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ストリゴラクトン関連諸物質の有機合成化学的研究

有機合成化学・天然物化学の視点から、ストリゴラクトン関連諸物質の合成化学的研究を行った。ストリゴラクトンは根寄生雑草の種子発芽刺激物質の総称あるが、近年、アーバスキュラー菌根菌の共生シグナルおよび枝分れを抑制する植物ホルモンとしても知られるようになった化合物群である。天然に存在するストリゴラクトン類は希少であるため、本研究の主たる課題は天然ストリゴラクトン類の化学合成であるが、根寄生雑草防除への貢献も視野に入ている。当初の予定・目標は、天然ストリゴラクトン類の合成および実用を指向したアナログ合成双方において、「研究実績の概要」の記したように、ほぼ想定していた成果を得ているので、概ね順調と判断できる。農学研究は概ね順調に進行しているので、特段の変更ななく、着実に研究を進めていく予定である。ただし、ストリゴラクトン生合成中間体の解明が進展し、それらの関連物質の合成化学的供給に対する必要性が高まってきたので、対応を検討する。また、既にその合成研究に着手しているヘリオラクトンをはじめとする、従来のストリゴラクトン骨格を持たない新規ストリゴラクトン類の単離が相次いでいるので、対応を検討する。なお、27年度が最終年度になるので、成果の公表に注力する予定である。当初目標・目的としていた、天然ストリゴラクトン類の合成研究も、実用・応用を指向したアナログ合成も、「研究実績の概要」に記したように、想定していた成果が得られており、おおむね順調と判断できる。繰り越しが出た主たる理由は、成果発表および研究打ち合わせの旅費が想定より少なかったためである。上述のように、おおむね順調に進行しているので、特段の計画変更はなく、着実に研究を進めていく予定である。具体的には、現在進行中の天然物合成のなかでその完成が近いものは、その完成を急ぐ。なお、研究成果の公表に関しては、特許性の観点から慎重に取り扱うべきものも含まれているので、識者の意見も伺いながら取り進めていきたい。27年度は最終年度であるため成果公表等に注力する予定であり、繰り越し分は旅費等での使用を想定している。
希ガス同位体による断層破砕岩の摩擦溶融生成年代の若返りメカニズムの解明

天然の断層岩における希ガスを使用した年代測定の適用は、断層岩に含まれる生成鉱物の熟成度により異なり、断層の摩擦運動に起因する摩擦熱によって主に解釈される。また、断層岩は全溶融の判断が難しいため、容易に正しい年代を得ることはできない。そこで、断層岩を再現実験で検討し、摩擦熔融試験による原岩の熱変成及び変形破壊が、希ガス同位体測定を行い、希ガスの放出や吸着で岩石の年代が若返る仕組みを明らかにした。天然の断層岩における年代測定は、断層岩に含まれる鉱物の熟成度が断層の摩擦運動度及びその摩擦熱によって異なり、全溶融したものかどうかの判断が難しいため、容易に正しい年代を得ることはできない。断層岩は原岩の熱変成及び摩擦による変形破壊を複合的に反映しているため、摩擦・変形破壊をむしろ単純化した再現実験で検討し、年代の若返りメカニズムを解明していきたいと考えている。また、天然の岩石はすでに固結した地殻形成岩石により周囲を覆われているので、大気マントルまでの組成範囲の中間的な希ガス同位体比を持っている。完全に溶融し大気と希ガス同位体比が平衡にならない限り完全な年代のリセットは起きない。希ガスは、化学的に他の物質と結びつきにくい特徴があり、ガスの出入りは破壊のみでも起こりうるが岩石中に閉じこめるためには溶融後固結しなければならない。この点で、他の元素に比べ物質移動がより検出しやすいと考えた。今年度はカリウムーアルゴン年代のリセットに視点を置き、希ガス同位体測定法を用いて大気と希ガス同位体比が平衡になっていくのかを溶融ガラス、溶融面付近、原岩の三つの部分について分析を行った。下部地殻を代表するハンレイ岩を原岩(出発物質)として、高速摩擦溶融実験を行い、その実験後の岩石およびその生成物(溶融ガラス、溶融面付近、原岩)について、希ガス同位体測定を行った。溶融ガラスは、摩擦溶融時に1100度に達していたため完全にガラス化しており、得られたアルゴン同位体比については、大気と平衡になっており、カリウムーアルゴン年代のリセットが確認された。しかしながら、溶融面付近については、クラストと呼ばれる岩石破砕物がガラス中に含まれているため、一見して熱による同位体分別を起こしているような分析データとなり年代の若返りとして検出されることがわかった。しかし、実際は破砕物に原岩のガスが残っているために同位体分別として見えた可能性が高い。これについては、原岩の岩片と、摩擦破砕し再溶融していない破砕岩片の対照実験を行い詳細な検討が必要であると考えている。天然的断層岩における年代測定の適用は,断層岩に含まれる鉱物の熟成度・断層の摩擦運動度及びその摩擦熱によって異なる。また,全溶融の判断が難しいため,容易に正しい年代を得ることはできない。断層岩は原岩の熱変成及び摩擦による変形破壊を複合的に反映しているため,摩擦、変形破壊を単純化した再現実験で検討し,年代の若返りメカニズムを解明するため希ガス同位体測定を行ってきた。しかし、天然の岩石はすでに固結した地殻形成岩石により周囲を覆われているので,大気マントルまでの組成範囲の中間的な希ガス同位体比を持っており,完全に溶融し大気と希ガス同位体比が平衡にならない限り完全な年代のリセットは起きない。希ガスは,化学的に他の物質と結びつきにくい特徴があり,ガスの出入りは破壊のみでも起こりうるが,溶融後個結した場合のみ固定されるたね,他の元素に比べ物質移動がより検出しやすいと考えた。今年度は希ガス同位体比の大気との平衡と年代リセットに視点を置き,希ガス同位体測定法を用いて大気と希ガス同位体比が平衡になる過程をレーザーにより微小領域測定を行った。下部地殻を代表するハンレイ岩を原岩(出発物質)として,高速摩擦溶融実験を行い,その実験後の岩石およびその生成物(溶融ガラス,溶融面付近,原岩)について,希ガス同位体測定を行った。溶融ガラスは,摩擦溶融時に1100度に達していたため完全にガラス化しており,得られた同位体比は,大気と平衡になっており,カリウムーアルゴン年代のリセットも確認された。しかしながら,溶融面付近は,岩石破砕物がガラス中に含まれているため,熱による同位体分別だけでは説明できず,年代の若返りか年代が古くなることがわかり,部分的に破砕物に原岩のガスが濃集した事も考えられる。今後,原岩の単純加熱実験,単純破枠実験などと対照実験を行い詳細な検討が必要であると考えている。天然の断層岩における希ガスを使用した年代測定の適用は、断層岩に含まれる生成物の成熱度により異なり、断層の摩擦運動に起因する摩擦熱によって主に解釈される。それは、断層岩の原岩の熱変成及び摩擦による変形破壊を複合的な反映による。

