hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
硫黄細菌由来の酸性ホスファターゼが硫酸によって賦活される現象の解明とその利用

硫黄酸化細菌Thiobacillus thiooxidans菌体の酸性ホスファターゼ(APase)が硫酸によって活性化される現象の解明と硫酸イオン測定への応用を研究した。p-ニトロフェニルリン酸を基質として菌体のAPase活性の特性を解明した。活性は硫酸イオンによってのみ著しく活性化され、他の無機イオンによって活性化されなかった。pH3.0、37°C基質濃度0.83mMで0から0.6mMまでの硫酸イオン濃度と酵素活性が比例関係にあることが示され、活性測定によって硫酸イオンの定量ができることが明らかとなった。菌体を用いた硫酸イオン測定における相対標準偏差は約2%であり、雨水、河川水および水道水中の硫酸イオン濃度測定値クロラニル酸バリウム法の測定値とほぼ一致することがわかった。グルコース-6ーリン酸(G-6-P)を基質として用い、硫酸イオンの連続測定を試みた。菌体のAPaseは硫酸濃度に応じて活性化され、G-6-Pを分解してグルコースを生成する。このグルコース量をグルコースオキシダーゼ(GOD)を用いて測定することによって硫酸を定量した。また、菌体を加熱処理すると、硫酸によるAPaseの賦活効果が増大することが見いだされた。加熱処理菌体を固定化して酵素アクターカラムを作り、GODを固定化して酸素電極に装着して酵素センサーを作製した。カラムに試料を含む緩衝液および洗浄のための緩衝液を交互に送液して連続反応を行った。pH4.0、50°C、基質濃度10mMで電極応答値が0から1mMまでの硫酸イオン濃度と比例関係を示した。本測定システムによって試料中の硫酸イオン濃度が高い再現性で測定できることが明らかとなった。チオ硫酸をエネルギー基質として培養した硫黄細菌Thiobacillus thiooxidansの微生物菌体の酸性ホスファターゼ活性に及ぼす硫酸の賦活現象を検討した。酸性ホスファターゼ活性はp-ニトロフェニルリン酸から酵素反応により生ずるp-ニトロフェノール量を分光光度計を用いた測定により求めた。雨水中に存在する無機イオンを反応混合物に添加して活性を測定したところ、硫酸イオンによって著しく活性化された。一方、他の無機イオンによっては全く活性化されず、本菌の酸性ホスファターゼは硫酸イオンのみを選択的に認識することが明らかとなった。酵素活性はpH4から6の酢酸緩衝液中で4°Cにおいて80日間安定であった。反応混合物中に0.1mMの硫酸イオン濃度が存在する条件下において、pHおよびp-ニトロフェニルリン酸濃度の活性化に及ぼす影響を検討したところ、pH3.0のグリシン緩衝液および0.83mMの基質濃度において最も活性化することがわかった。この条件下において硫酸イオン濃度と酵素活性の間に比例関係が認められ、低濃度の硫酸イオンが測定できることがわかった。本研究により、T.thiooxidansの酸性ホスファターゼが硫酸イオンのみによって賦活される現象が明らかとなり、本菌の酸性ホスファターゼ活性を測定することにより硫酸イオンが定量できることが明らかとなった。今まで酵素活性測定法によって硫酸イオンを定量できる報告はなく、新しい知見となり得るものであった。実際の雨水中に含まれるイオンの酵素活性への妨害はなく、低濃度の硫酸イオンが簡単な試薬・方法で測定できることが明らかとなった。また、酵素活性が長期間安定であったことは今後の研究を行うのに支障がないことが示された。グリコース-6ーリン酸を基質として硫黄酸化細菌Thiobacillus thiooxidans JCM7814菌体の酸性ホスファターゼが硫酸によって活性化される現象を応用して硫酸濃度を定量した。硫酸濃度に応じて生成するグルコース量を、グルコースオキシダーゼを固定化した酸素電極を用いて測定することによって、対応する硫酸濃度を定量することを試みた。

菌体の酸性ホスファターゼ活性をグルコース-6ーリン酸を基質としたところ、酵素活性が小さかった。しかし菌体を加熱処理して活性を測定すると、加熱処理菌体の硫酸による活性化率は未処理菌体の約6倍に上昇することが見いだされた。よって、加熱処理菌体を用いて硫酸イオンの測定を行うこととした。菌体の加熱処理条件を検討したところ、菌体懸濁液を70°C、30分間加熱すると大きな活性が生ずることがわかった。加熱処理菌体の酵素活性は4°Cで30日間以上安定であった。最適活性測定条件はpH4.0、温度50°C、基質濃度10mMであった。加熱処理菌体を固定化しカラムに充填して酵素リアクターを作製した。更にグルコースオキシダーゼを固定化して酸素電極に装着して酵素センサを作製した、カラムに硫酸イオンおよび基質を含む緩衝液を送液した後、緩衝液のみを流す操作を続けた。カラムからの流出液を酵素センサで測定した。溶存酸素濃度の減少量が硫酸イオン濃度1mMまでの範囲で直線関係を示した。雨水、河川水などの試料に含まれる硫酸イオン濃度測定値がクロラニル酸バリウム法で測定した値とほぼ一致することがわかった。以上の結果より、硫酸イオンによる酸性ホスファターゼの活性化を応用して硫酸イオン濃度を連続的に測定できることが可能になった。
地域・教育情報デ-タベ-スの開発と教育情報流通のためのネットワ-クシステムの開発

