hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
専門用語の識別と分類の為のマキシマムエントロピーモデルの利用

トニー・マレン氏は下記に説明したPIAプロジェクトの技術用語の自動アノテーション方法の研究に深く関わっている。遺伝子、遺伝子産物、人物、場所、組織名などの言語表現の名前の自動識別やアノテーションを含む重要でかつ興味深い研究の一つである。そのような表現の識別はしばしば、専門的なテキストを高度なレベルで理解するのに大きな役割を果たす。PIAプロジェクトには2つの重要な特徴がある。(1)専門家が構築したオントロジーを使い、人手によってアノテートされたウェブページからの機械学習に基づいてウェブを自動的にアノテートできる高性能アノテーションサーバーの構築と、(2)機械学習をサポートするためのオントロジープリミティブの集合に基づいたオントロジーサーバーのデザインである。マレン氏は最大エントロピーモデルを使用した機械学習の整備や、オープンオントロジーフォージと呼ばれるPIAソフトウェアの開発、専門的なテキストの修辞的分析のような関連分野での議論に積極的に参加するなど、幾つかの分野に貢献している。その結果、われわれのソフトウェアの解説をした,"Knowledge-based Intelligent Information and Engineering Systems(KES'2003)"での会議録を収集したSpringer-Verlag社刊行の"Lecture Notes in Computer Science"に発表された。また、彼はオックスフォード大学や、タイのカセサート大学で行われた共同研究発表会でも発表を行った。来年度は彼の実験を高度な言語学知識を利用した形で拡張し、修辞的分析や述語文法項構造分析のような意味内容の自動アノテーションといったような興味深い分野へのマキシマムエントロピーモデルの一般性をテストするつもりである。
ミオシンモーターの細胞内ナノシステムと走化性運動

(1)全反射蛍光顕微鏡による個々のミオシン繊維の挙動の解析:全反射蛍光顕微鏡によって、細胞膜側の細胞膜近傍のGFPミオシン繊維の挙動を高感度カメラにより画像取得し、走化性細胞運動に伴う構築変化を解析した。仮足の収縮時に繊維が集まることが明らかになった。(2)ミオシン遺伝子の改変による細胞内構築の解析:ミオシンのモーター活性、リン酸化の制御が、ミオシンが細胞尾部に集合するのに必要かどうかを、遺伝子を改変して調べた。モーター活性をもたないミオシンや、リン酸化できないミオシンでも仮足に新たに集合できることからこの集合にはこれらの制御を受けないことが明らかになった。(3)ミオシン繊維から細胞の力の出力まで:細胞内のミオシン繊維を観察すると同時に、細胞の出す力を計測した。力の計測は、最近我々が開発したシリコンオイル膜を用いる方法でおこなった。仮足の収縮時にミオシンが集合するタイミングで力が発生していることが明らかになった。(4)ミオシンリン酸化酵素の動態:4つのミオシン重鎖リン酸化酵素をGFP標識し、細胞内の動態を調べた。そのうち、MHCKC, Bは細胞の尾部でミオシン繊維と結合していることがわかった。(5)細胞尾部へのミオシンの集合細胞内シグナルの解明:走化性物質が細胞膜のレセプターに結合してからミオシンが細胞尾部に集合するまでの細胞内シグナル経路のうち、特にPTENの関与が明らかになってきた。全反射蛍光顕微鏡による個々のミオシン繊維の挙動の解析全反射蛍光顕微鏡によって、細胞腹側の細胞膜近傍のミオシン繊維の挙動を高感度カメラにより画像取得し、細胞運動に伴う挙動を解析した。個々のミオシン繊維がどのように細胞の尾部に集まるかを解析した。また走化性物質の入ったマイクロピペットを顕微鏡下で細胞に近づけることで、走化性運動を誘導した時のミオシンも同様な手法で観察した。ミオシン遺伝子の改変による細胞内構築の解析ミオシンが細胞尾部に集合するのに、ミオシンのモーター活性が必要かどうかを調べるため、ミオシンのモータードメイン内の点突然変異のためモーター活性のないミオシンを形質導入し、細胞尾部に集まるかどうかを調べた。また、ミオシンはリン酸化の制御を受けるので、リン酸化できないようなミオシンで細胞尾部に集まるかどうかを調べた。また、これらの変異ミオシンにGFP標識を行い、細胞内での集合の様子を直接観察した。ミオシン繊維から細胞の力の出力までミオシン繊維から細胞の力の出力までを観察するために、細胞内のミオシン繊維を観察すると同時に、細胞の出す力を計測しようと試みている。細胞の出す力を計測する方法としては、弾力性のあるゼラチン基質の上に細胞を載せ、細胞が動くのに伴って基質に伝わる力を、ゼラチン基質のひずみから計測する方法を用いた。そのために、基質上に接着させた小さなビーズの動きを指標とした。数nNレベルの細胞の基質に伝える力の分布を疑似カラー化した。全反射蛍光顕微鏡下でのミオシン蛍光と力の同時観察はゼラチン基質の屈折率が小さいため困難であることが分かり、現在新規基質を探している。
パルス中性子トモグラフィの開発によるマテリアル研究の新展開

