hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
クラウンエーテルを有するπ共役系元素ブロックの構築と電子-イオン混合体の創製

クラウンエーテルとπ共役分子からなる新規元素ブロック、電子-イオン混合伝導体の構築と高速イオン伝導材料の開発を目的とする。本元素ブロックは、イオン伝導部位のクラウンエーテルと電子輸送部位の電子アクセプターTetraazanaphthacene(TANC)骨格で構成される。この元素ブロックは、1電子還元によりTANC部位が電子伝導性のラジカルアニオン種を形成する。また、クラウンエーテル部位で金属イオンを補足することで単一分子として化学的に安定な中性分子である元素ブロックとなる。今年度は、1.提案した元素ブロックであるCE-TANCの合成およびイオン包摂能の確認と電解合成による有機ラジカルの合成とその物性評価を行ったので、報告する。NaBPh4を電解質に用いて15CE-TANCの電解合成で得られた結晶1の単結晶X線構造解析を行ったところ、2種類のNaイオンの存在が確認された。1つはCEのO原子にNaイオンが5配位し、TANC骨格の2つのimino N部位に配位した構造をとっている。もう1つのNaイオンは2つのTANC骨格がもつ4つのimino N原子に配位し、さらに異なる2つのCE部位の2つのO原子によって上下で配位された6配位構造を形成していた。1の構造から15-CETANCとNaが2次元的なネットワークを形成した結晶構造を有することがわかった。また、15-CETANCはダイマー構造を形成しており、その最近接C-C間距離は3.055(4) Aと非常に短い値であった。1のESR測定によって一電子還元されたCETANCラジカルアニオンの存在が確認された。また、1の磁化率測定の結果から強い反強磁性的な挙動を示し、これはダイマー間の強い相互作用からラジカルアニオン同士のスピンの打ち消し合いが生じているものと考えている。26年度が最終年度であるため、記入しない。今年度は、新規元素ブロックとなるクラウンエーテルと電子アクセプター分子からなるCE-TANCの合成ルートの確立を行った。TANC誘導体であるCE-TANCの合成に関しては、全ての段階で高収率での回収を行えている。現在のところ、CEは[15]crown-5 (n = 1)および[18]crown-6 (n = 2)を用いておりCH2Cl2またはCHCl3にCE-TANCを溶解し、hexaneを用いた気相拡散により単結晶の作製に成功している。また、2種のCE-TANCとNaPF6やKPF6などの金属塩をCH2Cl2またはCH3CNに溶解し、MeOHを用いた気相拡散により単結晶作製に成功している。電解結晶前の単結晶は1-2日で作製可能でサイズは1 mm以上の長さを有するため、伝導度測定における電極の端子付けが容易に行える。CE-TANCは様々なアルカリ金属イオンをCE部位で包摂できることが確認された。Na+イオンのイオンサイズ(1.94オングストローム)は、[15]crown-5(1.7オングストローム)とほぼ同様であるためCE部位も大きな歪みがなく、分子全体として高い平面性を有することが確認されている。一方、K+イオンのイオンサイズ(2.66オングストローム)が大きく完全に包摂ができないため、K+イオンおよびCE部位が平面のTANC骨格よりも大きく歪んだ構造をしていることが明らかとなっている。これらの金属イオンの配位構造が分子集合構造に大きく影響を与えるため、様々なサイズと価数の金属イオンからなる元素ブロックを構築することが期待される。現在は電解合成の条件検討を行っているところである。

26年度が最終年度であるため、記入しない。現在は、新たな元素ブロックCE-TANCの開発が行えたため、順調に成果が出せている。今後は電解合成の条件検討を行っていく予定である。今年度は主に、クラウンエーテル(CE)を有するTANC誘導体の合成および電解結晶合成を行う予定である。予め、予備実験により電解合成により単結晶を得ることに成功しているが、予想外の構造や特性を示すものが得られている。研究を進めていく上で、目的の物質が得られないことも考えられるが得られた結果は全て論文にすることで社会貢献がなせるように精進していく次第である。
新規ヒ酸還元細菌Geobacter OR-1のヒ素代謝遺伝子発現ダイナミクス

本研究では、ヒ素汚染の原因菌の1つGeobacter sp. OR-1におけるヒ素代謝遺伝子群の発現解析およびヒ素存在下で発現するタンパク質の網羅的解析をおこなった。ヒ酸呼吸条件において、異化的ヒ酸還元酵素遺伝子arrAと解毒的ヒ酸還元酵素遺伝子arsCの発現量は、フマル酸呼吸条件と比べそれぞれ52倍と260倍に上昇した。一方プロテオーム解析では、ヒ酸呼吸条件でArrABやArsAの他、抗酸化酵素、ストレス応答、分子シャペロンなどの発現上昇が確認された。OR-1株は高濃度のヒ素に曝露されると、ヒ素代謝経路のみならず種々の代謝系を協調的に発現上昇させ、ヒ素耐性を獲得することが示唆された。Geobacter sp. OR-1株はGeobacter属細菌で唯一ヒ酸呼吸能を持つ、国内水田土壌より単離された細菌である。本研究ではOR-1株のドラフトゲノム解析を行い、ヒ素代謝遺伝子や細胞外電子伝達に関与する遺伝子を含めた網羅的な遺伝子情報を得ること、さらにプロテオーム解析を用いてヒ素曝露時に発現する遺伝子を網羅的に特定し、OR-1株のヒ素に対する応答機構を推定することを目的とした。OR-1株の推定ゲノムサイズは4.5 Mbp、CDSは4,154個であった。OR-1株は解毒的ヒ酸還元酵素遺伝子(arsC)および異化的ヒ酸還元酵素遺伝子(arrAB)を中心とする2種類のヒ素代謝遺伝子群を有していた。OR-1株は解毒的ヒ素代謝酵素であるArsA(ATPase)とArsD(ヒ素シャペロン)を複数コードし、ヒ素代謝遺伝子がドラフトゲノム上に局在して存在する点が特徴的であった。さらにOR-1株のゲノムには少なくとも83個のc型シトクロム遺伝子が確認された。また、細胞外電子伝達に必須とされるピリ構成遺伝子pilAも確認された。その他に酸素代謝遺伝子、嫌気的炭酸固定経路遺伝子も存在した。次に電子受容体にフマル酸(20 mM)のみ、またはフマル酸とヒ酸(1 mM)を添加した条件でプロテオーム解析を行った。その結果、いずれの条件においてもTCA回路と糖新生による酢酸の利用が確認され、電子伝達鎖におけるエネルギー生産に関与するタンパクの発現が確認された。一方、ヒ素の存在下ではarsC遺伝子群上のヒ素排出ポンプAcr3、ストレスタンパクの制御に関わるUspA、亜ヒ酸運搬シャペロンArsDなどが特異的に発現し、ヒ素の解毒に関わる遺伝子群の協調的な発現が示唆された。また、抗酸化能を持つペルオキシレドキシンや走化性タンパクも検出されOR-1のヒ素に対する防御機構の一端がうかがえた。今年度は、OR-1株を酢酸を炭素源、ヒ酸またはフマル酸を最終電子受容体として嫌気的に生育させ、全タンパク質抽出を行った。タンパク質は1D SDS-PAGEとLC-MS/MSを用いて同定した。ゲノムワイドで定量的な解析法を行うため、emPAIに基づいたラベルフリーな半定量的なプロテオーム解析アプローチを用いた。その結果、ヒ酸とフマル酸生育条件下において、それぞれ985個と831個のタンパク質が同定された。ヒ酸生育条件下では、フマル酸生育時と比較して、異化的ヒ酸還元酵素ArrABが高い発現量を示し、Arrの活性中心molybdopterinの生合成系や亜ヒ酸排出に関わるArsAの発現上昇も見られた。また、抗酸化酵素(peroxiredoxin, rubrerythrin, rubredoxin)、ストレス応答(UspA, Hsp90)、folding関連タンパク質(SurA)、分子シャペロン(ClpB, DnaJK, GrpE)、trigger factorなどの発現上昇が確認された。さらに、mismatch repair関連酵素、mRNA・tRNA合成酵素、elongation factorの発現も上昇していた。ヒ酸生育時には、ヒ酸のアナログであるリン酸transporterの発現上昇が見られ、硫黄代謝経路の活性化、特にthiol基の再形成に関わる酵素が発現上昇していた。これは、亜ヒ酸とthiol基の親和性が高いことに関連すると考えられた。エネルギー代謝に関して、NADH dehydrogenaseや、H+-ATPaseの発現は低下した一方、酢酸の活性化経路、および還元的アセチルCoA経路の活性化が見られた。以上の結果から、OR-1株は高濃度のヒ素に曝露されることで、ヒ素代謝酵素群のみならず、抗酸化酵素、分子シャペロンなどを協調的に発現上昇させると共に、硫黄、エネルギー代謝系を活性化することで、ヒ素耐性を獲得することが示唆された。すでに、ヒ素代謝遺伝子群のオペロンマッピング、主要機能遺伝子(ArrA、ArsC)の発現量の定量(qRT-PCR)、ラベルフリーな半定量的なプロテオーム解析が終了した。従って、当初予定と比較しておおむね順調に進展していると言える。ただ、当初期待していた、ヒ酸の存在下で特異的に発現するシトクロムの同定には未だ至っていない。ヒ素代謝遺伝子の発現に及ぼす環境因子、特にヒ素(ヒ酸、亜ヒ酸)の影響については、最終年度の今年度に実施する予定である。環境中でヒ素は、主に5価のヒ酸と3価の亜ヒ酸として存在する。還元条件ではヒ酸がある種の嫌気性細菌に還元されて亜ヒ酸となり、液相に溶出する。現在、東アジアなどでは地下水のヒ素汚染が深刻で、多数の人々が慢性ヒ素中毒に晒されている。

