hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
身体面から働きかける補完代替療法導入のための精神科看護師への教育と普及方法の開発

当該年度では,4施設において1年間月1回実施してきたデータ収集(唾液アミラーゼ試験,POMS,インタビュー)が終了した.収集したデータのうち,生理学的指標とした唾液アミラーゼ及び心理学的指標としたPOMSのデータ分析を行った.POMSの結果はネガティブな情動状態全般の推定値であるTMD得点がほとんどの対象者においてすべての測定時期で実施後に減少していた.これによりアロママッサージを実施することが,施術者である看護師にとって,心理的な効果としてネガディブな気分を減少させる可能性が示された.一方,生理学的な指標は継続的なアロママッサージの使用によって増加がみられ,その効果は減少してしまうことが考えられた.以上の結果を,日本統合医療学会(2018,10月,札幌)において発表した.インタビューによる質的な分析は継続中であるが,精神科看護師は,アロママッサージを使用することによる患者との関係性の変化を認識していた.コミュニケーションをとることが難しい患者とのコミュニケーション促進及びコミュニケーション内容の深化を多くの看護師が報告していた.さらに,アロマの使用を通して精神疾患患者の他者への関心やケア行動が見られたことも報告されていた.この結果については,2019 AAPINA Conference Planning Committeeの学会発表に採択され発表を予定している.以上の結果について,論文作成を進めている.昨年度の関西近縁に生じた地震,および台風による災害後の対応によりしばらく研究活動を行えない時期があったため.昨年度より継続していた質的データの分析を終了させ,学会発表,論文による公表及び報告書の作成を実施する.26年度は,文献検討とCAM(補完代替療法)について全国調査をするための質問紙作成を行った.これは,精神科看護領域において,CAMのエビデンスを重ねるためにもまずその安全性,有効性を先行研究によって確認するとともに,使用の実態を把握することで,何をどのように教育することが必要かを把握するために必要であった.システマティックレビューにより,精神疾患を持つ人へのCAM(補完代替療法)の現段階におけるエビデンスのいくつは明らかにされていることがわかった.具体的には,抑うつや不安障害の人に対し,アロマセラピー,ヒーリングタッチ,手や足のマッサージ,運動療法は,いっそうの研究の蓄積が求められるものの,効果の可能性が示唆されていた.認知症の人については,ヒーリングタッチ,リラクゼーション,運動療法,瞑想が,周辺症状の軽減に対して効果を示す一群があることがわかった.統合失調症の人については,アロマセラピーの効果は認められず,ダンスセラピーおよび運動療法については低い効果が認められたという結果にであった.日本におけるCAMの普及状況では,首都圏の病院や訪問看護における使用についての実態調査が報告されていた.これによるとCAMの実施の要因として,知識の習得,ケア時間の確保,科学的根拠,予算の確保,評価方法等が,障壁となっていることが明らかにされていた.精神科看護領域では,近年マインドフルネスなど薬物療法と同等の成果を上げるCAMの注目がある.これまでのCAMの活用を検討するだけでなく,新たなCAMの生成も視野にいれた研究が求められていると考えられた.27年度は,精神科看護領域における補完代替療法を導入するにあたって,活用と関心の現状を把握し,普及のための課題を検討するために,日本精神科病院協会に所属する精神科病院および精神病床を有する病院1206施設の看護管理者に質問紙調査を実施した.その結果,CAMに関心があると回答した看護管理者は7割を超えたものの,CAMを実際に導入している施設は46.2%であった.導入していない施設であっても,導入している施設との間でCAMへの関心の高さに差はなかった.CAMの導入には,過去のCAMの活用経験が影響していることが分かった.アロマセラピー(44.4%)とアニマルセラピー(39.9%)の関心が高かった.CAMの導入の有無にかかわらず,導入のために検討すべき条件は,「専門的知識の習得」であり,すでに導入している施設では,それに加えて,「ケアのための時間の確保」が検討すべき検討すべき条件であることが分かった.CAMを導入していないが関心があると回答した看護管理者は多く,これらの対象がCAMを導入するためには,上記の条件に加え,「効果の評価のわかりやすさ」と「看護師同士の合意」「他の医療職の了解」が検討されるべき課題であることが分かった.精神科領域におけるCAMの全国規模の調査は行われておらず,CAMを導入,普及するための支援策を検討するためには重要な結果であるといえる.本結果に基づき,今後導入のために必要な条件である「専門的知識の習得」及び「ケアの時間確保」への対応として,精神科看護師を対象としたCAMのセミナーを開催する.これにより,知識の習得機会を助け,ケアの時間確保のための対策を参加者とともに検討することを計画している.初年度の遅れが響いている.そのため,本年度は,初年度に実施予定であった全国調査を実施し,それを公表することとなった.本来なら,27年度中に実施予定だった,セミナーの開催が遅れ,企画までとなった.平成28年度は,精神科看護師を対象にした補完代替療法(以下CAM)のワンデーセミナーを開催した.大阪府下の精神科病院に呼びかけ,10施設23名の看護管理者および看護師の参加が得られた.セミナーの目的は身体面から働きかけるCAMの知識と技術の提供であった.内容はCAMの概要および全国調査で関心の高かったアロマに関する知識,そしてマッサージ,ヒーリングタッチについての説明を行った後,実際にハンドマッサージ,フットマサージをお互いに体験した.アロマとマッサージは多くの症例を経験している開業アロマセラピストに依頼した.

最後にセルフヒーリングとしてヒーリング・タッチの一方法を全員で体験した.セミナー後今後の普及に向けた教育プログラムの検討のために質問紙調査を行った.さらに,セミナーに参加した施設に対し,臨床への定着を目指す目的でフォローアップを開始した.これは,これまでの研究に基づいて臨床へのCAMの定着を阻む財源の不足や知識・技術の不足を補う目的で実施した.11月から開始し,1年間研究者が月1回施設訪問をし,知識や技術への助言,材料の提供を行うことにしている.参加の呼びかけに対し4施設の参加希望が得られた.月一回訪問時には実施している看護師へのインタビューを行い実施にあたっての困難や実施による患者やスタッフへの影響を聴取している.また客観的データとして唾液アミラーゼおよびPOMSを調査している.フォローアップは現在も継続中であり,次年度終了予定である.昨年度実施した統合失調症者へのCAMの効果と安全性に関する文献検討は,論文にして現在投稿中である.今年度は,年度当初に予定したCAMのセミナーの実施,その際の質問紙調査,さらにはその後のフォローアップと順調に実施ができている.しかしながら,データ収集期間を1年とおいているため,結果の公表についてはできていない.平成29年度は,教育プログラムに参加し,その後のフォローアップを希望した施設への1年間のフォロー・アップを実施し,看護師および看護師からみた患者への補完代替療法実施の効果を明らかにすることを目的とした.方法は,月1回のインタビュー調査および1か月後,半年後,一年後のアロマを用いたハンドセラピー前後の看護師のストレス状況の変化を調査した.客観的指標としてPOMSと唾液アミラーゼによって調査した.参加施設は,4施設5病棟で回復期病棟,認知症病棟,長期療養型病棟あった.教育プログラムで紹介したアロマセラピーをどのように患者へ提供するかは,各施設の特徴や関与する人数によっても異なるため,施設にお任せした.その結果,マッサージ以外ではアロマスプレー,アロマパッチ(シール)によるセルフアロマ,グループ活動,芳香浴の使用があった.看護師自身の変化には気分の安定やリラクセーションといった「自分自身の安定」や「患者との関係の変化」「継続や普及のための独自の工夫」があった.特に「患者との関係の変化」では,患者がお互いのことをマッサージし合い患者同士のケアリングが進むことへの気づきがあったり,コミュニケーションをとりにくい患者に対して,マッサージと香りの効果により相互の緊張がほぐれ普段語らないような患者のより深い内面を語りだすという変化が認められた.一方患者の変化としては,「精神的な安定の増加」「セルフケア行動の増加」「社会的行動の増加」が見られた.具体的には,笑顔が増え静かにリラックスしたコミュニケーションが増え,頓用薬の使用が減った.セルフケア行動として落ち着かないときに自らアロマを求めたり,自己マッサージをする行為が見られた.看護師の唾液アミラーゼおよびPOMSに明確な変化は現段階では見られなかったが,主観的には明らかに良い影響を及ぼしていることが明らかとなった.
モリブデン金属酵素の微細構造と水酸化反応機構・蛋白質揺らぎの解明

