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素子ばらつき・経年劣化に耐性を持つアナログ回路動作マージン自動極大化設計法の研究

環境(温度)変動、ばらつき、経年変化等の課題を克服して、特に高い信頼性を持つ車載/ロボット用LSIを提供する新しいアナログ回路の設計手法「マージン自動極大化設計法」の構築を行った。発振回路とアナログIP、メモリ(SRAM)を対象回路として、マージン最大化技術や性能補正技術、さらにはマージンフリー化へ研究を進めた。それらの技術についてまとめ、国際学会(4件)や論文(2件)、特許出願(2件)を行った環境(温度)変動、ばらつき、経年変化等の課題を克服して、特に高い信頼性を持つ車載/ロボット用LSIを提供する新しいアナログ回路の設計手法「マージン自動極大化設計法」の構築を行った。それらの技術についてまとめ、国際学会(4件)や論文(2件)、特許出願(2件)を行った本研究では、環境(温度)変動、ばらつき、経年変化等の新たな技術課題を克服して、特に高い信頼性を持つ車載/ロボット駆動用パワーIC、各種センサーIC LSIを提供する新しい設計手法の構築とそれを適用した性能実証用回路の試作・評価を3ヵ年間で行う。本研究の基本構想は次の通りである:(1)上記の知的クラスター(第2期)創成事業の研究において自動算出が可能となった動作マージン値を性能指標として評価関数化する。(2)動作マージン算出には、素子劣化も考慮する。(3)ある与えられた回路の設計マージンを最大化するために最適なアルゴリズム(例えば最急降下法など)を見出し、各回路パラメータ定数の自動最適化を行う。この素子ばらつきや経年務化を考慮して回路定数を自動的に探索・最適化する新たな設計手法の構築は、従来のマージン確認型の設計法を見直す画期的なもので、本研究成果によれば、設計者は、回路形状の検討や、使用するデバイスの選択に集中できるようになり生産性を大きく向上することができる。またデバイス設計者にとっても、回路性能を実現する上で望ましいデバイス性能の探索に利用することができ、次世代の製造プロセスの開発にフィードバックすることができる。本研究の成果は、近い将来のLSI設計の主流技術の一つとなるものと考えられる。H21年度は、アナログ基本回路であるオペアンプ回路とリング型発振器をターゲットに、パラメータの最適化を行う回路設計法の構築を行った。その手法の実証のために、VDEC(東京大学大規模集積システム設計教育研究センター)を利用したLSIの試作を行っている本研究では、環境(温度)変動、ばらつき、経年変化等の新たな技術課題を克服して、特に高い信頼性を持つ車載/ロボット駆動用パワーIC、各種センサーIC LSIを提供する新しい設計手法の構築とそれを適用した性能実証用回路の試作・評価を3ヵ年間で行っている。2年目となる今年度は、前年度までに知的クラスタープロジェクトで構築した、素子劣化現象を取り込んだ回路シミュレータを適用することにより、発振回路、小規模論理回路、SRAMについて解析を行った。その結果、素子劣化やデバイスばらつきの影響を受けやすい回路や、各回路内で問題となる部分が、これまで考慮されていなかった視点から明らかとなってきた。その手法の実証のために、VDEC(東京大学大規模集積システム設計教育研究センター)を利用したLSIの試作を行った。それらの問題点の分析から、DA変換回路を内蔵した補正型アンプや、マージンフリーを実現するSRAM等、従来にない新規な回路を設計し、試作チップによる基本性能の確認まで行った。また、偶数段リングオシレータ最適化設計法の確立により、この回路はCMOSで実現可能な直交位相型オシレータの中で、最有力な回路であることがわかった。この結果は、論文誌JJAPに投稿し採択された。最終年度となる次年度は、実際の回路技術の応用先を探索し、事業化へ繋げる活動を行いたい。環境(温度)変動、ばらつき、経年変化等の課題を克服して、特に高い信頼性を持つ車載/ロボット用LSIを提供する新しいアナログ回路の設計手法「マージン自動極大化設計法」の構築を行ってきた。これまでに対象回路として、発振回路とアナログIPについて、マージン最大化技術や性能補正技術の研究を進めてきたが、それらの技術についてまとめ、国際学会で発表するとともに、2件の論文にまとめた。さらにH23年度とH24年度は、最終的な性能を評価するために、上記コンセプトを拡張し、SRAMへ適用した、レシオレスSRAM回路の実証LSIをVDECにより試作した。その評価結果により、マージンフリー動作を実現し、桁違いに素子性能がばらついても動作が確保される優れた性能を実験的に照明することに成功した。この研究成果を国際学会IEEE International Memory Work Shopにて発表を行った。24年度が最終年度であるため、記入しない。
膵癌治療における癌抑制遺伝子ASCの役割

【目的】膵癌は乏血流性腫瘍であり、これに起因する腫瘍内低酸素環境により誘導される腫瘍増殖因子および放射線・化学療法耐性因子の増加が膵癌の悪性度を高めている可能性を示唆する報告が相次いでいる。我々は癌抑制遺伝子ASCがp53誘導型アポトーシスで重要な役割を果たしており、ASCの遺伝子導入により抗癌剤感受性が増強することを報告してきた(NatureCellBiol 2004, Oncogene 2006)。一方、ASCはp53を介さない経路でも抗腫瘍効果を発揮することが知られており、低酸素環境下でも癌抑制作用を担っている可能性がある。本研究では膵癌細胞株を用いて、ASCの発現頻度、低酸素下で重要な転写因子HIF-1aとの関係、およびASC遺伝子導入による抗腫瘍効果について検討した。【方法】7種類の膵癌細胞株を用いてASCの発現頻度をウエスタンブロット法で調べた。また1%低酸下でのASC発現量変化と、HIF-1aおよびp53との関連についても調べた。さらに低酸素下で薬剤耐性を示す膵癌細胞株PK-1にASC発現アデノウイルスを用いて遺伝子導入を行い、低酸素下での抗腫瘍効果について解析した。【結果】7種類中5種類の膵癌細胞株でASCの発現を認めた。ASCは低酸素状況下でHIF-1a依存性に発現が誘導されたが、これはp53の変異の有無に影響されなかった。膵癌細胞株PK-1では1%低酸素によりASCは誘導されるものの細胞死は来たさなかった。一方、遺伝子導入を行うとASCを過剰発現により細胞死が誘導され、さらに1%低酸素下に置くと細胞死作用が増強された。【結論】低酸素下でASCは誘導されるものの、生理的発現量では他の腫瘍増殖因子とのバランスで抗腫瘍効果を発揮できないものと考えられた。この場合遺伝子導入によるASCの過剰発現が有効であり、癌治療戦略の一つになりうる可能性が示唆された。ASCの低酸素環境下での役割およびHIF-1との関連の基礎的研究1.HIF-1によるASC制御の解明HIF-1を標的としたsiRNAを膵癌細胞株に導入し、ASCが低酸素下でHIF-1依存性に誘導されることをWesternblot法を用いて証明した。またコンピューター解析によりASCのプロモーター領域に存在するHIF-1結合領域を同定した。今後更にクロマチン免疫沈降法(CHIP)やルシフェラーゼアッセイ法を用いたプロモーター解析を行い、ASCがHIF-1の標的遺伝子であることを証明する予定である。2.低酸素下でのASCの役割膵癌化学療法で頻用されているジェムザールあるいは5-FUの効果は低酸素により低下した。この時ASCの発現は誘導されているが、ASCの作用発現に必須な癌抑制遺伝子Baxの発現は抑制されており、このBaxの発現抑制が膵癌の低酸素下での薬剤耐性の大きな原因であることが予想された。今後は低酸素下で有効な抗腫瘍作用を得るためにASCの遺伝子導入を行う予定である。