本研究は、加速器パルス中性子源の特性を利用した新しい中性子透過イメージング技術を開発し、特に材料科学分野への応用・貢献を目指すものである。パルス中性子イメージングは、中性子イメージング(ラジオグラフィ・トモグラフィ)を発展させたものであり、物体内部の「物質情報」を非破壊的に可視化できる計測技術である。前年度までの研究により、元素(同位体・核種)、温度、結晶格子ひずみ、集合組織、結晶子サイズを定量的に画像化する手法を確立することに成功した。特に、結晶組織構造情報を定量化するためのリートベルト型スペクトル解析コード「RITS」の継続的な研究開発が、これほど多くの物質情報を引き出すことを成功させた要因であると言える。本年度は、大強度陽子加速器「J-PARC」物質・生命科学実験施設「MLF」に建設されたパルス中性子回折装置「iMATERIA」を利用して実験を行い、パルス中性子イメージング法と従来法であるパルス中性子回折法それぞれのリートベルト解析結果の比較を行った。透過法の実験データに対しては「RITS」、回折法の実験データに対してはJ-PARCセンターで開発されたリートベルト解析ソフトウェア「Z-Rietveld」を適用した。それぞれで得られた集合組織ならびに結晶子サイズの解析結果を比較したところ、両者はほぼ一致するという結果を得た。これにより、パルス中性子イメージングならびにRITSコードが与える結果の信頼性が確認された。また、これまでの研究成果を国内外の様々な学会で報告した。本手法は、電子顕微鏡・X線回折・放射光イメージング・中性子回折では同時達成が困難な「広面積」「高空間分解能」「バルク」「非破壊」測定を同時に達成できるユニークな材料解析ツールであり、多くの研究者から期待を寄せられた。その結果、鉄鋼協会で2回の招待講演を行い、材料学会で講演賞を受賞することとなった。加速器パルス中性子源を利用したエネルギー選別型中性子透過イメージング(ラジオグラフィ・トモグラフィ)に関する研究開発を進めた。本技術は、原子力工学に基づくものであり、非破壊検査、分析化学、熱工学、金属材料学といった各分野への貢献が期待される。高エネルギー中性子の共鳴吸収を利用したパルス中性子トモグラフィに関する研究開発を行った。本技術の開発過程において、中性子の共鳴吸収成分とそれ以外の成分を中性子透過率スペクトルから分離する方法を新たに開発した。これにより、核種密度の定量分析や温度分析を正確に行うことが可能となった。また、中性子画像検出器の各画素で得られたそれらの投影データを画像再構成することによって、測定対象物内部に存在する核種のそれぞれの密度と温度の断層分布を非破壊・非接触で可視化することに初めて成功した。低エネルギー中性子のブラッグ散乱を利用したパルス中性子トモグラフィを開発するため、まずはパルス中性子ラジオグラフィの基盤整備を行った。特に、ブラッグ散乱に起因する中性子透過率スペクトル変化「ブラッグエッジ」を定量的に解析するためのソフトウェア開発を推進した。本解析コードはリートベルト法に基づいたものであり、パルス中性子透過イメージングへの導入としては初めての試みであった。その結果、中性子透過率スペクトルから結晶構造、結晶格子歪、結晶配向性(集合組織)、核種密度を一挙に解析すること及び先述した様々な結晶組織情報の2次元実空間分布を非破壊的に同時にイメージングすることに成功した。特に結晶配向性(集合組織)の定量解析については初めての成功例である。従来の原子炉定常中性子源ではなく、加速器パルス中性子源を利用することで、物体内部の「物理量」を非破壊的に可視化することができるパルス中性子透過分光イメージング(ラジオグラフィ・トモグラフィ)法に関する開発研究を進めている。最終的には、全科学技術分野の根幹でもあるマテリアルサイエンスへの貢献を目指している。今年度の成果は、低エネルギー中性子のブラッグ散乱(回折)を利用したブラッグエッジ透過分光イメージングを材料研究法として実用化したこと、その研究過程においてブラッグエッジ透過率パターンから抽出できる情報量が飛躍的に増えたこと、さらにその情報の質が他の材料研究法(電子後方散乱回折、X線回折、中性子回折など)と同等になったこと、しかもバルクの結晶組織情報の実空間分布を一度に可視化できたことでその優位性が実証できたことである。具体的には、かなりの弱線源である北海道大学45MeV電子線形加速器施設のパルス冷中性子源を利用して、一般構造用圧延鋼SS400(α-Fe)のバルクの集合組織と微細組織の分布を、0.1mという広い範囲にわたって空間分解能800μmで定量的に可視化できたことである。定量的可視化には、前年度開発したブラッグエッジ透過率パターン解析ソフトウェアが必要不可欠であった。前年度までは集合組織の発達の程度を識別する程度だったが、今年度の継続的な実験的・解析的研究により、回折法による集合組織測定の際に行われる回転測定を全く行わなくても各中性子透過方向に配向している結晶面を特定することができた。また、結晶子内多重回折の評価による結晶子サイズ(微細組織)測定が新たに可能となった。別の実験では、透過イメージング法と回折法のひずみ測定にはそれぞれ得手不得手があることがわかり、目的に合わせて使い分ける基準が明確化できた。これらバルク情報を可視化できるようになったことは、マテリアルサイエンスが現在求めている要求の一歩先の要求を満たしたことになり、非常に大きな進歩である。

パルス中性子イメージングは、中性子イメージング(ラジオグラフィ・トモグラフィ)を発展させたものであり、物体内部の「物質情報」を非破壊的に可視化できる計測技術である。前年度までの研究により、元素(同位体・核種)、温度、結晶格子ひずみ、集合組織、結晶子サイズを定量的に画像化する手法を確立することに成功した。特に、結晶組織構造情報を定量化するためのリートベルト型スペクトル解析コード「RITS」の継続的な研究開発が、これほど多くの物質情報を引き出すことを成功させた要因であると言える。本年度は、大強度陽子加速器「J-PARC」物質・生命科学実験施設「MLF」に建設されたパルス中性子回折装置「iMATERIA」を利用して実験を行い、パルス中性子イメージング法と従来法であるパルス中性子回折法それぞれのリートベルト解析結果の比較を行った。透過法の実験データに対しては「RITS」、回折法の実験データに対してはJ-PARCセンターで開発されたリートベルト解析ソフトウェア「Z-Rietveld」を適用した。それぞれで得られた集合組織ならびに結晶子サイズの解析結果を比較したところ、両者はほぼ一致するという結果を得た。これにより、パルス中性子イメージングならびにRITSコードが与える結果の信頼性が確認された。また、これまでの研究成果を国内外の様々な学会で報告した。本手法は、電子顕微鏡・X線回折・放射光イメージング・中性子回折では同時達成が困難な「広面積」「高空間分解能」「バルク」「非破壊」測定を同時に達成できるユニークな材料解析ツールであり、多くの研究者から期待を寄せられた。その結果、鉄鋼協会で2回の招待講演を行い、材料学会で講演賞を受賞することとなった。
小胞体膜結合性転写因子ATF6の制御機構ならびに脊椎動物進化における意義の解明