活性酸素の生成消去に関わる酵素蛋白質の立体構造の変化や揺らぎにつき、様々な研究を進めたが、特に重要な概略は以下の諸点である。1)キサンチン酸化還元酵素の反応中心にある触媒部位である、モリブドプテリンに存在するMo原子のそれぞれの配位子原子の同定とジオメトリーをX線結晶構造により決定した。従来の説に反し、活性型(sulfo型)と不活性型(desulfo型)の電子密度の比較により垂直位置に酸素原子、水平方向に硫黄原子を同定した。FYX-051の反応中間体の構造とともに、反応機構につき重要な証拠が得られた。さらに、Mo周辺の重要なアミノ酸の変異体異体解析を基にプリン水酸化反応の機構につき提出した。2)酵素の立体構造変化と機能変化につきその全体像が詳細に解明され各種総説として依頼され発表した。3)痛風治療薬として開発した阻害剤が哺乳類酵素および細菌由来の酵素で異なる動態を示す理由を解明するため、哺乳類酵素および細由来の酵素の三次構造の立体座標を基にアミノ酸の配座、水分子を含む全体の動的な揺らぎの重要性について基準振動計算、分子動力学計算を行い、詳細な検討を行った。その結果、基準振動ではその揺らぎの方向性の差があること、分子動力学では疎水性アミノ酸で構成されるペプチドの振動度に違いであることなどが解明された(生物物理学会発表、論文発表準備中)。創薬において強力な立体構造に基づく阻害剤をデザインする場合、極めて重要な知見である。4)トランスジェニックマウスを用いた酵素の生理学的意義の解明:スーパーオキシド超産生酵素のノックインマウスの作成を進めた。またALSモデルのトランスジェニックマウスに対して上述3種の酵素阻害剤およびアロプリノールの投与実験を行った。効果的結果が得られ(国際特許出願済、論文執筆中)、ALS治療又はその予防につき重要な結果である。Mo原子の配位子のgeometryとそれぞれの結合距離に関するデータ収集:現在までの分解能の結晶(約1.7Å)を用いて、Moのそれぞれの配位子の原子の同定とジオメトリーの決定のため、1)sulfo型・desulfo型の結晶構造における配位子の電子密度の比較、2)酸化型・還元型の配位子とMo原子との距離の比較、3)長波長によるX線解析データ収集による硫黄原子の同定(岡本がトロント大でデータ収集)などを行った。その結果類似Mo酵素であるアルデヒドデヒドロゲナーゼについてのドイツR.Huberらの報告と異なり、われわれの酵素の電子密度からはapical ligandに酸素原子がある結果を得た。その結果の報告を既に行った。これらの成果は反応機構上極めて重要である。(以上岡本が中心に担当、一部Emil Paiが関与、西野が統括担当)また、キサンチン脱水素酵素のモリブデン近傍の活性中心に阻害剤であるFYX-051の立体構造のX線結晶解析を進めた。また結合にどもない長波吸収体を観察し、モリブデン配位子のジオメトリー決定をおこなった。これらの情報を基に基本的なモリブデン水酸化機構の反応機構の全貌を明らかにした。さらに脱水素酵素から酸化酵素への変換に関与するトリガーの最終同定と変換しないラット酵素(活性酸素非産生型)のX-線結晶構造解析、また殆どスーパーオキシドのみを産生する変異体の二つの型のX-線結晶構造を解析した。これらの情報からXDHからXO型酵素への変換機構の詳細を解明させた。

Mo原子の配位子のgeometryとそれぞれの結合距離に関するデータ収集:昨年度までに既にMoそれぞれの配位子の原子の同定とジオメトリーの決定のため、1)sulfo型・desulfo型の結晶構造における配位子の電子密度の比較、2)酸化型・還元型の配位子とMo原子との距離の比較、3)長波長によるX線解析データ収集による硫黄原子の同定などを行ってきたが、Mo還元型の反応中間体の電子密度からはapical ligandに酸素原子がある結果を得ている。それらの情報を基に基本的なモリブデン水酸化機構の反応機構の重要なステップの機構を明らかにした。今年度はさらにMo周辺の3つの重要なアミノ酸の変異体を作成し、その活性への寄与をヒポキサンチン、キサンチン、アルデヒド類を基質として比較検討し、ヒポキサンチン、キサンチンそれぞれとアミノ酸との水素結合生成が活性に重要であることを示した。プリン体の水酸化機構とアルデヒドの水酸化機構の同一性とともにその違いを明らかにした。一方、酵素は脱水素酵素から酸化酵素に変換するが、その変換に関与するトリガーの最終同定を行い、同時に変換しないラット酵素(活性酸素非産生型)のX-線結晶構造解析、また殆どスーパーオキシドのみを産生する変異体の二つの型のX-線結晶構造解析を完了した。これらの情報からXDHからXO型酵素への変換機構の詳細を解明し、一部論文として発表した。また情報を基に、この変換の生物学的意義を明らかにするためXDHからXOへの変換をさせる酵素を検索し、その酵素を同定し、その酵素のノックアウトマウスの作成に着手した。また一方タンパク質の揺らぎを明らかにさせるため、哺乳類酵素および細菌由来の酵素の三次構造の立体座標の熱力学的安定度の分子運動計算のコンピュター上の準備を進めた。Mo原子の配位子ジオメトリーの決定、リガンドとの相互作用の解明:前年度までに既にMoのそれぞれの配位子の原子の同定とジオメトリーの決定としてMo還元型の反応中間体の電子密度からapical ligandに酸素原子である結論を得ている。今年度は1)Mo周辺の3つの重要なアミノ酸の変異体を作成し、その活性への寄与をプリン体およびアルデヒドを基質として比較検討し、ヒポキサンチン、キサンチンそれぞれとアミノ酸との水素結合生成が活性に重要であることを示していることを基にプリン水酸化反応機構を提案し報告をまとめた。2)痛風治療薬として開発した阻害剤が哺乳類酵素および細菌由来の酵素で異なる動態を示す理由を解明するため、哺乳類酵素および細菌由来の酵素の三次構造の立体座標を基に熱力学的安定度の分子運動計算のコンピュターを用いて進め、2種の酵素で顕著な差を見出した。立体構造に於けるアミノ酸の配座ばかりでなく、水分子を含む全体の動的な揺らぎの重要性が明らかになりつつある。さらに詳細なデータを得る計画である。ノックインマウスを用いた酵素の生理学的意義の解明:酵素は脱水素酵素から酸化酵素に変換するが、前年度までに得たX線結晶構造を基にスーパーオキシドのみを産生する変異体のノックインマウスの作成を行い成功し、その表現型の観察を開始した。さらに脱水素型のみをノックインマウスの作成を引き続き進めている。また脱水素酵素から酸化酵素への変換機能を有するラクトパーオキシダーゼのノックアウトマウスの作成を進めた。次年度にこれらの表現型の解析を進める糸口を得た。
吸啜運動のリズム構成に関与する脳幹内側領域ニューロンの発火特性の経時的変化