既往研究より、鉄還元細菌Geobacterのヒ素溶出への関与が示唆されているが、ヒ酸還元能を有するGeobacterの分離例はなかった。申請者は最近、国内水田土壌からヒ酸還元能を有するGeobacter OR-1株の分離に成功した。本研究では、OR-1株を「ヒ素溶出能を有するモデルGeobacter属細菌」と位置づけ、OR-1株がヒ素存在下で発現するタンパク質群の同定(プロテオーム解析)、ヒ素代謝遺伝子群(arr, ars)の発現解析(qRT-PCR)、異化的ヒ酸還元酵素(Arr)の活性測定等を行った。ヒ酸とフマル酸生育条件下でのプロテオーム解析において、それぞれ985個と831個のタンパク質が同定された。ヒ酸呼吸条件下では、ArrABが高い発現量を示し、Mo因子生合成系やArsAの発現上昇も見られた。また、抗酸化酵素、ストレス応答タンパク、folding関連タンパク、分子シャペロンなどの発現上昇も確認された。ヒ酸呼吸時には、リン酸輸送体の発現上昇が見られ、硫黄代謝経路の活性化、特にthiol基の再形成に関わる酵素が発現上昇していた。またmRNAを抽出しRT-qPCRを行った結果、ヒ酸呼吸条件下においてarrAの発現量が約37倍に上昇していた。さらに静止菌体を用いたArr活性測定より、ヒ酸呼吸条件下において7.6倍の酵素活性が認められた。以上の結果から、OR-1株は高濃度のヒ素に曝露されることで、異化的ヒ酸還元酵素を中心として、抗酸化酵素、分子シャペロンなどを協調的に発現上昇させ、ヒ素耐性を獲得することが示唆された。本研究では、ヒ素汚染の原因菌の1つGeobacter sp. OR-1におけるヒ素代謝遺伝子群の発現解析およびヒ素存在下で発現するタンパク質の網羅的解析をおこなった。ヒ酸呼吸条件において、異化的ヒ酸還元酵素遺伝子arrAと解毒的ヒ酸還元酵素遺伝子arsCの発現量は、フマル酸呼吸条件と比べそれぞれ52倍と260倍に上昇した。一方プロテオーム解析では、ヒ酸呼吸条件でArrABやArsAの他、抗酸化酵素、ストレス応答、分子シャペロンなどの発現上昇が確認された。OR-1株は高濃度のヒ素に曝露されると、ヒ素代謝経路のみならず種々の代謝系を協調的に発現上昇させ、ヒ素耐性を獲得することが示唆された。Geobacter sp. OR-1をフマル酸を電子受容体とした培養条件で生育させ、ヒ酸の存在下、非存在下でのプロテオーム解析を予備的に行った結果、Acr3、ArsDなど明らかなヒ素応答タンパクの発現が認められた。一方、ヒ酸を主たる電子受容体とした生育条件ではなかったことから、当初標的としていたArrABなどの発現は観察されなかった。今年度の研究により、網羅的なプロテオーム解析が有効であることが明らかとなったため、次年度以降さらに検討を進めることでOR-1株のヒ素に対するストレス応答機構がさらに明らかになることが期待される。arrAとarsCの発現に及ぼすヒ酸および亜ヒ酸濃度の検討を行う。フマル酸を電子受容体とした培養液に0.1 uM1 mM程度のヒ酸または亜ヒ酸を添加し培養する。総RNAを抽出後、ランダムヘキサマー存在下でcDNAを合成し、あらかじめ設計したPCRプライマーを用いた定量PCR(qPCR)によりそれぞれのコピー数を算出する。遺伝子の発現は、同様のqRT-
不織布と細胞との相互作用による腎臓再生デバイスの創製