1.教材情報デ-タベ-スの構築(1)素材情報デ-タベ-スとして昨年度に引き続き、世界地図デ-タ(世界全図のほか、各大陸等28地方の地図デ-タ)を作成した。これらのデ-タは、3500×3500のベクトルデ-タで構成した。(2)地図デ-タに付随する各種デ-タ、位置デ-タ、記号デ-タ、都市・地名等のデ-タベ-スを作成した。これによって世界各地(約500地点)の気象情報等を、地図上にプロットできるようになった。(3)北海道各地の写真をイメ-ジデ-タとして収録した。2.教材作成・編集ツ-ルの開発(1)CAIの地図画面作成ツ-ルを開発し、地図デ-タの拡大縮小、必要な記号類の表示ができるようにした。(2)地図を印刷教材として作成・編集するための地図編集ツ-ルを開発した。また気象グラフツ-ルを開発した。3.カタログファイルの作成、および素材デ-タ検索ツ-ルの開発デ-タベ-スに収録したすべてのデ-タのカタログを作成し、このカタログを検索するツ-ル、およびデ-タ登録カタログ登録等のユ-ティリティプログラムを作成した。4.北海道内の5つの研究実験校を公衆電話回線網によるコンピュ-タ通信ネットワ-クを形成し、ホスト局を開設してデ-タベ-スサ-ビスを開始した。5.教育情報デ-タベ-スとコンピュ-タ通信を利用した、リアルタイムデ-タベ-スアクセスによる社会科研究授業を実施した。1.地域教材デ-タベ-スの開発(1)教材デ-タの収集北海道内の各市町村教育委員会に依頼して市町村の社会科副読本および地域の地理歴史産業に関する教育資料を収集した。道内全市町村の約70%の資料を収集することができた。また北海道庁等が発行している北海道史、産業統計等の資料を収集した。(2)デ-タの入力収集した各種資料の中から教育用として共有利用ができるものを想定して選択し、デ-タ入力を行った。現在登録予定のデ-タ数の約80%が入力済みである。入力したデ-タは、文字型デ-タが大部分であるが、そのほかは地図類のベクトルデ-タおよびイメ-ジデ-タである。社会科副読本のデ-タは目次については全部入力したが内容については殆んど共通な部分が多いため、特に地域の特長あるものおよび写真地図等に限定した。また関連のあるものとして日本地理に関するデ-タ各支庁に関するデ-タ等の分量を多くした。また旭川・函館・釧路等のデ-タはそれぞれ分担者が入力を行った。2.デ-タベ-スの構築デ-タベ-ス検索のためのメニュ-およびキ-ワ-ドは、最終的なものは未だ決定できないが、全体の体系はほぼコ-ド化した。特殊文字記号類についてもデ-タベ-ス上での体系化をはかった、まだベクトルデ-タ、イメ-ジデ-タについても異機種間の相互変換ができるようなフォ-マットを決定した、また印刷教材の編集作成のためのベクトルデ-タイメ-ジデ-タの編集プログラムを作成した。これらは現在ワ-クステ-ション上で構築を進めている。1.デ-タフォ-マットの統一デ-タはすべて文字型で表現する方が取扱いやすいので、MSーDOS標準テキストファイル形式で統一した。特殊文字記号類は、定義を明確にし、各実験学校で作成したデ-タが共有化できるようにした。2.光ディスク上にデ-タベ-スを構築した。ファイルサ-バ-、コミュニケ-ションサ-バとしての役割を果たすためにファイル検索、通信制御等の機能をもたせるようにしたが、実験の結果、大幅に修正を必要とすることがわかったので、現在仕様を検討中である。3.研究実験学校にコンピュ-タ及びプリンタ、モデムを設置した。実験校は、旭川市立日章小学校函館市立東小学校釧路市立柏木小学校の3校である。またすでにコンピュ-タを保有している実験校にモデムを配置した。芽室町立芽室小学校札幌市立福移小中学校の2校である。上記実験校は、さらにそれぞれの地域の学校間ネットワ-クのホスト校としての準備を進めている。4.教材情報デ-タの作成。地図デ-タ(北海道、日本、世界)を作成した。海岸線、境界線のほか、都市河川・湖沼・鉄道・道路等のデ-タをそれぞれ拡大縮小して自由に編集できるようにした。また植物検索用のデ-タ(植物種約1200種)を作成した。5.カタログ情報の作成。各デ-タファイルの内容を参照するためのカタログ情報ファイルをさくせいした。このカタログ情報から、デ-タを直ちに引き出せるように現在ソフトウエア開発中である。

2.教材作成・編集ツ-ルの開発(1)CAIの地図画面作成ツ-ルを開発し、地図デ-タの拡大縮小、必要な記号類の表示ができるようにした。(2)地図を印刷教材として作成・編集するための地図編集ツ-ルを開発した。また気象グラフツ-ルを開発した。3.カタログファイルの作成、および素材デ-タ検索ツ-ルの開発デ-タベ-スに収録したすべてのデ-タのカタログを作成し、このカタログを検索するツ-ル、およびデ-タ登録カタログ登録等のユ-ティリティプログラムを作成した。4.北海道内の5つの研究実験校を公衆電話回線網によるコンピュ-タ通信ネットワ-クを形成し、ホスト局を開設してデ-タベ-スサ-ビスを開始した。5.教育情報デ-タベ-スとコンピュ-タ通信を利用した、リアルタイムデ-タベ-スアクセスによる社会科研究授業を実施した。
環状アセチレンの重合による安定な立体規則性共役ポリマーの合成

前年度までに、大きな歪エネルギーを有する環状アセチレンとしてシクロオクチンをモノマーとして用い、種々の遷移金属触媒による重合を検討した。その結果、RhやPd、あるいはNiなどの各種後周期遷移金属触媒によって対応するポリマーが良好な収率で得られることを見出した。しかしながら、生成ポリマーはいかなる有機溶媒に不溶であり、製膜などの加工性に欠如することが明らかとなった。そこで本年度は、ポリ(シクロオクチン)の薄膜を創成するための技術を構築することを目的として検討を行った。ポリ(シクロオクチン)薄膜の合成は、界面重合法を適用した。すなわち、水溶性Rh触媒を用い、Rh触媒水溶液へシクロオクチンのペンタン溶液を滴下することにより、海面上で重合を行った。その結果、良好な収率でポリ(シクロオクチン)薄膜が得られることを見出した。モノマーの滴下量を変えることによって、膜厚を制御することが可能であり、数数百μmのポリ(シクロオクチン)薄膜が得られることが明らかとなった。IRスペクトルによって得られた薄膜がポリ(シクロオクチン)であることを確認した。薄膜は白色であり各種溶媒に不溶であった。また、紫外領域に吸収を持ち、光励起によって青色の蛍光を示すことがわかった。気体透過性の測定結果から、薄膜には多数のミクロポアが存在することが示唆された。本年度は、高いひずみエネルギーを有する環状アセチレンとしてシクロオクチンを用い、種々の遷移金属による重合を検討した。その結果、通常アセチレン類の重合触媒として機能しないPdやNi触媒を用いた場合でも、シクロオクチンは瞬時に重合し、対応するポリマーを与えることを見いだした。また、一置換アセチレンの重合には有効であるが二置換アセチレンの重合に対しては活性を示さないRh触媒を用いても、ポリマーが良好な収率で得られることを明らかにした。生成ポリマーは溶媒に不溶であるため、Rh触媒を用いてフェニルアセチレンとの共重合を検討した。その結果、シクロオクチンはフェニルアセチレンと比較して非常に大きな重合性を示し、これに起因してワンポットでシクロオクチンとフェニルアセチレンとのブロック共重合体が得られることが分かった。また、これらのコモノマーの仕込み比を制御することによって、可溶性のブロック共重合体が得られることが分かった。生成したブロック共重合体の各種スペクトルから、シクロオクチンは立体規則的に重合し、ほぼ定量的にシス構造を有していることが明らかとなった。また、ポリ(シクロオクチン)は二置換アセチレンポリマーであるため、一般的な一置換アセチレンポリマーと比較して高い熱安定性を有していることが分かった。例えばDSC測定によって、ポリ(シクロオクチン)は熱刺激によるシス-トランス異性化はほとんど起こらないことが分かった。またTGA測定から、ポリ(フェニルアセチレン)よりも分解開始温度が高いことも明らかとなった。
反応拡散チップ:自然界の非線形現象に学んだ新しい機能LSIの開拓