premotor neuron群は三叉神経脊髄路核吻側亜核のγ領域、小細胞性網様体、三叉神経上領域、三叉神経間領域、三叉神経傍領域などの橋・延髄網様体外側部や三叉神経主知覚核などに認められ、日齢によりニューロン構成の割合、チャネル特性、回路特性が異なることが確認された。三叉神経中脳路核ニューロンの特性に着目したところ、生後2-5日齢群と14-17日齢群との比較においては、カルシウムチャネルに対する5HTの影響が異なり、前運動ニューロン領域の分布も異なった。biocytin染色法においては、脳幹内側領域のニューロンの樹状突起形態およびpremotor neuronへの軸索の伸展が日齢的に複雑化することが確認された。
頭頚部癌放射線治療による唾液中の蛋白質成分変化に関する実験的研究

頭頚部癌の放射線治療では、照射野内に大唾液腺が含まれるケースが非常に多い。大唾液腺に対する放射線照射は、唾液分秘を単純に障害させるだけでなく、種々の唾液成分にも影響をおよぼしていると考えられている。特に免疫反応に関与する唾液の蛋白質成分の変化については、ほとんど調査研究がなされていない。そこで本研究は放射線照射による唾液中の蛋白質成分の変化から口腔内環境におよぼす影響を調査した。【材料と方法】研究は代表者が確立している実験動物(ラット)唾液分秘障害モデルを用いて行なった。SPFのSD系ラットに対して、対象とする大唾液腺だけを残す外科的処置を行なった実験群を多数用意した。そして一定期間後、頭頚部領域のみにX線照射(22Gy,32Gy-各1回照射)を行ない、定期的に唾液を回収し、唾液分秘量や成分変化を調査した。【結果およびまとめ】頭頚部にX線照射することで、唾液排出時間の遅延が認められた。特に32Gy照射実験では、耳下腺ならびに顎下(舌下)腺障害群ともに非照射群との間で有意の差が認められた。そしてその排出時間差は各唾液腺によって異なり、耳下腺障害群では2.6倍であったのに対し、顎下(舌下)腺障害群では1.4倍と小さかった。同様に唾液中の総蛋白質量の測定を行なった実験でも、X線照射による唾液腺障害によって、蛋白質量の減少がみられた。しかし耳下腺障害群では、照射線量に応じて有意の減少が認められたのに対して、顎下(舌下)腺障害群では、約10%ずつの減少がみられたものの、有意の差は認められなかった。以上の結果より、各唾液腺によってX線感受性がこ異なることが改めて確認された。そしてX線照射された唾液腺から排出される唾液の成分を調査することで、その唾液腺の障害の程度が容易に判定出来る可能性が示唆され、今後の臨床応用に十分な期待が出来るものとなった。
沿岸過程を考慮した次世代波浪推算モデルの開発

沿岸部での長周期波の発達・減衰過程を再現しうる次世代型波浪推算モデルの構築のためには,長周期波の挙動の詳細な把握が極めて重要である.そこで本年度では,主に波高計やUAVを用いた現地観測,および台風等の被災調査から,現地における沿岸部での長周期波の挙動の分析を中心として研究を進めた.また並行して,より詳細な波浪観測のために,UAVを用いた沿岸域観測手法の構築も進めた.得られた主要な実績としては以下のとおりである.1.急勾配海浜およびステップ型海浜を要する平塚海岸での水位変動観測データを用いて平常時の長周期波の挙動分析を行った.結果,風波およびうねり成分の入射に伴うステップ上での長周期波の発達を確認し,さらに非線形分散波モデルを用いた再現により詳細な分析を進めた.観測された長周期波は潮位と逆位相で増幅するという,比較的勾配の緩い海浜部での既往研究とは全く逆の結果を得た.これらの潮位による変動は,急勾配斜面による長周期波の反射により,単純な水深の減少による非線形性の増大によって説明されうることが分かった.これらの結果は,観測結果の少ない特殊な地形での非線形干渉の分析として極めて重要なものであるといえる.2.沿岸部で時空間に高密度な波浪観測を低コストに行うことを目的として,同種のUAVを二台用いたステレオ視による砕波帯の観測手法を構築した.その際にはコンピュータビジョン分野に広く用いられる画像処理手法や独自に構築した毎時のカメラ位置の推定手法を応用することで,安定的な観測手法の構築を目指した.結果,得られた水位変動は波高計による観測結果をおおむね再現することに成功した.以上の結果は連続的に動くUAVを用いて動く対象物の形状を推定するという今までに類を見ない技術の可能性を示したものである.研究実績の概要に示したように,本年度開始時において目標としていた波浪観測に基づく長周期波挙動の分析をすすめ,特徴的な地形をもつ浅海域での観測データから貴重な知見を得ることができた.今後次世代型波浪推算モデルの構築のためには,海底地形や波浪条件に基づいた長周期波の挙動の整理が必要となるため,本年度の成果は極めて重要といえる.また,異なる波浪条件,特に観測の困難な高波浪擾乱時のデータとして,2017年台風21号および2018年台風21号での波浪観測データの入手および被害調査をすでに行っており,分析を進めている.これらの結果からは既往研究と比べて極めて大きい長周期波の発達・減衰が確認できており,沿岸部被害に長周期波が大きく影響した可能性を示唆するものである.これらの結果は,今後の沿岸部での非線形過程の把握に有用であることに疑いはない.また,これまで進めてきた従来の波高計を用いた波浪観測に加え,さらに時空間に高解像な波浪観測を目的として,UAVとステレオ測量手法を応用したリモートセンシングによる砕波帯における波浪観測手法を構築することが出来た.本手法についてはまだ改良の余地があるものの,昨今のUAV技術の高まりによってより実用化が十分に期待されうるものであり,沿岸部での非線形過程の詳細な理解に応用されうる.以上のように,本年度では複数海域での長周期波の発達・減衰過程の分析を進めることが出来たうえ,新技術を応用した波浪観測技術の開発を進めることが出来た.これらはすべて本研究の目的とする次世代型波浪推算モデルの構築に向けて必要なステップでありおおむね計画通りに順調に進展しているといえる.今後は現在得られている高波浪擾乱時のデータについて同一海岸部における平常時の波浪データと比較することで,高波浪時の長周期波の特性の分析を進める.また,現状のデータは比較的期間の短いものであるため,一部本年度で得られたステレオ技術を併用しながら,本年度では時空間により高密度かつ長期的に進める予定である.また,従来の計画では,現地調査では得ることが出来ない詳細なデータを得ることを目的とした,二次元波浪モデルの構築を進める予定であった.このモデルとしては非線形分波方程式を用いた位相解像モデルを念頭に置いていたが,研究過程において高波浪時においては当初想定していたものよりも広域での計算が長周期波発達の再現には重要であることがわかり,擾乱時の再現に用いるためには計算負荷の観点から位相解像モデルのみでは非現実的であることが判明した.そのため,まずは位相解像モデルと位相平均モデルを結合した中程度の領域を対象としたモデル構築を進める.そのうえで,必要に応じ,より小さな領域を対象として,現状用いてきた一次元波浪モデルを拡張させた二次元の位相解像モデルの構築を進める.そして最終的にはこれら現地観測結果とモデルによる分析から得られた知見を海底地形や波浪条件に応じて整理し,長周期波の挙動を説明する上で重要となるパラメータを抽出し,計算負荷の小さい位相平均モデルの沿岸域への拡張を狙う.沿岸部での長周期波の発達・減衰過程を再現しうる次世代型波浪推算モデルの構築のためには,長周期波の挙動の詳細な把握が極めて重要である.そこで本年度では,主に波高計やUAVを用いた現地観測,および台風等の被災調査から,現地における沿岸部での長周期波の挙動の分析を中心として研究を進めた.また並行して,より詳細な波浪観測のために,UAVを用いた沿岸域観測手法の構築も進めた.得られた主要な実績としては以下のとおりである.1.急勾配海浜およびステップ型海浜を要する平塚海岸での水位変動観測データを用いて平常時の長周期波の挙動分析を行った.

