hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
化学反応によるＣＯ２捕捉の基礎と応用

CO2は、地球温暖化の要因のひとつとされ、削減が求められている。水溶液を用いるCO2吸収プロセスが提案されているが、より高効率な吸収プロセスの開発が期待されている。イオンのみからなり室温で液体のイオン液体は高いCO2吸収特性を持ち、次世代プロスセへの応用が期待されている。酢酸イオンからなるイオン液体はCO2と化合物を生じる溶解機構が提案されているが、化学種の構造は未だ明らかにされていなし。この構造が明らかにできれば、より効率の高い吸収液の開発に資する。本研究では、種々の分光・散乱実験と理論計算により、酢酸系イオン液体中のCO2溶存構造を明らかにした。酢酸イオンからなるイオン液体がCO2を化学的に吸収することが提案され、申請者らは、CO2がイオン液体中で酢酸イオンと化学結合を形成して新たな化合物を生成することを明らかにした。Kolbe-Schmitt反応や類似の挿入反応はよく知られているが、金属イオンが存在しない溶液でCO2がありふれた酢酸イオンと化学反応することは学術的に興味深い。本研究では、1CO2ー酢酸イオン化合物の単離・同定、2CO2との反応性における塩基性の効果、3CO2との反応性における溶媒効果について基礎科学の立場から調査し、化学反応による新規CO2吸収剤の開発や有用化合物への物質変換に資するCO2の化学反応性を明らかにする。1は、酢酸系イオン液体およびそのCO2吸収溶液について高圧CO2下FT-IR測定を行い、CO2の溶存構造を調査した。IRスペクトルのCO2圧力依存性から酢酸イオンーCO2間に共有結合を生じた新たな化学種を見出すことに成功した。2については、これまで不可能と考えられた非プロトン性イオン液体のpH測定に成功し、プロトン性イオン液体と共に、CO2吸収において最も重要な因子と考えられているイオン液体の塩基性についてブレンステッド酸の観点から定量的な評価が可能になった。3について、酢酸イオンを含むグライム類溶液についてCO2吸収の予備実験を行なった。高圧Ramanセルの耐圧性能を上げることで十分なスペクトルが得られることが明らかになった。今年度、本研究では、1CO2ー酢酸イオン化合物の単離・同定、2CO2との反応性における塩基性の効果、3CO2との反応性における溶媒効果について基礎科学の立場から調査し、化学反応による新規CO2吸収剤の開発や有用化合物への物質変換に資するCO2の化学反応性を明らかにする。1は、酢酸系イオン液体およびそのCO2吸収溶液について高エネルギーX線回折(HEXRD)実験を行い、溶媒の液体構造およびCO2の溶存構造を調査した。HEXRD実験解析モデル探索のためab initio計算を行なったところ、従来知られていない酢酸イオンカルボニル酸素の非共有電子対がCO2炭素近傍のLUMOに電荷移動し、共有結合を生じた新たな安定化学種を見出すことに成功した。この計算で得られた分子構造を基にHEXRD実験を解析したところ、矛盾なく実験を説明できることが明らかになった。2については、高圧Raman分校実験の予備実験を行い、CO2吸収量の異なる一連の資料について、通常のRaman測定に加え、等方的Ramanスペクトルを得ることに成功した。今後、S?N比を向上させ、定量実験に研究を進める。3について、酢酸イオンを含む水およびアセトニトリル溶液についてCO2吸収の四尾実験を行なった。酢酸イオンからなる非プロトン性イミダゾリウム系イオン液体がCO2を化学的に吸収することが提案され、申請者らは、Kolbe-Schmitt反応や類似の挿入反応は、CO2の化学反応としてよく知られているものの、金属イオンが存在しない溶液でCO2がありふれた酢酸イオンと化学反応することは学術的に大変興味深い。本研究は、1CO2ー酢酸イオン化合物の単離・同定、2CO2との反応性における塩基性の効果、ならびに、3CO2との反応性における溶媒効果、について基礎科学の立場から調査し、化学反応による新規CO2吸収剤の開発や有用化合物への物質変換に資するCO2の化学反応性を明らかにすることを目的として研究を行なった。今年度は、研究最終年度であり、1CO2ー酢酸イオン化合物の単離・同定を試みたものの、CO2と酢酸イオから生じる化合物の単離には至らなかった。一方、イミダゾリウム用意音とCO2の化学反応で生じるイミダゾールー2-イリデンの単離・同定に成功した。

また、CO2との反応性における塩基性の効果として、酢酸イオンとCO2の化学反応により生じる化合物のab initio分子軌道計算を行い、従来知られていない化合物が、気相中では安定構造を与えないものの、アセトニトリル程度の極性溶媒中で安定な構造を与えることを見出した。さらに、種々のイミダゾリウムとそのイミダゾールー2-イリデンの気相酸性度をab initio分子軌道計算により評価した。加えて、3CO2との反応性における溶媒効果について、プロトン性イミダゾリウム系酢酸イオン液体について、CO2吸収特性とRamanスペクトル測定を行なったところ、酢酸イミダゾリウムでは、非プロトン性イミダゾリウムに比べ、CO2吸収量が低下することを明らかにした。溶液化学Raman分光計の更新に伴い、今年度予定していたRamanセルの製作を見送ったものの、交付申請書記載の計画を概ね実行できた。特に、非プロトン性イオン液体の塩基性に関してブレンステッド酸の観点から従来の翡翠溶媒とも比較できる自己解離定数の評価に成功したことは大きな成果と言える。次年度は、最終年度にあたり、Raman/IR振動スペクトルならびに熱力学に基づく塩基性の定量評価によりCO2の化学吸収に関する基礎科学を確立できる見込みである。今年度は、異動(所属機関の変更)に伴い、年度初めに研究室を異動させ、実験に必要な合成装置、各種測定機器を立ち上げるのに時間を要したものの、交付申請書で計画した実験に関しては、概ね達成できた。さらに、当初の研究計画にとどまらず、ab initio計算により、従来全く知られていない酢酸イオンとCO2からなる新たな安定化学種の発見は、本研究における特筆すべき成果と言える。以上より、概ね順調に進展していると判断した。引き続き、計画通りに研究を進める。特に、1については、MDシミュレーション解析として、古典的MDシミュレーションにより解析するとともに、第1原理MDシミュレーションについても検討する。2については、酢酸イオンにフッ素或いは塩素原子を導入した一連の酢酸イオン誘導体からなるイオン液体を新たに合成するとともに、その酸塩基性評価、ならびに、CO2吸収能評価を行う。さらに、3として、酢酸イオンを荷電官能基とするポリマーに研究を展開する。引き続き上記1から3の検討を進める。1については、MDシミュレーション解析として、古典的MDシミュレーションにより解析するとともに、第1原理MDシミュレーションについても検討する。さらに3として酢酸イオンを荷電官能基とするポリマーに研究を展開する。交付申請にしたがって、最終年度も研究経費の配分を予定している。さらに、高圧Raman・X線測定セルの製作を計画していたものの、Raman分光計本体の更新を行なったため、新規Raman分光計に適した仕様変更が必要となり、最終年度に製作する。物品費:1,607,651円(高圧Ramanセル),旅費:500,001万円,謝金など:0 ,その他:
NSAIDsリポジショニングによるNF-κB阻害を介した歯髄炎治療法の開発

