hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
軟弱狭隘空間で超安定走破性を実現する全方向面状クローラ機構の研究

「面状全方向クローラ機構」は,走行面などの接触対象に対して,1点で任意方向に駆動力を伝達可能な「2軸交差駆動機構」である.「2軸交差駆動機構」の観点から本研究の立ち位置を明らかにし,他の2軸交差駆動機構と比較分類することにより,さらなる伝達機構のアイデアに拡張・発展させる.以上の内容を国内会議SCI'18で発表した.また,測方向踏破性向上のための履帯脱離低減機構・テーパ状履帯構造の設計・具現化を行った.これを実装した面状全方向クローラ機構で,雪上での走行試験を行い,雪上での任意方向走行を可能とした.以上の内容を国内会議Robomech2018にて発表した.さらに,方向切替進行時の路面乱動抑制効果を提案した手法を用いて評価した.軟弱地上では,並進・旋回ともに路面がある程度荒れることが定性的に知られているが,これまで移動体の走行により路面が,どの程度荒れるのか(路面乱動性と定義する)の定量・数値化および砂の流れの状態を実時間把握することが困難であった.そこで,これまで不明確だった砂利上でのクローラ旋回時における水平面内の砂の流れのリアルタイム計測を提案・実施した.特に,クローラの旋回動作と並進動作での,進行方向切替え時の路面乱動性を,走行時の砂利の動きを底面から観察可能な実験装置を用意して,画像処理により砂利の移動量を計測し比較定量評価をした.その結果,提案手法で砂利の動きを数値化可能であることを証明した.また,旋回動作は並進動作の約3倍,路面乱動させていることが分かった.以上により,並進動作は旋回動作より,路面の荒らし具合が少なく進行方向を切り替えることが可能であることが定量的に明確となった.以上の内容を,国際学術誌RA-Leterと国際会議IROS2019に投稿し,現在査読中である.去年度までに,ラックチェーンを用いた2つのアクチュエータのみの駆動方式を考案し,小径履帯を複数配置した面状全方向クローラ移動体の設計・試作,実機実験を行い,駆動方式の原理の有効性を示した.さらに,旋回動作を可能とさせる左右2履帯構成を具現化し,実機を用いて旋回動作の確認を行った.無限軌道上の無限軌道体に駆動力伝達可能な,ラックチェーン機構を搭載した履帯ユニットを,左右に2つ配置した実機を具現化した.側方向段差踏破性能向上のため,小径履帯はテーパ形状を有している.1つの履帯ユニットにモータは2つ使用し,左右合計4つのモータが搭載されている.左右2つの大径履帯ユニット間の回転数の差により旋回動作を行う.また,方向切替進行時の路面乱動抑制効果を提案した手法を用いて評価した.軟弱地上では,並進・旋回ともに路面がある程度荒れることが定性的に知られているが,これまで移動体の走行により路面が,どの程度荒れるのか(路面乱動性と定義する)の定量・数値化および砂の流れの状態を実時間把握することが困難であった.そこで,これまで不明確だった砂利上でのクローラ旋回時における水平面内の砂の流れのリアルタイム計測を提案・実施した.特に,クローラの旋回動作と並進動作での,進行方向切替え時の路面乱動性を,走行時の砂利の動きを底面から観察可能な実験装置を用意して,画像処理により砂利の移動量を計測し比較定量評価をした.その結果,提案手法で砂利の動きを数値化可能であることを証明した.また,旋回動作は並進動作の約3倍,路面乱動させていることが分かった.以上により,並進動作は旋回動作より,路面の荒らし具合が少なく進行方向を切り替えることが可能であることが定量的に明確となった.これからは,極限環境への導入を目的に,駆動原理や設計手法に関しての一般化を行う.具体的には,目的の移動速度・経路を実現するために,どのような制御手法が必要であるかを検討する.機体モデルを構築し,回転アクチュエータの入力角速度から出力される機体全体の移動速度を導出する.また,導出した運動学の機体モデル式の実験的検証を動作解析により行う.さらに,走行性能と設計寸法の関係式を確立する.特に,最大段差踏破高さは,履帯の直径,接地幅,重心など機体寸法に大きく依存する.現在構築している「面状全方向クローラ機構」は最大段差踏破高さに異方性があり,これを解明することにより,凹凸地の多い極限実環境への導入が容易となる.また,段差高さだけでなく,通過可能な経路幅や溝幅も議論する.また,防滴機能を鑑みた設計・試作を行い,屋外環境での走行を安定化させる.機体性能向上とともに,「無限軌道上の回転体に動力伝達する機構を拡張・発展させていく予定である.本年度では,小径履帯を複数配置した面状全方向クローラ移動体の設計・試作,実機実験を行い,考案した駆動方式の原理の有効性を示した.2つのモータを内蔵した面状全方向クローラ試作機を用いて,平地で任意方向に自走可能であることを確認した.さらに,段差上での動作実験を行った結果,前方向のみでなく,測方向,斜め走行も可能であることを実機実験より示した.また,直径約5mmの砂利上や,軟弱地を模したスポンジ上での任意方向への走行が可能である事も実験的に示した.