反応拡散チップの単位反応回路は平成13年度半ばにチップ化に成功し、理論通りの動作を確認した。その後、単位反応回路をチップ外で拡散結合させた「一次元縞模様の修復」を行うアナログ回路の開発に成功,続いて反応拡散系全体のチップ化を行った。平成13年度末に二次元集積化を行ったが、反応回路間のクロストークが大きくレイアウトの条件出しに時間がかかり、現時点ではシミュレーション上での動作確認に留まっている。一方、上記の単位反応回路とは別に、画素回路の高密度集積を狙った単位反応回路を新たに設計・試作し、上記反応回路の面積を75%程度縮小できる見通しを得た(二次元集積化したときに、同じチップ面積で4倍の画素回路が搭載可能になる)。同じ目的で、半導体自身を反応媒体として用いる少数キャリア反応拡散デバイスのアーキテクチャを考案し、シミュレーション上でその動作を確認した。また、反応拡散チップ開発の副産物として、神経細胞の動特性を模擬するアナログ反応回路の開発に成功した。神経の軸索を伝搬する神経インパルスは反応拡散モデルで記述可能であることから、これを用いて今後、神経系の情報処理機構を実装可能なチップの研究開発が期待できる。実際、平成13年度末にこのアナログ神経回路を集積化し、ノイズ環境下で正確かつ(従来のニューロチップと比べて)動作効率の良い、神経競合(多数の入力の中から最大の情報量を持つ神経を選択)の具現例を、実デバイスで実証できた。化学反応における興奮状態の波(化学波)の拡散/伝搬現象は、生命に代表される非平衡・開放システムの典型的な振る舞いである。非平衡状態において(液状やガス状の媒体を介した)分子の反応と拡散が混在する系を反応拡散系と呼び、そこでは化学物質と媒体が共に「生きた」状態にある。平成13年度は、固体である半導体を用いて反応拡散系を具現化し、生命現象に基づいた情報処理分野の開拓基盤を整えることを目的とした。具体的には、固体中を移動できる物質を化学物質と見なして、直接的に反応拡散系を模擬する半導体デバイスを構築した。半導体中を移動できる物質、すなわちそれは電子(正孔)である。半導体の少数キャリア(電子または正孔)は拡散やドリフトによって半導体内を移動でき、その流れをもって、たとえば、ゲル媒質上を拡散する化学物質の流れを表すことにした。実際、少数キャリアの連続の式は、反応拡散方程式と非常によく似たものである。この考えに基づいて、本年度は、(自己触媒的に少数キャリアを増倍させる)pnpnデバイスを用いて少数キャリアを発生させ、それが周囲に拡散してさらなる連鎖反応を引き起こすような半導体反応拡散デバイスを構成し、少数キャリアの密度波(化学波に相当)の拡散/伝搬現象を計算機シミュレーションにより解析した。
東北アジアにおけるユートピア思想の展開と地域の在り方についての総合的研究

東北アジア各地域の政権の正統性や地域の独自性を特徴づけている大小様々な政治的・社会的な各種ユートピア理念を探り、特に20世紀のボルシェビィキ的共産主義国家では厳しい監視・検閲体制が自らのユートピア性を国内外に示すために機能していたが、それはトマス・モア『ユートピア』の精神と同様であり、ひいては中国古代以来存在した相互監視体制とも同性質のものであること、また日本におけるアジア主義も含めて、それらユートピア理念が地域の在り方に大きく影響していることを解明した。本年度は本研究推進のための基盤整備と、研究参加者各人による各地域の諸問題掘り下げ、並びに全体的視野獲得のために多面的に関連している19世紀-20世紀のユートピア的思想や政治思想について研究代表者による報告(「東北アジアにおけるユートピア思想と地域の在り方」研究会キックオフにあたって-この研究に何が期待されるか?)を行い、さらに近代日本のユートピアの「連鎖」についての見通しを得るため、山室信一京都大学人文科学研究所教授の講演会(山室信一先生講演会(公開)「ユートピア思想の舞台としてのアジア」)を開催した。研究代表者及び関係研究者は、19世紀以降の中国での在り方について検討を進めるために、新聞『申報』等による全般的調査を進め、特に満洲国でのユートピア問題について諸史料・研究の発掘に努め、「協和」という思想の展開を主軸として一定の見通しが得られたので、18年度の成果公表に向けて準備に入っている。また東北アジア研究センター内外の他の研究者の支援を得て、センターの共同研究としても組織し、広範囲に及ぶ本研究をさらに多面的な展開が可能になるようにした。なお、直接関係あるいは関連する業績については、研究発表欄に記載したが、老人優遇策に見られる東アジア的特質が如何に理想的政治の根幹として認識されていたか、また日本近世において「公共」という場がどのような人々の理想・観念と関わっていたか、「満洲」問題へのソ連の対応はどのような現実に対応し、それが満洲国にどう影響したか、シベリアの民族の間に見られる政治的理想と民族的アイデンティティーの関わり等々の成果をあげた。またロシア(モスクワ・ヤクーツク等)・モンゴル(ウランバートル等)等での調査研究と国内の史料所蔵機関での調査研究を精力的に推進した。これは次年度以降もさらに広範に展開・継続する予定である。本年度は本研究推進のための基盤整備と、研究参加者各人による各地域の諸問題掘り下げを行った。そして全体的視野獲得のために、多面的に関連している19世紀20世紀のユートピア的思想や政治思想について、研究代表者による報告を行い、その成果を山田「1920世紀東北アジア「ユートピア」研究序論」としてまとめた。これによって、本研究で使用するユートピア語義の幅を示し、日本での「ユートピア」概念が社会主義的バイアスによってゆがめられていることを指摘した。さらに、日本の東北アジアへの進出において打ち出された「アジア主義」・「大東亜」について、北一輝・大川周明等のありかたを絡めた内容の松本健一麗澤大学国際経済学部教授による講演会を開催し、同教授と本共同研究参加者との討論も行った。その講演と関連する成果が『東北アジアアラカルト』第18号(東北アジアにおけるユートピア思想と地域の在り方研究会講演会記録「松本健一「アジア主義と大東亜戦争-北一輝・大川周明・石原莞爾・中野正剛-」」)である。これによって、敗戦前の日本の諸人物についての通説的理解を批判的に検討していくべきことが示された。さらに、『申報』などの購入設備を利用して、研究代表者は満洲国問題について掘り下げ、溥儀と関連する一人の日本人の具体的行動の解明に向かい、2007年度中には一書にまとめるまで研究を進めつつある。そして、アジア主義と日本の進出に関わる偽上奏文「田中義一上奏文」問題についての、分担者寺山恭輔による研究成果も得られた。さらにロシアその他での海外調査も、本経費のみならず他の経費による調査の際も含めて引き続き行い、また国内における調査、資料収集も行った。本年度は、2年間の調査・研究及び研究会の成果を背景として、新たな展開を目指した。研究参加者の研究の進展に即して、調査研究のための出張を行い、また必要な図書その他の購入を行った。本年度の共同研究会は、研究代表者の山田が、昨年度以来の課題である満洲国皇帝溥儀の高官工藤忠について掘り下げ、伝記的研究を一書にまとめる方向で考えることを図ったが、それは画期的進展をみ、従来全く知られかった未公開新史料を多数入手することができた。これによって、山田が「アジア主義と満洲国-人物研究との関わりで-」と題する報告を行い、溥儀の侍衛長の工藤忠について詳細な報告をし、そのアジア主義と満洲国建国との関わりを述べた。

