hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
時間分解プラズモン励起発光イメージングを用いたノロウイルス検出システム研究

我々が開発した抗ノロウイルス抗体である12A11抗体の性状解析を行い、この抗体が遺伝子型の異なるノロウイルスにも広く反応することを確認した。この抗体を用い、量子ドットを蛍光標識として、アルミニウムを表面プラズモン共鳴励起層に用いた蛍光増強型のバイオセンサによってノロウイルスのウイルス様粒子の検出試験を行い、測定領域内にウイルス様粒子がおよそ100粒子あれば検出可能であることを示した。また、時間分解イメージングを導入することによってセンサチップの自家蛍光によるノイズと蛍光色素による信号光を区別することに成功し、さらに4倍の高感度化に成功した。システム開発では、蛍光標識として量子ドットを選択し、今回の検出目的に最適と考えられる波長特性を有する量子ドットを選定した。選定した量子ドットは紫外光励起で強く発光するため、紫外領域での表面プラズモン励起条件を確定し、検出システム全体の設計を行うと共に、光源の選択も行った。予定を前倒しして、センサチップ試作にも着手できた。また、時間分解測定用イメージセンサの諸元を決定するための基礎データとなる、分光感度を自動計測するシステムを構築した。また、画素サイズが縦5.6um×横11.2umのイメージセンサで時間分解能を計測し、立ち上がり・立ち下がり時間が1ns以下であることを確認し、本研究に適用可能であることを確認した。プローブ開発では、抗ノロウイルスファージ抗体の中で、キャプチャー抗体として最も適していると考えられる交差反応性クローン12A11の大量発現・大量精製を行い、システム開発に供した。同時に、センサ抗体候補として、抗ノロウイルスウサギ抗血清中のIgG抗体を分離・精製することも行った。また、12A11のウイルス認識機構を原子レベルで解明する結晶構造解析を行うために必要な高純度の精製サンプル調製のため、12A11のFabドメイン(抗原結合ドメイン)の大腸菌による大量発現系の構築を行い、培養上清中に可溶性としてFabを発現している株を樹立することに成功した。さらに、ファージ抗体のエピトープを同定するためにチバ株およびナリタ株のVP1タンパク質を幾つかのドメインに細分化し、それぞれをSUMO融合タンパク質として発現させる大腸菌の系を作成した。また、ファージ抗体の性状解析として、宿主細胞上のウイルス吸着因子(血液型抗原)への結合阻害効果を評価した結果、ファージ抗体が、チバ株、ナリタ株だけでなく、他のノロウイルス株の血液型抗原への結合も阻害することを明らかにした。検出システムの開発では、選定した蛍光標識及びセンサチップ基板材料に対して、蛍光寿命(LT)測定を行い、蛍光標識による蛍光信号と基板の自家蛍光をLTの違いを用いて分離することを試みた。選定した基板材料のLTは5ns程度であり、選定した5つの蛍光標識のLTは、最も短いもので21.2ns、長いものでは131nsであり、信号分離が十分に可能であることを確認した。開発したノロウイルス検出システムにおいて、蛍光波長625nmの蛍光標識を用いて時間分解画像取得に成功した。プローブ抗体として12A11を用いて、0.1 ng/mlのウイルス様粒子検出に成功した。プローブ開発では、12A11に加え、プローブ抗体の候補となりうる他の5抗体について、各抗体が認識するエピトープ部位の関係をエピトープブロッキングELISA法で検討した。また、これらのエピトープ領域を同定するため、サブドメイン毎に分割したキャプシドタンパク質(VP1)の大腸菌による発現系を構築した。12A11の結晶構造解析を行うために現状一本鎖である12A11抗体を安定性の高い二本鎖のFabに組み替えた。発現系も大腸菌から酵母に変更、一本のポリペプチド鎖から宿主の内在性プロテアーゼでの消化で二本鎖のFabとして分泌される系を立ち上げた。発現させたFabの抗原との結合性を確認することができた。また、藤田保健衛生大学で得られた3種の遺伝子に対し、各抗体分子のC末端にStrepタグを付加した遺伝子を作成し、大腸菌での発現を試みた。また、宿主細胞上のウイルス吸着因子(血液型抗原)への結合阻害効果の評価を行った結果、10遺伝子型10株に対する阻害効果の評価を達成した。