hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
空間充填曲線による画像検索および暗号に関する研究

本研究では、MPEG7などに対して、空間充填曲線を利用した高効率な画像検索方式および暗号方式の実現を行った。大規模画像データベースの検索において、ヒルベルト走査型Bag-of-Features構造表現による高速検索手法を新たに提案した。また、高効率な暗号方式では、多次元空間を充填するヒルベルト曲線生成を利用した高速鍵暗号方式を開発した。本研究では、独自の圧縮データからDCTの逆変換や動き補償(復元)の必要がない高速画像検索方式、また、空間充填曲線を利用した公開鍵暗号方式を実現するため、本年度はまず画像検索方式における特徴抽出および検索方式について検討した。特徴抽出としては、位置回転不変の特徴量である極座標フーリエ変換および球面フーリエ変換の高速化を行った。変換における平面の標本点の対称性を利用して計算量の削減を図った結果、従来に比べて、712倍の高速化を実現できた。次に、大規模画像データベースの検索において、ヒルベルト走査型4分木構造表現による検索手法を検討した。これは、画像の再帰的均等4分割により特徴点集合の分布を部分画像領域で管理させ、また、4分木の階層的な表現によって探索空間を大幅に絞り込みができるようにしたものである。約5000枚の画像を利用した探索実験によって、SIFTベース探索、AM-SIFTベース探索、PCA-SIFTベース探索などに比べて、提案手法は画像記述量を10分の1以下に削減でき、探索時間を15分の1程度に短縮できることがわかった。今後更なる性能向上を図る予定である。次に、空間充填曲線を利用した公開鍵暗号方式において、鍵となる曲線の種類が3次元で4通り、4次元で672通り、5次元で約3.62億通りあることがわかった。6次元以上ははっきりとした定式化ができないため、現在数値解析を行っている。また、これらの曲線を発生させるアドレス発生手法を新たに確立する必要があり、早急にアルゴリズムの構築を行っている。また、同時に暗号化全体の機能構成を構築し、全体アルゴリズムの初期バージョンを確立した。今後、RSA等との性能評価を行いながら、アルゴリズムの改良を行う予定である。本研究では、空間充填曲線を用いた高速画像検索方式、および、公開鍵暗号方式を実現するため、本年度は、前年度に引き続き画像の特徴抽出・検索方式および公開鍵暗号方式を検討した。特徴抽出では回転不変特徴として新たなPolar Four ier TransfomおよびPolar Harmonic Transformsの高速化を行った。三角関数の対称性を利用して計算量の削減を図った結果、従来手法に比べて2桁の高速化を実現できた。次に、大規模画像データベースの検索において、ヒルベルト走査型Bag-Of-Features表現による検索手法を検討した。これは、SIFT等により得られる画像の特徴点集合に対して、類似部分画像を木構造表現で管理させ、また、各葉ノード間で距離を定義するものである。空間充填曲線を利用することにより探索空間を大幅に絞り込みができるようにしたものである。Caltech、ImageNet 1Mデータセット等を利用した評価実験により、従来法のBOFより大幅に検索精度を向上させ、記憶容量が15分の1以下に削減できることを確認した。次に、空間充填曲線の一種であるヒルベルト曲線を利用した公開鍵暗号方式を確立した。これは、ヒルベルト上に新たな演算を定義して、その演算を使ったべき乗計算を利用したものである。また、鍵となる曲線の種類が6次元以上で種類数が爆発することがわかり、9,10次元空間の空間充填曲線を利用した公開鍵暗号アルゴリズムのプロトタイプを構築した。なお、ヒルベルト曲線の発生方法、1対1対応の写像計算等は、研究代表者がIEEE Trans on Image Processing(1999)に発表したアルゴリズムを利用した。今後、RSA、楕円暗号等との性能評価を行いながら、アルゴリズムの改良を行う予定である前年度に引き続き、圧縮データからの特徴抽出の改善を検討した結果、圧縮データからの特徴記述子として、色多様体マッチング法を確立した。様々な色分布の評価実験では、相互部分空間法よりも高い識別率を示すのに加え、従来技術のSCDやDCDよりも記述量・処理時間・識別率の点での優位性が確認された。画像検索では、画像検索では、画像処理の基礎である木構造表現による大規模画像データベース検索に関する研究に空間充填曲線の導入を検討して新たな方法を見いだした。これは、空間充填曲線の一種であるヒルベルト曲線を利用し、近傍保存性の高い1次元直線上に写像することにより、多次元特徴空間におけるクラスタ形成を高速かつ高精度に行う方式である。大規模画像検索において研究されているBag-of-Feature(BOF)を拡張し、ヒルベルト走査型BOFを提案しているが、様々な走査方法の適用、クラスタリングの方法を検討することにより、記憶容量の削減および計算量の削減がどの程度の効果があるかを明らかにした。大規模画像データベース(ImageNetなど)を用いた画像検索実験の結果、提案手法が従来手法よりどの程度改善できるかを示した。秘匿データのデータ通信においては、従来からDES暗号、AES暗号などが広く用いられているが、本研究では、空間充填曲線を用いた。予め鍵を共通化して暗号化を行う新たな共通鍵暗号方式を開発した。

これは空間充填曲線の一種であるヒルベルト曲線により、曲線の種類が爆発的に増大する性質を利用するものである。この特徴を用いて、8次元以上のものを利用して、新たな其通鍵暗号方式を構築した。国際標準化方式DES暗号やAES暗号と比較した定性的評価により、本手法がより頑健性の高いものであることがわかった。
山火事の熱と煙で目覚めるアカパンカビ子嚢胞子のシグナル伝達経路網