我々は癌抑制遺伝子ASCがp53誘導型アポトーシスで重要な役割を果たしており、ASCの遺伝子導入により抗癌剤感受性が増強することを報告してきた(Nature Cell Biol 2004. Oncogene 2006)。一方、ASCはp53を介さない経路でも抗腫瘍効果を発揮することが知られており、低酸素環境下でも癌抑制作用を担っている可能性がある。本研究では膵癌細胞株を用いて、ASCの発現頻度、低酸素下で重要な転写因子HIF-1αとの関係、およびASC遺伝子導入による抗腫瘍効果について検討した。【方法】7種類の膵癌細胞株を用いてASCの発現頻度をウエスタンブロット法で調べた。また1%低酸下でのASC発現量変化と、HIF-1αおよびp53との関連についても調べた。さらに低酸素下で薬剤耐性を示す膵癌細胞株PK-1にASC発現アデノウイルスを用いて遺伝子導入を行い、低酸素下での抗腫瘍効果について解析した。【結果】7種類中5種類の膵癌細胞株でASCの発現を認めた。ASCは低酸素状況下でHIF-1α依存性に発現が誘導されたが、これはp53の変異の有無に影響されなかった。膵癌細胞株PK-1では1%低酸素によりASCは誘導されるものの細胞死は来たさなかった。一方、遺伝子導入を行うとASCを過剰発現により細胞死が誘導され、さらに1%低酸素下に置くと細胞死作用が増強された。【結論】低酸素下でASCは誘導されるものの、生理的発現量では他の腫瘍増殖因子とのバランスで抗腫瘍効果を発揮できないものと考えられた。この場合遺伝子導入によるASCの過剰発現が有効であり、癌治療戦略の一つになりうる可能性が示唆された。
高度バーチャルファクトリの実現に向けた加工結果と消費エネルギ予測技術の開発

本研究では,工作機械の送り駆動系の運動誤差と幾何誤差を考慮して加工形状と加工面とを予測する方法とモータのトルクと回転速度とから消費エネルギを予測する方法とが確立されたほか,工作機械の構造振動と送り駆動系および主軸駆動系の特性を表現可能な数学モデルを構築し,これとボクセルモデルによる切削力と加工結果のシミュレーション技術を連成させることに成功した.様々な運動誤差が加工面に及ぼす影響,運動中の消費電力およびエネルギ,および切削加工中の工作機械の挙動に起因する切削力変動を開発したシミュレーション技術により的確に表現できることが確認された.本研究では,工場における生産設備の中核を占める数値制御工作機械について,加工される部品の形状精度,面品位,および加工に要するエネルギを事前に予測するためのシミュレーション方法を確立し,世界に先駆けた高度なバーチャルファクトリの実現に寄与することを目的としている.平成27年度には,主軸および送り駆動系の運動と切削力との連成シミュレーションを行うための技術を確立することを目指して研究を遂行した.そのために,送り駆動系モデルから得られる各軸の位置または角度を座標変換することで計算される主軸端-テーブル間の相対位置および姿勢と,主軸駆動系モデルにより計算される工具回転角度とを切削力モデルに入力し,時間ステップごとに切削力を計算できるようにした.これにより計算された切削力から各軸方向の切削反力および切削トルクを計算して主軸および送り駆動系モデルの外乱として入力することで,次の時間ステップにおける位置および角度は切削力による影響が反映されたものとなり,これを繰り返すことで,主軸および送り駆動系の運動と切削プロセスとの相互作用をシミュレーションにより表現できる.実際に切削試験を行い,そのときの切削力,主軸回転数およびトルク,送り軸の速度変動およびモータトルク,主軸頭の加速度を測定してそれらのシミュレーション結果と比較した結果,工作機械の数学モデルに考慮していない振動モードに起因する振動を除き,切削力の変動により生じる機械振動とそれにより生じる切削力の変動とを開発したシミュレーション方法で的確に表現できることを確認した.このほか,機械構造の振動も考慮したシミュレーションを行うために必要な数学モデルについての論文を発表した.平成27年度には主軸および送り駆動系の運動と切削力との連成シミュレーションを行うための技術を確立することを目指して研究を行い,そのために必要な技術課題に取り組んだ.その結果,連成シミュレーションを行うための基本的な技術を確立することに成功し,実験とシミュレーションを比較することでその有効性を検証できた.このほか,機械構造の振動も考慮したシミュレーションを行うために必要な数学モデルについての論文を発表したほか,びびり振動が生じると主軸の駆動トルクが減少し,その結果消費電力も減少する現象を見出した.本研究では,工場における生産設備の中核を占める数値制御工作機械について,加工される部品の形状精度,面品位,および加工に要するエネルギを事前に予測するためのシミュレーション方法を確立し,世界に先駆けた高度なバーチャルファクトリの実現に寄与することを目的としている.平成28年度には,主軸および送り駆動系の運動と切削力との連成シミュレーションを行うための技術を確立すること,および送り駆動系の運動に要する消費エネルギの予測技術を確立することを目指して研究を遂行した.まず,工作機械の構造振動と送り駆動系および主軸駆動系の特性を表現可能な数学モデルを構築し,これとボクセルモデルによる切削力と加工結果のシミュレーション技術を連成させることに成功した.工作機械構造と主軸および送り駆動系の数学モデルにより計算される工具位置及び主軸回転角度をボクセルシミュレータに入力し,その結果から切削力および切削トルクを計算する.計算された切削力および切削トルクを工作機械構造と駆動系のモデルに外乱として印加し,それを1計算ステップごとに繰りかえすことで連成シミュレーションが実現された.加工の切込み量を様々に変えた実験とシミュレーションとを行った結果,切込み量が大きくなると機械構造の振動特性に起因したびびり振動が発生し,その現象を開発した連成シミュレーション技術により的確に表現できることが確認された.このほか,5軸制御工作機械の回転軸の運動特性について詳細に調査したほか,5軸制御工作機械の各軸の消費エネルギ推定モデルを構築し,工作物の設置位置によって5軸制御工作機械の消費エネルギが変化することを構築したモデルにより推定可能であることが確認された.平成28年度には,工作機械の構造振動と送り駆動系および主軸駆動系の特性を表現可能な数学モデルを構築し,これとボクセルモデルによる切削力と加工結果のシミュレーション技術を連成させることに成功したほか,送り駆動系の消費エネルギの推定技術についても確立された.しかし,実際の現象と異なる現象がシミュレーション上で発生する場合もあり,その原因を明らかにして解決する必要がある.本研究では,工場における生産設備の中核を占める数値制御工作機械について,加工される部品の形状精度,面品位,および加工に要するエネルギを事前に予測するためのシミュレーション方法を確立し,世界に先駆けた高度なバーチャルファクトリの実現に寄与することを目的としている.本研究では,工作機械の送り駆動系の運動誤差と幾何誤差を考慮して加工形状と加工面とを予測する方法が確立されたほか,工作機械の構造振動と送り駆動系および主軸駆動系の特性を表現可能な数学モデルを構築し,これとボクセルモデルによる切削力と加工結果のシミュレーション技術を連成させることに成功した.