細胞と不織布の相互作用を利用した腎臓再生デバイスを創製し、慢性腎不全モデルラットに対する治療効果を検討した。1.不織布の繊維径を3μm以下にし、積層枚数を増やすことで細胞を高効率に細胞を捕捉することができた。適切な不織布素材に捕捉された細胞と不織布素材の相互作用により、成長因子の産生が促進された。2.ラット骨髄由来間葉系幹細胞捕捉ポリ乳酸製不織布を慢性腎不全ラットの腎臓へ貼付することにより、糸球体硬化病変の抑制作用が確認された。この効果はデバイスより放出された肝細胞増殖因子であると考えられた。不織布の医療用途への展開の一つとして、不織布材料と細胞の相互作用を活用し、不織布材料を用いた腎臓再生デバイスの創製を行っている。慢性腎不全モデルラットの腎臓被膜下へラット骨髄由来間葉系幹細胞を捕捉した生分解性ポリ乳酸不織布を埋め込んだところ、糸球体硬化性病変が抑制された。1.糸球体硬化性病変抑制メカニズムの解析:ラット骨髄由来間葉系幹細胞捕捉ポリ乳酸不織布デバイスの成長因子産生能を検討したところ、肝細胞増殖因子の産生能が亢進した。2.成長因子産生能を指標としたデバイス設計:ヒト末梢血細胞捕捉不織布デバイス、ヒト脂肪由来間葉系幹細胞捕捉不織布デバイスの成長因子産生能を評価した。1):ヒト末梢血細胞捕捉不織布デバイスは血漿と比較して、血小板由来増殖因子、血管内皮細胞増殖因子、トランスフォーミング増殖因子の産生能が有意に亢進した。2)ヒト脂肪由来間葉系幹細胞捕捉不織布デバイス:ヒト脂肪由来間葉系幹細胞捕捉ポリ乳酸不織布デバイスは血漿と比較して血管内皮細胞増殖因子の産生能が亢進した。3.動物実験による腎機能改善効果:慢性腎不全モデルラットの腎臓被膜下へ不織布デバイスを移植し、腎機能の改善効果を検討した。ポリエチレンテレフタレート不織布は単独移植において尿タンパク、血清クレアチニン、血清尿素窒素が未治療群と比較して低下傾向を示し、腎機能の改善効果が示唆された。しかしながら、現在のデバイスは侵襲度が高く、開腹手術が必要なため、より低侵襲な埋め込み法を確立した。不織布材料と細胞の相互作用を利用した腎臓再生デバイスの検討を行っている。細胞捕捉不織布デバイスをより低侵襲で埋め込み可能なデバイスに改良し、改良デバイスの成長因子産生能を検討した。1.粉体不織布/細胞の混合体を腎臓被膜下に留置する方法の検討を開始し、内視鏡等で腎臓被膜下に留置する方法を考案した。5/6腎臓摘出慢性腎不全モデルラット、およびアデニン誘発慢性腎不全モデルラットで投与を確認し従来デバイスと比較して低侵襲かつ広範囲に留置可能であることが確認された。2.粉体不織布との接触で、末梢血細胞、脂肪由来間葉系幹細胞、骨髄由来間葉系幹細胞との成長因子産生亢進能を検討したところ、細胞捕捉不織布デバイスとほぼ同等の結果が得られた。3.マウス末梢血細胞を、ポリ乳酸(PLA)製およびポリエチレンテレフタレート(PET)製不織布に捕捉させ、成長因子の産生能を検討した。角化細胞成長因子(FGF-7),トランスフォーミング増殖因子(TGF-β1)は有意な産生亢進、血小板由来成長因子(PDGF-AB)はPET製不織布でのみ有意な産生亢進を示した。4.慢性腎不全モデルラットの腎臓被膜下へ粉体不織布/細胞の混合体を留置し、治療効果を検討した。5/6腎臓摘出慢性腎不全モデルラットにおいて、長期間のデバイス留置で治療群と比較して血清クレアチニンが低値を示し、継続観察中である。アデニン誘発慢性腎不全モデルラットについては、短期間のデバイス留置では効果がなかったため、長期間の検討を予定している。慢性腎不全モデルラットに対する糸球体硬化様病変の抑制効果が確認されたラット骨髄由来間葉系幹細胞捕捉ポリ乳酸不織布デバイスをより低侵襲で埋め込み可能なデバイスへと改良し、改良デバイスを慢性腎不全モデルラットの腎臓被膜下へ留置し、治療効果を検討した。1.糸球体障害の慢性腎不全モデルラットとして5/6腎臓摘出ラットを用いた。ポリ乳酸製不織布粉体とラット骨髄由来間葉系幹細胞との混合物を腎臓被膜下へ留置し、治療効果を検討した。デバイス留置16週後以降で尿蛋白と血清クレアチニンは低値傾向を示したが統計学的な差はなかった。2.尿細管・間質障害の慢性腎不全モデルとしてアデニン誘発慢性腎不全ラットを用いた。デバイスはポリ乳酸不織布粉体とラット骨髄由来間葉系幹細胞との混合物を用いた。0.75%アデニン添加飼料(アデニン食)の投与開始とともにデバイスを腎臓被膜下へ留置したが、腎障害の進行を抑制することができなかった。血清クレアチニンの増加率が5/6腎臓摘出ラットと比較して著しいため障害が強すぎるためと考えられた。そこで、アデニン食を4週間投与し、その後通常飼料に変更した。アデニン食中止後に腎臓被膜下へデバイスを留置した。その結果、尿蛋白、血清クレアチニンに改善傾向はみられるが有意差はなかった。3.新デバイスの素材として、創傷治癒促進効果が知られている天然高分子のキチン、キトサンの成長因子

産生能の検討を開始した。細胞と不織布の相互作用を利用した腎臓再生デバイスを創製し、慢性腎不全モデルラットに対する治療効果を検討した。1.不織布の繊維径を3μm以下にし、積層枚数を増やすことで細胞を高効率に細胞を捕捉することができた。適切な不織布素材に捕捉された細胞と不織布素材の相互作用により、成長因子の産生が促進された。2.ラット骨髄由来間葉系幹細胞捕捉ポリ乳酸製不織布を慢性腎不全ラットの腎臓へ貼付することにより、糸球体硬化病変の抑制作用が確認された。この効果はデバイスより放出された肝細胞増殖因子であると考えられた。1.細胞捕捉不織布デバイスの細胞捕捉能と成長因子産生能の基礎データを論文発表した。2.低侵襲的に埋め込みが可能な粉体不織布/細胞の混合体の成長因子産生能を確認し、従来のデバイスとほぼ同等の成長因子産生能を有することを確認した。3.粉体不織布/細胞の混合体の腎機能改善効果を動物実験にて確認した。医薬医療分野(医療機器、再生医療、血液浄化)1.改良型デバイスの腎機能改善効果を動物実験にて確認する。細胞数、留置時期、留置範囲、留置回数、留置期間などの検討2.成長因子産生能をより亢進させるためのデバイス設計1.細胞捕捉不織布デバイスによる慢性腎不全モデルラットの糸球体硬化性病変の抑制はHGFなどの成長因子によることが示唆されたため、成長因子産生能を指標とした細胞捕捉不織布デバイスを構築できた。2.細胞と不織布素材により成長因子産生能が異なることが確認された。3.低侵襲な埋め込み法にて、デバイスを腎臓被膜下へ注入できることも確認できた。本年度残額が少額であったため、次年度に使用することとした。1.平成25年度に設計した細胞捕捉不織布デバイスを用いて、腎機能改善効果を動物実験にて確認する。2.低侵襲植込み法による腎機能改善効果を動物実験にて確認する。3.キチンなど新しい不織布素材のデバイス設計を行う。不織布/細胞の混合体の腎機能改善効果を動物実験にて確認するため、細胞培養用試薬およびピペットなどの消耗品、細胞、実験動物、実験動物用飼料、床敷、腎機能評価用試薬、病理標本作成用試薬などの使用を予定している。また、本研究で得られた成果を学会、論文等で報告する目的で使用する。今年度の研究に必要な物品購入が完了したため、残額を翌年度分に申請した。1.動物実験として、ラット、飼料などの購入費。2.デバイス設計として、細胞、成長因子測定キット、ディスポ製品などの購入費。SRLなどへの測定依頼費。3.海外を含めた学会発表と本研究に関わる最新情報入手(旅費、学会参加費など)
二重スピン鎮系ACuX_3とKCrCl_3の基底状態とスピンギャップ