小胞体膜結合性転写因子ATF6は、小胞体ストレスセンサー兼トランスデューサーという機能を有しているにもかかわらず、半減期約2時間の短命タンパク質であり、恒常的に糖鎖依存的小胞体関連分解に回されている。この分解機構で重要な役割を果たすマンノース刈り込み酵素を解析し、M9→M8はEDEM2が行い、M8→M7はEDEM1/3が行う(EDEM3がメジャーな役割を担う)という、従来の定説を一新する結果を得た。ATF6は小胞体ストレス(小胞体で行われる分泌・膜タンパク質の高次構造形成の異常)依存的なタンパク質限定分解により活性化される小胞体膜結合性転写因子である。本研究はATF6研究における以下の3つの重要課題を解決することを目的とするものである。1)小胞体シャペロンの制御因子がIRE1からATF6にスイッチした意義の解明:ATF6αもしくはATF6βの転写因子ドメイン(膜貫通領域を削除している活性型)に、XBP1内のスプライシング部位周辺を移植し、IRE1依存的mRNAスプライシングを受けると発現して転写を活性化するようになる変異型ATF6を作成したが、期待する大きさのタンパク質は発現しなかった。2)ATF6が短命タンパク質である意義の解明:SEL1L依存性にはATF6の内腔領域が関与していることも見いだしているので、ATF6α内の欠失変異体を作製し、SEL1L依存性を解析した。その結果、アミノ酸554-602領域が重要であることが明らかになった。ATF6αの小胞体関連分解には、N型糖鎖のマンノーストリミングが重要であり、そのトリミング酵素を逆遺伝学解析したところ、M9→M8はEDEM2が行い、M8→M7はEDEM1/3が行うという、これまでとは全く異なる結果が得られたので論文発表した。小胞体内に生じた構造異常タンパク質は、細胞質へ逆行輸送されてユビキチン・プロテアソームにより分解される。この小胞体関連分解は、タンパク質に共有結合した糖鎖に依存した糖鎖依存的分解経路と、非糖タンパク質を分解する糖鎖非依存的分解経路の2つに大別される。これまでは、これらの分解機構はシビアに構造が崩れたモデル基質(糖鎖依存的分解経路はNHK、非依存的分解経路はNHK-QQQなど)を用いて解析されてきた。ATF6は、小胞体ストレスセンサーという機能性膜貫通型糖タンパク質でありながら、半減期2時間と不安定なタンパク質で、糖鎖依存的分解経路の基質である。平成26年度に、ATF6を用いて、糖鎖依存的分解において重要な2段階のマンノーストリミングに関与する酵素を、EDEM2(M9→M8)ならびにEDEM3/1(M8→M7)と同定した。今年度、これらのマンノシダーゼ全て欠くEDEM1/2/3トリプルノックアウト(EDEM-TKO)細胞を作製したところ、予想通り、ATF6の分解はほぼ完全に止まった。ところが、NHKの場合、初期のタイムコースでは分解の遅延が見られるものの、最終的には分解された。EDEM-TKO細胞におけるATF6とNHKの挙動の違いは、構造異常の度合いを反映しているのではないかとの仮説を立て、ATF6に構造異常を導入したり、野生型とシビアな構造異常型のmCD3-δ-ΔTMおよびhEMC1の挙動を観察したところ、シビアな構造異常タンパク質の場合、共通して、初期の分解遅延は見られるものの、最終的には分解されることが明らかになった。このシビアな構造異常タンパク質の強制分解は糖鎖非依存経路によって行われると結論した。ATF6は無脊椎動物ではほとんど機能せず、脊椎動物になると小胞体内分子シャペロンの転写誘導を担うようになり、そのノックアウトはマウスおよびメダカにおいて非常に早期に胚性致死をもたらすが、ATF6が進化の過程で機能を獲得した意義は不明である。また、ATF6は小胞体内の異常タンパク質をプロテアソームで処分する小胞体関連分解の良い基質であるが、その分解メカニズムや短命性の意義も不明である。さらに、ATF6は小胞体からゴルジ装置へ輸送されて限定分解を受けるが、そのエスコートタンパク質も未同定である。本研究は、ATF6研究におけるこれら3つの重要課題を解決することを目的とするものである。1)小胞体シャペロンの制御因子がIRE1からATF6にスイッチした意義の解明ー革新的なゲノム編集技術を導入し、ATF6αもしくはATF6βの転写因子ドメイン(膜貫通領域を削除している活性型)に、XBP1内のスプライシング部位周辺を移植し、IRE1依存的mRNAスプライシングを受けると発現して転写を活性化するようになる変異型ATF6をゲノム上で作製した。2)ATF6が短命タンパク質である意義の解明ーATF6αの小胞体関連分解には、N型糖鎖のマンノーストリミングが重要であり、そのトリミング酵素遺伝子全てを破壊した細胞では、ATF6αは安定化するが、NHKは分解されることを見いだしていた。このシビアに構造異常となっているNHKを強制分解に回すタンパク質Xの候補を見いだした。3)ATF6エスコートタンパク質の同定と解析ー種々のcargo receptorsをクローニングして免疫沈降実験を行った結果、2つが結合したので、これらの遺伝子破壊細胞を作製した。

小胞体膜結合性転写因子ATF6は、小胞体ストレスセンサー兼トランスデューサーという機能を有しているにもかかわらず、半減期約2時間の短命タンパク質であり、恒常的に糖鎖依存的小胞体関連分解に回されている。この分解機構で重要な役割を果たすマンノース刈り込み酵素を解析し、M9→M8はEDEM2が行い、M8→M7はEDEM1/3が行う(EDEM3がメジャーな役割を担う)という、従来の定説を一新する結果を得た。3つの重要課題のうち、1)については進展が見られていないが、2)ではATF6内のSEL1L結合領域をアミノ酸554-602領域まで絞り込むことに成功しており、何より糖タンパク質の糖鎖依存的小胞体関連分解におけるマンノーストリミングに関与するマンノシダーゼを同定することに成功し、論文発表した。これまで、小胞体に存在する4つのマンノシダーゼ候補のうち、ERmanIとEDEM1が重要で、ついでEDEM3、EDEM2に至ってはマンノシダーゼ活性を有していないと考えたれていた。ところが我々が逆遺伝学的解析を行ったところ、EDEM2が最も重要なマンノシダーゼであり、次いでEDEM3、EDEM1やERmanIの関与は低いという全く異なる結果が得られ、この小胞体関連分解の分野における新しい方向性を示した。3)では、予想通り、カーゴレセプターのいくつかがATF6の小胞輸送に関与する可能性を示す結果を得ることができた。平成28年度の交付申請書の研究実施計画に記載したとおり、次の3つの課題について仕上げる。1)小胞体シャペロンの制御因子がIRE1からATF6にスイッチした理由の解明2)ATf6が短命タンパク質である理由の解明3)ATF6エスコートタンパク質の同定と解析28年度が最終年度であるため、記入しない。分子生物学課題1)研究がうまくいっていない理由として、これまで作製してきたキメラタンパク質では、ベーシックロイシンジッパー領域がATF6由来のものとXBP1由来のものと2つ存在し、それらが不適切な相互作用をするためにキメラタンパク質の発現を阻害していると考えられたので、XBP1由来のベーシックロイシンジッパー領域を除いたコンストラクトを作製し、期待通りのキメラタンパク質が発現するか調べる。課題2)SEL1L結合領域をさらに絞り込んで、SEL1L依存的に分解されない、安定なATF6を作出すると共に、小胞体関連分解に関与するレクチンであるOS-9およびXTP3-BがATF6の分解にどのように関わるのか明らかにする。すなわち、OS-9とXTP3-Bはリダンダントなレクチンであるのか、それとも異なる役割を果たしているのか、逆遺伝的的解析により明らかにする。課題3)ATF6と小胞体ストレス依存的に結合するカーゴレセプターの遺伝子破壊細胞を作製し、ATF6小胞輸送への影響を調べる。28年度が最終年度であるため、記入しない。プレスリリースしました。
ドコサヘキサエン酸による脂質酸化修飾は認知症の病因に関与するか

