hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
雲量雲形に基づく標準昼光気象モデルの開発と気象衛星による太陽エネルギー量の評価

本研究の目的は、以下の3点である。(1)大気の物理気象学的要素の実測データをパラメータとして、天気・時刻・季節の変動を再現する昼光気象モデルを開発すること。(2)申請者が開発した気象衛星画像による昼光気象データの準リアルタイムモデルに、雲量及び雲形をパラメータとして導入し、精度の向上を図ること。(3)自然光を活用して快適な光環境を維持しつつ照明エネルギーを削減する環境共生建築のための昼光照明、すなわち「環境共生型昼光照明」を開発し、その精度と有用性を実証すること。2年間に以下の研究を実施した。(a)ビデオ測色法による地上観測:高精度・高階調のデジタルカメラに魚眼レンズをとりつけて5分毎に自動撮影し、ビデオ測色法により全天空の輝度分布および相関色温度分布に変換、雲量を自動判定するシステムを開発した。(b)気象衛星画像解析による上空観測:静止気象衛星が1時間毎に撮影する可視・水蒸気・赤外画像を利用し、地上での照度の予測を行った。さらに、大気の物理気象学的要素(雲量、雲高、雲形、エアロゾル)をモデル化し、気象衛星画像からパラメータを同定して雲の三次元的分布を導いて、地上からの天空輝度分布を予測する方法を開発した。(c)天気に応答する昼光照明制御システムの開発:ビデオ測色法により全天空の輝度分布を測定し、室内の昼光照度を申請者が開発したシミュレーションプログラムにより予測して、基準照度を満たす最小レベルに人工照明を調光するシステムを開発した。模型実験により実現可能性を実証し、年間シミュレーションで約6割の照明電力を削減できることを示した。(d)気象衛星画像に応答する昼光照明制御システムの開発:上記(b)と(c)を組み合わせて、地上観測データや昼光センサーが無い場合でも、天気に応答する昼光照明制御を行い、省エネルギーおよび二酸化炭素削減を実現できることを示した。本研究の目的は,以下の3点である.(1)大気の物理気象学的要素(雲量,雲高,雲形,エアロゾル,混濁度)の実測データをパラメータとして,連続測定中の昼光気象観測データを解析し,天気・時刻・季節の変動を再現する「標準昼光気象モデル」を開発すること.(2)申請者が開発した「気象衛星画像による昼光気象データの準リアルタイムモデル」に,雲量及び雲形をパラメータとして導入し,精度の向上を図ること.(3)自然光を活用して快適な光環境を維持しつつ照明エネルギーを削減する環境共生建築のための昼光照明設計法、すなわち「環境共生型昼光照明設計法」の要件を整理してその枠組みを確立し、「標準昼光気象モデル」及び「気象衛星画像による昼光気象データの準リアルタイムモデル」を,申請者が開発した昼光シミュレーションプログラムに適用し,本研究の精度と有用性を実証すること.本年度は以下の研究を実施した.(a)ビデオ測色法による地上観測:新たに高精度・高階調のデジタルカメラ2台を導入し,それぞれに特製のアタッチメントを介して魚眼レンズをとりつけた。制御用PCで15分毎に自動撮影し,ビデオ測色法により全天空の輝度分布および相関色温度分布に変換した.(b)気象衛星画像解析による上空観測:気象衛星画像解析では,静止気象衛星が1時間毎に撮影する可視画像,水蒸気画像,赤外画像を利用し、地上での照度の予測を行った。(c)天気の変化に応答する昼光照明制御システムの開発:ビデオ測色法により全天空の輝度分布を測定し、室内の昼光照度をシミュレーションにより予測して、基準照度を満たすように人工照明調光するシステムを開発した。模型実験により実現可能性を実証し、年間シミュレーションでは61%もの照明電力を削減可能であることを示した。

(1)大気の物理気象学的要素の実測データをパラメータとして、天気・時刻・季節の変動を再現する昼光気象モデルを開発すること。(2)申請者が開発した気象衛星画像による昼光気象データの準リアルタイムモデルに、雲量及び雲形をパラメータとして導入し、精度の向上を図ること。(3)自然光を活用して快適な光環境を維持しつつ照明エネルギーを削減する環境共生建築のための昼光照明、すなわち「環境共生型昼光照明」を開発し、その精度と有用性を実証すること。2年間に以下の研究を実施した。(a)ビデオ測色法による地上観測:高精度・高階調のデジタルカメラに魚眼レンズをとりつけて5分毎に自動撮影し、ビデオ測色法により全天空の輝度分布および相関色温度分布に変換、雲量を自動判定するシステムを開発した。(b)気象衛星画像解析による上空観測:静止気象衛星が1時間毎に撮影する可視・水蒸気・赤外画像を利用し、地上での照度の予測を行った。さらに、大気の物理気象学的要素(雲量、雲高、雲形、エアロゾル)をモデル化し、気象衛星画像からパラメータを同定して雲の三次元的分布を導いて、地上からの天空輝度分布を予測する方法を開発した。(c)天気に応答する昼光照明制御システムの開発:ビデオ測色法により全天空の輝度分布を測定し、室内の昼光照度を申請者が開発したシミュレーションプログラムにより予測して、基準照度を満たす最小レベルに人工照明を調光するシステムを開発した。模型実験により実現可能性を実証し、年間シミュレーションで約6割の照明電力を削減できることを示した。(d)気象衛星画像に応答する昼光照明制御システムの開発:上記(b)と(c)を組み合わせて、地上観測データや昼光センサーが無い場合でも、天気に応答する昼光照明制御を行い、省エネルギーおよび二酸化炭素削減を実現できることを示した。
メソ化合物の酵素による不斉認識を利用したシクリトール類の合成

7位置換ノルボルナン誘導体より、オゾン分解、還元、アセチル化により、効率的に、かつ立体選択的にメソの1、3-ビスアセトキシメチルシクロペンテン誘導体を合成する方法を確立するに至った。合成したメソジアセテート基質に対して酵素リゾプスデレマ-リパーゼを用いた不斉加水分解反応を検討したところ、得られるキラルなモノアセテートは、きわめて高光学純度であることが判明した。また、置換基として、ブチル基を有する基質に対しては、対応するメソのジオールの酵素シュードモーナスフルオレセンスリパーゼを用いた不斉トランスエステル化反応も検討した。トランスエステル化により得られるキラルなモノアセテートは、加水分解で得られる化合物のエナンチオマーであり、しかも、高光学純度の化合物であることが判明した。キラルなモノアセテートは、文献既知の化合物に誘導することにより、その絶対配置を決定するに至った。キラルなアセテートから、キチナーゼ阻害活性を有するシクリトール天然物アロサミゾリンの合成を次の3ルートより検討した。(1)オレフィンをオスミウム酸化後窒素を導入し、その後、減炭を行なう方法。(2)メチルケトン誘導体に変換後、バイヤービリガー反応を行ない減炭する方法。(3)エキソオレフィンにし、オゾン分解により減炭し、その後、窒素を導入する方法。現在のところアロサミゾリンの合成は成功していないが、第3のルートにより減炭を行なうことには成功を治めた。また、この酵素反応により得られたキラルなモノアセテートは、各種シクリトール誘導体合成の重要キラルビィルディングブロックとなると考えられる。
民有林に関する森林ミクロデータの有効利用に関する研究