アカパンカビ子嚢胞子は山火事で発生した約50°Cを超える熱、もしくは煙成分を感知して休眠解除する。前年度、熱と煙感知の関係を詳細に調べた結果、煙成分は濃度依存的に休眠解除の温度閾値を下げることを見出した。領域内の共同研究により、この子嚢胞子の熱と煙成分による発芽率の数理モデル化を試みた。まず、熱と煙成分による発芽と生存確率(高熱と高濃度の煙成分は生存に悪影響)を独立させた数理モデル化では、煙成分が濃度依存的に発芽の温度閾値を下げる現象を表現できなかった以外は、実測値に近似した。つまり、この現象を正確に表現するには煙成分と温度センサーを繋ぐシグナル伝達経路を加えた数理モデル化が最低限必要であることがわかった。今後は、本研究グループが同定した温度センサーを調節する2つのシグナル伝達経路を加えた数理モデル化により本現象を忠実にシミュレーションできるか、他の経路が必要かなどを検討する。これまでの一連のシグナル伝達経路の因子群の同定は大規模な逆遺伝学手法により行ってきたが、それぞれの経路の標的・相互作用の解析は進んでいない。その理由として、従来の生化学手法がアカパンカビ子嚢胞子の細胞壁が強固であるため適さないためである。そこで、最新の手法である生体内ビオチン化ラベルによる標的蛋白質の探索・相互作用を調べるBioID、BioID2、TurboIDに着目し、アカパンカビに導入した。その結果、TurboIDのみが目的蛋白質のビオチン化の検出に成功した。しかし、内因性のビオチン化蛋白質が無視できない量で存在するため、現在、この内因性ビオチン化酵素の発現を抑える変異株の作製を行っている。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画に従い、アカパンカビのゲノム防御機構RIPを利用し、これまでに同定した因子群を選択的に変異させ、熱への感受性が変化する機能変異株を単離するスクリーニングを実施した。しかし、RIPによる選択的な機能変異率よりも自然発生するゲノム全体のランダム変異率が著しく高かったため、失敗に終わった。一方、熱と煙感知の関係を詳細に調べた結果、煙成分は濃度依存的に休眠解除の温度閾値を下げることがわかった。そのため、煙成分シグナル伝達経路が熱感知因子の上流に位置し、この最下流のリン酸化酵素の標的が熱感知因子であることが示唆された。更に、煙成分シグナル伝達経路の上流因子群の欠損株を網羅的に解析した結果、煙成分応答が著しく低下する膜受容体候補を2つ同定した。RIPを利用したスクリーニングを計画通りに進めたが失敗に終わったため。本年度では、「煙」成分受容体経路の最末端因子がリン酸化酵素であることから、熱感知因子と直接相互作用・リン酸化することで、その温度閾値を制御するという仮説を立て、熱感知因子の同定とその制御機構の解明を目指す。同様に、熱感知後のシグナル伝達から休眠解除へ導く細胞内シグナル変換の分子経路機構の解明を目指す。
数日スケールの気象が大気海洋物質循環に及ぼす影響評価・予測のためのモデリング

数日スケールの気象が大気海洋間CO2フラックスに及ぼす影響を見るために、本研究で構築した海洋炭素循環モデルを亜寒帯北西太平洋に適用し、数日スケールの気象の影響を含む風と除外した風でそれぞれモデルを駆動して得られた結果を比較した。その結果、正味では大気CO2の吸収域として機能しているこの海域において、数日スケールの気象が年間の大気CO2吸収量を3%程度減少させることが分かった。また、海上の大気CO2濃度には海面気圧や水蒸気圧による補正を加える必要があるが、従来の海洋炭素循環モデリングの多くではこの補正を行なっていなかった。本研究では、この補正を行なわないことによる大気海洋間CO2フラックスの誤差が最大で7%程度に及ぶことを示した。海洋生態系・植物生理結合モデルを赤道東太平洋に適用し、海洋生物の生理に影響を与える300-700nmの波長を持つ紫外線・可視光域の海水中の光環境と生物化学過程の両者を同時かつ現実的に再現した。さらに、取得した多様な海洋環境下でのクロロフィル濃度および植物プランクトン炭素量に関する観測データとモデル結果との比較を通じて、モデルに導入されているパラメータ値の較正を繰り返し行ない、結合モデルの再現性を向上させることに成功した。逐次散乱法を用いた海洋放射伝達モデルTRAD(Tanaka,2010;Tanaka et al.,2011)を開発し、海水中の輝度分布の計算に供した。得られた結果は現場観測データや、HydroLightの結果とも良い一致を示し、本モデルの有効性が検証された。本モデルの主な特徴として、高散乱海域においても適用可能、計算式において数学的な仮定がなく物理的解釈が可能、計算時の設定において層厚を理論的に決定、各散乱次数における輝度分布も出力可能、といった点が挙げられ、今後、関連分野において広く用いられることが期待される。(1)海洋生態系モデルと植物生理モデルの結合:研究代表者らが既に開発した海洋生態系モデルに植物生理モデルを結合させた。リモートセンシングの専門家の協力の下に、多様な光・水温・栄養塩環境でのクロロフィル濃度および植物プランクトン炭素量に関する観測値を収集し、得られたモデル結果をこれらの観測値と比較することで、モデルに導入されているパラメータ値の較正を繰り返し行ない、結合モデルの再現性を向上させた。(2)海洋光学モデルの構築:海水中のクロロフィル、粒子状有機物、有色溶存有機物、バクテリア存在量が持つ光学特性(吸収、散乱)の波長依存性を考慮した海洋光学モデルを開発した。海洋光学モデルとしての開発は今回が国内では初めての試みであり、米国など海外の既存のモデルと比較すると、より少ない計算機資源で機能する、より普遍的である、2次を超える多次散乱を表現できる、などといった点が特徴である。(3)大気海洋間CO_2交換過程の改良:研究代表者らが既に開発した海洋炭素循環モデルを基に、数日スケールの大気擾乱によってもたらされる大気海洋間CO_2フラックスの定量的評価・予測を可能にするモデルを構築した。具体的には、大気海洋間CO_2フラックスをより現実的に見積もるためには、それに必要なパラメータ(大気CO_2濃度、大気圧など)を短い時間スケールで取り扱う必要があるとの考えから、その部分の修正を施し、再現性の向上を図った。
ニューロフィラメントにおける糖鎖付加修飾の機能的意義の解析

神経細胞の骨格蛋白である神経細胞線維(neurofilament以下NF)のリン酸化はNFの機能発現に必須なNF群のアセンブリーに関わり、また筋萎縮性側索硬化症(以下ALS)その他の神経疾患において異常なリン酸化が報告されていることから、近年特に注目を集めている。本研究では部位特異的リン酸化およびそれに関わる可能性のある糖鎖付加修飾を解析するための方法論を確率するために、まずウシNF-Lのクローニングおよびアミノ酸配列を決定した。その結果ウシではtail domain内に合計12残基のAla-Glu反復配列があり、そのためにすでに報告されている他の哺乳動物種に比べて最も長いアミノ酸長であった。また、NF-Lでは初めてN末端アセチル化を同定した。次に、いずれの哺乳類NF-Lにおいても保存されているtail domain内Ser473のリン酸を調べるため、ウシの脊髄よりフォスファターゼ阻害剤存在下において常法に従ってNF-Lを精製したのち、臭化シアンによる化学的切断および酵素消化によりtail domainを得、このポリペプチドに対してエレクトロプレイイオン化質量分析・キャピラリー電気泳動分析を行なうことによってこのSer残基のリン酸化の割合を70%と決定した。大脳より精製したNF-Lについても同様の解析を行なったがリン酸化の割合は同程度であって。これは以前にラットにおいて報告されていた値と同程度であり、NF-Lが生体内で他の分子と構造体を形成し機能を発揮する上でリン酸化分子と非リン酸化分子がともに必要であるのかも知れない。NF-Lには0-GlcNAcの存在が報告されているが、本研究ではウシNF-Lを材料として、メタ過ヨウ素酸酸化後にヒドラジドを結合させる糖検出系(Glycan Detection Kitによる)、レクチンによる分析、さらにピリジルアミノ化ラベル法に基づいた糖組成分析などを行ない、0-結合型糖鎖の他にN-結合型糖鎖の存在を示唆するデータを得たが、確証を得るには至らなかった。
生体の糖鎖認識機構に関与する化合物の創製とこれによる免疫応答の制御