さらには,面接地による走行面への荷重分散が期待通り行われていることを床反力を計測し示した.以上の内容を,国際学術誌であるRA-Letterに,国際会議IROS2017での発表付で採択されており,学会現地での発表に合わせて,活発に海外の研究者とも研究議論を行った.次に,実環境での使用を考慮し,側方向踏破性向上のための履帯脱離低減機構・テーパ状履帯構造の設計・具現化を行った.この構造を実装した面上全方向クローラ機構を設計・試作し,実機試験を行い,段差踏破の実機実験を通して,実際に側方向の踏破性向上を確認した.さらに実環境として,雪上での任意方向走行試験を行った.以上の内容を国内会議SI2017で発表し,また国内会議robomech2018で発表予定である.以上のように,これまで困難であった不整地上での全方向移動が,今年度の一大径履帯を用いた実機実験により,実際に可能であることを示した.砂利,段差,雪上での任意方向への走行を可能としたことは今後の災害対応ロボットの発展において,非常に重要で意義のあることである.これまでに,ラックチェーン機構を用いた2つのアクチュエータのみの駆動方式の考案を行い,原理確認を小径履帯1つでの実機設計を通して行った.本年度では,小径履帯を複数配置した面状全方向クローラ移動体の設計・試作,実機実験を行い,考案した駆動方式の原理の有効性を示した.2つのモータを内蔵した面状全方向クローラ試作機を用いて,平地で任意方向に自走可能であることを確認した.さらに,段差上での動作実験を行った結果,前方向のみでなく,測方向,斜め走行も可能であることを実機実験より示した.ただし段差は30mm,大径履帯直径の約10%,小径履帯直径の約100%である.また,直径約5mmの砂利上や,軟弱地を模したスポンジ上での任意方向への走行が可能である事も実験的に示した.さらには,面接地による走行面への荷重分散が期待通り行われていることを床反力を計測し示した.次に,実環境での使用を考慮し,側方向踏破性向上のための履帯脱離低減機構・テーパ状履帯構造の設計・具現化を行った.この構造を実装した面上全方向クローラ機構を設計・試作し,実機試験を行った.段差踏破の実機実験を通して,実際に側方向の踏破性向上を確認した.さらに実環境として,雪上での走行試験を行った.走行後の轍の深さを計測すると,約50mm(テーパ高さの約50%)であり,この実験からも測方向踏破性が向上したことが分かった.「面状全方向クローラ機構」は,走行面などの接触対象に対して,1点で任意方向に駆動力を伝達可能な「2軸交差駆動機構」である.「2軸交差駆動機構」の観点から本研究の立ち位置を明らかにし,他の2軸交差駆動機構と比較分類することにより,さらなる伝達機構のアイデアに拡張・発展させる.以上の内容を国内会議SCI'18で発表した.また,測方向踏破性向上のための履帯脱離低減機構・テーパ状履帯構造の設計・具現化を行った.これを実装した面状全方向クローラ機構で,雪上での走行試験を行い,雪上での任意方向走行を可能とした.以上の内容を国内会議Robomech2018にて発表した.さらに,方向切替進行時の路面乱動抑制効果を提案した手法を用いて評価した.軟弱地上では,並進・旋回ともに路面がある程度荒れることが定性的に知られているが,これまで移動体の走行により路面が,どの程度荒れるのか(路面乱動性と定義する)の定量・数値化および砂の流れの状態を実時間把握することが困難であった.そこで,これまで不明確だった砂利上でのクローラ旋回時における水平面内の砂の流れのリアルタイム計測を提案・実施した.特に,クローラの旋回動作と並進動作での,進行方向切替え時の路面乱動性を,走行時の砂利の動きを底面から観察可能な実験装置を用意して,画像処理により砂利の移動量を計測し比較定量評価をした.その結果,提案手法で砂利の動きを数値化可能であることを証明した.
感性BMIー観察している情動の脳内表現とその復号化ー

本研究の結果から、先行提示される映像の種類によって、後続提示される情動映像への各脳領域の機能的な結合が変化することが示された。すなわち先行する社会的な文脈が後の刺激映像の認識に影響を与えることを脳活動から明らかにした。したがって情動を認識する際の脳の特異的な活動を推定パラメータとすることで、本研究の最終目標である感性BMI構築の足掛かりを得るに至った。本研究年度では、サルのトレーニング、128ch-ECoG電極のインプラント、実験装置・刺激の整備、および複数の予備実験を行った。各段階において大きな問題は生じず、本研究課題は順調に進行している。予備実験から得られたデータを解析したところ、信号の振幅をデータとして用いた場合、見ている刺激映像の予測精度はある実験では80%(チャンスレベルは33%)以上に達していた。一方で、感情や社会的文脈といった高次認知活動については、予測精度はチャンスレベルと同等であった。そこで各電極間のGranger因果を計算し映像刺激ごとに比較したところ、感情や社会的文脈の条件間で有意な差が検出された。これらの予備実験から、ビデオ映像観察中のサル脳の視覚応答や聴覚応答、すなわち初期知覚過程に関しては、いくつかの電極から得られたECoG信号の振幅のみによって、検討が可能であることが示唆された。一方(2)感情や社会的な文脈の認知といったより高次な認知機能については、振幅の変化からは検討が不可能であり、複数の電極間(脳領域間)の機能的関係性の変化によって捉えることが可能であることが示唆された。本研究課題は、観察している情動の脳内表現とその復号化であるが、その基礎となるデータ解析法を本研究年度内にほぼ確立できたことは大きな進歩であると考えられる。さらに本研究年度では当初の計画にあった深部電極を使用せず、ECoG電極のみの使用で上記の結果を示すことができた。すなわち、これまで感情認知の座と考えられていた扁桃体などの脳深部領域を記録する必要がなくなるため、より侵襲性の低いBMI手法を確立できる可能性が明らかとなった。したがってこの解析手法を脳波などに応用すれば、ヒトでの非侵襲的な研究を推進することが可能であり、当該研究領域だけではなく、ヒトの脳機能診断等、応用面においても大きな意義がある。本研究年度では、社会的な文脈を付加した映像A(怒りまたは中立)の後に、恐怖を表出するサルの映像Bを提示し、その映像刺激を観察中のサル3頭の脳から128ch-ECoGデータを記録した。なお解析には、映像B提示中の脳活動のみを使用し、映像Aの種類でそれを比較した。これによって視・聴覚刺激の違いによって直接的に生じる脳活動の変化を排除し、直前に観察される映像Aの効果(すなわち社会的情動文脈)を検討することが可能である。これまでの感情認知研究のほとんどは、視聴覚情報による脳活動の変化と感情認知による脳活動の変化とを明確にすることはできなかった。本課題によってその問題点を克服できたことは、大変意義がある。128ch-ECoGデータは膨大であり、特に多数の電極間の機能的な結合を検討するためには、新たな解析手法の開発が必要となる。本研究年度では、その解析手法の開発に重点をおいて進められた。まず独立主成分分析によってデータの次元を圧縮した。これによって次元を圧縮し、また共線性情報を排除でき、さらに重要な時空間情報(信号の周波数と電極位置)の抽出が可能となった。次に有向伝達関数(DTF)を用いることによって、当課題に関係のある皮質領野を同定した。これまでも多くの実験で多電極計測が利用されてきたが、その解析法は端緒についたばかりである。その解析法を本研究で確立したことは今後の研究を推進する上で大変重要な成果である。本研究の結果から、中立の映像Aが先行するときと比べ、怒りの映像Aが先行する場合に、映像8観察中の脳の各領域に強い機能的な結合が見られることが示された。
高温超伝導薄膜の紫外線励起原子層エピタキシ-

Bi系超伝導体薄膜の分子線エピタキシ-において、同時蒸着法による層構造の制御および薄膜の成長機構の解明を試みた。{実験}超高真空チャンバ-内でBi,Sr,Ca,Cuの金属を蒸着源としてクヌ-センセルより分子線を発生させ、オゾン発生装置により発生させた10%のオゾンを含んだ酸素ガスをノズルより加熱した基板に吹き付ける。基板はSrTiO_3(100)を〈110〉方向に0ー6゚オフさせたものを使用した。基板温度は600670°C、酸素の背圧は2_x10^<-5>Torrとした。評価はRHEEDおよびX線回折を用いた。{結果}ジャスト、オフ基板共にRHEED強度には層状成長を示す振動がみられ、その周期は2201相、2212相それぞれのユニット層厚の半分の成長時間に相当している。オフ基板上では、オフ角が4゚、6゚では単一ドメインの薄膜が得られるが、2゚ではa、b軸が揃っていないツイン構造のものが得られた。また、6゚オフの基板では、表面のステップが周期的であることを示すRHEEDパタ-ンのストリ-クの分裂が観測された。その周期は11nmであり、オフ角6゚から、ステップの高さは1.2nmとなる。すなわち2201層の半ユニット層の高さを持ったステップが周期的に並んでいる事を示している。以上の結果から、同時蒸着法の膜厚制御はRHEED振動の観察により可能であり、面内方向もオフ基板の使用により方位を揃えることが出来ることを示した。
新メッシュ気候値に基づく雪質分布地図の作成と近年の日本の積雪地域の気候変化の解明

