hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光格子点の極限量子操作技術が拓く新展開

本研究では、ボース・アインシュタイン凝縮した冷却イッテルビウム原子を3次元の光格子に閉じ込め、光磁気共鳴イメージングと呼ばれる手法を用いて光格子各点の原子に個別にアドレッシングすることに成功した。そして超挟線幅光学遷移を用いた分光スペクトルから、原子集団の超流動-Mott絶縁体転移に伴う励起エネルギーの離散化を直接観測することに成功した。また、光格子点の原子を直接観測するための量子気体顕微鏡の基本設計を行い、その基礎技術を確立した。近年レーザー冷却技術の目覚ましい発展により、希薄気体におけるボース凝縮やフェルミ縮退などの巨視的な量子現象が比較的容易に観測できるようになった。さらに最近では、この様な極低温原子に対して3次元的な光の定在波を加え、原子を定在波の腹の部分に周期的に捕獲する光格子と呼ばれる技術が注目を集めている。本研究の目的は、量子縮退した冷却イッテルビウム原子を3次元光格子に閉じ込め、光磁気共鳴イメージングと呼ばれる手法を用いて光格子各点の原子に個別にアドレッシングし、その量子状態をコヒーレントに制御する技術を開発すること、さらに超高分解能の結像系を構築し、格子点の個々の原子を直接観測する量子気体顕微鏡を作製することにあった。平成25年度は、量子気体顕微鏡の実現のため、2本の光ビームを浅い角度で交差させ格子定数の大きな2次元光格子を作って、その一層にのみ原子を捕獲した。これによりMott絶縁体を生成した際にも確実に個々の原子にフォーカスが合うことが保証され、実験系の信頼性が大幅に向上する。また、蛍光観測のためのプローブ光の他に、原子の加熱を抑制するための冷却光を準備した。これにより100マイクロK程度の光ポテンシャルに対して原子の平衡温度を10マイクロK程度に抑えることができ、長時間露光が可能な高感度低ノイズな原子蛍光撮像システムを構築することができた。最後に光磁気共鳴イメージングの技術を併合し、不均一磁場中で冷却原子の断層撮像を行うための準備を行い、簡単な予備実験を行った。これにより原子の内部状態を空間の位置情報に焼きなおすことができ、各光格子点の個別操作により高い自由度をもたらすことが期待される。平成24年度は、アドレッシング用の波長507nmのレーザー光源の周波数制御精度を向上させ、1時間程度の実験時間内の周波数ドリフトを1kHz程度に抑えて再現性よく実験可能な光学系を構築した。さらに安定した磁場勾配を得るために高安定な電流源を準備し、さらにフィードバックによる安定化を用いて駆動電流を安定化させる磁場制御システムを開発した。その後3次元光格子に捕獲した174YbのMott絶縁体に対して1P1-3P2間遷移を用いて高分解能分光及びアドレッシング実験を行った。この結果、Mott状態転移に伴うスペクトルの変化を精度よく観測することに成功した。さらに266nmという非常に高い空間分解能で3次元光格子中の各層を個別に励起できることを確認した。本研究ではこれまでに、単一サイトアドレッシングに用いる超挟線幅レーザー光源の開発と周波数安定度の向上、高精度な磁場制御システムなどの開発を行い、3次元光格子中のMott絶縁体をレーザー分光し、光磁気共鳴イメージングで単一レイヤー分解能を得ることに成功した。また、その周波数スペクトルから原子の超流動-Mott絶縁体転移に伴う励起エネルギーの離散化を分光学的に観測することに成功した。最終年度に当たる平成26年度は、量子気体顕微鏡の実現のため、長周期の光格子を顕微鏡の光軸方向に設置し、磁場勾配による光磁気共鳴イメージングによってその層を一層ずつ分解することに成功した。これによって量子気体顕微鏡で2次元光格子中の原子を観測することが可能となる。また、蛍光観測時の自然放出による加熱を低減するために、挟線幅遷移でレーザー冷却を同時に行い、単一原子蛍光を検出するのに十分な時間、原子を光格子中に捕獲できるようになった。

さらに、顕微鏡の対物レンズの微調整やモラセス光のパラメータ最適化、実験データから単一原子を認識するための解析プログラムの準備を行い、2次元光格子中の単一原子と思われる非常に局所的な位置(200nm程度)から発せられる蛍光信号を高いS/N比で検出することに成功した。量子エレクトロニクス本研究の流れとして、1光磁気共鳴イメージングの実現と単一サイト分解能でのスペクトルの観測、2量子気体顕微鏡による2次元Mott絶縁体の単一サイト分解能での蛍光観測、3各光格子点の量子操作の大きな3つのステップがある。研究2年目の大きな目標としては、2の量子気体顕微鏡の実現が挙げられる。しかし、実際には単一サイト分解能は得られておらず、2次元系に捕獲したバルクの冷却原子を観測するに留まっている。これは実験系構築に予想よりも長い時間が必要であったとともに、光学系の機械的安定性を光格子定数よりも小さくするのが難しいことが主な原因である。このような現状を踏まえると、研究は当初の計画よりもやや遅れているとの評価に至る。当研究予定は大きく分けて、1光磁気共鳴イメージングによる単一サイト分解能での原子の内部状態操作、2原子を光格子中の各サイトを分解して観測するための量子気体顕微鏡の構築2つのステップに分けることができる。平成24年度においては、1の実験に成功したため、残りの2年間で2を残すのみとなる。つまり研究予定の1/2を1年で実施できたと考えられ、研究の実施ペースとしては悪くないと考えられる。平成26年度は、量子気体顕微鏡の実現を目指す。すなわち、単一サイト分解能での光格子点の個別観測を行う。このために、現在明らかとなっている問題点(装置や対物レンズの機会的安定度)を改善する。具体的には、対物レンズマウントと光格子を作るための光学系を1つのモノリシックな構造体に設置し、振動ノイズをコモンモードとして除去できるよう、装置の改良を行う。また、除振台上に強固な風防を設置するなどして、外部振動自体を極限まで低減させる。さらには、原子蛍光のムラを低減するための光ビームの空間掃引装置の追加、迷光低減のための空間フィルターの設置、冷却光のパラメータの検証などの細かな点の最適化をして装置の性能向上を目指す。また量子気体顕微鏡の完成を急ぐとともに、その応用実験を含めた光格子点の個別操作に向けた予備実験にも着手する。具体的には、フェルミオンの単一原子観測を見据えた173Ybや171Ybの2次元光格子へのロードや冷却光、プローブ光のパラメータ調整等を行い、量子気体顕微鏡完成時に速やかに応用実験に移行できるよう準備を進めておく。今後の優先事項は、光格子中の単一サイト分解能を有する量子気体顕微鏡をイッテルビウム原子系で実現することである。量子気体顕微鏡はこれまでルビジウム原子において成功例があるのみで、本研究で使用するイッテルビウムでの前例はない。そのため十分深い光格子ポテンシャルを作ることができるかどうか、さらに原子の加熱を抑えて観測に十分な蛍光強度が得られるかどうか、慎重に確かめながら実験を進める必要がある。顕微鏡の構成については、3mm程度の厚さを持つ真空ガラスセルを通しても波長程度の分解能を確保できるよう、専用に設計した対物レンズを使用する。
小胞体関連分解構成因子Derlinsに結合するタンパク質の同定と解析