民有林に関する最も基本的な資料である森林簿において、帳簿上の記載事項や諸数値と現状の間に一部乖離が見られることが前年度調査の結果わかった。そのため、西日本各県の林務部局森林計画担当者を対象に森林簿及びその関連図面の作成及び更新に関する聞き取り調査ならびに、森林簿の維持管理及び利用実態の調査を実施した。調査項目は、森林簿の管理部局、森林簿の作成方法、森林簿の更新方法、森林基本図の作成及び更新、地理情報システムの導入、森林簿の公開状況、その他である。その結果、県林務部局は森林資源内容の把握及び森林所有者の追跡に多大な努力を行っていることがわかった。特に、相続及び売却に伴う森林所有者の変化についてはほとんど手作業に近い形で業務を行っており、実態を十分に反映していないことがわかった。また、帳票形式の森林簿、磁気テープ形式の森林簿、森林簿に付随する各種図面の保管状況は概ね10年程度で、それ以上古い森林資源データは保管されていないことが多いことがわかった。データの有効利用以前の問題として、これら森林資源情報の保管体制の確立が重要である。森林簿及びその関連図面の開示に関して各県とも内規等を設け対応しているが、データ作成が聞き取り等の方法によっており、公的に森林の所有関係等を証明するものではない点が重要である。世界農林業センサス林業事業体調査は最も基本的な林業統計である。森林所有者の高齢化及び不在村化の進行により、森林所有者は必ずしも自己所有森林を正しく把握しているとは限らないことが示唆された。また、林業事業体調査の調査方法を検討した結果、調査対象としての世帯の妥当性に問題があることがわかった。
高強度コンクリートの自己収縮応力に及ぼすクリープの影響の評価法に関する研究

若材齢高強度コンクリートの圧縮ならびに引張クリープ特性について、(1)載荷応力が少なくとも強度の40%以下の範囲ではクリープは載荷応力に比例する、(2)クリープ特性は載荷時材齢12日付近で大きく変化する。載荷時材齢3日以降は、クリープ特性の変化は小さい、(3)圧縮クリープと引張クリープとは大きな差異は認められない、(4)若材齢高強度コンクリートの基本クリープ評価式を最終クリープ量とクリープ進行関数の積で与えることができる、などの知見を得た。応力反転が生じるような変動応力下のクリープ評価について、(1)重ね合わせ法による算定値は、応力反転直後のクリープ量をやや大きく評価する傾向のあるが全般的には実測値とよく合致した、(2)時間硬化則ならびにひずみ硬化則による算定値は、いずれも実測値より小さくなる。特に、応力反転にともなうクリープひずみの反転量を著しく小さく評価する傾向にある、(3)時間硬化則とひずみ硬化則によるに大きな差異はない、(4)時間硬化則とひずみ硬化則を適用するには、応力反転にともなう材料の軟化現象を適正に考慮する必要がある、などの知見を得た。自己収縮応力の算定法について、(1)JCI法を用いて水セメント比30%の高強度コンクリートに材齢7日で最大1.5N/mm^2、材齢60日で最大2.2N/mm^2の自己収縮応力が発生することを確認した、(2)水セメント比30%の高強度コンクリートのクリープ特性から算定した有効弾性係数を用いた増分法により自己収縮応力を精度よく算定することができる、(3)自己収縮応力の実測値から算出した弾性係数低減係数は、温度実測値から算出したものに比べてやや小さな値となる、などの知見を得た。水セメント比25%、材齢28日の圧縮強度8090N/mm^2の高強度コンクリートの圧縮と引張の若材齢時のクリープ試験を実施した。クリープ試験と平行して、同じ環境下における自己収縮試験も行った。クリープ試験はレーバー式の試験機を用い、載荷材齢は3日とした。載荷時のコンクリートの圧縮強度、引張強度および圧縮弾性係数はそれぞれ4249N/mm^2、3.84.2N/mm^2および3032KN/mm^2であった。試験は、圧縮と引張の載荷応力比を同一とした場合(応力比7%)、双方の載荷応力を同一とした場合(0.9N/mm^2)および応力、応力比がともに異なる場合の計3ケースについて実施した。自己収縮試験は材齢1日から実施した。各試験実施にあたっては、供試体の表面を金属スプレーおよびアルミシールで封かん処理を行い、供試体からの水分逸散を防止した。供試体のひずみは埋め込み式のひずみゲージにより測定した。実験により次のような新しい知見が得られた。(1)載荷応力比が30%以下の、比較的低載荷応力レベルでは圧縮と引張クリープは、応力比および応力の大きさの如何にかかわらず両者はほぼ同様の性状を示す。従来の、普通強度のコンクリートを対象とした研究では引張クリープは圧縮クリープにくらべてかなり小さいことが指摘されており、この意味で本研究で得られた結果は、クリープのメカニズムを解明する上でも注目される。(2)圧縮、引張クリープは、いずれも載荷応力比が30%以下の領域では載荷応力に関する線形則がほぼ成立する。(3)高強度コンクリートの自己収縮は、材齢初期の段階から発生する。特に、材齢7までは急速に進行し約70μの自己収縮が発生する。

