hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ベルリン中央衛生局と都市のメディア環境-近代的<バイオ権力>の生成と伝播

本研究の目的は、都市技術・社会衛生学という視点からバイオ権力の発動の場としての都市空間ベルリンの諸相を研究すること。とりわけ19世紀ベルリンのメディア環境において形成された、衛生をめぐるディスクールの連鎖を分析することであった。近代的な政治解剖学が人間の身体各部位に関して分節化してくると、「計算しつくされた身体と生命の管理」(フーコー)というマニュアル化された支配の体系、つまり「バイオ権力」の問題系列が生成する。バイオ権力は健康について語るが、しかし個人的なできごととしてではなく、集合的な健康保全統制システムの問題として語る。ここに近代化プロセスの研究として都市空間を語る必然性がある。この端緒として、十八世紀末以降におけるベルリンの墓地・埋葬形式を起点とし、公衆衛生・死生観という角度から近代化の過程をエピステモロジカルに分析してきた。わけても次の二点が重要だった。(1)上記テーマと隣接した都市現象にさらに視点を拡大し、言説・表象の近代化プロセスをより体系的に研究していくこと。(2)とりわけ19世紀ベルリンのメディア環境において形成されてきた、生死・健康・衛生イメージの情報ネットワークに焦点をあてること。しかもそれらを狭義の科学史・技術史・社会史として扱うのではなく、都市生活者の価値の体系を構成するに到る広義な言説の枠組みとして分析する。その結果、18世紀以来「公衆衛生」という公共的枠組みで捉えられ始めていた死体のイメージも、19世紀大量情報消費社会の黎明期、情報発信メディアという技術環境において、更に増幅されていく過程があぶり出された。メディアによる伝達のされ方を追うことにより、そうした情報が同時代の生命観・衛生観をめぐるディスクールへのフィードバックのされ方を明らかにすることを得た。本年度の研究では、申請者自身の先行研究に立脚しつつも、都市技術・社会衛生学というこれまでのテーマと隣接した都市現象のフィールドに視点を拡大し、言説・表象の近代化プロセスをより体系的に検討することをめざした。このため具体的には、ベルリンにおける公衆衛生問題の典型として、<冷蔵庫とナチズム><真空掃除機とドイツ衛生学会><ミルクと中央衛生局><食肉加工所>という四事例を選び、1840年から1945年までの期間において、それぞれのメディアによる伝達のされ方を追い、そうした情報が同時代の生命観・衛生観をめぐるディスクールへのフィードバックのされ方を体系的に追った。数値データが文化的無意識に吸引されていく経過をさぐり、単に数値データにとどまらず、生命・健康問題をイメージ化し、図像化する表象プロセスまで視野にいれるためである。これまでの検討作業は進行中であるが、公衆衛生という「専門的」言説を通して、生命と死をめぐり新しい言説の枠組みが「総体的・総合的」に都市空間をおおっていくプロセスを追って行く中で、とりわけナチス時代において、ラジオならびにテレビというメディア環境が果たした役割が浮かび上がってきたが、これを表象の近代化という大きなフィールドから分析、評価できた。そこでの分析結果は、単著書『ナチスのブラウン管(仮題))(集英社新書)刊行という形で、学会のみならず広く言論界へとフィードバックし、一般の読者にも公表している。本研究の目的は、都市技術・社会衛生学という視点からバイオ権力の発動の場としての都市空間ベルリンの諸相を、とりわけメディア環境に重点を置きながら研究すること。それとの関連で、ベルリンと他の都市との間に形成された都市技術をめぐる情報ネットワークをディスクール分析することであった。墓地・埋葬形式・公衆衛生というテーマと隣接した都市現象のフィールドに視点を拡大し、言説・表象の近代化プロセスをより体系的に検討することをめざした。

このため具体的には、第一に、ベルリンにおける公衆衛生問題の典型として、<冷蔵庫とナチズム><真空掃除機とドイツ衛生学会>といった都市現象を選び、1840年から1945年までの期間において、同時代の生命観・衛生観をめぐるディスクールへのフィードバックのされ方を体系的に追った。現時点までのところ、上記テーマのうち特に衛生問題に関して、ナチズムにおける戦没者の埋葬セレモニーとそのための衛生設備について成果を挙げることができた。本来個人の私的出来事であるばずの「死」が、ナチズムの国家観によってイデオロギー的に収奪されてゆくプロセスに焦点を当てた。その際、ナチズム以前の近代的公衆衛生観が援用され応用されてゆく過程を、林苑墓地構想というナチス特殊なプロジェクトとして具体化されてゆく形で確認できた。更にはこのプロジェクトが、党機関誌のみならず学会誌等の中立的メディアによっても、伝達され再生産されてゆく事実が確認された。そうすることで、党派的なイデオロギーが遂には理念的あるいは文化的無意識のレベルに吸引されていくダイナミズムの一端をさぐることができた。本研究の目的は、都市技術・社会衛生学という視点からバイオ権力の発動の場としての都市空間ベルリンの諸相を研究すること。それとの関連で、ベルリンと他の都市との間に形成された都市技術をめぐる情報ネットワークをディスクール分析することであった。公衆衛生というテーマと隣接した都市現象のフィールドに視点を拡大し、言説・表象の近代化プロセスをより体系的に検討することをめざすため、具体的には、第一に、ベルリンにおける身体衛生問題の典型として、<身体表象モデル><スピード感覚><道路交通網と医学><ライヒスアウトバーンと身体>といった都市現象を選び、1930年から1945年までの期間において、それぞれ(a)数値的、空間的変容、(b)法的、行政的規制、(c)文化的慣習、(d)メディアによる伝達を介し、同時代の生命観・衛生観をめぐる言説への還元のされ方を体系的に追った。そうすることで、数値的な具体的データが、ついには理念的あるいは文化的無意識のレベルに吸引されていくダイナミズムをさぐった。その結果、モータリゼーションを新機軸を背景に、衛生問題をもっぱら個人レベルで取り扱う、いわば近代初期の個人的衛生概念との比較検討が重要であることが判明してきた。スピード感覚、死の到来の確定といった従来の死をめぐる個人的な問題群が、モータリゼーションと公衆衛生のタームに変換されてゆく過程を浮かび上がらせた。さらに、こうした衛生概念の変容が、狭義の専門的言説として存在していたばかりでなく、同時代のさまざまな言説と連動しあって、価値のネットワークとして機能している様子を、市民層を読者層にした"Motor und Sport"あるいは"STRASSE"といった各種出版物を広範に検索してディスクール分析を行った。以上の結果をレフェリー付き論文集等に複数発表したうえ、柏書房から単行本発刊の実務作業に入った。
T細胞の活性化におけるE-Id転写因子による転写調節と細胞内メタボリズムの制御