トコフェロール配糖体の研究に端を発した本研究は.免疫反応に於ける認識過程を糖含有の低分子化合物を用いて制御しうることを示そうとしたものである。これまで免疫制御の研究の中で.糖鎖による分子認識に関する基礎的研究は数多くなされているが.いまだ免疫応答の高次の制御機構は不詳である。酵素化学に於てその特異的阻害剤の発見により多大な進歩がもたれされたように.免疫制御の分野においても本研究によりもたらされる合成低分子配糖体による免疫制御は.免疫の応答に関して.新しい境地を開くことができたものと考える。すなわち.トコフェロール配糖体がIgE抗体と抗原との反応を特異的に阻害したという発見を基盤として.免疫反応を制御しうる化合物としてAryl Glycosideをデザインした。これに属する一群の化合物について(a)至適Aglycon部の選定(b)至適糖種(糖鎖)の選定(c)Aglycon部と糖部分の最適結合式を決定すべく各種Aryl Glycosideを合成し.これらの生理活性(肥満細胞からのヒスタミン遊離阻害活性)と(a)(c)に関し.その化学構造と構造活性相関を検討した。本研究により明らかとなった成果を次に説明する。(a)至適アグリコン部について:2,3,4トリメチル,4-O-アルキルハイドロキノンβ-D-グルコシドを各種合成し.肥満細胞からのヒスタミン遊離阻害活性を検討した。その結果.アルキル部分の炭素鎖が68の化合物が最も強力な阻害活性を示し.その活性はトコフェロール配糖体の10倍に及んだ。(b),(c)至適糖種及びアグリコン部と糖部分との結合様式について:各種アリルグリコシドを合成して.至適糖種及び結合様式について検討した所.IgR抗体に含まれる糖種及び結合様式.すなわちα-マンノシド体が最も強力な阻害活性を有することを明らかにした。
I-III-VI_2族半導体における格子欠陥の評価と制御に関する研究

本研究は2,3のI-III-VI_2族半導体について、結晶成長から評価まで一貫した研究を行い、格子欠陥の構造、電子状態を明らかにし、これらを御制することによって物性を制御しようとするものである。1.CuInSe_2 CuInSe_2における電気的活性な格子欠陥は、空孔、格子間原子、逆置換型欠陥等があるが、正規組成からのずれによって、これらの欠陥が生じる。そこでわれわれは、Cu-In-Se三成分系のCu_2-In_2Se_3の線に沿つた組成変化(Δm)と、CuSe-InSeの線に沿つた組成変化(R)について、その電気的、光学的特性に及べす影響を調べた。ただし何れも異相を生じない範囲内で組成変化させた。伝導型の組成に対する分布は、いわゆる「固有点欠陥モデル」を裏づけるものであった。キャリア濃度の温度変化から、伝導帯の下約10meV,35meV,60mevにドナ準位が存在することがわかった。またΔm,Rは共に移動度との間に相関性がることがわかった。ストイキオメトリーからのずれの増大に伴って、光吸収端の長波長側のすそがひろがり、いわゆるアーバック則で知られている指数関数的変化を示すことがわかった。すそのひろがりを表すパラメータはΔMやPに対して直線的変化を示すことを見いだした。このことは格子欠陥の検出に吸収端のすその測定が有力な手段となることを示している。またCuInSe_2のバルク結晶に対する酸素ドープの影響についても調べ、酸素の混入はバルク結晶に対しても正孔濃度、移動度を増大させる効果のあることを見いだした。2.CuGaS_2他CuGaS_2-CuGaSe_2等で見いだした、約130°Cで起こる相転移と思われる現象を調べ、Cu_2-xSeのCuの一部をGaで置換した伊質に近い組成、結晶構造の物質が関与していることを明らかにした。CdInGaS_4の緑色発光はついては、Cds/CdInGaS_4ヘテロ接合において、Cdsに対する基板となる物質が重要な役割を果していることを明らかにできた。
半正定値計画問題の情報幾何的及びJordan代数的構造の研究とその応用