摩擦や破壊を単純化した再現実験で検討し、年代の若返りメカニズムを解明するため希ガス同位体測定を行ってきた。天然の岩石は他の岩石により周囲を覆われているので、大気マントルまでの組成範囲の原岩を反映した中間的な希ガス同位体比を持っている。完全に溶融し大気と希ガス同位体比が平衡にならない限り完全な年代のリセットは起きない。希ガスは、化学的に他の物質と結びつきにくい特徴があり、より物質移動が検出しやすいと考えられる。今年度は希ガス同位体比の変化と年代変化に視点を置き、大気と希ガス同位体比が平衡になる過程を溶融ガラス、溶融面付近、原岩の部分についてレーザーによる微小領域測定を行った結果を論文としてまとめた。そこで、下部地殻を代表するハンレイ岩類を原岩(出発物質)として、高速摩擦溶融実験を行い、その実験後の岩石およびその生成物について、摩擦面からの距離毎に希ガス同位体測定を行いこれを論文にまとめた。溶融ガラスは、摩擦溶融時に大気と平衡なったため、カリウム-アルゴン年代のリセットも確認された。溶融面付近については、岩石破砕物がガラス中に含まれているため、一見して熱による同位体分別を起こし、年代の若返り年代を得たが、しかし、部分によっては、破砕物に原岩のガスが濃集して見えたため、原岩より古い年代として検出された。これらは、今後通常の実験岩石学と異なり、変形と摩擦熱を伴い断層岩が異なる力学条件での分析や原岩の熱拡散実験、単純破砕実験などと対照実験を行い詳細な検討が必要であると考えている。
環状オリゴ糖の不斉認識機構の解明とキラル分離剤としての評価

1.アルキル化シクロデキストリンの不斉認識機構の解明シクロデキストリン(CDx)の全ての水酸基をメチル化したトリメチル-beta-シクロデキストリン(TMe-beta-CDx)が、ビナフチル化合物の軸不斉を高い効率で認識することをすでに見いだしており、今回はこのTMe-beta-CDxによる不斉認識機構の解明を目指して研究を実施した。まず、メチル基はCDx空洞の不斉な環境を増幅するという仮説を立て、この仮説の正否を確かめる実験を行なった。ジメチル-beta-シクロデキストリンの3位の水酸基を箱守法によってエチル化したエチルジメチル-beta-シクロデキストン(EtDMe-beta-CDx)を合成し、ビナフチル類の不斉認識を分光学的に検討した。その結果、用いたビナフチル類全てに対し、EtDMe-beta-CDxの不斉認識能はbeta-CDxそのものやTMe-beta-CDxよりも高いことが明かとなった。次に問題とした事項は、ビナフチル類とTMe-beta-CDxとの包接錯体の結合力の特定である。CDxに導入されたアルキル基がCDx環のキラルな歪みを増幅するのであれば、その不斉認識は“鍵と鍵穴"式機構である可能性がある。そこでビナフチル類との結合の熱力学的パラメータを求めた。その結果、TMe-beta-CDxが好むエナンチオマーとの結合においてはエントロピー的に有利な錯形成が進行することが明らかとなった。このことにより、アルキル化CDxの軸不斉化合物に対する高い不斉認識には鍵と鍵穴式機構が適応されるという興味ある結論を導きだすことができた。不斉認識に対する新しい概念の創製不斉認識の新しい概念として、2点における静電相互作用と1つの不斉空洞への取り込みを提案し、その実施としてCDxの1級水酸基をアミノ化したCDxを合成し、実際にこの概念が適応される系を2例見つけた。
ウォークイン・クロゼットの研究(衣類の収納スペース計画についての基礎的研究)

1、昭和62年6月7月にかけて、大阪の女子短大生の家庭を対象とした調査を実施し、215件の有効サンプルを得た。その結果、衣類はかなりの部分が「自室」以外にはみ出しており、各部屋に多様に散らばっている状態がみられた。それに伴なって、居住者の評価も猪類の収納に困っている世帯が多く、その理由に収納スペースの不足をあげた世帯は、過半数にのぼっている。2、昭和62年9月に、全国のスウスメーカーを対象とした調査を実施し、31件の有効サンプル数を得た。その結果、ウォークイン・クロゼットの全販売住宅にためる設置率は、平均3割であるが、地域によって差がみられ、首都圏では多く、それ以外の地域では少ない傾向がみられた。また将来動向については、今後さらに増加するだろうという予測をもっていることがとらえられた。3。、昭和63年8月12月にかけて、一戸建の建売住宅と注文住宅を対象とする調査を実施し、227件の有効サンプルを得た。このサンプルを、収納専用スペースの違いによって、一般住宅・クロゼット型住宅・納戸型住宅の3タイプに分けて分析した。その結果、衣類収納甲家具の容量は、47m^3、衣類収納に用いられる押入れの容積は52m^3であるが、一般住宅では、押入の占めるウェイトが大きく、クロゼット型住宅では洋服ダンス容量が少ないことがとらえられた。しかし、クロゼット型住宅では、クロゼットの中に、衣類以外の種々の生活用品が収納されており、クロゼット以外にも猪類がかなり収納されており、季節外の衣類の入れ替えの減少につながっていない。しかし、居住者はクロゼットを高く評価しており、その必要性を認めているとともに、不満度も低い傾向がみられた。3。1.昭和62年9月に,日本全国のハウスメーカー89件を対象とした調査を実施し, 35件のサンプルを得た.これは,わが国全体のウォークイン・クロゼットの設置状況と将来動向をとらえることを目的としたものである.現在データの分析・考察中であるが,ウォークイン・クロゼットの現在の設置率は,地域的に違いがみられ,首都圏では設置率が多く,その他の地域では少なくなっている.また,将来動向については,今後増加すると予測している傾向がとらえられた.2.衣類の収納について,収納スペースの実態および収納法則を具体的に詳細にとらえるため,平面プラン上に,収納スペースの種類別にその寸法を記入させ,さらに収納される衣類を所有者および衣類の種類別に記入させる調査を行なった.この方針を重視したことより,調査対象は,一般の建売住宅ではなく大阪の女子短大生の家庭とした.昭和62年6月7月にかけて3次にわたる調査を実施し,その結果216件の有効サンプルを得た.現在,データの分析中である.3.ウォークイン・クロゼットをもつ世帯に対する調査を実施するため,まず,ハウスメーカーから平面プランを入手し,平面の吟味を行なった.しかし,一般建売住宅のうち,ウォークイン・クロゼットを設置している住宅は,非常に少ない.現在,三重県および大阪周辺の建売住宅のうち,ウォークイン・クロゼットを有する家庭について,調査を実施・継続中である.1.昭和62年6月7月にかけて行なった大阪の女子短大生の家庭に対して実施した調査の結果得られた215件の対象についての分析を行なった。衣類の入れ替え、衣類の収納の仕方、収納場所、衣類の収納に対する居住者の評価等についての実態の傾向をとらえた。その結果、衣類はかなりの部分が自室以外にはみ出しており、各部屋に多様に散らばっている状態がみられた。それに伴なって、居住者の評価も衣類の収納に困っている世帯が多く、その理由に収納スペースの不足をあげた世帯は過半数にのぼっている。

