hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
顎骨嚢胞性疾患の骨破壊におけるインターロイキン1の役割に関する研究

顎骨嚢胞性疾患における骨破壊にIL-1に代表されるサイトカインの役割を検索した。まず、予備実験として、ラットを用いIL-1を機械的刺激により産生するとされている関節頭部軟骨を種々の条件下に免疫染色し、手技を確立した。顎骨嚢胞生疾患30例の嚢胞内容液中のIL-1,TNF,IL-6の濃度を測定し、単純性骨嚢胞ではIL-1の濃度は他の疾患に比し有意に低く、IL-1の関与は否定されたがIL-6およびTNFの関与が示唆された。アメロブラストーマではIL-1betaが有意に高濃度でIL-1alphaの関与は否定された。免疫組織学的検索では、嚢胞上皮、上皮直下の結合組織および骨に接する結合組織にIL-1betaの局在が認められ、IL-1alphaは認められなかった。よって、顎骨嚢胞性疾患の骨破壊には主としてIL-1beta,IL-16,TNFが関与している事が示唆された。これらのサイトカインが骨破壊の主役である破骨細胞にどの様に作用するかをラットの骨髄分離破骨細胞を用いてin vitroにパッチクランプ方にて検索した。分離破骨細胞の膜には2種類のKチャンネルが存在し、その特性に付いては1993年英国で行われた国際生理学会で発表した。このKチャンネルを指標に各種サイトカインの効果を検索中である。現在までの所、骨非存在下ではサイトカインはチャンネルに影響を及ぼさない事が示唆された。近々、骨存在下での検索を進める予定である。
肝細胞癌におけるTGF-βシグナルに対するDIP1の機能の解明

脳腫瘍は頭蓋骨に囲まれた定体積領域内に形成される腫瘍であることから、周囲組織の浮腫と併せて、他組織の腫瘍に比較して正常組織(正常脳)に対する強い圧迫効果を持つ。さらにその圧迫対象が生命中枢である脳であることから、頭痛・嘔吐・視力障害に始まり、強い症状を示す。その中でも特にWHO gradeIVに分離される膠芽腫は、平均生存期間1年未満、5年生存率10%以下、と全腫瘍の中でも最も予後の悪い腫瘍の一つである。これらに対して、薬剤抵抗性、放射線抵抗性、再発時の腫瘍原性、全ての統一的な原因になっているものとして、最近、脳腫瘍幹細胞の存在が指摘されてきた。しかしながら、この脳腫瘍幹細胞は従来の治療法に対してはほとんど抵抗性を示すことが分かり、新たな治療戦略の構築が必要となった。本研究者らは東京大学医学部附属病院にて摘出された脳腫瘍組織から、脳腫瘍幹細胞の培養を行い、その中でTGF-βシグナルが、脳腫瘍幹細胞の未分化性の維持に重要な働きを果たしていることを突き止めた。さらに、in vitroでの解析を基にして、TGF-βシグナルの下流にSox4,Sox2が存在し、それらが脳腫瘍幹細胞の未分化性に寄与していることを明らかにした。本研究者らによるさらなる検討から、TGF-βはSox4、さらにその下流のSox2の発現を誘導することで脳腫瘍幹細胞の"stemness"の維持を行っており、その結果として、脳腫瘍幹細胞の高い腫瘍原性能を保っている、と結論づけることができた。つまり、TGF-βの作用は脳腫瘍幹細胞の腫瘍原性能に必須の因子であり、その作用を抑制することで、脳腫瘍幹細胞の"stemness"を失わせ、腫瘍原性能を喪失させることができるということである。脳腫瘍において、高い腫瘍原性能をもった脳腫瘍幹細胞を喪失させることができるということは、すなわち、薬剤・放射線抵抗性の克服や再発リスクの低下を意味し、今後の新たな脳腫瘍治療法開発にとって重要な一歩となると考えられる。本研究員が解析を進めているDIP1(別名HHM)は、これまでに悪性腫瘍発生との関与が複数報告されているが、Rbのリン酸化を阻害し、細胞周期がSphaseに入ることを阻害するという報告など、細胞周期を負に制御するという報告がある一方で、ヒトの肝細胞癌の初期段階からDIP1の発現が著明に増加しているという報告など、発癌を正に制御していることを示唆する報告も多数なされている。しかしながら、このようなDIP1の悪性腫瘍に対する二面性が引き起こされる機序については、これまで全く報告がなく、本研究員は、癌の発生及び転移に大きく関与していると考えられているTransforming Growth Factorβ(TGF-βのシグナルに対してDIP1が及ぼす影響を検討している。本研究員らは、まず、DiP1のloss-of-functionの系を構築し、このDIP1がTGF-βシグナルのNegative Regulatorであることを見出すと同時に、TGF-βシグナルの下流遺伝子のうち、一部の遺伝子発現のみを特異的に制御していることを見出した。このようにTGF-βシグナルの下流遺伝子のうち一部の遺伝子発現を特異的に負に制御する因子については、これまでにほとんど報告がなく、さらに、詳細なメカニズムが検討されている報告はこれまで一報もない。我々はこのようなDIP1の、TGF-βシグナルに対する"特殊な"制御のメカニズムを探るためにDIP1結合因子の探索をSwedenのLudwig Institute for Cancer ResearchのDr.Ulf Hellmanと共同で行い、Olig1と呼ばれる因子を、DIP1結合タンパク質として同定した。本研究員のさらなる解析の結果、このOliglは、TGF-βシグナルと協調的に作用して、TGF-βシグナルの下流遺伝子のうち一部の遺伝子発現を特異的に増強させていることが見出された。本研究員らは、このようにOlig1とTGF-βシグナルによって協調的に発現制御されている遺伝子を"Olig1-Smad synexpression group"と名付けた。この解析に加え、既に、我々は、このDIP1がTGF-βシグナルによって誘導される多様な細胞応答のうち、一部の細胞応答のみを抑制するというデータを得ている。TGF-βシグナルは生体内において腫瘍の進展に促進的に働く側面(浸潤の促進等)と抑制的に働く側面(癌細胞増殖の抑制等)の両面をもっており、このDIP1の解析は、そのうちの腫瘍促進的な側面のみを抑制することのできる小分子化合物の開発に大きく寄与すると考えられる。現在、解析を進めているDIP1(D-type cyclin interacting-protein1,別名HHM;Human Homolog of Maternal Id-like molecule)は、これまでに悪性腫瘍発生との関与が複数報告されているが、Rbのリン酸化を阻害し、細胞周期がS phaseに入ることを阻害するという報告(Journal of Biological Chemistry 275,20942-20948,2000)など、細胞周期を負に制御するという報告がある一方で、ヒトの肝細胞癌の初期段階からHHMの発現が著明に増加しているという報告(Gastroenterology 128,1369-1380,2005)など、発癌を正に制御していることを示唆する報告も多数なされている。しかしながら、このようなHHMの悪性腫瘍に対する二面性が引き起こされる機序については、これまで全く報告がなく、本研究者らは、癌の発生及び転移に大きく関与していると考えられているTransforming Growth Factorβ(TGF-β)のシグナルに対してHHMが及ぼす影響を検討し、論文としてその結果をまとめた(Ikushima et al.,EMBO J.2008;27:2955

