hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
空間不均一微小擾乱による二次元冷却噴流の拡散制御

本年度は二次元冷却噴流の初期せん断層にスパン方向・時間方向に周期的な擾乱を与え、PIVによって速度場の詳細を計測すると共に、細線熱電対温度センサーによって噴流各部の温度を計測し、噴流への熱の出入りを調べた。励起状態下擾乱位相差φ=πにおいて、噴流速度分布を積分して得られた平均流量は非励起時に比して全体的に小さい値となった。特に、噴流下流部(x/B=40)での平均流量は非励起時の77%程度に抑えられた。励起によって噴流せん断層外縁に発生する渦の発達が抑制され、周囲流体からのエントレインメントが減少したのが主な要因である。x方向流速のRMSを求めた結果、φ=π/2、πの擾乱条件では噴流せん断層外縁に強い速度変動は確認されるものの、その範囲は非励起時よりも狭く、噴流中心軸付近では速度変動が非常に小さくなった。この状態はx=20B付近まで持続した。温度場の境界条件は噴流出口温度およびエントレインメント熱流束をそれぞれ一定とした。噴流出口温度と熱交換機への回流温度の差に基づいた熱通過率hを定義し、周囲流体からの熱の供給を評価したところ、励起条件φ=πでは非励起時と比べhが5%程度低減されることが明らかとなった。このことにより、条件φ=πでは熱の噴流中心軸方向への入り込みが非励起時に比べて抑制されることが実証された。本結果は冷却エアカーテンの高効率化に資するものである。二次元噴流流路の製作を行い、流路の健全性を確認するために噴流速度場計測を行った。流路は新規購入のブロアー、二次元ノズル、噴流テストセクション、吸入口、熱交換器、チラー、およびそれらを結ぶダクトからなる。ブロアーによって駆動された空気は熱交換器で冷却された後、助走部を経て二次元ノズル(幅30mm、長さ900mm)から流出し、二次元噴流が形成された。噴流として吹き出した空気は噴流下流部に設けられた吸入口から再びブロアーに戻るものとした。時間的に周期的でかつスパン方向に位相の変化する擾乱を与えるために、擾乱発生装置を作成し、ノズル出口部に設置した。擾乱発生装置は、ノズル出口部に設置された幅20mm、高さ1mmの矩形断面を有するスロット(両側にそれぞれ45個)、4台の音響用スピーカ、およびそれらを結ぶ銅管からなる。スピーカに正弦波を加えることでノズル出口部にスパン方向に位相差を伴った擾乱を与えられるものとした。画像処理流速測定システムは、現有のNd:YAGレーザ、高解像度CCDカメラと新規購入の画像取込装置からなる。画像処理ソフトウェアの構築、位置校正システムの構築を行った。噴流の基本的性状を調べるために、現有の熱線流速計によって速度場の計測を行った。ノズル出口部における平均速度分布はトップハット形状であり、乱れ度は3%未満であった。擾乱を付加させた場合の噴流の半値幅は付加させない場合に比べて10%程度抑制された。この効果はノズル幅の40倍程度下流まで確認された。ただし、半値幅の増加率はノズル幅の20倍程度下流以降では概ね等しくなった。このことから、ノズル出口からノズル幅の20倍程度下流までの区間において擾乱による組織的構造の変化が起こり、それよりも下流では次第に擾乱の効果が消滅していくものと考えられる。
健康増進と疾病予防に寄与する分子状水素の多様な機能を発揮するメカニズムの解明

分子状水素(H2)は、様々な細胞内情報伝達調節と遺伝子発現制御によって、健康増進・疾患の予防に寄与する。本研究では、H2がどのように遺伝子発現を制御するメカニズムを解明することを目的とする。フリーラジカル連鎖反応にH2は介入して、酸化リン脂質を改変し、Ca(2+)シグナリングを通して遺伝子発現を制御することを明らかにした。これに加えて、H2は、PGC-1α遺伝子発現増加を促し、脂肪酸とステロイド代謝を亢進する。メカニズムとして、H2が4-ヒドロキシ-2-ノネナールを減少させ、Akt/FoxO1シグナリングとその一連のシグナリングを通して、PGC-1αは間接的に制御される。申請者は、水素分子(H2)が新しい概念の抗酸化物質であることを証明し、世界に水素医学を提唱した。その後、様々な酸化ストレスによるモデル動物ほとんど全ての臓器と病態において顕著に効果的であり、水素には炎症抑制作用、抗アレルギー作用があり、さらにエネルギー代謝促進作用があることが判明した。これらの水素の多機能性の作用は、健康増進と疾病の予防に寄与することが想定される。このような様々な病態に対し多様な機能を発揮する際には、水素は遺伝子発現の制御を行っていることが判明した。しかし、水素が直接転写制御因子に作用するとは考えにくいので間接的な作用であることが予測された。そこで、水素が多機能を発揮する分子メカニズムを解明するのが本研究の目的である。当初の実感計画では、ヒストンのアセチル化によってクロマチン構造が変化し、エピジェネティックな作用として炎症性サイトカインを含めた遺伝子発現を促進する。逆にヒストン脱アセチル化酵素(HDAC2)は脱アセチルを促進し、炎症性サイトカインを含めた遺伝子発現を抑制する。HDAC2はニトロ化によって酵素活性が低下することが知られており、水素はHDAC2のニトロ化を低下させることでヒストンのアセチル化を抑制し、炎症性サイトカインの発現を抑制することを証明する。しかし、平成26年度には、水素が低濃度でフリーラジカル連鎖反応に介入して、脂質メディエーターを改変して、その改変脂質メディエーターが細胞内シグナル伝達を制御することを明らかにした。その結果、当初の作業仮説とは異なる経路が存在することが明らかになった。申請者は、2007年に水素には新しい概念の抗酸化作用があることをはじめて示し、将来の医療に適用可能であることを提唱した。その後、抗酸化作用だけでなく、炎症抑制効果、アレルギー抑制効果、細胞死抑制効果、エネルギー代謝促進効果など多様な効果を示す事が明らかにされた。これらの効果は、水素が様々な遺伝子発現を制御することによって生じることが明らかにされたが、どのようにして遺伝子発現を制御するのかは謎として残されたままであった。生体膜に多く含まれる不飽和脂肪酸の一種のリン脂質(PAPC:1-パルミトイル-2-アラキドノイル-sn-グリセロ-3-ホスファチジルコリン)がフリーラジカル連鎖反応で酸化されると遺伝子発現制御を行う様々なメディエーターを生じることが明らかにされていたので、本研究ではPAPCに注目した。精製されたPAPCをフリーラジカル連鎖反応によって化学的に酸化するときに、1.3%以上の水素を存在させるだけで、酸化PAPCによる培養細胞への細胞内情報伝達を担うカルシウムの流入が低下した。さらに、網羅的遺伝子発現解析によって、水素存在下で酸化されたPAPCは様々な遺伝子発現を変化させることを明らかにした。とくに、NFATと呼ばれる転写因子の活性を低下させ、様々な遺伝子発現を制御しうることを明らかにした。さらに、培養細胞でフリーラジカル連鎖反応を人為的に生じさせる時に、水素濃度が1.3%以上存在する場合には、カルシウムの流入の低下とそれに伴うNFATの活性の低下が認められた。これは、上記化学反応によるフリーラジカル連鎖反応によるPAPCの改変による結果と一致しているので、細胞内でも上記の反応が生じていることを示唆する。水素の生体への抗酸化作用とその他の様々な作用は、多くの研究によって確立されている。さらに、水素には当初想定していた短時間の抗酸化作用だけでなく、長時間にわたり抗酸化作用を維持し、炎症抑制作用、抗アレルギー作用があり、さらにエネルギー代謝促進作用があることが判明した。これらの作用は、健康増進と疾病の予防に寄与することが予想される。そこで、本研究では、水素が多機能を発揮する分子メカニズムを解明することを目的とした。精製されたPAPC(1-パルミトイル-2-アラキドノイル-sn-グリセロ-3-ホスファチジルコリン)をフリーラジカル連鎖反応によって化学的に酸化するときに、水素を存在させると、酸化PAPCによる培養細胞への細胞内情報伝達を担うカルシウムの流入が低下した。さらに、培養細胞でフリーラジカル連鎖反応を人為的に生じさせる時に、水素が存在するときに、カルシウムの流入の低下が認められた。カルシウムの流入の低下によりNFATと呼ばれる転写因子の活性を低下させ、様々な遺伝子発現を制御しうることを明らかにした。また、別の経路としては、水素がフリーラジカル連鎖反応に介入して、ヒドロキシノネナールを減少させ、いくつかの情報伝達因子のリン酸化を経て、転写因子活性化因子PGC-1αを増加させ、脂質代謝系酵素を増加させる系があることを明らかにした。このように水素が間接的に遺伝子発現を制御するメカニズムを明らかにした。水素は、不活性であるが故に、酸化ストレスがないときは効果を発揮しないが、フリーラジカル連鎖反応が亢進しているときのみに、効果を発揮することが示唆された。