情報、システム科学分野のさまざまな問題が、正定値対称行列あるいはそのひとつの一般化である対称錐上の構造あるいは数理計画問題として定式化されるようになってきている。本研究は、対称錐と関連の深いJordan代数を道具として1.対称錐およびその部分集合の幾何構造や性質、特に情報幾何との関連、2.対称錐上の線形計画問題アルゴリズムの開発と解析3.これらの知見のシステム科学分野とくに制御理論への応用を目的としていた。これに対して研究実績としては1については、情報幾何で特徴的な双対接続のJordan代数による特徴付け(裏ページ発表論文3)、錐の特性関数のレベルセット上のダイバージェンスの性質(発表論文2)やアファイン幾何との関連(発表論文1)、また対称錐上の平均の定義と測地線との関連(発表論文4)などの成果が得られた。2については、1と関連して双対な接続に関して平坦の部分集合の重要性が明らかになっているが、計算量と曲率の明確な関係はまだ得られていない。部分的な結果は発表準備中であるが、今後の課題としたい。3については対称行列の正定値性を順序とする不等式、いわゆる線形行列不等式を用いた応用的な結果を得た。制御理論への応用として、発表論文5,6をあげておく。本研究の目的はSDP問題に対して情報幾何,Jordan代数の観点から接近することにより,この問題の数理的な性質を明らかにし,その知見をアルゴリズム開発に活かし,さらに理工学における様々な問題にSDPによる最適化を応用し,解決してゆくことであった.12年度の当初の具体的な目標とそれらの結果及び活動報告を次に述べる.1.現在我々によって得られている計算手間に関する不等式評価を改良してゆくことこれに関しては,いまのところ決定的な改善は成功していない.統計数理研究所の土谷氏,電気通信大学の村松氏との議論なども参考に引き続き検討中である.2.数理的な性質の解明これまでNewton反復計算が必要でないSDP問題として知られていたWolkoviczの例が,曲率が0の場合であることを示した.同様なことをすでに証明していたVanderbeiandYangの例と合わせて,Newton反復を必要としないSDP問題が曲率0という視点で統一的に把握できる.これらの結果は,2000年8月のInternationalMathematicalProgramming(Georgia工科大学,Atlanta)でその一部を発表した.3.応用SDPによる最適化を用いて,ある種の行列微分不等式の数値解法を開発した.行列微分不等式はシステム制御理論を中心に広い応用があるが,数学分野でも(例えば微分方程式論など)実際の解を求める上で意義があると思われる.本研究の目的はSDP問題に対して情報幾何,Jordan代数の観点から接近することにより,この問題の数理的な性質を明らかにし,その知見をアルゴリズム開発に活かし,さらに理工学における様々な問題にSDPによる最適化を応用し,解決してゆくことであった.1.昨年度,SDPによる最適化を用いてある種の行列微分不等式の数値解法を開発した.これを多次元に拡張し,行列偏微分方程式を解けるようにした.行列微分不等式はシステム制御理論を中心に広い応用があるが,数学分野でも(例えば微分方程式論など)実際の解を求める上で意義があると思われる.2.情報幾何,Jordan代数の研究の一環として次の結果を得た.Jordan代数の二乗の元の集合として定義される対称錐(自己双対かつ等質な凸錐)上の情報幾何構造を考えるとその接続の族(Alpha接続)による測地線たちの中点が一般にべき平均(Power mean)の族となることを示した.情報幾何的な構造と対称錐上の平均のこの対応は最適化の分野でSDP問題におけるスケーリングの取り方に関係がある.本研究の目的はSDP問題に対して情報幾何,Jordan数の観点から接近することにより,この問題の数理的な性質を明らかにし,その知見をアルゴリズム開発に活かし、さらに理工学における様々な問題にSDPによる最適化を応用し,解決してゆくことであった.1.昨年,咋年度,SDPによる最適化を用いて関数の行列微分不等式の数値解法を開発し,これを多次元に拡張し,行列偏微分方程式を解けるようにした.

その手法においては三角多項式による級数展開を用いていたが,簡単な変数変換で多項式による展開も取り扱えることを示した.さらに制御理論に源泉をもつアイデアを使うことで有理関数による級数展開もあつかえることも示した.これにより,級数の次数を大きく上げることなく十分な精度で解を近似できることができるようになった.この結果は,計測自動制御学会部門大会で発表の予定である.2.昨年度Jordan代数の二乗の元の集合として定義される対称錐(自己双対かつ等質な凸錐)上の情報幾何構造を考えるとその接続の族(Alpha接続)による測地線たちの中点が一般にべき平均(Power mean)の族となることを示した.それとは別に以前の研究結果(裏面と2番目の文献)で,二重自己平行部分多様体と呼ばれる特殊な集合の性質を論じていた.与えられた2点がある二重自己平行部分多様体Mに属するとき,そのPower meanもまたMにぞくすることを示した.情報、システム科学分野のさまざまな問題が、正定値対称行列あるいはそのひとつの一般化である対称錐上の構造あるいは数理計画問題として定式化されるようになってきている。本研究は、対称錐と関連の深いJordan代数を道具として1.対称錐およびその部分集合の幾何構造や性質、特に情報幾何との関連、2.対称錐上の線形計画問題アルゴリズムの開発と解析3.これらの知見のシステム科学分野とくに制御理論への応用を目的としていた。これに対して研究実績としては1については、情報幾何で特徴的な双対接続のJordan代数による特徴付け(裏ページ発表論文3)、錐の特性関数のレベルセット上のダイバージェンスの性質(発表論文2)やアファイン幾何との関連(発表論文1)、また対称錐上の平均の定義と測地線との関連(発表論文4)などの成果が得られた。2については、1と関連して双対な接続に関して平坦の部分集合の重要性が明らかになっているが、計算量と曲率の明確な関係はまだ得られていない。部分的な結果は発表準備中であるが、今後の課題としたい。3については対称行列の正定値性を順序とする不等式、いわゆる線形行列不等式を用いた応用的な結果を得た。制御理論への応用として、発表論文5,6をあげておく。
標的絶対プロテオミクスに基づく個別癌化学療法の新規診断基盤の樹立