-65)。HHMは、本研究者らがこれまで出したデータから、TGF-βの生理学的・病理学的作用に対して、細胞応答特異的な抑制作用を示すことが明らかになった。さらにその細胞応答特異的なTGF-βシグナルの抑制メカニズムを探る中で、このHHMが、特定のSmad-cofactor complexによって形成される一部のsynexpression groupのみを標的とすることで、TGF-βシグナルを抑制していることを明らかにした。TGF-βシグナルの制御因子について、このように特定の細胞応答のみを制御し得るような因子の詳細な解析は本研究が初めてであり、また同時に、TGF-βシグナルが生体内で状況に応じて(cell context-dependentに)多様な細胞応答を引き起こす一つのモデルを提起し、証明することができた。TGF-βシグナルは、例えば、悪性腫瘍において、腫瘍の発生部位、組織形、微小環境との相互作用等により、腫瘍促進的な作用と腫瘍抑制的な作用とを併せ持つ。さらに、一つの腫瘍内においても、その環境、発生段階等によって、同様に腫瘍促進的な作用と腫瘍抑制的な作用を発揮する。これまで、このようなTGF-βシグナルの性質が、抗腫瘍剤のターゲットとしてTGF-βシグナルを考える際に問題となっていたが、今後、cell context-"specific"なTGF-βシグナルの制御薬剤が開発できれば、腫瘍促進的な作用と腫瘍抑制的な作用をそれぞれ独立して制御できるようになり、分子標的治療薬としての応用が期待される。脳腫瘍は頭蓋骨に囲まれた定体積領域内に形成される腫瘍であることから、周囲組織の浮腫と併せて、他組織の腫瘍に比較して正常組織(正常脳)に対する強い圧迫効果を持つ。さらにその圧迫対象が生命中枢である脳であることから、頭痛・嘔吐・視力障害に始まり、強い症状を示す。その中でも特にWHO gradeIVに分離される膠芽腫は、平均生存期間1年未満、5年生存率10%以下、と全腫瘍の中でも最も予後の悪い腫瘍の一つである。これらに対して、薬剤抵抗性、放射線抵抗性、再発時の腫瘍原性、全ての統一的な原因になっているものとして、最近、脳腫瘍幹細胞の存在が指摘されてきた。しかしながら、この脳腫瘍幹細胞は従来の治療法に対してはほとんど抵抗性を示すことが分かり、新たな治療戦略の構築が必要となった。本研究者らは東京大学医学部附属病院にて摘出された脳腫瘍組織から、脳腫瘍幹細胞の培養を行い、その中でTGF-βシグナルが、脳腫瘍幹細胞の未分化性の維持に重要な働きを果たしていることを突き止めた。さらに、in vitroでの解析を基にして、TGF-βシグナルの下流にSox4,Sox2が存在し、それらが脳腫瘍幹細胞の未分化性に寄与していることを明らかにした。本研究者らによるさらなる検討から、TGF-βはSox4、さらにその下流のSox2の発現を誘導することで脳腫瘍幹細胞の"stemness"の維持を行っており、その結果として、脳腫瘍幹細胞の高い腫瘍原性能を保っている、と結論づけることができた。
固体中ナノ空間における高精度化学情報計測による原子空孔の挙動追跡

本課題では固体中ナノ空間である格子欠陥の化学状態を解明することを目的として、陽電子消滅法の手法開発およびその実証を行った。格子欠陥に捕獲された陽電子が対消滅する際に発生するγ線のエネルギー拡がりは,消滅相手の電子の運動量を反映する。従って,欠陥が空孔-不純物の複合欠陥である場合,不純物原子の電子運動量の情報がγ線スペクトルに現れることから,これを高精度解析すれば,不純物の種類や量など欠陥状態に関して知見を得ることが可能となる。最初に陽電子ビーム発生装置を立ち上げ,同時計数回路を用いて対消滅γ線スペクトルを高S/B比(従来法に比較して,約3桁の向上)で測定することを可能とした。応用例として,工業的にも重要な課題である単結晶Si中にイオン注入により生成した空孔-酸素複合欠陥解析を行った。注入したままの試料では,単純な空孔型欠陥を示すスペクトルを与えたが,試料をアニールすると600°C程度から高運動量成分の強度が増大する現象が見られた。これは,空孔と結合した酸素の電子を反映したものであることを示し,生成した欠陥が空孔を中心とした酸素クラスターであることを初めて実験的に示したものである。次に,銅をイオン注入した鉄試料を例にとり,金属中の空孔を介した折出の観察を行った。その結果,イオン注入された銅の電子の運動量成分がスペクトルに現れ,これは欠陥の周囲が銅原子で囲まれていることを示している。すなわち,銅は誘起された空孔に結合し、アニールによって空孔を維持したまま銅の集合体が形成していることが明らかになった。以上の知見は,他の方法ではもちろん,従来の陽電子寿命測定やドップラー拡がり法では得られなかった空孔周囲の元素分析の結果であり,本手法の有用性を示したものといえる。これらの成果により,2000年8月に開催された第12回陽電子消滅法国際会議(ドイツ,ミュンヘン)に招待講演を行い,また2001年9月に開催される第9回低速陽電子ビーム国際ワークショップ(ドイツ,ドレスデン)でも招待講演を行う予定である。本課題では固体中ナノ空間である格子欠陥の化学状態を解明することを目的として,陽電子消滅法の手法開発およびその実証を行っている。本年度は,陽電子ビーム発生装置を立ち上げ,同時計数回路を用いて対消滅γ線スペクトルを高S/B比で測定することを可能とした。従来法に比較して,S/B比で約2桁の向上が図られたことになる。次に,単結晶シリコン中にイオン注入により生成した空孔-酸素複合欠陥に本手法を適用した。注入試料では,単純な空孔型欠陥を示すスペクトルを与えたが,試料をアニールしていくにつれ,600°C程度からΔE=2.1keV付近の強度が増大し,800°CではΔE=0keVの強度は減少し,ΔE=2.1keVの強度が最大となった。