小胞体関連分解とは小胞体において正しく立体構造をとることができないタンパク質を小胞体から細胞質に逆行輸送した後、細胞質のプロテアソームで分解する機構である。研究計画に沿って研究を進めていたが、RNAi法を用いた遺伝子抑制実験では、きちんとした実験結果が出にくいということが判明したため、遺伝子破壊法であるknock out実験によって研究を進めた。具体的には、組み換えが非常におこりやすく遺伝子破壊しやすい、ニワトリBリンパ球細胞を用いて解析をした。現在までに小胞体関連分解の中心因子であるSellLや他3種のKnock out細胞の作成に成功した。SellL-/-細胞は、小胞体関連分解の基質であるNHK(NNN)の分解遅延が見られた。また予想された通り糖鎖を持たないNHK(QQQ)の分解遅延も確認されている。これらのことによりDT40を用いた遺伝子破壊は期待された効果を得ており、今後、簡単に遺伝子操作できることから様々な遺伝子のknock outを得、解析することができ、現在までにきちんと調べられていなかった遺伝子もどのように4小胞体関連分解に関わっているかきちんと調べることができる。コントロールはとれてきたので、今後機能未知の遺伝子に関しても詳細に調べて行きたい。申請書に記載した通りに研究は進められ、申請者が同定しか新規小胞体膜貫通型タンパク質Derlip-1(Derlins interacting protein-1)の解析を行っている。Derlip-1はDerlinsの結合タンパク質として同定されたが、この結合の意味が本年度の研究でわかってきている。Berlinsのknock downをすると小胞体関連分解の基質であるNHKの分解遅延がみられる。しかし、Derlip-1をknock downしか場合、NHKの分解促進が観察された。そして正常構造をとるタンパク質で、分泌経路のモデル基質のAlpha-1 antitrypsinの分泌がDerlip-1 knock downで遅くなることを考えると、このDerlip-1はタンパク質のfoldingに関わっており、Derlinsに分解基質をリクルートする小胞体シヤペロンとして機能している事を本年度の研究で考えることができるようになった。この意義として、小胞体関連分解の中心因子として考えられているDerlinsへ基質をリクルートすることで見つかった最初の分子として位置づける事ができ、小胞体関連分解への理解がさらに深める事が出来た。また近年では小胞体関連分解と神経変性疾患であるアルツハイマー病やパーキンソン病との関連が言われており、小胞体関連分解の理解が深まる事でそのような難病の治療につながることも期待される。数年前に比べてここ2年くらい少しこの小胞体関連分解の分野の研究が停滞しているが、本研究による新しく小胞体関連分解に関わる分子の追加によって大幅に研究が進む事も考えられ、研究成果の発表が待たれている。
霊長類にみられる種内色覚多型の維持メカニズムの解明

霊長類にみられる同一種内での色覚多型現象の至近要因が解明されつつある一方で、自然環境下での3色型色覚や2色型色覚の適応的意義については結論が出ていない。本研究では、同一種内に2色型色覚と3色型色覚の個体が混在する広鼻猿を対象として、それぞれの色覚型の優位性を検証し、同一種内で色覚多型が維持されるメカニズムを解明することを目的としている。具体的には、昼間と薄明での果実の採食効率における3色型色覚の優位性(果実説の検証)、および、隠蔽的捕食者であるヘビの検出における2色型色覚の優位性(捕食者発見効率の検証)について調べた。本年度は、コスタリカ共和国のサンタ・ロサ国立公園に生息する野生のノドジロオマキザルを対象としたフィールドワークをおこなった。人づけされたノドジロオマキザルの3群を行動観察の対象とし、その中からオトナメスとオトナオスの合計38個体を採食行動の観察対象とした。観察バイアスを避けるために、各観察対象個体の色覚型は分からない状態で行動観察をおこなった。観察対象個体が果実を採食した場合、その時刻、植物名、果実の色、光環境、採食速度、採食成功率について記録した。その結果、ノドジロオマキザルは、さまざまな色(赤、黄色、白、紫など)の果実を採食していることが分かった。しかし、本年度内には必要十分なデータが集まらなかったため、来年度にも採食行動のデータを同様の手法で収集する予定である。また、自然環境下では、ノドジロオマキザルがヘビに遭遇する頻度は低かった。そのため、自然環境下におけるデータを補足するために、日本モンキーセンターで飼育されているボリビアリスザルを対象とした実験をおこなった。各個体のDNA試料を収集し、オプシン遺伝子の解析によって色覚型を判定した。ヘビ型モデルを使用して、捕食者の検出にかんする行動実験をおこないデータを収集した。予定通り、コスタリカ共和国での海外調査によって野生オマキザルの行動データの収集をおこなった。また、日本モンキーセンターにおいて、飼育下のリスザルのオプシン遺伝子の解析および行動実験もおこなった。2019年度は、引き続きコスタリカ共和国に生息する広鼻猿の行動データの収集をおこなう。捕食者発見効率の検証のためのデータが不足しているため、日本モンキーセンターにおいて、2018年度に実施した手法にもとづいて、再度データ収集をおこなう。
結晶構造から解くS. mutans由来コラーゲン結合タンパク質の病原性メカニズム

コラーゲン結合タンパク質Cnm (WT) / Cbm (WT)のコラーゲン結合ドメインはそのアミノ酸配列からN1, N2, Linker, Latchの4つのドメインから構成されている。先行研究により、Cnm (WT)のコラーゲン結合ドメインの立体構造、およびCbm (WT)のコラーゲン結合ドメインはSWISS-MODELにより決定した。同じく先行研究により確立したcollagen-binding-assay法により、Cnm (WT)とCbm (WT) 2種のコラーゲン結合タンパク質のコラーゲン結合ドメインの機能解析を行ったところ、Cnm (WT)とCbm (WT)はI型コラーゲンに高い結合活性を示した。また、獲得しているCbmのコラーゲン結合ドメイン変異体(11種)を用いてcollagen-binding-assayを行ったところ、ほとんどのドメイン変異体の結合活性は低下したが、N2ドメインを有する変異体はN1ドメインを有する変異体よりも高い結合活性を持つことが明らかとなった。また、Linker欠損変異体の解析により、Linkerも結合に関与していることが予想された。さらに、Latchの消失により結合能が低下したことから、Latchはコラーゲン結合に際しN1とN2ドメインを強く相互作用させる役割があることが予想された。これらの結果より、N1/Linker/N2/Latchが形成する空間のN2部分にコラーゲンが結合すると推察された。1Cbm変異体の結晶化は継続しているが、結晶獲得には至っていない。2コラーゲン結合ドメインの機能解析を行うための解析系(collagen-binding-assay法)を確立することができ、先行研究により獲得しているCbm変異体の機能解析を実施した。1Cbm変異体の追加作製2Cbm変異体の特性解析3モデルラットの実験系確立コラーゲン結合タンパク質Cnm (WT) / Cbm (WT)のコラーゲン結合ドメインはそのアミノ酸配列からN1, N2, Linker, Latchの4つのドメインから構成されている。1Cbm変異体の追加作製2Cbm変異体の特性解析3モデルラットの実験系確立(理由)collagen-binding-assayにおいて、基質としてI型コラーゲンに限定して解析を行ったため、ほかの基質を購入しなかった。(使用計画)次年度は、I型コラーゲンに加えII型/IV型コラーゲン、ラミニン、フィブロネクチンなどの細胞外基質との結合活性を測定することとし、それらの購入経費として充当する。
日本都市の社会構造