最近空間構造を有する量子スピン系の新奇な物性が話題になっている。特に一次元系における磁化の量子化は新しい重要な問題である。本研究において、我々は、二重鎖構造をもつ新しい量子スピン系KCuCl_3、TlCuCl_3、NH_4CuCl_3などを発掘した。この系の相互作用の構造は、反強磁性スピン梯子に対角相互作用を加えたものと見ることもできるし、また、結合交代系に次近接相互作用を加えたものともみなすことができる。最近の理論によれば、この系では、量子効果によって基底状態が励起ギャップをもつスピン一重項非磁性状態であることが期待される。まず、我々は、上記3物質の大型純良単結晶を作成し、これを用いて磁気測定を行い、KCuCl_3とTlCuCl_3では基底状態が、そのようなものであることを見いだした。また、ギャップの大きさを強磁場磁化過程で正確に評価した。この2つの物質の磁気励起を調べるために広い周波数と磁場範囲でESR実験を行い、基底状態から励起状態への直接遷移を観測した。さらに中性子非弾性散乱によって分散関係を求めた。上記2つの物質と同じ結晶構造をもつNH_4CuCl_3の基底状態は、KCuCl_3やTlCuCl_3とは異なり、励起ギャップをもたず、磁気的であることが分かった。また、磁気秩序を示す磁化率の異常も観測されていない。NH_4CuCl_3の示す最も興味深い現象は、磁場の方向によらず磁化曲線に飽和磁化の1/4と3/4の位置にプラトーが明瞭に現れることである。これはイジングスピン系に見られるメタ磁性とは本質的に異なる新しい量子多体現象であり、我々が初めて見いだしたものである。NH_4CuCl_3についてはESR測定を行い、プラトーが磁場誘起ギャップによって生ずることを示した。この量子磁化過程ともいうべき新現象の発見が、本研究の最大の成果である。この量子磁化過程の微視的機構は、まだ分かっておらず、今後の重要な研究課題である。2本の1次元磁性鎖の間を交換相互作用で架橋した梯子状磁性体は、幾何学的には1次元と2次元磁性体の中間に位置する。しかし、その磁性は1次元磁性体とも2次元磁性体とも異なる大変ユニークなものであることが最近の理論的研究から明らかになってきた。すなわち、基底状態が非磁性となり、励起状態との間に有限のエネルギーギャップが生じる。これは1次元磁性体にも2次元磁性体にも見られない性質で、梯子状磁性体に特有な量子効果によって起こる現象である。このような梯子状磁性体の研究は、世界的に見てもその途についたばかりである。我々は、最近ジグザグ梯子構造をもつKCuCl_3やTlCuCl_3及びその関連物質の磁気測定を行い、これらの物質の基底状態が上に述べたようなものであることを見いだした。また、KCuCl_3とTlCuCl_3については良質の大型単結晶の作成に成功した。その結晶を用いて強磁場磁化過程を測定し、非磁性から磁性をもつ状態への転移を明瞭に観測し、エネルギーギャップの大きさを直接求めた。また、NH_4CuCl_3については強磁場中で5段階に転移するという現象を発見した。

更に、KCuCl_3とTlCuCl_3については広い周波数と磁場範囲でESR実験を行い、基底状態から励起状態への直接遷移を観測した。KCuCl_3については、また、中性子非弾性散乱実験を行い、梯子格子系に特徴的な分散関係を明瞭に観測した。最近空間構造を有する量子スピン系の新奇な物性が話題になっている。特に一次元系における磁化の量子化は新しい重要な問題である。本研究において、我々は、二重鎖構造をもつ新しい量子スピン系KCuCl_3、TlCuCl_3、NH_4CuCl_3などを発掘した。この系の相互作用の構造は、反強磁性スピン梯子に対角相互作用を加えたものと見ることもできるし、また、結合交代系に次近接相互作用を加えたものともみなすことができる。最近の理論によれば、この系では、量子効果によって基底状態が励起ギャップをもつスピン一重項非磁性状態であることが期待される。事実、KCuCl_3とTlCuCl_3では基底状態が、そのようなものであることを我々は磁気測定から見いだし、ギャップの大きさを強磁場磁化過程と中性子散乱によって精密に評価した。ところが、同じ結晶構造をもつNH_4CuCl_3の基底状態は、KCuCl_3やTlCuCl_3とは異なり、励起ギャップをもたず、磁気的であることが分かった。また、磁気秩序を示す磁化率の異常も観測されていない。NH_4CuCl_3の示す最も興味深い現象は、磁場の方向によらず磁化曲線に飽和磁化の1/4と3/4の位置にプラトーが明瞭に現れることである。これはイジングスピン系に見られるメタ磁性とは本質的に異なる新しい量子多体現象であり、我々が初めて見いだしたものである。この量子磁化過程ともいうべき新現象の発見が、この研究の最大の成果である。この量子磁化過程の微視的機構は、まだ分かっておらず、今後の重要な研究課題である。
新規網膜再生誘導法の確立と網膜再生誘導薬の探索

視覚を維持するために必要な網膜の細胞は一度変性してしまうとほとんど取り戻すことができない。薬物を用いて変性後の網膜を再生させる方法が確立できれば難治性の網膜変性疾患における中途失明を大幅に減らすことが可能な新たな治療戦略となる。そこで、本研究ではまず高い再生能をもつゼブラフィッシュを用いていくつかの再生関連因子を誘導する網膜再生候補化合物のスクリーニングを行う。その後、再生誘導作用の機序別に分類した各種薬物を組み合わせることにより考案した再生誘導法を哺乳類であるマウスに適用し、臨床応用可能な強い網膜再生誘導作用を有する薬剤性再生誘導法の確立を目指す。
植物中に含まれる草食哺乳動物の摂食忌避成分と,その化学生態学的意義の解明

生物間相互作用物貭の研究は最近数多く行われており,植物・動物間の相互作用のうち,植物成分と昆虫の間では極めて興味深い作用物貭が種々報告されて来た。しかし,更に高等な草食哺乳動物と植物成分との相互作用に関与する物貭が見出された報告は殆んど見当らない。私達は奈良公園で鹿が食べない植物の代表として知られるナギとイワヒメワラビの成分をこれまでに検索し,興味ある新しい化合物を見出して来たが,これらが鹿の摂食忌避と結びつく知見を見出せずにいた。そこで,小形の草食動物としてモルモットを用い,定性的な摂食忌避試験を指標としてナギの葉の成分をしらべた。酢酸エチル可溶部に忌避活性がある事が判ったので分画を繰返し,最終的にはアセチル化後,三種の化合物をアセタ-トとして單離,構造決定し,これらがナギラクトンC,ナギラクトンA,1ーデオキシー2,3ーエポキシナギラクトンAの各々のアセタ-トである事を知った。これらの化合物のもとのアルコ-ル体は,これ迄にナギから得た既知化合物であるので,標品を用いて作用を調べたところ,忌避活性を示すことが明らかになった。ナギ葉の抽出物に対するモルモットの摂食忌避は致命的なものであり,粗抽出物を添加した人工飼料だけで飼育すると,摂食量ゼロのまゝ体重は減少し続け,約三週間後に餓死する。これはナギラクトン類の忌避が,單純な動物の嗜好等に基づくものではなく強い毒性によるものと推定される。今までに知られているナギラクトン類の生物活性,たとえば,昆虫の幼虫や白アリに対する毒性,がん細胞に対する細胞毒性などが高等動物に対しても作用をもつ事を示している。現在,他の鹿に対して摂食忌避性をもつ植物の活性成分の探索と,より定量的な信頼のおける結果を与える生物試験法の開発を検討中である。
温度・湿度変動を考慮したシミュレーションで捉える木材の経年変化