新しく発表された「メッシュ気候値2000」によって、日本全土を覆う積雪気候値が得られるようになり、それを利用して日本の積雪地域の全部を覆う雪質分布地図を作成した。作成過程では、雪質区分の一つである「しもざらめ雪地域」の定義を再検討し、観測データを基に、気候的な意味付けを明確にした同地域の再定義を行った。また、日本の積雪地域の観測値をもとに、積雪深、気温、降水量間の関係を調べ、温暖積雪地域における気温と降水量で決まる積雪上限の存在など、これら要素間の量的関係を明らかにした。同時に、本量的関係はここで行った積雪の質に基づいた気候区分という質的側面とも密接に関係することも明らかになった。さらに、1990年と2000年二つの平年値の違いをもとに、近年の温暖な気候変化に対する日本の積雪地域の応答について調べ、その特徴を明らかにした。その中では、温暖多雪地域に顕著な積雪深の減少傾向があること、それは先の量的関係の反映であること、したがってこの地域の積雪の減少量は気温と降水量の変動量から推定可能であることなどが明らかになった。新メッシュ気候値に基づく雪質地図を作成し、その気候的、地理的な特徴、また新旧メッシュの違いなどを明らかにするために、メッシ気候値と国土数値情報の標高データを組み合わせたデータベースを作成した。また、雪質の区分において寒冷少雪な地域を指す「しも,ざらめ雪地域」の定義の再検討を行い、その気候条件の再定義を行った。そして、それらを利用して新メッシュ気候値を基にした雪質地図を作成した。その結果、新たに「しもざらめ雪地域」が四国、九州の標高1000m以上の地域に存在する可能性があることなど、雪質と標高との関係が明らかになった。また、「しもざらめ雪地域」を区分する条件は、メッシュ気候値間の関係から求めたものであっため、実際のアメダスなどの観測値で検証する必要があったが、検討の結果、実際の観測平年値間でも成立していることがわかった。その他、月平年値における積雪深、気温、降水量間の関係を調べ、温暖積雪地域「湿り雪地域」(1月平均気温>0.3°C)では、積雪深には気温と降水量で決まる上限があることなどを明らかにした。この関係から、北陸地域の多雪地域が気候変動に対して積雪深が敏感に反応する地域であることが理解できることを明らかにした。「しもざらめ雪地域」について、気象官署における過去のしもざらめ雪発達年の割合を調べ、同地域の定義を定量的な観点から明確化した。また、温暖積雪地域「湿り雪地域」(1月平均気温>0.3°C)の積雪深における気温と降水量で決まる上限は、遷移的な段階をへてそれより寒い地域では成立しないことが明らかになり、雪質区分が積雪深、気温、降水量間の関係という量的な関係と関連を持つことが明らかになった。さらに、1990年と2000年二つの平年値の違いをもとに、近年の温暖傾向に対する積雪地域の応答について検討した。その結果、温暖多雪地域に顕著な積雪深の減少傾向があること、それは先の上限の関係の反映であり、その減少量は気温と降水量の変動量から推定可能であることなどを明らかにした。
原子論に基づく材料の有限温度長時間変形の理論体系の創出

原子レベル時間加速解析を構築し、これを用いた大規模解析によって、有限温度下での長時間変形を解析し、変形のサイズ依存性、応力依存性、温度依存性、ひずみ速度を原子レベルで獲得した。得られた知見をベースに塑性変形理論とクリープ変型理論を融合させた普遍的な有限温度・長時間変形の理論体系を確立した。そして、第一原理計算による材料物性評価をもとに、確立した理論体系を用いてナノ材料開発の指針を提供した。以下の(A)および(B)について研究を実施した。(A)クリープ変形理論の原子論からの再構築。様々な粒径をもつナノ多結晶材料を原子レベルでモデリングし、これに対して分子動力学計算を適用し、比較的高温において、温度と負荷応力を変化させながらクリープ変形試験を実施した。その結果、1)負荷応力が増加するにしたがって、変形のメカニズムが粒界拡散、粒界移動、転位運動と変遷していくこと、2)分子動力学計算の結果を応力依存性の観点から整理した結果、過去の実験結果をよく説明できること、3)結晶粒が小さくなると転位による変形は粒界からの転位生成によるものが支配的になること、4)結晶粒径がナノスケールになるとクリープ速度が明らかな粒径依存性を示すようになることを明らかにした。そして、得られた知見に基づき、粒界拡散,粒界移動,転位生成の熱活性化過程をそれぞれ独立に定式化し,これらを線形に重ね合わせて、実際の分子動力学計算で得られた印加応力とひずみ速度の関係とを比較したところ、両者が良く一致することがわかり、3つのメカニズムの線形重ね合わせで、さまざまな温度域や応力条件下でのクリープ現象を説明できることを示し、原子論に立脚したクリープ構成式の構築の可能性を示した。(B)塑性変形理論の原子論からの再確認。室温での(i)転位移動、(ii))転位と不純物および析出物との相互作用、(iii)転位と粒界との相互作用を、分子動力学解析および原子レベル時間加速解析を用いて実施し、従来の転位論や塑性変形理論と比較することで、従来理論で表現できる部分と原子論でなくては表現できない部分を明確し、有限温度での多結晶体の変形の塑性変形理論の有効性を原子論から検討した。(1)エントロピー効果の明確化これまでの解析において、結晶粒のサイズを数十ナノまで段階的に変化させながらの原子レベルのクリープ変形解析、塑性変形解析結果に基づいて、原子レベルの有限温度でのクリープ変形理論および塑性変形理論変形理論に対して結晶粒のサイズ依存性の因子を導入し、理論の材料スケール依存性に対する展開を行い、その過程でクリープ変形のエントロピー効果が重要であることが判明していたので、本年度は活性化エントロピーを分子動力学計算を用いて精度よく求める手法を開発して、活性化エントロピーに関して定量的な評価を実施した。その結果、多結晶体のクリープ変形において、活性化エントロピーと活性化エンタルピーの間に線形相関があるとするMeyer-Neldel則が成り立っていることを発見した。(2)原子拡散と塑性変形の原子レベルでの解明これまでの研究で、クリープ変形は多分に原子拡散がその支配因子となっていることが判明しているが、原子拡散現象の詳細とその外部応力による影響、転位などの結晶欠陥との相互作用については原子レベルから十分に明らかになっていなかった。そこで、結晶粒内で起こる転位と不純物元素との動的な長時間相互作用挙動を加速分子動力学を用いて解析した。その結果、不純物元素の転位中の拡散経路についてこれまでの常識を覆す新たな知見を得た。また、分子動力学計算を用いて粒界における粒界拡散についてさらに深く検討し、粒界拡散の活性化体積の評価から、粒界拡散が自由体積の拡散によって支配されていることを明らかにした。(1)クリープ変形理論および塑性変形理論の材料スケール依存性への理論展開ーこれまでに実施してきた、結晶粒のサイズを数十ナノまで段階的に変化させながらの原子レベルのクリープ変形解析、塑性変形解析結果に基づいて、これまでに構築してきた原子レベルの有限温度でのクリープ変形理論および塑性変形理論変形理論に対して結晶粒のサイズ依存性の因子を導入して、理論の材料スケール依存性に対する展開を行った。(2)塑性変形理論とクリープ変形理論とを融合させた有限温度・長時間変形理論体系の構築ー有限温度での長時間変形は、原子変位による塑性変形と、原子拡散によるクリープ変形との組み合わせによって生じていることを明らかにし、大規模多結晶モデルを用いた原子レベル解析を用いて、これらの変形がどう関連しているのかを明らかにした。具体的には、温度上昇に対する塑性変形とクリープ変形との割合の変化、粒径と強度の関係、応力とひずみ速度の関係に焦点をあて解析を実行した。そして、従来から提案されている通常結晶粒サイズの材料に対する応力と温度に関する変形マップに、結晶粒サイズのパラメーターを追加した。(3)ナノ合金材料の力学的性質のサイズ依存性に関する研究ーNi3Al合金ナノワイヤーの引張り試験を分子動力学法を用いて実施し、その非線形弾性特性と変形メカニズムのサイズ依存性を明確にした。これまでは主としてバルク材料に主眼を置いてきたが、この解析により孤立したナノ構造に対するサイズ依存性を議論するための基礎的知見を得ることができた。(4)アモルファス金属の過冷却状態における変形ー分子動力学法を用いて、アモルファス金属の過冷却状態における粘性係数の温度依存性を評価することにより、その長時間にわたる変形メカニズムを明らかにした。