(1)研究の最終年度であり、研究成果報告を作成することが、今年度の目的であった。そのため,一方では,必要最少限の補充調査を実施した。他方では,平成3年末に最終的な全員研究会を開催して,報告書原稿の内容・形式にわたるチェックを実施した。その結果として,報告書はでき上っている。また第3として,今後の研究への展望を開拓するため,ひきつづき水俣市にとりくむとともに,やや類似したタイプの「企業域下町」たる延岡市に注目し,その概況調査を実施し,さらに災害都市の対応メカニズムを探るべく,島原市の概況調査に着目した。以上が今年度の作業の概要である。(2)研究成果の内容については,報告書にすべて記さいした。こゝにはごく簡単に摘記するにとどめる。(1)都市の高齢化と福祉機能の関係は,社会構造の不可欠の1局面であり,小樽・千歳を比較しつつ,近隣関係と行政と福祉機関との関係を考察し、相互扶助の条件を明らかにした。(2)以前から注目されてきた地域集団の機能を山形市と鶴岡市を比較しつつ,公民館・生協・町内会の三者関係を究明した。(3)都市生活の基盤をなす土地利用条件の変化が,住民生活にどう影響するかを,東京の地位高騰を事例に分析し,所得格差拡大や地域凝集性の低下などの効果を明らかにした。(4)都市の国際化に注目し,大阪・神戸の定住外国人の地域活動を調査,民族性の継続機制を明らかにした。(5)企業と地域社会の関係を,企業の住宅政策を中心に調査し,従業員の定着過程を生活構造分析として究明した。(6)都市の社会移動ル-トを鹿児島・名瀬・那覇で比較分析し,都市構造そのもののちがいを示した。(7)石垣市と逗子市の住民運動を比較研究し,都市的生活様式の未来像を示唆している。(8)大牟田市・水俣市で,企業都市の市民都市化の条件を研究した。3年連続の研究の初年度であるので、年度当初において、まず全員研究会を開催して、研究内容を討議・相互調整につとめ、その結果、別項のごとき研究組織と分担テ-マを決定し、その方向で研究を推進した。ただし、多少の遅速の差はあるものの、全員が現在進行形であって、研究は終結していない。現状を要約する。(1)代表者全国の約650の都市に、マスタ-プランの策定経過や内容、都市像などについて、アンケ-ト票を配布し、約470市より回答を得、現在集計中である。日本の地域構造の変容方向をその面から分析できる筈である。同時に、最後の石炭都市大牟田と、世界に知られた公害都市水俣とを対象に、沈滞した工業都市の再生の条件を研究しつつある。(2)分担者i)東京都市問題の中心たる土地問題を1つのテ-マとし、具体的にいくつかの地区を選んで、地価高騰にともなう地域変容のメカニズムを調査研究し、変容パタ-ンとその条件、および対策論までを提示する。ii)大都市のインナ-・シティの研究としては、大阪・神戸をとり上げ、国調デ-タ等を利用して主成分分析を試みた。iii)階層・地域移動は那覇・名瀬を対象に、都市化が第1次集団の再生産であるという命題をテストする形で、実証研究を進めた。iv)都市と企業との関係は、防府市とマツダ自動車を例として調査し、両者の望ましいかかわりが創出される条件を追求している。

v)都市の地域集団については山形・鶴岡市を対比しつつ、町内会を媒介とする市政と住民との関連を分析し、生協型・社教型・コミセン型などのタイプを抽出し、特色を明らかにしている。vi)逗子市と石垣市を例に、市民型・共同体型の住民運動が連帯しうる仕組みを研究した。全体として目下進行中で、まだ総括できぬ。前年に引きつづき地域ごとに分担課題の解明につとめた。概要は以下のとおりである。1北海道において高齢化率の対照的な小樽・千歳を比較して,福祉理念,福祉行政組織,福祉政策,住民社会関係,満足度を調査。地域福祉の主体条件が揃っている筈の小樽で緊急通報制の業者委託しかできなかったのはなぜかが今後の課題。2山形市と鶴岡市を比較して町内会の機能と性格を調査した。山形は非常に一般的な町内会で,行政との関連も補完的。鶴岡はコミュニティ・センタ-を核とする。生協活動も活発。今後更に究明する。3東京ではバブル経済を象徴する土地問題に焦点をおき、経済的には東京での統計・歴史デ-タを蒐集し,土地問題が住民の生活営為にどう影響したかを,生活史分析まで立入って解明した。4中国では自動車工場の立地と従業員の地域定着過程を調査し、企業の住宅政策の役割と限界も明らかにした。5大阪市の地域形成を歴史的かつ計量的に把握した。戦災と復興のもつ意味が大きい。インナ-・シティ部分を抽出し、詳細調査した。6九州では大牟田市と水俣市を比較しつゝ、行政の政策・計画と市民の主体的参加の関係を調査した。同じ企業城下町でも対照的。7一方,八代市・山鹿市をとり出して,政治構造と行政計画との関連を考察した。従来政爭県とされてきた構造的背景を追求する。8沖縄における都市化過程を,人口の地域移動・職業移動の組合わせという視角から分析し,都市化が第1次集団の再生だとわかった。9主に石垣市白保の運動から、自然との共存・自給経済の合理性という新しい着眼を得た。そこから都市的生活様式を見直したい。以上の諸調査が進行中であり、次年度は完成・印刷を目指していく。平成3年度の研究実績は、大きく3種類の項目に分けられる。第1は各研究分担者が,それぞれの分担課題について,補充調査を実施し,過去2年間にわたる調査研究の成果を,最終的に修正しまとめるという作業である。この補充調査の成果が,最終報告書となってあらわれたことはいうまでもないことである。したがってこの面にかんしては従来の作業内容や方向が,ほゞそのまま維持されたものである。第2は研究代表者が若干の協力者の協力を得て続行した,大牟田市・水俣市を主対象とする企業城下町における市民都市化の条件の研究である。大牟田市については,独得の「地域公民館」と称する地域住民組織が,行政末端機構ともなっていながら,自治的な市民組織として機能していないことが,詳細に明らかにされ,地域類型別に市民組織化の可能性が問われる段階である。水俣市については,水俣病裁判が和解の最終段階に近づき,熊本県・水俣市の姿勢に転換が見られるなか,「水俣国際環境会議」が開催されることとなった。これは大きな一つの段階となる可能性をもっていた。市民都市化の条件として,ネットワ-ク型サ-クル集団のみでなく,地域団体そのものが活性化すべきである,また機能別の諸団体も活性化すべきであり,それらが結局のところチッソの工場側および労組側の主体的に参加の形での,水俣活性化へのコミュニティ形成が展望された。これに関連して,ちがう型の企業
ソフト溶液プロセスによる高機能セラミックス薄膜