様々な運動誤差が加工面に及ぼす影響をシミュレーションで予測できることが確認されたほか,切込み量が大きくなると機械構造の振動特性に起因したびびり振動が発生し,その現象を開発したシミュレーション技術により的確に表現できることも確認された.送り駆動系のモデルには,摩擦力の非線形ばね特性も考慮された.このほか,5軸制御工作機械の回転軸の運動特性について詳細に調査したほか,5軸制御工作機械の各軸の消費エネルギ推定モデルを構築し,工作物の設置位置によって5軸制御工作機械の消費エネルギが変化することを構築したモデルにより推定可能であることが確認された.開発されたシミュレーション方法は実際の加工の解析に供され,ISO規格に提案されている同時5軸制御によるS字形状加工の解析が行われたほか,開発されたシミュレーション技術を応用した幾何誤差同定方法も開発された.本研究では,工作機械の送り駆動系の運動誤差と幾何誤差を考慮して加工形状と加工面とを予測する方法とモータのトルクと回転速度とから消費エネルギを予測する方法とが確立されたほか,工作機械の構造振動と送り駆動系および主軸駆動系の特性を表現可能な数学モデルを構築し,これとボクセルモデルによる切削力と加工結果のシミュレーション技術を連成させることに成功した.様々な運動誤差が加工面に及ぼす影響,運動中の消費電力およびエネルギ,および切削加工中の工作機械の挙動に起因する切削力変動を開発したシミュレーション技術により的確に表現できることが確認された.今後は,びびり振動などの異常な切削状態における切削力や機械振動をシミュレーションし,その結果創成される加工面についてもシミュレーションを試みる.そのために,機械構造や主軸系の振動特性も考慮した数学モデルを用いて切削力との連成シミュレーションを行う.今後は,開発されたシミュレーション技術の完成度を高めるとともに,学会発表や論文の執筆を行い,その成果を国内外に広く発信する.開発したシミュレーション技術をより使いやすいものにすることで,例えばCAD/CAMシステムへの組込みが可能か検討を進める.数値制御工作機械切削試験に使用する工具や被削材について,切削条件を工夫して効率的に使用した結果,当初の予定よりも少ない金額で必要な実験を完遂できた.実験方法の工夫等により当初の見込みよりも物品費を少なく抑えることができた.平成27年度の余剰分を用いて国際会議に参加し,研究成果を発表する.研究成果の発信のための学会参加費,旅費,および英文校正費にあてる.
遺伝性腎性尿崩症患者におけるバゾプレッシン受容体機能異常の解明

我々は、幼児期より多飲多尿を呈し、同様の症状を示す者が家系内に多数存在する遺伝性腎性尿崩症患者に対してV2受容体遺伝子のDNAシークエンスを行い、V2受容体遺伝子上に一塩基の置換(^<614>A→G;^<205>Tyr→Cys)が生じていることを明らかにした。すなわちバゾプレッシン(AVP)のV2受容体への結合に重要と考えられる細胞外第2,3ループにアミノ酸変異をおこしていた。この変異V2受容体の機能異常を明らかにするために、COS細胞に変異V2受容体を発現させ、その機能異常を検討した。まず正常V2受容体cDNAをクローニングするために、腎癌患者の摘出腎の正常部分よりRNAを抽出し、RT-PCR法を用いてV2受容体cDNAを増幅分離した。患者V2受容体cDNAは正常V2受容体cDNAからsite-directed mutagenesis法を用いて作成した。それぞれのcDNAを発現ベクター(pSVL)に挿入し、さらにCOS細胞に発現させた。このCOS細胞で、^3H標識バゾプレッシン結合能とバゾプレッシン作用時の細胞内cAMP(cAMPi)産生量を検討した。その結果、患者V2受容体ではバゾプレッシン結合能は正常の約1/10に低下していた(患者KD19.8nM,正常KD1.8nM)。正常V2受容体では、cAMPiはバゾプレッシン0.1nMから増加し、1nMでプラトーに達した。一方、患者では、10nM以上の高濃度のバゾプレッシンでのみcAMPiの軽度の増加が認められた。以上の結果から、本例での腎性尿崩症の主な原因は異常V2受容体遺伝子による変異V2受容体のバゾプレッシンへの親和性低下であると考えられた。
Ｐｒ－Ｃａ－Ｃｏ－Ｏ系で発現する特異な金属・絶縁体－スピン状態同時転移機構の解明