また工藤忠の出身の青森県の新聞「東奥日報」夕刊(11月19日11月24日)に、「工藤忠の歴史的役割」と題して5回連載し、研究成果の一部を公開した。さらに、山田の定年退職に伴う最終講義において、「東北アジアのユートピアを追って-満洲国、工藤忠、東北アジアの共産主義-」と題して講義を行った。この講義では、工藤忠関係新史科の一つに焦点をおいて、中国共産党の成立問題に深く切り込み、石川禎浩『中国共産党成立史』(2001年)の結論である"中国共産党の成立は、通説の1921年7月ではなく、1920年11だ"という説連ボルシェビィキ政権によるソ連共産党とコミンテルンのアジアでの活動が大きな意味をもち、現在も共産党政権が3つ残っているアジアにおける20世紀共産主義がユートピア研究の大きなテーマであることを、改めて浮かび上がらせた。なお、山田は工藤忠に関する研究書を既に書き上げ、2008年度中に出版する予定である。また研究参加者はそれぞれ個別の課題について最終年度の報告に向けた研究を進めた。東北アジアにおけるユートピア的理念が各地域の過去及び現在の在り方にどのような影響を与えているかという問題関心が、この地域の地域研究にとって極めて有効な方法たりうることと、この研究の現在的な大きな意義を確認できた。レーニンはトマス・モアやフーリエなどをソ連の前に位置するユートピアンとして認めていたことを見た上で、共産主義ユートピアの内実を検討した。ソ連では検閲もなく、災害も事故もなく、人々は健康で、豚さえも病気にならないという「ユートピア」を国内外に示そうとしていた。それを支えたのは集権的党中央と末端「細胞」で運営される強固な組織を有するボルシェビィキ的共産党であったが、そこでは、厳しい国民監視体制と言論の統制、流刑や死刑などの懲罰があり、密告も多かった。プロレタリア独裁=「労働専制」政権理念がモンゴル・中国などに影響を与え、共産党政権が樹立された。この共産主義ユートピアが東北アジアの根本問題の一つであり、過去・現在の地域の在り方を大きく規制している。中国においても監視体制と懲罰体制はソ連と同じであり、現在も厳しくかつ巧妙になされているが、中国古代以来の民が相互監視し、密告するように作り上げられたオートマチック・システムが、共産党支配の伝統に取り入れられたこともわかった。また、日本においては欧米に対抗する日本主義、アジア主義というユートピアが主張されたが、アジア主義者工藤忠による1942年5月の中国問題「建白書」や、幕末秋田藩の理想的村落の存在、及びモンゴル革命における地域社会と共産党細胞問題など、従来未見の史料発掘を伴う、多くの貴重な成果をあげることができた。
無機物質に結合する特異ペプチドの分子設計の基盤技術

大気に浮遊するアスベストは、中皮腫や肺ガンを引き起こす環境汚染物質である。我々はアスベストに対する特異性のあるバイオプローブと蛍光顕微鏡を用いて、高感度にアスベストを検出する方法を開発している。角閃石アスベストであるアモサイトに特異的に結合する31アミノ酸残基のペプチドを同定している。その結合メカニズムを明らかにするために、アミノ酸を置換した変異体を使い、アモサイトに結合するアミノ酸残基を同定した。その結果、電荷的に陽性のリジン残基が結合に重要な働きをすることが分かった。さらにNMRによるペプチドの構造解析を行い、アスベスト表面とペプチドの結合のシミュレーションを行って議論した。角閃石系アスベストに結合するタンパク質(HNS)は特異性が十分でないが、アミノ酸60-90番目の領域に限定してストレプトアビジン上に4つ提示させると、アスベスト特異的に結合することが分かってきた。また、さらに領域を限定していった結果、KSGTKAKRの8つのアミノ酸あれば角閃石系アスベストに結合できることが分かったが、一方で非アスベスト繊維であるチタン酸カリウムウイスカー(以下PT1)に結合するようになり特異性が悪くなることが分かった。そこで、本年度はアスベスト結合ペプチドの特異性についてアミノ酸変異解析とNMRによる立体構造解析を行なった。まずアミノ酸の変異解析から16個のアミノ酸からなるペプチド(LLNSLAAVKSGTKAKR)に限定した場合は、PT1には結合せず特異性が保たれていることが分かった。疎水性アミノ酸であるロイシン(L)をグリシン(G)に置換したGGNSGAAVKSGTKAKARのペプチドを作製し、結合性を調べたところ、このペプチドはPT1に結合し特異性が悪くなった。以上のことから、疎水性アミノ酸のロイシンが特異性に関与していると考えられた。次にこれらのペプチドのNMR立体構造解析を行なうことにした。まず、ペプチド(KSGTKAKR)についてNMR解析を行なった。このペプチドをリン酸緩衝液(20mM, H2O:D2O=95:5)に溶解し、TOCSY解析によりアミノ酸の帰属を行なった。さらに、NOESYを用いた立体構造解析を行なったが、立体構造解析に必要な残基間NOEのシグナルを得る事はできなかった。この結果からKSGTKAKRは特定の立体構造を持たない可能性が考えられた。本研究では、アスベスト結合ペプチドの立体構造をNMRにより解析し、アスベストとの相互作用を解明することを目的とする。本年度は、アスベストに結合し、かつ特異性がみられたペプチド(QREMLIADGIDPNELLNSLAAVKSGTKAKR:31アミノ酸)について、2次元NMRによる測定を行ない、立体構造について解析を行なった。まず、アミノ酸の帰属を行なった。各種のNMR測定(1H-13C HMBC、1H-13C HSQC、1H-1H COSY、1H-1H TOCSY、1H-1H NOESY)を行なうことで、各アミノ酸のCα、Cβ、C=O、Hα、NHの化学シフトを帰属した。次に、得られた化学シフト値を用いて2次構造の予測を行なった。タンパク質のCα、Cβ、C=O、Hαの化学シフトの実測値から、2次構造を推定するケミカルインデックス法が知られている。具体的には、ケミカルインデックス法をもとに開発されたδ2Dプログラム(Camilloni et al. Biochemistry 51, 2224-2231, 2012)に、各アミノ酸のCα、Cβ、C=O、Hα、NHの化学シフト値を入力し、計算を行なった。その結果、Helixやβ-sheetなどの明確な二次構造は見られなかった。しかし、NOESYスペクトルの7.69.0ppm領域における各アミノ酸のアミドプロトンの相互作用について解析を行なったところ、いくつかのアミノ酸において2つ以上のシグナルが観測された。そのため、Helixやβ-sheetなどの構造を持つ可能性は低いが、それ以外のなんらかの構造を持っている可能性が高いと考えられた。今後は、CYANAなどのソフトウェアを用いて詳細に立体構造解析を行なう予定である。また、アスベストを観察するための超小型の蛍光顕微鏡を3Dプリンターを用いて成型した。昨年度では、アスベスト結合ペプチド(QREMLIADGIDPNELLNSLAAVKSGTKAKR:31アミノ酸)について、各種のNMR測定(1H-13C HMBC、1H-1H NOESYなど)を行なうことで、各アミノ酸のCα、Cβ、C=O、Hα、NHの化学シフトを帰属した。この化学シフトから、δ2Dプログラム(ケミカルインデックス法を基に開発された二次構造予測ソフトウェア)を用いて2次構造予測を行なったが、明確な二次構造は見られなかった。しかし、NOESYスペクトルを詳細に解析したところ何らかの構造を持っている可能性が示唆された。そこで、本年度では、得られた化学シフトをもとにCYANAを用いて立体構造計算を行なった。NOESYスペクトルから、距離制限にかかわるシグナルを帰属した。これまでに得られた各アミノ酸のCα、Cβ、C=O、Hα、NHの化学シフト、TALOS計算によって得られた角度制限情報、NOESYスペクトルによって得られた距離制限情報をもとに、CYANAにより構造計算を行なった。