結果,風波およびうねり成分の入射に伴うステップ上での長周期波の発達を確認し,さらに非線形分散波モデルを用いた再現により詳細な分析を進めた.観測された長周期波は潮位と逆位相で増幅するという,比較的勾配の緩い海浜部での既往研究とは全く逆の結果を得た.これらの潮位による変動は,急勾配斜面による長周期波の反射により,単純な水深の減少による非線形性の増大によって説明されうることが分かった.これらの結果は,観測結果の少ない特殊な地形での非線形干渉の分析として極めて重要なものであるといえる.2.沿岸部で時空間に高密度な波浪観測を低コストに行うことを目的として,同種のUAVを二台用いたステレオ視による砕波帯の観測手法を構築した.その際にはコンピュータビジョン分野に広く用いられる画像処理手法や独自に構築した毎時のカメラ位置の推定手法を応用することで,安定的な観測手法の構築を目指した.結果,得られた水位変動は波高計による観測結果をおおむね再現することに成功した.以上の結果は連続的に動くUAVを用いて動く対象物の形状を推定するという今までに類を見ない技術の可能性を示したものである.研究実績の概要に示したように,本年度開始時において目標としていた波浪観測に基づく長周期波挙動の分析をすすめ,特徴的な地形をもつ浅海域での観測データから貴重な知見を得ることができた.今後次世代型波浪推算モデルの構築のためには,海底地形や波浪条件に基づいた長周期波の挙動の整理が必要となるため,本年度の成果は極めて重要といえる.また,異なる波浪条件,特に観測の困難な高波浪擾乱時のデータとして,2017年台風21号および2018年台風21号での波浪観測データの入手および被害調査をすでに行っており,分析を進めている.これらの結果からは既往研究と比べて極めて大きい長周期波の発達・減衰が確認できており,沿岸部被害に長周期波が大きく影響した可能性を示唆するものである.これらの結果は,今後の沿岸部での非線形過程の把握に有用であることに疑いはない.また,これまで進めてきた従来の波高計を用いた波浪観測に加え,さらに時空間に高解像な波浪観測を目的として,UAVとステレオ測量手法を応用したリモートセンシングによる砕波帯における波浪観測手法を構築することが出来た.本手法についてはまだ改良の余地があるものの,昨今のUAV技術の高まりによってより実用化が十分に期待されうるものであり,沿岸部での非線形過程の詳細な理解に応用されうる.以上のように,本年度では複数海域での長周期波の発達・減衰過程の分析を進めることが出来たうえ,新技術を応用した波浪観測技術の開発を進めることが出来た.これらはすべて本研究の目的とする次世代型波浪推算モデルの構築に向けて必要なステップでありおおむね計画通りに順調に進展しているといえる.今後は現在得られている高波浪擾乱時のデータについて同一海岸部における平常時の波浪データと比較することで,高波浪時の長周期波の特性の分析を進める.また,現状のデータは比較的期間の短いものであるため,一部本年度で得られたステレオ技術を併用しながら,本年度では時空間により高密度かつ長期的に進める予定である.また,従来の計画では,現地調査では得ることが出来ない詳細なデータを得ることを目的とした,二次元波浪モデルの構築を進める予定であった.このモデルとしては非線形分波方程式を用いた位相解像モデルを念頭に置いていたが,研究過程において高波浪時においては当初想定していたものよりも広域での計算が長周期波発達の再現には重要であることがわかり,擾乱時の再現に用いるためには計算負荷の観点から位相解像モデルのみでは非現実的であることが判明した.
地層内における高分子ゲルの生成制御を利用した油採収プロセスの設計