コバルト酸化物Pr-Ca-Co-Oでは3価のCoイオンのスピン状態転移と同時に金属・絶縁体転移が1次相転移で起こる。本研究はこの転移の発現機構の解明を目的として実施した。得られた主な知見を以下に示す。1)SPring-8における放射光X線吸収分光実験からPr価数が転移をまたいで3価と4価の間で変化し、これが転移のトリガーとなること。また、Tbも価数変化を示すことを見出した。2)強磁場下ではこの転移が完全に抑制されることを初めて見出し、定常およびパルス磁場中における放射光X線吸収分光実験から磁場中においてもPr価数変化が転移と密接に関係していることを明らかにした。コバルト酸化物Pr-Ca-Co-Oでは3価のCoイオンのスピン状態が温度を下げていくと高(もしくは中間)スピン状態から低スピン状態に変化転移する。そして、このとき同時に金属から絶縁体に転移する。我々は、この金属・絶縁体ースピン状態同時転移がPrイオンの価数変化によって誘起されていることを放射光X線吸収分光測定(SPring-8のビームラインBL01B1を利用)から明らかにしてきた。また、我々は強磁場印加によってこの転移が完全に抑制されることを見出している。そこで、磁場中相転移とPr価数の関係を明らかにするために、SPring-8のビームラインBL22XUでパルス磁場(最大印加磁場40テスラ)中、BL39XUで定常磁場(最大10テスラ)中における放射光X線吸収分光測定をそれぞれ実施した。その結果、どちらの実験においても磁場誘起のPr価数変化を観測することに成功した。つまり、この転移に対する磁場効果においてもPr価数の変化が重要な役割を担っていることが明らかとなった。定常磁場の実験でPr価数が一旦増加した後再び減少するという異常な振る舞いが観測されたが現時点では原因不明である。今後、この現象が本質的であるか否かを含めてその起源を明らかにする必要がある。Coサイトへ他の遷移金属元素を置換し、転移への影響とCoイオンの価数について調べた。その結果、4価のMnイオンを置換した場合は転移温度が上昇したが、3価のFeまたはNiイオン、2価のCuイオンを置換した場合、転移温度は減少した。特にFeもしくはNiを置換した場合、それぞれ5%および2%の置換量で転移が完全に消失した。今回得られた元素置換効果の結果はキャリアドープの観点からほぼ説明できる。また、FeまたはNi置換の結果は強磁性金属が内部にあることから磁場効果の転移抑制と類似の機構で説明できると考えられる。(Pr1-yREy)0.7Ca0.3CoO3(REは希土類元素)では3価のコバルトイオンのスピン状態転移にともなって金属・絶縁体転移が生じる。この同時転移を誘起すると考えられているPrイオンの価数変化を様々なRE置換試料(RE=Y, Sm, Eu, Tb)について調べた。SPring-8の放射光X線を用いてX線吸収分光実験(ビームラインBL01B1)を実施した。全ての試料で温度を下げていくと転移を跨いでPrイオンの一部が3価から4価に変化した。Prイオンの価数変化は置換したRE種に依らず転移温度よりも高温から始まることが分かった。また、Prイオンの平均価数の変化量は転移温度の増加とともに大きくなる傾向を示したがこの原因については明らかになっていない。この転移はPrとCaを含む場合にのみ現れることから、Prイオンの必要性を明らかにするために置換したREイオンの価数変化の有無を調べた。その結果、Y, Sm, Euは価数変化しなかったが、Tbイオンのみ一部が3価から4価へ変化していることを見出した。ただし変化量はPrに比べて非常に小さかった。そこでPrを含まない(Tb1-yREy)0.7Ca0.3CoO3を作製して同時転移の観測を試みたが、現時点では観測できていない。また、転移が無い試料においてはPrイオンの価数変化が生じないことを確認した。従って、現時点ではこの転移にはPrイオンの存在とその価数変化が不可欠であると結論できる。一方、Coイオンの平均価数も調べたが有為な変化は見出されなかった。吸収測定による観測は困難と判断し、2013年度にSPring-8のビームラインBL39XUにおいて蛍光X線によりCoイオンの平均価数の温度依存性を明らかにする予定である。コバルト酸化物Pr-Ca-Co-Oでは3価のコバルトイオンのスピン状態転移と同時に金属・絶縁体転移が起こる。我々はこれまで、この金属・絶縁体ースピン状態転移がトレランス因子、Aサイト平均イオン半径およびランダムネスなどの格子パラメータに強く依存することやPrサイトを置換する希土類元素のイオン半径がPrより小さい場合(格子が収縮)は転移が出現するが大きい場合(格子が膨張)に転移が起こらないことを見出してきた。また、物理的な静水圧印加によって格子を収縮させると転移温度が上昇することが報告されている。そこで、格子系と転移の相関をより詳細に明らかにすべく、今年度はPr-Ca-Co-O単結晶薄膜を作製しその物性を評価した。薄膜は基板の格子定数を適切に選択することで格子を伸縮させることが可能であり、物理的圧力では不可能な格子膨張時の知見が得られると考えた。単結晶薄膜はパルスレーザー堆積法を用いて作製した。

Pr-Ca-Co-Oより格子定数が小さい基板の場合、電気抵抗率に金属・絶縁体ースピン状態転移の兆候を示す傾きの変化が現れたが、格子定数が大きい基板の場合は全ての薄膜試料で転移の兆候は観測されなかった。この結果は、上述の置換RE元素のイオン半径と転移の関係と矛盾しない振る舞いであり、この転移には格子収縮が不可欠であることが明らかとなった。今後は、膜厚を増加させてバルク試料に近づけた厚膜試料を金属有機化合物分解法で作製し評価することで、薄膜試料で観測された現象と基板拘束の相関を明らかにする予定である。コバルト酸化物Pr-Ca-Co-Oでは3価のコバルトイオンのスピン状態転移と同時に金属・絶縁体転移が1次相転移で起こる。我々は、この同時転移が格子パラメータに強く依存することやPrサイトを置換する希土類元素のイオン半径がPrより小さい場合(格子が収縮)は転移が出現し、大きい場合(格子が膨張)は転移が消失することを見出してきた。そこで、格子系と転移の相関をより詳細に明らかにすべく、平成26年度はPr-Ca-Co-O単結晶薄膜をパルスレーザー堆積法で作製しその物性を評価した。Pr-Ca-Co-Oに圧縮応力が掛かる場合、その薄膜の電気抵抗率に金属・絶縁体ースピン状態転移の兆候を示す傾きの変化が観測された。バルクと同様な一次相転移にならなかった原因が基板による格子拘束にあると考えて、今年度は基板の影響が緩和されるPr-Ca-Co-O厚膜を溶液法によって作製することを試みた。その結果、仕込組成通りのPr-Ca-Co-O厚膜を得ることには成功したが、厚膜試料においても転移を観測するには至らなかった。溶液法でPr-Ca-Co-O厚膜を作製可能という新しい知見は得られたが、薄膜試料においてこの同時転移がブロードになる原因は未解決の課題として残った。研究期間内で以下の知見を得た。1)SPring-8における放射光X線吸収分光実験からPr価数が転移をまたいで3価と4価の間で変化し、これが転移のトリガーとなること。また、Prの一部をTbで置換した試料ではTbも価数変化を示すことを見出した。2)強磁場下ではこの転移が完全に抑制されることを初めて見出した。その後、定常およびパルス磁場中における放射光X線吸収分光実験から磁場中においてもPr価数変化が転移と密接に関係していることを明らかにした。コバルト酸化物Pr-Ca-Co-Oでは3価のCoイオンのスピン状態転移と同時に金属・絶縁体転移が1次相転移で起こる。本研究はこの転移の発現機構の解明を目的として実施した。得られた主な知見を以下に示す。また、Tbも価数変化を示すことを見出した。2)強磁場下ではこの転移が完全に抑制されることを初めて見出し、定常およびパルス磁場中における放射光X線吸収分光実験から磁場中においてもPr価数変化が転移と密接に関係していることを明らかにした。今年度実施予定であった2つのテーマのうち、薄膜試料を用いた金属・絶縁体ースピン状態転移に対する基板圧力効果の実験に関しては、単結晶薄膜の作製に成功し、基板の格子定数に依存した転移の出現と抑制の兆候を捉えることが出来たことから「概ね順調」と評価できる。
飛行生物の翼を規範としたマルチスケール構造を持つ柔軟伸縮フィルム