その結果、アスベスト結合ペプチドの13番目のPro(P)から20番目のLeu(L)の領域にHelix構造がみられ、C末端の領域も一定の構造がみられた。また、アスベストを検出するための携帯型の蛍光顕微鏡の開発を行った。青色LEDを励起光とし、励起フィルター、ダイクロイックミラー、蛍光フィルターを内部に搭載し、カメラに光路を接続してモニターとする携帯型の蛍光顕微鏡を開発した。アスベストが映し出された画像はカメラの通信機能により、離れた分析室でもリアルタイムで観察することができた。アスベスト結合ペプチドの構造解析は、少し遅れ気味ではあるが、最終年度内に終了できると考えている。一方アスベストを検出する顕微デバイスの作成については、ほぼ終了した。本研究では、アスベスト結合ペプチドの立体構造をNMRにより解析し、アスベストとの相互作用を解明することを目的とする。これまでに、アスベスト結合ペプチド(QYREMLIADGIDPNELLNSLAAVKSGTKAKR:31アミノ酸)について、NMR測定(1H-13C HMBC、1H-1H NOESYなど)で得られたスペクトルデータをもとに、CYANAを用いて構造解析を行なってきた。本年度では、解析で得られたアスベスト結合ペプチドの構造と、角閃石アスベストの結晶構造モデルを用いて、両者の相互作用についてMD(Molecular dynamics)シミュレーションを行なった。まず、アスベストの結晶構造モデルの構築を行なった。角閃石アスベストの表面は、イノケイ酸により構成されている。Crystallography Open Databaseから、イノケイ酸の結晶構造(COD ID: 1532023)を取得し、SciMAPSを用いて、結晶構造モデルを作製した。次に、アスベスト結合ペプチドについて、昨年度のCYANA解析によって得られた構造計算結果から3次元構造を構築した。上記の作製したイノケイ酸の結晶構造モデルとアスベスト結合ペプチドの3次元構造を用いて、MOE(Molecular Operating Environment, CCG社)によるMD解析を行なうことで、結合モデルのシミュレーションを行なった。力場としてはAMBERを用い、MD計算にはNAMDを用いて行なった。MD解析の結果、アスベスト結合ペプチドのC末端領域がイノケイ酸と相互作用していることが示唆された。このC末端領域はフレキシブルな構造を持つと考えられるため、アスベスト結合ペプチドとアスベスト表面との相互作用は、誘導適合で結合すると考えられた。大気に浮遊するアスベストは、中皮腫や肺ガンを引き起こす環境汚染物質である。我々はアスベストに対する特異性のあるバイオプローブと蛍光顕微鏡を用いて、高感度にアスベストを検出する方法を開発している。角閃石アスベストであるアモサイトに特異的に結合する31アミノ酸残基のペプチドを同定している。その結合メカニズムを明らかにするために、アミノ酸を置換した変異体を使い、アモサイトに結合するアミノ酸残基を同定した。その結果、電荷的に陽性のリジン残基が結合に重要な働きをすることが分かった。さらにNMRによるペプチドの構造解析を行い、アスベスト表面とペプチドの結合のシミュレーションを行って議論した。
超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反物質の精密探査

BESS超伝導スペクトロメータを用いた宇宙粒子線観測気球実験を実施し、1次宇宙線中の宇宙起源反物質の探索を行った。平成11年度から13年度まで各々1回の気球実験をカナダ・マニトバ州リンレークもしくは米国ニューメキシコ州フォートサムナーで行った。収集したデータから1次宇宙線中の反ヘリウム核の探索を行ったが、反ヘリウム核事象は見つからなかった。この結果をこれまでのBESS実験で得られた結果と合わせて1次宇宙線中の反ヘリウム核のヘリウム核に対する存在比の上限値として6.8×10^<-7>を与えた。この値は飛翔体を用いたこれまで世界で行われた宇宙起源反物質探索の中で最も厳しい上限値であり、我々の銀河の近傍が物質で形作られている直接的な証拠である。またこれまでのBESS実験に比べて10倍以上高感度で宇宙起源反物質を探索することを目指した長時間宇宙線観測気球実験のための測定器R&Dと搭載器の製作を進めた。長時間気球実験の実施に不可欠な(1)着水時や緊急着地時に備えた超伝導マグネットの安全対策、(2)測定器の健全性を確保するための多点・分散型環境モニタシステムの開発、(3)長時間気球実験用軽量・低物質量飛跡検出器(ドリフトチェンバ)の製作が本研究で進められ、一部は実際に気球実験に搭載され所定の性能を得られたことが確かめられた。これらの成果をもとに第7回BESSワークショップなどを通じて南極周回科学観測気球による1020日間程度の宇宙粒子線観測実験の検討を進め、この「BESS-Polar」実験に用いる新しい超伝導スペクトロメータの開発を進め、平成15年12月から16年1月にかけて第1回南極周回・長時間宇宙粒子線観測実験を実施できるよう準備を進めている。気球搭載型超伝導スペクトロメータ(BESS)を用いて地磁気限界硬度の小さなカナダ北部において宇宙粒子線観測気球実験を実施し、宇宙起源反物質の探索を行った。また超伝導マグネットの改良および分散型環境モニタシステムの開発を進め、さらに反物質探索感度向上のための長時間宇宙線観測気球実験に向けての測定器開発を進めた。平成11年8月に実施された気球実験を前に、BESS測定器が水面に着水した場合に備えて超伝導マグネットの安全性を確保するための排気系配管の改良を実施した。8月1日に行われた気球実験では気球本体のトラブルによって実験中止となり測定器が湖面に着水する事態となったが、排気系配管改良の成果もあり測定器を安全かつ迅速に回収することができ、8月11日には再実験を実施できた。この実験では37時間の宇宙線観測を実施することができ、平成10年度に比べて1.7倍の感度で宇宙線反物質探索を実施できた。また今年度の実験にはニューロンチップを用いた分散型環境モニタシステムのプロトタイプを搭載し、測定器温度・圧力・GPS衛星による測定器位置情報収集などを行った。この経験を踏まえてさらにセンサ入力を増やした環境モニタシステムを開発・製作し、平成12年度の実験に搭載する予定である。またBESS実験の将来計画の数日におよぶ長時間観測気球実験に向けた測定器開発として、長時間実験用飛跡検出器システムの基本設計・R&Dを行った。飛跡検出器として用いるドリフトチェンバ構造体の試作、テストチェンバの製作及び信号読み出し用前置増幅器の選定を行い、平成12年度の搭載機製作に向けての準備を進めた。気球搭載型超伝導スペクトロメータ(BESS)を用いて地磁気限界硬度の小さなカナダ北部において宇宙粒子線観測気球実験を実施し、一次宇宙線中の宇宙起源反物質の探索を行った。