本研究は、炎症の主たるシグナル伝達経路であるNF-κBシグナルを抑制する非ステロイド性抗炎症薬NSAIDの歯髄組織への効果を調べることで、炎症抑制・硬組織形成・鎮痛を同時に行う新たな歯髄炎治療薬の開発を目指した基礎研究を行うことを目的としている。まずはNSAIDの中でもすでに臨床の現場や市販薬としても使用されているAspirinの硬組織形成への影響について検討を行ってきた。当初はin vitro実験系において、ヒト抜去歯から歯髄細胞を採取後に樹立した歯髄細胞株を用いた検討を行う予定だったが、硬組織形成に対するAspirinの効果の詳細なメカニズムを解明するために、骨芽細胞株を用いた研究に変更した。骨形成誘導因子BMPで分化誘導した骨芽細胞株に低濃度のAspirinを添加すると、BMPのみと比較し、骨芽細胞分化マーカー遺伝子の発現増加が確認できた。しかし、NF-κBシグナルを抑制する濃度(高濃度)のAspirinでは、アルカリホスファターゼ活性は上昇せず、むしろ抑制する傾向が見られた。以上の結果より、Aspirinは低濃度ではBMP誘導による骨分化マーカー遺伝子の発現を促進し、高濃度では炎症抑制と、石灰化抑制に関与している可能性が示唆された。そこで現在は、濃度の違いによって起きる各メカニズムの詳細な解明を行なっている。また、このようなAspirinの濃度による硬組織形成への影響の違いについて、これからin vivo実験系において解明していく予定である。今年度、歯髄細胞株に対するAspirinの炎症抑制・組織再生・鎮痛効果については実績報告するに至らなかったが、骨芽細胞株への影響については明らかにすることができた。引き続きAspirinの硬組織形成への影響を検討する。また、Aspirin添加による骨分化マーカー遺伝子の発現上昇の分子メカニズム解明について、研究を推進する予定である。さらにマウスモデルを用い、BMP誘導性異所性骨形成へのAspirinの効果をin vivoで検証する。本研究は、炎症の主たるシグナル伝達経路であるNF-κBシグナルを抑制する非ステロイド性抗炎症薬NSAIDの歯髄組織への効果を調べることで、炎症抑制・組織再生・鎮痛を同時に行う新たな歯髄炎治療薬の開発を目指した基礎研究を行うことを目的としている。これまでに研究代表者は、炎症性サイトカインTNFαによる骨芽細胞分化や象牙芽細胞分化の抑制効果とNF-κB阻害剤によるこれらの抑制に対する回復効果について検討し、報告してきた。今年度はまずin vitro実験系において、歯髄細胞株を用いた検討を行う予定だったが、抜去歯から歯髄細胞を採取する方法を習得するのに時間を要したため、歯髄細胞株樹立と同時進行で、骨芽細胞株を用いた検討を行うこととした。NSAIDの中でも、すでに臨床の現場や市販薬としても使用されているAspirinの炎症抑制と骨芽細胞分化への影響について検討を行った。骨芽細胞株をTNFαで刺激すると、NF-κBの転写活性が上昇した。しかし、Aspirinの添加により、Aspirin濃度依存的にNF-κBの転写活性上昇が抑制された。また、骨形成因子BMPで分化誘導した骨芽細胞株にAspirinを添加すると、BMPのみと比較し、骨芽細胞分化マーカー遺伝子の発現増加が確認できた。以上より、AspirinはNF-κBシグナルを抑制するとともに、BMP誘導による骨分化マーカー遺伝子の発現をさらに促進する可能性が示唆された。今後は当初の予定だったヒト歯髄細胞株を用いて、引き続きAspirinの炎症抑制効果や石灰化能への影響を検討する。さらにラットの臼歯断髄モデルおよび歯髄炎モデルを用い、Aspirinによる歯髄組織の抗炎症効果をin vivoで検証する。

引き続きAspirinの硬組織形成への影響を検討する。また、Aspirin添加による骨分化マーカー遺伝子の発現上昇の分子メカニズム解明について、研究を推進する予定である。さらにマウスモデルを用い、BMP誘導性異所性骨形成へのAspirinの効果をin vivoで検証する。次年度使用額が生じた理由としては、歯髄細胞株を用いた実験が計画通りに進まなかったことが挙げられる。次年度は歯髄細胞株を用いてAspirinの炎症抑制効果や石灰化能への影響を検討する予定であるため、今年度使用できなかった予算分を使用する。次年度使用額が生じた理由としては、in vivo実験が計画通りに進まなかったことが挙げられる。次年度はin vivo実験において、BMP誘導性の異所性骨形成へのAspirinの影響を検討する予定であるため、今年度使用できなかった予算分を使用する。
酸化還元環境に応じた底生有孔虫のエネルギー獲得様式のスイッチ