鳥の翼では柔軟かつ伸縮可能な翼面が羽根の微小な毛状構造の曲げ変形によって実現している。本研究では、柔軟かつ伸縮可能なフィルムの構造として、異方的に配向した微小なシワよって伸縮性と曲げ剛性を増加するシワフィルムを提案した。今年度は、市販の有限要素法ソフトウェア(ANSYS R15.0)を用いて、シワの波長と振幅が引張剛性に与える影響を調べた。その結果、振幅が増加すると引張剛性は指数関数的に減少することが分かった。また、曲げ剛性を断面2次モーメントから解析的に評価し、曲げ剛性は振幅・膜厚比の2乗に比例して増加することが分かった。たとえば波長120マイクロメートル、振幅20マイクロメートル、膜厚5マイクロメートルのシワフィルムの場合、引張剛性はシワが無い場合の0.018倍、曲げ剛性は97倍となる。このシワフィルムを手のひらサイズの小型羽ばたき飛行機の翼面フィルムに応用した。1方向に配向させたシワフィルを用いて翼長60 mm、最大翼弦長30 mmの楕円翼を製作し、1自由度の羽ばたき機構に取り付けて24 Hzから28 Hzで羽ばたかせ、翼面変形と平均揚力を計測した。翼のサイズと羽ばたき周波数はハチドリを規範として決定した。実験の結果、シワが無い場合と翼前縁に平行に配向させた場合は、翼面フィルムの後縁部が不規則に大きく振動するフラッターが見られた。一方、シワを前縁に垂直に配向させると翼後縁のフラッターは抑制され、翼面全体が前縁まわりにねじれて適切な迎え角を取った。また平均揚力は、シワなしと平行シワよりも2倍以上の大きさとなった。これによりシワによるフィルム剛性制御が羽ばたき翼の空力性能向上に有効であることが示された。成果は国内学会の招待講演で1件発表し、国際論文に1件が採択された(平成27年度掲載予定)。26年度が最終年度であるため、記入しない。鳥の翼では柔軟かつ伸縮可能な翼面が羽根の微小な毛状構造の曲げ変形によって実現されている。本研究では、柔軟かつ伸縮可能なフィルムの構造として、微小なシワの曲げ変形によって伸縮性を実現するシワ付きフィルムを提案する。今年度はその製作方法として、微小なシワ形状を自己組織化的に生成してフィルムに転写する手法を考案した。シワ形状は、エラストマー基板の表面に比較的ヤング率の大きい薄膜を成膜し、面内で歪ませることで自己組織化的に形成した。歪み方向によってシワの配向を制御した。この基板上のシワに犠牲層を介しえてパリレンフィルムを蒸着し、犠牲層を除去することで、シワを有するパリレンフィルムを製作した。シワによってパリレンフィルムの見かけ上の引張弾性率が減少することを示すために、1方向にシワを配向させたパリレンフィルムを用いて引張試験を行った。その結果、シワが無いフィルムと比較して、シワと平行な方向の見かけの引張弾性率はほとんど変化しなかったが、シワと垂直な方向の見かけの引張弾性率はシワが無いフィルムの20%程度になった。このシワ付きフィルムの応用として超小型羽ばたき飛行機の翼面フィルムとして用いることを想定し、固定羽ばたき機構でシワの配向による翼面変形を比較した。その結果、翼弦と平行にシワを配向させることで翼面の過剰なフェザリング変形が抑制できることを示した。これらの成果は国内学会と国際シンポジウムで発表された。

26年度が最終年度であるため、記入しない。おおむね順調に研究が進んでいる。提案した製作プロセスによって実際にシワ付きフィルムが実現できた。また単純な1方向に配向させたシワによって、フィルムの見かけの引張弾性率が数分の1程度に小さくできることが確認できた。さらに応用先として提案した超小型羽ばたき機の翼面への適用にも着手し、シワの配向方向によって羽ばたき中の翼面変形に違いが生じることも確認できた。シワによってフィルムの見かけの引張弾性率を大きく減少できることは実証できたが、顕著な伸縮性と言えるほどの値ではない。シワの波長と振幅の最適化によって、十分な伸縮性の実現を目指す。また、シワ生成時のシワ基板の歪みを基板面内に不均一に分布させることで、面内に立体的に伸縮変形するようなシワフィルムの実現を目指す。この応用例として、3次元的な翼面変形が重要とされる超小型羽ばたき機の翼に適用し、シワ付きフィルムによって受動的な翼面変形を制御し空気力学的特性を向上させることを目指す。
福祉分野への応用が可能な汎用2足歩行モジュールの開発