宇宙線観測気球実験は平成12年6月末よりカナダ・マニトバ州リンレークにおいて準備を行い、7月末には実験準備を完了した。その後実験に適した地上天候や上空の風速条件を待ち、8月10日に打ち上げを実施できた。気球は高度37kmの高空を約45時間にわたって浮遊し、その間測定器は順調に動作し搭載電池容量の限界まで35時間のデータ収集が行われた(上昇中の2.5時間を含む)。今回の実験では昨年度開発した分散型環境モニタシステムを搭載し、測定器姿勢を含む多数のセンサからの測定器状態の読み出しを実施した。本年度の実験においても平成11年度の実験とほぼ同等の高感度観測を実施することができ、平成5年度の第1回BESS気球実験からの積み重ねで、一次宇宙線中の114GVエネルギー領域での反ヘリウムのヘリウムに対する存在比について8.2×10^<-7>以下という世界で最も厳しい上限値まで探索できたものと考えている。さらに宇宙起源反物質をこれまでの10倍以上の高感度で探索するための極地方における10日間以上の長時間観測気球実験用飛跡検出器(ドリフトチェンバ)の開発を進めた。昨年度のテストチェンバによるR&Dの成果を基に、搭載機の詳細設計および製作を進め、ウルテム発泡材とガラスエポキシ表面板からなる軽量複合構造体を用いた極低物質量の搭載実機の製作を完了した。この新ドリフトチェンバをBESS測定器に搭載して平成13年度の気球実験を実施する予定である。BESS超伝導スペクトロメータを用いた宇宙粒子線観測気球実験によって、宇宙起源反物質の探索を進め、一次宇宙線中の反ヘリウム核のヘリウム核に対する存在比について114GVの磁気硬度領域で6.8x10^<-7>という上限値を与えた。これは過去実施された飛翔体による宇宙起源反物質直接探索の中で最も厳しい上限値を与えるものであり、我々の銀河の近傍では物質が圧倒的に優勢であることを直接的に示したものである。今年度の気球実験は米国宇宙航空局の方針で磁気限界硬度の大きな米国ニューメキシコ州フォートサムナーで実施されたため、反物質探索が可能な磁気硬度領域が著しく制限された。そのため今年度の実験データによる反物質探索での大きな進展は期待できなかったが、一方これまで毎年の気球実験データによって僅かながら解析方法に差異があったものを統一的に解析する手法を見出し、全データを解析しなおすことによってより厳しい上限値を得ることができた。このように得られた成果は「国際宇宙線会議(ICRC2001)」や「CPの破れに関する国際会議(KAON2001)」などで報告され、現在学術雑誌に投稿する準備を進めている。またさらに一桁以上より高感度での反物質探索気球実験を目指した長時間宇宙粒子線観測気球実験用飛跡検出器のR&Dやデータ収集システムの開発なども進められ、1020日間程度の長時間観測を今後23年以内に実施し、反ヘリウム核のヘリウム核に対する存在比を10^<-7>以下の感度で探索できる見込みを立てることができた。
硬X線による殻型超新星残骸での宇宙線加速可能性の探査

我々は超新星残骸衝撃波面における宇宙線加速の定量的評価を、硬X線観測を用いて世界で初めて遂行した。主な成果は以下のようなものである。1.我々の銀河内にある未知の宇宙線加速超新星残骸候補を複数発見した。見つかった個数と探査の領域の広さから、このような未発見の宇宙線加速超新星残骸は20個以上に登ることを世界で初めて示した。2.宇宙線加速超新星残骸候補の未同定天体いくつかをChandra-Newtonで追観測し、これらが確かに超新星残骸であることを確定した。3.宇宙線加速超新星残骸のプロトタイプであるSN1006を空間分解能に優れたX線天文衛星Chandraで観測し、高エネルギー電子からのシンクロトロン放射が半径の1%以下という極めて薄いfilament状構造に集中していることを発見した。このような薄い幅の粒子分布を説明するためには、磁場が衝撃波法線に垂直で、強い乱流状態になっている必要があることを、世界で初めて示した。衝撃波面での宇宙線加速は、局所的に効率よく行なわれていることを発見した。5.歴史的超新星残骸5天体をChandraで観測し、そのすべての衝撃波面に薄くfilament状に分布するシンクロトロン放射を発見した。超新星残骸の加齢に伴うfilamentの進化を調べ、衝撃波のエネルギーと磁場エネルギー、加速粒子のエネルギーがお互い強く相互作用しながら進化することを発見した。6.X線天文衛星ASTRO-E II搭載予定のX線CCD XISの地上較正試験を行ない、検出器系が全て正常に動作していることを確認した。本年度はX線天文衛星ASCA、Chandraのデータを用いて宇宙線加速可能性のある超新星残骸を調べ、以下のような成果をあげた。また、将来のX線偏光測定を視野に入れた検出器開発においても以下のような成果をあげた。1.ASCAの銀河面探査により発見した拡がった硬X線天体G11.0+0.0、G25.5+0.0、G26.6-0.1をASCAで追観測し、宇宙線加速超新星残骸であることを立証した。また、このような天体が我々の銀河内に20個程度あることを見積もった。この結果をApJに投稿、受理された。3.Chandraによる大マゼラン銀河の観測データから宇宙線加速超新星残骸30 Dor Cを発見した。さらにこの天体の爆発エネルギーが通常の超新星爆発のものより大きく極超新星の残骸であることを発見した。この内容については論文執筆中である。4.浜松ホトニクス社との共同研究開発でN型CCDを開発、駆動に成功した。
II-VI族半導体量子井戸の励起子と光学利得