分子状水素(H2)は、様々な細胞内情報伝達調節と遺伝子発現制御によって、健康増進・疾患の予防に寄与する。本研究では、H2がどのように遺伝子発現を制御するメカニズムを解明することを目的とする。フリーラジカル連鎖反応にH2は介入して、酸化リン脂質を改変し、Ca(2+)シグナリングを通して遺伝子発現を制御することを明らかにした。これに加えて、H2は、PGC-1α遺伝子発現増加を促し、脂肪酸とステロイド代謝を亢進する。メカニズムとして、H2が4-ヒドロキシ-2-ノネナールを減少させ、Akt/FoxO1シグナリングとその一連のシグナリングを通して、PGC-1αは間接的に制御される。水素が様々な病態に対し多様な機能を発揮する際には、水素は遺伝子発現の制御を行っていることが判明している。しかし、水素が直接転写制御因子に作用するとは考えにくいので間接的な作用であることが予測される。そこで、水素が多機能を発揮する分子メカニズムを解明するのが本研究の目的である。当初の計画以外に、平成26年度には、水素が低濃度でフリーラジカル連鎖反応に介入して、脂質メディエーターを改変して、その改変脂質メディエーターが細胞内シグナル伝達を制御することを明らかにした。当初の作業仮説とは異なる経路ではなるが、目的は達成した。今後は、今回明らかにされた経路以外にも別の経路があることを明らかにする。本来の目的の達成度は、十分であると言える。水素は、不活性であるが故に、酸化ストレスがないときは効果を発揮しないが、フリーラジカル連鎖反応が亢進しているときのみに、効果を発揮することが示唆された。このメカニズムの解明によって、従来説明できなかった水素の効果の多くが説明できるようになった。本研究により、分子状水素の多彩な機能を発揮するメカニズムが解明されたので、分子状水素の医療への適用を促進することが期待される。また、今回の発見は、新しい概念を提出するものであり、分子状水素の機能を発揮する詳細なメカニズムの研究を推進する手がかりになることが期待される。本研究では、水素による炎症性サイトカインの発現の低下を説明できるが、脂質代謝関連因子のように水素のよって遺伝子発現が上昇することは説明できないので、水素により遺伝子発現の上昇のメカニズムを解明する事が必要である。28年度が最終年度であるため、記入しない。分子細胞生物学水素が脂質メディエーターを改変することは明らかになったが、その分子種は同定させていないので、水素によって変化する脂質メディエーターを同定する。そのために、生体内リン脂質の代表的なPAPC((1-パルミトイル-2-アラキドノイル-sn-グリセロ-3-ホスファチジルコリン)をin vitroにおいて水素存在下で酸化させ、新しく生じる改変酸化PAPCをつくる。その水素存在下で合成された改変酸化PAPCが、酸化PAPCによって生じるシグナル伝達系の阻害をすることを検出する。その相関関係から、水素が制御するシグナル伝達物質を同定する。
超分子形成による光学異性体ビジュアル識別