アルツハイマー病(AD)およびパーキンソン病(PD)などの認知症では特定のタンパク質の凝集体形成と神経細胞の脱落・変性が病理学的特徴として知られており、タンパク質凝集形成が神経細胞死に関与していると考えられている。本研究では神経細胞膜に豊富に存在する不飽和脂肪酸Docosahexaenoic acidの脂質過酸化反応による酸化修飾が、ADにおけるamyloid beta (Aβ)による老人斑、またはPDのalpha-synuclein (αSYN)によるLewy小体の形成における凝集要因であるという仮説をたて、さらには食品成分により凝集体形成反応を抑制することで認知症発症の予防のための基盤研究を行うことを目的とした。これまで、in vitroにおいてAβおよびαSYNはDHA存在下で重合化反応が促進され、凝集体を形成し、この凝集体にDHA酸化物による修飾が生じていることを特異的抗体による分析から明らかにした。本研究においてalbuminに結合したDHAは神経芽細胞腫SH-SY5Y細胞に対して濃度依存的に毒性を示すことを明らかにした。この細胞死は抗脂質過酸化剤alpha-tocopherolで抑制されたため、脂質過酸化反応が神経細胞死に関与することを示唆している。加えてαSYN過剰発現SH-SY5Y細胞に対してDHAの神経毒性に耐性が認められた。この結果は神経細胞内のαSYNが抗酸化作用を持つことを示唆しており、抗酸化作用により神経保護作用を有するというこれまでの報告と一致している。今後、αSYN過剰発現SH-SY5Y細胞を用いてαSYNに対するDHA酸化修飾によるタンパク質重合体の形成反応が凝集体のSeedとなりうるかどうか明らかにするとともに、この培養細胞系においてDHAとともに食品成分を添加することでDHAによる神経細胞死が抑制されるかどうか検討する予定である。
医薬品に適用される製剤試験による健康食品の品質評価に関する研究

平成30年度は「いわゆる健康食品」の製剤学的な品質の時系列的な変化について検討を開始した。健康食品を医薬品の申請時に適用される加速条件下(温度:40°C、相対湿度:75%)で保存し、外観の確認および医薬品に適用される各種製剤試験を実施した。1)いわゆる健康食品:過去2年間における調査から、崩壊試験と溶出試験において異なる製剤学的な品質が確認された3種類の製品を選択し検討を開始した。何れも水溶性ビタミンが配合された錠剤型(素錠)の健康食品である。各製品中における水溶性ビタミンの含量(表示量に対する含量百分率)は、何れも表示量に近い値を示した(含量に対する重量百分率は、それぞれB1:114127%、B2:96104%およびB6:101125%)。2)重量偏差試験:保存開始時における3製品の平均重量(n=10)は、345mg、212mgおよび252mgであった。また、標準偏差はそれぞれ、7.5、1.8および2.7であった。3)崩壊試験: 3種類の製品の崩壊性に係る品質は、大きく異なっていた。試験開始後、20分以内に全ての試料が崩壊したもの、120分後でも全てが錠剤としての原型を留めるもの、その中間的な挙動を示すものに分かれた。4)硬度試験:保存開始時における各製品の平均硬度(n=5)はそれぞれ、8.9 kg/cm2、11.9 kg/cm2および11.6kg/cm2であった。5)溶出試験:検討を行った3種類の健康食品の溶出性に係る品質は異なっていた。B1については各製品共、錠剤毎の溶出挙動の差は小さいものの、試験開始120分後でも65%程度しか溶出が認められないものが存在した。B2に関しては、試験開始120分後でも15%程度しか溶出しないものや、錠剤間のバラツキが大きいものが確認された。B6については、溶出性が低いものや、錠剤間の挙動の差が比較的大きいものが認められた。平成30年3月から11月まで病気休暇、休職を取得したため、当初の計画通り研究を実施することができなかった。平成31年度まで研究期間の延長を申請し、日本学術振興会に受理された。来年度は、当初の研究計画に基づき、未実施の検討項目(医薬品に適用される加速条件下における保存試験)について、研究を行う予定である。インターネットや薬店で健康食品として販売されている製品を入手し、医薬品の品質管理に適用される製剤試験である崩壊試験、硬度試験および重量偏差試験を実施した。1)試料:入手した試料の内訳は、以下の通りである。錠剤タイプの製品(素錠)が14検体、軟カプセル剤タイプの製品が7検体、硬カプセル剤タイプの製品が2検体。ビタミンEを主成分とする製品が7検体、水溶性ビタミン(B1、B2およびB6)を主成分とする製品が16検体。栄養機能食品が7検体、「いわゆる健康食品」が16検体。2)崩壊試験:各6個体について、試験液として水を用い崩壊試験を実施したところ、軟カプセル剤および硬カプセル剤タイプの製品は全て試験開始後、20分以内に崩壊した。一方、錠剤タイプの製品では、製品間で崩壊時間に大きな差異が認められた。また、同一製品でも個体により崩壊時間に大きなバラツキが認められる製品も存在した。栄養機能食品と「いわゆる健康食品」で崩壊時間に係る品質に明確な差は認められなかった。3)硬度試験:錠剤タイプの製品を対象として各5個体について、モンサント型錠剤硬度計を使用し硬度を測定した(14検体:16種類)。製品により硬度が大きく異なっており、4.713.9kg/cm2の範囲であった。標準偏差は、概ね1.0以下であったが、硬度のバラツキが大きい製品も見受けられた。また、硬度と崩壊時間の間に相関性は確認できなかった。4)重量偏差試験:各10個体について、重量偏差試験を行った。各製品の質量は概ね、外箱や説明書に記載されている値であった。カプセル剤タイプの製品の標準偏差は、2.99.0の範囲であった。一方、錠剤タイプの製品では、1.37.2の範囲であった。また、栄養機能食品と「いわゆる健康食品」で重量偏差に係る品質に大きな差異は認められなかった。今年度は、交付申請書に記載した研究実施計画に従い、インターネット等で試料を入手し、次年度以降に使用するビタミン剤の分析法の検討を行った。また、入手した検体を使用し、崩壊試験、硬度試験、重量偏差試験などの製剤試験も実施した。研究は計画に従い、おおむね順調に進展しているものと考えられる。平成28年度に入手した23種類の健康食品を対象として、ビタミン類の定量を行った。また、各製品について、医薬品に適用される製剤試験である溶出試験を実施した。さらに、平成28年度における検討から、錠剤型の一部の健康食品に崩壊性に係る品質の不備が確認されため、医薬品または医薬部外品として販売されている製品について崩壊試験を実施し、その品質を健康食品と比較した。1)分析法の選択およびビタミン類の定量:水溶性ビタミン(B1.B2およびB6)の測定法として、ヘプタンスルホン酸ナトリウムをカウンターイオンとして添加する高速液体クロマトグラフィーによる一斉分析法を選択した。