ゲル生成剤(ポリアクリルアミド、アルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウムの混合水溶液)とCO_2飽和水を多孔質媒体内に交互圧入することによりポリマーを原位置で架橋処理する新手法を提唱して、この手法を不均質な油層からの油採収に適用する場合の交互圧入手順を設計した。ビーカー内に仕込んだゲル生成剤にCO_2ガスを吹き込む実験を行い、ゲル生成剤のpH低下に伴うゲル生成特性を把握し、交互圧入で用いるゲル生成剤の適切な濃度を選択した。1次元の多孔質媒体コアを用いた実験を行い、提唱した手法によりコア内にゲルが生成することを確かめた。1次元コアおよび浸透率の異なる1次元コアを並列に設置したモデルを用いた油回収実験では、油回収に対して本手法が有効であることを確かめた。しかし、2次元の多孔質媒体実験モデルを製作してゲル生成剤とCO_2飽和水の交互圧入時のゲル生成挙動を調べた結果では、圧入初期の混合により多孔質媒体内にゲルが生成してもその後の粘性クロスフローの影響が強い場合には、目的とする層のみをゲルにより閉塞することは難しいことがわかった。異なる浸透率の層からなる油層にポリマー架橋処理法を適用する場合には、浸透率比を考慮した圧入方法を選定する必要がある。計算的研究では、ゲル生成剤とCO_2飽和水の交互圧入によるゲルの生成を伴う多孔質媒体内流動を記述する数値モデルを構築した。数値モデルによる計算結果を実験結果と比較検討した結果、数値モデルがゲルの反応速度定数をマッチングパラメータとして実験を再現することを確認した。本研究で開発したポリマー架橋処理法は、坑井から圧入するゲル生成剤とCO_2飽和水の混合による中和反応を利用してゲルを生成させるという簡単な原理に基づくため、ゲル生成に及ぼす層間クロスフローの影響に関する応用研究を継続して行うことにより、実油田への適用が可能である。当研究室では、ゲル化溶液(ポリアクリルアミド、アルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウムの混合水溶液)と二酸化炭素飽和水(CO_2飽和水)を多孔質媒体内に交互圧入することによりポリマーを油層内で架橋処理する新手法を提唱している。本研究では、このゲル化プロセスを不均質な油層からの油採収に適用することを考えて、油層からの油採収率を最大にするゲル生成状態(ゲルの強さと生成速度と多孔質媒体内におけるゲル生成位置)を得るための交互圧入手順を設計する。本年度は、ビーカーテストによるゲル生成条件の確認と1次元の多孔質媒体コアを用いた実験を行った。さらに、多孔質媒体内の2液混合によるゲル化過程の数学モデル化を行い、ゲル生成による油採収挙動の数値シミュレーションモデルの構築を行った。実験から得られた結果は以下の通りであり、現在シミュレーション結果との比較検討を行っている。(1)ゲル化溶液を入れたビーカー内にCO_2ガスを吹き込んでpHを低下させたときの粘度低下を測定した。溶液の初期pHは約12であり、PH約10でゲル化が始まりpH7では溶液はゲルに変化した。強固なゲルを生成するためには、ポリアクリルアミド濃度250mg/l以上、アルミン酸ナトリウム濃度が150mg/l以上必要であることがわかった。(2) 1次元のコア実験では、直径2.8cm、長さ47cmのアクリル円筒に粒子径0.1500.215mmのガラスビーズを充填したコア(浸透率約24μm^2)を使用した。コア内にゲル化

溶液とCO_2飽和水を0.2PVずつ1cm^3/minのレートで交互圧入することにより、57サイクルの交互圧入でコア内にゲルが生成することを確認した。(3)浸透率の異なるコア(浸透率約24μm^2と105μm^2)を並列に接続した実験モデルに対して油採収実験を行うことにより、油採収率が約20%増加することを確認した。当研究室では、ゲル生成剤(ポリアクリルアミド、アルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウムの混合水溶液)と二酸化炭素飽和水を多孔質媒体内に交互圧入することによりポリマーを原位置で架橋処理する新手法を提唱した。本研究の目的は、このゲル化プロセスを不均質な油層からの油採収に適用することを考えて、油層からの油採収率を最大にするゲル生成状態(ゲルの強さと生成位置)を得るための交互圧入手順を設計することである。本年度は、2次元の多孔質媒体実験モデルを製作してゲル生成剤と二酸化炭素飽和水の交互圧入時のゲル生成挙動を調べた。箱型をした透明なアクリル製の容器内に粒径の異なるガラスビーズを層状に充填することにより、幅8cm、高さ0.8cm、長さ50cmの高浸透率層と低浸透率層(浸透率比:約4と16)からなる2次元の実験モデルを製作した。このモデル内にゲル生成剤と二酸化炭素飽和水の交互圧入を行った結果は次の通りである。(1) 1次元の実験結果とは異なり、2次元の実験では浸透率の異なる層間のクロスフローが生じて、モデル入口から圧入したゲル生成剤と二酸化炭素飽和水は多孔質媒体内では期待通りに混合しない。(2)層間の浸透率比が小さい場合には、約0.4PVの交互圧入時点でゲルが生成してモデルは閉塞する。ゲル生成に伴う粘性クロスフローの影響が強いために、両層は同時に閉塞する。(3)層間の浸透率比が16の場合には、層間の粘性クロスフローの影響が小さく、高浸透率層のみにゲルを生成させることが可能である。以上のように、圧入初期の混合により多孔質媒体内にゲルが生成してもその後の粘性クロスフローの影響が強い場合には、目的とする層のみをゲルにより閉塞することは難しいことがわかった。異なる浸透率の層からなる油層にポリマー架橋処理法を適用する場合には、浸透率比を考慮した圧入方法を選定する必要がある。これらの挙動を数値計算によって明かにする試みを実験と並行して行った。
新領域科目「かたちの数理科学」と博士課程後期における数理科学教育

今回の科研費事業の目的の1つであった「かたちの数理科学」フォーラム「次元とは何か-数理が紡ぐサイエンス」を数学、物理学の立場から次元論を考える催しとして、平成21年1月15日、23日に静岡大学理学部C棟309教室で行い、両日共に60名を超える参加者があり、盛況あった。また本科研費の採択をもとに「ひらめき☆ときめきサイエンスーようこそ大学の研究室」(「数学インサイドー数学はどのように使われてきたか」平成20年8月2日)を実施して新領域科目「かたちの数理科学」の有り様を公開して、問うことができた。ポーランド科学アカデミー数学研究所からStanislaw Spiez教授を招き、今日の東欧の数学教育について学と共に、現代の次元論に関係する共同論文の作成を行った。また昨年に続き、メキシコ自治総合大学(ONAM)からRolando Jimenez教授が来日し、「メキシコ及び旧ソビエトにおける大学院教育に関するセミナー」を行ったかたちの数理科学カリキュラム開発の一環として野生の空間のトポロジーの研究の第一人者であるHanspeter Fischer準教授(アメリカイリノイ州・Ball State University)を招き,7月23日24日と連続講演を行った。分担者清水扇丈がイタリアにおける大学院教育とカリキュラムのあり方を学ぶ機会があった。また大学院教育では先進的であるアメリカでは大学院生を勇気づけるために国際学会等を利用して必ずしも最先端ではないが学習した内容についての研究発表の場を設けている。その実態を調査するためにポーランド数学会との共催で行われた学会に参加し,活発な討議の様子を視察した。さらに静岡大学内に常勤研究者ではなく研究集会を募集、実行する事務機構と施設を持つセンター構想を立ち上げるために,研究者滞在型の国際研究所として30年以上の実績を持つクロアチアのInter University Center(ドブログニク)で行われた研究集会に出席して視察を行った。また研究活動の社会への還元の試みとして静岡大学男女共同参画事業に協力して女子高生の理系進学を促す企画として「輝け未来の女性研究者in静岡」を7月28日静岡地場産業センターに於いて実施した。また昨年に続き、メキシコ自治総合大学(ONAM)からRolando Jimenez教授が来日し、「メキシコ及び旧ソビエトにおける大学院教育に関するセミナー」を行った
メチル水銀の神経毒性発現に関与する脳浮腫発生の分子機構