本結果は,ΔE=2.1keVの強度が空孔と結合した酸素の電子を反映したものであることを示している。また,800°C試料でのスペクトルは,生成した欠陥が空孔を中心とした酸素クラスターであることを初めて実験的に示したものである。本実験は,陽電子ビームを利用しており,工業的に解明が必要な表面1μm近傍層の半導体欠陥の挙動を解明できる点に大きな意義がある。来年度は,本手法を中心に,これまで未解明であったシリコン中の空孔-不純物複合欠陥の挙動解析を中心に解析し,新たな欠陥物質科学を開拓していく予定である。なお,本成果により,2000年8月に開催予定の第12回陽電子消滅法国際会議(独国,ミュンヘン)に招待講演を依頼されている。本課題では固体中ナノ空間である格子欠陥の化学状態を解明することを目的として,陽電子消滅法の手法開発およびその実証を行った。格子欠陥に捕獲された陽電子が対消滅する際に発生するγ線のエネルギー拡がりは,消滅相手の電子の運動量を反映する。従って,欠陥が空孔-不純物の複合欠陥である場合,不純物原子の電子運動量の情報がγ線スペクトルに現れることから,これを高精度解析すれば,不純物の種類や量など欠陥状態に関して知見を得ることが可能となる。最初に陽電子ビーム発生装置を立ち上げ,同時計数回路を用いて対消滅γ線スペクトルを高S/B比(従来法に比較して,約3桁の向上)で測定することを可能とした。応用例として,工業的にも重要な課題である単結晶Si中にイオン注入により生成した空孔-酸素複合欠陥解析を行った。注入したままの試料では,単純な空孔型欠陥を示すスペクトルを与えたが,試料をアニールすると600°C程度から高運動量成分の強度が増大する現象が見られた。これは,空孔と結合した酸素の電子を反映したものであることを示し,生成した欠陥が空孔を中心とした酸素クラスターであることを初めて実験的に示したものである。次に,銅をイオン注入した鉄試料を例にとり,金属中の空孔を介した析出の観察を行った。その結果,イオン注入された銅の電子の運動量成分がスペクトルに現れ,これは欠陥の周囲が銅原子で囲まれていることを示している。すなわち,銅は誘起された空孔に結合し,アニールによって空孔を維持したまま銅の集合体が形成していることが明らかになった。以上の知見は,他の方法ではもちろん,従来の陽電子寿命測定やドップラー拡がり法では得られなかった空孔周囲の元素分析の結果であり,本手法の有用性を示したものといえる。これらの成果により,2000年8月に開催された第12回陽電子消滅法国際会議(ドイツ,ミュンヘン)に招待講演を行い,また2001年9月に開催される第9回低速陽電子ビーム国際ワークショップ(ドイツ,ドレスデン)でも招待講演を行う予定である。
新規細胞膜シートを用いた生体膜反応場における膜タンパク質機能の1分子計測

生体膜は、僅か10nmの膜構造体であるが、膜の表裏でその機能が異なる。生体膜機能を理解するにはそれぞれのサイドからの物理量計測が必要である。本研究は、細胞膜の裏側の生命現象に注目し、物理量計測を計測し、膜機能の解明を目的とした。研究を実施した結果、培養細胞からタンパク質の機能を維持した状態で細胞膜を試験管に切り出すことに成功し、さらにそれら細胞膜を基板支持状態の構造体の作製に成功した。本研究はヒト培養細胞から約10マイクロメートル程度の小胞状に細胞膜を切り出した細胞膜試料を凹構造を施した微細加工基板上に固定し、細胞膜を介した物質輸送の蛍光顕微鏡による可視化を目的とする研究である。本年度は当初の計画通り、主として、使用に適した微細加工基板のパターンの検討と基板への細胞膜試料の固定方法について検討した。また、微細加工基板内への蛍光色素導入を検討するために使用する蛍光色素についても検討した。まず、細胞膜を固定するための適当な微細孔のサイズを検討した。まず細胞膜から切り出す細胞膜の平均直径を約910μm程度に再現性よく揃える反応溶液の条件を確立した。小胞状の細胞膜基板表面に固定した際、少なくとも10μm2以上の面積で細胞膜を基板に固定できることから、微細孔のサイズを13μm程度に設定し、小胞状の細胞膜を微細孔上で固定することとした。さらに、基板表面への細胞膜固定(吸着)の効率を高めるために、ガラス基板表面の修飾条件を検討した。強酸またはアルカリ溶液でガラス基板を十分に洗浄後、正電荷を帯びたポリマーや小分子等が細胞膜試料を固定する有効な修飾方法である手がかりを得た。また基板表面に固定したアビジンに対して細胞膜表面のビオチン結合が吸着効率を上げることも明らかにした。一方で、これまで細胞膜試料を調製できる細胞はHeLa細胞だけであったが、MDCK、HEK293T、Caco-2細胞などいくつかの細胞でも効率よく細胞膜試料を調製できることに成功し、HeLa細胞では発現効率が上がらないタンパク質なども用いることができ、研究効率が飛躍的に向上した。本研究は、微細加工基板にヒト細胞膜を固定した新しいモデル膜を構築し、ヒト細胞における細胞膜を介した物質/情報輸送を高感度に定量評価することを目的とする。H27年度においては、本研究に適した微細加工基板のパターンの検討と基板への細胞膜試料の固定方法について検討した。また、これまで細胞試料調製にはHeLa細胞を用いていたが、標的タンパク質の発現等の至適条件検討に制約があった。本年度は、幾つかの培養細胞を用いて細胞膜試料の調製条件を検討した。数μm程度のサイズの凹構造を施した微細加工基板上に、細胞膜試料を載せる場合の最適な細胞膜試料と微細加工基板のパターンについて検討した。その結果、細胞から調製できる細胞膜試料のサイズを910μm程度に再現性よく揃える反応溶液の条件を確立した。さらに、それら細胞膜試料を効率よくφ23μmの凹構造上に導き、細胞膜を載せる微細パターンを確立することができた。また、基板表面への細胞膜試料の固定・吸着効率が、本研究の一つのボトルネックとなっていた。本年度は、カバーガラスを用いて細胞膜試料の吸着条件を検討した。その結果、強酸やアルカリ溶液で洗浄したガラス基板上に細胞試料を吸着させることができるが、正電荷を帯びたポリマー等で修飾した基板では、より高い確率で細胞膜試料を吸着させることができることが明らかとなった。さらに、基板表面にアビジンを固定した場合、細胞試料をビオチンした試料が効率よく固定できることを見出し、全体のプロセスの効率を飛躍的に高めることが期待できる。本年度は、MDCK、HEK293T、Caco-2細胞などいくつかの細胞で同程度の効率で細胞膜試料の調製条件を確立し、特に一般的に薬物排出の評価に用いられる細胞を用いて研究を展開できることを見出した。ヒト細胞膜の細胞質側で繰り広げられる生体反応の定量的評価は容易ではない。本研究は、ヒト培養細胞から調製した細胞膜試料を微細加工基板上に固定し、細胞膜を介した物質や情報伝達を簡便かつ高感度に計測する方法を創生し、新たな膜タンパク質の物性や機能解明に挑戦している。昨年度までに、微細加工基板表面への固定条件検討および、マニピュレーション方法を検討し、微細加工基板上への細胞膜試料(Giant plasma membrane vesicles :GPMVs)を固定する方法を検討した。本年度は主として、微細孔上への成膜方法の検討と基板に固定した細胞膜の標的タンパク質の評価を実施した。微細孔上に固定したGPMVsの膜を展開することで、微細孔を覆うように細胞膜を固定する方法を検討した。昨年度までに確立した微細孔へのマニピュレーション効率は90%程度まで効率を上げることができており、それを使い成膜条件を検討した。その結果、超音波処理と水流より、微細孔上に膜を展開できることを確認した。今回、超音波の周波数や強度など様々な照射条件を検討したが、成膜化の再現性が低く、今後出力計測しながら、条件検討を実施する予定である。さらに、共焦点レーザー顕微鏡を用いて、作製した微細加工基板内に蓄積する蛍光色素をイメージングできることが確認でき、膜を介した物質輸送評価系の構築に大きな手がかりを得ることができた。一方、標的タンパク質についてもいくつか準備が出来てきた。