また、脂溶性ビタミン(トコフェロール同族体)の分析には、同様に逆相系の高速液体クロマトグラフィーを用いた。これらの方法により、各ビタミン類の分析を行ったところ、妨害となるピークはほとんど認められず、概ね良好なクロマトグラムを得ることができた。定量試験の結果、ビタミンEを主成分とする健康食品の大部分(7製品中6製品)には、α-トコフェロールが配合されていることが明らかとなった。2)溶出性に係る品質:試験液に水を用い、日本薬局方に準じてパドル法により、水溶性ビタミンを対象として溶出試験を行った。各ビタミン類の溶出性は、製品により大きく異なっていた。試験開始から2時間後でも、B2がほとんど溶出しない製品も見受けられた。また、個体により溶出挙動にバラツキが認められる製品も存在した。3)崩壊性に係る品質(医薬品または医薬部外品との比較):医薬品または医薬部外品として販売されている製品(3製品;錠剤型)について、崩壊試験を実施したところ、40分以内に全て崩壊し、個々の錠剤間のバラツキもほとんど認められなかった。医薬品および医薬部外品の崩壊性に係る品質は「いわゆる健康食品」として販売されている製品とは、明らかに異なっていた。平成29年度は、交付申請書に記載した研究実施計画に従い、検討を行った。「いわゆる健康食品」および「栄養機能食品」を対象とし、含有される各種ビタミン類の分析法を選択し、定量試験を行った。また、医薬品の品質管理に適用される製剤試験である溶出試験を実施した。さらに、平成28年度における検討から、錠剤型の一部の健康食品に崩壊性に係る品質の不備が確認されため、医薬品または医薬部外品として販売されている製品について崩壊試験を実施し、その品質を健康食品と比較した。研究は実施計画に従い、おおむね順調に進展している。平成30年度は「いわゆる健康食品」の製剤学的な品質の時系列的な変化について検討を開始した。健康食品を医薬品の申請時に適用される加速条件下(温度:40°C、相対湿度:75%)で保存し、外観の確認および医薬品に適用される各種製剤試験を実施した。1)いわゆる健康食品:過去2年間における調査から、崩壊試験と溶出試験において異なる製剤学的な品質が確認された3種類の製品を選択し検討を開始した。何れも水溶性ビタミンが配合された錠剤型(素錠)の健康食品である。各製品中における水溶性ビタミンの含量(表示量に対する含量百分率)は、何れも表示量に近い値を示した(含量に対する重量百分率は、それぞれB1:114127%、B2:96104%およびB6:101125%)。2)重量偏差試験:保存開始時における3製品の平均重量(n=10)は、345mg、212mgおよび252mgであった。また、標準偏差はそれぞれ、7.5、1.8および2.7であった。3)崩壊試験: 3種類の製品の崩壊性に係る品質は、大きく異なっていた。試験開始後、20分以内に全ての試料が崩壊したもの、120分後でも全てが錠剤としての原型を留めるもの、その中間的な挙動を示すものに分かれた。4)硬度試験:保存開始時における各製品の平均硬度(n=5)はそれぞれ、8.9 kg/cm2、11.9 kg/cm2および11.6kg/cm2であった。5)溶出試験:検討を行った3種類の健康食品の溶出性に係る品質は異なっていた。B1については各製品共、錠剤毎の溶出挙動の差は小さいものの、試験開始120分後でも65%程度しか溶出が認められないものが存在した。
ピロリ菌の分泌性病原因子の受容体とメンブラントラフィック機構の解析

ピロリ菌が分泌する発がん因子Tipαの受容体としてヌクレオリンを同定した。ヌクレオリンは本来核小体に局在するタンパク質であるが、胃がん細胞では異常に細胞表面に局在したヌクレオリンがTipαの受容体・輸送体として機能し、TipαによるTNF-α遺伝子発現亢進に関与することを明らかにした。胃がんの発症過程でヌクレオリンが細胞表面に異常に局在した細胞にTipαが作用してがん化を促進すると解釈する。ヌクレオリンとTipαとの相互作用は新しい胃がん発症機構である。ピロリ菌が分泌する病原因子、TNF-αinducing protein(Tipα)は、胃粘膜上皮細胞においてNF-κBを活性化し、TNF-αなどの炎症性サイトカインやケモカインの遺伝子発現を誘導して、がん化を促進する。胃がん患者から分離したピロリ菌は、萎縮性胃炎のピロリ菌に比べ、Tipαを大量に分泌することを見出した。この結果は、Tipαがヒトの胃がん発症に重要な役割を果たしていることを示唆した。Tipαタンパク質を胃がん細胞株に処理すると、細胞膜に結合し、温度依存性に細胞内に取り込まれた。Tipαの細胞内局在を共焦点顕微鏡で観察したところ、細胞質だけでなく核にも存在することを見出した。さらにTipαが核に存在することは細胞分画によって確認した。一方、Tipαの2つのCys残基を含む6アミノ酸を欠失したdel-Tipαは2量体を形成せず、活性がない。del-Tipαは細胞および核内に取り込まれないことから、細胞内への取り込みがTipαの活性に重要であると考えられる。さらに、表面プラズモン解析Biacoreによって、TipαがDNAオリゴマーに結合することを見出した。TipαはDNA結合活性を持つ始めてのピロリ菌の病原因子である。ピロリ菌が分泌する病原因子TNF-αinducing protein(Tipα)は、胃がん細胞においてNF-κBを活性化してTNF-αなどの炎症性サイトカインやケモカインを強く誘導し、がん化を促進する因子である。これまで、Tipαは胃がん細胞に結合し細胞内に取り込まれ、その一部は核まで到達することを明らかにしてきた。今回、FLAG抗体を用いたpull-down法によってTipα-FLAGに特異的に結合して、不活性型のdel-Tipα-FLAGに結合しないポリペプチドを解析した。その結果、88と40kDaのポリペプチドはヌクレオリンとそのフラグメントであることをLC-MS解析とWestern blottingによって明らかにした。次に、TipαはヌクレオリンのC末フラグメントに直接結合することをin vitroで確認した。すなわちヌクレオリンはTipαの特異的結合タンパク質であることを初めて明らかにした。ヌクレオリンは核小体のタンパク質であるが、がん細胞などでは細胞表面や細胞質に局在することが報告されている。胃がん細胞株MGT-40の細胞膜にもヌクレオリンは局在していたので、ヌクレオリンはTipαのレセプターであり、Tipαとヌクレオリンは複合体としての細胞内に取り込こまれ、核内へ移行していると考えられる。すなわち、ヌクレオリンは、Tipαのシャトリングタンパク質であり、ヌクレオリンを介したメンブラントラフィック機構が示唆された。ピロリ菌が分泌する病原性因子TNF-αinducing protein(Tipα)は、胃がん細胞に取り込まれ、NF-κBの活性化を介してTNF-αなどの炎症性サイトカインやケモカインを強く誘導し、がん化を促進する因子である。これまで、Tipαの新規結合タンパク質としてヌクレオリンを同定し、さらに本来は核内に局在するヌクレオリンがマウス胃がん細胞株MGT-40の細胞表面に存在することを明らかにしてきた。本年度は、糖鎖修飾阻害剤の処理がMGT-40細胞の細胞表面ヌクレオリンを減少し、Tipαの細胞内への取り込み、及びTNF-αの発現誘導を抑制することを見出した。更に、抗ヌクレオリン抗体を前処理すると、予想に反してTipαの取り込みが亢進され、TNF-aの発現がより強く誘導された。ヌクレオリン抗体処理により細胞表面のヌクレオリンがエンドサイトーシスにより効率よく細胞内に移行したと理解された。これらの結果から、細胞表面に異常に存在するヌクレオリンがTipαの受容体であり、Tipαの取り込み、およびTNF-αの誘導に関与すると結論付けた。次に、5種類のヒト胃がん細胞(MKN-1,MKN-45,MKN-74,AGS,KATOIII)について解析し、ヒト胃がん細胞においてもヌクレオリンが細胞表面に存在していた。また、ヌクレオリン標的DNAアプタマーであるAS1411は細胞表面のヌクレオリン量が多い胃がん細胞に効率よく取り込まれ、胃がん細胞の増殖を強く抑制することを見出した。ヌクレオリンは本来、核小体に存在するタンパク質であるが、炎症あるいは発がん過程において細胞表面に異所発現し、ピロリ菌の分泌性病原因子であるTipαを取り込み、胃がんの発症を促進していることを明らかにした。
高分解能RBS法を用いた極低エネルギーイオン注入の研究