本研究課題では,木材の経年変化を理解するために,温度依存性のみを論じる従来の促進劣化処理を発展させ,温度依存性と湿度依存性の両方を考慮し,経年にともなう物性変化と比較することで,経年変化への熱と水分の寄与を明らかにすることを目的とした.具体的には,様々な温度条件と湿度条件を設定した木材の湿熱処理をおこない,測定した物性変化から常温・常湿での物性変化を予測し,実際の経年による物性変化と比較した.その結果,実際の経年における物性変化は,湿度が高い状態での熱処理と同様の反応であり,それは温度を上げることによって促進できることが示唆された.本研究は,木材の経年変化メカニズムを解明するため,経年変化を,熱と水分の両方がかかわる物理化学的反応として統一的に捉えることを目的としている.既往の研究から,経年変化にともなう物性変化に水分が寄与していることは経験的・定性的に指摘されてきた.代表者はこれまでに,経年にともなう物性変化と乾熱処理にともなう物性変化とを速度論的に比較し,経年にともなう物性変化は,乾熱処理によって再現される熱酸化反応で説明できることを示した.一方で,樹種によっては,乾熱処理のみではなく,湿熱処理によって再現される水分が関係する反応の影響も考慮する必要があることも解析の結果から明らかになった.本研究では,湿熱処理にともなう物性変化と,経年による物性変化とを比較することにより,経年変化の温度依存性,湿度依存性,さらにはそれらの繰り返しによる効果を考察するものである.本年度は,温度100°C以下,相対湿度95%以下の解放系で湿熱処理を行うべく,処理装置の導入と特性把握のための作業を行った.予定している処理温度・湿度のうち,最も速く物性が変化すると思われる高温高湿条件での処理を行い,実験室的な処理時間内に検出可能な物性変化が起こるかどうかを検討する予備実験を行った.その結果,針葉樹試料では予想より速い速度で,また広葉樹試料ではそれ以上の速さで物性変化が起こっていることが分かった.この結果をもとに,次年度はさらに低温・低湿度の処理条件にて湿熱処理を進める.電源環境が装置に合わず電源工事が必要となったため,また,当初予定していた装置よりもより耐腐食性の高いものに変更したため,装置の導入が予定よりもやや遅れた.そのため,湿熱処理の開始も遅れた.一方で,当初の予想よりも短い処理時間で物性変化が見られたため,湿熱処理に必要な期間を短縮でき,必要な湿熱処理を研究期間内に終えることができると考えている.本研究は,木材の経年変化メカニズムを解明するため,経年変化を,熱と水分の両方がかかわる物理化学的反応として統一的に捉えることを目的としている.本年度は,様々な処理条件で湿熱処理をおこなった.処理にともなう木材の材質変化について温度依存性と湿度依存性を明らかにし,それに基づいて常温での変化を予測した.7条件(処理温度95°C処理湿度95%,95°C85%,95°C75%,95°C65%,85°C95%,75°C95%,65°C95%)でヒノキ材の湿熱処理を行い,各種材質を測定した.処理時間は最長1ヶ月とした.湿熱処理にともなってヤング率の変化は見られず,色は暗色化した.これは経年による変化と同様であった.平衡含水率については,処理湿度によって増加・減少の傾向が異なるという結果であったが,測定の信頼性を上げるため再測定する予定である.色変化の温度依存性は,既往研究で報告されている通りアレニウス則に従い,色変化の湿度依存性は湿度に対して線形であった.明らかになった温度依存性・湿度依存性から,常温(15°C,相対湿度74%)での変化を外挿予測したところ,実際の経年変化の速度にかなり近いことが分かった.このことから,経年変化には水分が存在することによって起こる反応が関わっている可能性が支持された.また,予備実験としてケヤキおよびスプルースについてもいくつかの条件で処理を行ったが,材質変化の速さに樹種依存性がみられ,ケヤキは他の樹種に比べ速かった.1年という短い時間で湿度依存性を明らかにし,実際の経年変化との比較まで進めることができた.湿熱処理条件が少ないので最終的な結論は待たなければならないが,計画した方法で成果が得られるであろうことが示唆された.また,所有していない測定機器についても,他機関の協力を得,順調に測定を進めている.これまでに応募者らは,経年にともなう物性変化と乾熱処理にともなう物性変化を速度論的に比較して研究を行ってきた.その結果,木材の経年変化メカニズムを解明するためには,乾熱処理によって再現される熱酸化反応だけではなく,湿熱処理によって再現される水分が関係する反応の影響も考慮する必要があることが示された.

そこで本研究では,湿熱処理にともなう物性変化と,経年による物性変化を速度論的に比較することにより,経年変化の温度依存性,水分依存性,さらにはそれらの繰り返し効果を考察する.これにより,木材の経年変化を,熱と水分の両方が関わる物理化学的反応として理解することを目指す.本年度は,昨年度までに様々な処理条件(温度65°C95°C,相対湿度65%95%)でおこなった湿熱処理によって得られたデータをより詳しく考察した.湿熱処理による平衡含水率について,測定方法を改良して再測定をおこなった結果,伐採から乾燥までの間に起こった可逆的な吸湿性の変化と,処理により起こった可逆的な吸湿性の変化,および処理により起こった不可逆的な吸湿性の変化の組み合わせによって説明できるであろうことが分かった.確認のための追加実験として処理後試験片の吸湿処理を行い,再吸湿によって可逆的な含水率変化と不可逆的な含水率変化を分離することを試みる.昨年度のデータをさらに詳しく解析したところ,今回実験した相対湿度の範囲(65%95%)の間では,色変化の速度が湿度に対して線形的に見えるものの,先行研究で行った全乾状態での熱処理のプロットまで含めると,低湿度側で大きく速度が小さくなる曲線的な関係であることが分かった.これは,湿熱処理による色変化をもたらす化学反応に,木材細胞壁の吸湿性が関わっていることを示唆しており,0%から65%の挙動を明らかにする必要がある.本研究課題では,木材の経年変化を理解するために,温度依存性のみを論じる従来の促進劣化処理を発展させ,温度依存性と湿度依存性の両方を考慮し,経年にともなう物性変化と比較することで,経年変化への熱と水分の寄与を明らかにすることを目的とした.具体的には,様々な温度条件と湿度条件を設定した木材の湿熱処理をおこない,測定した物性変化から常温・常湿での物性変化を予測し,実際の経年による物性変化と比較した.その結果,実際の経年における物性変化は,湿度が高い状態での熱処理と同様の反応であり,それは温度を上げることによって促進できることが示唆された.次年度以降は,当初の予定通り,様々な処理温度・湿度での湿熱処理を進める.また,処理が終了した試料から,物性測定(色,ヤング率)および近赤外スペクトル測定を行う.湿熱処理によって明らかにされた温度・湿度依存性から,常温での変化を予測するためには,まだ処理条件が不足している.本年度着手できなかった他の処理条件についても湿熱処理を進め,予測の精度を上げる.また処理後の試料について,経年変化の物理的・化学的メカニズムを明らかにするため,各種測定を行っていく予定である.木質物理,木質文化財科学湿熱処理装置(恒温恒湿器)導入にともなう予想外の電源工事や,より耐腐食性の高い装置への変更のため,装置導入の次期が遅れた.これにより,湿熱処理の開始や物性測定が遅れたため,これらに必要な経費を当該年度に使用することができなかった.作業補助のための人件費を計上していたが,代表者と本テーマを卒業論文テーマとした学生のみで本年度予定していた作業を終えることができた.次年度使用額および当初予定していた28年度分助成金のいずれも,恒温恒湿器のための消耗品費および物性測定のための消耗品費として使用予定である.28年度の成果を利用して,29年度はより大規模に実験をおこなうため,作業補助の人件費として使用する予定である.
環境感受性が高い沿岸魚類の食生態分析に基づく環境汚染動態解析手法の開発