交差反応性の高いファージ抗体は、他の遺伝子型株の血液型抗原への結合も阻害した。一方、交差反応性の低い抗体は、他の遺伝子型株の血液型抗原への結合は阻害しないことを明らかにした。本開発では、ノロウイルス検出システムの開発において、時間分解イメージング技術を用いた高感度なシステムの構築を目標としている。これまでに、時間分解測定法を用いることによってノイズとなる基板からの自家蛍光と、蛍光標識からの信号光とが、明確に分離可能であることを確認することができ、本手法の有効性を確認できている。また、実際の時間分解イメージの取得、ウイルス様粒子(VLP)の高感度検出の実証にも成功しており、目標に向かって順調に研究を進めることができている。プローブ開発では、いずれもGII内交差反応性である12A11と12B10のエピトープは一部重複しているが、それらとGII.4特異的抗体12A2のエピトープは独立している可能性が高いこと、また、GI-GII間交差反応性抗体CV-1A5とGI内交差反応性抗体CV-2F5とのエピトープは重複しているが、GI.4特異的抗体CV-1A1のそれとは独立している可能性が高いことが判明した。また、サブドメイン毎に分割したVP1の大腸菌による発現にも着手し始めた。

このように、抗体の性状解析において再現性のある安定した結果を得ている。これは、VLP作製系が安定して行えていることを指す。結晶構造解析では、結晶化を目指して二本鎖抗体としてのFabを精製、予定通り結晶化実験に着手することができた。現在、発現精製量のスケールアップ、特に培養情勢からの効率の良いキャプチャー方法の改善と発現コンストラクトの微調整に取り組んでいる。また、簡便に大腸菌からヒト型抗体分子を得る目的を達成することができた。今後、より多くの抗体を発現、回収できるよう検討したい。このように、プローブ開発におけるこれらのエピトープ解析、結晶構造解析を通じて、より広い交差反応性とより高いアフィニティーを持ったプローブ開発が期待できる状況となっている。ノロウイルス(NoV)のウイルス様粒子(VLP)、12A11抗体及び抗NoVポリクロナール抗体を用い、Alを表面プラズモン共鳴励起層に用いたV溝プラズモンバイオセンサーによってVLP検出試験を行い、測定領域内にVLPがおよそ100粒子あれば検出可能であることを示した。また、センサーチップの自家蛍光によるノイズ成分と蛍光色素による信号光を区別するために、時間分解イメージングによって蛍光寿命の差を用いた信号分離を行うことによってノイズと信号成分の分離ができることを示した。蛍光寿命測定用システムは、高時間分解CMOSイメージセンサを用いて開発を行った。多成分の蛍光寿命分離のために、励起光と撮影タイミングを自動走査する機能をカメラに内蔵し、また、オンラインでの蛍光寿命画像表示を可能としたことにより、より簡便に時間分解画像を取得することが可能となった。プローブ開発では、12A11抗体の性状解析を行い、この抗体がGII.4遺伝子型株だけでなく他の遺伝子型株のVLPのウイルス吸着因子への結合も阻害することが明らかになり、12A11抗体の交差反応性の高さを実証できた。12A11抗体の抗原認識機構を明らかにするために、抗体のFabへの組み替え、大量発現、結晶化実験を行った。メタノール資化性酵母を発現宿主とする分泌発現系を樹立、精製用のタグなどのコンストラクトの最適を行い、1精製ロットあたり1.2 mgの精製抗体を得ることに成功し、この精製標品から結晶を得て、X線回折像を確認することができた。また、12A11を含む6つの抗NoVファージ抗体に対し、44人の健常人血清を用いたエピトープブロッキングELISAを行って、ファージ抗体と同じエピトープを認識する抗体が生体内で誘導されているかを調べたところ、いずれも誘導されており、6抗体が感染防御や感染症治癒に役立っていることが示唆された。我々が開発した抗ノロウイルス抗体である12A11抗体の性状解析を行い、この抗体が遺伝子型の異なるノロウイルスにも広く反応することを確認した。この抗体を用い、量子ドットを蛍光標識として、アルミニウムを表面プラズモン共鳴励起層に用いた蛍光増強型のバイオセンサによってノロウイルスのウイルス様粒子の検出試験を行い、測定領域内にウイルス様粒子がおよそ100粒子あれば検出可能であることを示した。また、時間分解イメージングを導入することによってセンサチップの自家蛍光によるノイズと蛍光色素による信号光を区別することに成功し、さらに4倍の高感度化に成功した。