底生有孔虫が海底の現場で実際に活性を持っているかどうかを判別する方法を開発した。また、細胞内で硝酸塩呼吸を行っている個体を、殻内有機物と細胞内の有機物のアミノ酸窒素同位体比を比較することで、活性の高低も含めて見積もることができることを見出した。この手法は、これまで実験室内で活性の測定などを行って推定するしかなかった有孔虫の硝酸塩呼吸の実態をより正確に導くことができると期待される。2010年4月から5月にかけて淡青丸航海に参加し、日本海隠岐堆水深915mにおいて底生有孔虫および微生物群集の活性を調べるための船上培養実験を行った。これは、2009年に同海域で行った現場培養実験の結果を踏まえ、深海底における炭素固定に栄養塩の影響がどの程度あるのかを検証するためであった。日本海の漸深海底は、日本海固有水の存在により酸化的な環境が広がっており、酸化的な環境における有孔虫の呼吸様式や活性を調べるための良いモデルケースとなる。実験の結果、栄養塩の添加により、海底での炭素固定が4倍程度促進されることが明らかになった。今後、これらの固定された炭素の有孔虫への流れを解明し、酸化的海洋における有孔虫のエネルギー生態を解明する。貧酸素から還元的な環境に移行する堆積物中において、有孔虫の代謝がどのように変化するかを明らかにするために、2011年1月に相模湾深海底における現場培養実験を行った。この実験では、還元系発色試薬を用い、酸素濃度や硝酸塩濃度に応じた底生有孔虫のすみ分けに、有孔虫の呼吸活性がどの程度影響しているのかを明らかにすることを目的とした。異なる有孔虫種の比較を行うこと、また、同一種でも異なる溶存酸素濃度、硝酸塩濃度の環境に生息する個体の比較を行うことで、化学環境に応じて有孔虫がどのようにその呼吸活性を変化させ、エネルギーを得ているのかを明らかにできる。実験では、3日間の培養を行い、その際には、培養期間中に環境の変化を最小限に抑えるために新たに開発した現場培養装置を使用した。実験は成功し、現在試料の処理と解析を進行中である。本課題の目的は、底生有孔虫が堆積物中の化学環境に応じてエネルギーの獲得形式をスイッチすることで、有孔虫のような小型底生生物がダイナミックに堆積物中を移動、適応しながら物質を代謝し、物質循環に貢献しているという仮説を、実験的手法により確かめることである。本年は、季節的および堆積物中の深度方向で好気、嫌気環境が変化する浅海域の底生有孔虫を用いた飼育実験と、その分析を行った。底生有孔虫Ammonia beccariiを、好気的環境および嫌気的環境下で1ヶ月間飼育し、同位体比の異なる硝酸塩を定期的に添加し、底生有孔虫もしくはその共生細菌がどのような環境下で硝酸塩呼吸を利用し、有孔虫細胞内の同位体比に反映されているかを検討した。その結果、好気的な環境下ではほとんど硝酸塩を利用していない一方で、嫌気的な環境下では硝酸塩呼吸がかなり活発に行われていることが明らかになった。硝酸塩呼吸の程度は、細胞、殻に残されているアミノ酸の窒素同位体比に記録されているようであり、その結果から、自然環境に生息するAmmonia beccariiも生活史の半分以上は嫌気的な環境で生活している(硝酸塩呼吸に依存している)ことを示唆する。これらの結果を踏まえ、堆積物の表層は酸化的な一方深部は嫌気的であり、さまざまな有孔虫種がすみ分けている相模湾の底生有孔虫についても、自然環境の試料を用いて、どの種が、どの深度で硝酸塩呼吸を行っているかを検討した。その結果、おもに堆積物の深部に生息するGlobobuliminaaffinisで、硝酸塩呼吸に依存した窒素同位体比の証拠が見られた。一方で、深度方向で硝酸塩呼吸の程度に明確な変化は見られず、1個体がさまざまな環境を行き来し、その環境に応じた呼吸を行っていることが示唆される。
SUMO化によるがん関連遺伝子産物の機能制御機構の解析

がん関連遺伝子産物のSUMO化による制御を明らかにすることを目的とし、がん転移に重要な役割を持つと考えられるEts転写因子EIAFのSUMO化を明らかにした。EIAFは4ヶ所のリジン残基がSUMO化された。その内3ヶ所のリジンをアルギニン残基に置換すると転写活性の増大が認められたことから、SUMO化はEIAFの転写を負に制御していると考えられた。さらにEIAFの特異的SUMO-E3リガーゼとして同定されたPIASyは、EIAFのSUMO化、PIASyのSUMO-E3リガーゼ活性に依存的、非依存的の両方においてEIAFの転写活性を制御していると考えられた。さらに核小体SUMO2/3特異的脱SUMO化酵素SMT3IP1,3(IP1,3)について解析を行い、これらが核小体タンパク質Nucleophosmin (NPM)と相互作用することを明らかにした。IP1,3ともにARF依存的なNPMのSUMO2/3化に対して特異的に脱SUMO化活性を示した。IP1の不活性型変異体はARF非依存的なドミナントネガティブ効果を示し、NPMのSUMO2化を促進した。この効果はIP1が強く、IP3は効果を示さないことから、細胞内においてIP1がNPMに対する主な脱SUMO2/3酵素として機能していると考えられた。NPMはp53-MDM2-ARF経路を制御していることから、p53, MDM2のSUMO化に対する影響を調べた。その結果、IP1は両者のARF依存的なSUMO2化を脱SUMO化し、IP1不活性型変異体はARF非依存的にSUMO2化を促進した。さらにIP1はp53, MDM2と特異的に相互作用することを明らかにした。以上の知見より、NPMのp53-MDM2-ARF経路の制御にNPM, p53, MDM2それぞれのSUMO化が関与し、IP1がその制御に機能していることが示唆された。がん関連遺伝子産物のSUMO化による制御を明らかにすることを目的とし、Etsファミリー転写因子のSUMO化を明らかにし、SUMO化の機能解析を行った。Etsファミリー転写因子は細胞の増殖、分化など様々な過程において重要な役割を果たしており、その脱制御は細胞のがん化へ関与することが知られる。Ets転写因子のプロトタイプであるEts-1のSUMO化部位をN末端領域と転写活性化ドメイン内の2ヵ所に同定した。SUMO化は転写活性化能を負に制御していると考えられ、SUMO化部位のLysをArgに置換した変異体(KR)は野生型(WT)に比較して転写活性化能が増大した。さらにPIASyはEts-1の特異的SUMO-E3リガーゼとしてSUMO化を促進し、Ets-1のSUMO化非依存的に、しかしSUMO-E3リガーゼ活性依存的にEts-1の転写活性を抑制することから、Ets-1依存的な転写活性制御に重要な役割を持っていることが示唆された。またPEA3サブファミリーメンバーであるE1AFでは4ヵ所のSUMO化部位を同定した。SUMO化部位のLysをArgに置換した変異体(KR)は野生型(WT)に比較して活性亢進が認められたことからSUMO化は転写抑制に機能していることが示唆された。さらにEts-1と同様にPIASyにより特異的にSUMO化が促進され、PIASyの共発現によりWT, KR共に活性が抑制されたことからPIASyはE1AFのSUMO化非依存的に転写活性を抑制すると考えられた。Ets-1,E1AFともにSUMO化の有無により核局在、ユビキチン-プロテアソーム系による分解に顕著な変化は認められなかった。しかし、PIASyはEts-1と結合することによりEts-1のユビキチン-プロテアソーム系による分解を阻害し安定化することが分かった。現在この安定化機構を解析中である。がん関連遺伝子産物のSUMO化による制御を明らかにすることを目的とし、転写因子Ets-1のSUMO化については昨年度までに明らかにしたが、本年度はさらにユビキチン-プロテアソーム系による分解による制御を解析した。Ets-1の特異的SUMO-E3リガーゼとして同定したPIASyの過剰発現はEts-1のSUMO化非依存的、PIASyのSUMO-E3リガーゼ活性非依存的にEts-1のプロテアソームによる分解を抑制し安定化した。さらにPIASyのsiRNAによるノックダウンにより内在性Ets-1のタンパク質量の減少が認めたれた。興味深いことにPIASyはEts-1のユビキチン化自身には影響せず、ユビキチン化されたEts-1のプロテアソーム分解による分解を抑制すると考えたられた。このようにPIASyはSUMO化を介さない系によってもEts-1の機能を制御していることを明らかにした。さらに本年度は核小体SUMO-2/3特異的脱SUMO化酵素SMT3IP1,3(IP1,3)について解析を行い、これらが核小体タンパク質Nucleophosmin(NPM/B23)との相互作用することを明らかにした。IP1,3ともにARF依存的なNPMのSUMO-2/3化に対して特異的に脱SUMO化活性を示し、IP1の不活性型変異体はその過剰発現によりCOS7,U2OS,HeLa細胞においてドミナントネガティブ効果を示し、ARF非依存的にSUMO-2化を促進した。