1.井戸層の厚さ100nmのZn_<0.7>Cd_<0.3>Se/ZnSe単一量子井戸レーザ構造を、窒素レーザ励起色素レーザ(パルス幅3ns)でストリップ状に励起して、室温においてその発光スペクトルを分光器とCCDカメラの測定系で垂直方向から観測した。ストリップの長さを1および21と変えることによって光利得スペクトルの測定をおこなった。3kW/cm^2の励起強度では励起子吸収端近傍のエネルギー領域において光利得は観測されなかったが、励起強度を増加していくと2.28eV付近から光利得領域が発生し、ピーク波長が短波側にシフトするとともに利得領域が拡大して、100kW/cm^2の光励起に対しては数10cm^<-1>の光学利得が2.36eVに観測された。2.室温、強励起下においても励起子吸収ピークが存在することを実証するために、発光の励起スペクトルを測定した。その結果、100kW/cm^2(長さ1mmの、端面をへき開した共振器においてレーザ発振が観測される)に対しても、2.42eVに明確な励起子吸収ピークが観測された。このことは、室温でのレーザ発振にも、電子正孔プラズマではなく、励起子が関与していることを示唆している。このことは「不均一幅で広がった励起子系の位相空間充填効果(Ding et al.Phys.Rev.B47(1993)10528)で説明できる。3.発光の励起スペクトルにおいて、上記の励起子ピークの他に、2.52eVおよび2.69eVに顕著な励起ピークを見い出した。後者はZnSeバリア層の吸収端にあたると考えられるが、前者については現段階ではその起源が同定できない。
バレーボールクイックスパイクにおける「はやさ」とは何か、「はやさ」を実現するには

バレーボールのクイックスパイクにおける「はやさ」とは何か、「はやさ」の実現のために必要なことは何かを明らかにして、傷害のない合理的な動作の指導法確立に視するために、多くのバレーボール経験者が「はやい」と感じるクイックスパイクをVTRの画像から抽出した。高校北信越大会、北信越大学選手権大会、全日本大学選手権大会、ワールドカップ2007の各試合の画像から得られた178のクイックスパイクシーンを各カテゴリー毎にランダムに並べ、大学および高校選手それぞれ10名、計20名の被験者に1回ずつ観察させた。被験者に、各クイックスパイクシーンを「はやい:5」から「遅い:1」までの5段階で判定させ、被験者全員の評価値の平均をそれぞれのクイックの評価値とし、その値が4.0以上のものをAグループ、3.0以上4.0未満のものをBグループ、3.0未満のものをCグループとした。被験者が「はやい」と感じたAグループにおいて、他のグループよりも有意に短かったのは、「トスのボールタッチ踏み切り」「トススパイクヒット」「スパイクヒットボール着地」の各時間であり、「テイクバックボールヒット」「ラストツーステップの所要時間」には差がなかった。従来、「はやい」クイックスパイクを打つためには、踏み込みやスイングをコンパクトにしてその所要時間を短縮すべきとの考えが支配的であったが、その必要はなく、むしろ打球速度を上げるべき可能性が示唆された。高校北信越大会、全日本大学選手権大会、北信越大学選手権大会、Vプレミアリーグ、Vチャレンジリーグ、ワールドカツプ2007の各試合をデジタルビデオカメラで撮影してパーソナルコンピュータに取り込み、すべてのクイックスパイクのシーンを切り取った。切り取った動画を各カテゴリー毎にランダムに並べ、被験者仁1回ずつ観察させた。被験者は、大学および高校の指導者および選手それぞれ10名、計40名とした。被験者に、各クイックスパイクシーンを「はやい」「遅い」「どちらとも言えない」の3段階で判定させ、2/3の被験者が「はやいと答えたものを「はやい」スパイクとして、2/3の被験者が「遅い」と答えたものを「遅い」スパイクとして抽出した。これまで、はやい」クイックスパイクの定義が存在しなかったため、「はやい」クイックスパイクの解析もできなかったが、「はやい」と感じられるクイックスパイクの画像が蓄積できたことにより、その解析が可能となった。
高空間分解能化・高感度化に向けた対向型PET開発における画像再構成法の確立

対向型半導体PETの画像再構成法の妥当性を調べるために、移動機構を備えたγ線計測システムを構築し、放射能分布の測定を行った。γ線計測システムは回転機構を備えた対向型ガントリー、信号処理系、さらにデータ収集・ガントリー制御系から構成される。対向型ガントリーでは1chの検出器幅が12mmの32ch CdTe検出器アレーを検出器ユニットとしており、この検出器ユニット2つが対向配置されてガントリーを形作っている。また、検出器ユニットは2軸の移動ステージの上に対向配置されているため、ガントリー径方向および投影方向に自由に移動可能である。信号処理系はNIMモジュール群から形成されていて、ガントリーからのγ線の検出信号の増幅・整形を行った後、リニアパルスを時間情報を表すタイミングパルスに変換する。変換されたタイミングパルスはCAMACクレートとPCから成るデータ収集・ガントリー制御系によって時間計測され、そのデータがPCに保存される。また、データ収集・ガントリー制御系はモータコントローラを含んでおり、データ収集と同期してガントリー駆動も行う。このγ線計測システムを用いて、直径、0.6mmのNa-22点線源の放射能分布を測定した。ガントリー径5cmのとき、ガントリー中心付近に関して、点線源の画像は明確に再現され、そのプロファイルの半値幅は1.0mm以下であった。また、この点線源を測定中に1.5mm刻みで3×3の格子の交点上に位置移動させたところ、その再構成画像では9つのホットスポットが明確に分離されていた。このことから、対向型再構成法が十分妥当であることが確認された。小動物用PET用画像再構成のための基礎調査として、放射能分布を仮想し、さらに、複数の検出器ジオメトリーを仮定し、これらの検出器列の応答をモンテカルロ・シミュレーションによって求めた。この目的は、ガントリー端部における空間分解能劣化を防止するため、検出器列のDOI(Depth of Interaction)情報の取得を何段にするのが妥当であるかを決定するためである。検出器の阻止能は、CdTe検出器の阻止能を適用し、検出器視野幅は0.5mmとした。シミュレーションによって取得した検出器列内の各検出器の検出カウントを用いて、開発を進めているEMアルゴリズムに基づいた画像再構成を行ったところ、DOI情報の取得は1段または2段で十分であることが判明した。さらに、このEM画像再構成法の妥当性を求めるために、検出器視野幅1.2mmのCdTe検出器列について、DOI情報の取得を考慮しないで、画像再構成シミュレーションを行った。小動物用への応用可能性を鑑みて、視野領域は4.5×4.5cm^2とした。さらに、実験により現在保有している視野幅1.2mmのCdTe検出器の応答関数を求め、シミュレーション結果と比較することで画像再構成法の妥当性を評価した。シミュレーションにおいては無限小の点線源を仮定した。このデータから画像再構成を行い、再構成した画像のプロファイルを取得した。このプロファイルの半値幅は約0.7mmであった。このプロファイル幅と比較するため、実験により応答関数を求めた。応答関数は対抗する一対の検出器列間で直径0.6mm点線源を走査し、検出器対の同時計数率をプロットすることにより得た。得られた応答関数の半値幅は1.0mm程度であった。この結果は、実験に用いた線源の直径が0.6mmであること、シミュレーションにおいては線源を無限小と仮定していることを考慮すると、十分妥当であると判断できる。
力発生中のミオシンの電子顕微鏡による観察技術の開発