研究代表者は,平成12年度において超分子素材としてシクロデキストリン(CD)を用い,CDに種々の機能性残基を導入した化合物を合成し,そのゲスト包接挙動を分光法ならびに電気化学法により評価した.電子欠乏性残基としてアントラキノン誘導体を導入したβ-およびγ-CD(1,2)のゲスト包接に伴う円二色性スペクトル解析から,1はボルネオールやメントールの両光学異性体を同程度にしか結合しないが,2は約23倍の結合定数比でこれらの光学異性を認識することを明らかにした.光学異性識別能が認められなかった1についても,表面修飾グラッシーカーボン電極を用いサイクリックボルタモグラムじょうでは共存ゲスト分ゲスト分子の光学異性体間で大きな標準酸化還元電位の違いが認められた.この現象については現在さらなる検討を加えている段階であるが,電極表面を修飾することで,電極上に存在する種々の官能基とゲスト分子との相互作用が1の標準酸化還元電位に影響を与えたものと推察している.また,1,2を用い,電子過剰性分子であるトリプトファン誘導体(Trp,Boc-Trp)との電荷移動錯体形成能を調べたところ,1はTrpの,2はBoc-Trpの光学異性を識別し,かつ異なる波長域に電荷移動吸収体を与えた.電子過剰性残基としてナフタレン誘導体を2残基導入したγ-CDでは,光学異性の識別には至らなかったものの.その蛍光スペクトルの変化より,種々の胆汁酸誘導体の異性体を明確に識別していることを明らかにした.また,ナフチルエチルアミンを修飾したβ-CDの分子内包接化合物のコンホメーションが修飾残基の光学異性を鋭敏に反映していていることと,ゲスト分子共存下での蛍光応答にゲスト分子の光学異性を反映した変化が認められたことを見いだした.平成11年度は本申請課題を遂行するのに必要な種々の修飾シクロデキストリンのゲスト包接挙動を明らかにする目的で、クラウンエーテル修飾β-シクロデキストリン、アントラキノン修飾β-およびγ-シクロデキストリン、エチレンジアミンならびにプロパンジアミン修飾β-シクロデキストリンの合成を行った。クラウンエーテル修飾β-シクロデキストリンのゲスト包接挙動は、種々の分光法ならびに2次元NMR法にて詳細に検討し、ゲスト分子としてD-およびL-トリプトファンを用いた場合、1級水酸基側にトリプトファンのアンモニウム基を認識するクラウンエーテル部位を持つシクロデキストリン誘導体よりも、2級水酸基側にクラウンエーテル部位を有するシクロデキストリン誘導体の方がトリプトファンの認識に優れていることを見いだした。これらの結果は現在投稿中である。ジアミン修飾シクロデキストリンに関しても、溶存蛍光プローブとしてANSを用いた検討および酸-塩基滴定の結果から2級水酸基側修飾の優位性を確認した。しかしながら、ジアミン修飾のみではゲスト(疎水性アミノ酸を用いた)の光学異性の識別は不可能であったため、クラウンエーテル修飾シクロデキストリンの場合の結果を併せて考えると、修飾残基にはある程度の崇高さが必要なものと思われる。この結果は現在、投稿準備中である。これらの結果をもとに、電子欠乏性芳香族であるアントラキノンを修飾残基としたシクロデキストリンを合成し、現在その分光特性ならびにゲスト包接挙動を検討中である。また、現在、アントラキノンとクラウンエーテルあるいはプロパンジアミンを同時に修飾残基とするシクロデキストリンを合成中である。研究代表者は,平成12年度において超分子素材としてシクロデキストリン(CD)を用い,CDに種々の機能性残基を導入した化合物を合成し,そのゲスト包接挙動を分光法ならびに電気化学法により評価した.電子欠乏性残基としてアントラキノン誘導体を導入したβ-およびγ-CD(1,2)のゲスト包接に伴う円二色性スペクトル解析から,1はボルネオールやメントールの両光学異性体を同程度にしか結合しないが,2は約23倍の結合定数比でこれらの光学異性を認識することを明らかにした.光学異性識別能が認められなかった1についても,表面修飾グラッシーカーボン電極を用いサイクリックボルタモグラムじょうでは共存ゲスト分ゲスト分子の光学異性体間で大きな標準酸化還元電位の違いが認められた.この現象については現在さらなる検討を加えている段階であるが,電極表面を修飾することで,電極上に存在する種々の官能基とゲスト分子との相互作用が1の標準酸化還元電位に影響を与えたものと推察している.また,1,2を用い,電子過剰性分子であるトリプトファン誘導体(Trp,Boc-Trp)との電荷移動錯体形成能を調べたところ,1はTrpの,2はBoc-Trpの光学異性を識別し,かつ異なる波長域に電荷移動吸収体を与えた.電子過剰性残基としてナフタレン誘導体を2残基導入したγ-CDでは,光学異性の識別には至らなかったものの.その蛍光スペクトルの変化より,種々の胆汁酸誘導体の異性体を明確に識別していることを明らかにした.また,ナフチルエチルアミンを修飾したβ-CDの分子内包接化合物のコンホメーションが修飾残基の光学異性を鋭敏に反映していていることと,ゲスト分子共存下での蛍光応答にゲスト分子の光学異性を反映した変化が認められたことを見いだした.
不凍タンパク質を利用した生鮮野菜類の新規冷凍保存法の開発

氷結晶の成長を抑制する不凍タンパク質(AFP)を利用し、生鮮野菜類の新しい凍結保存方法の開発をめざす事を目的とした。一部の野菜においてAFP区は蒸留水区よりも重量残存率が有意に高く、浸漬時間が長いほど顕著だった。これは、AFPにより細胞のダメージを防ぎ、水分流出が少なくなったと考えられた。色差の結果から、a値・b値において、AFP区も蒸留水区も浸漬時間が長くなると生やコントロールの値に近づき、特にa値においては、AFP区が浸漬24時間で生との有意差は認められなかった。AFPによって色調が保たれたためと考えられた。SEMの結果から、浸漬24時間でも生と同等の細胞の大きさであった。AFPが氷結晶に結合し、粗大化が抑えられ、細胞のダメージを防ぐことができたと考えられた。タンパク質構成アミノ酸の結果から、AFP標品にAlaが最も多く含まれていることが分かり、AFP区では、浸漬時間の延長と共に経時的にAlaの含有量が増加した。Ala量が経時的に増加したことで試料に浸透したAFP量も増加したと考えられた。AFPの効果は一部の野菜に対してのみであり、効果があった野菜に関しても生鮮野菜と比較すると状態が安定していない。本研究1年目に多様な条件を検討すべきであった。AFPの効果は一部の野菜に対してのみ得られたが、普遍性を得るために、使用するAFP濃度の検討、野菜の切り方などを、効果的な浸透方法や試料の種類の検討も進めていく必要がある。研究計画に従って予算執行したが、消耗品の使用量が予定よりも少なかったため。
細胞間相互作用のシステム的理解

近年、動的で複雑な生命現象をシステムとして理解することが求められている一方、体系的・効率的に解明していく手法・研究戦略は発展途上である。特に多細胞生物を多細胞生物たらしめている細胞間相互作用を担う遺伝子ネットワークを体系的・効率的に同定していく手法・研究戦略については世界的にみても未開拓の分野である。そこでまず我々は、哺乳類の概日時計における細胞間相互作用をモデル系とし、二色のルシフェラーゼを用いて、二つの異なる細胞集団の状態(概日振動)を同時にモニターするための基盤技術を確立した。具体的には、既に確立した不安定化ホタルルシフェラーゼ(dLuc)を用いてin vitroにおける哺乳類概日時計依存的遺伝子発現の振動を高い時間分解能でリアルタイムに測定する技術(Nature, Ueda et al.2002)に、青色光を発する不安定化ウミシイタケルシフェラーゼ(dRluc)を導入する事によって2色化した。2色それぞれに由来する発光は、2種類のバンドパスフィルターを用いることによって、明確に分離して解析する事が可能となった。この技術をこれまでに開発した4608または288サンプルの発光を同時に測定可能なリアルタイム発光観測装置に組み込むことによって、2色のダイナミクスのハイスループットな自動同時観測を可能にした。また、細胞間同調をさらに精緻に観察・測定するために、高感度冷却CCDカメラ付顕微鏡システムを導入し、一細胞レベルで発光の概日振動を自動リアルタイム観測することが可能な実験系を構築した(Nature Genetics, Sato et al.2006.)。これらの技術と、ゲノムワイドな遺伝子過剰発現(完全長cDNA)および遺伝子のノックダウン(RNAi)等、ゲノムスケールのリソース・情報・技術を用いることにより、包括的に相互作用因子(同調因子)の探索が可能となる。
入力地震動をパラメータとした実大在来木造建物の振動実験

