。この過程を明らかにするため、我々は、非線形な密度揺らぎの熱的不安定性に対する解析を銀河団の重力の効果を考慮して初めて行った。非線形揺らぎの成長を解析的に調べることは困難なので、安定で高精度な数値流体力学コ-ドを開発しス-パ-コンピュ-タ-を用いて解析した。はじめに、物理的な状況を把握しやすいように冷却流を平板平行2次元流と仮定し解析した。解析結果から非線形な密度揺らぎが取河団の重力に引かれ落下すると、渦度が発生・成長し、そのため密度揺らぎが変形し、その振幅が低下することが初めて明らかになった。計算結果を解析し、この過程が起こる条件を示した。また、銀河団を球対称重力場で近似し、その中の冷却流についても同様な結果が得られることを示した。以上の結果から、渦度の発生は磁場によって抑えられるという示唆を得て、銀河間ガスに磁場を仮定し同様な解析を行った。この場合、渦度の発生は抑えられ熱的不安定性が成長可能となる結果を得た。ある密度揺らぎが熱的不安定となるにはどの様な磁場があれば良いのかについて議論した。以上から、銀河間ガスに磁場がなければ銀河団の冷却流では熱的不安定性が起こりにくいことがわかった。x線観測から示唆されている冷却流の質量流束の低下は、銀河団で期待しうる大きさの磁場に影響された銀河間ガスの熱的不安定で説明出来る可能性を示した。以上の結果は、三つの論文として発表あるいは発表予定である。x線銀河団の観測から示唆されている銀河団の冷却流の進化とその熱的不安定過程は銀河形成過程との類似性から興味がもたれている。この過程を明らかにするため、非線形な密度揺らぎの熱的不安定性に対する解析を銀河団の重力の効果を考慮して初めて行った。x線の観測から冷却流の質量流束は銀河団中心に近づくにつれ減少することが示唆され、その機構として熱的不安定性が提案されていた。今年度は簡単のために冷却流を平板平行2次元流と仮定し解析した。解析結果から非線形な密度揺らぎが銀河団の重力に引かれ落下すると、渦度が発生、成長し、そのため密度揺らぎが変形し、その振幅が低下する過程が初めて明らかになった。また、この過程が起こる条件は、密度揺らぎの波長と振幅、そしてその近傍の冷却流の性質で決まることを示した。この条件は極端に振幅の大きな密度揺らぎの場合を除き、密度揺らぎは成長できないことを示している。次に、銀河団を球対称重力場で近似し、その中の冷却流について軸対称2次元流の仮定をし同様の解析をした。その結果、非線形密度揺らぎの進化は平板平行流の場合と同様に渦度の発生と成長で密度揺らぎは壊れることが明かとなった。この条件は平板平行2次元流と同様であることが解った。これらの結果は、銀河団の冷却流では熱的不安定性が起こりにくいことを示しており、x線観測から示唆されている冷却流の質量流束の低下を単純な熱的不安定で説明することは困難であることが明かとなった。しかし、渦度の発生が熱的不安定性を妨げることから、銀河間ガスの磁場が渦度の成長を妨げ熱的不安定を促す可能性を考えられる。次年度はこの可能性について検討する予定である。以上の結果の一部は、論文として発表あるいは発表予定である。

x線観測から示唆されている冷却流の質量流束の低下は、銀河団で期待しうる大きさの磁場に影響された銀河間ガスの熱的不安定で説明出来る可能性を示した。以上の結果は、三つの論文として発表あるいは発表予定である。x線銀河団の観測から銀河団の冷却流が示唆されている。この冷却流の進化とその熱的不安定過程は銀河形成過程との類似性から興味がもたれている。x線観測から冷却流の質量流束は銀河団中心に近づくにつれ減少することが示され、その機構として熱的不安定性が提案されていた。この過程を明らかにするため、我々は、非線形な密度揺らぎの熱的不安定性に対する解析を銀河団の重力の効果を考慮して初めて行った。非線形揺らぎの成長を解析的に調べることは困難なので、安定で高精度な数値流体力学コ-ドを開発しス-パ-コンピュ-タ-を用いて解析した。はじめに、物理的な状況を把握しやすいように冷却流を平板平行2次元流と仮定し解析した。解析結果から非線形な密度揺らぎが銀河団の重力に引かれ落下すると、渦度が発生・成長し、そのため密度揺らぎが変形し、その振幅が低下することが初めて明らかになった。計算結果を解析し、この過程が起こる条件を示した。また、銀河団を球対称重力場で近似し、その中の冷却流についても同様な結果が得られることを示した。以上の結果から渦度の発生は磁場によって抑えられるという示唆を得て、銀河間ガスに磁場を仮定し同様な解析を行った。この場合、渦度の発生は抑えられ熱的不安定性が成長可能となる結果をえた。ある密度揺らぎが熱的不安定となるにはどの様な磁場があれば良いのかについて議論した。以上から、銀河間ガスに磁場がなければ銀河団の冷却流では熱的不安性が起こりにくいことがわかった。