本研究は、環境調和型のセラミックス材料の作製法として提案されているソフト溶液プロセスによって、生体親和セラミックス、電磁気用フェライトなどの高機能薄膜を溶液中で直接作製する手法を開発するものである。この目的達成のため、金属ガラス基板を電気化学的に処理して表面にセラミックス膜を作製する。溶液の種類、温度、周波数など実験パラメーターを交差させて得られる薄膜の組成、構造特性を評価することにより、酸化物薄膜の生成機構を解明すると共に膜特性の高性能化を追及する。Ti,Zr基金属ガラスでは、表面にTiO_2,ZrO_2あるいはCaTiO_3などの生体親和性酸化物セラミクス膜を生成させる。また、Fe基金属ガラスでは、表面にFe_3O_4あるいは含水鉄酸化物を生成させて生体親和性を持たせる。さらにこれらを疑似体液中で保持したところ、ヒドロキシアパタイトの析出、コーティングが可能であることがわかった。すなわち金属ガラスの生体親和セラミックス膜コーティングを達成した。実例を示すと、鉄基金属ガラス[(Fe_<0.5>Co_<0.5>)_<0.75>B_<0.2>Si_<0.05>]_<96>Nb_4およびFe_<76>Si_9P_5B_<10>を100°C以下の水熱電気化学処理を施すとHNO3および純水中では薄い平滑なアモルファス膜が形成されるだけであるのに対し、アルカリ性のNaOHあるいはNH_4OH水中ではスピネル形化合物のナノ粒子やナノ結晶が形成された。未処理のBMGや平滑なアモルファス膜は疑似体液中でもほとんど変化が生じないのに対して、スピネル形ナノ粒子やナノ結晶が形成された膜では、ヒドロキシアパタイトが析出することが確認された。本研究は環境調和型のセラミックス材料の作製法として提案されているソフト溶液プロセスによって、電磁気用フェライト、光学・SOFC用CeO_2関連固溶体、蛍光体、エレクトロニクス用ペロブスカイトなどの高機能薄膜やそのパターンを溶液中で直接作製する手法を開発するものである。そのために固体(基材)と溶液の界面をマイクロウェーブあるいは電気化学、光化学、レーザー光などによって励起して反応を促進させる方法を研究する。基材とセラミックス膜との選択、溶液の種類、励起法、温度、時間など実験上のパラメーターの最適化と得られた膜およびパターンの高機能化を目的としている。本年度は特にSi金属およびFe金属ガラスを水熱電気化学法によって処理し、表面に生成する酸化物膜を解析した。その結果、Si基板では強アルカリ溶液中では著しい酸化と腐食が起こることが分かり、緻密なSiO_2膜が得にくいことも実証された。一方、Fe基金属ガラスでは表面にSiO_2,Fe_3O_dなどの生体活性の酸化物膜が形成されることが示唆され、これらの金属ガラスが生体材料へも適用できる可能性が見出された。この結果は本年5月2325日の先端材料および金属ガラス・セラミックス接合の国際会議(STAC-JTMC)で発表予定である。
沖縄の街路樹の風に対する抵抗性の数値表現に関する研究

樹木の風に対する抵抗性は経験的に認識されてきたが、植栽樹種の合理的な選択や風圧の推定、支柱の設計等には樹種毎の抵抗性を示す数値表現が必要となる。一般の物体が受ける風圧Pは、P=C_D・S・ρ・v^2/2で示される。C_Dは抵抗係数(定数)、Sは物体の投影面積、ρは空気の密度、vは風速である。樹木の場合、風を受けると枝葉はそれぞれの曲がり易さに応じて変形するし、枝葉の間を風はすり抜けるので、そのSは把握し難い。この特徴を反映しつつ、風速と風圧の関係は成り立つ。本研究ではこれ等の特徴に着目して、風速と風圧の関係や風から樹木が力を受ける効率を意味する指標について検討し、風速20m/sの抵抗指標(C_R)を提案した。風速及び風圧との関係にこの係数を導入する場合、樹冠の投影面積の扱い方は2通り考えられる。第1は風速に応じて変形した樹冠の面積で、第2は無風時の面積である。ある樹木が風から受ける風圧を問題とする時、一般には第1の面積は測定し難いので、実用上の観点から無風時の樹冠の面積を用いて検討した。葉の曲り難さを表現する指標として葉身と葉柄の曲り難さを組み合わせた指標を検討し、それを樹種毎に剛直指標(I_H)として提案した。これはそれぞれ荷重-歪曲線の直線部分の勾配の平均値の積を開いた値の逆数である。主な値はフクギで106.4、テリハボクで61.7、バンジロウで34.7、アコウで5.3となり、C_R=0.0185Ln(I_H)-0.0095で表される。この指標は、針葉樹には適用できない。広葉樹も針葉樹も統一的に扱うための指標として、樹冠の占める空間容積で枝葉と幹の乾燥重量を割る指標を提案した。その値が大きいものほど、変形し難いという考え方である。この容積についても、無風時のものを用いた。種々の指標を導き得るが、葉による占有空間粗密指標(I_D)が最も高い相関関係を示し、葉が密接に関係していることを示しており、C_R=0.0813e^<0.327 ID>で示される。一般的形状の物体と風の力学的関係は明らかにされていて、例えば形状毎に抵抗係数が明示されている。しかし樹木の場合、抵抗係数は風速で変化し、風速の増加に伴い減少する事が示されている。代表者の佐藤は、その抵抗係数が微風域では増加し、弱風域から強風域にかけて減少する事を示した。いずれにしろ、街路樹や防風林の設計の現状では経験的な部分が大きく、樹木と風の関係を示す数値はほとんど用いられていない。その最大の理由は、風速の増加に伴い樹木の形状が変化する事と枝葉の間を風が通過する事に起因して、数値で表現する事が難しいためである。即ち、一般的形状の物体のように模型化し小型風洞の実験により決定できないからである。本研究は、各樹種の葉や枝の特性に起因する風に対する抵抗性を数値で表現する事、それを個々の樹木が受ける風圧の計算に導入する事を目的としている。まず一般的形状の卵形、倒卵形、楕円形等の葉をもつ樹種について、葉身と葉柄の変形し易さ・し難さに着目して検討した。その結果、葉身と葉柄の変形程度を示す指標の積は樹種毎に大きく異なり、それで抵抗性が説明できる見通しが得られた。しかし葉の形状は羽状葉、掌状葉、針状葉等と大きく異なり、変形の程度の統一的扱いは困難である。そこで、長さが1.5m程度で数百の葉を付けた実物の枝を用いて風速と風圧を測定し、その風圧を生じさせる事に関与した葉や枝の乾燥重量に着目する試験法を検討し、乾燥重1gが関与した風圧の大小で表現する方法を開発した。これによれば枝葉の形状に関係なく表現でき、統一的に比較できる。そのための装置として、トラックに簡易な風洞を積んで走る走行風洞を試作した。次年度は、沖縄の防風林、街路樹の主要な樹種について走行試験を実施し、統一的数値により抵抗性の一覧表として明示する。