がん分子標的薬療法では、腫瘍組織における薬効標的分子の発現に基づいた個別診断の基準策定が急務である。本研究は、分子標的薬の薬効標的であり腫瘍増殖に主要な役割を果たす増殖因子受容体の自己リン酸化部位のリン酸化体の発現量を複数同時かつ高感度にLC-MS/MSを用いて定量解析する技術を構築した。さらに、悪性脳腫瘍組織における受容体発現の絶対定量情報に基づき、脳腫瘍組織の特性を層別化できる可能性を提示した。本研究では、がん細胞の増殖に主要な役割を果たす増殖因子受容体の自己リン酸化部位のリン酸化量に基づいてがん細胞増殖の責任受容体を同定し、最適な分子標的薬の選択基準を樹立するための学術的基盤を構築することを目的とした。今年度は、Hammoc (Hydroxyacid-modified metal oxide chromatography)法によるリン酸化ペプチドの濃縮と脱リン酸化を組み合わせることによって、増殖因子受容体のリン酸化量を複数同時かつ超高感度に液体クロマトグラフィー-質量分析装置(LC-MS/MS)を用いて定量する技術を確立した。本技術を上皮成長因子受容体(EGFR)を高発現するがん培養細胞に適用した結果、受容体リガンドであるEGF処理に伴ってリン酸化量が増加するペプチド部位が4カ所で検出された。同定されたリン酸化部位の中から、EGFRに対する分子標的薬(EGFRチロシンキナーゼ阻害剤)であるゲフィティニブ処理によって、リン酸化量が減少する部位の絞り込み及び定量化に成功した。さらに、細胞増殖に対するゲフィティニブ感受性の異なるがん細胞において、ゲフィティニブ処理による自己リン酸化量の変動量に顕著な差が見出された。本研究開発によって、がん組織における増殖因子受容体のリン酸化量の高感度定量法が確立され、増殖因子受容体の定量的リン酸化プロファイルに基づいた分子標的薬の有効性の検証が可能となった。本研究は、定量的標的絶対定量プロテオミクス(Quantitative Targeted Absolute Proteomics)の手法を用いて、脳腫瘍組織における各種増殖因子受容体のリン酸化プロファイルを定量的に解明することによって、分子標的薬を用いた化学療法の個別最適化診断の基盤を構築することを目的とする。本年度は、液体クロマトグラフィー-質量分析装置(LC-MS/MS)を用いた増殖因子受容体のリン酸化定量系の確立を目的とした。まず、各種増殖因子受容体のリン酸化割合を算出するため、リン酸体及び非リン酸化体を区別せず一斉定量系する系を構築し、ヒト脳腫瘍組織の細胞膜画分を用いて定量値をそれぞれ算出した。その結果、悪性脳腫瘍組織における増殖因子受容体の発現には大きな個人差が認められ、上皮成長因子受容体を(EGFR)は検体間で1,000倍以上もの発現量差が認められた。一方で、血小板由来成長因子(PDGF)やc-kitなどは発現している検体が非常に限られていた。さらに、増殖因子受容体の自己リン酸化部位のリン酸化量を高感度に定量するために、Hammoc(Hydroxyacid-modified metal oxide chromatography)法を導入し、増殖因子受容体のリン酸化ペプチドの濃縮法を確立した。具体的には、EGFRをモデルケースとして、その高発現細胞の酵素消化物を用いて濃縮効率を評価するとともに、精製ビーズの平衡化、洗浄および溶出条件を最適化した。定量標的とするリン酸化ペプチド配列の化学合成体を用いて、MS/MSの最適条件を決定した。次年度は、各増殖因子受容体を高発現する癌細胞を用いた、リン酸化定量に本手法を応用し、癌増殖及び分子標的薬の効果に寄与するリン酸化部位の同定、定量的リン酸化プロファイルに基づいた分子標的薬の提案とその有効性の実証を行う。当初の研究計画通り、増殖因子受容体の自己リン酸化部位のリン酸化量の高感度定量に必要なサンプル前処理及びLC-MS/MSの諸条件の最適化を完了した。本研究の最終目標である、ヒト脳腫瘍における定量的リン酸化プロファイルの解明と個別化療法の診断基盤の確立に向けて、本研究によって開発した研究基盤を臨床へ橋渡しを視野に入れて研究を推進するとともに、臨床医との連携を強化します。平成25年度は、当初計画通り、(1)癌増殖及び分子標的薬の効果に寄与するリン酸化部位の同定、(2)定量的リン酸化プロファイルに基づいた分子標的薬の提案とその有効性の実証、(3)脳腫瘍摘出検体における定量的リン酸化プロファイルの解明を実施する。標的定量プロテオミクスの手法を用いた培養細胞や脳腫瘍検体などの実試料の定量と、細胞生物学的な手法を組み合わせて、抗がん剤の個別化療法の診断基盤の樹立を最終目標としている。一連の研究には、細胞培養、細胞膜タンパク質の調製、リン酸化ペプチドの精製濃縮のための関連試薬、LC-MS/MS分析に関する試薬などが必要であり、研究費はこれら消耗品の購入に充てる。さらに平成25年度は、本研究によって得られた成果を積極的に論文発表および国内・国外で学会発表するために、論文校閲費、投稿料、国内旅費、外国旅費として使用する。
多剤耐性腫瘍の検出を目的とした放射性イメージング剤の開発

多剤耐性腫瘍の検出を目的とした新規イメージング剤の開発を試みた。GST誘導型のSPECT核種イメージング剤を合成し、腫瘍を移植したヌードマウスに投与、腫瘍に集積させることに成功した。多剤耐性腫瘍に対する効果を見るためには、継続して検討をする予定である。平成19年度,目的である多剤耐性腫瘍をターゲットにしたイメージング剤を合成するために,基本ペプチド骨格の合成,置換基誘導をおこなってきた。過去に報告の文献,資料をもとに,分子量,脂溶性などから化合物の選定をおこなった。その結果,一つのペプチド性化合物を母体骨格とすることとした。目的としているペプチドはトリペプチドであり,グルタチオンに似た骨格を有している。しかしながら,市販されているグルタチオン骨格の試薬からの誘導は困難であったため,保護アミノ酸を用いたペプチド合成からおこなった。これは,研究計画にも記述していた,置換基導入や改変を可能とすることにも繋がる。平成19年度において,前駆体合成が完了しているが,一回で合成できる量は非常に微量である。そこで,反応スケールアップ,収率アップによる大最合成をおこない,平成20年度にコールド体(評品)の合成,前駆体標識,また標識体を用いたvitro系実験,動物を用いた実験を進めていく。vitro系実験では,腫瘍細胞を用い化合物の細胞への取り込み実験を,またその腫瘍細胞を動物に移植し,化合物の集積分布を計測していく。これらの実験系は,平成19年度の他の実験においてプロトコールが確立できた。また,第一段階として,SPECT核種である^<125>Iを用いた標識を試み,化合物の評価,動物を用いた検討を進めていくが,より臨床などに向けての実用化に適していると考えられる^<18>F標識の検討を進めていく。平成19年度に続き、化合物の評価、動物を用いた検討を行うべく、大量標識合成について検討した。昨年度、目的である多剤耐性腫瘍をターゲットにしたイメージング剤を合成するために、基本ペプチド骨格の合成、置換基誘導を行い、過去に報告の文献、資料をもとに、分子量、脂溶性などから化合物の選定を行った。この結果、一つのペプチド性化合物を母体骨格とし、目的化合物のGSH誘導体の構造は、既に決定している。また、昨年より、第一段階として、SPECT核種である^<125>Iを用いた標識を試みてきた。しかしながら、標識後、このGSH誘導体は、副生成物および原料からの分離精製が非常に困難であった。そこで、単離方法確立のため、さらに条件検討を進めている。時期を同じくして、他のプロジェクトにおけるペプチド誘導体の精製に用いているHPLC用カラムが、本研究のペプチド誘導体の単離精製に有用な可能性を見いだしつつあるため、現在、これを用いた検討を試みている。一方で、所属研究室において、マウスへの腫瘍移植のプロトコールが確立できており、目的ペプチド誘導体を分離精製が出来次第、腫瘍移植マウスに投与し、化合物の腫瘍への移行性を行う。腫瘍への移行性を検討するにあたっては、本学所有の小動物用SPECT装置を用いる予定である。本来の目的は、多剤耐性腫瘍に特異的に集積する放射性イメージング剤の開発であり、上述結果を踏まえ、引き続き検討を続ける予定である。
チロシン水酸化酵素の誘導的遺伝子破壊による神経機能の変化