本年度に至るまで、長時間クリープ変形に関して、粒界拡散、粒内不純物拡散、不純物と転位との相互作用について詳細な解析を実施してきた。また、その結晶粒サイズ依存性などを明らかにしてきたが、有限温度、長時間の多結晶体の変形を考えるにあたっては、粒界移動および粒界すべりなど粒界そのものの振る舞いに関する知見が不可欠である。これらは、結晶粒の形やサイズの時間変化を引き起こし、ひいては多結晶体全体の力学特性の変化をももたらす。そこで本年度は、結晶粒界の移動およびすべりに関する加速分子動力学解析を行って、粒界の有限温度応力下での振る舞いを解析した。具体的には、対称傾角粒界を対象として、粒界に沿ったせん断応力下での様々な温度における粒界の運動を原子レベルで詳細に調べた。その結果、低温高応力下では粒界はすべりと移動がカップリングした運動を呈することがわかった。その一方で、高温低応力下では、粒界での拡散が主として粒界の運動を支配し、その結果として粒界移動とすべりとはデカップリングして独立に発生することがわかった。このように、温度と応力によって粒界の運動が異なることを初めて明らかにした。この知見を変形理論にモデル式の形で導入した。26年度に雇用予定であった研究協力者が急遽参画できなくなったため、粒界の運動に関する加速分子動力学解析がやや遅れをとることになった。しかしその一方で、粒界からの転位の放出現象の解析準備が整い、27年度に向けた準備が思いの外順調に進んだ。これらを総合して、おおむね順調に進んでいると考える。これまで、長時間の原子シミュレーションによって、塑性変形理論とクリープ変形理論を融合させた新たな多結晶材料の変形理論の構築を行ってきた。この理論を用いて、これまでに得られている材料変形に関する多くの実験データーを検証したところ、1ミクロンサイズの結晶粒径を境に多結晶体の変形特性が大きく変化していることがわかった。特に結晶粒が大きい場合には通常降伏点降下が見られない材料であっても、1ミクロン以下では降伏点降下が観察されることが多い。その原因を力学モデルを用いて探求したところ、1ミクロン以下の粒径の材料では、粒内での転位源活動が極めて限定されるため、塑性変形をもたらすために、粒界からの新たな転位の核生成が発生し、それが塑性変形の素過程を支配していることがわかった。このため、粒界からの転位核生成過程に着目し、その温度、応力依存性を加速分子動力学法を用いて解析した。その結果、a)応力によって転位核生成のメカニズムが変化することがわかった。具体的には、低応力では単一の転位が核生成し、高応力では複数の転位が一度に核生成するという核生成メカニズムの遷移が生じることがわかった。b)転位核生成現象は極めて強い温度依存性を有することがわかった。c)転位核生成応力ーひずみ速度関係には、上記a)のためキンクが生じることを発見した。本年度得られたこれらの粒界からの転位核生成の知見を多結晶体の変形理論へと組み入れ、変形理論を完成させた。原子レベル時間加速解析を構築し、これを用いた大規模解析によって、有限温度下での長時間変形を解析し、変形のサイズ依存性、応力依存性、温度依存性、ひずみ速度を原子レベルで獲得した。
ペプチドホルモン経路と低分子ホルモン経路の干渉を介した発生・成長システムの解明