初年度は,入力地震動に震度や加速度は大きいが観測点周辺では建物の大きな被害が見られなかった極短周期地震動を,旧耐震基準の中でも最低限の耐震性能しか有しない実大木造建物に対し入力した振動実験を行った.その結果,建物の大きな被害は生じないという実際の状況を再現する事ができた.二,三年度は,これまで観測された事が無いような周期成分を持ったものを含む入力地震動と,建物耐力をパラメータとした振動実験を行った.その結果,周期0.5秒に鋭いピークを持つ地震動では,耐力が高い方が変形は大きいという,一般的な傾向とは逆の状況を再現する事ができた.初年度は,本実験の最大の目的の1つである,極短周期地震動,具体的には,震度や地動最大加速度は大きいが強震観測点周辺で大きな被害がほとんどなかった地震動を現存する実大木造建物のうち最低レベル,具体的には,1960年当時の耐震規定ぎりぎりのものに入力して実際に被害レベルを再現できるかどうかについての検証を行い,実際の状況をほぼ再現することができた.併せて,極短周期地震動だけではなく,対照的にさほど震度や地動最大加速度が大きくなくても木造建物に大きな被害を引き起こすやや短周期地震動の入力も行い,これも実際の被害を再現することを確認するとともに,その原因について分析するためのデータを取得した.試験体は六畳二間の実大二階建てのものを2体準備し,実在する建物を想定し,震度5弱,具体的には,2003年宮城県沖の地震のJMA大船渡(震度6弱)50%を入力した状態から加振した.まず極短周期地震動である2003年宮城県沖の地震のJMA大船渡(震度6弱)100%,150%(震度6強)を入力したが,ほとんど被害は生じなかった.補修を行い,小振幅のステップ加振を行って固有周期をJMA大船渡50%入力後に回復していることを確認して,同じく極短周期地震動で継続時間が長い2011年東北地方太平洋沖地震の鹿島台震度計(震度6弱)を入力したが,これもほとんど被害を生じなかった.そして,補修後,やや短周期地震動である2007年能登半島地震のK-NET穴水(震度6強)を入力したところ,筋交いが圧縮破断し大きな被害となった.2体目では,1体目と同様の手順で,やや短周期地震動で継続時間の長い2011年東北地方太平洋沖地震のJMA古川三日町,2007年能登半島地震のJMA輪島を入力して,筋交い圧縮破断という大きな被害を確認し,データ取得を行った.初年度に現存する最低レベルの木造建物が2011年東北地方太平洋沖地震などによる極短周期地震動で大きな被害を受けないことを再現できたことを受けて,今年度は,建物耐力をパラメータとした振動実験を行った.具体的には,壁仕様を筋交い,構造用合板,構造用合板+筋交いと変え,重量を変化させることで,壁量(建物耐力)を変えた試験体10体について振動実験を行った.建物耐力は,昨年度行った最低レベルより上の3レベルとした.入力地震動は,2011年東北地方太平洋沖地震のJMA古川三日町と2003年宮城県沖の地震のJMA大船渡の二波とした.二波目は一波目の入力後,補修を行って入力した.試験体は,数多く作成するために,初年度に作成した試験体を基に,加振直交方向を1Pの構造用合板とし,加振方向を4P,一層とした.実大との整合性を確認するために,初年度のものに対応した試験体を準備するとともに,一層と二層の対応関係も見るために,二層試験体も1体だけ入れた.その結果,壁仕様,壁量(耐力)によって異なる様々な被害データ,建物耐力と周期の組み合わせと,入力地震動の周期特性の組み合わせによって,被害がどのように変化するかについてのデータを得た.また,初年度のデータの分析,および,一層と二層のデータを比較・分析することにより,極短周期地震動により現存する最低レベルの木造建物が大きな被害を受けない要因のいくつか,具体的には,基礎部の金物がないことにより浮き上がりが起こっていること,通り柱の曲げ戻しの影響があることなどを明らかにすることができた.本年度の実験では,木造建物の場合,耐力が上がれば固有周期が短くなる事から,地震動の周期特性によっては耐力が高い方が大きな被害が生じてしまう場合があるという仮説を立て,入力地震動と建物耐力をパラメータとした振動実験を行う事で,この仮説を検証した.実験は,(独)防災科学技術研究所の大型一方向振動台で行った.試験体は,2層建物を縮約し,加振直交方向を最低限の寸法とした1層試験体を用いた.

加振方向には4箇所耐力壁を配置し,この耐力壁を変える事で,耐力をパラメータとした.試験体数は全10体で5体ずつ2シリーズに分け,各シリーズは,壁の仕様を様々に変えた壁仕様変動シリーズ,構造用合板の性能が打ち付ける釘の量に比例する事を利用し,実質的に壁の量を変動させた壁量変動シリーズとなっている.入力地震動として,最初に,これまでに発生した事が無いような特性,具体的には,周期0.5秒に鋭いピークを持った模擬地震動を入力した.その後,耐力壁の補修を行い,周期0.5秒以下の極短周期が卓越した2003年十勝沖地震のK-NET広尾,建物の大きな被害と相関を持つ周期1-1.5秒応答が大きいK-NET穴水を入力した.加振の結果,模擬地震動では,耐力が大きいほど変形が大きいという,一般的な傾向とは逆の結果となった.最大変形は,最も耐力が高い,耐力壁が構造用合板+二ツ割筋かいの試験体で0.04radであったのに対し,最も耐力が低い三ツ割筋かい試験体では0.02radに収まっていた.補修後に入力したK-NET広尾では,変形は耐力に依らずほぼ一定で0.01rad程度で,K-NET穴水では,耐力は低い程変形は大きいという,一般的な結果となった.以上の事から,木造建物の場合,地震動の周期によっては耐力が高い方が被害は大きくなってしまうという仮設を実証する実験結果を得ることができた.初年度は,入力地震動に震度や加速度は大きいが観測点周辺では建物の大きな被害が見られなかった極短周期地震動を,旧耐震基準の中でも最低限の耐震性能しか有しない実大木造建物に対し入力した振動実験を行った.その結果,建物の大きな被害は生じないという実際の状況を再現する事ができた.二,三年度は,これまで観測された事が無いような周期成分を持ったものを含む入力地震動と,建物耐力をパラメータとした振動実験を行った.その結果,周期0.5秒に鋭いピークを持つ地震動では,耐力が高い方が変形は大きいという,一般的な傾向とは逆の状況を再現する事ができた.初年度,二年目と二度の実大木造振動実験を行うことができて,当初の目的に充分なデータを得ることができたため.27年度が最終年度であるため、記入しない。建築構造今年度は,初年度,昨年度のデータを分析して,耐震性能が最低レベルの在来木造建物が震度6以上の極短周期地震動で被害が生じない要因について検討するとともに,初年度,昨年度のデータを分析し,過去の強震観測点周りの被害データと併せて検討することで,既存の在来木造建物を対象として,被害を的確に推定する地震動強さ指標と被害関数の提案を行う.当初の予定通り,研究計画全体の1/3程度の実験を終了することができた.27年度が最終年度であるため、記入しない。研究の進捗により,未使用額が生じたため27年度が最終年度であるため、記入しない。今後は,現存する実大木造建物のうち最低レベル,具体的には,1960年当時の耐震規定ぎりぎりのものだけではなく,建物の耐震性能レベルを変えて振動実験を行っていく.振動実験結果の整理・分析に使用する27年度が最終年度であるため、記入しない。科研費採用が決まった時点で,防災科学技術研究所大型震動台の申し込みは既に締め切っており,空きがあるところでの使用となってしまったため充分な実験時間が確保できず,足りない分を次年度に行うことにしたため.前年度できなかった振動実験を行う.
作用素環論的量子群の研究