本研究は、神経伝達物質合成酵素の活性の変化が神経伝達物質の合成量の変化を通じてどのように神経機能の変化を起こしうるかということを調べることを目的としている。チロシン水酸化酵素は、カテコールアミン生合成の律速酵素である。チロシン水酸化酵素遺伝子のイントロン内にloxP配列を相同組換えにより導入したマウスと、DNA組換え酵素のCreを組織特異的に発現するマウスをかけ合わせる。このときDNA組換え酵素のCreを、変異したエストロゲン受容体のリガンド結合部位と融合させたCre-ERTを用いることにより、DNA組換え活性が薬剤で誘導可能となるようにした。本研究により、イントロン内にloxP配列を導入したマウスの作製と、Cre-ERTをチロシン水酸化酵素のプロモータ制御下に発現するマウスの作製に成功した。Cre-ERTの発現マウスは、チロシン水酸化酵素の第1エキソンにin-frameでCre-ERTを挿入したCre-ERTノックインマウスと、チロシン水酸化酵素遺伝子のプロモータにCre-ERTをつないだトランスジェニックマウスの2種を作製した。今後Cre-ERT発現マウスでのCreの発現分布について解析するとともに、loxPマウスとかけ合わせて、薬剤誘導的にチロシン水酸化酵素を破壊して神経機能に対する影響を調べる。チロシン水酸化酵素を破壊された神経細胞が、伝達物質を合成できない状態で生存し続けることができるかどうか、また、伝達物質の低下を補うためにどのような代償機構が働くかについても検討する。本研究は、神経伝達物質合成酵素の活性の変化が神経伝達物質の合成量の変化を通してどのように神経機能の変化を起こしうるかということを調べることを目的としている。チロシン水酸化酵素はカテコールアミン生合成の律速酵素であり、カテコールアミンの合成量を調節している。そこで、チロシン水酸化酵素遺伝子のイントロン内にCre組換え酵素の認識配列であるloxPを相同組換えにより導入したマウスと、Creを発現するマウスとを掛け合わせることにより組織特異的および時期特異的遺伝子破壊を実現する。この時、Creはエストロゲン受容体のリガンド結合部位との融合タンパク質として発現させて、リガンドの投与によりCreの組換え酵素活性を誘導できるようなもの(Cre-ERT)を用いる。これまでに、チロシン水酸化酵素のイントロン内にloxP配列を導入したマウスを作製した。また、Cre-ERTをチロシン水酸化酵素のプロモータの制御下に発現するマウスを作製するために、Cre-ERTをチロシン水酸化酵素の遺伝子内に導入したマウス(Cre-ERTノックインマウス)を作製する。これまでに、Cre-ERTノックインマウス作製のためのターゲッティングベクターの作製とES細胞での相同組換え体の単離に成功し、生殖細胞系列にCre-ERTをもつマウスを検索中である。今後、loxPを導入したマウスとCre-ERT発現マウスを掛け合わせることにより、誘導的破壊実験を行う予定である。

Cre-ERTの発現マウスは、チロシン水酸化酵素の第1エキソンにin-frameでCre-ERTを挿入したCre-ERTノックインマウスと、チロシン水酸化酵素遺伝子のプロモータにCre-ERTをつないだトランスジェニックマウスの2種を作製した。今後Cre-ERT発現マウスでのCreの発現分布について解析するとともに、loxPマウスとかけ合わせて、薬剤誘導的にチロシン水酸化酵素を破壊して神経機能に対する影響を調べる。チロシン水酸化酵素を破壊された神経細胞が、伝達物質を合成できない状態で生存し続けることができるかどうかについても検討する。
星状神経節ブロックの作用機序解明に有効な実験動物の探索

昨年の結果から本年は、最も種差が多く認められたNADPH-diaphorase(NADPH-d)活性について、ヒト、サル、家畜、実験動物の星状神経節(SG)について検討した。研究には、ヒト、ウマ、ウシ、ブタ、イヌ、タヌキ、イタチ、ネコ、ウサギ、モルモット、ラットのSGを用いた。ヒトを含め全ての動物のSGは摘出後、Zamboni液あるいは2%パラホルムアルデヒド溶液で12時間浸漬固定(4°C)を行い、クライオスタットにて1530μmの凍結切片を作成し、NADPHとnitro blue tetrazoriumの混合液にて反応させた。サル(ニホンザル)とラットのSGでは、NADPH-d陽性節後細胞は観察されなかった。ヒトのSGにおけるNADPH-d陽性節後細胞は、淡染まるものから濃染まるものまで様々な染色程度を示した。濃染する節後細胞は少なく散在していた。ウマSGにおいては、全体的にNADPH-d染色に反応し、濃染する節後細胞が数個集まっていた。ウシ、ウサギ、モルモットのSGにおいては、NADPH-d染色陽性節後細胞の数は非常に少なく、散在していた。ブタ、イヌ、ネコ、タヌキ、イタチのSGにおけるNADPH-d陽性節後細胞は多数観察され、それらは、数個集まり集団を形成していた。なお、他の神経伝達物質、神経ペプチドについては、免疫組織化学的検索では大きな種差は認められなかったが、物質によっては、わずかではあるが、種差として認識されるものもあった。本研究の結論として、SGにおいてNADPH-d陽性節後細胞の存在について明らかな種差が認められた。生理活性物質の機能を考える際に、比較解剖学的な検討が必要と考える。マウス(BALB/C)、ラット(SD)、ハムスター(Syrian hamster)、モルモット(Hartley)、ウサギ(日本白色)、ネコ、イヌの星状神経節について検索した。肉眼解剖学的にはマウス、ラット、ハムスターの星状神経節はヒトあるいはネコ、イヌのそれとかなり異なっており、星状神経節は中頸神経節と融合していた。齧歯類でも、モルモットおよびウサギでは、星状神経節の形態はネコおよびイヌのそれと非常に似ており、中頸神経節と星状神経節は明瞭に区別することが可能であった。神経ペプチドおよび神経伝達物質の内、ニューロペプチドY、チロシン水酸化酵素、サブスタンスP、カルシトニン遺伝子関連ペプチド、ソマトスタチン、ロイシンおよびメチオニンエンケファリンについての免疫組織化学では著明な種差は認められなかった。NADPH-diaphoraseおよび一酸化窒素合成酵素(神経型)については、マウス、ラット、ハムスターの星状神経節に陽性細胞が認められなかったが、モルモットではごく少数の、ウサギでは散在性に少数の陽性細胞が星状神経節に観察された。ネコおよびイヌの星状神経節には多くの交感神経節後細胞が陽性を示したが、ネコでは限局性を示し、陽性細胞の認められない領域があった。イヌの星状神経節では、島状に陰性細胞の集団が観察されたが、陽性細胞は神経節全体に分布していた。
体外培養卵胞と再構成卵胞中の卵子核機能性獲得ダイナミクスのイメージング法の確立