2016-2018年度の3年間で、E-Id転写因子のバランス制御がT細胞の分化・活性化をどのように制御するのかについて研究を進めた。この3年間で、E蛋白質であるE2A/HEBが協調的に働き、T細胞系列への運命決定に必須であることを突き止めた。E2A/HEBの欠損リンパ前駆細胞では、胸腺内でのT細胞分化に著しい障害を認め、T細胞への分化系列が欠損していた。驚いたことに、E2A/HEB欠損マウスでは、胸腺内のT細胞分化が抑制される一方、代わりに異所性の自然リンパ球の分化を認めた。自然リンパ球は、T細胞と機能的に類似しており、興味深いことに転写因子も共有していることが報告されている。また自然リンパ球は、共通リンパ球前駆細胞(CLP)から分化し、転写因子Gata3, Tcf1, Bcl11bなど、T細胞分化で必要な転写因子も共有していることが報告されている。以上のことからも、自然リンパ球とT細胞の分化の分岐点は存在するのか?その制御はどうなっているかは、これまで全く解明されていなかった。上述のように、E2A/HEB欠損により、本来、自然リンパ球が分化しない臓器で異所性に分化していることから、E蛋白質の活性がT細胞と自然リンパ球の分化を制御していることが世界で初めて提唱することができた。ATAC-seq法を用いたエンハンサー領域の解析から、E2A/HEBの転写制御は、T細胞への分化プログラムに必要なエンハンサーレパトア(Regulome)の維持に必須であることが明らかとなった。以上の発見は、2017年にImmunity誌にて報告した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。現在、野生型及びId2/Id3欠損T細胞を用いて、ChIP-seq解析、ATAC-seq解析の実験を行い、興味深い結果を得ている。また、この研究に関連した内容で、E2AとId2によるT細胞と自然リンパ球の分化制御における大変興味深い結果を得ている。2016年度中に論文投稿に至る。上記理由から、研究は順調に進展していると言える。申請者は、これまでT細胞の活性化・分化における、転写因子E2Aと拮抗因子Id2, Id3による転写制御機構の解明を行ってきた。その過程で、T細胞と自然リンパ球の類似性に着目し、二つの異なるリンパ球の分化制御に疑問を持った。特に、T細胞の分化・活性化においてE2Aによる転写活性化が大きな機能を持つ一方、自然リンパ球の分化・活性化にId2が必須であることが知られている。そこでまずT細胞におけるE2Aの機能解析を行った。結果、E2Aと別のEタンパク質であるHEBがT細胞分化に必須であること、さらにその機能欠損により胸腺内で、異所性に自然リンパ球が分化することを発見した。特にE2Aは標的遺伝子のエンハンサー領域に結合し遺伝子発現プログラムを制御することから、クロマチンアクセシビリティを検定するため、ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequence)解析を行い、全ゲノムにおけるエンハンサーレパトアを調べた。結果、T細胞分化を決定するNotch1レセプターや、CD3, pTaのエンハンサー領域のクロマチンアクセシビリティがE2Aにより維持されることを突き止めた。このことは、獲得免疫の中心であるT細胞と、自然免疫系リンパ球の分化の分岐点を規定する重要な分子機構であり、その存在と生物学的意義を世界で初めて提唱した。以上の内容は、免疫学分野のトップジャーナルである、Immunityに報告した(Miyazaki et al., Immunity 46, 818-834, 2017)。申請内容は、T細胞の活性化における、E2AとId因子による転写制御機構であるが、それに関連した内容で、免疫学分野のトップジャーナルであるImmunityに論文報告できたことから、研究は概ね順調に進んでいると言える。また同時に、末梢T細胞における活性化と増殖制御についても、研究が進んでいることから、全体としても、順調であると言える。

上述のように、E2A/HEB欠損により、本来、自然リンパ球が分化しない臓器で異所性に分化していることから、E蛋白質の活性がT細胞と自然リンパ球の分化を制御していることが世界で初めて提唱することができた。ATAC-seq法を用いたエンハンサー領域の解析から、E2A/HEBの転写制御は、T細胞への分化プログラムに必要なエンハンサーレパトア(Regulome)の維持に必須であることが明らかとなった。以上の発見は、2017年にImmunity誌にて報告した。今後は、高次クロマチン構造解析のため、Hi-C解析を行う予定である。これにより、3Dゲノム構造の変化を加え、統合的な分子機構の解明に繋がると期待される。特に、Hi-Cによる3Dゲノム構造の解析は、日本ではあまり進んでおらず、先進的な研究に発展できると期待される。2017年のImmunityに発表した内容を踏まえて、E2Aによるエンハンサー機能調節がどのようにしてい細胞腫特異的な遺伝子発現プログラムを稼働させるのかを、ATAC-seq、ChIP-seq解析を中心に解明を進める。これにより、T細胞と自然リンパ球の分化や機能面におけるプログラムがどのように確立するのかを明らかにする。またE2Aが結合するエンハンサー領域の生物学的意義を明らかにするため、CRISPR/CAS9システムを用いて、エンハンサー欠損マウスを作成する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
技能実習生制度の入口及び出口政策のグランドデザイン

技能実習制度が開始されてから四半世紀が過ぎ、制度は改正を重ねて改善され、制度の理念と実態の乖離を埋める試みが行われてきたが、現状の人手不足を補うという側面は大きく変革していない。一方、引き続き制度を軸とした外国人の受け入れは存続することが政府の方針で示され、制度の適正な運用を促進するとともに目指すべき外国人労働者の受け入れ像を展望する必要があると考える。この制度が日本国内のニーズによって生み出されたものであるため、送り出し国のニーズは経済的側面を除き多くの実態がつかめていない。双方にとって有効である制度設計や新たな送り出しを維持するために必要なことを明らかにするために本研究に着手する。
CRISPRスクリーニングを用いた根治性の高い肺癌分子標的治療薬の探索