近年、東京湾などで内分泌攪乱作用が報告されているコノシロは、汽水湖沼である島根県の宍道湖では、大量死が発生して問題となっている。本研究では宍道湖に生息するコノシロについて、東端の高塩分水逆流口にあたる位置と西端の淡水流入口に近い位置で、定置網を用いてサンプルを採取した。また6月から夏季の長期に渡って斃死個体が観察されたので、それらも採取し、ダイオキシン濃度と体サイズ、成熟度、生息塩分を反映する複数の指標との関係を分析した。従来、貧酸素によるとされていた宍道湖でのコノシロの大量死は、貧酸素でないときにも発生していた。定置網で漁獲したサンプルと斃死サンプルの体長・湿重量・生殖巣重量(GW)の測定から、大量死は生殖腺重量指数(GSI)の低下時期、即ち、産卵の終期と一致していた。これにより、大量死は産卵による体力低下に関係していると推測した。ダイオキシン濃度と相関が高かった指標はGWとGSI(GW(g)/全重量(g)x10^2)であったが、GWとGSI同士の相関も高いので、この2つは同じ現象、すなわち、性的に成熟するにつれてダイオキシン濃度が高くなることを示すと解釈した。4月に東端で採取された個体、6月に浮遊死体として回収された個体、12月に東西両端で採取された個体を比較すると、サンプル数が少ないのでその差に有意性は得られなかったものの、6月に大量死した個体は、その他の個体よりダイオキシン濃度が若干高かった。ダイオキシン分析を行った個体以外について行った6月における大量死個体と生残個体とを比較すると、GSIに有意差がなかったことから、産卵期に向けて脂肪を蓄積したコノシロのうち、より多くダイオキシンを取り込んだ個体が、免疫力や浸透圧調節などの機能を低下させて死亡しやすくなり、大量死した可能性が考えられた。近年、東京湾などで内分泌攪乱作用が報告されているコノシロは、汽水湖沼である宍道湖で毎年大量死が発生して問題となっている。本研究は海産種のコノシロが、いつ、どの位のサイズで宍道湖に侵入するのか、デトリタス食とされている本種が具体的にどのような物を食べているのか、また同化された有機物は湖のどこで生産されたものか(淡水河川の影響が強いところか、逆流する高塩分水の影響が強いところか)を明らかにし、さらに、大量死が生じた際には、死亡個体群が湖のどの場所で摂餌していたかを安定同位体比を測定して解析して、大量死をもたらした物質が農業起源(淡水側)か、都市排水起源(高塩分水側)かを推定することを目的としている。本年度は宍道湖東端の高塩分水逆流口にあたる位置と西端の淡水流入口に近い位置で、予備的に行っていた3月の採取を含め、2002年3月から2003年1月にかけて毎月定置網でサンプルを採取した。また6月から夏季の長期に渡って斃死個体が観察されたので、それらも採取した。サンプルは体長、湿重量、生殖巣重量を測定した。筋肉部は冷凍保存後凍結乾燥してホモジナイズし、29サンプルについてダイオキシン濃度を分析した。安定同位体比は現在、分析中である。消化管内容物を検鏡するサンプルは、別途刺し網を用いて採取した。サンプルはホルマリン固定を施して保存してあり、近日中に検鏡する。これまでの分析で、斃死が始まった6月には雌雄共に産卵・放精によって生殖巣が萎縮していることが分かった。

また死亡個体とそうでない個体ではどちらも繁殖後の生殖巣の萎縮が認められたが、斃死個体のサイズの方が大きめであった。近年、東京湾などで内分泌攪乱作用が報告されているコノシロは、汽水湖沼である島根県の宍道湖では、大量死が発生して問題となっている。本研究では宍道湖に生息するコノシロについて、東端の,高塩分水逆流口にあたる位置と西端の淡水流入口に近い位置で、定置網を用いてサンプルを採取した。また6月から夏季の長期に渡って斃死個体が観察されたので、それらも採取し、ダイオキシン濃度と体サイズ、成熟度、生息塩分を反映する複数の指標との関係を分析した。従来、貧酸素によるとされていた宍道湖でのコノシロの大量死は、貧酸素でないときにも発生していた。定置網で漁獲したサンプルと斃死サンプルの体長・湿重量・生殖単重量(GW)の測定から、大量死は生殖腺重量指数(GSI)の低下時期、即ち、産卵の終期と一致していた。これにより、大量死は産卵による体力低下に関係していると推測した。ダイオキシン濃度と相関が高かった指標はGWとGSI(GW(g)/全重量(g)x10^2)であったが、GWとGSI同士の相関も高いので、この2つは同じ現象、すなわち、性的に成熟するにつれてダイオキシン濃度が高くなることを示すと解釈した。4月に東端で採取された個体、6月に浮遊死体として回収された個体、12月に東西両端で採取された個体を比較すると、サンプル数が少ないのでその差に有意性は得られなかったものの、6月に大量死した個体は、その他の個体よりダイオキシン濃度が若干高かった。ダイオキシン分析を行った個体以外について行った6月における大量死個体と生残個体とを比較すると、GSIに有意差がなかったことから、産卵期に向けて脂肪を蓄積したコノシロのうち、より多くダイオキシンを取り込んだ個体が、免疫力や浸透圧調節などの機能を低下させて死亡しやすくなり、大量死した可能性が考えられた。
インド生活時間ミクロデータを用いたアジア7カ国の国際比較研究