本年度は、量子群の作用素環への作用の研究をおこなった。扱った量子群はカッツ型のコンパクトあるいは、従順離散量子群である。作用はMcDuff因子環への極小作用あるいは、自由作用である。作用素環論において群作用の研究は、Connes以来変わらぬ重要性をもっており、その中でも従順性をもった対象については完全に分類ができると信じられている。実際に従順離散群についてはこの目標はすでに多くの研究者により達成されている。この次の目標として、離散群を含んだカテゴリをなす離散カッツ環の作用の分類がある。分類の観点から離散カッツ環の作用を論じた文献で進歩をみせたものは今までにない。今回私が得た結果のひとつとして、超有限型II_1因子環への二つの従順離散カッツ環の自由作用のコサイクル同値性がある。この応用として、コンパクトカッツ環の超有限型II_1因子環への二つの極小作用は共役であることを示した。これはここ20年ほどの間、解かれなかった作用素環界の重要未解決問題の一つであった。しかしながら、この成功はほんの始まりに過ぎないと思っている。環がIII型のときにはまだ扱えていないし、何よりカッツ環でない量子群の作用を考えなければいけない。今回の仕事は量子群の作用素環への作用を研究する上で重要な起点を与えたことは間違いない。これからもこの方向で研究をしていく所存である。量子SU(2)群の非可換等質空間の分類を行った。作用素環論において、群や量子群の作用を通して作用素環に対称性を持ち込み、いろいろな性質を導き出すという研究方針がある。今回のテーマとした作用は量子群のエルゴード作用である。ここで述べる量子群とは、通常の群上の連続あるいは滑らかな関数環をパラメータqで変形したものであり、Drinfel'd-Jimboによる量子群とはおよそ、Lie群とLie環のように双対関係をなす。エルゴード作用とは、不動点環が自明になることとして定義されるが、数多くの作用の中で各既約分解の多重度が有限であるという際立った特徴がある。この性質を利用して、A.Wassermannはコンパクト群SU(2)の作用素環への作用を完全に分類した。そこで私はそのq-変形である、SU_q(2)のエルゴード作用を分類せよという問題に挑戦した。ここにパラメータqは作用素環論を使うため、非零かつ-1≦q<1と制限した。具体的な方針は同変K-群の利用であるが、今のところ古典的な場合ほど、上手く整合していない。しかしながら非可換等質空間に対象を絞ってみるとA.Wassermannがとった方法を使えることが判明した。実際に私はSU_q(2)の非可換等質空間を完全に分類することに成功した。ここで非可換等質空間とは、連続関数環C(SU_q(2))(あるいは座標環A(SU_q(2)))のSU_q(2)の右(左)作用で閉じている部分*-環のことである。(Hopf代数の言葉では右(左)余イデアル環と呼ばれる。)通常の群の場合には部分群による商空間に対応するのでこう呼ばれる。結果はパラメータqの選び方で大きく異なる。0<q<1の時は、部分群による商空間と量子球面以外に、L_∞^*型の新しい空間を発見した。0<qの時には基本表現の多重度は常に偶数であるが、-1<q<0の時には必ずしもそうでない。実際、-1<q<0の時にD_1型の空間を発見した。このケースでは先の多重度は1である。またq=-1の時には、部分群による商空間以外に、Hopf代数としての商Hopf代数も出現することも判明した。
螺旋自己組織化と階層的自己集積化による高次構造形成と機能発現

螺旋超構造へのプログラムされた分子内自己組織化と高次構造への階層的自己集積化をピリジンー複素環(ピリミジン、1, 3, 4一オキサジアゾール、チエノ[3, 4一b]ピラジン、1, 2, 3一トリアゾール、チオフェン)交互オリゴマーを用いて検討した。周辺部に長鎖アルキル基を有する交互ピリジン-ピリミジンストランドの固液界面でのSTM観察は、高秩序のラメラ構造の形成を示し、螺旋超構造の階層的二次元自己集積化を示唆した螺旋超構造へのプログラムされた分子内自己組織化と高次構造への階層的自己集積化をピリジンー複素環(ピリミジン、1, 3, 4一オキサジアゾール、チエノ[3, 4一b]ピラジン、1, 2, 3一トリアゾール、チオフェン)交互オリゴマーを用いて検討した。周辺部に長鎖アルキル基を有する交互ピリジン-ピリミジンストランドの固液界面でのSTM観察は、高秩序のラメラ構造の形成を示し、螺旋超構造の階層的二次元自己集積化を示唆した本研究では、ポリペプチドの水素結合に基づくα-ヘリックス構造の形成と類似した、しかし異なる原理に基づく分子内自己組織化による螺旋形成と、さらなる分子間自己集積化による階層的高次構造形成を、人工的な機能性π電子系を構成単位として、独自の分子プログラミングに基づいて達成することを目的としている。すなわち、自己組織化を組み込んだ新しい物質構築原理の確立、複数の非共有結合性相互作用の共存・精密制御による高次構造形成、構造特異性と高次構造性および電子的特性に基づく新機能開発、を目指す計画である。本年度は、ピリジンーピリミジン交互ストランドの周辺部にアルキル長鎖を配した誘導体を合成して、その階層的自己集積化を検討したところ、HOPG基盤上で螺旋構造が二次元配列することを確認した。この研究成果は、二件の学会発表として報告した。次年度は、この階層的二次元自己集積化に関する知見を深めるとともに、さらに三次元的自己集積化に発展させ、動的螺旋構造が積層した新奇なデスコチック液晶相の発現を目指す。本年度は、また、螺旋性誘起能を持つ新たな構造モチーフとして、1,3,4-オキサジアゾール、チエノ[3,4-b]ピラジン、1,2,3-トリアゾール部分が、ピリジン環の2,6-位と交互に連結した構造を持つ人工オリゴマーの精密合成法を開拓することを目指したが、1回転以上の螺旋自己組織化分子を合成するには至らなかった。この点についても、次年度、検討を継続する予定である。本研究では、ポリペプチドの水素結合に基づくα-ヘリックス構造の形成と類似した、しかし異なる原理に基づく分子内自己組織化による螺旋形成と、さらなる分子間自己集積化による階層的高次構造形成を、人工的な機能性Π電子系を構成単位として、独自の分子プログラミングに基づいて達成することを目的としている。昨年度、ピリジン-ピリミジン交互ストランドの周辺部にアルキル長鎖を配した誘導体の螺旋自己組織化と階層的自己集積化を検討し、HOPG基盤上で螺旋構造が二次元配列することを確認していたが、本年度このモデルをさらに詳細に検討する中で、右巻き螺旋と左巻き螺旋が自発的に一列に配列していることが分かった。この研究成果は、一件の学会発表として報告した。また、螺旋性誘起能を持つ新たな構造モチーフとして、1,3,4-オキサジアゾールおよびチエノ[3,4-b]ピラジン部分が、ピリジン環の2,6-位と交互に連結した構造を持つ人工オリゴマーの合成法を開拓することを目指したが、溶解度の問題で詳細な知見を得るには至らなかった。また、1,2,3-トリアゾールの利用は類例が報告されたため検討を打ち切った。この過程で、チエノ[3,4-b]ピラジンを含むストランドが予想したコンホーメーション特性を持つことを確認し、一件の学会発表として報告した。現在、4位に可溶性基を持つピリジン誘導体を用いて、十分な溶解度と結晶性を併せ持つ1回転以上の螺旋自己組織化分子と対応する大環状化合物の合成を進めており、次年度も検討を継続する予定である。本研究では、ポリペプチドの水素結合に基づくα-ヘリックス構造の形成と類似した、しかし異なる原理に基づく分子内自己組織化による螺旋形成と、さらなる分子間自己集積化による階層的高次構造形成を人工的な機能性パイ電子系を構成単位として、独自の分子プログラミングに基づいて達成することを目的としている。すなわち、自己組織化を組み込んだ新しい物質構築原理の確立、複数の非共有結合性相互作用の共存・精密制御による高次構造形成、構造特異性と高次構造性および電子的特性に基づく新機能開発を目指した。研究を進める過程で、チオフェン環の2,5-位とピリジン環の2,6-位と交互に連結したストランドがシソイド配座を優先することを3環性化合物のX線結晶構造解析により確認した。この結果は9環性以上の化合物が自発的に螺旋構造を与えることを示唆するため、4位に可溶性基を持つピリジン誘導体を用いて十分な溶解度と結晶性を併せ持つ螺旋自己組織化分子の合成を進めた。