哺乳動物卵子は卵巣において顆粒膜細胞で包まれた卵胞という形で存在しており、刺激を受けると短期間で大きさは数百倍にまで成長する。その間、核内においてはグローバルな遺伝子転写の変動と核内クロマチン局在の変換、減数分裂の再開などが行われ、その後の受精や発生を保障する特殊なクロマチン状態が形成される。我々はこの変化を卵子の「核機能性獲得ダイナミクス」と定義して、最終的にはその機序や生物学的な意義を明らかにすることを学術的問いとし、本申請期間においてはそのための方法論として体外卵胞培養しながら生きたままそれを観察する系を確立することを目的としている。併せて、期間の後半には始原生殖細胞や多能性幹細胞から誘導した再構成卵胞卵子に関して同様の検討を行い、それを卵胞内卵子と比較することで、本方法論の有用性を証明する。昨年度は研究期間の初年度として、ライブセルイメージングのための種々の条件検討に注力した。具体的には、卵巣より採取した未成熟卵胞(二次卵胞)卵子に直接顕微操作によって蛍光プローブを安定的に導入する方法論の開発、卵巣表面にある卵胞を培養しながら長時間観察するための顕微鏡条件、さらに卵巣の体外培養による卵胞の作出の条件検討を進めた。ここで確立された方法論は、卵胞や卵胞内卵子の観察に限らず、申請書が行っている受精直後や初期胚発生におけるクロマチン変換の観察にも応用され、別紙のとおりいくつかの成果に結びついた。本提案では、計画を大きく3つのステップに分け、1)未成熟卵胞内卵子への蛍光プローブ導入法の確立、2)イメージング後に産仔獲得が可能な体外卵胞培養法の確立、3)クロマチン動態の数値化と産仔作出能の関連付け、の順に研究を進めていくこととした。上述の通り、昨年度はライブセルイメージングのための条件検討を行い、結果的に卵胞内卵子に再現性良く蛍光プローブを導入するマイクロインジェクション法を確立した。また、卵胞や、さらには卵巣という顕微鏡観察をするには比較昨大きな組織を観察するため、培養皿の改良やレンズの選定を行った。これらの結果はおよそ当初の目標通りか、若干それ以上の進捗をしているしていると考えられるため、「おおむね順調に進展している」とした。合わせて、昨年度得られた各種条件などの情報は、申請者の他プロジェクトにも応用され相乗効果を生んでいる。当初申請書通り、本年度は上記ステップのうち、1)に関連して卵胞内卵子における細胞核の観察系の検討を引き続き行いつつ、合わせて2)の、イメージング後に産仔獲得が可能な体外卵胞培養法の確立を主たる目標において研究を進める。以下に具体的な推進方策を記述する。1)卵胞内卵子における細胞核の観察系の検討。顆粒膜細胞に囲まれた卵胞内卵子は光透過性が低く、卵胞発育に伴って厚みも増す。さらに、その培養は厚みのあるプラスチックディッシュの上に載せたメッシュ上で行うため、必然的にレンズ先端から観察面までの距離が長くなる。このような制約の中で卵子細胞核を観察するために、一定の作動距離を保ちながらも明るく深部まで観察できるレンズを選定し、レーザー波長やパワーなどの撮影条件、さらにはデコンボリューションなどの画像解析条件を検討してゆく。2)イメージング後に産仔獲得が可能な体外卵胞培養法の確立。我々はすでに体外で卵胞発育させながら長時間イメージングをする方法論を確立しつつある。しかし、残念ながら得られた卵子を受精させて産仔を得るどころか胚盤胞期までの培養にすら成功していない。そこで本年度は、得られた卵子から産仔を獲得することが可能な培養方法の確立を行う。具体的には、上述のメッシュ上での培養との組み合わせを検討する、光毒性をキャンセルする試薬を添加する、観察条件を検討する、などにより、長時間イメージングと高効率培養の両立を目指す。本提案では、計画を大きく3つのステップに分け、1)未成熟卵胞内

卵子への蛍光プローブ導入法の確立、2)イメージング後に産仔獲得が可能な体外卵胞培養法の確立、3)クロマチン動態の数値化と産仔作出能の関連付け、の順に研究を進めていくこととした。上述の通り、昨年度はライブセルイメージングのための条件検討を行い、結果的に卵胞内卵子に再現性良く蛍光プローブを導入するマイクロインジェクション法を確立した。また、卵胞や、さらには卵巣という顕微鏡観察をするには比較昨大きな組織を観察するため、培養皿の改良やレンズの選定を行った。これらの結果はおよそ当初の目標通りか、若干それ以上の進捗をしているしていると考えられるため、「おおむね順調に進展している」とした。合わせて、昨年度得られた各種条件などの情報は、申請者の他プロジェクトにも応用され相乗効果を生んでいる。当初申請書通り、本年度は上記ステップのうち、1)に関連して卵胞内卵子における細胞核の観察系の検討を引き続き行いつつ、合わせて2)の、イメージング後に産仔獲得が可能な体外卵胞培養法の確立を主たる目標において研究を進める。以下に具体的な推進方策を記述する。1)卵胞内卵子における細胞核の観察系の検討。顆粒膜細胞に囲まれた卵胞内卵子は光透過性が低く、卵胞発育に伴って厚みも増す。さらに、その培養は厚みのあるプラスチックディッシュの上に載せたメッシュ上で行うため、必然的にレンズ先端から観察面までの距離が長くなる。このような制約の中で卵子細胞核を観察するために、一定の作動距離を保ちながらも明るく深部まで観察できるレンズを選定し、レーザー波長やパワーなどの撮影条件、さらにはデコンボリューションなどの画像解析条件を検討してゆく。2)イメージング後に産仔獲得が可能な体外卵胞培養法の確立。我々はすでに体外で卵胞発育させながら長時間イメージングをする方法論を確立しつつある。しかし、残念ながら得られた卵子を受精させて産仔を得るどころか胚盤胞期までの培養にすら成功していない。そこで本年度は、得られた卵子から産仔を獲得することが可能な培養方法の確立を行う。具体的には、上述のメッシュ上での培養との組み合わせを検討する、光毒性をキャンセルする試薬を添加する、観察条件を検討する、などにより、長時間イメージングと高効率培養の両立を目指す。
高速XAFS法による表面反応の実時間観測とDFT-モンテカルロ法による機構解明