現在、Transferrin receptor (TFR)、Cadherin、Integrin等の膜タンパク質にGFPを融合したタンパク質を発現した培養細胞から調製したGPMVsを作製し、基板上に固定し、それら膜タンパク質のトポロージーが維持されていることを確認できた。ヒト細胞膜の細胞質側で繰り広げられる生体反応の定量的評価は容易ではない。本研究は、ヒト培養細胞から調製した細胞膜試料を微細加工基板上に固定し、細胞膜を介した物質や情報伝達を簡便かつ高感度に計測する方法を創生し、新たな膜タンパク質の物性や機能解明に挑戦している。昨年度までに、微細加工基板表面への固定条件検討および、マニピュレーション方法を検討し、微細加工基板上への細胞膜試料(Giant plasma membrane vesicles :GPMVs)を固定する方法を検討した。本年度は主として、微細孔上への成膜方法の検討と基板に固定した細胞膜の標的タンパク質の評価を実施した。微細孔上に固定したGPMVsの膜を展開することで、微細孔を覆うように細胞膜を固定する方法を検討した。昨年度までに確立した微細孔へのマニピュレーション効率は90%程度まで効率を上げることができており、それを使い成膜条件を検討した。その結果、超音波処理と水流より、微細孔上に膜を展開できることを確認した。今回、超音波の周波数や強度など様々な照射条件を検討したが、成膜化の再現性が低く、今後出力計測しながら、条件検討を実施する予定である。さらに、共焦点レーザー顕微鏡を用いて、作製した微細加工基板内に蓄積する蛍光色素をイメージングできることが確認でき、膜を介した物質輸送評価系の構築に大きな手がかりを得ることができた。一方、標的タンパク質についてもいくつか準備が出来てきた。生体膜は、「物質輸送」や「シグナル伝達」を担う、細胞機能に欠くことの出来ない膜構造体である。厚さは僅か10nm程度の膜インターフェイスは、膜の表裏でその機能が全く異なる。特に細胞質側(裏側)の反応は細胞内側にあり、基質濃度などの反応条件制御が難しく、反応速度や結合定数などの物理量の情報がほとんど得られていない。本研究は、これまで計測が困難であった、細胞膜裏側で行われる膜タンパク質が関与する反応の反応速度、結合定数の物理量を計測し、これまで明らかにされてこなかった細胞膜機能/物性の計測を計画した。研究では、ヒト培養細胞の細胞裏側を上向きに固定した細胞膜シート用い、P糖タンパク質による「薬物排出」、GPCRによる「シグナル伝達」における基質およびシグナル因子の反応速度、結合定数などを1分子計測によりその物理量の計測を実施した。研究期間内において、モデル細胞膜(Giant plasma membrane vesicles:GPMVs)の新規の調製方法の確立に成功し、これまでGPMVsは膜タンパク質活性計測等に用いることにいくつかの制限があったが、亜鉛等の金属イオンやアンモニウムイオン等を用いてGPMVsを調製することで、膜タンパク質の活性評価として利用できる可能性を見いだすことができた。
強度と勾配を統制した磁場条件による造骨細胞系への影響評価

本研究では、造骨細胞系をモデルとした中程度静磁場作用の検証を目的として、磁場強度と勾配を統制した磁場環境の下でマウス骨芽細胞及びラットMSCsを培養し、オステオカルシンやアルカリフォスファターゼなど骨芽細胞関連マーカーへの磁場影響を検討する。本研究を実施することで、造骨細胞系の磁場影響について強度と勾配の二要素の整理がなされる。また、MRI装置など静磁場の既存リソースを細胞処理に積極的に応用するための手立てとなり得る。
時間分解光導波路法による強誘電高分子液晶の高速スイッチング機構の解明

1.時間分解光導波路測定法の開発強誘電性液晶はマイクロ秒域のスイッチング速度をもつため、これに十分対応できる光導波路測定法(TROWS)の開発を行った。TROWSによって得られる過渡状態の光導波パターンを理論解析することにより、数マイクロメートルの厚さをもつ液晶層の誘電率異方性を4桁以上の精度で測定し、膜厚をナノメートルの精度で評価することができた。しかもナノ秒域の時間分解能で光導波パターンを測定することにより、高速過渡現象を追跡し、液晶の過渡的な内部構造を解析する能力をもつことが示された。2.低分子ネマチック液晶のダイナミックス研究光導波路測定装置の性能と測定結果の理論解析を実証するため、低分子ネマチック液晶の解析を行った。液晶配向系はxyz実験室系に配置された屈折率楕円体として捕らえられ、その分子座標系-abcの主値n_a、n_b、n_cおよびabc系のxyz系からのオイラー角で記述された。導波モードの時間変化に基づいて、パルス電場を加えたときの分子回転の様子を多層近似を用いて解析した。その結果、界面束縛を受けながらパラレル配向とホメオトロピック配向との間でスイッチクグする液晶分子の配向分布、ならびにその時間変化を明らかにした。3.低分子強誘電性液晶の過渡構造の解明低分子強誘電性液晶の静的な内部構造を屈折率異方性の測定により評価した。さらに電場反転にともなう過渡状態について、導波パターンの理論解析から、SmC^*相の内部構造とその電場配向挙動について研究した。その結果、これまで知られていなかった、BOOKSHELF→CHEVRON→BOOKSHELFというスメクチック層構造の過渡ベンディング運動を明らかにするとともに、CHEVRON構造により分割された上下2層が協同的に反対称コーン運動することにより電場反転することを示した。高分子強誘電性液晶のスイッチング挙動の解明低分子液晶で得られた知見をもとに高分子強誘電性液晶を研究した。その結果、高分子液晶においても過渡ベンディング運動が観測された。高分子主鎖はスメクチック層間に局在するため、側鎖メソゲン基の運動挙動には影響が少なく、側鎖メソゲン基はコヒーレントな運動モードで配向運動していることがわかった。このため、アルキル鎖を介した主鎖の束縛による回転粘性の増加にもかかわらず、低分子ネマチック液晶と同じミリ秒域で配向スイッチングすることが可能であった。これらの観測結果をもとに高分子強誘電性液晶の内部構造とメソゲン基の電場配向における運動モードについて考察した。本研究では時間分解光導波路測定法を開発し、これを高分子強誘電性液晶に適用して、そのキラルスメクチック(SmC*)相が外部電場にたいして示す特異なスイッチング挙動を解析することを目指している。