Si(001)への極低エネルギーイオン注入における非晶質層の形成過程を、高分解能RBS法にイオンチャネリング法を援用して調べた。その結果、非晶質化が高エネルギーイオン注入時とは異なり、表面から進行していることが明らかになった。この原因として、(1)イオン注入で形成された格子欠陥が表面に移動した。(2)表面に存在する自然酸化膜中の酸素原子のシリコン結晶中へのはじき出しの効果。(3)イオン照射時に生成する欠陥分布を計算するのに広く使用されているTRIMコードが、極低エネルギーイオン注入に対しては正確でない可能性等が考えられる。さらに、これらのうちのどれが原因であるのかを確かめるために、自然酸化膜を有するSi(001)結晶と自然酸化膜の無いSi(001)結晶に、高分解能RBS装置の散乱槽内で3-5keVのAr^+イオンを注入して、非晶質化過程を調べた。これにより自然酸化膜の有無が非晶質化過程に与える影響を評価した。また、注入したArの深さ分布を高分解能RBS法で測定して、TRIMコードを用いた計算結果と比較することにすることにより、極低エネルギーイオン注入に対するTRIMコードの信憑性を調べた。研究の結果、自然酸化膜の有無にかかわらず、非晶質化は表面から進行することがわかった。また、注入されたArはTRIMコードで計算した深さよりも少し浅い位置に存在しており、極低エネルギーイオン注入に対しては、TRIMコードの計算に問題があることがわかった。TRIMコードはイオン注入をはじめ多くの研究に広く用いられており、極低エネルギーイオンに対しては飛程を20-30%程度過大評価することは注意が必要である。Si(001)に様々な量の0.5keVB^+イオンを注入して、その非晶質化過程をチャネリング法を援用した高分解能RBS法で調べた。また、イオン注入時の注入イオンの深さ分布と、注入により生じる格子欠陥の分布を、TRIMコードにより計算して高分解能RBS/チャネリングの測定結果を比較した。その結果、イオンの飛程や欠陥分布のピークから非晶質化が生じる高エネルギーイオン注入時と異なり、表面(正確には膜厚約1nmの自然酸化膜と結晶シリコンの境界)から非晶質化が進行することがわかった。また、非晶質化が始まる注入量のしきい値は約1×10^<15>cm^<-2>であった。この値は、TRIMコードで計算したしきい値よりも低いことがわかった。同様の結果が、5keVSi^+イオン注入によっても確認された。(Nucl.Instr.and Meth.B148(1999)284)また、自然酸化膜の酸素分布がイオン注入によって、シリコン内部にずれることが観測された。これらの結果から、観測された異常表面非晶質化は、自然酸化層中の酸素原子が注入イオンによって反跳を受け、自然酸化膜と結晶シリコンの境界付近に移動し、その付近の結合強度低下させるため、欠陥発生が促進される可能性と、注入イオンによって作られた格子欠陥が、自然酸化膜と結晶シリコンの境界の欠陥に対するシンクとしての作用のため、欠陥が境界付近に移動して非晶質化が促進された可能性が考えられる。昨年度は、Si(001)への極低エネルギーイオン注入における非晶質層の形成過程を、高分解能RBS法にイオンチャネリング法を援用して調べた。(3)イオン照射時に生成する欠陥分布を計算するのに広く使用されている

TRIMコードが、極低エネルギーイオン注入に対しては正確でない可能性等が考えられる。今年度は、これらのうちのどれが原因であるのかを確かめるために、自然酸化膜を有するSi(001)結晶と自然酸化膜の無いSi(001)結晶に、高分解能RBS装置の散乱槽内で3・5keVのAr^+イオンを注入して、非晶質化過程を調べた。これにより自然酸化膜の有無が非晶質化過程に与える影響を評価した。さらに、注入したArの深さ分布を高分解能RBS法で測定して、TRIMコードを用いた計算結果と比較することにすることにより、極低エネルギーイオン注入に対するTRIMコードの信憑性を調べた。研究の結果、自然酸化膜の有無にかかわらず、非晶質化は表面から進行することがわかった。また、注入されたArはTRIMコードで計算した深さよりも少し浅い位置に存在しており、極低エネルギーイオン注入に対しては、TRIMコードの計算に問題があることがわかった。TRIMコードはイオン注入をはじめ多くの研究に広く用いられており、極低エネルギーイオンに対しては飛程を20-30%程度過大評価することは注意が必要である。今年度は実際の極浅接合形成に使用されるボロンイオン注入時のボロンの深さ分布がTRIMコードによる計算とどの程度一致しているかを調べるために、軽元素の深さ分布を高分解能RBS法で精度良く測定するための研究を行った。マトリックスの物質よりも軽い元素の場合は、RBS法では軽元素の信号がマトリックス物質の信号に重なるために解析が困難になる。さらに、ラザフォード散乱断面積が原子番号の2乗に比例することから、軽元素の信号に比べてマトリックスの信号の方が強くなり、軽元素の信号を精度良く分離することは難しい。そこで、高分解能RBS法をイオンチャネリング法と組み合わせることにより、マトリックスの信号強度を低下させて、軽元素の検出感度を向上させ軽元素の深さ分布を測定する事を試みた。実際には、シリコン酸窒化膜中の窒素の分析を、高分解能RBS法にイオンチャネリングの技術を援用して測定することを試みた。その結果、適当な参照試料を用意することにより、窒素の深さ分布は1at.%程度の精度で測定できることが判った。これにより、実際の極浅接合形成に使用されるボロンイオン注入試料でもボロンの深さ分布の測定がある程度可能であることがわかった。
生体適合分子によるナノ構造組織でのリパーゼの活性制御並びに高効率エステル生産