ある樹木が風から受ける風圧を問題とする時、一般には第1の面積は測定し難いので、実用上の観点から無風時の樹冠の面積を用いて検討した。葉の曲り難さを表現する指標として葉身と葉柄の曲り難さを組み合わせた指標を検討し、それを樹種毎に剛直指標(I_H)として提案した。これはそれぞれ荷重-歪曲線の直線部分の勾配の平均値の積を開いた値の逆数である。主な値はフクギで106.4、テリハボクで61.7、バンジロウで34.7、アコウで5.3となり、C_R=0.0185Ln(I_H)-0.0095で表される。この指標は、針葉樹には適用できない。広葉樹も針葉樹も統一的に扱うための指標として、樹冠の占める空間容積で枝葉と幹の乾燥重量を割る指標を提案した。その値が大きいものほど、変形し難いという考え方である。この容積についても、無風時のものを用いた。種々の指標を導き得るが、葉による占有空間粗密指標(I_D)が最も高い相関関係を示し、葉が密接に関係していることを示しており、C_R=0.0813e^<0.327 ID>で示される。
エネルギー受容センサーとしての甘味受容体解析

甘味修飾物質ミラクリンは、酸性条件下で甘味を誘導するが、強酸と弱酸でその効果が異なり、弱酸で強く甘味誘導を引き起こすことが知られている。本研究では、甘味受容体再構築系を用いてこの謎に迫った。弱酸は、非解離体のまま細胞膜を通過し、細胞内で解離することで、細胞内pHを低下させる。これにより、甘味受容体の細胞内領域がプロトン化され、ミラクリンと甘味受容体の相互作用が促進し、強い甘味誘導が引き起されることが示唆された。味細胞に発現する甘味受容体TAS1R2/TAS1R3は、全身の様々な臓器に発現し、エネルギー受容センサーとして生体恒常性の維持に寄与することが示唆されている。生体恒常性の破綻は、生活習慣病につながる可能性があり、甘味受容機構の解明により、これらの予防、治療に役立つ味覚修飾物質の発見や、創薬につながることが期待される。その基礎として、甘味受容体TAS1R2/TAS1R3と基質との結合特性および受容体の生理的機能を解明することが必要不可欠である。本年度は、甘味受容体TAS1R2/TAS1R3と味覚修飾物質ミラクリンとの相互作用の解明を行った。ミラクリンは、酸性条件下で甘味を誘導するが、強酸と弱酸でその効果が異なり、弱酸で強く誘導されることが知られている。弱酸は非解離体で細胞内に拡散、解離することで細胞内pHをさげ、甘味受容体の細胞内領域をプロトン化する。これにより、ミラクリンと甘味受容体の相互作用が進み、甘味誘導効果が強く表れることが明らかにされた。これまで長い間謎であったミラクリンの作用における弱酸・強酸による効果の違いのメカニズムを明らかにしており、おおむね計画通りに進んでいる。グルマリンは、植物ギムネマ・シルベスタより抽出されるペプチドで苦味、酸味、塩味などの他の味質には影響を与えず、甘味を強力に抑制することが知られている。その感受性には種差があり、げっ歯類に有効で、ヒトには無効である。またマウス系統間で感受性に差があり、B6マウス、129マウスによく効くが、BALBマウスには余り効かない。本年度は、甘味受容体強制発現系を用いて、グルマリンと甘味受容体Tas1r2/Tas1r3の相互作用を調べた。その結果、グルマリンは、マウスTas1r2/Tas1r3の甘味応答を抑制した。一方、ヒトTAS1R2/TAS1R3の甘味応答は抑制しなかった。このグルマリン感受性の種差および甘味受容体のキメラを用いた解析により、グルマリンはマウスTas1r3の細胞外領域と相互作用することとが示唆された。また、マウスの系統差を用いた解析では、甘味受容体の系統差による変異情報を基にグルマリン感受性に系統差を生じるアミノ酸の存在に迫った。げっ歯類の甘味受容体を特異的に抑制するグルマリンの作用部位を同定しており、おおむね計画通りに進んでいる。そこで本研究では、甘味受容体再構築系を用いて(1)甘味受容体TAS1R2/TAS1R3と味覚修飾物質の相互作用の解明、それを応用した(2)新規味覚修飾物質の探索を目指した。これにより、甘味受容体の細胞内領域をプロトン化することで、ミラクリンと甘味受容体の相互作用を促進し、甘味誘導を強く引き起こすことが示唆された。また、最終年度は、新規味覚修飾物質の探索を主に行った。その結果、ヒト甘味受容体hTAS1R2/hTAS1R3を発現させたHEK293細胞において、ある生体内物質を加えると人工甘味料サッカリンの甘味応答を完全ではないが、抑制することが明らかとなった。この抑制は、マウス甘味受容体mTas1r2/mTas1r3を発現させた細胞では小さく、感受性に種差があることが分かった。このことから、全身に発現する甘味受容体は、その生体内環境に応じて、種特異的にその感受性を変化させエネルギーセンサーとして機能している可能性が示唆された。甘味修飾物質

ミラクリンは、酸性条件下で甘味を誘導するが、強酸と弱酸でその効果が異なり、弱酸で強く甘味誘導を引き起こすことが知られている。本研究では、甘味受容体再構築系を用いてこの謎に迫った。弱酸は、非解離体のまま細胞膜を通過し、細胞内で解離することで、細胞内pHを低下させる。これにより、甘味受容体の細胞内領域がプロトン化され、ミラクリンと甘味受容体の相互作用が促進し、強い甘味誘導が引き起されることが示唆された。分子モデルを作成し、甘味受容体と味覚修飾物質の相互作用において、分子メカニズムの更なる解明をめざす。また、結合シミュレーション、甘味受容体再構築系を用いて、新規味覚修飾物質候補の探索、解析を行う。ポイントミューテーションによる解析と分子シミュレーション、マウス系統差を用いた解析の比較検討により、グルマリン分子メカニズムの更なる解明をめざす。味覚物品費が安く購入でき節約できたため。物品費が安く購入でき節約できたため。概ね順調に進んでいるので適宜執行する。
細胞内Ａβオリゴマーによるシナプス・細胞障害とｔａｕとの相互作用