本年度は研究の基礎を固めるため、以下のような項目について研究を行った。1.ナノ秒時間分解光導波路測定装置の開発強誘電性液晶はマイクロ秒域のスイッチング速度をもつため、これに十分対応できる光導波路測定装置の開発をおこなった。その結果、30ナノ秒の時間分解能で光導波パターンを測定し、試料のもつ膜厚や誘電率の異方性などの光学パラメータの測定ができることが確認された。2.低分子モデル液晶のダイナミックス研究開発した光導波路測定装置の性能と測定結果の理論解析を実証するため、比較的内部構造やスイッチング挙動が単純な低分子ネマチック液晶や低分子強誘電性液晶の解析を行った。この場合、液晶配向系はxyz実験室系に配置された屈折率楕円体として捕らえられ、その分子座標系-abcの主値na、nb、ncおよびabc系のxyz系からのオイラー角で記述された。パルス電場を加えたときの液晶層内における分子回転の様子がネマチック液晶については、詳細に解析することができた。また強誘電性液晶については構造モデルと理論との一致が悪く、適当な構造モデルを探索している。以上の基礎研究により測定解析技術の確立ができたため、今後は高分子強誘電液晶の測定に重点をおいて研究を進める予定である。本研究では時間分解光導波路測定法を開発し、これを高分子強誘電性液晶に適用して、そのSmC^*相が外部電場にたいして示す特異なスイッチングダイナミックスを解明することを目指している。本研究で行った主な項目を以下に挙げる。1.時間分解光導波路測定装置の開発強誘電性液晶はマイクロ秒域のスイッチング速度をもつため、これに十分対応できる光導波路測定装置の開発をおこなった。その結果、30ナノ秒の時間分解能で光導波パターンを測定し、試料のもつ膜厚や誘電率の異方性などの測定ができることが確認された。2.低分子モデル液晶のダイナミックス研究光導波路測定装置の性能と理論解析を実証するため、スイッチング挙動が単純な低分子ネマチック液晶の解析を行った。液晶配向系は実験室系に配置された屈折率楕円体として捕らえられ、その分子座標系-abcの主値na、nb、ncおよびabc系のオイラー角で記述された。パルス電場を加えたときの分子回転の様子を詳細に解析することができた。3.低分子強誘電性液晶の過渡構造の解析低分子強誘電性液晶の内部構造を屈折率異方性より評価したのち、電場反転にともなう過渡状態について、構造評価とその遷移挙動について研究した。その結果、これまで知られていなかった液晶層の過渡ベディング運動が明らかにされた。4.高分子強誘電液晶のスイッチング挙動の解析低分子液晶で得られた知見をもとに、構造が複雑な高分子液晶を測定した。その結果、高分子液晶においても過渡ベディング運動が観測され、主鎖の束縛を受けながらも低分子ネマチック液晶の如くミリ秒域で配向スイッチングする液晶の内部構造が明らかにできた。
ダウン症候群における造血異常の病態解明と責任遺伝子の同定

ダウン症候群では新生児期に一過性骨髄異常増殖症(TAM)と呼ばれる前白血病状態が高率に起こる。われわれのこれまでの研究により21番染色体上で造血異常に強く関与する4Mbの重要領域(Critical Region)を同定することに成功した。本研究ではこれまでの成果をさらに発展させ、4Mb領域内のどの遺伝子が、造血のどのステップに関わるのかについて明らかにすることを目的とする。昨年度までの研究によって、4Mb領域内にコードされる約20個の遺伝子のうちとくに強い発現変化を示すRUNX1, ETS2, ERGを原因遺伝子の候補としてピックアップした。そしてゲノム編集によってRUNX1、ETS2、ERGのそれぞれが1アレル分だけ欠失したiPS細胞、さらにそれらにGATA1変異が導入されたiPS細胞を樹立することができた。本年度はそれらのiPS細胞を造血分化誘導し、まずRUNX1が造血亢進作用をもつことを明らかにすることができた。次にETS2とERGについては、巨核芽球系分化を制御しているのだが、いずれもRUNX1との両者のくみあわせによって初めて作用を発揮することが分かった。さらにGATA1変異が存在することで、赤芽球系分化阻害と異常な巨核芽球産生が生じることが分かってきた。このように我々が見つけた4Mbのダウン症重要領域には、造血分化を制御する重要な遺伝子が多くコードされており、GATA1変異との相互作用によってダウン症特有の造血異常を引き起こすことが分かった。さらに遺伝子発現量との関係について解析を進める。本研究はダウン症候群に見られるTAMの病態解析モデルを作成し、それらを造血分化誘導することが目的である。昨年度までにRUNX1・ETS2・ERGのゲノム編集を行い、さらにGATA1 short form変異を導入した。今年度はそれらを造血分化誘導を行い、その病態への関与を明らかにすることができた。ただし今年度では検体が足りず、病態メカニズムに関わる遺伝子発現について解析を進めることができなかった。今年度はほぼすべての検体がそろうため、遺伝子発現解析を行ってさらに詳細なメカニズム同定を図る。21トリソミーiPS細胞から造血分化誘導を行ったうえで、遺伝子発現変化を解析した。4Mb領域内にコードされる約20個の遺伝子のうち、とくに強い発現変化を示すものとして、RUNX1, ETS2, ERGを同定した。このうちとくに造血に重要な遺伝子であるRUNX1をピックアップし、1アレル分のみの欠失を目指した。RUNX1に対するCRISPR/Cas9システムを作成し、Neoを搭載したドナーDNAとともにNEONシステムをもちいて21トリソミー・GATA1wt iPS細胞へ遺伝子導入した。Neoをもちいたpositive selectionにより得られたコロニーについて、RUNX1座位近傍のマイクロサテライトをもちいたshort tandem repeat (STR)解析を行ったところ、RUNX1が1アレル分だけ欠失したクローンを得ることができた。このクローンをもちいて造血分化誘導を行ってみると、CD235陽性の赤芽球、CD33陽性の骨髄球のいずれもRUNX1欠失前のトリソミー21細胞群より有意に低く、健常児ならびに4Mb欠失iPS細胞とほぼ同じであった。さらにCD34+細胞群に対するCD43+細胞の比率もRUNX1欠失細胞は健常児とほぼ同じであり、このことから21トリソミーによって引き起こされる造血分化亢進作用は、RUNX1のトリソミー単独で起こりうるということが分かった。さらに重要なことに、4Mb領域欠失iPS細胞にレンチウイルスをもちいてRUNX1を強制発現させると、CD43陽性細胞数が増加したことから、このRUNX1のトリソミーが日強言う十分条件であることが判明した。ヒトiPS細胞における遺伝子改変は容易ではないが、ゲノム編集をもちいることで可能になる。CRISPRをもちいることでRUNX1における遺伝子改変を行ったところ、1アレルだけに欠失が導入されたクローンを多数得ることができた。昨年度の研究によって、4Mb領域内にコードされる約20個の遺伝子のうちとくに強い発現変化を示すRUNX1, ETS2, ERGを原因遺伝子の候補としてピックアップした。そしてゲノム編集によってRUNX1の1アレル分だけ欠失したiPS細胞を樹立しその造血分化誘導を行うことで、21トリソミーによって引き起こされる造血分化亢進作用は、RUNX1のトリソミー単独で起こりうるということが分かった。本年度はさらに解析を進め、ETS2およびERGに対するゲノム編集を行うとともに、さらにこれらのiPS細胞においてGATA1変異を導入することによって、造血に重要な21番染色体上の遺伝子と、GATA1変異との解析を可能にする重要な実験モデルを樹立することに成功した。またこれらを分化誘導することにより、造血亢進に深く関わるRUNX1と対照的に、これらふたつの遺伝子が巨核芽球系分化に関与していることが分かりつつある。