本研究は,生体適合分子を基幹として構造化された分子集合組織の自由溶液系並びに固定化有機ゲル系においてリパーゼによる脂肪酸エステル合成を行い,以下の知見を得た。1.自由溶液系シュガーエステル,ポリグリセリンエステルにより形成した分子集合組織において,リパーゼ(Mucor miehei, Rhizopus delemar)の反応活性が最大に発揮される生体適合分子濃度ならびに有機相水分量の存在を明らかにした。また,速度パラメーターを通じて反応活性を定量的に示した。一方,分子集合組織からのリパーゼの回収に関して検討を行い,水相との接触によりリパーゼを回収できることが認められ,本法が酵素回収をともなう反応プロセスとして展開できる基礎を確立した。2.固定化有機ゲル系レシチンにより形成した分子集合組織に生体高分子であるゼラチンを添加し形成した有機ゲル組織にリパーゼ(Candida rugosa, Mucorjavanicus, Rhizopus arrhizus, Rhizopus delemar)を固定化し,反応活性が最大に発揮されるゲル相水分量,ゼラチン濃度ならびに両親媒性分子濃度の存在を明らかにした。また,基質の有効拡散係数ならびに分配係数を実測し,有効係数を通じてゲル粒子径と反応活性の関連を推算し,本法を固定化酵素プロセスとして展開する基礎を確立した。固定化リパーゼの繰返し再利用反応およびバスケット攪拌翼型反応器による連続反応を行い,反応活性が長時間安定的に発現することを明らかにした。3.分子集合組織の微細構造・物性電気伝導度測定による集合組織の微細構造ならびに物性の検討を行い,電気伝導度が急激に増加する温度条件を見出し,組織間の相互作用が操作温度により変化することを明らかにした。また,集合組織への電解質および酵素の可溶化あるいは有機溶媒の溶媒物性により大きく相互作用が変化することを明らかにした。生体適合分子を基幹として構造化された集合組織におけるリパーゼを触媒とした脂肪酸エステル合成において,本年度は,組織形態別にリパーゼ活性の制御因子について主に検討し,以下の知見を得た.1.集合組織溶液系生体適合性の両親媒性成分としてシュガーエステルを用いた集合組織を調製し,Rhizopus delemarリパーゼによるオレイン酸とオクタノールのエステル合成を行い,リパーゼの反応活性が最大に発揮される有機相水分量の存在を明らかにした.特に,本系は相対的に低い有機相水分量の条件下で高い反応活性を示した.また,反応の進行の上で適切な両親媒性分子濃度と操作温度の存在も合わせて提示した.研究成果は,第5回環太平洋生物化学工学会議(APBioChEC'99)並びに化学工学会第65年会にて公表した.2.固定化ゲル組織系生体適合分子としてレシチンを用いた集合組織に生体高分子であるゼラチンを添加することにより調製した有機ゲル組織にCandida rugosaリパーゼを固定化し,ラウリン酸とブタノールのエステル合成を行った.リパーゼの反応活性が最大に発揮される両親媒性分子濃度・ゼラチン濃度並びにゲル相水分量の存在を明らかにした.また,ゲル粒子内部の基質の拡散係数並びに分配係数を実験的に求め,数値的に定式化し,反応工学として展開する基礎を提示した.研究成果は,第5回環太平洋生物化学工学会議(APBioChEC'99),化学工学会第31回秋季大会並びに第65年会にて公表した.3.集合組織の微細構造・物性電気伝導度測定による集合組織の微細構造並びに物性の検討を行った.実験方法の確立を目指し,イオン性のAOTを用いてモデル集合組織を調製し,集合組織溶媒の電気伝導度を測定した.電気伝導度が急激に増加する温度を見出し,温度により組織間の相互作用が変化することを示した.

また,塩並びにタンパク質の可溶化によりその挙動は異なり,両者の可溶化が集合組織間の相互作用にそれぞれ影響を及ぼすことを示した.研究成果は,化学工学会第31回秋季大会にて公表した.本研究は,生体適合分子を基幹として構造化された分子集合組織の自由溶液系並びに固定化有機ゲル系においてリパーゼによる脂肪酸エステル合成を行い,以下の知見を得た。1.自由溶液系シュガーエステル,ポリグリセリンエステルにより形成した分子集合組織において,リパーゼ(Mucor miehei,Rhizopus delemar)の反応活性が最大に発揮される生体適合分子濃度並びに有機相水分量の存在を明らかにした。また,速度パラメーターを通じて反応活性を定量的に示した。一方,リパーゼの回収に関して検討を行い,水相との接触によりリパーゼを回収できることが認められ,本法を酵素回収をともなう反応プロセスとして展開する基礎を確立した。2.固定化有機ゲル系レシチンにより形成した分子集合組織に生体高分子であるゼラチンを添加し形成した有機ゲル組織にリパーゼ(Candida rugosa,Mucorjavanicus,Rhizopus arrhizus,Rhizopus delemar)を固定化し,反応活性が最大に発揮されるゲル相水分量,ゼラチン濃度並びにレシチン濃度の存在を明らかにした。また,基質の有効拡散係数並びに分配係数を実測し,有効係数を通じてゲル粒子径と反応活性の関連を推算し,本法を固定化酵素プロセスとして展開する基礎を確立した。一方,固定化リパーゼの反応活性が長時間安定的に発現することを明らかにした。3.分子集合組織の微細構造・物性電気伝導度測定による集合組織の微細構造ならびに物性の検討を行い,電気伝導度が急激に増加する温度条件を見出し,組織間の相互作用が操作温度により変化することを明らかにした。また,集合組織への電解質および酵素の可溶化あるいは有機溶媒の溶媒物性により大きく相互作用が変化することを明らかにした。
ヒドロゲナーゼを範とする脱白金燃料電池酸素極の開発