高等植物の体は様々な細胞群が協調して機能することで成り立つが、それら細胞間のコミュニケーションを秩序立てて処理する仕組みや、その仕組みが発生・成長の制御において担う役割に関して、過去に解明された例は未だ限定的である。そのような中、研究代表者は、共通の受容体ファミリーが複数の現象で共通して働くものの、現象ごとに異なるリガンドを受容し、さらにその受容体経路の下流では現象ごとに異なる低分子ホルモン経路の働きが調節される、という興味深い受容体システムに関する研究を展開してきた。本研究ではこの研究経緯を発展させ、リガンドの選択性を現象ごとに変化させる分子機序、異なる低分子ホルモン経路の働きが現象ごとに調節されるメカニズム、に焦点を当てた解析を行い、これらの仕組みで中心的な役割を担う新規制御因子群の同定までを目指す。本年度は、本研究で解析対象とするERファミリー受容体群の関わる発生現象のうち、リガンドが同定されていないケースでの未同定リガンドの同定作業のうち、昨年度までに葉脈パターン形成でのリガンド候補として発達中の葉脈で生まれるリンド候補を見出していたので、その解析に用いる植物の作成などを進めた。まず既存の変異体が存在していなかったので、CRISPR/Cas9により機能失変異体の作成を進め、複数の機能欠失アレルをホモの状態で確立した。また、エシトラジオール誘導型の過剰発現体も確立も完了した。他にも、扱っている各種のリガンドに関して、機能冗長性を考慮した機能欠失多重変異体の作製も進めた。これらのラインは今後解析を進める。さらに、着目している各現象ごとにERファミリー経路の下流で調節される低分子ホルモン経路の探索を進めた結果、花器官の成長に関わるペプチドホルモンの下流で低分子植物ホルモンのジベレシン経路が調節されている可能性を見出した。解析に必要となる機能欠失体や過剰発現体のライン整備が順調に進んでいることにくわえて、受容体シグナルの下流で低分子ホルモンの作用が変化している可能性もつかんだ。以上のことから、現在までの進捗状況としては、「おおむね順調に進展している」と判断した。着目している因子群に関してまずは確立が進んできた過剰発現体と機能欠失体の解析を進める。機能欠失体に分かりやすい異常が生じていない場合は、機能冗長性により機能が補完されている可能性を考慮し、ファミリー因子群との多重機能欠損体を作製する。花器官の成長に関わるペプチドホルモンの下流で低分子植物ホルモンのジベレシン経路が調節されている可能性を見出したのと同様に、他の着目現象においても今回の受容体下流でどのような低分子ホルモン経路が作動しているのかの解析を引き続き進める。また、本受容体下流でこれら低分子ホルモン経路がどのような機序で活性調節をされているのかの解析を進める予定である。本研究ではこの研究経緯を発展させ、未同定リガンドの探索、異なる低分子ホルモン経路の働きが現象ごとに調節されるメカニズム、に焦点を当てた解析を行い、これらの仕組みで中心的な役割を担う新規制御因子群の同定までを目指す。本年度は、(1)本研究で解析対象とするERファミリー受容体群の関わる発生現象のうち、リガンドが同定されていないケースでの未同定リガンドの同定、(2)各現象ごとにERファミリー経路の下流で調節される低分子ホルモン経路の探索を進めた。その結果、(1)に関しては、葉脈パターン形成でのリガンドとして、発達中の葉脈で生まれるリンド候補を見出した。(2)に関しては、ERファミリー経路の活性化により発現変動を起こす遺伝子群を網羅的に同定することから解析の足がかりを得ることを目指して、既知リガンドによる刺激を操作できるリガンド発現誘導系の確立を進めた。計画していた通りに、ERファミリー受容体群の未知リガンドの同定が進んでいる。また、各現象ごとのERファミリー経路の下流で調節される低分子ホルモン経路の探索に向けた準備に関しても、ERファミリー経路の活性化により発現変動を起こす遺伝子群を網羅的に同定するためのリガンド発現誘導系の確立が進んでいる。これらのことから、概ね順調に進展していると判断している。

まず既存の変異体が存在していなかったので、CRISPR/Cas9により機能失変異体の作成を進め、複数の機能欠失アレルをホモの状態で確立した。また、エシトラジオール誘導型の過剰発現体も確立も完了した。他にも、扱っている各種のリガンドに関して、機能冗長性を考慮した機能欠失多重変異体の作製も進めた。これらのラインは今後解析を進める。さらに、着目している各現象ごとにERファミリー経路の下流で調節される低分子ホルモン経路の探索を進めた結果、花器官の成長に関わるペプチドホルモンの下流で低分子植物ホルモンのジベレシン経路が調節されている可能性を見出した。解析に必要となる機能欠失体や過剰発現体のライン整備が順調に進んでいることにくわえて、受容体シグナルの下流で低分子ホルモンの作用が変化している可能性もつかんだ。以上のことから、現在までの進捗状況としては、「おおむね順調に進展している」と判断した。リガンドが未同定の現象が残っているので、その現象におけるリガンドの同定を引き続き継続する。同定したリガンドの解析にあたっては、リソースセンターに変異体が存在しない場合は、CRISPR-CAS9を用いて変異体を作成する。リガンドが同定済みの現象に関しては、確立したリガンド発現誘導系を用いて受容体刺激を加えたのちのRNA-seqによる解析を行い、下流で変動する因子群を網羅的に把握する。その遺伝子群の中から各現象での低分子ホルモン経路の調節に関わり得る因子候補群の絞り込みを行い、その各々の因子の個別検証・解析を進めることで、各々の現象での低分子ホルモン経路の調節で重要な働きを行う制御因子を同定する方針である。着目している因子群に関してまずは確立が進んできた過剰発現体と機能欠失体の解析を進める。機能欠失体に分かりやすい異常が生じていない場合は、機能冗長性により機能が補完されている可能性を考慮し、ファミリー因子群との多重機能欠損体を作製する。花器官の成長に関わるペプチドホルモンの下流で低分子植物ホルモンのジベレシン経路が調節されている可能性を見出したのと同様に、他の着目現象においても今回の受容体下流でどのような低分子ホルモン経路が作動しているのかの解析を引き続き進める。また、本受容体下流でこれら低分子ホルモン経路がどのような機序で活性調節をされているのかの解析を進める予定である。
末梢神経損傷により中枢移行する免疫系細胞とグリア細胞連関による中枢神経機能変化

末梢神経損傷による末梢免疫系細胞の脊髄内浸潤経路を検討した。Evans Blue尾静注により、血液-脊髄関門破綻による脊髄後角での血管漏出を検討したが、末梢免疫系細胞の脊髄内浸潤がピークとなる、L5脊髄神経損傷7日、14日後においても、顕著な血液-脊髄関門の破綻が認められる実験的自己免疫性脳脊髄炎モデルと比較して、血管漏出は僅かなものでしかなかった。また、血管内皮細胞やタイトジャンクションに対する複数のマーカーの脊髄後角での発現変化を検討したが、L5脊髄損傷後でも変化は認められなかった。さらに、GFP陽性骨髄キメラマウスに蛍光色素DiIを静脈内注射し、血管を可視化してGFP陽性末梢免疫系細胞との関係を検討した。その結果、後根神経節においては、多数のGFP陽性細胞が血管と共存し、血管から漏出して後根神経節内に浸潤していく様子が観察されたが、脊髄後角においては、DiIで可視化された血管走行との立体的な位置関係は重なることはなく、血管から免疫系細胞が漏出している様子は観察されなかった。そこで、GFP陽性骨髄キメラマウスにおいて、切断したL5脊髄神経周辺を確認したところ、損傷部位周辺の脊髄神経および後根神経節に多数のGFP陽性マクロファージの他、一部、Tリンパ球の浸潤が認められ、さらに、数は少ないものの後根神経節より上位の後根への浸潤も認められ、その一部は脊髄後角にまで達するものであった。これらの結果から、末梢神経損傷時の免疫系細胞の脊髄内浸潤経路として、血液-脊髄関門の破綻による血管漏出の可能性は小さく、損傷した末梢神経束から後根を介した浸潤経路の可能性もあると考えられる。また、脊髄内においてマクロファージ走化性因子であるCCケモカインCCL2の産生が顕著に増加しており、末梢神経損傷時に脊髄内でCCL2を産生する主な細胞であるアストロサイトの関与も疑われる。25年度が最終年度であるため、記入しない。GFPトランスジェニックマウスから採取した骨髄由来細胞を野生型マウスに骨髄移植したキメラマウスを利用し、末梢神経損傷(L5脊髄神経切断)時の常在性ミクログリアおよび脊髄内移行する免疫系細胞との関連を解析した結果、神経損傷3日後をピークとして、常在性ミクログリアが活性化され、引き続き7日後、14日後にかけて、末梢免疫系細胞、特に末梢由来マクロファージの浸潤が徐々に増加していく様子が観察された。また、常在性ミクログリアが活性化する領域と、末梢免疫系細胞の浸潤領域を解析した結果、両者とも切断したL5脊髄神経の脊髄支配領域を中心に吻側尾側に広がっており、それらの領域はほぼ一致していた。これらの結果から、末梢神経損傷により、まず、脊髄常在性ミクログリアが活性化され、その影響により血液-脊髄関門が破綻し、末梢免疫系細胞、特にマクロファージの脊髄内浸潤が誘導されているものと推察された。一方、これまでの検討において、マクロファージおよびミクログリアに発現しているTRPM2チャネルが神経障害性疼痛に関与していることを明らかにしてきたが、どちらのTRPM2がより寄与が大きいかは不明であった。そこで、野生型/TRPM2-KOマウス間で骨髄キメラマウスを作成し、神経障害性疼痛への寄与を検討した。その結果、骨髄由来細胞(マクロファージ)のTRPM2をKOした場合でも、レシピエントマウス(ミクログリア)のTRPM2をKOした場合でも神経障害性疼痛は抑制された。