sp^3混成とsp^2混成軌道を含む炭素材料のCVD法によるダイヤモンド合成への影響

従来、CVD法によるダイヤモンド合成では、原料としてsp^3混成軌道をしているメチル基を持った直鎖構造のCH_4,CH_3OH,CH_3COCH_3などが主として用いられてきた。最近、われわれは、環状化合物であるシクロヘキサンとベンゼンからダイヤモンド粒子と薄膜の合成に成功した。前者は、sp^3混成軌道をしている炭素を6個もち、後者は、sp^2混成軌道をしている炭素を6個持っている。環状化合物でsp^2混成軌道をしている炭素を含む分子からダイヤモンドが出来たのである。さらに、ベンゼンの誘導体であるアニリンからもダイヤモンドの合成に成功し、ベンゼンとアニリンの混合溶液の比率を変えて、ダイヤモンド薄膜を作り、X線回折図形から格子定数を算出したところ、アニリンの量に比例して格子定数が減少した。これは、ダイヤモンドに窒素がドープされていることを示唆している。ホール効果を測定すれば、半導体がn型かどうか、キャリアー濃度ともわかるのだが、装置がないため実験できないでいる。科学研究補助金で購入したガスクロで、反応管から出てきたガスを徹底的に分析し、CH_4,NH_3を検出している。これより、ベンゼン環が切断されていることが予想される。したがって、反応は、のように起こっていると予想される。これが、本研究の最大の成果である。これらを確かなものにするため、更なるガス分析、ホール効果の測定など行う必要がある。
都市社会基盤施設を支える地盤構造物の耐震評価と既存構造物の耐震補強に関する研究

都市社会基盤施設を支える地盤構造物の耐震安定性評価手法を新しく開発した。この方法によると,従来地震力を静的慣性力に置き換えていた方法と異なって,地震波の周期や繰り返しなどの履歴の影響の他に,荷重方向の反転による構造物の安定性低下や地盤・土構造物のダンピング特性などを考慮して構造物の安定性を評価できる特徴がある。本研究では解析手法を新たに開発すると共に,基盤で(1)正弦波加速度波,(2)不規則加速度波を与える条件の下で盛土の安定性の評価を試みた。その結果,地震波の周期による盛土の安定性の差異や,特定の周期における盛土の安定性の低下を表現することができた。この安定性の低下は盛土の共振現象に対応している。また,地盤及び盛土のダンピング特性はレーリーダンピングモデルを用いて評価したが,ダンピング特性の大きい場合には盛土の安定性は高く,また小さい場合には低く評価することができた。基盤にて不規則波を与える際の盛土の安定性についても検討を行った。鉄筋やジオテキスタイル等による構造物の補強が注目されているが,本研究ではこれらを線材にモデル化して解析に取り込み,配置や強度,曲げ剛性等の耐震補強効果に与える影響について数値解析を用いて各種の検討を行った。その結果,これらの線材による補強効果は無補強に対して確かに認められるものの,劇的な補強効果は見られなかった。盛土のり面においてフェーシングを施す方法と補強材とを結合して用いる補強を行うと,補強効果がかなり大きく得られ,このような施工が耐震安定性の向上には必要であることを明らかにした。
マウス舌発生と連携した舌下神経軸索の伸長誘導を制御する分子機構

本研究の目的は、舌運動を担う舌下神経の発生に焦点を絞り、後頭神経核から遠隔の舌原基までの軸索伸長を誘導する分子制御の仕組みを明らかにすることである。舌下神経は舌運動を支配する舌組織唯一の運動神経である。舌運動支配のために舌下神経と舌筋が連結するには、舌下神経軸索が舌組織の正確な部位まで伸長していることが前提となる。今までの私たちの研究から、マウス舌初期発生では、後頭神経核から起始した舌下神経軸索は、先行する舌筋前駆細胞の移住経路を辿って伸長し舌原基にまで到達することが想定された。この仮説を実証するために、本年度では、まず胎生9.512.5日のICRマウスの連続切片を筋系譜(Desmin)と神経軸索(Gap43)の特異抗体で二重標識し、後頭領域から舌原基までの舌筋前駆細胞の移住と舌下神経軸索の伸長の過程を追跡した。その結果、1舌下神経軸索は胎生10.5日に後頭体節の近傍にある複数の後頭神経核から起始し、収束後、節間動脈近傍の間充織と第6→2鰓弓を経て舌原基までの長距離を決まった経路を辿って伸長し、約24時間で(胎生11.5日頃)到達する。