不活性型変異体によるNPMのSUMO-2化はIP1とNPMの安定的な相互作用に依存したが、活性型のNPMの脱SUMO-2化活性は核小体局在、相互作用に依存しなかった。以上の知見は、現在不明であるNPMのSUMO化の役割、核小体局在依存的なARFによるSUMO化促進機構の解明に寄与すると考え現在解析を進めている。がん関連遺伝子産物のSUMO化による制御を明らかにすることを目的とし、がん転移に重要な役割を持つと考えられるEts転写因子EIAFのSUMO化を明らかにした。EIAFは4ヶ所のリジン残基がSUMO化された。その内3ヶ所のリジンをアルギニン残基に置換すると転写活性の増大が認められたことから、SUMO化はEIAFの転写を負に制御していると考えられた。さらにEIAFの特異的SUMO-E3リガーゼとして同定されたPIASyは、EIAFのSUMO化、PIASyのSUMO-E3リガーゼ活性に依存的、非依存的の両方においてEIAFの転写活性を制御していると考えられた。さらに核小体SUMO2/3特異的脱SUMO化酵素SMT3IP1,3(IP1,3)について解析を行い、これらが核小体タンパク質Nucleophosmin (NPM)と相互作用することを明らかにした。IP1,3ともにARF依存的なNPMのSUMO2/3化に対して特異的に脱SUMO化活性を示した。IP1の不活性型変異体はARF非依存的なドミナントネガティブ効果を示し、NPMのSUMO2化を促進した。この効果はIP1が強く、IP3は効果を示さないことから、細胞内においてIP1がNPMに対する主な脱SUMO2/3酵素として機能していると考えられた。NPMはp53-MDM2-ARF経路を制御していることから、p53, MDM2のSUMO化に対する影響を調べた。その結果、IP1は両者のARF依存的なSUMO2化を脱SUMO化し、IP1不活性型変異体はARF非依存的にSUMO2化を促進した。さらにIP1はp53, MDM2と特異的に相互作用することを明らかにした。以上の知見より、NPMのp53-MDM2-ARF経路の制御にNPM, p53, MDM2それぞれのSUMO化が関与し、IP1がその制御に機能していることが示唆された。
深海性二枚貝と化学合成細菌の細胞内共生系の基盤解明

本研究では、他の共生系に比べて、その実態が把握できていない化学合成共生系における宿主と共生者の共生機構の構築と維持メカニズムについて、共生系としての宿主と共生者の相互作用を分子メカニズムで明らかにすることを目的としている。そこで、共生者である化学合成細菌(以後、共生細菌と呼ぶ)の全ゲノムが明らかとなっている宿主二枚貝シマイシロウリガイを用いて、宿主と共生細菌の発現遺伝子の同時トランスクリプトーム解析、代謝物質を解析するメタボローム解析、宿主と共生菌の遺伝子発現の局在解析などを行い、共生細菌が合成する有機物と、その有機物が宿主にどのように変換され利用されているかについて、共生細菌と宿主間の栄養供給という共生の根幹をなす基盤解明を目指す。本年度は、宿主と共生細菌の遺伝子発現を精製段階で分けることなく、同時に発現遺伝子のシーケンスデータを取得し、宿主と共生細菌のそれぞれが発現している遺伝子の種類と発現量を比較することを目指した。シマイシロウリガイを用いて共生細菌が共生するエラ及び卵からTotal RNAを抽出し、2回のリボソーマルRNA除去処理したRNAをcDNA化し、トランスクリプトーム解析用のライブラリーを作成し、次世代シーケンスを実施した。その結果、エラのライブラリーは、共生細菌と宿主の配列データが取得できた。一方、卵のライブラリーは、アダプター配列のみなど、共生細菌と宿主の配列データ以外の配列が多く得られ、原因は、卵から得られるRNA量が少ないために生じていると考えられた。次世代シーケンスで読む量を多くすることで、解析に必要なデータ量を得ることができた。また、シロウリガイ共生系のトランスクリプトーム解析がうまくいかないことを考慮して、シンカイヒバリガイのエラを用いた共生細菌と宿主のトランスクリプトーム解析を実施して、配列データを得ることができた。本年度は、トランスクリトーム解析では、ライブラリー作成後のシーケンスデータ量が得られず、試行錯誤を繰り返した。そのため、トランスクリプトーム解析に時間がかかってしまい、メタボローム解析を行う予定を延期した。今後は、トランスクリトームのデータ解析を進めると同時に、メタボローム解析を実施する。今後は、シマイシロウリガイ及びシンカイヒバリガイのトランスクリープトームのデータ解析を進め、発現している遺伝子群を同定する。初年度は、宿主と共生細菌の同時トランスクリプトーム解析に着手した。共生細菌が細胞内共生する器官であるエラを用いた。エラから全RNAを抽出し、全RNA中に含まれる宿主及び共生菌のリボソームRNAを取り除く試薬(真核用と原核用)を用いて、リボソーマルRNAを取り除いてからcDNA化を試みた。まず宿主および共生細菌のリボソーマルRNA除去処理を行った。処理後に精製された全RNAのバイオアナライザーによる電気泳動解析を行ったところ、少量のリボソーマルRNA由来のピークが確認された。また、高分子のバンドが得られ、DNAの混在が疑われたため、宿主と共生細菌の遺伝子をPCRにより増幅したところ、宿主と共生細菌ともにDNAの混在が認められた。これは、全RNA抽出後にDNase処理を強めに行うことで改善できた。また2回のリボソーマルRNA除去処理を行うことで改善された。今後は、得られたRNAをcDNA化し、トランスクリプトーム解析用のライブラリーを作成し解析を進める。本研究では、宿主と共生細菌の遺伝子発現を精製段階で分けることなく、同時にシーケンスデータを取得し、宿主と共生細菌のそれぞれが発現している遺伝子の種類と発現量を比較することを目指した。そのためには、サンプルから全RNAのみを自己分解が少なく、高収率で精製した上で、発現量が多いリボソーマルRNAのみを除去したRNA精製処理して解析することが重要となってくる。しかしながら、深海に生息する生物のため、飼育方法も確立しておらず、サンプル数も限られている中での精製方法の条件検討したため、時間が予想以上にかかってしまった。そのため、当初の計画よりやや遅れている。RNA精製方法の見通しができたため、今後はトランスクリトーム解析を進める。