また、いずれのキメラマウスでも、損傷した末梢神経周囲へのマクロファージ浸潤に差は認められなかったが、脊髄内浸潤するマクロファージ数が有意に減少した。一方、脊髄の常在性ミクログリアに変化は認められなかった。これらの結果から、TRPM2は末梢神経損傷時の骨髄由来マクロファージの脊髄内浸潤に関与し、神経障害性疼痛に寄与することが示唆される。25年度が最終年度であるため、記入しない。末梢神経損傷により脊髄内浸潤する免疫系細胞の経時変化と細胞種の同定、およびそのメカニズムの解析については、当初の研究計画通りに遂行でき、特にTRPM2との関連については当初の計画以上に進展できた。一方、原因不明の理由による遺伝子改変マウスの繁殖能力低下、および骨髄移植によるキメラマウス作製時に死亡例が多発したことなどから、実験計画の一部が遅延する結果となったが、平成25年度の初めにはこれら繁殖、キメラマウス作製時の不備は概ね改善できた。また、これまでの報告から、当初、末梢神経損傷により脊髄内浸潤する免疫系細胞の多くはT-リンパ球であろうと予想していたが、解析の結果、多くはマクロファージであり、Tリンパ球の浸潤はごく僅かであることが判明し、若干の研究計画の方針転換を余儀なくされた。また、末梢神経損傷により脊髄内浸潤する免疫系細胞の数が、他のEAEモデルなどと比較すると少なく、Cell Sortingなどによる分離採取が困難であったため、in vitro実験系として計画していた免疫系細胞とグリア細胞との連関については、実施することが困難であった。平成24年度の研究計画に若干の遅れがあるものの、研究の方針自体に大幅な変更は行わない。ただし、本新学術領域の班会議や他の学会において、骨髄キメラマウスを用いた免疫系細胞の脊髄内浸潤の解析法には限界があることを指摘されたため、ガンマ線照射を行わないマウスを用いた血液-脊髄関門の破綻、Iba1抗体では識別できないマクロファージ/ミクログリアだけでなく、他のTリンパ球などの免疫系細胞を指標とすることで、これらの問題を平成25年度の早期のうちに解決する。また、平成24年度の検討から、脊髄内浸潤する免疫系細胞の経時変化がミクログリアより遅く、アストロサイトの活性化の経時変化とほぼ一致していること、アストロサイトが血液-脊髄関門の重要な構成細胞の1つであること、神経障害性疼痛に関連し、マクロファージの浸潤に重要な役割を果たすケモカインCCL2の脊髄内での主な産生細胞がアストロサイトであることなどから、本年度は、免疫系細胞の脊髄内浸潤のメカニズムにおけるアストロサイトの役割について重点的に検討を開始する。また、当初の研究計画通り、脊髄内浸潤した免疫系細胞と常在性グリア細胞との連関について、上述したとおり、Cell Sortingなどによる分離採取は困難であったが、マウス数を重ねることにより対応する。
RNA干渉法(RNAi)を用いた脳腫瘍浸潤抑制のための標的分子同定

悪性グリオーマ患者の予後は診断・治療技術の向上にもかかわらず依然として改善せず、その主たる原因は腫瘍細胞の増殖能と強い浸潤能にあると考えられる。特にグリオーマ細胞の浸潤能を制御する分子機構を明らかにすることができれば、悪性度を規定するためのマーカーとしてばかりでなく、治療の標的として用いることができる。各種メタロプロテアーゼを始めとするタンパク分解酵素、細胞膜上に発現されている接着分子、細胞骨格制御タンパクは癌細胞の浸潤や転移に密接に関与することが知られており、それらの分子の変化によってもたらされる細胞の形質変化の解析こそが、グリオーマを始めとする浸潤能の高い腫瘍の治療に寄与するものと考えられている。しかし、侵潤能の鍵となる分子の同定ならびにその分子発現を薬剤で抑制したときにどのような効果が得られるかについて予測することは、今までの実験技術では極めて困難であった。本研究はグリオーマの浸潤に関与すると考えられる各種メタロプロテアーゼを始めとするタンパク分解酵素、細胞膜上に発現されている接着分子、細胞骨格制御タンパク遺伝子をRNAi法によってノックダウンし、薬剤治療の標的となりうる分子を探索することを目的として行った。その結果、ADAM10及びADAM17という2つの膜型メタロプロテアーゼの発現をRNAiによって抑制することによってグリオーマ細胞のマトリクス内(特にヒアルロン酸)への浸潤を有意に阻害することができた。また、ADAM10は細胞内へのカルシウムの流入によって活性化し、ADAM17はプロテインキナーゼCとその下流で活性化する低分子Gタンパク質Racの働きで活性化することが分かり、CD44をはじめとする接着分子を膜状で切断し細胞のマトリクスへの着脱をコントロールすることにより細胞の浸潤に関与することが明らかになった。
ゾル-ゲル法による有機・無機複合非晶質体の合成と光物性