またRUNX1は造血更新に関与する唯一の遺伝子であったが、ETS2とRUNX1はそれら単独ではなく、RUNX1とともに作用することが明らかとなってきた。今後、これらを造血分化誘導することでTAMの本態が明らかとなると思われる。本研究はダウン症候群に見られるTAMの病態解析モデルを作成し、それらを造血分化誘導することが目的である。昨年度RUNX1のゲノム編集を行ったことに引き続き、今年度はETS2、ERGのゲノム編集を行った。これらにあたっては、SNPおよびSTR解析を行うことで、たしかに1アレル分だけの変異であることを確認した。そしてさらにGATA1 short form変異を導入することによって、これらの遺伝子について網羅的に解析することのできる実験系を手に入れることができた。まだ予備的実験の段階であるが、RUNX1が造血の初期段階に関与する唯一のファクターであるのに対比して、ETS2とERGは、RUNX1とともに、巨核芽球の産生に強く関わっていることが分かってきた。今後さらにこの解析を進めることで、GATA1との関与について明確にし、TAMの病態を明らかにしたい。ダウン症候群では新生児期に一過性骨髄異常増殖症(TAM)と呼ばれる前白血病状態が高率に起こる。われわれのこれまでの研究により21番染色体上で造血異常に強く関与する4Mbの重要領域(Critical Region)を同定することに成功した。本研究ではこれまでの成果をさらに発展させ、4Mb領域内のどの遺伝子が、造血のどのステップに関わるのかについて明らかにすることを目的とする。昨年度までの研究によって、4Mb領域内にコードされる約20個の遺伝子のうちとくに強い発現変化を示すRUNX1, ETS2, ERGを原因遺伝子の候補としてピックアップした。そしてゲノム編集によってRUNX1、ETS2、ERGのそれぞれが1アレル分だけ欠失したiPS細胞、さらにそれらにGATA1変異が導入されたiPS細胞を樹立することができた。本年度はそれらのiPS細胞を造血分化誘導し、まずRUNX1が造血亢進作用をもつことを明らかにすることができた。次にETS2とERGについては、巨核芽球系分化を制御しているのだが、いずれもRUNX1との両者のくみあわせによって初めて作用を発揮することが分かった。さらにGATA1変異が存在することで、赤芽球系分化阻害と異常な巨核芽球産生が生じることが分かってきた。このように我々が見つけた4Mbのダウン症重要領域には、造血分化を制御する重要な遺伝子が多くコードされており、GATA1変異との相互作用によってダウン症特有の造血異常を引き起こすことが分かった。さらに遺伝子発現量との関係について解析を進める。昨年度までにRUNX1・ETS2・ERGのゲノム編集を行い、さらにGATA1 short form変異を導入した。今年度はそれらを造血分化誘導を行い、その病態への関与を明らかにすることができた。ただし今年度では検体が足りず、病態メカニズムに関わる遺伝子発現について解析を進めることができなかった。
細胞賦活因子の徐放制御機構を具備した多層性ナノアパタイト-コラーゲンの開発

組織再生療法では、細胞、足場(担体)、成長因子の3要素が必須といわれている。今回の研究では、骨組織の再生を目的として、BMP-2を分泌するプラスミドを含有したリン酸カルシウム遺伝子導入ベクターとナノハイドロキシアパタイトーコラーゲン複合体(担体)を組み合わせ、この上で未分化間葉細胞を培養したところ、細胞は担体に進入し、BMP-2が分泌されていることを観察した。このことから遺伝子導入ベクターを担体と組み合わせることで、組織再生に必要な成長因子を分泌させる生体材料を開発することに成功した。本研究の目的は多層性ナノハイドロキシアパタイト-コラーゲンに遺伝子をコードしたナノリン酸カルシウム顆粒ベクターを付与させることで、遺伝子徐放制御機構を具備したナノハイドロキシアパタイト-コラーゲンスキャホールドを開発することである。生体材料上での遺伝子導入では、ベクターの生体親和性が特に重要な因子となる。そこで、これまでに、ヒト未分化間葉細胞を用いて、様々な濃度や配列の異なるアルギニンペプチドを付与したナノリン酸カルシウムを精製し、遺伝子導入活性および細胞毒性を比較検討してきた。その結果、DNAとプロタミンとの複合体をリン酸カルシウムで保護した後、ポリエチレンイミン(PEI)もしくはプロタミンで覆った4重構造のリン酸カルシウムベクター(以下、CaP/DNAProtamine/CaP/PEIおよびCaP/DNAProtamine/CaP/Protamine)が高い生体親和性および遺伝子導入効率を示すことが分かった。特にDNA-プロタミン複合体はPEIの細胞毒性を減少させることが明らかとなった。この結果をもとに、ナノハイドロキシアパタイトーコラーゲンscaffoldに同ベクターを配合しBMP-2をコードした遺伝子導入試験を行ったところ、ともに細胞培養シャーレ上と同量のBMP-2タンパクの分泌が確認された。また、DNA量を測定したところ、CaP/DNAProtamine/CaP/Protamineで特に高いDNA量を示すことが確認された。このことからCaP/DNAProtamine/CaP/Protamineベクターを配合したナノハイドロキシアパタイトコラーゲンscaffoldは付着した細胞に対して細胞毒性の影響はなく、遺伝子導入できることが明らかとなった。本研究の目的は、多層性ナノハイドロキシアパタイト-コラーゲンに遺伝子をコードしたナノリン酸カルシウム顆粒ベクターを付与させることで、遺伝子や細胞賦活因子の徐放制御機構を具備したscaffoldを開発することである。生体材料上での遺伝子導入では、ベクターの生体親和性が特に重要となる。【実験1】ヒト骨髄系未分化間葉細胞を用いて、ポリエチレンイミン、硫酸プロタミン、オクタアルギニンをそれぞれ単独または複合して付与したリン酸カルシウムナノベクター(以下CaPナノベクター)を精製し、遺伝子導入効率や細胞毒性を検討した。その結果、DNAとプロタミンの複合体にオクタアルギニンもしくはプロタミンを付与したCaPナノベクターが最適であることが明らかとなった。【実験2】次いで、ナノハイドロキシアパタイトーコラーゲン複合体(以下nHAC scaffold)に、実験1で精製したCaPナノベクターを組み合わせ、nHAC/CaP scaffoldを作製した。ヒト骨髄系未分化間葉細胞を用いて、同scaffold上での遺伝子導入効率を測定したところ、nHAC/CaP上での遺伝子導入効率は、CaPの遺伝子導入効率に強く依存することが明らかとなった。【実験3】これまでの結果を元にBMP-2タンパク発現plasmidをコードしたCaPナノベクターを配合したnHAC、および従来の手法であるBMP-2溶液を含浸させたnHACを作製し、ラット背部皮下に移植し、生体内でのBMP-2徐放量を測定比較した。その結果、CaPナノベクターを配合したscaffold群はBMP-2溶液を含浸させたnHACよりも長期にわたりBMP-2を徐放させること、scaffoldの種類により徐放期間が異なることが明らかとなった。震災よる実験施設の耐震補強やそのための一時的な移転の影響により、一部施設や設備の使用に制限があったため、それに伴う遅れが生じた。歯周組織再生ナノハイドロキシアパタイトコラーゲンに配合するCaP/DNAProtamine/CaP/Protamineベクターの適正な配合濃度の決定する。ラット由来歯肉線維芽細胞、歯根膜由来細胞、骨髄細胞を用いた遺伝子導入効率の測定およびラット生体内での遺伝子導入による特定タンパクの局所内濃度を検討する。
残留オーステナイト測定小型センサ及びシステムの開発