メチル水銀中毒(水俣病)の脳傷害の局在性は,脳浮腫形成とそれによる二次的な循環障害に起因するとされる。しかしながら,メチル水銀による脳浮腫形成の分子機構は不明であった。申請者は,メチル水銀が,脳微小血管を構成する内皮および周皮細胞に対して特徴的な毒性を発現することを明らかにした。この結果は,メチル水銀が脳微小血管構成細胞の機能障害を介して脳浮腫を発生させる可能性を示すものである。本研究の目的は、メチル水銀の中枢神経系に対する特異的な毒性発現が、メチル水銀による脳微小血管系の機能障害と脳浮腫の形成による循環不全を起点として起きるという作業仮説を証明することである。そこで、細胞培養系によりヒト脳微小血管内皮細胞層に対するメチル水銀の作用を検討し、細胞傷害を示さないレベルのメチル水銀が、傷害内皮細胞層の修復をその細胞増殖を抑制することにより阻害することを明らかにした。また、傷害細胞層の修復に重要な役割を担う塩基性線維芽細胞増殖因子(FGF-2)および血管内皮増殖因子システムを構成するタンパク質群において、FGF-2の遺伝子およびタンパク質発現の低下が観察された。次に、脳微血管周皮細胞に対するメチル水銀の細胞傷害性を調べた結果、周皮細胞はメチル水銀の細胞傷害性に対して細胞密度依存的な感受性を示し、細胞密度が低い場合に高い感受性を示すことを明らかにした。一方、内皮細胞ではメチル水銀の細胞傷害性に対して細胞密度に関係なく抵抗性を示した。周皮および内皮細胞について細胞内メチル水銀蓄積量、グルタチオン量とその合成律速段階酵素γ-グルタミルシステイン合成酵素およびメタロチオネインの発現量を検討した。その結果、周皮細胞のメチル水銀への細胞密度依存的な感受性は、低密度の細胞が高い量のメチル水銀を蓄積することに起因すること、一方、内皮細胞ではメチル水銀の細胞毒性を軽減するのに必要な量のグルタチオンおよびメタロチオネインを発現しているために、メチル水銀に対して抵抗性を示すことを明らかにした。本研究結果は、メチル水銀が脳微小血管内皮細胞層の維持やその内皮細胞層の機能や血管構造の維持を担う周皮細胞の機能に対して影響を及ぼすことを示すものであり、メチル水銀の特異的な中枢神経障害の発生が脳血管機能障害を介した間接的な毒性発現の結果であるという仮説を支持するものである。メチル水銀による中枢神経系障害の最大の特徴である部位特異的な脳傷害の発生メカニズムとして,メチル水銀による脳微小血管系の機能障害と脳浮腫の形成による循環不全により脳の特定組織の神経細胞が傷害されるとする「浮腫仮説」が有力である。本研究の目的は,この「浮腫仮説」の分子基盤を明らかにすることである。脳微小血管の透過性亢進は浮腫発生の重要なメカニズムの1つであり,微小血管の透過性の亢進に決定的な役割を果たす生体システムとしてVEGFシステムが知られている。そこで,細胞培養系を用いてヒト脳微小血管構成細胞におけるVEGFシステム関連タンパク質の発現に対するメチル水銀の影響を検討した。その結果,メチル水銀は脳微小血管を構成する2つのcelhype-内皮および周皮細胞-に対して特異的な作用を示すことを明らかにした。すなわち,メチル水銀は内皮細胞に対してはVEGFシステムにおいて主要な機能を担うVEGF-Aの機能的受容体VEGFR2およびそのデコイ受容体VEGFRlの発現を上昇させた。また, VEGFRIに選択的に結合して間接的にVEGF-AのVEGFR2の応答性を高めるVEGFファミリーの一員であるPIGF,およびVEGF-AのVEGFR2への結合を促進する補助受容体Neuropilinの発現上昇も確認された。一方,周皮細胞においては,メチル水銀はVEGF-Aの発現を上昇させていた。そこで,VEGF-Aの遺伝子発現に関与する転写因子の1つであるHypoxia inducible factor(HIF)-1αおよび-2αのメチル水銀による活性化を調べたが,HIF-1αおよび-2αのメチル水銀による活性化は確認されなかった。これらの研究結果は, VEGF-Aの内皮一周皮自己/傍分泌型システムが脳微小血管におけるメチル水銀の毒性発現の標的であり,その活性上昇により誘発される血管透過性の亢進が「浮腫仮説」の分子基盤であることを示している。
急速に都市化する南アジア大都市における都市域拡大とそれが都市災害に与える影響

急激に都市化が進む南アジアの大都市では洪水や都市内部の気温上昇といった「都市災害」により居住環境が悪化している。この研究では都市化と都市災害の関係を時間的・地理的に解明する。都市災害の顕著な大都市からムンバイ、カラチ、コロンボ、ダッカを選び、そこで都市化の進展パターン、都市化の牽引力とその分布、都市災害の時間的・空間的な分布を把握し、それらの相互関係を分析する。同時に都市災害が都市の持続可能な発展に与える悪影響を定量化する。研究成果とデータをWebを用いて公開し、都市計画関係者の利用に提供することにより、この研究は持続的な都市の発展に貢献する。
ダイラタント流体の二種類の異なるずり粘化メカニズムの解明