2.昭和63年8月12月にかけて行なった一戸建住宅およびハウスメーカの分譲住宅に対する調査を、一般住宅(76件)、ウォークインクロゼット所有住宅(49件)、納戸所有住宅(102件)の三タイプに分類して分析した。その結果、衣類用の家具の平均容積は、4.7m^3あり、特に納戸型住宅の値が最も大きく、このタイプでは延床面積の増加に伴なって家具容積も増加する傾向が認められた。クロゼット型住宅では家族人数の増加に伴なう容積の増加傾向が顕著にみられた。しかし、クロゼットの中には、冷暖房器具や本・雑誌類もかなり収納されていること、クロゼット以外にも衣類がかなりの割合で収納されているため、季節外の入れ替えが他の住宅タイプ以上に行なわれていること等がみられ、クロゼットはその面積(平均5.1m^2)の狭さに規制される側面も強く、本来の使い方がされているとはいえない状況である。しかし、居住者は、クロゼットを高く評価しておりその必要性を認めているとともに、衣類収納に対する不満度も低い傾向がみられている。
増殖因子TGF-βの腎疾患における役割とその制御

進行性の糸球体疾患の組織学的特徴は、その原因によらず糸球体内細胞とマトリックスの増加であり、この病変が進展の指標になる。最近になりTGF-βのセレプターの構造やSmadなどの情報伝達にかかわる蛋白あるいは活性化機序が明らかになってきた。また、in vitro、in vivoでの遺伝子導入の方法が確立され、我々もアデノウイルスをベクターとした遺伝子導入の方法を導入してきた。今回我々は、TGF-βの可溶性レセプターの遺伝子導入によるTGF-βの制御による治療の試みについて検討した。TGF-βの可溶性レセプターの遺伝子導入によるTGF-βの制御TGF-βには3種類のレセプターがあり、1型と2型が細胞内にセリンースレオニン活性をもちシグナル伝達に関与する。これらのレセプターの細胞外部分の遺伝子をヒトIgGのFc部分と連結させ分泌型のダイマーとしてアデノウイルスに組込み、筋肉細胞に導入すると、大量の可溶性レセプターが産生される。この可溶性レセプターは血中や組織中のTGF-βと結合し、その活性を阻害する。本実験ではTGF-β2型可溶性レセプターを間質線維化ラットモデルの筋肉細胞に導入し、病変におよぼす影響の差と治療への可能性を検索した。その結果、血中可溶性レセプターの濃度の増加とともに、尿管結紮1週間後の間質の線維化、マトリックスの蓄積、マクロファージの浸潤などの組織変化は抑制された。以上の結果より、TGF-β可溶性レセプターがin vivoにおいてもTGF-βの作用を有効に阻害し腎組織の線維化を抑制できることを示した。今回我々は、この増殖因子の腎病変進展に深く関わる因子として、1)潜在型TGF-β結合蛋白(LTBP)、2)TGF-βレセプターの多様性に注目し、糸球体疾患進展との関わりと治療の試みについて検討した。メサンギウム細胞および尿細管細胞in vitroにてLTBP遺伝子を導入し、TGF-βの産生、活性化、およびマトリックス蛋白内への取り込み、またその形質の変化を検索した。さらに、正常あるいは腎炎ラットモデルの腎臓内にLTBP遺伝子を、経腎動脈的に導入し、組織病変におよぼす影響を観察した。これらの細胞への遺伝子導入では細胞の形態、マトリックスやTGF-βの産生に影響はなかった。また腎病変の改善や増悪も認められなかった。(2)LTBPの細胞表面結合部分によるTGF-βの制御LTBPは細胞表面結合部分を持ち、この部分を介してTGF-βは細胞表面で活性化される。リコンビナントな細胞表面結合部分が使用できるようになり、腎炎モデルへのこの蛋白の投与により、TGF-βのbehaviorと腎病変に及ぼす影響を検索し治療薬としての可能性を探った。LTBPの連続投与では腎病変に変化はなかった。2、TGF-βレセプターの変異遺伝子導入によるTGF-βの制御TGF-β2型レセプターの細胞外部分の遺伝子をアデノウイルスに組込み筋肉細胞内に導入すると、この可溶性レセプターにTGF-βが結合し、シグナルは伝わらない。腎炎ラットモデルの筋肉内にこの遺伝子を導入すると糸球体病変の改善が認められた。

今回我々は、TGF-βの可溶性レセプターの遺伝子導入によるTGF-βの制御による治療の試みについて検討した。TGF-βの可溶性レセプターの遺伝子導入によるTGF-βの制御TGF-βには3種類のレセプターがあり、1型と2型が細胞内にセリンースレオニン活性をもちシグナル伝達に関与する。これらのレセプターの細胞外部分の遺伝子をヒトIgGのFc部分と連結させ分泌型のダイマーとしてアデノウイルスに組込み、筋肉細胞に導入すると、大量の可溶性レセプターが産生される。この可溶性レセプターは血中や組織中のTGF-βと結合し、その活性を阻害する。本実験ではTGF-β2型可溶性レセプターを間質線維化ラットモデルの筋肉細胞に導入し、病変におよぼす影響の差と治療への可能性を検索した。その結果、血中可溶性レセプターの濃度の増加とともに、尿管結紮1週間後の間質の線維化、マトリックスの蓄積、マクロファージの浸潤などの組織変化は抑制された。以上の結果より、TGF-β可溶性レセプターがin vivoにおいてもTGF-βの作用を有効に阻害し腎組織の線維化を抑制できることを示した。
酸窒化物光触媒を用いた可視光水分解