材齢7以降も引き続き進行し、材齢60日で120150μに達する。水セメント比30%、材齢28日の圧縮強度8090N/mm^2の高強度コンクリートの若材齢時の圧縮および引張クリープ試験ならびに自己収縮応力実験を実施した。クリクリープ試験は新開発の油圧式の試験機を用い、載荷材齢は3日とした。載荷時の圧縮強度、引張強度および圧縮弾性係数はそれぞれ4249N/mm^2、3.84.2N/mm^2および3032KN/mm^2であった。載荷応力は圧縮、引張ともそれぞれの強度の23%、30%および40%とした。自己収縮応力実験はJIS原案試験器を用いて、材齢1日から実施した。各試験実施にあたっては、供試体の表面を金属スプレーおよびアルミシールで封かん処理を行い、供試体からの水分逸散を防止した。供試体のひずみは埋め込み式のひずみゲージにより測定した。実験により次のような知見が得られた。(1)載荷応力比が40%以下の範囲で、圧縮クリープの載加応力についての線形性が認められた。(2)引張についても、載荷応力比による明確な差異は認められなかった。(3)圧縮クリープ性状と引張クリープ性状との間には、明確な差異は確認できなかった。(4)水セメント比30%の高強度コンクリートで、材齢10日で最大1.0N/mm^2の自己収縮応力の発生が確認できた。(5)自己収縮応力算定のための弾性係数低減率は、材齢初期で0.2程度、材齢28で0.4程度となり、温度応力分野で一般的に採用されている値と異なった傾向を示した。若材齢高強度コンクリートの圧縮ならびに引張クリープ特性について、(1)載荷応力が少なくとも強度の40%以下の範囲ではクリープは戴荷応力に比例する、(2)クリープ特性は戴荷時材齢12日付近で大きく変化する。戴荷時材齢3日以降は、クリープ特性の変化は小さい、(3)圧縮クリープと引張クリープとは大きな差異は認められない、(4)若材齢高強度コンクリートの基本クリープ評価式を最終クリープ量とクリープ進行関数の積で与えることができる、などの知見を得た。応力反転が生じるような変動応力下のクリープ評価について、(1)重ね合わせ法による算定値は、応力反転直後のクリープ量をやや大きく評価する傾向にあるが全般的には実測値とよく合致した、(2)時間硬化則ならびにひずみ硬化則による算定値は、いずれも実測値より小さくなる。特に、応力反転にともなうクリープひずみの反転量を著しく小さく評価する傾向にある、(3)時間硬化則とひずみ硬化則によるに大きな差異はない、(4)時間硬化則とひずみ硬化則を適用するには、応力反転にともなう材料の軟化現象を適性に考慮する必要がある、などの知見を得た。自己収縮応力の算定法について、(1)JCI法を用いて水セメント比30%の高強度コンクリートに材齢7日で最大1.5N/mm^2、材齢60日で最大2.2N/mm^2の自己収縮応力が発生することを確認した、(2)水セメント比30%の高強度コンクリートのクリープ特性から算定した有効弾性係数を用いた増分法により自己収縮応力を精度よく算定することができる、(3)自己収縮応力の実測値から算出した弾性係数低減係数は、温度実測値から算出したものに比べてやや小さな値となる、などの知見を得た。
多電子系における強磁性の数理物理学的研究

強く相互作用する量子多体系において非自明な秩序や相構造を解明すること、既存の方法を応用するだけでなく物理的視点に基づいた新たな数理的手法を開拓することを目指して研究を進めた。特に「単一のバンド内の電子が強く反発し合うことで強磁性が出現する」という物理的にもっとも自然な状況を反映したハバード模型で金属強磁性の発現を厳密に証明したことは特筆すべき成果である。この研究では数理的にも新しい証明方法を提案した。他に、ギャップのない多バンドハバード模型での強磁性、いくつかの強相関電子系でのマヨラナ端状態、平坦バンドのあるボース・ハバード模型での朝永・ラッティンジャー液体などについて成果を挙げた。「連続空間での相互作用する多体電子系で強磁性の発現を証明する」という大きな目標に向けて、関連する量子多体系の問題を幅広く探求することを目指した研究計画の初年度だが、広がりをもった研究が進展し、一定以上の成果を挙げたと考えている。特に、昨年度の桂と田崎の共同研究(Phys. Rev. Lett. 110, 130405 (2013))の延長である、田崎によるf=1ボース多体系における磁気秩序の理論は、これまで平均場近似が主流だった冷却原子系のモデルの解析に数理物理の立場から踏み込んだ重要な結果である。これは、強磁性ではないが、連続系での磁気秩序へのアプローチという意味では、本研究計画の最初の主たる成果と言っていいだろう。また、電子系での強磁性については、田中がギャップのない複数バンドを持つハバード模型での解析を進めており、これは将来の連続系の解析への第一歩となると期待される。桂は、量子多体系の解析の裾野を広げる方向で、ボソン系とフェルミオン系のエネルギーの比較、ボース・ハバード模型での朝永・ラッティンジャー液体相の解析などについて成果を挙げている。また、今年度は、二次元の臨界現象や共形場理論の研究などで知られるBoltzmann賞受賞者のJ. Cardyを始め複数の海外研究者を招聘し、密接な研究交流を行なうことができた。これは、即座に論文発表や研究成果に結びつくわけではないが、長期的には、研究計画にとって大きなプラスの影響を与えるだろう。本年度は田崎、田中、桂、それぞれが、「連続電子系の強磁性」という目的からさらに視野を広くもち、量子多体系研究の幅を広げるような多彩な研究を手がけ、論文、講演等によって公表した。研究のテーマは、量子多体系の平衡状態そのものを見直す基礎理論から、流行のマヨラナ粒子系やトポロジカル秩序にまで及んでいる。田崎は、量子多体系での平衡状態の特徴付けや平衡への緩和の一般的な理論を発展させている。緩和時間についての成果をNew Journal of Physicsの特集号に寄稿を依頼されて論文(査読あり)を公表し、また、より大きな一般論の一部を国際会議の招待講演で発表した。また、格子ゲージ理論におけるエンタングルメントエントロピーについての共同研究も手がけた。田中は,端のある一次元鎖状上の拡張ハバード模型において、すべての電子が一つのスピントリプレット電子対状態を占有しているような強磁性超伝導基底状態が実現されることを示した。また、この基底状態の具体的な形を求め、鎖の端にマヨラナエッジ状態が形成されていることを示した。これらの結果については学会で発表し、論文を投稿した。桂は、2成分の非線形波動方程式の解析を行い、Bogomol'nyiの方法を用いて広いクラスのキンク解をもつ系を構成した。また、ボンド次元4の行列積演算子を用いたHeisenbergスピン鎖の保存量の構成法を示した。さらに、相互作用するマヨラナフェルミオン系の解析を行い、そのトポロジカル秩序や磁場中XYZスピン鎖との関係を調べた。これらの成果は、国際会議での招待講演をはじめ幾つかの研究会で発表し、論文としても公表している。田中と田崎はある種のハバード模型における金属強磁性の出現について強い結果を得て、学会講演および論文で公表した。これは本研究計画での最も重要な成果の一つなのでやや詳しく述べる。同じ電子が強磁性と伝導の双方に寄与する金属強磁性は、強く相互作用する遍歴電子系の代表的な現象の一つである。金属強磁性についての既存の最も強い結果(田中・田崎, 2007)では基底状態での電子は複数のバンドを占めており、物理的メカニズムという観点からはやや人工的だという欠点があった。今回の結果は電子が最下端の唯一のバンドを占める状況での金属強磁性の発現を厳密に示したものであり、金属強磁性の厳密な例としては、これまででもっとも進んだ結果といえる。また、数理的観点からも、基底状態をあらわに求めずに基底状態での金属強磁性の存在が示されたことは本質的進歩である。ただし、今回の結果では無限体積極限でホール濃度がゼロになる場合しか扱えない。この成果を一里塚として、数理としても物理としてもより進んだ結果を模索する必要がある。また、田崎は、平衡統計力学の基礎付けに典型性と大偏差の立場からアプローチする研究を完成させ大部の論文を出版し、さらに、一般的な量子系を舞台にした熱力学第二法則の証明を発表した。これらの研究は強磁性の問題と直接の関係はないが、大自由度の量子力学的な系についての知見が随所に活かされている。特に多体フェルミオン系や格子上の量子多体系といった具体例での解析が重要な役割を果たした。