シマイシロウリガイを用いて共生細菌が共生するエラ及び卵からTotal RNAを抽出し、2回のリボソーマルRNA除去処理したRNAをcDNA化し、トランスクリプトーム解析用のライブラリーを作成し、次世代シーケンスを実施した。その結果、エラのライブラリーは、共生細菌と宿主の配列データが取得できた。一方、卵のライブラリーは、アダプター配列のみなど、共生細菌と宿主の配列データ以外の配列が多く得られ、原因は、卵から得られるRNA量が少ないために生じていると考えられた。次世代シーケンスで読む量を多くすることで、解析に必要なデータ量を得ることができた。また、シロウリガイ共生系のトランスクリプトーム解析がうまくいかないことを考慮して、シンカイヒバリガイのエラを用いた共生細菌と宿主のトランスクリプトーム解析を実施して、配列データを得ることができた。本年度は、トランスクリトーム解析では、ライブラリー作成後のシーケンスデータ量が得られず、試行錯誤を繰り返した。そのため、トランスクリプトーム解析に時間がかかってしまい、メタボローム解析を行う予定を延期した。今後は、トランスクリトームのデータ解析を進めると同時に、メタボローム解析を実施する。今後は、シマイシロウリガイのトランスクリープトーム解析を進めるとともに、もしも、解析がうまくいかない場合には、化学合成生態系においてシロウリガイ共生系に次ぐ、二枚貝シンカイヒバリガイ共生系を材料にした解析も考慮する。今後は、シマイシロウリガイ及びシンカイヒバリガイのトランスクリープトームのデータ解析を進め、発現している遺伝子群を同定する。RNA精製処理の確立に遅れが生じたため、トランスクリープトーム解析に関わる解析試薬の購入を控えた。このため未使用が生じた。そのため解析に関わる試薬は、H30年度に購入する。前述のとおり、メタボローム解析を実施することができなかった。2019年度に同解析を実施するために使用する。
有機アニオントランスポーター遺伝子導入による「再構築人工肝細胞」の提唱と開発

肝臓の機能は、解毒抱合・胆汁分泌・蛋白合成など極めて多機能であるが、その解毒抱合・胆汁泌に絞てみると、一種の分子篩として機能している腎臓とは異なり,肝細胞膜上のトランスポーターが特異的ある種の分子を肝細胞内に取り込み,細胆管側ヘトランスポーターによって排泄される高度複合機能をした細胞である。その機能の詳細は長年不明であったが,近年の分子生物学の進歩により、細胞膜上に在する各種トランスポーターの構造と機能が明らかとなってきた。研究代表者らは、平成11年度に、ヒト肝臓特異的有機アニオントランスポーター,LST-1のクローニング成功した。さらにこのLST-1のラットのカウンターパートであるrat lst-1(rlst-1)も単離した(Kaky M.et al.Gastroenterology)。平成12年度にはLST-1と相同性を有する肝特異的有機アニオントランスーター,LST-2の単離に成功し報告した(Abe, T et al.Gastroenterology)。このLST-1を肝臓由来細胞株HepG2に導入したHepG2/LST1細胞株を作成した。細胞よりmRNAを抽出しノーンブロットを施行し、LST-1の発現を確認した。この細胞は培養液中に添加した[3H]taurocholateを対照に比して約5倍取り込んだ。発現蛋白をより増加させるために我々はアデノウイルスベクターをもちいてLST-1およびLST-2を過剰発現させる系の開発を行った。AdLST-1とAdLST-2を作成し、これを培養細胞系感染させることにより、50倍から100倍のtaurocholateの取り込みが観察された。このアデノウイルスを種癌細胞に感染させることにより、抗癌剤MTXの輸送能が高まり抗癌剤MTXの感受性亢進が確認された。この系を用いて、現在更なる検討を進めている。肝臓の機能は、解毒抱合・胆汁分泌・蛋白合成など極めて多機能であるが、その解毒抱合・胆汁分泌に絞ってみると、一種の分子篩として機能している腎臓とは異なり,肝細胞膜上のトランスポーターが特異的にある種の分子を肝細胞内に取り込み,細胆管側へトランスポーターによって排泄される高度複合機能を有した細胞である。その機能の詳細は長年不明であったが,近年の分子生物学の進歩により、細胞膜上に存在する各種トランスポーターの構造と機能が明らかとなってきた。研究代表者らは、ヒトにおいて肝特異的に発現しているHuman liver-specific transporter,LST-1の構造と機能を世界に先駆け発表した(Abe,T.et al.JBC,1999)。このLST-1の取り込む基質はタウロコール酸、コール酸などの胆汁酸のみならず、甲状腺ホルモン、抱合型ステロイド、エイコサノイド、BSPなど幅広い基質特異性を有しており、これは肝細胞の幅広い基質特異性と合致する。一方、研究代表者らは、このLST-1のラットのカウンターパートであるrat lst-1(rlst-1)も単離しその発現を検討したところ、ラット総胆管結紮モデルラット、敗血症モデルラットで発現が低下していることを明らかにした(Kakyo,M.et al.Gastroenterology)。以上の結果より、このような肝機能低下の際にrlst-1の発現が低下し、肝細胞への様々な基質の取込みが低下することが、これら病態に密接に関連していることが考えられた。

さらに,このヒト肝特異的有機アニオントランスポーター遺伝子を培養細胞に導入した細胞株を作成し,これらの細胞は,タウロコール酸を細胞内に取込むことが確認された.肝臓の機能は、解毒抱合・胆汁分泌・蛋白合成など極めて多機能であるが、その解毒抱合・胆汁分泌に絞ってみると、一種の分子篩として機能している腎臓とは異なり,肝細胞膜上のトランスポーターが特異的にある種の分子を肝細胞内に取り込み,細胆管側ヘトランスポーターによって排泄される高度複合機能を有した細胞である。その機能の詳細は長年不明であったが,近年の分子生物学の進歩により、細胞膜上に存在する各種トランスポーターの構造と機能が明らかとなってきた。研究代表者らは、平成11年度に、ヒト肝臓特異的有機アニオントランスポーター,LST-1のクローニングに成功した。さらにこのLST-1のラットのカウンターパートであるrat lst-1(rlst-1)も単離した(Kakyo,M.et al.Gastroenterology)。平成12年度にはLST-1と相同性を有する肝特異的有機アニオントランスポーター,LST-2の単離に成功し報告した(Gastroenterology,in press)。このLST-1を肝臓由来細胞株HepG2に導入したHepG2/LST1細胞株を作成した。細胞よりmRNAを抽出しノーザンブロットを施行し、LST-1の発現を確認した。この細胞は培養液中に添加した[3H]taurocholateを対照群に比して約5倍取り込んだ。発現蛋白をより増加させるために我々はアデノウイルスベクターをもちいて、LST-1およびLST-2を過剰発現させる系の開発を行った。AdLST-1とAdLST-2を作成し、これを培養細胞系に感染させることにより、50倍から100倍のtaurocholateの取り込みが観察された。このアデノウイルス系を用いて、現在更なる検討を進めている。
遺伝子発現制御因子のリン酸化による機能調節