申請者らがCRISPRスクリーニングによって同定したEGFR-TKIへの初期耐性化に関わると考えられる遺伝子(KMT2B, SHOC2)に対する解析を進めた。KMT2Bに関しては、初期耐性への影響はあるものの、軽微であることが分かり、初期耐性への影響が強いSHOC2に関して追加解析を行なっている。具体的には、SHOC2の発現をCRISPR/Cas9の技術を用いて、EGFR-TKIへの感受性変異を持つ非小細胞肺癌細胞株PC9, HCC827, H1975においてknock outをして、いずれの細胞株でもSHOC2がEGFR-TKIに対する初期耐性に関わっていることを示した。また、SHOC2を過剰発現させることで、PC9、HCC827、H1975がEGFR-TKIに対して耐性化を示すことも示した。一方、SHOC2の阻害剤として近年報告されたCerastrolを用いた実験で、Cerastrolがこれら癌細胞のEGFR-TKIへの感受性をわずかではあるものの高めることが判明した。我々はさらに、SHOC2がALK-TKIに対してもALK-TKI感受性肺癌細胞において重要な役割を担っているか、また、SHOC2が他の殺細胞性抗がん剤に対する初期耐性にどのように関わっているのかに関して解析中である。また、CRISPRスクリーニングで同定された初期耐性に関わる可能性の高い他の遺伝子群に関して、EGFR-TKI治療後の患者検体から樹立したEGFR-TKI耐性肺癌細胞株から抽出したRNAを用いて発現解析を開始している。他の肺癌細胞株を用いたCRISPRスクリーニングに関しては現在条件検討を行なっており、2019年度には最初のスクリーニングを開始する予定としている。SHOC2およびKMT2Bの機能解析に関しては予定通り進行中だが、当初予定していた、臨床検体を用いたバイオマーカーとしての有用性に関する調査に関しては、EGFR-TKI耐性化後の遺伝子発現解析を行うことが可能な検体が少なく、検体数の蓄積を待つ形となった。CRISPRスクリーニングに関しては、条件検討や最適化、さらには大掛かりな実験となるために、対象となる細胞株、条件の選定に時間を要している。2019年度中には実験が開始できるものと期待している。SHOC2遺伝子のEGFR-TKI初期耐性化に関わる影響に関しては今後1年以内の論文化を目指している。また慶應呼吸器内科研究室で行われているosimertinibを含むEGFR-TKIへの初期耐性および獲得耐性に関するphoshpo proteomicsを用いた研究においても申請者らの行なったCRISPRスクリーニングのデータを含めて解析することで興味深い結果が出ており、今後そちらに関しても発表、論文化の予定となっている。2019年度前半には、CRISPRスクリーニングで得られた初期耐性に関わる遺伝子群のバイオマーカーとしての有用性に関してデータが出てくるため、着目する遺伝子を選択して解析を進めていく。他の癌細胞株を用いたスクリーニングに関しては、単純な2D細胞株を用いたCRISPRスクリーニングに関してはすでに多くの肺癌細胞株で行われていて新規性に乏しいことから、3D培養系やオルガノイドに対するCRISPRスクリーニング系を扱うことも検討している。臨床検体と最新の解析手法を用いて、EGFR-TKI耐性化を未然に防ぐことで、肺癌患者の予後向上に寄与していきたいと考えている。SHOC

2遺伝子のEGFR-TKI初期耐性化に関わる影響に関しては今後1年以内の論文化を目指している。また慶應呼吸器内科研究室で行われているosimertinibを含むEGFR-TKIへの初期耐性および獲得耐性に関するphoshpo proteomicsを用いた研究においても申請者らの行なったCRISPRスクリーニングのデータを含めて解析することで興味深い結果が出ており、今後そちらに関しても発表、論文化の予定となっている。2019年度前半には、CRISPRスクリーニングで得られた初期耐性に関わる遺伝子群のバイオマーカーとしての有用性に関してデータが出てくるため、着目する遺伝子を選択して解析を進めていく。他の癌細胞株を用いたスクリーニングに関しては、単純な2D細胞株を用いたCRISPRスクリーニングに関してはすでに多くの肺癌細胞株で行われていて新規性に乏しいことから、3D培養系やオルガノイドに対するCRISPRスクリーニング系を扱うことも検討している。臨床検体と最新の解析手法を用いて、EGFR-TKI耐性化を未然に防ぐことで、肺癌患者の予後向上に寄与していきたいと考えている。当初は初年度(2018年度)にCRISPRスクリーニング用のプラスミドウィルスライブラリーを購入予定であったが、CRISPRスクリーニングを行う前の準備段階で時間を要したことから、プラスミドウィルスライブラリーの劣化を危惧して購入を次年度へ繰り越した。また、消耗品費に関して、すでに当研究室にある試薬や細胞培養液などを用いることで、大幅に節約できていることから今年度は支出を抑えることが出来た。
微細流路内沸騰熱伝達特性と伝熱促進メカニズムの解明

内径1 mm程度の微細流路を有する円管と矩形および三角形の非円形管を対象に,冷媒R410Aを用いて,垂直上昇流と下降流および水平流における気液二相流動様相の観察と沸騰熱伝達および摩擦圧力損失に関する実験を行い,沸騰熱伝達に及ぼす流動方向と流路形状の影響を明らかにした.微細流路では,低流量低クオリティのスラグ流における蒸気プラグ周りの液膜が薄く,低熱流束では,その薄液膜を通した良好な熱伝達により,伝熱促進が達成されることを明らかにした.内径1 mm程度の微細流路を有する円管と矩形および三角形の非円形管を対象に,冷媒R410Aを用いて,垂直上昇流と下降流および水平流における気液二相流動様相の観察と沸騰熱伝達および摩擦圧力損失に関する実験を行い,沸騰熱伝達に及ぼす流動方向と流路形状の影響を明らかにした.微細流路では,低流量低クオリティのスラグ流における蒸気プラグ周りの液膜が薄く,低熱流束では,その薄液膜を通した良好な熱伝達により,伝熱促進が達成されることを明らかにした.内径1mm程度の微細流路を有する円管と矩形および三角形の非円形管を対象に,冷媒R410Aを用いて,垂直上昇流および下降流における気液二相流動様相の観察と沸騰熱伝達および摩擦圧力損失に関する実験を行い,以下の結果を得た.1.いずれの管でも,流動様式は,低クオリティのスラグ流から,チャーン流を経て,高クオリティの環状流に遷移するが,スラグ流のクオリティ範囲は低流量ほど大きく,高流量では全域で環状流となる.また,上昇流より下降流の方が,さらに下降流では非円形管の方が,低いクオリティで環状流に遷移した.2.スラグ流気泡プラグ周囲の液膜厚さは,非円形管では周上で大きな分布を生じ,その最小液膜厚さは,円形管と比べてかなり薄くなることを確認した.一方,高流量の環状流では,流路形状による液膜厚さ分布の違いはみられなかった.3.摩擦圧力損失は,いずれの管でも,クオリティの増大につれて,全般に,増大する傾向を示すが,低流量の低クオリティでは低下する傾向がみられた.矩形管と三角形管の摩擦圧力損失は,ほぼ同じで,中程度の流量では,円管より幾分低めの値を示した.4.非円形管の熱伝達は,主に低流量および低クオリティ域で,すなわち流動様式がスラグ流となる領域で,円管より高い熱伝達率を示し,伝熱促進が達成された.これは,スラグ流の気泡プラグ周囲液膜厚さが,円管より薄くなることが,寄与していると考えられた.また,同様な効果が,低流量の高クオリティ域,すなわち環状流となる領域でも,確認された.5.非円形管のドライアウトクオリティは,円管と比べて,全体に,高く維持されることがわかった.内径1mm程度の微細流路を有する円管と矩形管を対象に,冷媒R410Aを用いて,水平流における気液二相流動様相の観察および摩擦圧力損失と沸騰熱伝達に関する実験を行い,以下の結果を得た.1.水平流の流動様式は,全般に垂直流と類似するが,低流量の中高クオリティでは,気液が上下に分離しした波状流や層状流が現れる.また,円管と矩形管で水平流の流動様式は全般に類似し,低クオリティのスラグ流から中高クオリテオにかけて,高流量ではチャーン流を経て環状流に,また低流量では波状流に遷移する.ただし,矩形管では,波状流からさらに層状流に遷移した.2.スラグ流における気泡プラグ周囲の液膜厚さは,円管では管底側で厚くなるが,矩形管では管頂側と管底側で同程度に薄くなるのが観察された.3.水平流の摩擦圧力損失は,いずれの管も,高流量ほど,クオリティの増大につれて増大する傾向を示すが,低流量ではクオリティの影響は小さく,垂直流と比べて小さい値を示した.また,矩形管の摩擦圧力損失は,円管と比べて,ほぼ同じか,条件によっては幾分低い値を示した.4.矩形管の熱伝達は,低流量の低クオリティ域で流動方向による違いがみられ,水平流では,垂直流より良好な熱伝達を示した.矩形管の水平流における熱伝達は,低流量低中クオリティのスラグ流の流動様式領域で,低熱流束の場合に,円管より高い熱伝達率を示し,熱伝導液膜蒸発による大きな伝熱促進が達成されているのが確認された.これは,気泡プラグ周囲の液膜厚さが,円管では重力により管底側で厚くなるのに対し,矩形管では,表面張力により,4辺でほぼ一様に薄くなることによると考えられた.5.水平流の場合,ドライアウトクオリティに,管流路断面形状の影響はあまりみられない.内径1mmの微細流路円管を対象に,新冷媒として期待される低温暖化係数の冷媒HFC32を用いて,水平流における摩擦圧力損失と沸騰熱伝達の実験を行い,前年度までの冷媒R410Aの結果と比較した.1.流動様式は,全般にR410Aの観察結果と類似し,流量によらず低クオリティではスラグ流,高流量の中高クオリティでは環状流,低流量の中高クオリティでは波状流や層状流が現れた.R410Aと比べると,蒸気密度が小さいため,スラグ流から他の様式に遷移するクオリティは全体に低くなっている.