n型半導体光電極を用いた水の分解反応による水素及びメチルシクロヘキサン製造におけるエネルギー変換効率を向上させるには、可視光照射下、小さな印加電圧での光アノード電流を向上させる必要がある。今年度は可視光照射下で水を水素と酸素に分解することが可能な窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体光触媒を粒子転写法により光電極化し、光電気化学的水分解反応における光アノード応答を検討した。アンモニア熱窒化法により調製した窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体光触媒粒子をガラス基板上に堆積させ、スパッタリング法や真空蒸着法により各種金属層を製膜した。その後、剥離、超音波処理を経て光触媒粉末と金属膜の接合体を得た。これに導線を接続して光電極試料とした。裏面金属として亜鉛を用いたところ、その他の金属に比べて比較的高い光電流値が得られた。しかし、機械的強度や化学的安定性に乏しかったため、チタンを用いて酸化イリジウム助触媒の担持効果の検討を継続した。光電極上の光触媒粒子の形態を観察したところ、直径200 nmないし400 nm程度の窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体粒子が2 um以上の厚さで凝集した状態でチタン層上に固定化されていることがわかった。光触媒粒子の分散性を改善して粒界抵抗を低減させることにより、より大きな光電流が得られるようになると期待される。今後、光触媒粒子の粒径を制御するとともに裏面電極金属種や助触媒の種類の検討を継続することで光電流値が一層向上し、太陽エネルギーを利用した持続可能な社会システムの実現に貢献できるものと考えられる。26年度が最終年度であるため、記入しない。水素は液化しにくい気体であり輸送や貯蔵に問題がある。このため、メチルシクロヘキサンなどの有機ハイドライドに変換し、水素キャリアとして輸送や貯蔵をすることが有力視されている。本研究ではp型半導体であるCu-Ga-Se系やCu-Zn-Sn-S系などの半導体を用い、光照射による水素発生や、有機ハイドライドの直接生成に関する研究を行った。2012本年度は、MoメッシュにCu-Zn-Sn-S系材料を電析・硫化法で、Cu-Ga-Se系材料を多元蒸着法で作製して電極とした。得られた電極はp型半導体特性を示し、CdS、Ptで修飾することで、水からの水素生成反応に先行研究と同程度の活性を示すことを確認した。先行研究において問題となっていたトルエン相、水相、光電極の3相界面の作り込みのためにイオノマーの量やホットプレス法の条件を検討したが、性能と再現性の両面で課題があり、金属メッシュを膜・電極接合体として用いることに問題があると判断した。金属メッシュを使用しない膜・電極接合体と光電気化学系の開発を目指して、カーボンブラック担持白金をカーボンペーパーにスプレーした電極をカソードに、n型半導体電極を光アノードに用いることを検討した。反応系の概念実証のため、n型半導体にはNbがドープされたSrTiO3単結晶を用いた。NbドープSrTiO3を光励起することで光電流が流れ、トルエンがメチルシクロヘキサンに継続的に変換される様子が観察された。カーボンペーパーを用いた膜・電極接合体の作製やメチルシクロヘキサンの定量、ファラデー効率の測定の信頼性の問題は残っているが、膜・電極接合体の作製条件や反応条件を検討することで解決し、論文の執筆に必要な実験を進める予定である。金属メッシュを膜・電極接合体として用いると性能やプロセス性に問題があるため、金属メッシュを使用しないより汎用的な膜・電極接合体と光電気化学系の開発に取りくんだ。カーボンブラック担持白金をカーボンペーパーにスプレーした電極をカソード、n型半導体であるSrTiO_3 : Nb単結晶をモデル半導体光アノードとして、光照射での光電気化学的な有機ハイドライドの直接生成に関する検討を行った。光電気化学セルの形状や生成物の定量システムを改良した結果、SrTiO_3 : Nb単結晶を光励起することにより膜・電極接合体上でトルエンがメチルシクロヘキサンに継続的に変換される様子が観察された。二電極測定で印加電圧を加えずに光照射したところ、2時間以上0.12mA cm^<-2>の光電流が観察された。生成物を定量した結果、トルエンのメチルシクロヘキサンへの水素化に対するファラデー効率は97.2%であり、光電流がほぼすべてメチルシクロヘキサンの生成に利用されていることが確かめられた。本研究は光のエネルギーだけを用いてトルエンからメチルシクロヘキサンを生成した初めての系であり、研究成果を論文に投稿している。一方、膜・電極接合体を介してトルエン相が水相にリークする問題がしばしば見られた。ホットプレス法により膜・電極接合体を作成すると、イオン交換膜に微小な亀裂が入り流体がリークしやすくなることが様々な比較実験により示唆された。ホットプレス法を用いずにアイオノマー溶液の量を調整することでリークを抑制することを試みたが、トルエン相を十分に封止できず、根本的な解決には至っていない。

今年度は可視光照射下で水を水素と酸素に分解することが可能な窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体光触媒を粒子転写法により光電極化し、光電気化学的水分解反応における光アノード応答を検討した。アンモニア熱窒化法により調製した窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体光触媒粒子をガラス基板上に堆積させ、スパッタリング法や真空蒸着法により各種金属層を製膜した。その後、剥離、超音波処理を経て光触媒粉末と金属膜の接合体を得た。これに導線を接続して光電極試料とした。裏面金属として亜鉛を用いたところ、その他の金属に比べて比較的高い光電流値が得られた。しかし、機械的強度や化学的安定性に乏しかったため、チタンを用いて酸化イリジウム助触媒の担持効果の検討を継続した。光電極上の光触媒粒子の形態を観察したところ、直径200 nmないし400 nm程度の窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体粒子が2 um以上の厚さで凝集した状態でチタン層上に固定化されていることがわかった。光触媒粒子の分散性を改善して粒界抵抗を低減させることにより、より大きな光電流が得られるようになると期待される。今後、光触媒粒子の粒径を制御するとともに裏面電極金属種や助触媒の種類の検討を継続することで光電流値が一層向上し、太陽エネルギーを利用した持続可能な社会システムの実現に貢献できるものと考えられる。26年度が最終年度であるため、記入しない。Moメッシュをベースにした膜・電極接合体の作製を通じて膜・電極接合体作製上の課題を抽出した。研究計画に従ってカーボンペーパーをベースとした膜・電極接合体の開発に取り組み、概念実証のための実験を行った。膜・電極接合体作製の信頼性を向上させ、反応開始電位やファラデー効率等を系統的に測定することで、成果を論文としてまとめることが可能と判断できる段階まで研究が進展した。金属メッシュを用いずに作製した膜・電極接合体をカソードに、n型半導体光電極をアノードに用い、光のエネルギーのみを用いてトルエンをメチルシクロヘキサンに水素化する方法を実証した。2012年度の成果をまとめるため、カーボンブラック担持Ptが担持されたカーボンペーパーをカソードとして用いた膜・電極接合体の作製法を確立させる。上記の膜・電極接合体に光電極としての機能を付与するために、カーボンブラック担持Ptの代わりにCu-Ga-Se系やCu-Zn-Sn-S系のp型半導体粉末を用いる。この際、半導体粉末とカーボンペーパーの間の抵抗が問題となるため、1半導体粉末の担持方法やホットプレス条件等を詳細に検討するとともに、微量の金属膜をスパッタリングするなどして導電性の改善に努める。この他、有機ハイドライドのエネルギーキャリアとしての実用化とp型半導体の応用法開発を目指して有機ハイドライドの脱水素化に有効なアノード材料の開発に取り組む。可視光応答性光触媒材料である窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体を光アノードとして用いて可視光照射下でのトルエンの水素化反応の活性向上を目指す。活性の向上には水素発生やトルエンの水素化電位近傍での光電流値を向上させる必要があり、窒化ガリウム酸化亜鉛固溶体の光アノード電流開始電位付近での光電気化学特性を詳細に解明する必要がある。具体的には光電極の作製には粒子転写法を用いる。
除雪作業用自律走行支授モジュールの開発