より広い意味での量子多体系への貢献として、桂は、相互作用のあるキタエフ模型のトポロジカル相での厳密な基底状態を求めマヨラナ演算子の具体系を定める研究、一次元自由フェルミオン系での正弦2乗変形の超対称性量子力学による解析などを手がけ、田崎は青木らと共著で格子ゲージ理論のエタングルメントエントロピーを再吟味して定式化する研究を行なった。強く相互作用する量子多体系において非自明な秩序や相構造を解明すること、既存の方法を応用するだけでなく物理的視点に基づいた新たな数理的手法を開拓することを目指して研究を進めた。特に「単一のバンド内の電子が強く反発し合うことで強磁性が出現する」という物理的にもっとも自然な状況を反映したハバード模型で金属強磁性の発現を厳密に証明したことは特筆すべき成果である。この研究では数理的にも新しい証明方法を提案した。他に、ギャップのない多バンドハバード模型での強磁性、いくつかの強相関電子系でのマヨラナ端状態、平坦バンドのあるボース・ハバード模型での朝永・ラッティンジャー液体などについて成果を挙げた。前述のように三名とも量子多体系の周辺の研究を着実に進めているが、電子系の強磁性について従来よりも深い理解を得るという目標に限定して考えれば、若干、計画が遅れていることは否めない。これは、桂が学習院大から東大に異動したり、田崎の大学内外での職務が増加したりといった理由から、三名での議論や共同研究の機会が減ったことにもよると考えられる。とはいえ、強く相互作用し合う連続空間の電子系を深く理解するという大目標にむかって三者がそれぞれの方向からアプローチした結果が、このような多彩な成果に結びついたと考えている。特に、一次元拡張ハバード模型についての田中の成果は、われわれが目標に掲げた強磁性という基礎的な問題が、超伝導、さらにはマヨナラエッジ状態とも共存しうることを示したという点で深い意義をもっている。統計物理学物理学の研究において目標を限定しすぎることは得策ではないだろう。今後も、「連続電子系での強磁性」という大目標を念頭に、量子多体系の本質的な問題を幅広く研究して行きたい。特に、エッジ状態やトポロジカル秩序といった、物性物理学で近年注目を集めている現象と強磁性の関連が見出されていることは興味深く、この方向を探る研究を深めて行くことになるだろう。また、「連続電子系での強磁性」という目標に直結する研究としては、田中と田崎が以前に発表したハバード模型での金属強磁性のモデルをより簡明にしたモデルの構築は進んでおり、これを発表できる形にもっていきたいと考えている。また、連続空間で少数の電子が相互作用して強磁性を発現するモデルについても、ある程度の結果を得ているので、それらを発表できる成果にまで高める努力を続ける。「連続電子系での強磁性」という狭い意味での目標にかぎれば現段階での成果は限定的というべきだろう。しかし、そこから派生する種々の量子多体系の解析という観点からすると、当初の予想を超える広がりのある研究ができたと判断している。特に、ボース多体系の研究が予想をうわまって進展した。これは、本研究計画の最初の重要な成果である。本研究計画の開始前の発表した桂と田崎の共同研究(Phys. Rev. Lett. 110, 130405 (2013))は、本研究計画についての構想を進めていく中で生まれたもので、われわれとしては、本研究計画の一部のように感じている。
NIRSを用いたALS患者の認知レベルの評価とコミュニケーション支援を目指して

ALSは従来、知的機能は保たれ、認知症は伴わないとされてきたが、近年、認知機能障害を呈する割合が増加し、重症化することが指摘されている。さらに疾患が進行し、無言無動の完全閉じ込め状態(totally locked-in state:TLS)にあるALS患者(ALS-TLS)の認知レベルの評価は十分には行われていない。近年、認知症の重症度の判定等にNIRS(近赤外分光法)を用いた研究が行われ、血流量の低下と認知レベルの低下との関連が示されている。本研究ではNIRSを用いて、ALS患者の脳血流状態を計測し、認知レベルの評価を行い、その評価に応じたコミュニケーション支援のあり方について検討する。
非貴金属材料を用いた燃料電池用カソード触媒の開発と高性能化に関する研究

本研究はTi、Nb、TaといったIV、V族化合物を用いた新規非白金ORR触媒の開発を目指し、主にナノ粒子窒化物を調製し、これら材料のORR触媒の活性を評価した。また、これら材料の酸化や窒化、粒径の変化等が触媒活性にどのように影響するのかを評価することでORRの活性発現条件の解明を試みた。この他、IV、V族化合物のORR触媒活性点と相関関係がある測定法として、ORRの反応物である触媒表面上の分子状吸着酸素を評価した。手法としては低温に置ける酸素の昇温脱離法(02-TPD)を用いた。酸素の吸着エネルギーや触媒表面の吸着サイト密度を計算し、これらとORR活性との相関関係を評価した。ナノ粒子調製法として知られる、C_3N_4をテンプレートとして用いる方法によってTi、Nb、Taの窒化物ナノ粒子を調製した。これらナノ粒子を電極触媒として用いたところ、いずれの窒化物もORR触媒活性を示し、その中でもTiNが最も高い活性を示した。これら材料を用いて行ったO_2-TPDの測定から求めた酸素吸着エネルギーの大小とORR触媒活性の大小には相関があることが示唆された。また脱離ピーク面積から算出した非白金触媒のO_2吸着サイト密度は、白金触媒に比べて1/41/3程度と低いことがわかった。その一方でTiNは、粒径の減少とともに単位表面積あたりのO_2吸着サイト密度が飛躍的に向上しており、ナノ粒子化により新しい吸着サイトが形成されていることが分かった。これらの結果から、非白金触媒開発において、O_2吸着エネルギーの強い材料を用いるとともに、酸素吸着サイト密度を上昇させるという二つの指標が得られた。また窒化チタンナノ粒子の新たな利用方法としてアルカリ雰囲気中での酸素還元特性を評価し、窒化物ナノ粒子の幅広い利用の可能性を示した。本研究は次世代のエネルギー変換技術として期待される固体高分子形燃料電池(PEFC)のカソードで起こる、酸素還元反応(ORR)に用いられる触媒に関する研究を行った。現在カソード触媒として用いられている白金触媒に替わる、安価で安定な新規材料開発としてTi、Nb、TaといったIV、V族の酸化物や窒化物を用いた触媒の開発を目指した。これまでに報告されているこれら化合物系触媒の欠点である、導電性の低さや表面積の低さを、ナノ粒子化によって解決することを試みた。本年度の研究実施計画に従い、窒化物ナノ粒子調製法として知られるC_3N_4をテンプレートとして用いる方法によってTi、Nb、Ta窒化物のナノ粒子を調製した。これらナノ粒子をカーボン担体に担持し、電気化学測定によって触媒活性を評価したところ、いずれの窒化物も白金代替ORR触媒として優れた活性を示した。その中でもTiNが最も高い活性を示した。これら元素のナノ粒子材料のORR触媒への応用は前例がなく、応用例として意義深い。この他、テンプレートの細孔のサイズを変化させ、幾つかの種類をもつナノ粒子窒化物を調製し、粒径の変化等が触媒活性にどのように影響するのかを評価した。IV、V族材料のナノ粒子の粒径、表面積がORR触媒活性に及ぼす影響は報告例がない。これらの研究結果と関連する内容を、学術論文として報告されたほか、本研究の内容を国内外合わせて7つの学会で発表した。また、来年度行う予定の研究へのスクリーニングとして、ORR触媒の活性点に関する測定法の検討を行った。その一つである酸素を吸着脱離させる装置の立ち上げを行った。予備実験として行った実験ではORR触媒活性と酸素の脱離エネルギーが相関があることが示唆されている。今後はこの測定法を足がかりに、ORRの活性点の解明に向けて研究を進めたい。