ダイラタント流体は、小さな外力に対しては流体のように振る舞い、大きな外力を加えると急激に固化する。その粘稠化における流体のマクロな内部構造やメカニズムはよくわかっていない。本研究ではテイラー・クウェット型の流れについて、数値計算と実験をおこない、粘稠化時の流体内部での粘度と圧力の空間分布を初めて明らかにした。特に圧力は、変形によって引き伸ばされる方向と圧縮される方向についてそれぞれ負圧と正圧を示し、負圧が支配的であることがわかった。正圧が外力に比例するのに対して、負圧は粒径を特徴長さにとったラプラス圧を超えない。このことから、粘稠化には間隙流体の表面張力が重要な役割を担っていることがわかった。中心軸が回転するテイラー・クウェット型の試験機を作製し、ダイラタント流体の流れの性質を調べた。このような系を一定の応力で駆動すると、20Hz程度の自励振動が生じることを我々はすでに見いだしている。このとき、流体の内部で起こっていることを明らかにするために、実験とシミュレーションの両面から研究を進めた。実験において、外側の円柱にセンサーを取り付けて圧力を直接測定したところ、負圧と正圧の両方を観測した。複数回に渡る長時間の観測結果を元に、統計的な処理を行った結果(a)流体内では負圧が支配的であること。(b)正圧は外力に比例し、負圧はラプラス圧を超えて大きくならないこと、を見いだした。また、ダイラタント流体のモデルシミュレーションによって、流れの3次元的な構造を描き出すことに成功し、実験と一致する結果を得た。また、回転軸に加わる偏心力を測定した結果、粘化領域は一本のバンドに局在化している結果をえた。これもシミュレーションの結果と一致している。以上の結果は、ダイラタント流体のずり粘化においては二種類のメカニズムが存在する可能性が強く支持する:正圧を伴う粘化は粒子のジャミングによって生じ、負圧を伴う粘化はダイラタンシーによる粒子間隙体積の増加が原因となっている。この結果は、本補助金の申請時に申請者が提案した仮説に合致している。現在、実験とシミュレーションの結果をまとめて、Phys. Rev. E誌に投稿中である。本補助金の申請時に申請者が提案した仮説が、実験とシミュレーションの両面から支持される結果を得て、すでにその結果を論文にまとめて投稿中であることから、おおむね順調に進展していると自己評価する。ずり粘化流体として、片栗粉と塩化セシウム溶液を混合した流体を考え、一定値のずり応力を加えた際の流体の応答を明らかにするのが研究計画全体の目標である。実験系として、内径が130mmの円筒の中心に外形50mmの円柱を配した2重円筒を用い、間にずり粘化流体を充填した系に対して、中心軸に一定トルクを加えて回転させる。同等の系に対して我々が開発したずり粘化流体の流体力学モデルを適用してシミュレーションを行うと、新奇な自励振動が生じることが予言されている。本実験においても20Hz程度の定常な振動が発生することを確認した。この振動は、ずり粘化流体の粘化と緩和の繰り返しによって起こっていると予想できる。我々は、外側円筒の内壁での圧力分布を測定することで、流れの中の粘化領域が予想に反して強く局在化していることを見出した。さらに年かによって正圧と負圧が両方観測されることから、それぞれメカニズムの異なる粘化メカニズムが存在することを予想している。この結果は、アメリカ物理学会のphysical Review E誌に2016年11月づけで掲載された。さらに粘化領域の圧力値と系に印加する外応力とのを見出すことに取り組んだ。観測される圧力の最大値は、流体の表面張力と粘性によって決まるものと予想される。まず外円筒での圧力測定点を増やし、観測される正圧と負圧のサンプル数を稼ぐことで統計処理の制度を上げた。得られたデータを現在解析中である。研究計画の1年目では、研究がよく進捗し、その成果を論文の形にまとめて投稿することができた。しかしその論文のレフェリーから多くの指摘があり、それらに対応するために追実験や新しい測定を多く行う必要が新たに生じた。結果的に、約1年かかって論文は掲載されたものの、その間研究自体の進捗が遅れてしまった。現在はそれを巻き返すべく、進めているところである。ダイラタント流体のずり粘稠化のメカニズムは、粉体のレイノルズ膨張によって発生する間隙流体の負圧を原因とする説と、懸濁液内の粒子間の摩擦によるジャミングを原因とする説がある。本研究では、ダイラタント流体内において、これら二つのメカニズムが同時にそれぞれ生じているという視座にたち、実験と数値モデルを用いたシミュレーションの双方から研究を行なった。テイラー・クウェット流れに対して行なった3次元のシミュレーションによって、流れの内部の粘度と圧力の分布を調べたところ、流体が一様に粘稠化する状態は不安定で、粘稠化領域が極めて強く局在化する傾向があることが示唆された。さらにその粘稠領域は外力によって伸張する方向と圧縮される方向の2種類があることがわかった。その内部の圧力は、それぞれ負圧・正圧をもつ。このシミュレーション結果を確かめるために、ダイラタント流体のテイラー・クウェット流れ測定する装置を独自に作製し、実験を行なった。容器内壁での圧力を測定すると、1.圧力がその平均値から大きく変動している領域は局在化し、流れとともに移動していること。

2.圧力の値は平均値をゼロとして、正圧と負圧のそれぞれに別れること。3.正圧は、流れを駆動する外力に比例するが、負圧は外力に依存しない一定の最小値が存在すること。が明らかになった。これら実験の結果は、シミュレーションと整合するだけでなく、ダイラタント流体の粘化メカニズムに対して、新たな知見を与える。つまり正圧の粘稠化領域は粒子間摩擦によるジャミングにとって発生していること。負圧の最小値が、粒子径を特徴的な長さとした時のラプラス圧に一致することから、負圧をもつ粘稠化領域においては間隙流体の表面張力が重要な役割を果たしていることがわかる。ダイラタント流体は、小さな外力に対しては流体のように振る舞い、大きな外力を加えると急激に固化する。その粘稠化における流体のマクロな内部構造やメカニズムはよくわかっていない。本研究ではテイラー・クウェット型の流れについて、数値計算と実験をおこない、粘稠化時の流体内部での粘度と圧力の空間分布を初めて明らかにした。特に圧力は、変形によって引き伸ばされる方向と圧縮される方向についてそれぞれ負圧と正圧を示し、負圧が支配的であることがわかった。正圧が外力に比例するのに対して、負圧は粒径を特徴長さにとったラプラス圧を超えない。このことから、粘稠化には間隙流体の表面張力が重要な役割を担っていることがわかった。最も重要な課題は、ダイラタント流体の内部に残存する気泡が、ずり粘化に与える影響を明らかにすることである。負圧がラプラス圧で抑えられるということは、流体内に気液界面が存在しているはずである。気泡を完全に除去すればラプラス圧で与えられる負圧の上限は消失すると予想できるが、最近の国内外の研究ではそのような結果は見いだされていない。正圧を伴う粘化領域と負圧を伴う粘化領域の存在は、実験から確認され、シミュレーションによっても確かめられた。それら2つの性質を理解するための鍵として、圧力の最大値と外力の関係に着目する。それは間隙流体の性質に大きく左右されるだろうと予想されるので、我々は流体の粘度と表面張力を変化させ、圧力値への影響を探る予定である。流体物理学実験設備を構築するための部品などが、予定よりも安価に手に入ったため。差額が生じた。投稿した論文の査読が1年かかり、その間にレフェリーからの指摘で多くの追実験と再実験をおこなったため、研究の進捗が遅れてしまったのが主な理由である。また、実験系を一定トルクで回転させるためにサーボモータを用いることを計画していたが、実際にテストしてみると、サーボモータ自体のフィードバック制御が、ずり粘化流体のはげしい粘度変化に追いつかず、トルク一定制御が働かないことがわかった。そのため実験方法の変更が必要となり、当初予定していた、材料の引張と圧縮の実験を行うことができなかった。実験における消耗品に使用する予定。差額は、引張と圧縮試験のための圧力センサーとその増幅装置に使用する予定である。
短寿命な気体分子・呼吸酵素複合体の結晶構造から明らかにする呼吸機能の進化