本研究は,階段や斜面を昇降できる2足歩行型の歩行障害者用車いすなど福祉分野での現実的な利用が可能な汎用2足歩行ロボットの開発を目指し,主に福祉分野への現実的応用が可能な改良機の開発を目的とした.平成18年度には,安定性の向上と信頼性の向上の2面から並行して研究を行った.まず安定性の向上に関しては,姿勢角センサをもちいた姿勢補償制御により誤差累積を防止する手法を開発した.これにより歩行周期1.02s/step,歩幅0.2m,搭乗者体重50kgでの人間搭乗不整地歩行に成功した.また,平成17年度には搭乗者の能動的運動による外乱に対するフィードバック制御への第一段階として,早稲田大学で過去に開発されたZMP方程式の初期値解と着地位置変更を用いたリアルタイム外乱補償制御に,目標ZMP修正による発散防止手法とZMP偏差のフィードバックを加えた改良外乱補償制御を開発した.これにより,歩行周期0.96s/step,歩幅0.1m,搭乗者体重50kgで歩行中にピーク125Nの外力を加えた際にも安定に歩行することができた.またこれらを併用することにより,人間が搭乗して不整地を歩行している最中に外力を加えた際にも安定に歩行が継続できることを確認した.信頼性の向上に関しては,直動アクチュエータの歩行中のモータ電流実効値のばらつきを平均化させるため,逆動力学シミュレーションとGAを用いたジョイント配置の最適化設計を行い,この結果に基づいてハードウェアを再設計した.この結果歩行中のモータ電流実行値の最大値が約15%低減でき,発熱量の低減も確認できた.またハードウェアの軽量化も行い,最大積載重量を20kg増加させ,またこれにより体重75kgの人間搭乗歩行に成功した.これらにより,福祉分野への応用が可能な人間搭乗2足歩行ロボットの基礎技術を開発できたと考える.本研究では,運輸・医療福祉・娯楽など2足歩行の研究以外の分野で用いることのでき,また人間の搭乗も可能な汎用Mobie Baseとしての2足歩行ロボットの開発を目的としている.2003年度までには,1次試作機WL-15,2次試作機WL-16および改良機WL-16Rを開発し,成人女性を搭乗させた状態での2足動歩行,および体重60kgの成人男性を登場させた状態での前進・後退・左右歩行,旋回,S字歩行を含む2足動歩行に世界で初めて成功している.2004年度の研究成果を以下に示す.・ロック機構付ガススプリングを用いた支持脚トルク低減機構を開発しWL-16Rに搭載して,体重96kgの成人男性を搭乗させての2足動歩行に成功した.・福岡市の「ロボット開発・実証実験特区」において,世界初の2足歩行ロボットの公道での歩行実験を行った.・人間を乗せての階段昇降に成功した.・セミアクティブ支持多角形確保機構を改良し,不整地歩行に成功した.・着地軌道修正制御法を開発し,非線形コンプライアンス制御による着地路面検知と局所的軌道修正により,20mmの凹凸のある未知の不整地路面での歩行に成功した.・着地軌道修正制御法を拡張し,階段歩行に適用することにより,蹴上高さに+-40mmのばらつきのある階段での歩行に成功した.本研究は,階段や斜面を昇降できる2足歩行型の歩行障害者用車いすなど福祉分野での現実的な利用が可能な汎用2足歩行ロボットの開発を目指し,主に福祉分野への現実的応用が可能な改良機の開発を目的とした.平成16年度には,セミアクティブ支持多角形確保機構の改良機をもちいなんらの安定化制御を用いず20mm以内の凹凸のある路面における前進歩行,また非線形コンプライアンスを用いた着地軌道修正制御法を開発し高さ20mm以内の凹凸のある路面における安定歩行などを実現した.また歩行パラメータの調整により蹴上高さ250mmの階段昇降,200mmの階段における人間搭乗昇降に成功したまた福岡市のロボット開発・実証実験特区では,ショッピングモール内や屋外の神社入り口の階段における階段昇降などに成功した.また,前述の着地軌道修正制御を用い,蹴上高さに20mmのばらつきのある階段における安定歩行にも成功した.また転倒回避機構や校正手法に関する研究も行った.平成17年度には,16年度に開発した着地軌道修正制御法の問題点である姿勢角誤差の累積を防ぐ推定姿勢補償制御法を開発し,これを用い福岡ロボット特区内横断歩道や砂利道での安定歩行を実現した.またセミアクティブ支持多角形確保機構をさらに用いることで福岡城址における傾斜10degの石畳の路面における安定歩行に成功した.また福祉運用のために搭乗する人間が力を抜いたときの振舞いをモデル化しこれを用いた歩行パターン生成法を新たに開発し,これを用いることで安定度が増すことを確認した.さらに,これらを用い,世界初となる屋外不整地での人間搭乗2足歩行を実現した.また,乗り心地に関する検討も行った.これらにより,福祉分野への応用が可能な人間搭乗2足歩行ロボットの基礎技術を開発できたと考える.本研究は,階段や斜面を昇降できる2足歩行型の歩行障害者用車いすなど福祉分野での現実的な利用が可能な汎用2足歩行ロボットの開発を目指し,主に福祉分野への現実的応用が可能な改良機の開発を目的とした.平成18年度には,安定性の向上と信頼性の向上の2面から並行して研究を行った.まず安定性の向上に関しては,姿勢角センサをもちいた姿勢補償制御により誤差累積を防止する手法を開発した.これにより歩行周期1.02s/step,歩幅0.2m,搭乗者体重50kgでの人間搭乗不整地歩行に成功した.

また,平成17年度には搭乗者の能動的運動による外乱に対するフィードバック制御への第一段階として,早稲田大学で過去に開発されたZMP方程式の初期値解と着地位置変更を用いたリアルタイム外乱補償制御に,目標ZMP修正による発散防止手法とZMP偏差のフィードバックを加えた改良外乱補償制御を開発した.これにより,歩行周期0.96s/step,歩幅0.1m,搭乗者体重50kgで歩行中にピーク125Nの外力を加えた際にも安定に歩行することができた.またこれらを併用することにより,人間が搭乗して不整地を歩行している最中に外力を加えた際にも安定に歩行が継続できることを確認した.信頼性の向上に関しては,直動アクチュエータの歩行中のモータ電流実効値のばらつきを平均化させるため,逆動力学シミュレーションとGAを用いたジョイント配置の最適化設計を行い,この結果に基づいてハードウェアを再設計した.この結果歩行中のモータ電流実行値の最大値が約15%低減でき,発熱量の低減も確認できた.またハードウェアの軽量化も行い,最大積載重量を20kg増加させ,またこれにより体重75kgの人間搭乗歩行に成功した.これらにより,福祉分野への応用が可能な人間搭乗2足歩行ロボットの基礎技術を開発できたと考える.
真のヘテロ界面構造とその形成