ナノ粒子調製法として報告されているC_3N_4を用いてTi,Nb,Zr,TaといったIV、V族材料の窒化物ナノ粒子の調製に成功した。また酸素還元反応の触媒活性を評価し、活性を有することを見出した。国内、国際いずれも多くの学会に参加し、成果を報告したことから研究は概ね順調に進展した。
ハマグリの資源管理のための実践的方法

ハマグリMeretrix lusoriaは全国各地で漁獲量が激減している二枚貝である.本研究では、ハマグリの厳格な資源管理が行われている福岡県糸島市加布里湾と自然管理が不十分な熊本市白川・緑川河口で、20092011年に定期的な定量採集を行い、地域間で個体群構造を比較するとともに、生活史特性や個体群動態を把握し、資源管理技術の開発を行った.また,資源管理を促進するために、養殖・畜養技術の開発を並行して行った.ハマグリMeretrix lusoriaは全国各地で漁獲量が激減している二枚貝である.本研究では、ハマグリの厳格な資源管理が行われている福岡県糸島市加布里湾と自然管理が不十分な熊本市白川・緑川河口で、20092011年に定期的な定量採集を行い、地域間で個体群構造を比較するとともに、生活史特性や個体群動態を把握し、資源管理技術の開発を行った.また,資源管理を促進するために、養殖・畜養技術の開発を並行して行った.ハマグリMeretrix lusoriaは,日本各地の干潟で最も普通に見られる二枚貝であったが,現在は多くの地域で激減している.日本-の漁獲を誇る熊本県も同様で,漁獲量は最近20年間で約20分の1に減少した.私は,『干潟が健全で乱獲がなければ,ハマグリは砂質干潟の優占種で,その保全は漁業だけでなく,干潟生態系を守る上でも重要である』との考えに基づき,本種の生活史特性の把握,個体数激減の原因解明,さらに,資源管理技術確立に向けた研究を進めている.平成21年度は,資源管理の基礎データとなる稚貝定着・成長・移動分散・寿命および資源量の年変動に関するデータを蓄積するとともに,干潟での飼育実験や浅海での垂下飼育実験を行い,ハマグリ養殖技術の確立を目指した.その結果,ハマグリは成長はやや遅いものの,環境の変化に強く,資源管理の効果が大きい二枚貝であることがわかった.ただし,稚貝の着底量には年変動が大きく,安定的に漁獲するには資源管理が不可欠であることも明らかになった.また,干潟や浅海での飼育実験におけるハマグリの成長は良好で,将来的に,種苗生産→干潟での稚貝養殖→浅海での幼貝垂下養殖といったハマグリの『完全養殖の道』が開かれた.ただし,干潟漁場でのハマグリ採貝が最も効率のいいハマグリ生産方法であることは言うまでもない.しかし,そのためには漁業者間の資源管理に関する合意形成が不可欠である.今後は,平成20年度に作成したハマグリの資源管理に関するリーフレットや著書を活用し,ハマグリの実践的な資源管理のための方策を探りたい.ハマグリMeretrix lusoriaは,日本各地の干潟で最も普通に見られる二枚貝であったが,現在は多くの地域で激減している.日本一の漁獲を誇る熊本県も同様で,漁獲量は最近20年間で約20分の1に減少した.私は,『干潟が健全で乱獲がなければ,ハマグリは砂質干潟の優占種で,その保全は漁業だけでなく,干潟生態系を守る上でも重要である』との考えに基づき,本種の生活史特性の把握,個体数激減の原因解明,さらに,資源回復と管理技術確立に向けた研究を進めている平成22年度は,資源管理の基礎データとなる稚貝定着・成長・移動分散・寿命および資源量の年変動に関する研究を継続するとともに,干潟漁場や素堀池での飼育実験や浅海での垂下飼育実験を行い,ハマグリ蓄養・養殖技術の確立を目指した.その結果,成長はやや遅いものの,ハマグリは環境の変化に強く,資源管理の効果が大きい二枚貝であることがわかった,ただし,稚貝の着底量には年変動が大きく,安定的に漁獲するには資源管理が不可欠であることも明らかになった.また,干潟漁場・素堀池・浅海での飼育実験におけるハマグリの成長は良好で,出荷調整のための蓄養だけでなく,種苗生産→干潟・素堀池での養殖→浅海での蓄養という『ハマグリの完全養殖』の可能性が強まり,母貝の確保も難しくなっている瀬戸内海などでのハマグリ資源回復の道が開かれたただし,資源量の豊かな熊本県では,干潟漁場でのハマグリ採貝が最も効率のいいハマグリ生産方法であることは言うまでもない.しかし,そのためには漁業者間の資源管理に関する合意形成が不可欠である.今後は,平成20年度に作成したハマグリの資源管理に関するリーフレットや著書を活用し,ハマグリの実践的な資源管理のための方策を探りたいハマグリMeretrix lusoriaは,日本各地の干潟で最も普通に見られる二枚貝であったが,現在は多くの地域で激減している.日本一の漁獲を誇る熊本県も同様で,漁獲量は最近20年間で約20分の1に減少した.熊本県では,玉名市菊池川から宇土市網田に至る広大なハマグリ生息地で,多くの漁協組合人が採貝を行っている.そのため,総合的・実践的な資源管理を実施するには,ハマグリの生息地全域で,ハマグリの生息状況と漁場間の移動を調査する必要がある.平成23年度は,菊池川から網田の合計19地点で,ハマグリのサイズ組成と生息地の泥分を比較した.