最終的に、ピリジン環のPotts合成法と鈴木カップリングによる連結を組み合わせて1回転以上の螺旋構造を取り得る9-、11-、および15環性化合物の合成を達成した。これらの^1HNMRスペクトルでは、螺旋構造とならない短いストランドと比較して、芳香族プロトンの高磁場シフトが観察され、溶液中での自発的螺旋形成が示唆された。さらに、15環性化合物のROESYスペクトルでは、螺旋構造を取った際に空間的に近接する全てのプロトンシグナル間にクロスピークが観察され螺旋形成が支持された。これらの成果は一件の学会発表として報告した。この螺旋形性は、報告例の少ないS...N相互作用によるものと考えられ興味深い。また、ストランドが硫黄と窒素の孤立電子対を内孔に向けて自発的にイオンチャンネル様の構造を形成している点で注目される。この内孔の直径はおよそ10Åであり、さらなる機能化や応用が期待できるため、今後も継続して研究を進める計画である。
シカがもたらす葉サイズの進化と可塑性の変化ー葉サイズ制御の分子機構の解明

オオバコは東アジアに広く分布する多年生草本であり、半日陰の登山道や裸地に生育している。このうち国内の屋久島や広島県(宮島)などの島嶼や関西地方の神社・仏閣では、花序が短く葉が小さい「矮化オオバコ」が見られる。先行研究により、矮化オオバコは地理的に離れた場所で平行進化したことが示されており、シカの生育密度が高い地域でシカの採食を回避できる小型個体が自然選択されたと考えられている。本研究では、シカの生育密度が高い地域で進化した矮化オオバコの小さな葉に注目し、葉サイズの進化とそれに伴う表現型の可塑性の変化に関わる分子機構の解明を目指す。
BWR環境下におけるIASCC挙動予測へ向けた計算科学的アプローチ

本年度は、まず照射誘起粒界偏析挙動予測に向けて、分子動力学と機構論的モンテカルロ法による計算解析結果を基に、内部組織発達に及ぼす欠陥クラスター形成の効果をより定量的に評価し、照射誘起粒界偏析コードの改良と、計算結果のデータベース化を行った。また、解析関数を用いて、粒界近傍での溶質濃度分布を照射量の関数として表すことに成功した。続いて、酸化皮膜成長のモデル化については、水-酸化皮膜-金属界面を無境界問題として取り扱う、Phase-field法に類似した手法を採用し、酸化皮膜成長過程を二次元で可視化することを試みた。さらに、酸化皮膜反応・成長に関して、Cr濃度をパラメータとした速度定数を与えることにより、実機環境で見られるような結晶粒界に沿った酸化皮膜の成長を再現することが可能であることが明らかとなった。また、酸化皮膜の擬似的な破壊(臨界皮膜厚を超えた酸化皮膜は応力集中により破壊する)機構を取り入れることにより、亀裂進展までを予測することが可能となった。この場合、酸化皮膜の破壊を律速するのは、酸化皮膜の成長速度と被膜先端部における応力集中の度合いとなるため、粒界におけるCr濃度の大小と粒界面と応力方向との兼ね合いにより、実機材で度々見られるクラックの偏向が生じることが十分予測される結果を得た。一方、三次元的なクラック進展の評価に関しては、計算時間と必要メモリー容量の制限により、大きなセルを用いた計算を行うことは困難であった。但し、二次元モデルを用いて粒界性格や実効引張応力をパラメータとした系統的な計算解析と亀裂進展速度のデータベース化を行うことにより、他所で開発されているような三次元亀裂進展モデルへの適用は十分可能であると考えられる。本年度は、既存の照射誘起偏析・内部組織発達挙動計算コードの改良と並列化を行い、種々の照射条件・材料における粒界近傍でのミクロ組成変化と内部組織発達に伴う機械的特性予測を中心とした解析を行った。特に,結晶粒界の原子構造と照射誘起偏析現象との相関を明らかとするため,機構論的モンテカルロ法に基づく計算コードも作成し,粒界近傍に存在する点欠陥と粒界面との相互作用について詳細な検討を行った。機構論的モンテカルロ法より,結晶粒界において余剰原子体積を有する領域が点欠陥と強く相互作用し,結果として照射誘起偏析を生じさせることが分かった。さらに,これらの知見を照射誘起偏析・内部組織発達挙動計算コードへと反映させた。これより得られた計算結果に関しては一部データベース化し,同時に、粒界クラック先端部における水質評価と合金元素溶出および酸化皮膜成長に伴う界面構造変化に対する基礎モデルの構築にも注力した。特に,酸化皮膜の成長等に基づく界面移動現象に関しては,Phase-field法に基づくモデル化を行っており,単純な一次元問題に関しては酸化皮膜成長過程を追従可能であることが示唆された。今後更に,二次元,三次元へのモデルの拡張を行い,前述の粒界近傍濃度分布データベースを下に,照射下での酸化皮膜成長・破壊に基づく亀裂進展過程のシミュレーションを行う予定である。また,本モデル化手法の妥当性と最新の動向を調査する目的で,東北大学,東京大学等において関連研究者と十分な議論を行い,本研究におけるモデル化手法の優位性と問題点などについて多大な御指摘を頂いた。
「復興」期における被災コミュニティ再編と子どもの学校生活・進路に関する追跡的研究