除雪機の自律走行による作業の実現において問題となることに,(1)雪中障害物の認識,(2)さまざまな天候下での雪上障害物検知,(3)雪中の地形形状,積雪状態により作業制約の発生が挙げられる.そこで本研究ではこれらの問題点を解決するために,当該研究期間において自律走行支援モジュールの設計および開発,更にその評価実験を行った.評価実験より,・雪中障害物の認識では,雪中にセットした金属障害物を除雪機に搭載した金属センサーにより検知することが可能であった.しかし,作業を伴う場合については,作業機の振動がノイズとなり検知に影響を与える場合の存在が明らかになった.・雪上障害物の認識では,晴天/曇天降雪時双方において搭載したセンサーの検知領域に影響が出ないことが明らかとなり,屋外環境の雰囲気の変化に対して搭載したセンサーが有効であることが示された.また自律除雪機を用いた除雪作業での安全対策に関する実験として,作業中の除雪機の前に人間が侵入した際の緊急停止実験も行い,本研究で開発した自律走行支援モジュールにおけるセンサー/車両制御系が有効に機能していることが示された.更に外部の基地局PCに作業領域の積雪や地形データなどを持つGIS(Geographic Information System)を導入して,GISデータに基づいて経路計画を行う作業プランニングシステムを開発を行った.またこれに伴い,得られた作業マップを持つ基地局PCと自律除雪機間とでデータの送受信を行う通信モジュールを開発し評価実験を行い,屋外環境下で利用可能であることが示された.除雪機の自律走行による作業の実現において問題となることに,(1)雪中障害物の認識,(2)さまざまな天候下での雪上障害物検知,(3)雪中の地形形状,積雪状態により作業制約の発生が挙げられる.そこで本研究ではこれらの問題点を解決するために,当該研究期間において自律走行支援モジュールの設計および開発,更にその評価実験を行った.評価実験より,・雪中障害物の認識では,雪中にセットした金属障害物を除雪機に搭載した金属センサーにより検知することが可能であった.しかし,作業を伴う場合については,作業機の振動がノイズとなり検知に影響を与える場合の存在が明らかになった.・雪上障害物の認識では,晴天/曇天降雪時双方において搭載したセンサーの検知領域に影響が出ないことが明らかとなり,屋外環境の雰囲気の変化に対して搭載したセンサーが有効であることが示された.また自律除雪機を用いた除雪作業での安全対策に関する実験として,作業中の除雪機の前に人間が侵入した際の緊急停止実験も行い,本研究で開発した自律走行支援モジュールにおけるセンサー/車両制御系が有効に機能していることが示された.更に外部の基地局PCに作業領域の積雪や地形データなどを持つGIS(Geographic Information System)を導入して,GISデータに基づいて経路計画を行う作業プランニングシステムを開発を行った.またこれに伴い,得られた作業マップを持つ基地局PCと自律除雪機間とでデータの送受信を行う通信モジュールを開発し評価実験を行い,屋外環境下で利用可能であることが示された.本研究では,機械学習付き自動調整機構,超音波診断,赤外線ビション認識,DGPSを用いて,自律走行支援モジュールの開発を試みる.開発計画の概要は,課題を主要3テーマに類別し,各々のテーマについて基本となる処理系の構築を行った.テーマ1.DGPSによる自己位置推定装置および障害物検知モジュールの小型ワンボード化DGPSを小型携帯ワンボードマイコン上へ構築する.HITACHI SHシリーズ開発キットを用いてワンボード化することによって除雪機の自動位置制御試験を行った.専用センサーアンプ回路およびモータドライバ回路,学習信号発生回路については,回路CAD&基板加工機を用いて内製することによって,試作設計を行いながら筋電制御システムを試作した.テーマ2.人など動的障害物の検出テストおよび障害物検知モジュールの構築赤外線ビションを用いて人体など発熱体の温度分布を2次元の像情報として取り出しながら,超音波探査のデータとの整合性を取ることにより,人等の動的障害物の認識精度と速度の向上を図るために,赤外線ビジョンシステムを用いた屋外用画像処理システムの構築を行う.テーマ3.種々の降雪条件における機械学習付き感度制御の適用可能性の調査機械学習を搭載したワンボードマイコンを用いて,センサー群のデータと障害物の状態との関係のテーブルを,学習的に獲得し,目的地追從実験に応用し,その成果を論文により公表した[Kakazu,et.al,2000].複数のセンサーデータを機械学習により統合し,運転者に適切な情報(自己位置,走行マップ,障害物との相対距離など)を提供するマンマシンインターフェースの構築を行う本年度は,自律走行型除雪実験装置の全システムを稼動させ,機械学習付き自動調整機構,超音波診断,赤外線ビション認識,DGPSなどの評価試験を実施した.実験車両用に製作した自律走行支援モジュールは,自律型の走行制御とともに,ホストコンピュータからの遠隔操作の両方を実現するものである.除雪機の各種センサー情報は,無線LANによりホストコンピュータに伝送され,作業者は除雪機から見た周囲の環境情報を,CCDカメラ画像,金属センサー出力,超音波センサー出力,DGPSなどによって監視できるものとなった.本年度の主要開発テーマである超音波診断とDGPS機能の搭載と走行実験についての成果をまとめると次の通りである.・DGPSを小型携帯ワンボードマイコン上へ構築する.HITACHI SHシリーズ開発キットを用いてワンボード化することによって除雪機の自動位置制御試験を実施した.・専用の制御装置を試作しシステム全体の小型化を図り,自律型除雪車両の定点追従に成功した.