その結果,稚貝(殻長5mm未満)と幼貝(殻長530mm)の密度は,河川からの距離と逆相関があり,稚貝と幼貝の密度が100個体/m2を越える地域は,河川からそれぞれ100m以内,200m以内に限られていた.ただし,河川に隣接していても泥分が高い場所は稚貝・幼貝が少なかった.一方,成貝(殻長30mm以上)の密度と河川からの距離には相関がなかった.また,稚貝・幼貝・成貝の密度と泥分にも相関がなかった.場所別に見ると,稚貝密度が特に高かったのは白川河口であったが,成貝は少なかった.逆に,河川から離れた網田では稚貝・幼貝はほとんど見られなかったが,成貝の多い地点もいくつか見られた.このことは,稚貝は河口周辺の低塩分の砂地に着底し,成長と共に周辺の海域に移動することを示唆している.このような漁場問のハマグリの移動は,ハマグリの資源管理を難しくしている.今後は,種苗生産や畜養・養殖などを併用して,多角的な資源管理を行う必要がある.
膀胱拡大術に対する羊膜上皮細胞と脂肪由来幹細胞を用いた機能的膀胱の再生

我々は、以前の研究で抗瘢痕効果のある羊膜上に口腔粘膜上皮を播種し膀胱上皮とし、生体吸収性の足場材料に自己胃平滑筋を播種したものを膀胱筋層として、イヌで膀胱再生実験を行い、良好な膀胱機能と十分な膀胱上皮と筋層構造の再生に成功した。しかしながら、この方法は、口腔粘膜や胃平滑筋などの体内臓器を犠牲にする必要があるため、臨床応用に適さない。そこで、本実験では、生体吸収性足場材料を2層構造にしたものを作製し、その内層には、瘢痕化を抑制する効果のある羊膜上皮細胞を外層には、尿路平滑筋の分化能を有する脂肪由来幹細胞(ADSCs)を使用し、膀胱構造と排尿機能的にも良好な膀胱再生をする。
骨髄脂肪細胞分化と骨リモデリングの関連についての分子生物学的検討

1.3アドレナリン受容体(AR)agonist投与のラットモデルによる骨髄脂肪計測:β3AR agonist(BRL35135)投与のラットモデルを用いて、β3AR agonist投与の有無、卵巣摘出の有無により4群にわけて、腰椎と脛骨について薄切標本を作成して、海綿骨骨形態計測と脂肪計測を行った。結論として、骨のリモデリングと骨髄脂肪細胞数には密接な関連があること、腰椎と脛骨ではβ3AR agonist投与や卵巣摘出による骨髄脂肪細胞の形態変化が異なることが明らかとなった(研究発表2、5)。また、卵巣摘出による肥満ラットにおいてβ3AR agonistは体重減少なく内臓脂肪を減らすことが明らかとなった。さらに、妊娠授乳ラットを用いて同様な骨髄脂肪の解析を行ったところ、分娩後は授乳の有無に関わらず、骨髄脂肪細胞量・数が急激に減少することも明らかになった(研究発表1、4)。2.紫雲寺町の骨密度検診:本研究費により、2000年910月に約200名を対象にDXA法による腰椎骨密度検診を行い、同意の得られた女性から血液を採取し、DNAの抽出を行った。過去7年間の解析により、乳製品からのカルシウム摂取量の変化と腰椎骨密度の変化は、1年目には相関を認めないが、3年目で正の相関を示すことが判明した。また、カルシウム摂取量の変化と腰椎骨密度の変化との相関には、ビタミンD受容体遺伝子多型(Taq I, APa I)が関与している可能性が示唆された(論文投稿中)。現在までのところ、エストロゲン受容体遺伝子多型、β3AR遺伝子多型、UCP遺伝子多型の関与は認められない。1.β3アドレナリン受容体(AR)agonist投与のラットモデルによる骨髄脂肪計測法の確立:β3AR agonist(BRL35135)投与のラットモデルも用いて、β3AR agonist投与の有無、卵巣摘出の有無により4群にわけて、腰椎と脛骨について薄切標本を作成して、海綿骨骨形態計測と脂肪計測を行った。今後さらに、内臓脂肪の性状の解析や血中骨代謝パラメーターの測定、分子生物学的な検討等を行う予定である。また、妊娠授乳ラットを用いて同様な骨髄脂肪の解析を行ったところ、分娩後は授乳の有無に関わらず、骨髄脂肪細胞量・数が急激に減少することも明らかになった(研究発表1、4)。2.紫雲寺町の骨密度検診:今年は本研究費により、2000年910月に約200名を対象に検診を行い、同意の得られた婦人から血液を採取し、DNAの抽出を行った。1998年までのデーターについては本年報告したが(研究発表3)、2000年のデーターを現在解析中である。特に体重変化や生活習慣の変化と骨密度の変化との関連について、次年度には報告できると思われる。1.β3アドレナリン受容体(AR)agonist投与のラットモデルによる骨髄脂肪計測:β3AR agonist(BRL35135)投与のラットモデルを用いて、β3AR agonist投与の有無、卵巣摘出の有無により4群にわけて、腰椎と脛骨について薄切標本を作成して、海綿骨骨形態計測と脂肪計測を行った。結論として、骨のリモデリングと骨髄脂肪細胞数には密接な関連があること、腰椎と脛骨ではβ3AR agonist投与や卵巣摘出による骨髄脂肪細胞の形態変化が異なることが明らかとなった(研究・発表2、5)。

さらに、妊娠授乳ラットを用いて同様な骨髄脂肪の解析を行ったところ、分娩後は授乳の有無に関わらず、骨髄脂肪細胞量・数が急激に減少することも明らかになった(研究発表1、4)。2.紫雲寺町の骨密度検診:本研究費により、2000年910月に約200名を対象にDXA法による腰椎骨密度検診を行い、同意の得られた女性から血液を採取し、DNAの抽出を行った。過去7年間の解析により、乳製品からのカルシウム摂取量の変化と腰椎骨密度の変化は、1年目には相関を認めないが、3年目で正の相関を示すことが判明した。また、カルシウム摂取量の変化と腰椎骨密度の変化との相関には、ビタミンD受容体遺伝子多型(TaqI, Apa I)が関与している可能性が示唆された(論文投稿中)。現在までのところ、エストロゲン受容体遺伝子多型、β3AR遺伝子多型、UCP遺伝子多型の関与は認められない。
レーザー細胞破壊技術を用いた寄生蠕虫感染型幼虫の特殊細胞・器官の機能と役割の検証