力発生中のミオシンを電子顕微鏡法で開発するための観察技術の開発を目指した。一つは、磁場によりアクチンに力をかけ、ミオシンフィラメントとの間での力発生している状態を観察することを目指し、基礎的な観察は可能となった。今ひとつは、単粒子及び、電子線トモグラフィー法を使った単一ミオシン頭部とアクチンフィラメントとの相互作用状態の電子顕微鏡法による観察方法、特に、三次元構造解析のための基礎技術を開発した。その結果、アクチン及びアクチンミオシン硬直複合体の高分解能三次元像を得ると共に、アクチンフィラメントに結合したミオシン頭部の3次元像を得ることができた。力発生中のミオシンの構造をクライオ電子顕微鏡で観察することが目的である。これまで、電子顕微鏡を用いたアクチン・ミオシンの構造解析は、硬直複合体を中心に研究が進められてきた。また、無負荷状態でのATP加水分解中のミオシン及びアクチンとの相互作用状態での、写真の報告は存在する。しかしながら、力発生時、負荷が存在している状態でのアクチン・ミオシンの構造解析は、筋肉中のミオシンの構造解析のみであり、抽出したin vitroの系での撮影の報告はない。このために、力発生のメカニズムを、分子レベルで構造学の観点から明らかにできない状態にある。そこで、精製抽出したアクチン・ミオシンでの解析が行うことができれば、多くの生化学実験や1分子測定実験と同一条件での構造を解明し、分子メカニズムに迫ることができると思うに至り、本申請研究に至った。本年度は、その初年度であり、基礎技術の開発を中心に研究を進めた。第一に、アクチン/ミオシンの構造解析を行うための画像処理方法を作成し、らせん対称性によらない三次元再構成をシステムとして構築した。トモグラフィー法に関しては、負染色法、切片などによる構造解析が可能なシステムを構築した。第二に、急速凍結・氷包埋試料を作成できるための凍結装置の作成に取り組み、凍結状態の保全し、安定して急速凍結を行うことができる自作装置の開発が進んだ。現在、継続的に、外部磁場を与えることができるシステムの導入を行っている。第三に、試料作成については、磁気ビーズをアクチンフィラメントに導入し、外部磁場により力をかけ、移動することができることを確認した。現在、ミオシンと共存させた状態での測定を始めている。ミオシンは分子モーターとしてアクチン繊維を駆動する。しかし、その力発生中のミオシンの構造解析が進んでいないために、分子メカニズムが解明されていない。一方で、電子顕微鏡法は、直接像をナノメータ以上の分解能で観察することができる強力な手法であり、トモグラフィー法等と組み合わせることで、三次元像を再構成することができる。悟こで、本研究では、力発生中のミオシンの構造をクライオ電子顕微鏡観察できる技術の開発を行うことを目的とし、研究を進めている。まず、凍結試料作成法の検討を進め、クライオ電子顕微鏡法で観察、解析する方法を検討することを具体的には実施する。急速凍結装置の改良と共に、落下速度の検討を行い、1m/secの速度での落下が必要であることがわかった。湿度が100%近いところでも落下速度、落下位置を測定できるように赤外線を用いた位置測定装置をテストした。この結果を受け、磁場をかけながら落下させる装置の設計を進めている。さらに、クライオ電子顕微鏡法によるトモグラフィー撮影を可能にするための基礎データとアルゴリズムの開発をネガティブ染色法の資料を用いて検討した。当該研究機関の電子顕微鏡を用いて、40-60枚の撮影であれば、分解能3-5ナノメータが期待される電子線量で撮影できることがわかった。具体的な開発手順が明確になったので、次年度には装置を完成させ、力発生中のミオシン分子の構造の撮影へと研究を進める。そこで、本研究では、力発生中のミオシンの構造をクライオ電子顕微鏡観察できる技術の開発を行うことを目的とし、研究を進めている。クライオ状態のトモグラフィー法に関して、当該年度、当研究室として初めて観察を行った。これまで多くの報告がなされている細胞レベルに比べて、分子レベルの構造に対するトモグラフィーでは、そのアライメント技術に問題があり、画像の追跡及び、画像の高分解能化が困難であることが明確となった。また、このアラインメントの問題を解決するためには、高速の三次元再構成法と共に、精度が高く、CTFの補正が完全に実施される三次元再構成システムが必須であると考えるに至った。このことから、今年度は、そのトモグラフィー法の改良を中心に研究を進めた。

画像のアライメントには、画像分割による方法が適していることが分かった。また、単粒子解析法を改良して、力発生時のミオシンの姿を捉えることを進めた。ミオシンがアクチンに1対多で結合している時の構造解析手法を作り上げ、実際に、アポ状態で結合しているときの構造を取得した。まだ、その構造は分解能が低く、かつ、信頼性が低いため、今後、さらに検討する。さらに、凍結装置の改良に関しては、本研究年度内では基礎研究に終わり、全体を完成させることができなかった。今後も継続的に実用化に向けて、研究を進める。
北極海－大気－植生－凍土－河川系における水・物質循環の時空間変動

北極海氷縮小によって大気ー陸域水循環が大きく変動する北ユーラシア永久凍土域を対象に、多圏(大気・陸域・海洋)にまたがり起源別の水の動きを追跡する水循環統合モデルを開発し、衛星リモートセンシングデータを活用して湛水域時系列マップと植生変化域時系列マップを作成する。それらを用いて、並行して開発中の陸域生態系物質循環モデルにより、温室効果気体の放出・吸収量の時系列マップを作成する。北ユーラシアの複数点で温室効果気体フラックス観測を行い、得られた観測データを機械学習によるデータ駆動型経験モデルを用いて広域化し、温室効果気体の放出・吸収量の時系列マップの検証を行う。