合金白鋳鉄は鋳造時あるいは焼入れ処理時に多量の残留オーステナイトが存在する.この残留オーステナイトは,製品の機械的性質や使用時の部材の欠損などに大きく影響するため,これを制御することは重要である.これまで,残留オーステナイト量の測定には,X線回折法によることが多く,簡便な測定法及びそのシステムの開発が望まれていた.そこで,本研究では熱処理を変えることにより,種々の残留オーステナイト量を含有する合金白鋳鉄を作製し,それらの電磁現象の変化を測定することにより,非破壊的に鋳鉄中の残留オーステナイト量を測定する小型センサの開発を行うとともに,それを解析するシステムの開発を行った.開発した小型センサは約20Wmmx25Lmmx20Hmmで「コ」の字をしており,これに励起コイル及び検出コイルが巻かれている.励起コイルに交流電流を流し,そのときの検出コイルに得られた誘導電圧を検出する.残留オーステナイト量が異なると,誘導電圧が変化するので,これを解析することにより,材料内の残留オーステナイト量が評価できた.合金白鋳鉄は鋳造時あるいは焼入れ処理時に多量の残留オーステナイトが存在する.この残留オーステナイトは,製品の機械的性質や使用時の部材の欠損などに大きく影響するため,これを制御することは重要である.これまで,残留オーステナイト量の測定には,X線回折法によることが多く,簡便な測定法及びそのシステムの開発が望まれていた.そこで,本研究では熱処理を変えることにより,種々の残留オーステナイト量を含有する合金白鋳鉄を作製し,それらの電磁現象の変化を測定することにより,非破壊的に鋳鉄中の残留オーステナイト量を測定する小型センサの開発を行うとともに,それを解析するシステムの開発を行った.開発した小型センサは約20Wmmx25Lmmx20Hmmで「コ」の字をしており,これに励起コイル及び検出コイルが巻かれている.励起コイルに交流電流を流し,そのときの検出コイルに得られた誘導電圧を検出する.残留オーステナイト量が異なると,誘導電圧が変化するので,これを解析することにより,材料内の残留オーステナイト量が評価できた.Ni及びMoをそれぞれ単独に2%添加した16%Cr鋳鉄及び26%Cr鋳鉄を溶製し,これらの試料に焼入れ焼戻し条件を種々変化させて,残留オーステナイト(γ_R)を080%含有する試験片を作製した.γ_R量の測定はX線回折法によった.一方,γ_Rを非破壊的に測定する小型電磁気センサーを試作し,上記の試料の内16%Cr鋳鉄を用いて,γ_Rの測定を実施した.その結果,鋳鉄はマクロ的な初透磁率の不均一性を有し、電磁気ノイズが多く発生することが判明した。そこで、γ_R含有量の異なる基準鋳鉄の作製を行い、部分的にばらつく磁化特性の測定を行った。さらに,これらの磁化特性の不均一性を考慮した三次元有限要素法の電磁界解析を開発し、本研究で提案を行う電磁気センサで鋳鉄を検査した場合の、電磁気ノイズを最小にする最適な磁化領域を数値解析により明らかにした。励磁周波数が1kHzの場合、印加磁束密度を0.08T以上にすれば、電磁気ノイズを最小限に抑え、さらにγ_R含有量を測定できる事を検証実験も含めて確かめた。また、これらの結果を踏まえ、製品化に向けた実用的な電磁気センサの設計を民間企業と共に本格的に進めている。次年度は、多合金白鋳鉄への適用を踏まえ、より実用化に向けた取り組みを行う予定である。鋳鉄中残留オーステナイト(γ_R)量の非破壊評価を行うため,小型電磁気センサーを開発し,γ_Rを080%(X線法による)に変化させた16%Cr鋳鉄のγ_Rの測定を実施した.その結果,鋳鉄に交流磁界が印加された場合,渦電流とヒステリシス磁化特性による磁化遅れ(位相遅れ)がγ_Rの増加とともに大きく変化することが判明した.そこで,今年度は小型電磁気センサーの,検出コイル内に鎖交する磁束密度波形と励磁電流波形との位相差の変化量について,ヒステリシス磁化曲線と渦電流を考慮した三次元有限要素法の電磁界解析を開発し,検証実験も含めて検討を行った.その結果,γ_Rが増加するに伴って検出コイル内に鎖交する磁束密度波形の励磁電流波形に対する位相差が減少し,精度よくγ_Rが測定できることが明らかになった.しかし,γ_Rを変化させたCr,Mo,W,Vなどを含有する多合金白鋳鉄について,開発センサーを用いて測定を実施した結果,現状ではバラツキが大きいことが判明した.次年度は,多合金白鋳鉄及び球状黒鉛鋳鉄のγ_Rも測定できるセンサーの製品化に向けたより高精度な電磁気センサーの設計を行う予定である.小型電磁気センサを使用し、Cr含有量が異なる高クロム鋳鉄の場合や、多合金白鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄等における残留オーステナイト含有量Vγの測定を実施した。(1)高クロム鋳鉄の残留オーステナイト量の測定ここではCrが17%と26%でMoが2%、Crが26%でNiが2%の3種類の高クロム鋳鉄を検査対象とし、Vγが異なる鋳鉄を電磁気センサで測定した際、検出コイルに得られる磁束密度の値の低下度合いB_ηについて検討を行った。電磁気センサに流す励磁条件は500Hz、0.5A