私達がcDNAクロ-ニングにより同定したCRE(cAMP response element)結合蛋白質CREーBP1のリン酸化部位と機能ドメインの関連を解析した。まずCREーBP1のcDNAに一連の欠失変異、点変異を導入し、CREーBP1変異体の発現ベクタ-を作製した。これらの発現ベクタ-をCREを持つCATレポ-タ-プラスミドと共に培養細胞にトランスフェクション法で導入し、発現されるCREーBP1変異体の転写活性化能を解析した。その結果、正常CREーBP1はCREを介して転写を活性化する能力を持つこと、転写活性化のためにはN末端付近のメタルフィンガ-構造を含む転写活性化ドメインとC末端付近の活性基性アミノ酸クラスタ-とロイシンジッパ-構造からなるDNA結合ドメインが必要であることが明かとなった。次にcDNAを用いて大腸菌で発現させたCREーBP1を基質としてAキナ-ゼによるリン酸化をin vitroで解析した。その結果、CREーBP1は両キナ-ゼで効率良くリン酸化されることが示された。さらにそのリン酸化部位を決定したところ、Aキナ-ゼは転写活性化ドメイン内の62番目のSer残基を、またCキナ-ゼはDNA結合ドメイン内の340,367番目の2つのSer残基をリン酸化することが明かとなった。このように機能上重要な部位がリン酸化されることが明かとなり、リン酸化による機能制御が強く示唆された。また転写制御因子として機能する核内がん遺伝子産物Mybのリン酸化と転写制御能の関連を解析した。Mybの11,12番目のser残基はカゼインキナ-ゼIIにより効率良くリン酸化されるので、この部位をAlaに変えた変異体の転写活性化能を解析したところ、約50100%の上昇が見られた。今後いろいろな条件下でさらに検討することが必要である。本研究では転写因子のリン酸化による機能調節の解析を目的としている。具体的にはmybがん遺伝子産物とCRE(cAMP response element)結合蛋白質を取り上げ、リン酸化によるDNA結合能の変化などについて解析した。myb蛋白質のSerー11とSerー12がカゼインキナ-ゼIIによりリン酸化されると、DNA結合能が低下することがすでに報告されている。しかしながら、myb蛋白質とDNA相互作用が分子レベルで明らかにされていないため、リン酸化によるDNA結合能低下の分子機構は全く不明であった。私達はmyb蛋白質のDNA結合ドメインに一連の変異を導入し、変異蛋白質のDNA結合能を解析すると共に、myb DNA結合ドメインのみを含む蛋白質を大腸菌で大量発現させ精製し、その構造をラマンスペクトルなどの分光学的方法により解析した。その結果、myb DNA結合ドメイン内部に周期的に位置するトリプトファン残基が蛋白質内部で疎水性コアを形成し、全体の構造を保つのに重要な役割を果たしていることを明らかにした。そしてこの“トリプトファンクラスタ-構造"がmybやetsを含む一群のDNA結合蛋白質に共通の特徴であろうと提唱した。この結果により、Serー11とSerー12のリン酸化がDNA結合ドメインの構造に及ぼす影響を分子レベルで考察することが初めて可能となり、今後のさらに詳細な解析への道が開かれた。一方CRE結合蛋白質CREーBP1については、精製Aキナ-ゼ及びCキナ-ゼを用いてin vitro系でリン酸化について解析した。CREーBP1を大腸菌で大量発現させ精製したものを基質としてリン酸化反応を行なった結果、CREーBP1はAキナ-ゼ、Cキナ-ゼの両方で効率良くリン酸化されることが明かとなった。

さらにリン酸化部位を解析したところ、Aキナ-ゼはSerー62をCキナ-ゼはSerー368をリン酸化することが示された。これらの結果により、CREーBP1をリン酸化と機能との関連をより直接的に解析するための基礎ができた。私達がcDNAクロ-ニングにより同定したCRE(cAMP response element)結合蛋白質CREーBP1のリン酸化部位と機能ドメインの関連を解析した。まずCREーBP1のcDNAに一連の欠失変異、点変異を導入し、CREーBP1変異体の発現ベクタ-を作製した。これらの発現ベクタ-をCREを持つCATレポ-タ-プラスミドと共に培養細胞にトランスフェクション法で導入し、発現されるCREーBP1変異体の転写活性化能を解析した。その結果、正常CREーBP1はCREを介して転写を活性化する能力を持つこと、転写活性化のためにはN末端付近のメタルフィンガ-構造を含む転写活性化ドメインとC末端付近の塩基性アミノ酸クラスタ-とロイシンジッパ-構造からなるDNA結合ドメインが必要であることが明かとなった。次にcDNAを用いて大腸菌で発現させたCREーBP1を基質としてAキナ-ゼ、Cキナ-ゼによるリン酸化をin vitroで解析した。その結果、CREーBP1は両キナ-ゼで効率良くリン酸化されることが示された。さらにそのリン酸化部位を決定したところ、Aキナ-ゼは転写活性化ドメイン内の62番目のSer残基を、またCキナ-ゼはDNA結合ドメイン内の340,367番目の2つのSer残基をリン酸化することが明かとなった。このように機能上重要な部位がリン酸化されることが明かとなり、りン酸化による機能制御が強く示唆された。また転写制御因子として機能する核内がん遺伝子産物Mybのリン酸化と転写制御能の関連を解析した。Mybの11,12番目のSer残基はカゼインキナ-ゼIIにより効率良くリン酸化されるので、この部位をAlaに変えた変異体の転写活性化能を解析したところ、約50100%の上昇が見られた。今後いろいろな条件下でさらに検討することが必要である。
モノアミン神経系の吸入麻酔における役割の解明