本研究では、「埋もれた界面」構造を研究室レベルで評価できる高性能X線CTR散乱装置を開発し、一般に利用できる装置を構築した。界面構造の形成過程を「その場」で明らかにし、界面構造がデバイスに与える意味を明確に把握した。界面構造を制御し、デバイスの高性能化において、「界面構造制御」という新たな切りロを開拓した。(1)密接なフィードバックを可能とする結晶成長の「現場」での迅速な界面構造解析環境として、「埋もれた界面」構造をラボレベルで評価できる高性能X線CTR散乱装置の開発、(2)結晶成長過程で「埋もれた界面」の形成過程を見る、の2点を目的とした本研究では、「埋もれた界面」構造を研究室レベルで評価できる高性能X線CTR散乱装置を開発し、一般に利用できる装置を構築した。実験室系のX線発生装置(リガク・TTRIII)に多層膜集光ミラーおよびチャンネルカット4結晶分光器を用いた集光系により、X線CTR散乱測定専用のシステムを設計し、立ち上げた。光学経路における様々なX線散乱によるノイズ成分を取り除くことにより、Photon Factoryでの測定と同程度のSN比を持つInP/GaInAs/InP単一量子井戸構造からのX線CTR散乱信号を得ることができた。現在、4結晶を非対象反射とすることにより更にX線を集光させる工夫を行っている。一方、放射光を用いたCTR散乱を青/緑色発光デバイス材料として用いられているGaN/GaInN/GaN系に適用し、狭い量子井戸層におけるInの分布と発光特性の関係を明らかにしつつある。この狭い領域におけるIn組成の分布を定量的に求める方法は他になく、新しい知見を得るものと期待される。また、InP/GaInAs/InP系においても、GaInAs量子井戸中のAsが上部InP中へ広がる原因を明らかにするために、様々な作製条件下のヘテロ構造についてCTR散乱法を適用し、成長中のAsの脱離時間、滞在時間にまで踏み込んだ解析を行っており、定量的な値が求まっている。宮崎で開催された国際会議ICMOVPEおよび東京で開催されたMRS-Jでは、「埋もれた界面」を非破壊で明らかにする唯一の方法としてX線CTR散乱法による研究成果が招待講演となった。実験室系のX線発生装置(リガク・TTRIII)に多層膜集光ミラーおよびチャンネルカット非対称4結晶分光器を用いた集光系により、X線CTR散乱測定専用のシステムを立ち上げ、光学経路における様々なX線散乱によるノイズ成分を取り除くことにより、Photon Factoryでの測定と同程度のX線CTR散乱信号を得ることができた。かつ、さまざまな成長パラメータの変化による微小な構造変化も、極めて精度よく解析できることが確認された。成長パラメータの変化によるヘテロ界面の構造変化と成長時の界面形成メカニズムは、Photon Factoryでの実験により、多くの定量的な情報を得ることが出来た。一方、当初のもうひとつの目的である結晶成長のその場測定をこの実験室系X線CTR散乱測定装置において行うため、コンパクトな成長炉と制御系を設計製作してきたが、昨年末に完成、納品された。まず、室温での測定が上記のとおりの精度で行われることを確認した。更には、GaNの成長温度800°Cの昇温時においてもSN比が室温に比べて遜色なく測定できることが分かった。成長用原料ガスを流すには、さらに防護施設が必要であるが、本装置の完成は、実験室系のX線CTR散乱測定装置と結晶成長装置が組み合わされ世界初の装置として、名古屋で開催されたAkasaki Symposiumおよび東京で開催されたMRS-Jで招待講演として報告された。実験室系X線装置によるCTR散乱測定系とMOVPE成長装置の一体化と周辺装置の設置により、真空・キャリアガス供給・成長原料ガス供給が可能となり、かつ、昇温時のCTR散乱測定が可能となった。昇温実験で明らかになったことは、高温におけるGaN及びGaInNの信頼出来る物性定数や結晶学的定数・パラメータが殆どないことである。室温においてさえ、X線CTR散乱スペクトルを解析するに十分な精度の値であるかどうか不明である。特に、サファイア基板上のGaN系半導体薄膜は、格子不整合による歪み、および熱膨張係数差による歪みなどがあり、ある程度のヘテロ構造解析結果は得られているものの、物理的に解釈が困難な結果となっている。そのため、まず、GaN基板上のGaNの結晶学的パラメーラの温度依存性測定から始めることにした。精度の高いパラメータを取得し、21年度計画の成長時におけるCTR散乱測定およびその解析に供する。尚、本研究は電子材料シンポジウム(ラフォーレ修善寺、2008年7月9日-11日)で最も感心をもたれた発表に対して授与されるEMS賞を受賞した。また、SPring-8のマイクロビームを用いた数μmφレベルのマッピングは、幅の異なるSiO_2マスクを用いたInP/GaInAsP/InP成長における実験を行い、従来、層厚や組成の場所依存性がない、との仮定を用いざるを得なかったが、本実験によって、仮定なしで、すべての解(層厚、組成、ヘテロ界面)が得られることを示した。

昨年度は真空中および窒素ガス雰囲気中での昇温実験にとどまったが、今年度は、半年かけてモデル機を製作し、これによる空気漏洩実験で安全性を確認した。その後、キャリアガスが窒素ではあるが、約1000°CにおけるGaNおよびGaInNの成長を行った。原料は、TMGa, TMInとアンモニアである。第1回目からGaNが得られ、室温のCL測定でバンド端発光を得ることに成功した。実験室系X線測定装置とMOVPE成長装置を組み合わせた装置としては、初めての成長実験である。ただし、得られた結晶の表面モフォロジーは鏡面ではなく、層厚も傾斜があった。また、黄色の波長域に発光があるため(初期にはよくある例)、全体は無色透明ではなく、やや黄色味を帯びた結晶であった。続いて、GaInNの成長を試み、膜は得たが、In組成の制御が未熟で、InNの位置にX線回折ピークを得た。窒化合物半導体の成長では、何が起こっているかよく分っておらず、今後次々に明らかにしていく。GaN、GaInNともに成長速度が通常より速過ぎることが分かっており、今後、成長条件の最適化が必要である。また、万一のBe窓の破損を想定した漏洩ガスの瞬断装置を導入し、水素をキャリアガスとする成長実験へと展開する予定である。これまでのCTR散乱実験は、シグナル強度の問題から、放射光施設で行う必要があった。そのため結晶成長直後の評価が困難であり、実質上フィードバックすることは不可能であった。本研究では、「埋もれた界面」構造をラボレベルで評価できる高性能X線CTR散乱装置の開発を目的とする。また、いくつかの材料において本手法の有効性・重要性の実証を行う。界面構造の形成過程には、表面において結晶成長を行っているときと「埋もれた後」に偏析や拡散などによるものがある。前者に関しては、表面評価によりある程度は明らかにされてきた。しかし、後者の「埋もれた後」の挙動が極めて重要である。本研究では、世界初の界面形成その場観察を実行する。さらに、イメージング機能を付加することで、数μmオーダーの分解能をもつ界面観察へとブラッシュアップする。1.実験室系X線CRT散乱測定装置による結晶成長「その場測定」21年度に成功した、X線CTR散乱装置に組み込んだ気相結晶成長装置による窒化物半導体の成長を元に、成長温度(1,000度)でのCTR散乱測定を行う。これにより、窒化合物半導体の成長過程を追及する。2.表面1原子層の構造解析放射光X線を用いたX線CTR散乱法では、表面の1原子層の構造を測定できることが実証してある。上記の装置を用いて、実際の成長温度および雰囲気における成長1原子層の構造を測定(in-situ)する。これを継続することで、ヘテロ成長の初期1原子層から最終的な多層構造までを追跡しながら測定するための予備実験を行う。3.X線マイクロビームによる2次元マッピング平行して、SPring-8のマイクロビーム(数μmφ。通常は0.51mmφ)を用いて、ex-situではあるが上記の窒化物半導体試料のヘテロ界面構造を2次元マッピングで測定する。
回転拡散を利用したタンパク質反応ダイナミクス測定法の開発とその応用