2.摩擦圧力損失は,高流量ほどクオリティの増大につれて大きくなる傾向を示すが,低流量ではクオリティの影響は小さい.R410Aと比べると,蒸気密度が小さく流速が大きくなるため,クオリティの増大とともに,特に環状流で,高い値を示す.ただし,スラグ流ではあまり差がない.また,物性値の違いを考慮すれば,同じ無次元整理式でR410Aと同程度同様の相関が得られる.3.沸騰熱伝達の熱伝達率は,熱流束のほか,流れ方向の流動様式の変化に対応して変化し,熱伝達の特性は,熱流束と流動様式により,核沸騰支配域と液膜蒸発支配域に,さらに液膜蒸発域は液膜厚さが決まるメカニズムの違いにより低クオリティのスラグ流とより高クオリティの他の流動様式の領域に分類できる.HFC32は,液体の熱伝導率の大きく,R410Aと比べて,高熱流束まで液膜蒸発域が拡がり,液膜蒸発域の熱伝達率の値は大きくなる.一方,核沸騰支配域では差はない.なお,前年度作成した熱伝達予測式は,高クオリティの液膜蒸発域の熱伝達率を低めに見積もる傾向がある.4.薄い液膜を効果的に生じさせ,液膜蒸発領域を拡大することが,伝熱促進に最も有効であると考えられる.また,流路形状が同じ円形流路であれば,本実験結果を,扁平多穴管に適用できると考えられる.予定通り,円管と矩形管の水平流における流動様相の観察と熱伝達および圧力損失の実験を行い,得られたデータの特性を明らかにして,矩形管の伝熱促進メカニズムを明らかにするとともに,主に垂直流を対象としているが微細流路管の熱伝達予測式を作成した.24年度が最終年度であるため、記入しない。新冷媒として今後期待される低温暖化係数の冷媒について新たに実験を行い,矩形管の一般的な伝熱促進メカニズムの解明に役立てるとともに,これまで作成した垂直流を主な対象とする熱伝達予測式について,本年度得た水平流のデータをもとに,水平流への適用拡張を検討する.24年度が最終年度であるため、記入しない。
レジリエントな自己組織化・自己修復ネットワークの設計・拡張と資源配分