本研究ではゾル-ゲル法の原料として、有機分子との反応性の高いアミノ基を側鎖に持つアルコキシドを用い、有機分子とゲル間に化学結合を形成させた有機無機複合体を合成し、その特性を調査し、有機分子とマトリックス間の相互作用が有機分子の光物性に及ぼす影響について検討した。具体的には原料として通常のゾル-ゲル法で用いられているテトラメトキシシラン(TMOS)の他に、アミノ基を持つアミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)を用いた。このAPTESを添加した出発溶液にPHB(光化学ホールバーニング:Photochemical Hole Burning)効果を示すことで知られるポルフィリン系有機色素TCPP(Tetrakis Carboxy Phenyl Prophine)を加え、ゲル中でのTCPPの状態及び有機色素とマトリックスとの相互作用について検討した。第一に出発溶液の組成を[TMOS]:[APTES]:[H_2O]:[C_2H_5OH]:[TCPP]=1:0.5:6:6:10^<-4>(モル比)とする事により、透光性で均一なゲル体(有機無機複合体)が得られた。このゲル体中でのマトリックスと有機色素間の結合状態を赤外吸収スペクトルにより測定し、両者が共有結合していることを確認した。PHB測定の結果、3.6Kにおけるホール幅は0.7cm^<-1>であり、このホールは試料を80Kに昇温した後も確認され、従来の複合体では得られなかった高温でホールが確認された。低エネルギー励起モードE_sの値は26cm^<-1>となり、従来の複合体でのそれより小さい値となった。以上より、本研究に於いて合成された有機無機複合体中では色素-マトリックス間の共有結合が色素の構造緩和を抑制し、それにより従来の複合体よりPHB特性に優れた有機無機複合体が得られたと考えられる。
シクロプロピルアシルシランのハロゲン化ホモアリル誘導体への立体選択的変換

シクロプロピルアシルシラン(1)の合成的利用に関する研究の一環として、1及びその誘導体におけるシリル基と炭素三員環の特性を利用したホモアリル誘導体の立体選択的生成について検討した。まず、炭素三員環の2,3-位に種々の置換基を持つ1と有機金属試薬との反応によって対応するシクロプロピルシリルカルビノール(2)を高収率で得た。なお、シリル基のBrook転位によるシリルエーテルの生成は認められなかった。2-フエニル-1の反応ではそのexo/endo混合物からexo体のみが消費され、2はジアステレオマー混合物となったが、その他のアルキル置換-1からは単一生成物が生じた。2とハロゲン酸(THF中)、またはスルホン酸類(MeOH中)との反応では、炭素三員環が開環した対応するホモアリル誘導体(3)(ホモアリル位置換基X:ハロゲン酸による反応ではX=Cl,Br、スルホン酸類との場合にはX=OMe)が高収率で生じた。3のアルケン部の立体配置は用いた酸には無関係で、カルビノール炭素上のアルキル基(R′)がn-Buの2からはE-3が、R′がt-Buの2からはZ-3が選択的に生成した。3のフッ素アニオン試薬(TBAF)による脱シリルプロトン化では、Xがメトキシ基のE-3からはアルケン部がZ-配置の、Z-3からはE-配置のホモアリル誘導体(4)が選択的に生じた。この際、トリメチルシリル基を持つE-3の脱シリルプロトン化はZ-3に比べて困難であったが、ジメチルフェニルシリル基を持つE-3からは効率良くZ-4が生成した。3のXがハロゲンの場合、脱シリルプロトン化は進行せず、ハロゲン化水素の脱離によりシリルジエン体が得られた。通常のシクロプロピルカルビニルカチオンのホモアリル転位ではE-ホモアリル誘導体が優先的に生成するJulia反応とは対照的に、本手法では、カルビノール炭素にシリル基を導入することによって転移反応の立体選択性を向上させると共に、生成物のシリル基を脱離させることによって、Julia反応での結果とは逆の立体配置のホモアリル誘導体が得られた。
微生物ループを駆動する主要細菌系統群の動態解析

前年度までに研究開発を行った、海洋細菌の群集組成とその増殖を定量する新手法Bromodeoxyuridine immunocytochemistry(BIC)-FISH法を用いて、海洋の一次生産者である植物プランクトンの増殖に対する海洋細菌群集の動態解析を行うことを目的とした。2007年5月に東京大学海洋研究所国際沿岸海洋研究センターにて実施した人工的にブルームを起こさせるメソコズム実験の採取試料について、BIC-FISH法による細菌群集の動態解析および環境パラメーター(クロロフィルa量、溶存態有機物量、懸濁外有機物量、ウイルス数、原生生物数)の測定を行った。また、実際に西部北太平洋に形成された春季植物プランクトンブルーム内及びブルーム外の細菌群集についてBIC-FISH解析および環境パラメーターの測定を行った。メソコズム実験および天然環境のブルーム内からは共通してRoseobacter、Alteromonas、Bacteroidetesグループの活発な増殖が確認され、それに伴い現存量の増加が確認された。反対に、ブルーム内外において最も優占していたSAR11グループの増殖はそれほど見られなかった。また、天然環境中からは、メソコズム実験では見られなかったSAR86グループの増殖および現存量の増加が観察された。SAR86グループの増殖は、過去に行われてきた植物プランクトンブルームメソコズム実験では確認されておらず、実際の天然環境中に形成されたブルームに応答し、増殖してくるグループであることが示唆された。以上の結果から、Roseobacter、Alteromonas、Bacteroidetesグループに加え、SAR86グループが植物プランクトンブルームの形成および崩壊過程を支配している細菌群であることが示唆された。本研究は、海洋細菌群集の群集組成とその増殖を定量する新手法BrdU immunocytochemistry(BIC)-FISH法を用いて、海洋細菌主要系統群の細菌生産への寄与を定量的に見積もると同時に、基礎生産の変動とリンクして増殖する過程を解析することを目的としている。2005年8月から2006年8月に広島湾で行った定点観測試料についてのBIC-FISH解析は終了し、解析の結果から、Roseobacterグループは植物プランクトンブルームと同調して増殖し、CFBグループは植物プランクトン崩壊期に増殖していることが明らかとなった。また、植物プランクトンブルームに対する細菌群集の応答を詳細に調べるため、2007/4/16から4/30まで西部北太平洋に形成される春季ブルームを追跡する航海(淡青丸海洋研究開発機構)に乗船し、試料採取を行った。また、2007年5月に人工的にブルームを起こさせるメソコズム実験を実施した。解析の結果、西部北太平洋に形成された4つの植物プランクトンブルームの内、2つのブルームからは、細胞サイズが非常に大きい「鎌状」の特徴的な形態を持ったGammaproteobacteriaの増殖が確認された。これらの細菌群の増殖は、これまでのメソコズム実験によって行われてきたブルーム応答実験では確認されておらず、ブルームを構成する植物プランクトンの種類、生理状態によって応答してくる細菌系統群が大きく異なることが明らかとなった。また、海洋細菌の群集構造を迅速に解析することができる新手法マイクロビーズアレイシステムについて、培養細菌株を用いた方法論の確立を行った。この結果16S rRNAをターゲットとした検出が可能であり、さらに蛍光強度からRNA量の定量が可能であることがわかった。
膵神経内分泌腫瘍におけるPDXモデルの樹立と解析