酸素を使わない嫌気呼吸において機能する一酸化窒素還元酵素(NOR)は、酸素を使った好気呼吸の鍵酵素シトクロム酸化酵素(CcO)と進化的な類縁関係が指摘されている膜酵素である。本研究では、NORへ電子を与える物質が異なる二種類の酵素(cNOR,qNOR)の結晶構造を世界に先駆けて決定した。これらの酵素はいずれもCcOと全体構造や金属中心の配置がよく類似しており、構造からも呼吸酵素の進化的類縁関係が示された。シトクロムcから電子を受け取り反応を行うcNORでは、一酸化窒素の還元に使われるプロトンは膜の外側から供給されると考えられる。しかし、キノールから電子を受け取るqNORでは、同様のプロトン供給経路は見出されず、逆に膜の内側から活性部位へと通じたチャネルが見いだされた。これらの知見は反応に必要なプロトンの供給経路には、呼吸酵素の中で多様性が存在することを示唆している。本研究で決定されたNORの結晶構造は、嫌気呼吸酵素の理論的な解析の重要な基盤となるとともに、呼吸酵素の分子進化や機能変換の仕組みを解き明かすうえで重要な指針を与えるであろう。脱窒菌などは脱窒と共役して生体エネルギーを獲得する硝酸呼吸をおこなうことができる。脱窒を担う酵素群のなかで一酸化窒素を亜酸化窒素(N_2O)に還元するのが一酸化窒素還元酵素(NOR)である。NORは好気呼吸の末端酸化酵素であるシトクロムcオキシダーゼ(CcO)とアミノ酸配列の相同性が見られることなどからNORはCcOの祖先分子であるとみなされており、呼吸酵素の分子進化の観点からも興味深い。本研究ではNORやCcOの機能発現の鍵となる気体分子複合体の結晶構造解析から、呼吸機能の進化の仕組みを解明することを目的としている。本年度はNOR単独での結晶構造の解明を目標として研究を進めた。ターゲットして結晶化および構造決定の可能性が高いと期待される好熱菌Bacillusslearothermophillus由来の好熱性NORを選定した。本酵素をゲノムからクローニングし、遺伝子を大腸菌に組み込んだ発現系を構築した。大腸菌培養液1リットル当たり精製酵素を約0.5mg得ることが出来た。この標品について一酸化窒素還元活性、吸収スペクトル、電子常磁性共鳴スペクトルを測定し、一酸化窒素還元活性を発現できる活性部位を保持していることを確認した。結晶化スクリーニング、結晶化条件の最適化により2.75A分解能の反射を与える単結晶を得ることに成功した。現在までにほぼすべてのアミノ酸残基のモデル構築をほぼ終えている。これは世界に先駆けた膜結合型一酸化窒素還元酵素の結晶構造解析であり、本酵素と気体分子との複合体の構造解析による呼吸機能の分子進化のメカニズム解明に向けて極めて重要な基盤を築く結果である。現在更なる分解能の向上を目指して精製、結晶化条件の検討を進めている。ターゲットして結晶化および構造決定の可能性が高いと期待される好熱菌Bacillus stearoth ermophillus由来の好熱性NORを選定した。これまでに構築していた大腸菌発現系をもちいて酵素の精製をおこない、すでに得られている結晶化条件を最適化し、2.5Å分解能の結晶構造を決定することに成功した。この結晶構造からNORの活性部位構造が初めて明らかとされた。進化的に近縁のシトクロムc酸化酵素と比較すると、大きな基質結合部位が確保されており、二分子の基質を必要とするNORの機能の構造基盤の一端が明らかとされた。一方、膜に埋もれている部分の構造はシトクロム

c酸化酵素と極めて類似しており、構造から改めて両者は進化的に近い分子であることが再確認される。さらに、NORの反応に必要なプロトンはこれまでに提唱されている、膜の外側から供給されるのではなく、膜の内側から活性部位へ伸びるチャネルを通じて供給されることを提案した。脱窒菌などは脱窒と共役して生体エネルギーを獲得する硝酸呼吸をおこなうことができる。脱窒を担う酵素群のなかで一酸化窒素を亜酸化窒素(N_2O)に還元するのが一酸化窒素還元酵素(NOR)である。NORは好気呼吸の末端酸化酵素であるシトクロムcオキシダーゼ(CcO)とアミノ酸配列の相同性が見られることなどから、NORはCcOの祖先分子であるとみなされており、呼吸酵素の分子進化の観点からも興味深い。本研究ではNORやCcOの機能発現の鍵となる気体分子複合体の結晶構造解析から、呼吸機能の進化の仕組みを解明することを目的としている。平成22年度はシトクロムcから電子を受容するcNORの2.7Å分解能の結晶構造を報告した。この酵素の全体構造は、キノールから電子を受容するqNORおよびCcOとよく類似しており、構造からもこれらの分子の進化的類縁関係を伺い知ることができた。一方、CcOの活性部位は、三つのHisが配位したCuとヒスチジンが配位したヘムから構成される複核中心となっているのに対し、cNORでは三つのヒスチジンに加えてグルタミン酸が配位したFe、およびヒスチジンが配位したヘムが活性部位を構成していた。また、CcOはミトコンドリア内膜の内側から外側へプロトンを能動輸送するのに対し、cNORでは膜の内側から活性部位へつながる可能性のあるプロトンチャネルは見出すことができなかった。しかし、cNORの結晶構造は、膜の外側に面した分子表面から、活性部位に向かうチャネルの存在を示した。これらの構造的知見は、呼吸酵素の分子進化および基質や機能を返還する仕組みを解明する上で極めて重要である。
RISM理論により溶媒効果を取り入れた第一原理からのタンパク質の立体構造予測

はじめに、新しい拡張アンサンブル法であるモンテカルロ法に基づくレプリカ交換マルチカノニカル法、マルチカノニカルレプリカ交換法の論文を仕上げた(論文1,2)。そして、新しい拡張アンサンブル法の開発を継続した。具体的には、まず、統計力学に基づく分子性液体論であるRISM理論と拡張アンサンブル法を結合したアルゴリズムの開発を行った。RISM理論を用いる場合、全エネルギーはタンパク質内の構造エネルギーと溶媒和自由エネルギーの和からなり、全エネルギーが温度に依存する。今までの拡張アンサンブルモンテカルロ法では、全エネルギーが温度に依存する場合を扱うことができなかった。本研究では、拡張アンサンブル法の1つであるレプリカ交換法を改良することにより、全エネルギー項が温度に依存する場合のアルゴリズムを開発した。そして、この方法の有効性を示した。現在、論文投稿中である。この方法は、溶媒効果が自由エネルギー項として加えられる系に対して、広く用いることができる。また、拡張アンサンブル法であるレプリカ交換法とシミュレーティッドテンパリング法を組み合わせたレプリカ交換シミュレーティッドテンパリング法、シミュレーティッドテンパリングレプリカ交換法の開発を行い、有効性を調べた。この研究も論文投稿中である。拡張アンサンブル法の開発と並列して、解析方法についての研究も行った。モンテカルロ法などから得られる静的なデータから動的な情報を得るために高分子の理論に基づく解析手法を用いて、13残基のペプチドの動的性質の研究を行った(論文3)。今年度は、より大きな系のRISM理論と拡張アンサンブル法を結合したシミュレーションを行うために、メモリーを重視したコンピュータを購入した。また、トラジェクトリを保存するために、LTOのテープドライブのついた1Tのファイルサーバーを購入した。