現状の場当たり的な対策や単なる復元から脱却して根本的なネットワークの設計原理を改め、レジリエントな(しなやかな復活力を持つ)自己修復やシステム拡張を促す自律分散・自己組織化の本質的なメカニズムをネットワーク科学の観点から解明する。情報伝搬の要となるインフルエンサーへの攻撃が長いループを重点的に破壊することを逆手に取った、ネットワークの自己組織化や自己修復による適応選択的な頑健性の強化法を導き、最悪ケースの攻撃に対する(互いに通信可能な)連結成分の大きさを数値的に調べ、以下を確かめた。・昨年度に提案した逐次成長によって自己組織化される、正の次数相関を持つ玉葱状ネットワークが(現実の多くのネットワークを凌駕して)悪意のある攻撃等に対しても強固な頑健性を持つことは、(NP困難な組合せ問題であるが)ループ形成の要となるフィードバック頂点集合のサイズ自体を大きくすることに本質的に関連することを、いくつかの数値実験から裏付けた(国内研究会2件)。また、その次数相関の時間発展を近似する反復式を導出した(国際会議1件)。・自己組織化による結合耐性の強化のみならず、送受信フロー制御によるレジリエンス機能として、各ノードの転送許容量に応じた適応的ルーティングによってカスケード故障の伝搬を抑えられること、及び、現実のネットワークと比較して上記の玉葱状ネットワークはより抑制効果があることを明らかにした(国際学術雑誌1件、国際会議1件)。また、カスケード故障に関する複雑ネットワーク研究のサーベイ論文を国内に紹介することで、本手法の位置付けにも役立てた(学術雑誌翻訳1件)。さらに、許容量にほとんど余裕がない厳しい場合ですら、ルーティングの探索順序を制御すれば過負荷故障の伝搬を抑えられることを見出した(国内研究会1件)。初年度は、長いループの形成に着目した新たな自己組織化設計として(現実のネットワークと比べて通信効率を損なうことなく悪意な攻撃にも強い)頑健なネットワークの逐次成長法、及び、分散処理に適したその範囲限定版の有効性と、現状において最適耐性を持つ玉葱状構造が創発できることをまず明らかにした。今年度は、ノード間のつながりに関する結合耐性のみならず、情報フローによる負荷も考慮した際に深刻な事態を起こし得るカスケード故障を抑制できる(過剰圧力をバイパス的に逃がして衝撃吸収するのに似た)迂回路によるルーティング法を考案して、レジリエンス機能の実現まで拡張できた。特に、上記の玉葱状ネットワークが、インターネットなどの現実の多くのネットワークと比較して、カスケード故障の抑制により効果的であることも見出すことができた。さらに、より本質的なメカニズムの解明に向けて、頑健性の強化は(NP困難な組合せ問題ではあるが)ループ形成の要となるフィードバック頂点集合のサイズ自体を大きくすることに密接に関わる見通しを得て、当初の計画以上に進捗できたと言える。一方、自己修復の課題部分については、近年対象とすべきネットワークの大規模化に伴いメモリ追加など設備増強を必要に応じて施したものの、予備的な数値実験に想定以上の時間を要し、また新たに見つかった既存手法の追試にも手間取るなど、初年度に洗い出した治癒修復法の有力候補を比較するのに十分な数値実験結果を得るまでには至らなかった。自己組織化法による逐次成長ネットワークの頑健性(攻撃に対する結合耐性)の強化を、(地表に構築される電力網や通信網のように)表面成長の制約がある場合においても実現できるかどうか、さらに追及する。また、フィードバック頂点集合との関連性については、インフルエンサー的な拡散中心性やパーコレーション問題で近年着目されている階層的な核構造:k-coreとも絡めて、より詳しく調べていく。自己修復に関しては、攻撃や故障によって分断されないように連結性を保持する従来の枠組みに留まらず、(概念レベルで具体的な実現手段は不明だった)レジリエンス的な適応強化に相当する、元々の頑健性より強いネットワークに構造変革できることを治癒修復によって実現すべきであることまで問題設定を明確化できた。そこで、具体的な治癒修復法を、まずは比較的小規模なネットワークにおける数値実験を優先して行うことで絞り込む。また、研究分担者2人がより密接に協力して取り組む体制に改め、まずは修復に使用可能なリンク数の制限に注力した後に、各ノードのチャネル数の制限に検討を広げることで、優先順位を付けて効率的に資源配分の制約が加わった場合の検討を進める。現状の場当たり的な対策や単なる復元から脱却して根本的な設計原理を改め、レジリエントな(しなやかな復活力を持つ)自己修復やシステム拡張を促す自律分散・自己組織化の本質的なメカニズムをネットワーク科学の観点から解明する。・毎時刻に新ノードからランダム選択ノードと、その選択ノードから長いループを形成するノードへの選択的なリンク結合を繰り返し、悪意のある攻撃等に対して頑健性を強化できる新たな自己組織化法を提案した。この逐次成長ネットワークは最適な攻撃耐性を持つ玉葱状構造となること、及び、上記のループ形成を数ホップ内に範囲限定した分散処理に適した場合でも有効性を得た(学術論文1件)。また、ネットワーク科学の国際的な最前線の研究動向を研究会にて紹介した(国内チュートリアル講演1件)。・自己組織化による結合耐性の強化のみならず、送受信フロー制御による(過剰圧力をバイパス的に逃がして衝撃吸収するのに似た)

レジリエンス機能についても検討を始め、各ノードの転送許容量に応じた適応的ルーティングで、過負荷故障伝搬を抑えられる見通しを得た(国際会議1件、国内研究会2件)。・自己修復に関する実験環境の整備として、現実のネットワークのWeb公開データから分析対象となる連結成分を抽出し、大規模な可視化ツールも試用して使い勝手を把握した(国際会議1件)。また、悪意のある攻撃で除去されたノードの影響を受ける隣接ノード間のリンク張り替えを考え、それら隣接ノードを繋ぐ長いループの形成に着目した、頑健性を向上させる治癒修復法の有力候補を探った(国内研究会1件)。本科研において当初計画していた、長いループの形成に着目した新たな自己組織化として(現実のネットワークと比べて通信効率を損なうことなく悪意な攻撃にも強い)頑健なネットワークの逐次成長法、及び、分散処理に適したその範囲限定版の有効性と、現状において最適耐性を持つ玉葱状構造の創発などについて、予想通りの結果が数値的に得られて、初年度の課題をほぼ概ね解決できたと考えられる。さらに、送受信フロー制御によるレジリエンス機能については、やや先行して検討を進められたと言える。一方、自己修復に関する部分は、比較すべき既存手法の追試に思った以上の時間を費やす事態となった等から、治癒修復法の有力候補を探るレベルに留まったが、今後すべき実験項目の洗い出しは出来ている。また、ネットワークデータや(ノード間の中継数による通信効率、玉葱状構造かどうかを判断する為の次数相関、種々の典型的な攻撃に対しての頑健性などを測る)基本的な分析ツールやマルチコアPCなど主な実験設備の整備は初年度でほぼ完了したと言える。現状の場当たり的な対策や単なる復元から脱却して根本的なネットワークの設計原理を改め、レジリエントな(しなやかな復活力を持つ)自己修復やシステム拡張を促す自律分散・自己組織化の本質的なメカニズムをネットワーク科学の観点から解明する。情報伝搬の要となるインフルエンサーへの攻撃が長いループを重点的に破壊することを逆手に取った、ネットワークの自己組織化や自己修復による適応選択的な頑健性の強化法を導き、最悪ケースの攻撃に対する(互いに通信可能な)連結成分の大きさを数値的に調べ、以下を確かめた。・昨年度に提案した逐次成長によって自己組織化される、正の次数相関を持つ玉葱状ネットワークが(現実の多くのネットワークを凌駕して)悪意のある攻撃等に対しても強固な頑健性を持つことは、(NP困難な組合せ問題であるが)ループ形成の要となるフィードバック頂点集合のサイズ自体を大きくすることに本質的に関連することを、いくつかの数値実験から裏付けた(国内研究会2件)。また、その次数相関の時間発展を近似する反復式を導出した(国際会議1件)。
二次元π共役金属錯体ナノシート