一定で、電磁気センサと試験鋳鉄との隙間LoはOmm一定で実験を行った。この結果、Cr、Mo、Niの各値を変化させても明確な違いは得られず、Vγが増加するに伴って、B_ηが同じ割合で低下する事が分かった。(2)多合金白鋳鉄の残留オーステナイト量の測定Cが2.13%と2.41%の多合金白鋳鉄を検査対象とし、Vγが異なる鋳鉄を電磁気センサで測定した際、検出コイルに得られるB_ηの低下度合いについて検討を行った。また電磁気センサに流す励磁条件は500Hz、0.5A一定とし、電磁気センサと試験鋳鉄との隙間LoはOmm一定で実験を行った。その結果、C=2.13%の結果の方がC=2.41%の場合よりもVγが増加するに伴うB_ηは小さい事が分かった。(3)球状黒鉛鋳鉄の残留オーステナイト量の測定ここでは焼入れ温度が異なる球状黒鉛鋳鉄を検査対象とし、Vγが異なる鋳鉄を電磁気センサで測定した際、検出コイルに得られるB_ηの低下度合いについて検討を行った。焼入れ温度変化は、900度1030度の範囲で行い、各焼入れ温度におけるVγ変化に伴う検出コイルに得られるB_ηの実験を行った。その結果、どの焼入れ温度においてもVγが増加するに伴って検出コイル内のBnは同じ割合で低下傾向を示し、球状黒鉛鋳鉄の焼入れ温度による影響は、あまり見られないことが理解できた。この事から、球状黒鉛鋳鉄の場合、焼入れ温度に関係無く、Bnの値からVγの測定が行える事が分かった。
微気象観測と生理学的実験手法を用いた、南極陸上生物の生理生態の解明

南極の陸上環境は極度の低温、乾燥、強光、紫外線などのストレスに晒され、限られた光合成生物を一次生産者とする生態系が形成されている。本研究では直接的な観測が難しい南極の陸上生態系に環境変動が与える影響を長期間モニタリングする基盤を作ることを目的とし、2013年1月に東南極のラングホブデに光合成生物の生育環境に微気象観測機器を設置し観測を開始した。観測データと生理学的実験手法により得られた光合成特性とを併せて解析することで、地衣類、蘚類、緑藻類の活動期間に大きな違いが存在することが示唆された。今後、長期の観測データが蓄積されていくことで環境変動が極域生物に与える影響を解析することが可能になった。平成24年度に南極のラングホブデ、雪鳥沢に設置した光合成生物の生育微気象観測装置のデータ取得を越冬隊および第55次日本南極地域観測隊の協力の元行い、平成26年1月に目標としていた1年間分のデータ取得を完了した。観測機器は引き続き同場所に設置し、データ取得を行うこととした。一部のセンサーに障害が見られた期間があったが、データは概ね良好に取得できており、現在データの解析を進めている。これまでの解析から、緑藻類、地衣類、蘚類のそれぞれの活動可能な期間がおおよそ推測でき、地衣類は他の2生物に比べて夏の早い時期から活発な活動期間を迎えることが予測された。観測地点に設置した定点カメラも問題無く作動し1時間ごとの積雪の様子を取得できたことで、微気象データ解析の際に大きな助けとなっている。生理学的解析では、基礎生物学研究所の大型スペクトログラフを用いて南極の陸生光合成生物の光阻害の波長依存特性を明らかにした。その結果と生育微気象環境データを併せて解析することで、光阻害の波長依存特性の違いがそれぞれの生物の南極の生育環境を決定する因子の一つになっていることが示唆された。生理学的実験から、緑藻のP. crispaは光障害の影響を受けやすく地衣類や蘚類はそれに比べて強光や紫外線に対して優れた耐性を持つことが分かった。本研究では野外の生育微気象環境データから光合成生物の生態をシミュレーションするため、光阻害の影響をモデルに組み込むこむ方法を検討していた。上記の実験において光阻害の影響は、各波長で光の照射エネルギーに対して一次反応式で示された。その式を用いて、野外で変化する太陽光の波長成分に対する光阻害の影響を予測することが可能となった。本研究では、生理学的実験手法を用いた解析と生育環境の微気象観測から南極に生育する光合成生物の生態を明らかにすることを目指している。本研究において最も重要な生育場所の通年微気象観測を行うために2012年の11月から3月の間、第54次日本南極地域観測隊に同行し昭和基地周辺の南極大陸露岩地域において観測を行った。約一カ月の南極滞在期間の中で通年微気象観測機材の設置を無事行うことができた。また、夏期間中の光合成生物の活性測定、および生理学実験に用いるための試料採集をほぼ予定通り行う事ができた。微気象観測データは滞在期間中のものは回収し、今後は半年後と1年後に回収を行う。本研究で対象にしている光合成生物のうち陸生シアノバクテリア、イシクラゲの生理学的特徴を解析するために細胞外多糖を細胞から効率良く除去する方法が必要と考えられたため、既存の方法を参考に少量の試料から効率良く細胞を回収できる方法を検討した。また、本研究で重要視している光阻害について解析するため、南極の昭和基地周辺の露岩地域で採集された地衣、蘚類、緑藻の乾燥時における光阻害の波長依存特性を基礎生物学研究所の大型スペクトログラフを用いて解析した。本研究は、連続観測が難しい南極に生育する光合成生物の生態を、生理学的な実験手法と生育環境での通年微気象観測により明らかにし、環境変動がもたらす極域生物への影響をモニタリングするための基盤を作ることを目的とした。1年目に東南極地域のラングホブデにある第154南極特別保護地区内の光合成生物生育環境に通年微気象観測装置を設置し、2年目に1年間分のデータ回収を行った。最終年度にその取得データの解析を行い、所属機関発行のデータレポートとして報告した。現在も引き続き観測が行われている。生理学的実験手法を用いた解析は、南極の露岩に生育する地衣類(Umbilicaria decussata)、蘚類(Ceratodon purpureus)、緑藻(Prasiola crispa)を研究対象とし、光障害の波長依存特性の違いを明らかにするとともに、環境データを用いたシミュレーションを行うために、過去の文献を参考に各波長域において照射エネルギーに対する光障害を数式化した。