本研究は、先進国においても生活時間調査のミクロデータが公開されている国は数カ国にとどまる中で、インド政府生活時間調査のミクロデータを分析し、その結果を用いて、これまでに比較研究されていない南アジア地域であるインドを含めたESCAP地域諸国の7カ国(日本、韓国、タイ、カンボジア、オーストラリア、ニュージーランド)の生活時間国際比較を行うものである。インドの生活時間調査のミクロデータは、通常ミクロデータを読み取るために必要とされるコードブックがないため、インド政府統計局とコンタクトを取りながら,データの不明な箇所についてのやりとりを続けている。また、インドの労働、ジェンダーを中心とする社会的課題と現状の把握のため、文献を収集した。文献の収集は計画以上に時間がとられ、現在の先行研究を続けている。研究代表者は、今回、ミクロデータを使っての分析が初めてであったが、この作業において、ミクロデータに精通していることが、データ操作及び分析において必須であることを痛感した。そのため、生活時間及び、ミクロデータ操作に詳しい東京学芸大学教授大竹美登利氏に研究協力を依頼し,技術的なデータの解析について有効な方法についてヒヤリングを行った.氏からは、まず手始めに、社会生活基本調査のミクロ統計データを利用して分析をすることを勧められたため、一橋大学経済研究所附属社会科学統計情報研究センターに社会生活基本調査のミクロデータ利用を申請し、2つの研究目的:(1)男女雇用者のワークライフバランスの現状と課題、(2)家族状況の相違による学校教育期の子どもの生活時間の経年変化についてミクロデータを利用して分析を行った。この分析過程により、インドのミクロデータについても理解が深まった。なお、この結果については、インドのミクロデータとの比較が可能な部分について、分析を行っていく予定である。本研究は、先進国においても生活時間調査のミクロデータが公開されている国は数カ国にとどまる中で、インド政府生活時間調査のミクロデータを分析し、その結果を用いて、これまでに比較研究されていない南アジア地域であるインドを含めた生活時間調査の国際比較を行うものである。比較対象の国はインドの他、日本、韓国、タイ、カンボジア、オーストラリア、ニュージーランドの6カ国であり、比較データは、各国の政府レベルで実施された生活時間調査の結果を用いた。まず、データの特性条件を統一するため最もベーシックなデータを用いることとし、週の全体平均で、各行動分類別の男女別1日の総平均時間のデータを比較対象データとした。このデータを基にして、横断的比較のためにデータを調整する枠組みである「新4大生活時間分類」を用いて6カ国(タイを除く)の生活時間比較を行った。また、男性と女性の平等度の指標ERTU(Equality Ratios in Time Use)を用いて7カ国比較を行った。インドの生活時間の特徴としては、女性の家事に相当する「世帯維持、管理、買い物」の時間が長く、6カ国中においても最も長い。またこの項目は、ERTUにおいても男女差が大きい韓国(8.0)よりも大きく(8.3)、他国に比べ就業に関する項目のERTU値が低いことから7カ国の中でも性役割分業が顕著である。インド生活時間のミクロデータは、ユーザがデータを解読するための資料がなく、インド政府の統計担当者と資料の送付や電子メールでのやり取りを重ね、当初の研究計画以上にミクロデータの解析に時間を費やした。そのため、今回はインドの都市部を中心とした州のデータの分析に留まった。地方の州のデータ分析を今後の課題としたい。
グライコミクスによる変形性関節症の早期診断に有効な血清糖鎖マーカー探索

変形性関節症の早期診断のための血清マーカーの探索を目的に研究を進めた。変形性膝関節症(OA)患者および健常者の血清5-20μ1を用いた。血清中からグライコブロッティング法を用いて高速(5時間程度)かつ高効率に、糖蛋白質からN-結合型糖鎖の遊離精製を行った。得られたN-結合型糖鎖をMALDI-TOF/MSに供することで、各糖鎖構造を推定し、内部標準物質のピーク面積からの比例計算により定量化を行った。解析は現在進行中である。患者検体はX線所見にて膝OAと診断されたKellgren-Lawrence分類grade 2-4の患者より採取している。糖鎖解析は、本申請者が中心となり西村、天野らの協力のもと行っている。独自に開発したグライコブロッティング法は従来の解析法に比べ飛躍的に解析時間の高速化と高効率性を実現し、これまで困難とされていた大規模糖鎖解析を可能とし、本研究で予定している検体数の解析を早急に進めているところである。統計学的解析によりAUC(Area Under the Curve)が0.85以上の糖鎖およびその組み合わせを抽出する。先行研究の結果より、5から10程度の候補糖鎖および組み合わせが予想される。さらに、糖鎖関連分子のOAの病因における機能的役割を解明するためにスフィンゴ糖脂質を軟骨組織特異的にノックアウトしたマウス(UgcgKOマウス)を用いてOAモデルを作成し、その機能解析を行った。その結果、GSLsは軟骨の発生や分化には必須ではないが、正常な軟骨代謝を維持し、OA進行を抑制する機能を持つことが示唆された。
マイクロ遺伝子重合法を用いた人工バイオシグナル分子創出系の確立

既存の遺伝子に依存しないで、自由に機能性タンパク質を試験管の中で人工創出する実験系を開発している。2年間の本研究では特に、「新しいバイオシグナル分子としての人工タンパク質を自由に創り出す系を確立する」ことを目標として、11年度の研究では、(1)人工タンパク質を固定したニトロセルロース膜を用いた細胞接着スクリーニング系の確立、(2)ニトロセルロース膜を利用しない人工タンパク質の細胞接着活性測定系の構築、の2つを目標とした。(1)では、精製した人工タンパク質をニトロセルロース膜にスポット固定し、培養細胞(Sf-9)と、室温で2時間インキュベート後、洗浄し、細胞をアミドブラック染色することにより、細胞接着活性を示す人工タンパク質を選択することが可能となった。この手法を用いることにより、20種の人工タンパク質の中で、1種(#331)が細胞接着活性を持つことが明らかとなった。この#331人工タンパク質を用いることにより、アガロースビーズを利用した、細胞接着活性測定系をさらに構築した。これは、#331人工タンパク質のN末に存在するポリヒスチジントラクトを特異的に結合する、NTAアガロースビーズを利用することにより、アガロースビーズの表面に#331人工タンパク質をコートし、これを培養細胞(Sf-9)とインキュベートすることから、細胞をアガロースビーズの表面に吸着させる方法である。磁気金属の封入されたNTAアガローズビーズを利用することにより、迅速に非特異的結合細胞を洗浄できる系も構築することに成功した。これらの2つの技術を利用することから、今後、大規模な細胞接着活性を持つ新しいバイオシグナル分子としての人工タンパク質をスクリーニングすることが可能となった。「新しいバイオシグナル分子としての人工タンパク質を自由に創り出す系を確立する」ことを目的とした基礎実験を進めている。今年度は、大腸菌で発現させた人工タンパク質ライブラリーを大規模にスクリーニングする実験系の構築を進めた。人工タンパク質を発現する大腸菌を96穴のプレートで培養し、培養液を底がDEAEフィルターとなっている96穴プレートに移す。このプレートを凍結・融解の繰り換え処理をすることにより多量発現した人工タンパク質を菌体外に放出することが可能である。放出された人工タンパク質は、そのまま吸引によりDEAEフィルターを素通りさせ、ニッケルカラムの固相化した96穴のプレート回収する。人工タンパク質のN末にはポリヒスチジン配列が存在するため、人工タンパク質のみがこのプレートに固相化する。バックグラウンドのタンパク質を洗浄して最終サンプルとした。このようにな手順で、一度に96サンプルを扱え、短期間で簡便に人工タンパク質を疏抽出できる実験系が構築できたが、コストが高くつくといった問題を含んでおり、コストを下げるように手順の改良をおこなっている。次に、特定の人工タンパク質の誘導体ライブラリーを効率よく産生するための新しい手法を確立した。これは、マンガン金属存在下でPCRをおこなうことにより高い変異を導入するミュータジェネシスPCR法と、目的とする遺伝子を一度断片化してから、再構成することにより変異体を作成するシャッフリングPCRを融合させたような方法である。現在扱っている人工タンパク質は、高い繰り返し性を有しているので、Dnaselによる部分切断後、マンガン金属存在下でサイクル反応をおこなうことにより、変異導入度の極めて高いライブラリーを作成することができるようになった。特に、ミュータジェネシスPCR法ではあまり得られない欠失変異が多いのが特徴で、新しい変異体ライブラリー作成方法として汎用性が高いと考えられる。
研究機関から一般社会への成果発信に関する調査研究