一方、舌筋前駆細胞は後頭体節の軸下先端部から出芽し、細胞集団として体幹間充織を遊走、第4→2鰓弓を経て、胎生10.5日に下顎突起中央部に達することをそれぞれ再確認できた。2神経軸索と筋前駆細胞を標識した3次元観察では、後頭神経核から起始した舌下神経軸索は後頭体節近傍の体幹間充織内で先行して遊走する舌筋前駆細胞の集団と合流後、細胞集団のなかを互いに接触しながら伸長し、下顎突起正中部の外側舌隆起直下に到達するのが確認できた。初年度では、自動回転式ミクロトームとSTSシステムを用いて、胎生9.512.5日のICRマウス頭頸部の連続切片を作製した。得られた連続切片を筋系譜(Desmin)と神経軸索(Gap43)の特異抗体で的確に二重標識する条件を設定し、後頭領域から舌原基までの舌筋前駆細胞の移住と舌下神経軸索の伸長の過程を追跡した。免疫組織化学により染色した組織切片はバーチャルスライドシステムを用いて画像をデジタル保存した(NanoZoomer HT; Hamamatsu Photonics, Hamamatsu, Japan)。ImageJ plug-inソフト(3D configurationと3D representation)を使って画像中の筋系譜(Desmin;赤)と神経軸索(Gap43;青)を色抽出して分別し、連続組織切片から伸長する舌下神経軸索と遊走する舌筋前駆細胞集団の組織立体構築を行った。後頭領域から舌原基までの舌筋前駆細胞の移住と舌下神経軸索の伸長の過程を経時的に観察し、それぞれの経路と空間的な位置関係を解析することができた。先行して実施したDNAマイクロアレイ分析を進めており、発現遺伝子のGO分類と、舌筋前駆細胞の移住および舌下神経軸索の伸長に関わる遺伝子を探索し始めている。次年度では、DNAマイクロアレイ分析を遂行し、Ingenuity Pathway Analysis(IPA)解析により発現遺伝子のGO分類と、舌筋前駆細胞の移住および舌下神経軸索の伸長に関わる遺伝子の発現を探索する。マイクロアレイ解析データから抽出された有力な候補遺伝子についてはリアルタイムPCRにより発現量の変化を検証する。高純度RNA抽出には通常104細胞を用いるが、胎生11.5日下顎突起では15凍結切片からの組織顕微切断法による回収量に相当する。また、組織空間情報に基づき、後頭神経核から舌原基に至る舌下神経軸索の伸長経路上の成長円錐を含む領域(胎生10.5日体幹間充織、胎生11.5日舌原基)を顕微切断法により採取する。対照は舌筋前駆細胞からのシグナルを受容しない三叉神経軸索等の成長円錐を含む領域とする。これらの解析結果を踏まえて、舌下神経軸索の伸長に特異的な遺伝子発現(mRNA)を制御するmicroRNA(miRNA)の解析を検討するために、miRNAマイクロアレイの実施に向けた準備を開始する。

その結果、1舌下神経軸索は胎生10.5日に後頭体節の近傍にある複数の後頭神経核から起始し、収束後、節間動脈近傍の間充織と第6→2鰓弓を経て舌原基までの長距離を決まった経路を辿って伸長し、約24時間で(胎生11.5日頃)到達する。一方、舌筋前駆細胞は後頭体節の軸下先端部から出芽し、細胞集団として体幹間充織を遊走、第4→2鰓弓を経て、胎生10.5日に下顎突起中央部に達することをそれぞれ再確認できた。2神経軸索と筋前駆細胞を標識した3次元観察では、後頭神経核から起始した舌下神経軸索は後頭体節近傍の体幹間充織内で先行して遊走する舌筋前駆細胞の集団と合流後、細胞集団のなかを互いに接触しながら伸長し、下顎突起正中部の外側舌隆起直下に到達するのが確認できた。初年度では、自動回転式ミクロトームとSTSシステムを用いて、胎生9.512.5日のICRマウス頭頸部の連続切片を作製した。得られた連続切片を筋系譜(Desmin)と神経軸索(Gap43)の特異抗体で的確に二重標識する条件を設定し、後頭領域から舌原基までの舌筋前駆細胞の移住と舌下神経軸索の伸長の過程を追跡した。免疫組織化学により染色した組織切片はバーチャルスライドシステムを用いて画像をデジタル保存した(NanoZoomer HT; Hamamatsu Photonics, Hamamatsu, Japan)。