現在の資源問題や環境問題を鑑みると、火力発電と原子力発電に依存するエネルギーシステムを早急に転換する必要がある。このような現状下で、次世代発電システムとして、排出物が水のみというクリーンな水素-酸素燃料電池が期待されている。しかし、この燃料電池の電極触媒に最適な白金は、埋蔵量に限りのあるレアメタルである。本若手研究(B)では、脱白金燃料電池の開発を目指し、白金と同等の機能を持つ自然界に存在する酵素であるヒドロゲナーゼを範とする新規環境調和型電極触媒の開発を行った。本年度は、(1)ヒドロゲナーゼを範とする分子燃料電池の反応メカニズムの解明(化学、2013、68、12-16、現代化学、2013、68、52-57)と(2)ヒドロゲナーゼを範とする新規水素活性化触媒の開発(Eur. J. Inorg. Chem. 2013, 3978-3986)を行った。(1)ヒドロゲナーゼを範とする分子燃料電池の反応メカニズムの解明これまでに分子触媒を電極触媒に用いて水素燃料電池を開発した報告例はない。本若手研究(B)では、ヒドロゲナーゼの反応メカニズムを範とし、水素と酸素を選択的に活性化可能なニッケル・ルテニウム触媒を開発した。これまでにそれらの分子触媒を用いた水素燃料電池を作成し、発電させることに成功している。今年度は、アノード(水素極)とカソード(酸素極)での電極反応メカニズムの解明を行った。不均一系固体触媒とは異なり、水溶性分子触媒を用いることで、燃料電池の排液に含まれる化学種を、種々の分光学的、質量分析的手法で分析することが可能となった。また、ターフェルプロットやインピーダンススペクトルによる解析の結果、現在のところ、電極反応の速度や抵抗は白金に及ばないが、新しい研究分野であるため、今後の発展が期待できる。(2)ヒドロゲナーゼを範とする新規水素活性化触媒の開発研究が順調に進展したため、本年度は、ヒドロゲナーゼを範とし、水素燃料電池のアノード触媒となりうる水素活性化触媒の開発を行った。新規イリジウム錯体を開発し、触媒的な水素の酸化反応システムを構築し、その水素活性化の反応メカニズムを解明した。その結果、これまでに明らかにできなかった還元活性種の単離と結晶化に成功した。今後はこの新規触媒の水素燃料電池の電極触媒への応用が期待できる。ヒドロゲナーゼを範とする脱白金燃料電池用電極触媒の開発を目指し、今年度は、(1)水素と酸素を選択的に活性化するニッケル-ルテニウム触媒の開発、(2)水素活性化ニッケル-鉄触媒の開発、(3)燃料電池の作成と特性評価を行った。(1)では、ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼモデルであるニッケル-ルテニウム錯体を開発し、9個の支持配位子を系統的に変化させ、水素と酸素の選択的活性化の熱力学的、速度論的パラメータを決定した(Organometallics 2013, 32, 79)。このような熱力学的、速度論的研究を詳細かつ系統的に研究した例は本研究が初めてである。(2)では、ニッケルと鉄を用いたニッケル-鉄ヒドロゲナーゼモデル錯体で、世界で初めて水素の活性化に成功した(Science 2013, 339, 682)。活性化状態モデルであるニッケル-鉄ヒドリド錯体の構造をX線構造解析により決定し、さらに、ヒドロゲナーゼの機能であるヒドリド還元と電子還元能を有していることを明らかにした。これはニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの構造と機能を全て再現した完全モデル錯体である。(3)では、水素酸化還元酵素であるニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの活性中心構造と機能をモデル化したニッケル-ルテニウム分子触媒を開発し、その分子触媒を電極触媒として用いた固体高分子形燃料電池を開発した(ChemCatChem, inpress, DOI: 10.1002/cctc.201200595、化学と工業2013, 66-2, 114)。開発した燃料電池の特性評価実験(電流-電圧曲線、ターフェルプロット、交流インピーダンス法)や電気化学的測定(Koutecky-Levichプロット、回転リングディスク電極法)を行った。「研究実績の概要」に記載したように、ヒドロゲナーゼを範とする脱白金燃料電池電極触媒の開発を目指し、今年度は、(1)水素と酸素を選択的に活性化するニッケル-ルテニウム触媒の開発(Organometallics 2013, 32, 79)、(2)水素活性化ニッケル-鉄触媒の開発(Science 2013, 339, 682、特許申請中)、(3)燃料電池の作成と特性評価(ChemCatChem, in press, DOI: 10.1002/cctc.201200595、化学と工業2013, 66-2, 114)を行った。

それぞれの結果を論文と特許にまとめることができたことから、当初の計画通り順調に進展している。次年度は、(1)脱貴金属燃料電池用電極触媒の開発、(2)新規ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの探索・採取・単離とそれを用いた燃料電池用電極触媒の開発、(3)開発した電極触媒を用いた固体高分子形燃料電池の特性評価を行う。(1)では、天然のニッケル-鉄ヒドロゲナーゼを範とし、脱貴金属ヒドロゲナーゼモデル錯体を開発する。前年度に開発した燃料電池用電極触媒には、貴金属であるルテニウムを用いているため、脱貴金属触媒の開発が必要である。水素活性化能を持つニッケル-鉄錯体、酸素還元能を持つニッケル-鉄錯体、酸素還元能を持つニッケル2核錯体を開発する。それぞれの触媒の反応性を検討し、燃料電池用電極触媒の作成を行う。(2)では、新規ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼを探索・採取・単離して電極触媒として使用する。ヒドロゲナーゼは白金を凌ぐ水素活性化能を持つにも関わらず、酸素と熱に耐性を持たないことがよく知られており、燃料電池用電極触媒の調整時や燃料電池の作動条件において失活してしまう。しかし、自然界には未知の菌体が数多く存在し、酸素や熱に耐性を持つヒドロゲナーゼが存在する可能性がある。そのようなヒドロゲナーゼを探索・採取・単離し、燃料電池用電極触媒として使用する。これは固体高分子形燃料電池としては初めての例となる。(3)では、(1)と(2)で開発した電極触媒を用いた固体高分子形燃料電池の特性評価実験(電流-電圧曲線、ターフェルプロット、交流インピーダンス法)や電気化学的測定(Koutecky-Levichプロット、回転リングディスク電極法)を行う。分子触媒を使用する際に電極反応のメカニズムの解明も行う。また、ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼを固体高分子形燃料電池に利用した例はこれまでにないため、その特性評価実験からは非常に有用な情報が得られる。今年度に電気化学装置(ビー・エー・エス(株)バイポテンショスタット一式)を購入し、触媒の特性評価のための装置を揃えたので、次年度は、燃料電池測定用キット(ナフィオン膜(NR-212)、カーボンクロス、カーボンブラック等)、触媒合成のための試薬(1,2,3,4,5-ペンタメチルシクロペンタジエン等)、触媒合成のためのガラス器具(Aldrich Sure/StorTMフラスコ等)、反応メカニズム解明のための安定同位体試薬(18O2等)の購入を予定している。また、旅費の使用(成果報告のための学会発表等)も予定している。