29年度が最終年度であるため、記入しない。金属イオンと配位子からなる金属錯体はその組み合わせによる様々な構造や物性を実現することが可能である。近年、当研究室では錯体で構成された二次元物質である配位ナノシート(CONASH)の合成、特性評価を報告している。中でも、ビス(ジチオレン)金属錯体ナノシートは金属イオンのd軌道と配位子のp軌道の相互作用により特異的な物性を発現すると期待される。本年度はこの系のバリエーション拡張のため、新たにヘキサアミノベンゼンを配位子としたビス(ジイミン)ニッケル錯体ナノシート(NiDI)の合成を行った。初めに液液界面合成法によるNiDIの合成を試みた。本手法はCONASH合成時に使用される有用な手法であるが、NiDIの合成には適しておらず質の低いサンプルしか得られなかった。合成条件を検討したところ、ヘキサアミノベンゼンがニッケルイオンと錯形成する際には配位子の酸化が必要であることを見出し、気液界面合成法を採用することとした。本手法ではニッケルイオンとヘキサアミノベンゼン塩酸塩を含む溶液と微量の酸素を含むアルゴンガスが触れ合う界面にて配位子が酸化され錯形成反応が進行し、NiDIが形成される。得られたNiDIを各種顕微鏡で観察したところ、数百マイクロメートルのドメインが観測され、膜厚はおよそ25 nmであった。X線光電子分光測定により存在元素の化学状態および存在量比から錯形成が行われていることが示唆された。また、粉末X線回折より周期構造を形成していること、シート間がeclipse型で積層されていることが示唆された。以上の結果はNiDIの形成を支持するものである。本年度は新規配位子を用いた新しい配位ナノシートNiDIの合成を達成した。当初予定していた液液界面を用いた合成手法を本ナノシートに適用することはできなかったが、シート形成に酸化反応が関与することを見出し、新たな気液界面を利用した合成方法を開発できた。また、合成したNiDIのキャラクタライズはおおよそ完了している。本年度は新規ナノシートNiDIの合成と同定を行った。次年度からはNiDIの導電性、磁気特性、電気化学触媒能などの物性評価に主眼を置いて研究を進めていく予定である。また、獲得した物性評価結果を過去に当研究室より報告したビス(ジチオレン)ニッケル錯体ナノシートと比較し、配位子の変更がシート特性に与える影響について議論する。
形状記憶合金の超弾性効果を用いた免震ダンパーの地震応答シミュレーション

近年各種の免震装置を用いた橋梁の建設や計画が注目を集めている。代表的な物は高減衰積層ゴムを用いた免震支承や、鋼棒を用いた弾塑性ダンパーなどである。これらの免震効果は使用される材料特性に大きく左右され、いかに高機能な材料を開発するかが焦点となっている。本研究では、機能性金属材料の1つである超弾性合金に着目した。この合金は特殊な非線形履歴復元力特性である超弾性特性を持っており、エネルギー吸収能力に優れた材料である。本研究では、その免震ダンパーへの適用を試みるため、地震反応の計算機による数値シミュレーションを行ない、エネルギー吸収能やじん性など基礎的な動特性を明らかにすることを目的とする。超弾性合金は、数十%のひずみからも残留ひずみなしで回復するのが特徴である。低ひずみ領域では通常の金属材料と同様に降伏後剛性が低下するが、その後除荷すると履歴エネルギーを吸収した後弾性挙動に戻る。本研究では、橋脚を1自由度系としてモデル化し、通常のバイリニア型復元力特性を示すダンパーを装着して桁を支えた場合と、超弾性型復元力特性を示すダンパーを装着して桁を支えた場合と、ダンパーを装着しなかった場合の3通りについて時刻歴地震応答解析を行った。その結果、超弾性ダンパーを装着した場合の桁の応答加速度は、ダンパーをつけない場合の約20%に抑えられた。これはバイリニア型弾塑性ダンパーの17%と比較しても、遜色のない値である。また、弾塑性ダンパーと比較して、超弾性ダンパーの履歴エネルギー吸収量は2/3であった。加速度応答や履歴吸収エネルギー量では弾塑性ダンパーに劣るが、残留変形という問題では超弾性ダンパーが優位であった。弾塑性ダンパーでは約4.5cmの残留変形が生じたが、超弾性ダンパーではほぼ0であった。永久変形が問題になる場合や、残留変形を0にしたいという要求がある場合には有効ではないかと考えられる。
摘出灌流心における虚血・再灌流障害時の細胞内Caイオン動態にをする研究

本研究は、Ca^<2+>と結合する弗素化合物(5F-BAPTA)の弗素核磁気共鳴(F-NMR)スペクトルから細胞内Ca^<2+>濃度([Ca^<2+>]i)を測定する手法を摘出灌流心標本に用い、虚血・再灌流に伴う[Ca^<2+>]iの動態を直接検討したものである。本研究により達成された主要な結果は、以下の通りである。1.虚血前、虚血中、並びに、再灌流直後のそれぞれの時相における、5分毎の時間平均[Ca^<2+>]iを測定した。虚血前、対照時に比し、虚血開始後10分までは時間平均[Ca^<2+>]iに有意な差はなかったが、10-15分では有意に上昇していた。しかし、虚血15分後に再灌流を開始すると、再灌流後0-5分において、時間平均[Ca^<2+>]iは対照時のレベルに速やかに回復した。この結果より、虚血・再灌流に伴い、一過性の細胞内Ca overloadが生じていることが明らかとなった。2.短時間の虚血後、再灌流した心筋では、細胞壊死はないにもかかわらず、収縮機能の低下が生じる。この病態はstunned myocardiumと呼ばれ、近年、臨床的に重要な問題となっている。しかし、この心収縮性低下の機序は、いまだ解明されていない。そこで、収縮性低下の機序を、興奮収縮連関の3つの構成要素、すなわち、Ca transient、収縮蛋白のCa^<2+>感受性、最大Ca^<2+>活性化張力のそれぞれの見地から検討した。F-NMR法を心周期と同期させることにより、Ca transientの測定を行い、その振幅と発生圧との関係を検討した。その結果、stunned myocardiumでは、Ca transientのparadoxicalな増大が存在すると同時に、収縮蛋白の最大Ca^<2+>活性化張力、Ca^<2+>感受性が著明に低下し、収縮性の低下がモたらされていることが明らかとなった。本研究は、最近開発された、Caと結合する弗素化合物(5FーBAPTA)の弗素NMR(FーNMR)法による観測から細胞内Ca^<2+>イオン濃度を測定する手法を摘出灌流心標本に用い、虚血・再灌流に伴う細胞内Ca^<2+>イオンの変動を直接検討せんとしたものである。本年度において達成された事は以下の通りである。1.昨年度に引続き、FーNMRによる細胞内Ca^<2+>濃度測定の基礎的検討を行った。その結果、本法を安定した条件で使用する事がほぼ可能となった。2.虚血前、虚血中、並びに、再灌流直後のそれぞれの時相における、5分毎の時間平均細胞内Ca^<2+>イオン濃度を本法により測定した。虚血前、対照時における時間平均細胞内Ca^<2+>イオン濃度は392nM(5例平均)であった。虚血開始後の時間平均Ca^<2+>濃度は、0ー5分では280nM、5ー10分では433nMと対照時と有意な差はなかった。しかし、10ー15分では580nMと有意に上昇していた。