東日本大震災発生後の学校教育の姿を、追跡的・総合的・実証的に捉えることを試みた。そのために、フィールドワーク及びエスノグラフィーの手法の採用に加え、マクロデータの収集も行った。具体的には、被災後の学校の復旧・復興過程、被災後の教育活動の意味づけの変化、ヴァルネラビリティと学校教育の関係、被災地の日常の構成のされ方、学校文化とケアの関係、被災を経験した教師の葛藤、被災地に転勤する教師の葛藤、進学行動や時間選好の変化、地域の社会関係の変化を明らかにした。東日本大震災発生以後の事態・対応に関わって、特に「復興」と呼ばれる時期において立ち現れるコミュニティの再編と子どもの学校生活や進路先の変化を、実証的にかつ追跡的に検討するという目的において、本年度は特に、震災以後の学校統廃合におけるコミュニティの再編と子どもの学校生活に関わる部分に力点をおいて研究を行った。成果としては、一昨年度から継続して行っていた陸前高田市の学校統廃合対象校3校でのフィールドワークをもとに、『「復興」と学校ー被災地のエスノグラフィー』(清水睦美・堀健志・松田洋介、岩波書店)を刊行した。内容としては被災した3中学校について、震災直後から半年ほどの間の学校の営みを概括した上で、震災後から統合に向かう2年間の学校教育の有り様を、3中学校それぞれに実施したフィールドワークをもとに描き出した。また、震災後に新たに統合が決定したC地区については、行政の対応、統合をめぐるC地区内部の葛藤を、インタビューをもとに明らかにした。さらに、震災をめぐる支援・研究のあり方についても批判的な検討を行った。また、成果刊行までには、調査対象者との成果内容をめぐる検討を行い、研究成果の妥当性を検証すると同時に、成果刊行後には、研究成果をめぐる検討会を行い、研究成果を広く公開した。本年度実施の調査としては、統合学校でのフィールドワーク、仮設住宅の子育て世帯へのインタビューを行い、統合後の子どもの学校生活の変化や震災後の子育ての課題などを明らかにするデータの蓄積を行った。調査結果の一部は、平成26年度に発表予定である。東日本大震災発生以後の事態・対応に関わって、特に「復興」と呼ばれる時期において立ち現れるコミュニティの再編と子どもの学校生活や進路先の変化を、実証的にかつ追跡的に検討するという目的において、本年度は特に、昨年度刊行した『「復興」と学校ー被災地のエスノグラフィー』(清水睦美・堀健志・松田洋介編著、岩波書店)の成果をベースに、次の2点に関わる調査研究を行った。第1に、発災4年後を迎える被災地の学校において、被災がどのように扱われるのかを継続的に記録するとともに、震災直後に学校教育において確認された「ケア」の空間が、その後の時間的経過の中で、どのような変化を遂げるに至ったのかについての理論的検討を行い、日本子ども社会学会のシンポジウムでの成果報告を行った。第2に、既刊『「復興」と学校』で使用したデータを、「ヴァルネラヴィリティ(脆弱性)」という概念を用いて再分析を行った。特に、「災害」から「復興」へという時間的経過の中で、学校教育が「バルネラビリティ」とどのような関係を取り結ぶのかを検討し、日本教育学会の特別課題研究で成果報告を行った。上記2点の検討により、日本という災害の多い国にありながら、学校教育は災害をどのように取り扱うのかという点に関して、これまでの研究蓄積が極めて少ないことがあらためて確認された。次年度以降は、学校教育と災害の関係を検討することを、理論的テーマの一つとする必要があることが確認された。東日本大震災発生以後の事態・対応に関わって、特に「復興」と呼ばれる時期において立ち現れるコミュニティの再編と子どもの学校生活や進路先の変化を、実証的にかつ追跡的に検討するという目的において、本年度、統合中学校における各学年でのフィールドワークでデータ収集を継続的に行うことに併せて、統合中学校の教員インタビュー、卒業生インタビューを行い、震災経験の意味づけの変化や進路に与えた影響等の語りをデータとして収集した。また、生徒達に対して行った統合に関わるアンケートのデータ、生徒達自身の書いた作文のデータも収集した。これらは、最終年度に経験変化を検討する際の基礎資料とする予定である。今年度の成果報告として、第1に、2014年度までの統合中学校でのフィールドワークのデータをもとに、被災地ではぐくまれる学校文化を検討した「被災地の学校文化:陸前高田市立H中学校のエスノグラフィー」を発表した。被災後に統合された被災中学校は、地域の象徴として規律ある学校秩序を形成することを主眼としつつも、、他方で、被災学校として主体化する実践や被災経験をたがやす実践が行われる。ただし、そうした実践の背後には、逡巡する教師の営むケア的な文化、配慮し支え合う生徒文化があることを明らかにした。第2には、生徒たちが震災後に毎年書いてきた震災作文における語りの特徴を検討し、「教訓」「鎮魂」「戸惑いや躊躇い」を抽出した。その上で、フィールドワークデータととあわせた分析により、学校において「戸惑いや躊躇い」に対する配慮が高く保持されていることを明らかにした。第3には、年度当初の計画にはなかったが、雑誌『社会と調査』の依頼を受けて、災害をめぐる調査研究のあり方を検討した。震災直後の支援者として立場から研究者としての立場への移行を、「信頼」概念を軸に検討した。研究計画に沿って予定どおりの進捗している。本年度は研究方法に関する分析を行えたことが予定外の成果である。

東日本大震災発生以後の事態と対応について、特に「復興」と呼ばれる時期において立ち現れるコミュニティの再編と子どもの学校生活や進路先の変化を、実証的にかつ追跡的に検討するという目的に照らし、2016年度は、これまで同様に統合中学校におけるフィールドワークで、被災地の子どもたちの生活実態に即したデータ収集を継続的に行った。併せて、ミクロレベルでの調査としては、統合中学校での教員インタビューを、卒業学年教員へのインタビューに加えて、統合中学校に新しく赴任した教師へのインタビューを行うことで、震災学校に勤務することの意味を、多角的に捉えることを試みた。さらに、震災後に非被災地に勤務することになった教師たちへの追跡インタビューを夏時期に6名行った。被災地での経験を非被災地でどのように意味づけるかについて、被災地での勤務中の震災に関わる意味づけと、非被災地でのそれとの違いや変化、非被災地と被災地の間に横たわる震災に向かう姿勢のギャップ等の観点から、多角的に捉えることを試みた。他方、関係を継続してきた高校や大学へ進学した生徒達のその後を捉えるインタビュー調査も実施した。他方、震災前後での大学進学に対する意味づけの変容を、マクロデータを用いて地域間格差に焦点をあてた分析を行うという発展的研究を追加することができただけでなく、震災直後から「復興」に至る全期間を対象として、震災によって被る脆弱性に焦点をあてた理論的研究を行い、研究最終年度に向けて掘り下げた研究を進めることができた。研究計画に沿って予定どおりに進捗している。東日本大震災発生以後の事態と対応について、特に「復興」と呼ばれる時期において立ち現れるコミュニティの再編と子どもの学校生活や進路先の変化を、実証的にかつ追跡的に検討するという目的に照らし、最終年度である本年度は、以下の研究を行った。(1)前年度に引き続き、統合中学校におけるフィールドワークを行い、被災地の子どもたちの生活実態に即したデータ収集を継続的に行ったことにより、統合中学校における震災に意味づけが変化していく姿をとらえることができた。こうした意味づけの変化が、地域コミュニティに及ぼす影響を検討する可能性をつかむことができた。(2)2016年度の教員インタビューを踏まえて、統合中学校に新しく赴任した教師と震災に意味づけの関係を明らかにすると同時に、他地域に移動した教師達の震災の意味づけに、多様な語りがあることを明らかにした。加えて、統合中学校に勤務する教師へのインタビューを継続的に行い、震災に意味づけや学校教育に担い方にを、多角的に捉えるインタビューを継続した。さらに、震災当時に旧B中学校に勤務していた教師たちへの追跡インタビューを3月に行い、震災経験の意味づけに変化を確認するインタビューを行った。(3)震災前後での大学進学に対する意味づけの変容を、マクロデータを用いて地域間格差を明らかにした。あわせて、卒業生への進路動向を把握するために、卒業生とコンタクトをとり、追跡的研究を行える基盤固めを行った。東日本大震災発生後の学校教育の姿を、追跡的・総合的・実証的に捉えることを試みた。そのために、フィールドワーク及びエスノグラフィーの手法の採用に加え、マクロデータの収集も行った。
中等度好熱菌由耒リシルtRNA合成酵素の構造と基質認識機構