本研究は、1.大学・研究機関の医療・健康関連の研究成果の広報の実態をプレスリリースアーカイブのデータ分析から明らかにすること、2.メディアによる研究成果周知の実態を新聞DBおよびクローリング検索エンジン等を用いて把握するともに、報道に至ったプロセスを、広報担当者および記者・編集者のインタビューから明らかにすること、3.これら実態を踏まえ、研究成果の発信の具体的な評価尺度を開発し、望ましい広報体制の在り方を示すことを主な目的とする。これにより、研究成果がより一層、社会に発信・還元されてくことを目指す。
次世代多階層生体機能シミュレーション基盤構築と実証研究

生理機能の多階層的モデル構築をサポートするため、モデル記述言語(PHML)を開発した。さらにプラットフォームであるPhysioDesigner、ならびにそれらのモデルシミュレーションを実行するアプリケーションFlintを開発し、ウェブサイトにて公開した。また、心臓の拍動リズム制御や不整脈に関する研究も行った。G蛋白質制御カリウムチャネルやhERGチャネルの機能を実験科学的に解析すると共に、数理モデル化とシミュレーションによる理論研究を進めた。イオンチャネルの機能や制御、その局在が心機能に果たす役割に関して新たな知見を多く得ることができ、不整脈の制御に関する新たな戦略を提案することができた。本研究の目的は、新しい次世代のフィジオーム・システムバイオロジーシミュレーション基盤を開発することにある、これまでに開発を進めてきたシミュレーション基盤ソフトウェア(insilicoIDE)の更なる洗練化・機能の充実を計ることで、より新しいオーブンな基盤ソフトウェア(PhysioDesigner)のプロトタイプ開発を行った。本基盤ソフトウェアを広く公開し、多くのユーザーに使用してもらうための普及活動も並行して実施した。一方、心組織構造と機能連関の実証研究の一環として、(1)心筋細胞の微細構造に基づくCa^<2+>動態、(2)心組織モデル上での興奮伝播シミュレーションを実施した。自律神経作用下においてCa^<2+>動態は極めて重要であるが、Ca^<2+>の時空間的動態計測が困難であることもあり、現在のところCa^<2+>動態を正確に再現できる心筋細胞モデルは存在しない。先行研究により、Ca^<2+>イオンの細胞内拡散は、純水中の拡散に比べ、拡散速度が低下することが予想されていた。本研究により、カルモジュリン分子の様なCa^<2+>バッファとCa^<2+>イオンとの相互作用が、Ca^<2+>拡散速度の低下に寄与することを解析的に示した。また心組織モデルの興奮伝播シミュレーションから以下が明らかとなった:1)心内膜-心外膜間では、興奮の終了(再分極)時間に時間的な差が存在する。心室壁におけるこの再分極時間のばらつきは、心室、頻拍の維持に車要な役割を担っている可能性を提案した。2)心筋細胞の接含部に面した細胞膜にはNa^+チャネル(NaCh)が高密度に発現することが知られている。このNaChはgap-junctionによる電気的伝導度が低下した場合の興奮伝導速度の維持に寄与し、一方、.細胞側面膜に発現するNaChは、興奮伝導速度、および興奮伝導のロバスト性の増加に大きな寄与をなす可能性が示唆された。本研究の目的は、次世代のフィジオーム・システムバイオロジーシミュレーション基盤を開発することにある。また理論研究と実証研究を有機的に実施し、心臓の電気活動の分子レベルから組織・臓器レベルまでの統合的な理解を得ることも目的としている。昨年度に引き続き本年度も、多階層の生体モデル構築・シミュレーションが可能なソフトウェア(PhysioDesigner)の研究開発を進めた。特に細胞内シグナルパスウェイ・ネットワークのモデル構築・シミュレーションソフトウェアのデファクトスタンダードとなっているCellDesignerとの連動性を高め、またより親しみ易いユーザーインターフェースの研究開発を実施した。その成果として、PhysioDesigner第一版ソフトウェアを公開した。これによって、フィジオーム・システムバイオロジーシミュレーション基盤の研究環境が整い、多階層生体機能学の確立の礎ができた。一方、不整脈の発症や治療に関連する実験研究も実施した。心筋細胞の電気的興奮性の制御で重要な役割を果たすhERGチャネルの研究では、開口促進作用を有する薬物の作用を系統的に解析し、結果として阻害とは異なる相互作用によってチャネルの活性化ゲート機能が変化すること、薬物毎にゲート機能への作用の強度が異なることを示した。さらに、この作用に関わる薬物のファーマコフォアモデルの構築に成功した。これにより、化学物質の構造からhERGチャネルに対する作用予測も可能になった。また、心拍のリズム制御に重要な役割を果しているG蛋白質制御カリウムイオンチャネル(Kir3.2)と無機イオンとの相互作用を解析し、チャネルの閉口機能や阻害の構造的基盤を明らかにした。これらのカリウムチャネルの分子制御機構の解明は、薬物や無機イオンの心臓機能への影響の理解と新たな抗不整脈薬の開発につながる。本研究の目的は、次世代のフィジオーム・システムバイオロジーシミュレーション基盤を確立することにある。また理論研究と実証研究の両面から、心臓電気活動の分子レベルから組織・臓器レベルまでの統合的な理解を得ることも目的としている。昨年度に引き続き本年度も、生体機能の多階層的モデル構築をサポートするためのプラットフォームであるPhysioDesigner、ならびにシミュレーションソフトウェアFlintの研究開発を進めた。平成25年4月に第1版のアップデート版である1.0beta4をリリースした後、7月(1.0beta5)、10月(1.0beta6)、平成26年1月(1.0beta7)と約3ヶ月のサイクルでマイナーアップデートを繰り返し、平成26年3月に1.0RC1版を公開した。これらのアップデートにより、1)ソフトウェアの操作性と安定性のさらなる向上、2)アニメーション・可視化システムの統合、3)Flintのハイパフォーマンスコンピューティング、クラウド対応、4)データベースの構成見直しと利用者の更なる利便性の向上を達成した。一方、心臓の拍動リズム制御(特に心臓徐脈)に関わる分子機構を実験的に解析した。G蛋白質シグナル伝達を制御するRGS4の機能がムスカリン(M2)受容体依存的である可能性を示す新たな知見が得られた。