・機械学習を搭載したワンボードマイコンを用いて,センサー群のデータと障害物の状態との関係のテーブルを,降雪条件(吹雪き,粉雪,牡丹雪,べた雪)ごとに構築し,センサー感度制御の必要となる条件を確定した.・複数のセンサーデータを機械学習により統合し,運転者に適切な情報(自己位置,走行マップ,障害物との相対距離など)を提供するマンマシンインターフェースの構築を行い,遠隔地から除雪機の制御が可能となることを示した.また,北海道大学構内において,DGPSによる位置計測を行い,定点追従制御が可能であることを示した.本年度は,関発した自律走行型除雪機を用いて,除雪作業を伴う移動時の雪上障害物の認識,雪中障害物の認識,自己位置検出における搭載センサーの評価試験を実施した.また晴天時,曇天降雪時といっ,た屋外作業環境の雰囲気の変化における搭載センサーの認識に関する評価試験も実施した.雪上障害物は,焦電型赤外線センサー,反射型赤外線センサー,および超音波センサーからの出力により認識,雪中障害物は金属センサーからの出力により認識,そして自己位置検出はGPSにより検出することが移動作業時において可能となった.更に屋外作業環境の雰囲気の変化に対しても,搭載したセンサーが障害物検出に有効であることが示された.また自律走行型除雪機の状態を遠隔地にいる作業管理者へ提示するための除雪機・モニターPC間の通信を行う通信システムの評価を行い,除雪作業時,天候が変化した際においても利用可能となった.更に自律走行型除雪機のナビゲーションマップ作成システムを構築するためにGISを導入し,作業領域の地形,障害物や積雪量データにもづいたナビゲーションデータを生成することが可能となった.以上の研究成果をまとめると次のとおりである.・雪上障害物雪中障害物および自己位置の検出を搭載したセンサーシステムについて,除雪作業時,および天候変化時での評価試験を実施し,有効に機能することを明らかにした.・センサーデータの処理,実験車両の制御信号生成,モニターシステムとの通信を処理するCPU(H8)を搭載した小型モジュールを製作,評価試験を実施した.・GISを援用した自律走行型除雪機用ナビゲーションマップ作成システムの構築を行い,実験用作業領域での地形データ,障害物データ,および積雪量データに基づいたナビゲーションデータの生成を行い,実験車両を用いてデータの評価を実施した.
国民的歴史学運動の継承過程に関する教育実践史研究

国民的歴史学運動のひろがりについて検討することを本研究の課題とした。これまで、国民的歴史学運動の金字塔的な作品とみなされてきた加藤文三の東京都立大学人文学部歴史学科の卒業論文である「石間をわるしぶき」を取り上げ、その後の加藤文三の中学校教師としてのとりくみに即して、国民的歴史学運動がどのように社会科教育のなかでその精神が生かされていくことになったのかを検討した。また、岡山県における月輪古墳における大衆的発掘による日本史の起源物語の再構築の試みについては、それが周辺の中学校・小学校での教育実践にどのような波及を与えてきたかを明らかにしてきた。さらに、沖縄復帰闘争における沖縄内・本土内における取り組みには、沖縄と本土との歴史関係をどのように表象し直すのかをめぐる様々な教育実践が展開していた。これらについて検討をすすめることによって、沖縄復帰闘争に関連した社会科教育実践における国民史の再構築について明らかにしようとした。以上がこれまでの研究業績であり、今年度については、改めて国民的歴史学運動の拡がりを生活綴方運動、さらにはそれを実施した国語科教育の中に調べ直そうと試みた。生活綴方運動の検討を通じて、改めて浮かび上がってきたのは、植民地主義の複雑な投影であった。特に国分一太郎において、戦前の山形県長瀞小学校での実践では、東北地方を日本における内国植民地であると見なす発想が実践の根底に存在していたし、戦後においては、アメリカ帝国主義によって事実上植民地化された国家であると日本を見なす発想が実践の根底には存在していた。これら植民地主義的な機能が複雑で微妙なメタファーとなって戦前から戦後の日本に存在していたのであり、それが国民的結合を下から促す際に作動していた。今後はいままで検討したことを踏まえて、本にまとめていきたい。今年度は、年度前半と後半において、次のような研究活動を展開した。まず年度前半においては、沖縄における戦後教育史を教育実践の側面から再検討することを通して、国民的歴史学運動において提起された下からのナショナリズムが沖縄の歴史的展開の中でどのように教育場面において見受けられたのかを明らかにしようとした。その結果として、戦後における下からのナショナリズムの展開に際して、戦前、特に戦時下における「本土」を母と見なし、「沖縄」を子どもと見なすという両地をめぐる母子表象が戦後において再生産されることになったことを明らかにした。ナショナリズムを促す動因としてのメタファーの存在に注目することの必要性について検討を進めた。沖縄での教育とナショナリズムを検討するにあたり、その中心点にあったのは教育基本法問題であった。そこから沖縄・本土での教育基本法問題と教育運動との関係について検討を行った。検討の結果として明らかにし得たことは、教育基本法においては日本文正文と英語訳において教育が誰に責任を負うのかをめぐって大きな違いがあるということであった。すなわち日本語版では、国民全体に責任を負うことが明文化され、英語訳においてはコミュニティ全体に対して責任を負うべきことが明文化されていた。戦後における教育基本法の擁護運動は、民間教育運動における下からのナショナリズムの一表現形であり、その際、ナショナルな問題がコミュニティの問題に対して優先されていったことを明らかにした。本年度は、国民的歴史学運動の継承過程として、戦後の社会科教育、生活綴方教育の教育実践の分析と、それらの実践的基盤として、改めて戦前期の郷土教育、生活綴方教育に焦点を当てると共に、現代の教育問題にも光を当てようと試みた。戦前期の教育については、郷土教育と生活綴方教育について、改めて民俗学との関わりを整理することとした。国民的歴史学運動は、庶民の歴史を創出しようとする運動であり、その基盤を辿るならば、村々において子ども達に歴史を調べさせ、綴らせることで歴史像の構築を下から試みようとした郷土教育や生活綴方教育実践に行き当たるのであり、それらの教育には当時、新たな社会科学として成立しつつあった民俗学が実践のヒントを与えていたのである。しかし、下からの歴史像構築の試みは、国民国家の構成員にとっての正史(いわば「国民の歴史」)を自主的な取り組みとして(時に戦時下における正統な国史への批判意識を持っていたとしても)内面化する試みとなっていたことを明らかにした。戦後、象徴天皇制への移行の中で、国民を主人公とした歴史像が求められた。新たな歴史像の構築に積極的な役割を果たしたのが国民的歴史学運動であった。そこでは、当事者たちには必ずしも意識されていなかったものの、1930年代の柳田国男の民俗学の問題提起と共通するものがあった。本年度の研究では、いわば1930年代に構築された、「郷土」の歴史像の構築を手がかりとして、国民の歴史を内面化させようとする技法は、その後も基本的に機能し続けており、昨今の教育改革における愛国心涵養を目指す教育においても使用されていることを明らかにした。

さらに、沖縄復帰闘争における沖縄内・本土内における取り組みには、沖縄と本土との歴史関係をどのように表象し直すのかをめぐる様々な教育実践が展開していた。これらについて検討をすすめることによって、沖縄復帰闘争に関連した社会科教育実践における国民史の再構築について明らかにしようとした。以上がこれまでの研究業績であり、今年度については、改めて国民的歴史学運動の拡がりを生活綴方運動、さらにはそれを実施した国語科教育の中に調べ直そうと試みた。生活綴方運動の検討を通じて、改めて浮かび上がってきたのは、植民地主義の複雑な投影であった。特に国分一太郎において、戦前の山形県長瀞小学校での実践では、東北地方を日本における内国植民地であると見なす発想が実践の根底に存在していたし、戦後においては、アメリカ帝国主義によって事実上植民地化された国家であると日本を見なす発想が実践の根底には存在していた。これら植民地主義的な機能が複雑で微妙なメタファーとなって戦前から戦後の日本に存在していたのであり、それが国民的結合を下から促す際に作動していた。今後はいままで検討したことを踏まえて、本にまとめていきたい。
超音波による超高速3次元動態計測システム