1.Bacillus stearothermophilusのリシルtRNA合成酵素(B.s.LysRS)の遺伝子及び酵素タンパク質の一次構造:クローン化した遺伝子について塩基配列を決定し、それに基づいてB.s.LvsRS酵素タンパク質の一次構造を推定した。これらについてcodon usageおよびアミノ酸残基の種類の特徴を大腸菌と高度好熱菌のアミノアシルtRNA合成酵素の場合と比較検討し、耐熱性獲得のstrategyを論じた。2.B.s.LvsRSの結晶化:高度に精製した酵素標品を用い、X線構造解析に供すべく結晶化を行った、分解能2.63Aの回折像を与える結晶を得ることに成功した。大腸菌由来酵素の構造を参照して、分子置換法により分子構造モデルを構築中である。同時に、より高い分解能を求めて、酵素本体および酵素と基質L-リシンの複合体のより良い結晶条件の検索を続行している。3.B.s.LvsRSの機能解析:本酵素の基質結合部位を形成するアミノ酸残基の中で、基質L-リシンと相互作用し得る位置にある残基を大腸菌酵素の構造との類似性から類推し、それらを部位特異的変異法により置換した変異酵素を作出した。これら酵素につき、L-リシン依存性ATP-PPi交換反応の速度論的バラメターを求めた、また、B.s.LvsRSと基質Lリシンとの結合に際して生ずるタンパク質蛍光変化を指標として、これら人工変異酵素と基質L-リシンとの結合を平衡論的に解析した。これらの結果から、各残基の機能について考察した。1 Bacillus stearothermophilus由来リシルtRNA合成酵素(B.s.LysRS)遺伝子を組み込んだ大腸菌中でB.s.LysRSを発現させ、単離・精製し、電気泳動的に単一な標品を得た。この標品を用いてB.s.LysRSの結晶化を試みた。種々の条件の内で、0.1Mトリス緩衝液、pH8.0-8.2、沈殿剤PEG4000(17-35%)において幾つかの異なる形の結晶を得た。しかし、そのいずれもが、十分なX線回折像を与えず、構造解析には不適当な結晶であった。現在、酵素の精製ならびに、良好な結晶を得るための条件のスクリーニングを繰り返し続行中である。2 B.s.LysRSの基質L-リシン結合部位を形成するアミノ酸残基を、既報の大腸菌由来のLysRSと基質L-リシンとの複合体の立体構造から類推し、そのうち、基質L-リシンのアミノ基およびカルボキシル基とそれぞれ水素結合の距離にあるTyr271およびAsn414、ならびにAsn414と水素結合距離にあるArg402を部位特異的変異により置換した人工変異酵素を作出し、L-リシン依存性ATP-PPi交換反応を測定し、k_<cat>、K_m(lysine)、K_m(ATP)、K_m(PPi)を求めた。一方、B.s.LysRSと基質L-リシンの結合に際して蛋白質蛍光が減少することを利用して、これら変異型酵素について蛍光滴定を行い酵素-L-リシン複合体の解離定数K_d(lysine)を算出した。変異型酵素は野生型に比していずれも活性が減少した。その中でAsn414をAspに変換した酵素では、野生型に比して、k_<cat>値は11%、K_m(lysine)値は46%、K_m(ATP)値は55%、K_m(PPi)値は134%であり、負電荷の導入による反発の予想に反して、基質L-リシンの結合はこの変異酵素の方が強いことが示唆された。これは、蛍光滴定によるK_d(lysine)値の傾向と一致した。カルボキシル基のpK_a移動を伴う水素結合の形成が示唆される。1.昨年度に引き続き、Bacillius stearothermophilus由来リシルtRNA合成酵素(B.s.LysRS)

遺伝子を組み込んだ大腸菌中でB.s.LysRSを発現させ、単離・精製し、電気泳動的に単一な標品を得た。この標品を用いて、結晶化条件をHampton Research社のCrystal Screen Kitにより検索し、3条件に絞り、更にその周辺の条件を微小に変化させて検索した。その結果、0.125M MgCl_2,0.1M HEPES buffer pH7.5,30%PEG400,20°CでX線結晶構造解析に適した結晶を得た。京都大学大学院農学研究科の三上助教授の指導協力によりX線回折像を得た。現時点での最良データは以下の通りである。結晶系:斜方晶系;空間群:P2_12_12_1;単位胞:a=54.715Å,b=123.419Å,c=157.603Å,α=β=γ=90°;非対称単位あたりの分子数:2;溶媒含量:49%;検出器:Bruker Hi-star(Multiwire);全反射数:96.337;独立反射数:30.246;分解能限界(Å):2.63;Rsym(%):14.0:完全性(%):92.52。このデータに基づき、Escherichia coli由来のLysRS(U)の構造(PDB le10(dimmer))を基準として分子置換法によりB.s.LysRSの分子モデル構築を行いつつある。同時に、未だ分解能が期待値より低いので、更に良好な結晶を作成すべく条件の検索を続行中。一方、B.s.LysRSと基質L-リシンとの複合体の結晶化をも試みつつある.母液中にL-リシンを共存させ、上記と同様の手段で結晶化条件を絞り、現在、0.4M CaCl_2:0.1M Tris buffer pH8.2;10%PEG20000,20°Cでやや有望な結晶を得ているが、更に、条件の微少調整が必要である。2.昨年度に引き続き、基質L-リシンのカルボキシル基と相互作用すると推定されるB.s.LysRSのAsn414およびArg402につき、前者をAlaまたはArgに、後者をMetまたはLysに変えた変異酵素を作出・精製し、これらとL-リシンとの結合を蛋白質蛍光変化を指標として測定し、基質認識に関与する微細環境条件を解析した。