今年度は細胞内Aβオリゴマーの毒性にタウが必要かどうかを初代培養ニューロンおよびマウスモデルを用いて調べた。野生型マウス由来ニューロンおよびタウKOマウス由来ニューロンにOsaka変異APPを導入し、野生型APPあるいは空ベクターを導入したときに比べ、スパインの形成やオルガネラの分布に差があるかどうかを調べた。野生型ニューロン、タウKOニューロンいずれの場合でも、Osaka変異APPの導入により、細胞内Aβオリゴマーの蓄積とともに、スパインの形態異常とERおよびミトコンドリアの分布異常、BDNFの軸索および樹状突起内輸送の低下が確認された。野生型APPでは異常がみられなかった。これらの結果は、細胞内Aβオリゴマーの毒性にタウは不必要であることを示している。次に、Osaka変異APP-TgマウスとタウKOマウスを交配し、このbigenicマウスでOsaka変異APP-Tgマウスと同様のシナプス機能障害や認知機能障害が生じるかどうかを調べた。8カ月齢でモリス水迷路を用いてマウスの空間参照記憶を調べたところ、タウKOマウスは異常がなかったが、APP-Tgマウスで記憶の低下がみられ、bigenicマウスではそれがさらに悪化していた。同月齢で脳海馬スライスを作製しシナプス機能を電気生理学的に測定したところ、タウKOマウス、APP-Tgマウスで同程度のLTP(長期増強)の抑制がみられ、bigenicマウスではそれがさらに悪化していた。以上の結果は、細胞内Aβオリゴマーの毒性にタウは不必要であるばかりでなく、むしろタウが欠失するとシナプス機能に異常が生じやすくなり、そこに細胞内Aβオリゴマーが加わると、その異常がさらに悪化することを示唆している。タウの欠失が神経機能に悪影響を及ぼすという今回の結果は従来の報告と異なるものであり、その機序解明は今後の検討課題である。24年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、細胞内Aβオリゴマーとtauの相互作用を調べるためのモデルマウスの作製に着手した。すなわち、我々が作製したE693Δ変異APPトランスジェニック(Tg)マウスとこれも我々が作製した野生型および変異型tau-Tgマウス、さらにE693Δ変異APP-Tgマウスと外部機関から購入したtauノックアウトマウスとの交配を開始した。E693Δ変異APP-Tgマウスは、8カ月齢より神経細胞内にAβオリゴマーを蓄積するとともにタウ異常リン酸化、シナプス消失、記憶障害を示し、24カ月齢でニューロン消失を示すマウスである。一方、野生型tau-Tgは24カ月齢でも何の病理も示さないが、変異型tau-Tgは6カ月齢よりタウ異常リン酸化、シナプス消失、記憶障害を示し、24カ月齢でプレタングル形成、ニューロン消失を示すことがわかった。そこで今回、E693Δ変異型APP-Tgx野生型tau-Tgマウスは6カ月齢で、E693Δ変異型APP-Tgx変異型tau-Tgマウスは4カ月齢で、病理を調べてみた。Aβオリゴマー蓄積(NU-1抗体)、タウ異常リン酸化(AT8抗体)、シナプス消失(シナプトフィジン抗体)は免疫組織化学により、記憶障害はモリス水迷路により測定した。その結果、野生型tau-Tg、変異型tau-Tgのいずれとの交配でも、Aβオリゴマーの蓄積、タウ異常リン酸化、シナプス消失が加速された。また、野生型tau-Tgとの交配では記憶障害も加速された(変異型tau-Tgとの交配の方はまだ結果が出ていない)。以上の結果より、細胞内Aβオリゴマーはtauと相互作用している可能性が示唆された。

マウスの交配は順調に進んでおり、本年度、若い月齢での病理結果が得られたので。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、E693Δ変異APP-Tgx野生型および変異型tau-Tgのより加齢の進んだマウスにおいて、神経原線維変化やニューロン消失などの病理がみられるかどうかを検討する。また、E693Δ変異APP-Tgxtauノックアウトマウスの病理についても検討する。後者のマウスについては、検討対象の月齢になるのが本年度の後半、あるいは本年度終了間近となるので、その間、tauノックアウトマウスから調整した初代培養ニューロンを用いて、in vitroで細胞内Aβオリゴマーとtauの相互作用を調べる予定である。
髄鞘の形成や再生過程における非定型ミオシンの機能解析