虚血15分後に再灌流を開始すると、再灌流後0ー5分においては、233nMと対照時のレべルに速やかに回復していた。本検討では、FーNMR法の時間分解能の制約のため、心周期における周期的な細胞内Ca^<2+>イオン濃度の変化は測定できず、5分間の時間平均細胞内Ca^<2+>イオン濃度のみが観測可能があった。したがって、虚血後期・再灌流初期のいずれの時相において、細胞内Ca^<2+>イオン濃度が増加、あるいは、減少したかまでは明らかにできなかった。しかし、15分間の虚血後期において、すでに細胞内Ca^<2+>イオン濃度は増大し、この増加した細胞内Ca^<2+>イオン濃度は再灌流と共に急速に回復することが示された。なお、本検討は、ジョンズ・ホプキンス大学医学部との共同研究により行われた。次年度においては本年度の結果をふまえ、心同期と同期させたFーNMR計測の開発を行い、Ca transientの虚血・再灌流の前後における変化について検討したいと考えている。心筋は、短時間の虚血後、再灌流すると、細胞壊死は生じないにもかかわらず、収縮機能の低下を生じ、機能回復には長時間を要することが知られている。この病態はstunned myocardiumと呼ばれ、近年、急性心筋梗塞症における早期血流再建が可能となるにつれ、臨床的に重要な問題となている。しかし、stunned myocardiumにおける心収縮性低下の機序は、いまだに解明されていない。本研究では、stunned myocardiumにおける収縮性低下の機序を、興奮収縮連関の立場から検討した。心筋の収縮性は、興奮収縮連関の構成要素、すなわち、Ca transient、収縮蛋白のCa^<2+>感受生、最大のCa^<2+>活性化張力の3要因により規定される。摘出灌流心における細胞内Ca^<2+>濃度([Ca^<2+>]_i)は、細胞内に負荷した弗素化合物5FーBAPTAのCa^<2+>との結合型・非結合型の信号を弗素核磁気共鳴法(FーNMR)により観測し、求めた。この方法を心周期と同期させることにより、摘出灌流心においてCa transientの測定を行った。37°C、15分間の虚血後、再灌流を行ったferret灌流心をstunned myocardiumのモデルとした。その結果、拡張期末の[Ca^<2+>]_iは虚血前後において有意な変化はなかったが、収縮期の[Ca^<2+>]_iのピ-ク値は再灌流後、有意に増大していた。さらに、Ca transientの振幅と発生圧との関係(収縮蛋白のCa^<2+>反応性)を検討したところ、その傾きには、stunned myocardiumにおいて有意な低下が認められた。さらに、これを最大Ca^<2+>活性化張力の指標で正規化し、収縮蛋白のCa^<2+>感受性の指標を求めたところ、stunned myocardiumでは有意な低下が認められた。以上の結果より、stunned myocardiumでは、Ca transientのparadoxicalな増大が存在すると同時に、収縮蛋白の最大Ca^<2+>活性化張力、Ca^<2+>感受性が著明に低下し、その結果、収縮性の低下がもたらされていることが明らかとなった。
GABA-A受容体作動薬が睡眠中の咀嚼筋群に及ぼす影響

睡眠時ブラキシズムは、睡眠中に上下の歯をこすりつけて、ギリギリと音を鳴らしたり、噛みしめをしたりで、歯に大きなダメージを与えている。それだけではなく、補綴装置の破損や歯周組織に悪影響を及ぼすこともある。さらには、顎の関節にも影響を及ぼすこともあり、起床時には咀嚼筋の痛みや、頭痛のような側頭部の痛みを伴うこともある。その様な歯科にとって非常に有害なブラキシズムは、現在完全になくすことは不可能で、マウスピースなどの口腔内装置などによる対症療法しか治療方法が存在しない。睡眠時ブラキシズムは中枢神経系や自律神経系との連動も証明されつつあり、それを利用した薬物による効果についても多く研究報告されている。しかし、薬物効果についてはまだ充分に証明されていない。そこで、本研究では過去の研究で副作用が少なく、さらに催眠効果の高く、抗ストレス性の高いγ-アミノ酪酸(GABA)に注目した。服用後、睡眠中の咬筋にどの様な効果および作用を及ぼすかについては様々報告されているが、その中でも本研究はGABA-A受容体にフォーカスし、咬筋の抑制作用があるかどうかについて、検討を行っていく。当科では、睡眠中の生体活動を測定する装置を有しており、さらに測定解析ソフトについても充分持ち合わせており、生体活動のスコアに関しても充分な知識を持っている。そのため、睡眠中の生体活動を細かく観察し、さらにGABAの効果についても充分解析できる。過去においても、睡眠時ブラキシズムを有する若年者を対象に測定・分析し、その研究成果を国際学会でも発表を行ってきている。その経験をふまえ、現在は初年度に購入した機器での測定を行い、被験者を増やしているところである。初年度には被験者を選定するための、簡易型の筋電図および脳波計を購入した。また、当科で有している解析ソフトでは、筋活動の細かい解析は難しいため、専用の解析用ソフトを購入した。簡易型の筋電図および脳波計を用いて、数名の被験者で測定準備のための予備実験を行った。その結果、筋電計は今まで使用していたものと、ほぼ同じような使用になっていたが、脳波計については、電極数が少ないため、貼付位置の決定を行わなければならない。初年度では、筋電図計および脳波計の使用についての検討を行った。しかし、筋電計の一部に不具合が生じ、昨年度末から修理依頼を行った。修理にかなりの日数を要してしまい、充分な被験者の選定が行われていない。また、それにあわせて筋電図の解析ソフトについても充分な検討を行っていない状態である。初年度では、購入した脳波計および筋電計の使用方法のついて検討を行い、併せて筋活動解析ソフトについてもある程度の理解を得ることが出来た。しかし、目標としていた被験者選定が十分に行われていない状態である。そこで、本年度の目標としては、被験者の選定を第一優先課題として行っていく必要がある。次に、γ-アミノ酪酸(GABA)の薬物についての検討を行う必要が有る。GABAは本来脳内物質で、副作用が少ないとも言われている。しかし、薬物による副作用を充分検討しなければならないのも確かである。そのために、薬品の選定がまず優先される。薬品の選定に関しては、過去の文献を参照し、最適な薬品を検討する。さらに、その薬品についてのプレテストを行う必要がある。以上を、本年度の目標として研究を推進していく予定である。