ImageJ plug-inソフト(3D configurationと3D representation)を使って画像中の筋系譜(Desmin;赤)と神経軸索(Gap43;青)を色抽出して分別し、連続組織切片から伸長する舌下神経軸索と遊走する舌筋前駆細胞集団の組織立体構築を行った。後頭領域から舌原基までの舌筋前駆細胞の移住と舌下神経軸索の伸長の過程を経時的に観察し、それぞれの経路と空間的な位置関係を解析することができた。先行して実施したDNAマイクロアレイ分析を進めており、発現遺伝子のGO分類と、舌筋前駆細胞の移住および舌下神経軸索の伸長に関わる遺伝子を探索し始めている。次年度では、DNAマイクロアレイ分析を遂行し、Ingenuity Pathway Analysis(IPA)解析により発現遺伝子のGO分類と、舌筋前駆細胞の移住および舌下神経軸索の伸長に関わる遺伝子の発現を探索する。マイクロアレイ解析データから抽出された有力な候補遺伝子についてはリアルタイムPCRにより発現量の変化を検証する。高純度RNA抽出には通常104細胞を用いるが、胎生11.5日下顎突起では15凍結切片からの組織顕微切断法による回収量に相当する。また、組織空間情報に基づき、後頭神経核から舌原基に至る舌下神経軸索の伸長経路上の成長円錐を含む領域(胎生10.5日体幹間充織、胎生11.5日舌原基)を顕微切断法により採取する。対照は舌筋前駆細胞からのシグナルを受容しない三叉神経軸索等の成長円錐を含む領域とする。これらの解析結果を踏まえて、舌下神経軸索の伸長に特異的な遺伝子発現(mRNA)を制御するmicroRNA(miRNA)の解析を検討するために、miRNAマイクロアレイの実施に向けた準備を開始する。平成30年度では、研究分担者の作業配分を効率化したことと研究の進展状況から実験補助を依頼する予定であった大学院生への謝金が予定額よりも抑えられたこと、学会参加費用は大学からの資金で賄えることができたため、次年度使用額が生じた。今後の研究の推進方策として、計画していた遺伝子発現の解析で、DNAマイクロアレイ解析で注目された遺伝子候補を増やして、これらの遺伝子候補についてリアルタイムPCRによる検証と発現パターン解析のために必要な核酸抽出試薬やリアルタイムPCR用の試薬とプライマーに使用する。
2回法および1回法インプラントの骨界面の相違に関する比較評価

本研究では,1回法と2回法による植立術式の違いによって生じる界面構造の相異を明らかにする目的で,動物実験により以下の組織学的ならびに形態計測学的検索を行った。実験1:ビーグル成犬6頭を用い,抜歯後3カ月を経過した下顎右側前臼歯部にチタン合金およびジルコニアインプラントをそれぞれ3本ずつ植立し,以下の各実験群における界面構造を比較検討した。すなわち,(1)1回法で植立後直ちに上部構造物を装着して機能圧を負荷する第1群,(2)1回法で植立後上部構造物を装着せず軟性飼料で飼育する第2群,(3)2回法で植立後粘膜で完全に被覆する第3群の3群(各2頭)とし,植立3カ月後にインプラント周囲組織の光顕観察を行うとともに,骨接触率を計測した。実験期間中,インプラントの動揺や脱落は認められず,組織学的にも全てのインプラント周囲に骨接触界面が見られた。しかし両インプラントの第1群では,頬側で骨縁レベルが低下した。骨接触率はチタン合金では第3群で他の2群より有意に高かったが,ジルコニアでは第3群が最も低い値を示し二回法への応用が困難なことが示された。実験2:6頭のビーグル成犬を用いてチタン合金インプラントを植立し,実験1と同様の3群を設け,第2群および第3群では,植立3カ月後に上部構造物を装着し,上部構造物装着12カ月後の界面構造を観察した。全てのインプラントで骨接触が証明されたが,第1群では骨縁の吸収のため頬側でねじ山が2つ程度露出していた。骨接触率は,第3群,第2群,第1群の順に高く,いずれも第3群の値が他の2群よりも有意に高かった。以上の実験結果より,チタン合金インプラントにおいて広範な骨接触界面を得るためには,インプラント植立初期に安静状態を維持することが重要であることが明らかとなり,とくに安静状態を粘膜下で確保できる2回法の優位性が示唆された。平成4年度は,全群において,インプラントを12カ月齢ビーグル犬下顎右側前臼歯部に植立した。また,観察期間を機能圧を負荷しない3カ月に設定した群では,観察期間中インプラントの脱落はなく,臨床的に動揺は認められなかった。