1. 2次元アレイ素子の製造プロセスの整備とデータ収集システムの拡張半自動チップマウント装置を現有の基板切削加工とエッチング用の装置に付加し周辺回路と一体化したアレイ素子の作製を可能にした。また,現有のセラミックス製2次元アレイの受信チャンネルを4倍の128に拡張した。2.動態観測用2次元アレイの評価超音波周波数2.0MHzで,膨張・収縮運動するバルーンを観測し,ドップラーシフトの検出による画質改善が可能なことを確認した。画像のコントラストはドップラーシフトの検出により約3dB改善されることが確認された。また,シミュレーションのデータを用いて,対象の移動速度の検出と保障のためのアルゴリズムの検証を行った。3.並列PCクラスタの作製と評価並列PCクラスタを作製し,速度分布推定・像再生ソフトを並列PCに移植した。像再生領域を分割してクラスタのノードに計算を割り当てる方式で,像再生ソフトウエアを移植し,動作を確認した。計算時間はクラスタの台数分の比率で短くなるが,計算結果を結合するための通信によるオーバヘッドの増加があることが確認された。並列PCクラスタの構成を,計測システムの特性に合わせて変更することを検討した。新しい構成では,画像データの統合を行なう専用のノードを追加した。この結果,ノード間のデータ転送によるオーバヘッドが低減された。5. FPGAによる専用演算ハードウェアの設計FPGAによる高速演算ハードウェアの設計を行った。論理合成の結果,送信素子32,受信素子32のシステムで約十万ゲート規模の構成となった。演算性能を見積ったところ,3次元画像1フレームあたり約1秒のレイテンシであることが確認できた。ソフトウェア処理のレイテンシとの比較では約40倍の高速演算が期待でき,今後はパイプライン化や演算器の並列化などの拡張を進めていき,演算システムに組み込んでいく予定である。1.製造プロセスの整備多数の微細なチップ部品を実装するために不可欠な半自動チップマウント装置を備品費で購入し、現有の基板切削加工とエッチング用の装置と組み合わせることで、周辺回路と一体化したアレイ素子の製造プロセスの整備を行なった。2.セラミックス2次元アレイの拡張と評価現有のデータ収集システムにリレーマルチプレクサを付加し、セラミックス製2次元アレイの受信チャンネルを4倍の128に拡張した。豚肉ブロック内部の撮像実験を行い、静止物体の画質が受信素子数の増加により改善できることを確認した。現在、備品費で購入した超音データ収集装置(32チャンネル)により、同時受信チャンネル数を64に拡張することを試みている。またシミュレーションにより、素子の周波数帯域、素子間のクロストークなどの特性が画像に与える影響を評価した。3.並列PCクラスタの作製マザーボード、LANカード、電源、ケースなどを消耗品費で購入し、並列PCクラスタを作製し、この上に並列処理用環境を構築した。このPC並列クラスタに現有のPC上に開発されている信号処理ソフトウェアを移植した。実測データの処理を行い、計算の高速化を確認した。4.多次元符号化技術の理論の整備2次元超音波アレイの送信符号化方式とアレイ形状を評価するための現有のシミュレーションプログラムを、移動物体用に修正した。また、MatLabシミュレーションにより、本研究の方式による3次元撮像システムと医療診断用システムのダイナミックレンジの比較を行なった。1.動態観測用2次元アレイの評価素子数40×40(=1600)のマトリクス型アレイを用いて動態観測の評価実験を行った。超音波周波数は2.0MHzとした。膨張、収縮運動するバルーンを観測し、ドップラーシフトの検出による画質改善が可能なことを確認した。送受信の時間間隔は20msであり、画像のコントラストはドップラーシフトの検出により約3dB改善されることが確認された。

また、シミュレーションのデータを用いて、対象の移動速度の検出と保障のためのアルゴリズムの検証を行った(岡田、石原、柳田、小山、田村)2.2次元アレイ較正システムの構築微小なセンサを走査してセンサアレイの位置と周波数特性、指向性などの特性の較正用データを収集するシステムを構築した。このシステムで得られた較正用データから補正用パラメータを算出するソフトウエアを開発した。(石原、田村)3.動態観測用多次元符号化システムの構成超音波データ収集装置と並列PCクラスタを接続して動態計測システムを構築した。クラスタのノード数は8である。(田村、柳田、赤塚)4.並列PCクラスタによる動態計測ソフトウェアの評価三次元動態を計測するための速度分布推定、像再生ソフトを並列PCに移植した。(田村、赤塚、湯浅)像再生領域を分割してクラスタのノードに計算を割り当てる方式で、像再生ソフトウェアを移植し、動作を確認した。計算時間はクラスタの台数分の比率で短くなるが、計算結果を結合するための通信によるオーバヘッドの増加があることが確認された。また、FPGAによる高速演算ハードウェアの設計も行った。(田村)1.動態観測用多次元符号化システムの構成備品費により高速インタフェースを購入し超音波データ収集装置と並列PCクラスタを接続して動態計測システムを構築した。また、並列PCクラスタの構成を、計測システムの特性に合わせて変更した。新しい構成では、ノード(個々のPC)の処理単位をレシーバの番号により分割し、画像データの統合を行なう専用のノードを追加した。この結果、ノード間のデータ転送によるオーバヘッドが低減された。(田村、柳田、湯浅)2.並列PCクラスタによる動態計測ソフトウェアの評価三次元動態を計測するための速度分布推定・像再生ソフトを並列PCに移植した。(田村、湯浅、柳田、赤塚)3.FPGAによる専用演算ハードウェアの設計FPGAによる高速演算ハードウェアの設計を行った。論理合成したところ、送信素子32,受信素子32のシステムで約十万ゲート規模の構成となった。演算性能としてクロックサイクル数及び動作周波数からレイテンシを見積ったところ、3次元画像1フレームあたり約1秒で演算出力可能であることが確認できた。ソフトウェア処理のレイテンシとの比較では約40倍の高速演算が期待でき、今後はパイプライン化や演算器の並列化などの拡張を進めていき、演算システムに組み込んでいく予定である。(田村、柳田)
ベイズ統計を活用した低解像度構造情報からのモデリング手法の新展開