本研究は、肝胆膵領域がんのヒト患者腫瘍を、重度免疫不全マウスに移植するものである。当院ではヒト腫瘍の動物モデル作成は、実験動物センターでは初めての試みであり、手術室から動物実験室へのヒト腫瘍の持ち込みにはハードルが高く、これを目的とした搬入経路の確保に時間がかかり、実験開始可能な準備が整ったのが2019年3月であり、ここから開始となっている。肝胆膵領域癌では、術前画像では診断しえなかった肝転移や腹膜播種が術中に判明し、術中に手術中止となることがある。特に本研究の趣旨から、進行がんで腫瘍が比較的大きい症例を選定しており、手術中止となる可能性はあらかじめ想定していた。2019年度は移植を企図して3例の患者を選定し、同意書に基づいて同意を取得し、手術に臨んだが、2例では術中判断で手術中止となり、結果一例で移植を施行。移植した腫瘍は順調に増殖しており、現在は。現在は症例を蓄積している段階である。2018年度に10例程度のPDXモデル樹立を目指していたが現時点ではやや遅れている。また、ヒト腫瘍検体を手術室から新鮮な状態で、高度清潔区域である動物実験施設に持ち込むためには、腫瘍搬入のための整備が必要である。これらの手続きにより実験開始準備が整ったのは2019年3月であった。現時点では、手術室で摘出したヒト腫瘍を、動物実験施設で移植するための搬入経路も確立しており、実験環境が整っているため、あとは症例の蓄積を続けるのみである。本研究はヒト腫瘍を手術室から動物実験センターへ持ち込む実験系であり、搬入経路・方法を確保し、動物実験計画が承認されたのが2019年3月であった。このため、実験に必要な物品・マウス購入費等がかかったのは2019年3月分のみである。一方で計画を遂行するために2019年度分のマウス購入費等の物品代は多くなると予想される。
膜蛋白から膜蛋白へどのようにして情報が伝達されるのか?

pHtrII(pharaonis halobacterial transducer protein)は2回膜貫通型の膜蛋白であり,膜中でpharaonis phoborhodopsin(ppR)と2:2のモル比で複合体を作り,光信号を細胞内へ伝達する.pHtrIIは大腸菌やサルモネラ菌のアミノ酸への走化性のレセプターと類似しており,膜ヘリックス部分,膜から出た直後の部分(linker region),メチル化サイトおよびリン酸化サイトからなる.大腸菌の走化性の実験からは,linker regionは重要な役割をしていると考えられている.そこで,ppR/pHtrII系でもliker regionが信号伝達に重要ではないかとの考えのもとに実験を進めた.従来,ppR/pHtrIIの結合は膜内ヘリックス間相互作用で結合される考えれていた.linker regionのみを大腸菌で発現させ,liner regionのみでもpHtrIIに10μMの結合定数で結合することを等温滴定型熱量計で示した.さらに,linker regionを15Nでラベルしたサンプルを用い,NMRの信号のアサインをし,ppRの存在によって,Chemical shiftが変化することを示した.また,このlinker regionのCDは界面活性剤の有無により変化するので,多くのコンフォメーションをとることの出来る「カメレオン」蛋白であることが分かった.このような性質が信号伝達に重要な役目をしているのであろう.pharaonisphoborhodopsin(ppRと略す.Natromonus pharaonis sensory rhodopsin II, NpSRIIとも称せられる)は,N.pharaonisの細胞膜に存在するレチナールを発色団とする7回膜貫通型タンパクである.この色素タンパクは,約500nmに吸収極大を持ち,光で励起されるとこの菌体はこの光から逃げると言う負の走光性を示す.ppRは膜中でpharaonis halobacterial transducer II (pHtrII)という2本の膜貫通ヘリックスをもつタンパクと相互作用をしている.我々は以前に,この両者の結合の解離定数は約0.1μMの強い結合であることを明らかにした.この解離定数は等温滴定型カロリメトリー(isothermal titration calorimetry, ITC)を用いて求められたものである.また,我々はppRとpHtrIIがが結合すると,ppR単体よりも熱安定性が増すことを発見した.この方法はっ結合の解離定数を算出するというような定量的な議論は出来ないが,結合するか否かを簡単に判定出来る.今年度はITCの使用や熱安定性を指標に,2つのタンパクでの相互作用部位を検討した.その結果,ppRのY199とpHtrIIのN74との水素結合,ppRのY199とpHtrIIのF28とのベンゼン環の相互作用,ppRのT189とpHtrIIのS62およびE43との2本の水素結合が重要であることを,ITCや熱安定性測定の方法で明らかにした.また,ppRとpHtrIIとの細胞内ドメインの相互作用の存在を示した.来年度は,これらの結合部位を介しての情報伝達機構の解明を行う.pHtrII(pharaonis halobacterial transducer protein)は2回膜貫通型の膜蛋白であり,膜中でpharaonis phoborhodopsin(ppR)と2:2のモル比で複合体を作り,光信号を細胞内へ伝達する.pHtrIIは大腸菌やサルモネラ菌のアミノ酸への走化性のレセプターと類似しており,膜ヘリックス部分,膜から出た直後の部分(linker region),メチル化サイトおよびリン酸化サイトからなる.大腸菌の走化性の実験からは,linker regionは重要な役割をしていると考えられている.そこで,ppR/pHtrII系でもliker regionが信号伝達に重要ではないかとの考えのもとに実験を進めた.従来,ppR/pHtrIIの結合は膜内ヘリックス間相互作用で結合される考えれていた.linker regionのみを大腸菌で発現させ,liner regionのみでもpHtrIIに10μMの結合定数で結合することを等温滴定型熱量計で示した.さらに,linker regionを15Nでラベルしたサンプルを用い,NMRの信号のアサインをし,ppRの存在によって,Chemical shiftが変化することを示した.また,このlinker regionのCDは界面活性剤の有無により変化するので,多くのコンフォメーションをとることの出来る「カメレオン」蛋白であることが分かった.このような性質が信号伝達に重要な役目をしているのであろう.
数値解析による伝熱促進効果の定量化に基づく都市熱環境緩和のための都市形態の最適化

本研究では大気境界層に対する人口構造物の解明および都市熱環境から見た最適な都市形態を求めることを目標としそこで本研究では東京都区部を対象に、都市規模、人工排熱量などの指標で表せる「現状の都市活動総量」を変化させないという条件のもとで都市の立地や配置を変化させ、どれほどの都市熱環境制御効果が得られるかを解析することを目的とした。その上で省エネルギーなど既に検討されている都市熱環境制御策との比較検討を行った。手法としては局地気象モデルによるコンピュータシミュレーションを用いた。解析の結果、以下2点の結論を得た。・集中型において気温が低下し、分散型では上昇する。これは、高層化に伴って人工熱が上空に排出されるようになり、地表面付近への影響が少なくなるためである。・高層化による立体的集中によっては、特に日中において気温低下が大きく、反面、人工排熱削減によっては夜間の気温低下が大きいため、両者の方策は相互補完性を持つ可能性がある。