本研究では、モノアミン神経系のうち覚醒の惹起及び維持に重要な役割を果たしているヒスタミン神経系が、現在主に使用されている吸入麻酔薬イソフルラン、セボフルラン、デスフルランの意識消失作用と関連していることが明らかになった。吸入麻酔導入期にはヒスタミン神経細胞が活性化し放出されたヒスタミンがH1受容体を介して大脳皮質を部分的に刺激するが、吸入麻酔薬濃度が高くなるとヒスタミン神経細胞が抑制され、大脳皮質活動が抑制させることが示唆された。モノアミン神経系は覚醒の惹起や維持に重要な役割を果たしている。しかしながら、これまで吸入麻酔薬のモノアミン神経系に対する作用、あるいは吸入麻酔薬の意識消失作用におけるモノアミン神経系の役割は、断片的にしか解明されていなかった。本研究は、現在臨床で主に使用されている吸入麻酔薬を用いて、吸入麻酔薬の鎮静・意識消失作用におけるモノアミン神経系の役割の解明を目的としている。本年度は、まずイソフルランとヒスタミン関連分子遺伝子改変マウスを用いて、マイクロダイアリシス、行動実験、脳波測定(脳表脳波・深部脳波)、免疫化学組織染色の実験系を確立した。マイクロダイアリシスの結果より、低濃度イソフルランは脳内ヒスタミン濃度を増加させる一方、高濃度イソフルランでは減少させることが明らかになった。これはヒスタミン神経細胞が低濃度イソフルランでは刺激、高濃度イソフルランでは抑制されることが脳波および免疫染色の結果から示唆された。さらに、行動実験よりヒスタミンH1受容体ノックアウトマウス(H1KOマウス)がイソフルランに対して感受性が高く、H1KOマウスの脳波はイソフルランにより強く抑制されることが明らかになった。つまり、ヒスタミン関連分子のうちヒスタミンH1受容体がイソフルランによる鎮静・意識消失に関与していることが示唆された。なお当初予定してた急性脳スライスを用いた電気生理学的実験は実験系を確立できなかったため、代替として脳波測定を行った。解析はイソフルラン麻酔におけるヒスタミン神経系の結果のみ終了した状態だが、実験系が確立できているので、その他の吸入麻酔薬やモノアミン神経系に広げて適応することは、比較的容易であると考えるため。吸入麻酔薬がどのような作用機序で意識消失作用を発揮するか、その詳細はこれまで明らかになっていない。吸入麻酔薬の意識消失作用が、睡眠覚醒に関わる神経回路と関連していることは以前から提唱されていたが、覚醒系に関わるモノアミン神経系の役割については不明な点も多かった。今回の研究では、モノアミン神経系のうち覚醒の惹起及び維持に重要な役割を果たしているヒスタミン神経系が、現在主に使用されている吸入麻酔薬イソフルラン、セボフルラン、デスフルランの意識消失作用と関連していることが明らかになった。脳内にはH1, H2, H3の3種のヒスタミン受容体が発現しているが、このうちH1受容体が吸入麻酔薬の意識消失と拮抗的に作用していることが、遺伝子改変マウスを用いた動物行動実験および自由行動下の脳波解析によって分かった。一方、吸入麻酔薬のヒスタミン神経系への作用を、自由行動下マイクロダイアリシスおよび神経活動性指標のc-fos免疫染色で検討したところ、吸入麻酔薬の種類あるいは濃度の違いによって、後部視床下部に集蔟するヒスタミン神経細胞が活性化あるいは抑制されることが分かった。これらの結果から、吸入麻酔導入期にはヒスタミン神経細胞が活性化し放出されたヒスタミンがH1受容体を介して大脳皮質を部分的に刺激するが、吸入麻酔薬濃度が高くなるとヒスタミン神経細胞が抑制され、大脳皮質活動が抑制させることが示唆された。この一連の興奮抑制の変化は、主に小児の吸入麻酔導入期に観察される興奮期の理解に繋がるのではないかと期待される。またH1受容体は認知機能にも深く関与してるため、今回の研究を発展させることで全身麻酔後認知機能障害におけるヒスタミン神経系の役割の解明も期待される。マイクロダイアリシス、行動実験、脳波測定(脳表脳波・深部脳波)、免疫化学組織染色の実験系を確立したので、今後はセボフルラン、デスフルラン(器械は購入済み)を用いて、ヒスタミン、セロトニン、ドパミン、ノルアドレナリンの各神経系を対象に検討していく予定である。薬理学
非線形発展方程式と偏微分方程式への応用

本研究では,微分方程式を含む種々の非線形問題を発展方程式論の立場から取り扱い,これらの研究によって開発された方法や得られた結果を抽象化して非線形発展方程式に対する理論的成果として再編成し,これらの理論を新しい問題や本質的な問題に応用することを試みた.1.非線形発展作用素の研究.Banach空間における非線形半群や発展作用素の一般的なクラスを導入し,これらの半群や発展作用素に対する最良の生成定理を与え,構造や性質について多くの新しい結果を得た.2.半形線発展方程式の研究.半線形方程式の一般化された意味での解を与える非線形半郡の半線形無限小生成作用素による特徴付けを接触条件及び値域条件の形で与え,準消散作用素論の枠組で最良の結果を得た.これ等の結果を典型的な半線型問題に応用し,新知見を得ている.3.準線形偏微分方程式の研究.非線形発展作用素の生成理論を応用することにより,解の存在や定性的研究に対して興味ある結果を得た.また常微分方程式との関連で,上級・下級関数法を用いた解の構造に関する詳しい解析が行われた.他方数値解析やポテンシャル論の立場からの考察と共に多くの結果が得られた.反応拡散系に対しては解の安定性や特異性に関する詳細な研究が行われ,着実に成果が上がっている.4.流体力学の数学的研究.NavierーStokes方程式の解の定性的研究において興味ある結果が得られた.他方でこの重要な方程式の発展方程式論の立場からの取扱いが行われ,新しい知見を得ることが出来た。非線形発展方程式は,常・偏微分方程式を含む種々の具体的な非線形問題の研究と相まって現在盛んに研究されている.本研究の遂行のためには迅速かつ活発な研究連絡や資料収集活動が要求され,本補助金により上述のように多くの成果を上げることが出来た.これら場の成果は,今後も国内外分研究集会で発表され,論文の形で公表される予定である.本研究では,微分方程式を含む種々の非線形問題を発展方程式論の立場から取り扱い,これらの研究によって開発された方法や得られた結果を抽象化して非線形発展方程式に対する理論的成果として再編成し,これらの理論を新しい問題や本質的な問題に応用することを試みた.1.非線形発展作用素の研究.Banach空間における非線形半群や発展作用素の一般的なクラスを導入し,これらの半群や発展作用素に対する最良の生成定理を与え,構造や性質について多くの新しい結果を得た.2.半形線発展方程式の研究.半線形方程式の一般化された意味での解を与える非線形半郡の半線形無限小生成作用素による特徴付けを接触条件及び値域条件の形で与え,準消散作用素論の枠組で最良の結果を得た.これ等の結果を典型的な半線型問題に応用し,新知見を得ている.3.準線形偏微分方程式の研究.非線形発展作用素の生成理論を応用することにより,解の存在や定性的研究に対して興味ある結果を得た.また常微分方程式との関連で,上級・下級関数法を用いた解の構造に関する詳しい解析が行われた.他方数値解析やポテンシャル論の立場からの考察と共に多くの結果が得られた.反応拡散系に対しては解の安定性や特異性に関する詳細な研究が行われ,着実に成果が上がっている.4.流体力学の数学的研究.NavierーStokes方程式の解の定性的研究において興味ある結果が得られた.他方でこの重要な方程式の発展方程式論の立場からの取扱いが行われ,新しい知見を得ることが出来た。非線形発展方程式は,常・偏微分方程式を含む種々の具体的な非線形問題の研究と相まって現在盛んに研究されている.本研究の遂行のためには迅速かつ活発な研究連絡や資料収集活動が要求され,本補助金により上述のように多くの成果を上げることが出来た.これら場の成果は,今後も国内外分研究集会で発表され,論文の形で公表される予定である.
指導者と選手をつなぐ指導システムの構築：心理的アプローチに基づくスキル修正の活用