本研究は、中枢ミエリンの形成や再生機構に着目し、オリゴデンドロサイト(OLs)に発現する非定型ミオシンの生理機能を明らかにすることを目的として研究を行った。昨年度までの研究成果から非定型ミオシンであるmyosin ID (Myo1d)とmyosin VI (Myo6)が新たにOLsに発現しており、これらの分子にはそれぞれ特異的な発現時期があり、OLsの分化やミエリン形成においてそれぞれが異なった機能を果たす可能性を見出してきた。また、脱髄モデルマウスを用いた解析からミエリン再生過程においてMyo1dが重要な役割を担っている可能性が示唆されている。本年度は、ミエリン再生過程におけるMyo1dの役割を詳細に解析するために、昨年度と同様にクプリゾン含有飼料による脱髄モデルマウスを作製し、再生過程の脱髄部にMyo1d特異的なsiRNAを投与した。その結果、siRNA投与でのMyo1d発現の減少により、主要なミエリンタンパク質の発現が減少していた。またこの際に成熟OLsの数には大きな変化は見られなかったが、その多くがアポトーシスを引き起こしていることが明らかとなった。これらのことから生体内のミエリン再生過程において、Myo1dはOLs成熟後のミエリン形成最終段階で生存にも関わる重要な役割を果たしていることが示唆された。さらにMyo1dの発現抑制によって増加した活性化ミクログリアの性質を調べるために神経障害性と神経保護性のマーカーを用いて解析したところ、神経障害性のミクログリアが増加傾向であるのに対し、神経保護性のミクログリアが優位に減少していた。このことから、Myo1d発現減少によるOLsの異常により炎症が持続し、再生が遅延していると考えられた。以上の結果から、中枢脱髄後の再生過程においてもMyo1dが重要な役割を担っていることを明らかにした。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、中枢ミエリンの形成機構に着目し、オリゴデンドロサイト(OLs)に発現する非定型ミオシンの生理機能を明らかにすることを目的としている。本研究成果から、これまでに非定型ミオシンであるmyosin 1D (Myo1d)とmyosin VI (Myo6)が新たにOLsに発現していることを見出してきた。今年度は1) Myo1dの生体内における機能解析、2) OLsにおけるミオシンスーパーファミリーの発現時期および局在の解析を行った1)生体内のミエリン形成過程におけるMyo1dの働きを明らかにするために脱髄モデルマウスを作製し、Myo1d siRNAを病変部に投与し、Myo1dタンパク質の産生を抑制することによって、ミエリンの再形成にどのような変化が見られるかを解析した。成獣マウスに0.2%クプリゾン含有飼料を5週間投与することによって主に脳梁部の脱髄を誘導した。このマウスの脱髄時には主要なミエリンタンパク質であるMBPと同様にMyo1dが減少し、ミエリン再生とともにそれらの発現は回復するが、ミエリン再生過程でMyo1dタンパク質の産生を抑制することによって、再ミエリン化が遅延することが示された。2) Myo1d, Myo5a, Myo6のOLsにおける発現時期をより詳細に明らかにするために中枢神経系組織とラット由来の初代培養OLsを用いて解析した。その結果、Myo1dは成熟OLsにのみ発現するのに対し、Myo5aとMyo6は前駆細胞から成熟するまで発現が持続していることを明らかにした。次に成熟OLsにおけるそれぞれのミオシンの局在について解析した。その結果、成熟したOLsでは3種とも細胞体や突起に局在し、特に先端の細い突起内でアクチンフィラメントと共局在していたが、さらに成熟が進みミエリン様膜を形成したOLsでは、Myo1dの局在が部分的に異なることを明らかにした。さらに、Myo6の細胞内局在を解析した結果から、Myo6はクラスリン被覆小胞を介したエンドサイトーシス経路に関与している可能性が示唆された。本実験では、クプリゾン含有飼料の投与により脱髄を誘導後、siRNAを直接脳梁内に投与している。脱髄モデルの作製には5週間を要し、また、再現性のある脳梁内投与技術の習得やsiRNAによる発現抑制を評価するには多くの時間を要することが予想された。しかしながら、今年度中に技術の習得および条件検討が完了し、Myo1dの発現抑制によりミクログリアおよびアストロサイトが活性化していること、ミエリン再生が遅延すること、アポトーシスが誘導されたOLsが増加傾向にあることを明らかにすることができた。加えて、OLsに発現するミオシンスーパーファミリーの発現時期や局在を調べることにより、Myo6がエンドサイトーシスに関与する可能性を示し、エクソサイトーシスに関わると報告されているMyo5aとMyo6の発現時期や分布が類似していた。さらに、Myo1dのように時期特異的に発現する分子も存在している点から、オリゴデンドロサイトには時間的、空間的あるいは機能的に異なる複数のミオシンが存在し、それぞれ分化や髄鞘形成・維持に関わっていると考えられた。これらの研究成果は論文として現在投稿中である。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展していると評価した。

昨年度までの研究成果から非定型ミオシンであるmyosin ID (Myo1d)とmyosin VI (Myo6)が新たにOLsに発現しており、これらの分子にはそれぞれ特異的な発現時期があり、OLsの分化やミエリン形成においてそれぞれが異なった機能を果たす可能性を見出してきた。また、脱髄モデルマウスを用いた解析からミエリン再生過程においてMyo1dが重要な役割を担っている可能性が示唆されている。本年度は、ミエリン再生過程におけるMyo1dの役割を詳細に解析するために、昨年度と同様にクプリゾン含有飼料による脱髄モデルマウスを作製し、再生過程の脱髄部にMyo1d特異的なsiRNAを投与した。その結果、siRNA投与でのMyo1d発現の減少により、主要なミエリンタンパク質の発現が減少していた。またこの際に成熟OLsの数には大きな変化は見られなかったが、その多くがアポトーシスを引き起こしていることが明らかとなった。これらのことから生体内のミエリン再生過程において、Myo1dはOLs成熟後のミエリン形成最終段階で生存にも関わる重要な役割を果たしていることが示唆された。さらにMyo1dの発現抑制によって増加した活性化ミクログリアの性質を調べるために神経障害性と神経保護性のマーカーを用いて解析したところ、神経障害性のミクログリアが増加傾向であるのに対し、神経保護性のミクログリアが優位に減少していた。このことから、Myo1d発現減少によるOLsの異常により炎症が持続し、再生が遅延していると考えられた。以上の結果から、中枢脱髄後の再生過程においてもMyo1dが重要な役割を担っていることを明らかにした。Myo1dの生体内における機能について引き続き解析を行う。現時点では、当初予想していたようにミエリン再生の遅延が確認された。しかしながら、Myo1dの発現抑制によるミクログリアとアストロサイトの活性化やオリゴデンドロサイトの細胞死が認められたことから、これらとミエリン再生との関係をより詳細に調べる必要があると考えられる。そのため、今後は現在のタイムコースの他に、siRNAの投与時期およびsiRNA投与後の異なる時期においても解析することでアストロサイトやミクログリアの活性化時期や細胞死の割合に変化が見られるかを調べる予定である。また、Myo1dと結合するタンパク質や脂質を探索しMyo1dの機能メカニズムを明らかにしようと考えている。このような結合分子はMyo1dのアクチン結合部位ではなく、tail部分と相互作用している可能性が高い。そこで、GFP融合Myo1dとそのtail部分を欠損させた強制発現タンパク質を用い、ラット脳画分より抗GFP抗体ビーズによるアフィニティー精製を行い、Myo1dと結合するタンパク質を分離する。分離されたタンパク質は電気泳動後の質量分析などにより同定する。さらに、精製したGFP融合タンパク質を用いて特異的に結合する脂質についても解析を進める予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。
タンパク質機能発現の分子機構に関する理論的研究