本研究の目的は、マイクロポイントインターフェースシステムによって特殊器官が破壊された住血吸虫セルカリアと糸状虫感染幼虫の刺激応答反応の変化を観察することにより、特殊器官の機能を明らかにすることである。平成18年度にS.mansoniセルカリアの運動を一時停止させるNaN3の至適濃度を検討し、レーザービームによるacetabular glands破壊条件を検討した。しかし細胞破壊の確実性と幼虫の生存率に問題が残った。平成19年度はさらにビーム照射条件の改善を検討したが、いまだ、他の細胞を破壊せず確実にacetabular glandsを破壊できる、信頼性があり公表できる技術開発にいたってない。しかし、acetabular glands周辺にレーザー照射を受けたセルカリアは脂肪酸刺激による皮膚への侵入運動を発現しないことは確かめられ、acetabular glandsがセルカリアの皮膚侵入に重要な役割をはたしていることは明らかになった。一方B. pahangi感染幼虫のamphidsのレーザーによる破壊は角皮が厚いために不可能と判断した。そこで糸状虫のamphidsの機能を追求する代替実験、amphidsの被覆実験、を行った。感染幼虫に走化性運動を発現させる物質を含む血清中に飼育された幼虫は血清への走化性を失うが、洗浄によって走化性運動は回復することが明らかとなった。この実験結果はamphidsが幼虫の走化性運動発現に重要な機能を果たしていることを示す。本研究により、住血吸虫セルカリアのacetabular glandsと糸状虫感染幼虫のamphidsが刺激応答反応に重要な役割をはたしていることが明らかとなった。本研究の目的は、マイクロポイントレーザーインターフェースシステムによって特殊器官(acetabular glandsとamphids)が破壊された住血吸虫セルカリアと糸状虫感染幼虫の刺激応答反応(住血吸虫セルカリアの脂肪酸刺激による皮膚侵入運動、糸状虫感染幼虫の血清への走化性)の変化を観察することにより、特殊器官の機能を明らかにすることである。本研究の成果は、いかにレーザーで特殊器官のみを破壊できるかによっている。まず幼虫の運動を一時停止させるための麻酔の検討を行い、次のような結果を得た。1.C.elegans麻酔に用いられるNaN_3にikS.mansoniセルカリアとB.pahangi感染幼虫の水中遊泳運動を停止させ、かつ、この麻酔作用は可逆的である。2.幼虫の運動を停止させるNaN_3の至滴濃度は、セルカリアで10mM以上、感染幼虫で50mM以上である。3.NaN_3にさらされた幼虫の運動性は、水およびPBSで洗浄後20分で回復する。次にレーザービームによる細胞破壊条件の検討を行い、下記の結果を得た。1.レーザービームの照射条件を18パルス/秒で、照射時間35秒で検討した結果、セルカリアのpre-とpost-acetabular glandsは2パルス/秒で、3秒で破壊が確認された。これらの幼虫の約1/5は麻酔回復後、水中を遊泳した。2.B.pahngi感染幼虫は麻酔と同時にグリセリンで幼虫を透徹せねばamphidsが観察できない。グリセリンによる3時間透徹状態でレーザービーム照射実験を行なったが、amphidsの破壊は確認できていない。
M_2^+二核カチオンラジカルと有機アニオンラジカルの組合せによる一次元磁性体の開発

Ru_2(O_2CR)_4^+あるいはRh_2(HNOCR)_4^+は三個または一個の不対電子を有するので、これを有機ラジカルで連結することにより鎖状構造を構築し、一次元磁性体を造ろうというのが本研究の目的であったが、その目的遂行のための前段階の研究においても興味深い知見が得られた。以下に示す。1.ピバル酸モリブデン(Mo_2(O_2CCMe_3)_4)を4,4 ́-ビピリジン(bpy)で連結した鎖状錯体これは、まずM_2(O_2CR)_4の架橋配位子との組み合わせで、鎖状構造が形成されるのかを確認するために行った実験である。得られた単結晶のX線構造解析の結果、目的通りbpyの軸配位により鎖状構造が形成されていることが分かった。その内容はBulletin of the Chemical Society of Japan(1994年67巻3125-3127)に報告した。ここで、目的通り鎖状錯体が形成されたのは合成の際、M_2二核により高い溶解性を有すピバル酸二核を用いたことが一つのキ-ポイントであると考えられた。そこでRu_2(O_2CR)_4^+にピバル酸ルテニウム陽イオンを用いることにした。2.ピバル酸ルテニウム陽イオン(Ru_2(O_2CCMe_3)_4^+)にニトロキサイドラジカルTEMPO(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy radical)あるいはPTIO(2-phenyI-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-3-oxide-1-oxyl)を軸配位させた錯体3.アセトアミドロジウム陽イオン(Rh_2(HNOCR)_4^+)を架橋二座配位子で連結した鎖状錯体Rh_2(HNOCR)_4BF_4にbpy等の含窒素架橋二座配位子(L)を反応させることにより、[Rh_2(HNOCR)_4L]_nを合成した。現在、有機ラジカルとの組み合わせについて検討中である。以下に示す。
樹木の成長を支える共生菌の交配育種技術の開発

樹木の多くは養分吸収の大部分を外生菌根菌に依存しており、効果的な菌株な選抜・育種ができれば、樹木の成長や定着を促進できる。本研究では、厳しい土壌条件でも効果が期待される菌根菌の選抜や樹木に与える影響の評価を行い、有効な菌群を特定した。また、交配育種に役立つ情報を整備するため、主要な菌群の遺伝子流動や系統進化についても新規知見を得た。菌根菌は樹木の成長や定着を促進する共生微生物である。多くの樹木は菌根菌に養分吸収の大部分を依存しており、菌根菌と共生しなければ樹木は全く成長できない。また菌根菌は厳しい土壌環境から繊細な樹木細根を物理的・科学的に保護する作用もあり、樹木のストレス耐性の向上にも貢献することが知られている。一般に、樹木のストレス耐性を向上させるために行う樹木自身の育種には膨大な時間と労力が必要である。そこで、幅広い宿主域を持つ菌根菌を選抜・育種して樹木に接種することにより、比較的短期間に多くの樹木のストレス耐性を向上できるのではないかと考えた。本研究では、耐塩性をひとつのモデルケースとして、樹木のストレス耐性の向上が可能なのか、菌根菌の選抜・育種が可能なのかを検討することを目的とする。日本各地から収集した菌株の一部を用いて、菌株の培養条件の検討を行うとともに、耐塩性の予備的なスクリーニングを行った。ヌメリイグチなどの一部の菌株では100mMの塩化ナトリウムを添加すると著しく成長が阻害されるものの、一部の菌種では逆に成長が促進されることが確認された。また、一部の菌種は塩類ストレス下でも胞子発芽が確認できた。このような耐塩性菌種を用いた育種は理論的には可能であるが、子実体形成の困難な場合が多く、交配育種を実現させるためには克服すべき多くの課題がある。本年度は、すでに日本各地から収集した菌株の一部を用いて、菌株の培養条件の検討を行うとともに、耐塩性の予備的なスクリーニングを行った。また、千葉と茨城の海岸の塩類集積地において菌根性子実体を採取し、菌株の分離と胞子の採取を行った。現在は、さらに広い塩化ナトリウム濃度でより多くの菌株の培養スクリーニングを行っているほか、胞子発芽に及ぼす塩類の影響を解析中である。研究代表者の異動のため研究環境が大きく変わったため、必要な機材の準備やスペースの確保などに時間や労力、予算をさく必要があったため。大筋では当初の研究目的に従うものの、一部の計画を変更し、配分された研究予算内で一定の成果が挙げられるようにする。実験に必要な研究用消耗品を中心に、調査や成果発表に必要な旅費を確保する。次年度内に全額執行予定。
脳特異的RhoファミリーG蛋白質Rnd2の新規神経機能の探求