生体高分子の構造や運動に関する情報を得るためにクライオ電子顕微鏡実験が幅広く使われるようになっている.技術の発達により,高い解像度の像が得られるようになってきているが,それでも通常得られるデータの解像度は原子レベルには届かない.一方,電子顕微鏡実験ではサンプルを結晶化する必要がなく,より自然に近い構造状態を観測することができるため,X線結晶解析では難しい,機能中間状態などの観測に力を発揮する.そのため,複数の実験データとコンピューターシミュレーションを組み合わせて構造モデリングを行う「ハイブリッドアプローチ」が有効である.本研究では,低解像度データから原子レベルの構造モデルを構築するための統計的な評価関数を用いた新しい手法を開発する.本年度は以下の研究を行った.これまで開発を進めてきた実験データを活用した構造モデリングアルゴリズムの実験データへの応用を進めている.その際,クライオ電子顕微鏡から得られる立体像は3次元格子の形で与えられる.ここで,個々の格子の実際の大きさを指定するパラメーターが分子全体の大きさを決め,モデリングの結果にも影響するのであるが,このパラメーターの見積もりには数%の誤差があることが知られている.そこで,構造モデリングの精度を高めるために,この格子サイズのパラメータについても正確な値を見積もることのできるアルゴリズムを開発している.これまでに,一般的にX線結晶構造モデルの評価をすることに使われている指標は,このパラメーターの評価には不適であり,他の有効な指標を見出している.電子顕微鏡データからタンパク質原子構造モデルを再構成する際に指定する必要のあるパラメーターへの結果依存性についてより詳しく考慮する必要がある事が分かり,研究の遂行に想定以上に時間を要した為,進捗がやや遅れている.立体格子のサイズを精密化する手法を引き続き行う.さらに,クライオ電子顕微鏡の立体像の実験データには,分子構造上の場所によって含まれているノイズや解像度が異なっている.このような不均一性をモデリングに反映させることのできる構造評価関数の開発を進めると共に,引き続き実験データへの応用を行っている.生体高分子の構造や運動を理解するために様々な実験データとコンピューターシミュレーションを組み合わせる「ハイブリッドアプローチ」の必要性が高まっている.本研究では,特にクライオ電子顕微鏡の低解像度データから原子レベルの構造モデルを構築するための新しい手法を開発する.年度途中からの開始となったが本年度は以下の研究を行った.研究の準備段階として,従来用いてきた構造モデルと実験データの整合性を相関係数によって評価することでフィッティングを行うアルゴリズムを,理研杉田グループの分子シミュレーションプログラムGENESISに組み込み,さらに拡張アンサンブル法などによりフィッティングの精度を高める手法を実装し,シミュレートした電子密度マップや実験データで動作を確認した.これにより新規に開発するフィッティング評価関数の導入が容易になる.さらに,データとモデルとの整合性を確率的に評価する新しい評価関数を分子シミュレーションプログラムに組み込むために必要な数式を導き,これらの実装を開始した.年度途中から研究を開始したため,年次計画通りには研究が完成していないが,実装に向けて概ね順調に進展しており最終的には計画を完了することができると考える.生体高分子の構造や運動を理解するためのクライオ電子顕微鏡実験の重要性が非常に高くなってきている.技術の発達により,高い解像度の像が得られるようになってきているが,それでも通常得られるデータの解像度は原子レベルには届かない.そのため,実験データとコンピューターシミュレーションによる構造モデリングを組み合わせる「ハイブリッドアプローチ」の必要性が高まっている.本研究では,低解像度データから原子レベルの構造モデルを構築するための統計的な評価関数を用いた新しい手法を開発する.本年度は以下の研究を行った.これまで開発を進めてきた構造モデルと実験データの整合性を評価することでフィッティングを行うアルゴリズムを,実験データに応用し,構造モデルの構築を行った.その際,実験データに含まれている実験ノイズや3次元再構成の際の誤差によると考えられる,フィッティングをする際にデータに依存しすぎることからくるオーバーフィッティングの問題が顕著であることがわかり,それについて詳しく検討する必要が生じた.フィッティングの際に分子に加える疑似的な力の強さが最終的なモデルに大きく影響することを評価し,また,フィッティングも一意的ではなく結果にばらつきが出ることを踏まえ,多数のフィッティングを行い,それらの中から,構造の質を評価することで,実験データを再現しつつ,構造的に正しいと考えられるモデルを提案する方法について研究を行った.年度途中から研究を開始したため,年次計画通りには研究が完成していないが概ね順調に進展している.生体高分子の構造や運動に関する情報を得るためにクライオ電子顕微鏡実験が幅広く使われるようになっている.技術の発達により,高い解像度の像が得られるようになってきているが,それでも通常得られるデータの解像度は原子レベルには届かない.一方,電子顕微鏡実験ではサンプルを結晶化する必要がなく,より自然に近い構造状態を観測することができるため,X線結晶解析では難しい,機能中間状態などの観測に力を発揮する.そのため,複数の実験データとコンピューターシミュレーションを組み合わせて構造モデリングを行う「ハイブリッドアプローチ」が有効である.本研究では,低解像度データから原子レベルの構造モデルを構築するための統計的な評価関数を用いた新しい手法を開発する.本年度は以下の研究を行った.これまで開発を進めてきた実験データを活用した構造モデリングアルゴリズムの実験データへの応用を進めている.その際,クライオ電子顕微鏡から得られる立体像は3次元格子の形で与えられる.ここで,個々の格子の実際の大きさを指定するパラメーターが分子全体の大きさを決め,モデリングの結果にも影響するのであるが,このパラメーターの見積もりには数%の誤差があることが知られている.そこで,構造モデリングの精度を高めるために,この格子サイズのパラメータについても正確な値を見積もることのできるアルゴリズムを開発している.

これまでに,一般的にX線結晶構造モデルの評価をすることに使われている指標は,このパラメーターの評価には不適であり,他の有効な指標を見出している.電子顕微鏡データからタンパク質原子構造モデルを再構成する際に指定する必要のあるパラメーターへの結果依存性についてより詳しく考慮する必要がある事が分かり,研究の遂行に想定以上に時間を要した為,進捗がやや遅れている.今後新しい評価関数を分子シミュレーションに導入することを完成させ,まずシミュレーションにより作る実験データを用いた実証計算を行う.その後,実際の実験データの解析を行う.実験データに含まれるノイズや解像度の不均一性を考慮した評価関数を開発する.それを,分子シミュレーションに導入することを完成させ,実際の実験データの解析を行う.立体格子のサイズを精密化する手法を引き続き行う.さらに,クライオ電子顕微鏡の立体像の実験データには,分子構造上の場所によって含まれているノイズや解像度が異なっている.このような不均一性をモデリングに反映させることのできる構造評価関数の開発を進めると共に,引き続き実験データへの応用を行っている.年度途中の研究開始のため,研究が少し進んだところで必要な物品を判断するのが良いと考えた.計算機の購入費が予定より少なかったため.データの保存装置と学会発表のための旅費に使用する予定をしている.計画に少し遅れが生じたため.次年度,論文発表や学会発表のための旅費に使用する予定をしている.実証計算を進めるためのサーバーを購入する予定をしている.