タンパク質の分子機能は、局所的な酵素反応からタンパク質の大域的構造変化に至る様々な空間的・時間的スケールを持った現象が相関することにより達成される。本研究では、最近、我々により開発された、異なるスケールの現象の相関の記述を可能にする新規な分子シミュレーションの手法であるQM/MM RWFE SCF法を用いて、Ras-GAP GTPaseタンパク質複合体の変異体の反応性、視物質ロドプシンの光活性化過程、F1-ATPaseの分子モーター機能における化学ー力学変換に関する新規の知見を得ることに成功した。本年度は、QM/MM RWFE-SCF法とLRPF法を用いて、Ras-GAPとF1-ATPaseのNTP加水分解活性、及びRhの光活性化の分子機構に関する研究を推進した。また、QM/MM RWFE-SCF法の拡張を目指し、QM-MM相互作用の多極子相互作用演算子の開発を行った。以下にそれぞれの詳細について述べる。Ras-GAPのGTP加水分解反応の分子機構:QM/MM RWFE-SCF法を用いて、反応の始状態、遷移状態、及び終状態の自由エネルギー最適化構造を決定した。その結果、遷移状態生成に伴うSwitch-Iループによるメタリン酸の認識に相関する、Ras-GAP間の大きな構造変化、及び活性部位からの水の排除が観測された。また、自由エネルギー摂動法により、反応の活性化自由エネルギーを計算し、観測された大きな構造変化が反応の促進に大きく寄与をしていることを見出した。F1-ATPaseのATP加水分解反応の分子機構:QM/MM RWFE-SCF法を用いて、反応の始状態と遷移状態近傍の中間状態の自由エネルギー構造最適化を行った。その結果、反応の始状態において、ガンマサブユニットの回転に対応する顕著な構造変化を観測した。これは、リン酸結合の解離に伴う構造変化と推測される新たな知見である。また、遷移状態近傍への反応基質の構造変化により、基質周辺の水素結合ネットワークの大きな変化を観測した。Rhの光活性化の分子機構:QM/MM RWFE-SCF法を用いてLumi構造のモデリングを行った。自由エネルギー構造最適化は完了し、現在、分子振動解析による解析を行っている。QM-MM相互作用の多極子相互作用演算子の開発:最初のバージョンの開発は完了し、小分子の自由エネルギー構造最適化が可能となった。Ras-GAPのGTP加水分解反応の分子機構前年度までにQM/MM RWFE-SCF自由エネルギー構造最適化計算で得られた反応始状態、遷移状態、及び終状態、またそれらの状態間を、自由エネルギー摂動法を用いて繋いだMD計算の最終構造を出発構造として、長時間のMDシミュレーションを行うことにより、それらの状態の安定性及び再現性を確認した。また、反応活性を大きく変調することが実験的に知られている変異体に対して、QM/MM RWFE-SCF法を用いて、自由エネルギー構造最適化計算を行った。F1-ATPaseのATP加水分解反応の分子機構前年度に引き続きQM/MM RWFE-SCF法を用いて反応の始状態の構造最適化を行った。また、リン酸結合サイトの結合状態により、タンパク質の大きな構造変化が予想されるため、これまでのリン酸脱離状態に加えて、リン酸結合状態の構造最適化も開始した。Rhの中間状態の解析とモデリング前年度に行ったLumi状態の構造モデルに対して、QM/MM RWFE-SCF法を用いて光励起エネルギー計算及び分子振動解析を行った。その結果、計算値は実験の傾向を良く再現し、実験の背後にある分子的な描像を明らかにした。さらに、Meta-I状態に対してもQM/MM RWFE-SCF法を用いてモデリングを行った。QM-MM相互作用の改良QM-MM相互作用の統計性を改良するため、QM分子を剛体としてMD計算を行うプログラムを開発した。Ras-GAP変異体のGTP加水分解反応の分子機構昨年度までの天然タンパク質の計算で得られた反応始状態、遷移状態、及び終状態の構造を出発点として、腫瘍形成に関わっていると考えられているLeu902の二つの変異体に対して、自由エネルギー構造最適化計算及び反応活性化自由エネルギー計算を行った。その結果、天然タンパク質で見られている活性部位からの顕著な水分子の移動が変調し、反応活性化エネルギーも増加することを明らかにした。F1-ATPaseのATP加水分解反応に対するアロステリック効果の分子機構前年度に引き続きQM/MM RWFE-SCF法を用いてリン酸結合部位でのリン酸脱離状態におけるATP加水分解反応の始状態の自由エネルギー構造最適化を行った。更に、リン酸結合部位にリン酸が結合している状態に対してもQM/MM RWFE-SCF法を用いてATP加水分解反応の始状態の構造最適化を行った。構造最適化は以前収束していないものの、リン酸結合部位の結合状態の違いによって、大域的な構造変化が起こり、遠位のATP加水分解反応部位の構造に顕著な変調が起きることが観測されている。QM/MM RWFE-SCF法におけるQM-MM相互作用の改良とそれを用いたリゾチームのpKa計算多極子相互作用を用いたQM-MM間静電相互作用演算子の開発を行い、QM/MM法及びMDプログラムパッケージに実装した。また、それを用いて、リゾチームの酸性残基のpKaの計算を行った。

本研究では、最近、我々により開発された、異なるスケールの現象の相関の記述を可能にする新規な分子シミュレーションの手法であるQM/MM RWFE SCF法を用いて、Ras-GAP GTPaseタンパク質複合体の変異体の反応性、視物質ロドプシンの光活性化過程、F1-ATPaseの分子モーター機能における化学ー力学変換に関する新規の知見を得ることに成功した。申請書に記載の計画に対して、概ね順調な成果が得られている。Ras-GAP複合体については、天然タンパク質のシミュレーション及びデータの解析はほぼ終わっており、大きな成果が得られている。変異体の計算についても、順調に進行している。F1-ATPaseに関しては、自由エネルギー構造最適化がなかなか収束しないが、構造変化は収まってきており、収束が近いことが伺える。Rhに関しても、Lumi状態の重要な知見が得られており、順調に成果を達成している。QM-MM相互作用の改良については、リゾチームに対してpKa計算への適用を行ったところ、QM領域として取り扱っているカルボン酸側鎖の並進回転運動が重要である可能性が出てきたため、それを剛体として取り扱うMDプログラムの開発を行った。プログラムはほぼ完成しており、pKa計算の改良が見込まれる。27年度が最終年度であるため、記入しない。生物物理学Ras-GAP複合体に対しては、変異体の計算が完了の後、論文にまとめる。F1-ATPaseに関しては、QM/MM RWFE-SCF計算を推し進め、自由エネルギー最適化構造を得る。Rhに関しては、Meta-Iの構造モデリング及び解析を完了し、論文にまとめる。QM-MM相互作用の改良に関しては、剛体のMDプログラムに多極子相互作用のルーチンを加え、pKa計算を行う。申請書に記載の計画に対して、おおむね順調な成果が得られている。Rasに関しては、化学状態間の自由エネルギー差の計算も終了しており順調である。F1-ATPaseに関しては、新たな知見が得られ、新たな進展が見込まれる。RhもLumi状態のモデリングはほぼ完了しており、ほぼ計画通りである。また、QM-MM相互作用の多極子相互作用演算子の開発も進展し、具体的な系への適用が始まっている。年度末にデータバックアップ用のハードディスクの購入を予定していたが、若干、計算が遅れ、その時点では必要ではなくなったため。Ras-GAPに関しては、ほぼ計画通りに研究を推進し、観測された大規模構造変化の解析を進めた後、研究結果を論文にまとめる。F1-ATPaseに関しては、新しく観測された構造変化はモーター機能を解明する上で非常に意義深く、その解析を進める。そのために、当初の計画では予定されていなかった、リン酸が結合している状態についても、自由エネルギー構造最適化を行い、リン酸結合と化学反応活性の相関を明らかにする。また、反応遷移状態生成で見られた結合部位の水素結合ネットワークの変化による自由エネルギーの寄与の正確な見積もりには、現在の手法では困難であることが予想されるため、自由エネルギー計算の際に、新たな反応座標を加えた手法を開発する。