簡易型の筋電図および脳波計を用いて、数名の被験者で測定準備のための予備実験を行った。その結果、筋電計は今まで使用していたものと、ほぼ同じような使用になっていたが、脳波計については、電極数が少ないため、貼付位置の決定を行わなければならない。初年度では、筋電図計および脳波計の使用についての検討を行った。しかし、筋電計の一部に不具合が生じ、昨年度末から修理依頼を行った。修理にかなりの日数を要してしまい、充分な被験者の選定が行われていない。また、それにあわせて筋電図の解析ソフトについても充分な検討を行っていない状態である。初年度では、購入した脳波計および筋電計の使用方法のついて検討を行い、併せて筋活動解析ソフトについてもある程度の理解を得ることが出来た。しかし、目標としていた被験者選定が十分に行われていない状態である。そこで、本年度の目標としては、被験者の選定を第一優先課題として行っていく必要がある。次に、γ-アミノ酪酸(GABA)の薬物についての検討を行う必要が有る。GABAは本来脳内物質で、副作用が少ないとも言われている。しかし、薬物による副作用を充分検討しなければならないのも確かである。そのために、薬品の選定がまず優先される。薬品の選定に関しては、過去の文献を参照し、最適な薬品を検討する。さらに、その薬品についてのプレテストを行う必要がある。以上を、本年度の目標として研究を推進していく予定である。初年度に本来、実験で使用する薬品(GABA)とその調合に必要な機器を購入する予定だったが、購入した筋電計および脳波計の十分な検討を行う事が出来なかった。また、同時に購入した筋電解析用ソフトも、筋電計の故障から、解析の検討にかなりの時間を有してしまった。次年度では、差額の分の経費を使用して、初年度に購入するべきだった機器や薬品を取りそろえて、実験環境の充実と被験者への謝金の準備を行う予定である。
コネクショニスト・アプロ-チによる空間的推論・連想と物体理解

ニュ-ラルネットワ-クによるパタ-ン認識について研究を行った。1.内部可変パラメ-タをもつ物体モデルによる物体認識トラックと乗用車など、同一クラス内でも大きさや形状が異なる複数の物体が存在する環境において、内部可変パラメ-タを持つ物体モデルを設定した。画像特徴プリミティブを角(かど)とし、それとモデルの頂点との対応仮説を生成した。これらの仮説間の適合関係からHopfield型ネットワ-クを構成し、エネルギ-最小化により隠れなどに強い物体認識アルゴリズムを開発した。2.エネルギ-関数による口形輪郭の抽出口形輪郭は抽出しにくいことが多い、これは、不十分な輪郭情報しか画像内に存在しないことによる。このようなとき、先験的知識をエネルギ-関数の形で表現し、不十分な輪郭情報から輪郭復元を行う正則化プロセスについて考察をおこなった。また口形認識に関して、画像縮小した画像のオプティカルフロ-を利用することで、動画像から口形の抽出、追跡を行う手法の研究を行った。3.ニュ-ラルネットワ-クによる口形併用音声認識5つの母音の認識実験において、音声特徴としては64点log変換FFT特徴を用いた。画像の特徴を用いなかったとき、完全不特定話者環境で認識率は80.0%であった。つぎに、口形二値化画像と音声の特徴を併用したとき、未学習話者に対して92.4%の認識率となり、12.4%認識率が向上した。4.パタ-ン位置の正規化パタ-ン認識等のための位置の正規化を行うニュ-ラルネットワ-クの考察を行った。その結果、パタ-ンの位置信号抽出ネットワ-クと位置正規化(位置シフト)ネットワ-クとの縦続接続を行えば良いことがわかった。5.BPNのリモ-トセンシング画像分類への応用LANDSAT画像中に10×10のウインドウをとり、海、雲、海岸、陸地への領域分類についてトレ-ニングを行った。海岸に関しては、ウインドウサイズが大きすぎる問題が残った。
量子ハイブリッド分子動力学法による生体機能の量子デザイン

本研究では,生命の最も基本的かつ重要な機能のひとつを担うRNAとタンパク質の複合体(すべての生体内タンパク質生合成に必須)における酵素触媒反応について,ハイブリッド分子動力学シミュレーションによる解析を推進した。ロイシルtRNA合成酵素と特異的なtRNAの複合体によるエディティング反応が解析の主たるターゲットである。昨年度までに,溶媒等を含むリアルで精密な計算モデル(約170,000原子)を構築し,これを「まるごと」量子ハイブリッド計算の対象とし,反応機構の高精度な解析を初めて実現した。以上の計算は,本研究において開発したQM/MMハイブリッド・インターフェースシステム(本年度プレス・リリースを実施)を駆使して実現した,ハイブリッド分子動力学計算によるものである。これにより,本年度は主として以下の成果を得た。1)昨年度明らかになった,大まかな反応経路および反応機構をより広範かつ綿密に計算し,最適経路を決定した。その結果,活性化エネルギは昨年度の概算よりも大幅に下がり,約20kcal/molと結論付けた。2)反応開始段階における,求核剤となる水分子の活性化は, RNA(その03'原子)が水分子のH原子を吸引し共有することによって生じ,タンパク質因子(アミノ酸残基)によるものではないことを明らかにした。すなわちこの反応の実体は,驚いたことにRNA酵素(リボザイム)であることを見出した。実際この系では,従来より「タンパク質に対する」変異体実験が十分に成功していないが,この計算結果によりその理由が明らかとなった(タンパク質ではなくRNAが反応を駆動している)。4)同様な反応機構をもつと考えられる系を,既知の結晶構造に対して組織的に探索した結果,これはリボザイムにおける主要なクラスのひとつとして追加すべき,新規の重要な反応系であることがわかった。またこれは,生命誕生におけるRNAワールド仮説を強く支持するものであり,当該の系はさらに, RNPワールドへの生命進化における鍵を握るものであることが明らかになった。18年度は,生命の最も基本的かつ重要な機能のひとつを担うRNA・タンパク質複合体(生体内のタンパク質の合成に必須)に対して,溶媒等を含むりアルで精密な計算モデル(約170,000原子)を構築すると共に,特異的に結合した溶媒水分子の孤立電子対が,基質のLUMOを攻撃することによって反応が開始される機構を解明した(投稿中)。本19年度は,1)この酵素反応がどのように進行するか,ハイブリッドMD計算によりさらに解析を進め,反応過程における電子構造の動的な変化過程を解明した。その結果この酵素は,求核剤としての水分子の電子構造と配置とを巧みに制御することにより,高い反応効率と選択性を同時に生み出していることを明らかにした。2)このハイブリッドMD計算は,HF/DFTハイブリッド全電子計算(GAMESS)とMM計算(AMBER)とをQM/MMスキームにより組み合わせた独自の計算プログラムによるものである。このシステムを駆使した研究は,さらに本特定領域の他の研究グループを始めとして,幾つかの共同研究へと現在発展している。3)また,一般にこうした生体高分子の立体構造に広く見られる一部のファンデルワールス相互作用(芳香環同士のスタッキング)は,その重要性は裏腹に,従来の計算技術においては取扱いが極めて困難であった。本年度は,その計算精度をCCSD(T)のレベルにまで飛躍的に高め,なおかつMD計算が現実に可能な計算に抑えた高効率な手法の開発を進めた。これは,上記のRNA・タンパク質複合体系を含めて,さらにはタンパク質の折畳み問題などへの応用にも重要であり,こうした生物物理学の中心課題に対して,今後組織的な応用を展開する予定にある。