申請者は、スポーツスキルの修正に認知機能を活性化させる過程(新旧対照法)を導入することで、スキル修正に促進・保持効果が高まることを示してきた。しかしながら、実際のスポーツ指導現場でスキル修正を実行するには、選手だけではなく、指導者の理解・協力を得ることが重要であることもわかった。そこで、これまでに考案した「心理的アプローチによるスキル修正プログラム」に、選手と指導者の相互理解を促す過程を導入することで、お互いの理解度が高まりスキル修正に専念できると考えた。このことは、指導者のコーチングスキルの向上や、選手・指導者・スポーツ科学者間の協働・信頼関係の構築に繋がるものと考えられる。そこで本研究は、心理的アプローチによるスキル修正プログラムの検証に加え、さらに発展させた協働体制作りから試合でのパフォーマンス発揮までを想定したスポーツスキル修正のための指導システムの構築を目指すものである。平成30年度は研究の4年計画1年目であった。当初計画では、パフォーマンス・プロファイリング(PP)テストについて多様な競技・選手に対応できるように準備をすること、および、心理的アプローチによるスキル修正プログラム(新旧対照法)の実施であった。本年度の研究成果として、論文1編、学会発表1回を公表することができた。主な内容としては、スポーツスキルの問題点(癖)が認知的課題に起因すると考えられるスポーツ選手を対象として、その認知的課題の解決のために新旧対照法を用いた。そしてその遠因としてスポーツスキルの改善に繋げることを試みた。結果として、認知的な癖(傾向)の修正にも新旧対照法が有効であることが示唆された。また多様なスポーツ競技・種目に対応できるように自由記述形式のPPテストも試作した。当初計画では、多様な競技・選手に対応できるようにパフォーマンス・プロファイリング(PP)テストの準備をすることと、対象を制限して新旧対照法を実施することであった。PPテストについては、自由記述形式のPPテストも試作し、多様な競技種目にも対応できる準備を整えることができた。新旧対照法も人数は少ないが、格闘技などの選手を対象に実施することができた。特に大きな変更の予定はない。2019年度としては、スポーツ指導現場のニーズを把握するためにも、指導者や選手との連携を進めたい。またそれと同時に、対象群・統制群を設けた実験的・基礎的研究も開始する予定である。初年度に購入する予定であったパソコンとカメラを購入しなかったため、次年度使用額が生じた。これは、現有のものを活用しながら、できるだけ新しい機種の購入を計画しているためであり、次年度での執行を計画している。
パソコンによるビル火災の避難・煙拡散同時3次元グラフィックシミュレータの開発

本研究は, 2年間にわたって, 3次元ネットワークモデルによる火災時の避難シミュレーションシステムの開発,ならびに現実の建築物に対するシステムの適用性の検討をパソコン上で行なったものである.開発したシステムが他の研究機関における従来からのシステムにまさる点は,まずモデル的には, (1)3次元ネットワークモデルの導入により上下階のつながりを容易に考慮できること,(2)あともどり行動や煙に対する拒否反応といった避難行動のルールを導入することにより現実により近い状況が再現できること,などから実際の火災時における避難行動をよりリアルに表現できる点であり,またシステム的には(3)パソコンによる対話形式で操作できるためデータ入力やシミュレーション実行時の操作性がよいこと,(4)実行結果のグラフィック表示により専門家でなくても容易に理解できること,などから設計へのフィールドバックならびに一般への啓蒙が可能である点である.一方,このシステムを用いて,過去に火災を起こし死亡者を出した6つの宿泊施設に対してシミュレーションを行なった結果からは, (1)特殊なケースを除けば,通常の避難階段からの避難行動だけでなく窓への避難など,実際に起きうる火災状況をよく再現できている,(2)避難階段の増設やバルコニーの設置などの防災対策を施すと死者数の減少がみられるなど防災対策の有効性を検討できる,などシステムの建築物への適用性が明らかになった.以上のことから,設計段階の道具といった実務面だけでなく,一般への防災意識の向上・啓蒙に十分活用できるシステムを完成したと言え,当初の目的はほぼ達成されたと考えられる.ただし,避難開始時刻を変化させてみると,必ずしも早期避難が安全とは限らないことから,火災状況にそった避難誘導方法の開発,導入が,今後の課題である.本研究は, 2年間にわたって, 3次元ネットワークモデルによる火災時の避難シミュレーションシステムの開発,ならびに現実の建築物に対するシステムの適用性の検討をパソコン上で行なったものである.開発したシステムが他の研究機関における従来からのシステムにまさる点は,まずモデル的には, (1)3次元ネットワークモデルの導入により上下階のつながりを容易に考慮できること,(2)あともどり行動や煙に対する拒否反応といった避難行動のルールを導入することにより現実により近い状況が再現できること,などから実際の火災時における避難行動をよりリアルに表現できる点であり,またシステム的には(3)パソコンによる対話形式で操作できるためデータ入力やシミュレーション実行時の操作性がよいこと,(4)実行結果のグラフィック表示により専門家でなくても容易に理解できること,などから設計へのフィールドバックならびに一般への啓蒙が可能である点である.一方,このシステムを用いて,過去に火災を起こし死亡者を出した6つの宿泊施設に対してシミュレーションを行なった結果からは, (1)特殊なケースを除けば,通常の避難階段からの避難行動だけでなく窓への避難など,実際に起きうる火災状況をよく再現できている,(2)避難階段の増設やバルコニーの設置などの防災対策を施すと死者数の減少がみられるなど防災対策の有効性を検討できる,などシステムの建築物への適用性が明らかになった.以上のことから,設計段階の道具といった実務面だけでなく,一般への防災意識の向上・啓蒙に十分活用できるシステムを完成したと言え,当初の目的はほぼ達成されたと考えられる.ただし,避難開始時刻を変化させてみると,必ずしも早期避難が安全とは限らないことから,火災状況にそった避難誘導方法の開発,導入が,今後の課題である.本年度は、3次元ネットワークモデルによる火災時の避難シミュレーションシステムの構築ならびに基礎データの準備作業を行なった。従来、他の研究機関で開発されてきたシステムは2次元モデルであり、本来、上下階のつながりを考慮しなければならない建築への適用に限界があること、および、避難行動のルールが、避難階段等の避難施設に誘引されるように行動するようになっており、人間の避難行動があまりにも整然と行なわれる傾向が強いという問題が十分に解決されていなかった。また、設計へのフィードバックという点についても、従来のシステムは、準備すべきデータ量が膨大であったり、システムの操作性、結果の読み取りやすさに問題があり、設計への採用の役割を十分に果たせないものが多かった。これらの諸問題を解決するため、本システムは、3次元ネットワークモデルとして構築され、CRT上のカラーグラフィックで確認しながらマウスでデータを入力し、入力を容易にするとともに、入力ミスの発生を極力押えるようにした。また、避難行動のルールは、避難方向を主として視覚情報のみに依存し、避難階段やバルコニー等の安全域の視認、通路の見通し、煙の存在の有無およびその濃度等を判断して避難行動を決定するようにしたため、かなり現実感のある避難行動の再現が可能になった。また、結果の出力形式も、CRT上へのカラーグラフィック表示の他、プロッタ出力とプリンタによる数値データ出力の3方法が可能で、シミュレーション結果の様々な検討を容易に行なうことができるようになった。本年度で、一応システムの概略構築という目的を達成した。来年度は、避難行動ルールの精致化とともに、実際の建築物にモデル適用して、避難対策の立案およびその有効性の検討を進める予定である。