神経回路は、特異的な極性を示す神経細胞がその神経突起を介した接着により形作る複雑なネットワークシステムである。そのシステムの中でRhoファミリー低分子量GTP結合蛋白質(G蛋白質)はアクチン骨格の再構成を行い、様々な神経細胞において形態変化を引き起こす。Rndサブファミリーは新たなRhoファミリーG蛋白質の一員で、Rnd1、Rnd2、Rnd3で構成される。これまでRnd1とRnd3はRhoAのシグナル経路に対して抑制的に働くことが知られているが、Rnd2のシグナル経路はあまり解明されていない。そこで本研究ではRnd2の結合蛋白質からシグナル経路を探るため、Rnd2をbaitとして酵母ツーハイブリッドスクリーニングを行った。その結果、大脳皮質や海馬ニューロンといった神経細胞に多く発現する新規Rnd2エフェクター蛋白質を同定し、Pragmin (Rnd2のpragma<実用的なもの、道具>)と命名した。in vivo並びにin vitroでの結合実験によると、PragminはRhoファミリーの中でGTP結合活性型Rnd2に特異的に直接結合した。またRnd2と結合するとPragminはRhoAの活性を著しく増加させ、RhoAとその下流のエフェクター分子であるRho-kinaseによるシグナル経路を経て、HeLa細胞の収縮を引き起こすことが明らかになった。更にPC12細胞では、NGFによる突起形成がPragminの発現によってRnd2依存的に阻害され、またPragmin特異的なRNA干渉によるPragminのノックダウンによって突起伸長が促進された。以上の結果から、RhoAシグナル経路を阻害するRnd1とRnd3とは対照的に、Rnd2はPragminを介してRhoAを活性化し、神経突起形成の制御因子として機能することを解明した。脳神経系での神経機能発現において、シナプスを介した神経細胞の情報伝達は極めて重要なシステムである。シナプスにおける小胞輸送は、前シナプスではシナプス小胞を神経終末に運び、後シナプスではAMPA型グルタミン酸受容体を刺激依存的に輸送しシナプス可塑性を引き起こすといった、様々な神経機能を発現するための重要なステップであるが、その分子レベルでの制御機構はあまり理解されていない。小胞輸送において、RhoファミリーG蛋白質が重要な役割を担うことを示唆的に示す報告がされている。私はこれまでに、中枢神経系に特異的に発現しているRhoファミリーG蛋白質の一つ、Rnd2がVPS4-Aによって初期エンドソームに集積され、小胞輸送の調節を行なっていることを示した。これは、Rnd2の小胞輸送における作用部位を明らかにしたことを意味する。しかしRnd2がその下流でどの様なエフェクターを介してシナプス小胞輸送を調節するかは明らかではない。他のRhoファミリーG蛋白質は、機能的に異なる複数のエフェクター分子を介して多彩な生理作用を発揮しており、Rnd2においても複数のエフェクター分子の存在が想定される。そこで、酵母two-hybrid法を用いてRnd2の特異的なエフェクター分子をスクリーニングしたところ、いくつかのRnd2結合蛋白質を得た。その中の一つに、N末端側は他の蛋白質とのホモロジーはないが、C末端側にキナーゼドメインを有する未知の分子の一部を得た。この分子の全長をクローニングし、Rnd2との結合をPull-down法、免疫沈降法、およびdot-blot法で調べたところ、Rhoファミリーの中でRnd2に特異的に結合することがわかった。また、HeLa細胞を用いてその細包内局在を見ると、細胞内小器官とは異なる部位に集積していた。現在、Rnd2により発揮されるこの分子の生理的機能を解析中である。RhoファミリーG蛋白質は転写調節、膜輸送、細胞形態といった様々な細胞活動を制御する重要な調節分子である。最近、新規サブファミリーRnd(Rnd1,Rnd2,Rnd3)が発見された。そのうちRnd1とRnd3はRhoシグナル経路において抑制的に働くことなどが報告されているが、Rnd2に関しては脳に多く発現していること以外わかっておらず、その生体内での機能は不明である。これまで私はRnd2結合蛋白質としてVPS4-Aを単離し、Rnd2のVPS4-Aを介した小胞輸送制御機構を明らかにした。しかしRnd2の脳神経機能を司る分子メカニズムの全体像はあまりわかっていない。そこで、私はさらなるRnd2特異的エフェクター分子を同定する目的で、酵母two-hybrid法を用いて、ラット脳cDNAライブラリーから常時活性型変異体Rnd2^<A16V>と相互作用する分子をスクリーニングした。得られたいくつかの陽性クローンの一つに、キナーゼドメインを有する新規Rnd2結合蛋白質の一部を単離し、Rndキナーゼと命名した。RndキナーゼとRnd2の結合をPull-down法、dot-blot法、および免疫沈降法により調べたところ、RhoファミリーGTPaseの中でRnd2に特異的に、又、GDP結合不活性型よりGTP結合活性型Rnd2に強く結合した。次にHeLa細胞にRnd2^<A16V>とRndキナーゼを共発現させたところ、細胞のラウンディングや膜のブレッビングが見られたが、Rnd2^<T21N>(不活性型変異体)では起こらなかった。またこの形態変化は特異的Rhoキナーゼ阻害剤Y-27632により有意に抑制された。さらにRnd2とRnd-kinaseの共発現によりRhoAの活性化が認められた。

以上の結果から、Rnd2は新規エフェクター分子Rndキナーゼを介し、RhoA/Rhoキナーゼシグナル経路を経由して、細胞ラウンディングや膜ブレッビングといった細胞形態変化を行っていることが示唆される。現在、詳細な分子機構および脳神経系での生理的機能について解析中である。神経回路は、特異的な極性を示す神経細胞がその神経突起を介した接着により形作る複雑なネットワークシステムである。そのシステムの中でRhoファミリー低分子量GTP結合蛋白質(G蛋白質)はアクチン骨格の再構成を行い、様々な神経細胞において形態変化を引き起こす。Rndサブファミリーは新たなRhoファミリーG蛋白質の一員で、Rnd1、Rnd2、Rnd3で構成される。これまでRnd1とRnd3はRhoAのシグナル経路に対して抑制的に働くことが知られているが、Rnd2のシグナル経路はあまり解明されていない。そこで本研究ではRnd2の結合蛋白質からシグナル経路を探るため、Rnd2をbaitとして酵母ツーハイブリッドスクリーニングを行った。その結果、大脳皮質や海馬ニューロンといった神経細胞に多く発現する新規Rnd2エフェクター蛋白質を同定し、Pragmin (Rnd2のpragma<実用的なもの、道具>)と命名した。in vivo並びにin vitroでの結合実験によると、PragminはRhoファミリーの中でGTP結合活性型Rnd2に特異的に直接結合した。またRnd2と結合するとPragminはRhoAの活性を著しく増加させ、RhoAとその下流のエフェクター分子であるRho-kinaseによるシグナル経路を経て、HeLa細胞の収縮を引き起こすことが明らかになった。更にPC12細胞では、NGFによる突起形成がPragminの発現によってRnd2依存的に阻害され、またPragmin特異的なRNA干渉によるPragminのノックダウンによって突起伸長が促進された。以上の結果から、RhoAシグナル経路を阻害するRnd1とRnd3とは対照的に、Rnd2はPragminを介してRhoAを活性化し、神経突起形成の制御因子として機能することを解明した。