(1)1残基のシステインを導入した6つのLysozyme変異体(K19C, S39C, S46C, N55C, V131C)に対して蛍光色素Setau-425-maleimide(以下Setau)を用いて選択的にラベリングを行ったサンプルに対し、CD測定スペクトル測定及び蛍光異方性解消法による測定を行うことでタンパク質の変性曲線に沿った局所部位の回転緩和速度の挙動を調べた。その結果、CD測定により得られた各変異体の変性曲線にはほとんど違いが見られなかった。一方、局所部位の回転緩和速度の挙動は変異体によって異なることがわかった。この結果はラベリングした局所構造の壊れやすさ、及び壊れた後の構造の動きやすさが局所構造ごとに異なることを反映していると考えられ、各局所構造を平均化した情報からは得られない挙動を捉えている考えられる。しかし、結果に対応する具体的な分子論的な描像は得られておらず、今後ラベリング箇所を増やして測定を行いタンパク質構造のより広範な領域の情報を得る必要がある。(2)蛍光異方性解消法をタンパク質反応ダイナミクス観測に適応するためにはデータ取得に要する時間をできるだけ短くする必要があるため、ストリークカメラを導入し、単一光子計数法による測定からアナログ測定に切り替えることで、データ取得時間を最短4ミリ秒まで短縮した。ストップトフローシステムは所属研究室で開発中のものを用いた。測定デッドタイム計測の結果からミリ秒程度の時間スケールでは、回転緩和速度は溶液混合後の流れの影響をほとんど受けないことがわかった。しかし、本システムには2液の混合比率が不安定、測定セル内の溶液が一回の混合で完全に交換されないという問題があり、現在改良を行っている。上記の問題を解決後、各Lysozyme変異体のリフォールディング反応ダイナミクス計測を行いたいと考えている。29年度が最終年度であるため、記入しない。平成27年度に得られた研究成果を以下に記す。1蛍光異方性解消法の光学系を構築した。また複数の球状タンパク質について回転拡散係数の測定を行い先行報告との比較を行うことで光学系の評価を行った。蛍光異方性解消法においては蛍光分子として長寿命のルテニウム錯体を用いることでタンパク質の回転緩和時間に比べ蛍光寿命が短すぎるという問題を解決した。測定結果は既に報告されているものとおおよそ一致する結果が得られた。2回転拡散係数とタンパク質二次構造の関係を調べるため、HSA(Human Serum Albumin)、Ovalbumin、Conalbuminの3つのタンパク質について天然状態と完全変性状態における回転拡散係数を測定し比較を行った。グアニジン塩酸塩(6M)を用いて完全に変性させたタンパク質と天然状態のタンパク質についての回転拡散係数の測定を行ったところ、天然状態に比べ回転緩和速度が大きく増加する(5075%程度)という結果を得た。これは、タンパク質は変性により構造の自由度が格段に増加するためタンパク質の局所構造の動きにより蛍光異方性が解消されてしまったことが原因であると考えている。このことから完全変性状態におけるタンパク質全体の回転拡散係数を、異方性解消法をもちいて観測することは非常に困難であるということが分かった。完全に変性したタンパク質に関する異方性解消法測定の例は報告がないためこの結果は有意義なものと考えている。32次構造の一部が壊れる場合の回転拡散係数と構造の関係を調べるため、HSAのpH依存的な構造変化(最大で約30%程度の二次構造が壊れる)を対象として回転拡散係数測定を行った。その結果pHを変化させても回転拡散係数はほとんど変化しないという結果を得た。これは当初の予想に反する結果であり、現在この結果に対する妥当な解釈を模索中である。平成27年度は当初の目標である蛍光異方性解消法の測定系の構築および回転拡散係数とタンパク質二次構造含有量の関係に関する測定を行った。測定系の構築については、蛍光ラベル分子として長寿命のルテニウム錯体を用いることでタンパク質の回転拡散係数を測定することが可能になり、得られたタンパク質の回転拡散係数も先行研究などと比較して妥当な値が得られている。したがって、測定系の構築に関しては進捗状況に何ら問題はない。しかし、回転拡散係数とタンパク質二次構造量の関係については、当初予想していた両者の相関関係がいまだ観測されていない。完全に変性したタンパク質については変性時に回転拡散係数の増加が観測された。これは局所的なタンパク質構造の自由度が増加するためであると解釈しており、異方性解消法を用いてタンパク質全体の回転拡散係数を測定することは困難であるという結論を得ている。一方、部分的に二次構造が壊れたタンパク質についてはタンパク質全体の回転拡散が観測されているにもかかわらず、回転拡散係数と二次構造量の相関が観測されておらず、並進拡散係数とタンパク質二次構造の相関に関する先行研究とも矛盾する結果である。現在この結果に対する妥当な解釈を得られていない。以上のことから研究進捗状況はやや遅れていると評価している。平成28年度はタンパク質の回転拡散係数と二次構造との関係を蛍光異方性解消法を用いて詳細に調べた。具体的には(1)ヒト由来のアルブミン(HSA)、Conalbumin、Ovalbuminなど複数のタンパク質について表面のリジン残基に位置非特異的にラベリングしたサンプルを作成し、変性曲線に沿った回転拡散係数の測定を行った。また、(2)タンパク質Lysozymeについて遺伝子操作により導入したシステイン残基に対して位置選択的にラベリングを行い、変性曲線に沿った回転拡散係数測定を行った。

HSA等の測定からタンパク質の回転拡散係数は変性することにより増加し、変性曲線に沿った異方性曲線の挙動はタンパク質の天然状態と変性状態の2状態モデルで解釈可能であることがわかった。タンパク質変性時の回転拡散係数の増加は変性することでタンパク質の局所構造のゆらぎが増加するためであると考えられる。回転拡散係数がタンパク質変性時に増加する挙動は、変性時に大きく減少する並進拡散係数と真逆であり今回得られた結果は、タンパク質構造を調べるために並進・回転拡散係数を使い分ける際に有用な知見になると考えている。また、位置特異的にラベリングしたLysozymeの測定では、HSA等と同様に変性により回転緩和速度が増加する挙動が見られた。一方、蛍光色素によるラベリングの位置を変えると変性曲線に対する回転拡散係数変化の挙動に若干の違いが見られ、ラベリング位置を変えることで局所的な構造変化の情報が得られることが示唆された。今後、Lysozymeを対象に変性過程における回転拡散係数変化の挙動をラベリング位置を替えて詳細に調べ、最終的には反応ダイナミクス測定に適用したいと考えている。蛍光異方性解消法を用いてタンパク質変性時の回転拡散係数の挙動を調べた結果、変性したタンパク質は構造の局所的な動きが増加するためタンパク質全体の回転を捉えることができないことがわかった。その為、当初の方針(蛍光異方性解消法を用いてタンパク質全体の回転を捉える)を変更し、蛍光異方性解消法を用いて局所的な動きを捉え、反応ダイナミクス観測に適用することを目標とした。平成28年度は方針変更に伴う対象タンパク質の選定・作製、蛍光色素の選択等を行い、着実に前進しているが予定していた反応ダイナミクス測定を行うことができていないため、上記のように評価した。(1)1残基のシステインを導入した6つのLysozyme変異体(K19C, S39C, S46C, N55C, V131C)に対して蛍光色素Setau-425-maleimide(以下Setau)を用いて選択的にラベリングを行ったサンプルに対し、CD測定スペクトル測定及び蛍光異方性解消法による測定を行うことでタンパク質の変性曲線に沿った局所部位の回転緩和速度の挙動を調べた。その結果、CD測定により得られた各変異体の変性曲線にはほとんど違いが見られなかった。一方、局所部位の回転緩和速度の挙動は変異体によって異なることがわかった。この結果はラベリングした局所構造の壊れやすさ、及び壊れた後の構造の動きやすさが局所構造ごとに異なることを反映していると考えられ、各局所構造を平均化した情報からは得られない挙動を捉えている考えられる。しかし、結果に対応する具体的な分子論的な描像は得られておらず、今後ラベリング箇所を増やして測定を行いタンパク質構造のより広範な領域の情報を得る必要がある。