初年度から高エネルギー加速器研究機構放射光科学研究施設(KEK-PF)の軟X線ビームラインBL-7Aにおいて、Pt(111)表面上の水生成反応中の反応種の時間変化を、高速XAFS測定を行うことにより調べてきた。この結果とモンテカルロ法の結果の比較からPt(111)表面上のH_20とOHの間のプロトン移動が非常に重要な役割を担っていることが示唆されたが、プロトン移動がどの程度の時間スケールで進行するかが不明であった。そこで新たにレーザー脱離法とマイクロX線光電子分光法を組み合わせた手法を開発することにより、プロトン移動の速度を求める実験を行った。具体的には、レーザー脱離法により、OH+H_2O/H_2O/OH+H_2Oという一次元構造を持つ表面を作成し、このときのOHとH_2Oの表面分布の時間変化をマイクロX線光電子分光法で測定した。その結果、中心部分においてOHの被覆量が時間と共に増大するのが確認された。得られたOHの被覆量の時間変化をランダムウォーク理論で解析した結果、プロトン移動が140Kでナノ秒の時間スケールで進行することが明らかとなった。また密度汎関数法とモンテカルロ法を組み合わせた手法を新たに開発し、それを用いることによりPt(111)表面上のCO酸化反応の反応機構を明らかにする試みを昨年度から継続して行ってきた。その結果、様々な温度、圧力で特異的な振る舞いをするCO酸化反応の反応機構を統一的に説明することができるモデルを提唱することができた。以上のように、メゾスコピックスケールで特徴的な振る舞いをする表面反応の機構を解明する上で有効な高速XAFS法とDFT-モンテカルロ法を開発した。この手法を様々な表面反応に適用することにより、それらの機構を明らかにすることができた。以上の方法が他の様々な表面反応の機構を解明する上で有効なアプローチとなることを示すことができた。まずPt(111)上の水生成反応の機構を解明するため、モンテカルロシミュレーションを行った。この反応はPt(111)上に原子状酸素が吸着した表面に水素を流すことにより水を生成させる反応であるが、モンテカルロシミュレーションの結果、表面に吸着したOHとH_2Oの間のプロトン移動が反応に重要であることが明らかとなった。これは表面反応にプロトン移動が関わる最初の例であり、この成果を論文としてまとめた。次にエネルギー型XAFSを用いて、Rh(111)上のアンモニア生成反応中の化学種の被覆量変化を求めた。この反応はRh(111)上に原子状窒素が吸着した表面に水素を流すことによりアンモニアが生成する反応である。この反応の反応機構を解明することは触媒的にも重要であるが、それ以上に先ほどの水生成反応と合わせて考えることにより、表面上の水素原子の振る舞いについての新たな知見を得られる可能性があるため重要である。エネルギー分散型XAFSはNEXAFSを10秒スケールで測定することができる手法であり、これにより反応中の化学種の被覆量変化が得られる。実験は放射光研究施設Photon Factory BL-7Aで行い、その結果反応がNからNH_2を経てNH_3になるだけでなく、NH_2からNへの分解を伴う複雑な反応であることが明らかとなった。表面反応の機構を解明するためには、表面上の拡散と相互作用によるアイランド生成について知る必要がある。モンテカルロシミュレーションを行う上でも、その取り扱いを正しく行う必要がある。そこで相互作用を詳細に考慮した拡散を計算できるモンテカルロシミュレーションを開発した。このテストとしてPt(111)上の酸素のアイランド生成の計算を行った。Pt(111)上の酸素のアイランドはCO酸化反応でCOが酸素のアイランドの縁としか反応しないことが知られているように、非常に重要であるが、詳細にこのアイランドを計算した例はほとんどなかった。このシミュレーションにより、原子状酸素のアイランドを再現することができた。これらの成果を論文として発表した。本年度はいよいよDFT-Monte Carlo法の開発に着手した。DFT-Monte Carlo法は吸着種間相互作用などのミクロな情報をDFTで直接求め、その値を用いてモンテカルロ法でメゾスコピックなスケールまでシミュレーションする方法である。広い領域まで計算できないDFTとパラメーター依存が強いモンテカルロ法の両方の弱点を補う方法であり、メゾスコピックスケールの表面反応をab initio的に計算できる新しい手法である。DFT-Monte Carlo法を適用する系は、基礎的な表面反応ながら、長年その反応機構が完全には理解されてこなかった、Pt(111)表面上のCO酸化反応である。まずPt(111)表面上の吸着種間相互作用をDFTにより求めた。計算にはVASPを用い、東京大学情報基盤センターのスーパーコンピュータにより、表面に存在するO,COの2対間相互作用を3原子間の距離まですべて求めた(93通り)。次にモンテカルロシミュレーションをメゾスコピックスケール(28×24nm^2)で行った。Monte Carlo法は実験により得られた吸着、反応、拡散などの素過程の活性化エネルギーをDFTで求めた吸着種間相互作用で変化させることにより行う。Monte Carlo法はC++により汎用的なプログラムを独自に開発して行った。このプログラムにより、どのような表面反応でも計算が可能となった。DFT-Monte Carlo法の計算の結果、実験で明らかになっていた酸素アイランドの縁からの反応がなぜ進行するのかが明らかになった。また速い過程と遅い過程がなぜ生じるのかも明らかになった。

これにより長年の課題であったPt(111)上のCO酸化反応の機構を、大方の部分で明らかにすることができた。この成果は今年度中に論文として発表する予定である。初年度から高エネルギー加速器研究機構放射光科学研究施設(KEK-PF)の軟X線ビームラインBL-7Aにおいて、Pt(111)表面上の水生成反応中の反応種の時間変化を、高速XAFS測定を行うことにより調べてきた。この結果とモンテカルロ法の結果の比較からPt(111)表面上のH_20とOHの間のプロトン移動が非常に重要な役割を担っていることが示唆されたが、プロトン移動がどの程度の時間スケールで進行するかが不明であった。そこで新たにレーザー脱離法とマイクロX線光電子分光法を組み合わせた手法を開発することにより、プロトン移動の速度を求める実験を行った。具体的には、レーザー脱離法により、OH+H_2O/H_2O/OH+H_2Oという一次元構造を持つ表面を作成し、このときのOHとH_2Oの表面分布の時間変化をマイクロX線光電子分光法で測定した。その結果、中心部分においてOHの被覆量が時間と共に増大するのが確認された。得られたOHの被覆量の時間変化をランダムウォーク理論で解析した結果、プロトン移動が140Kでナノ秒の時間スケールで進行することが明らかとなった。また密度汎関数法とモンテカルロ法を組み合わせた手法を新たに開発し、それを用いることによりPt(111)表面上のCO酸化反応の反応機構を明らかにする試みを昨年度から継続して行ってきた。その結果、様々な温度、圧力で特異的な振る舞いをするCO酸化反応の反応機構を統一的に説明することができるモデルを提唱することができた。以上のように、メゾスコピックスケールで特徴的な振る舞いをする表面反応の機構を解明する上で有効な高速XAFS法とDFT-モンテカルロ法を開発した。この手法を様々な表面反応に適用することにより、それらの機構を明らかにすることができた。以上の方法が他の様々な表面反応の機構を解明する上で有効なアプローチとなることを示すことができた。