また,インプラント周囲にX線透過像は観察されず,1回法のインプラントではペリオテストの測定値もマイナス値を示すなど,直接的骨接触界面が獲得されていると考えられた。組織学的には,全てのインプラントにおいて直接的な骨接触が認められたが,チタン合金製インプラントにおいては2回法の方が1回法に比べ骨の接触状態は良好であり,2回法がより好ましいと考えられた。しかし,ジルコニア製2回法インプラントでは,骨の新生はみられるものの骨の接触状態は不良であった。これはジルコニアインプラントを2回法で植立する際,インプラントの破折の恐れを考えてインプラント窩への埋入を十分に行えなかったためと考えられた。しかし,1回法のジルコニアインプラントではチタン合金製のものより良好な骨接触状態を呈していた。現在,組織標本にて詳細を検討中である。また画像解析装置を用いて組織形態計測学的な観察を行うことでインプラント周囲骨組織を定量的に検索する予定である。さらに,機能圧を12カ月負荷したインプラント周囲組織についても同様の検討を行う計画である。

現在まで,動物の健康状態は良く,インプラントの脱落や動揺も認めらないなど,実験は順調に進行している。これらの結果により機能圧負荷による影響についても考察し,平成5年度には,平成4年度の観察結果と併せて総括し,植立方法と材料の相違がインプラントー骨界面に与える影響について明らかにする。平成5年度は、機能圧を12カ月間負荷する群(実験2)について臨床的な観察を終了し,それらの組織標本を作製、光顕的観察をするとともに,組織形態計測学的な検討も行った。さらに平成4年度に終了した実験1の結果とともに総括を行った。実験1ではビーグル成犬12頭を用い,抜歯後3カ月を経過した下顎右側前臼歯部にチタン合金およびジルコニアインプラントをそれぞれ3本ずつ植立し,以下の各実験群における界面構造を比較検討した。すなわち,(1)1回法で植立後直ちに上部構造物を装着して機能圧を負荷する第1群,(2)1回法で植立後上部構造物を装着せず軟性飼料で飼育する第2群,(3)2回法で植立後粘膜で完全に被覆する第3群の3群(各2頭)とし,植立3カ月後にインプラント周囲組織の光顕観察を行うとともに,骨接触率を計測した。インプラントの動揺や脱落は認められず,組織学的にも全てのインプラント周囲に骨接触界面が見られた。しかし両インプラントの第1群では、頬側で骨縁レベルが低下した。骨接触率はチタン合金では第3群で他の2群より有意に高かったが,ジルコニアでは第3群が最も低い値を示し二回法への応用が困難なことが示された。実験2では6頭のビーグル成犬にチタン合金インプラントを植立し,実験1と同様の3群を設け,第2群および第3群では,植立3カ月後に上部構造物を装着し,上部構造物装着12カ月後の界面構造を観察した。全てのインプラントで骨接触が証明されたが,第1群では骨縁の吸収のため頬側でねじ山が2つ程度露出していた。骨接触率は,第3群,第2群,第1群の順に高く,第3群が他の2群よりも有意に高かった。以上より,チタン合金インプラントにおいて広範な骨接触界面を得るには,インプラント植立初期に安静状態を維持することが重要であることが明らかとなり,特に安静状態を粘膜下で確保できる2回法の優位性が示唆された。
固相合成を活用したアプラトキシンAのケミカルバイオロジーに関する研究

本研究では、それまで未解明であった環状デプシペプチド化合物アプラトキシンAの標的タンパク質複合体のネットワーク解析を行った。まず、天然物のもつ生物活性を維持した分子プローブを得るために、ペプチドタグ導入の足掛かりとなる官能基を含有する誘導体を迅速かつ網羅的に合成可能な固相合成法を開発した。脂肪酸部位変換の簡便性とチアゾリン環の不安定性を考慮して大員環形成後にチアゾリンを構築する合成経路、およびチアゾリンを有するフラグメントと固相上のアミンとを縮合し最後に大員環形成する合成経路について検討した。その結果、後者が優っていることを明らかにし、固相合成を活用したアプラトキシンAの合成経路を確立した。続いて、確立した合成法により、空間的に様々な部位が官能基化された各種アプラトキシンA誘導体の合成を達成した。合成した各種誘導体の細胞毒性評価より、天然物のチロシン部位の変換は生物活性にほとんど影響しないことを明かにした。さらに、アジト基とアルキンの1,3-双極子付加環化反応を利用してカルボン酸やアミノ基を多数有するペプチドタグとの化学選択的な連結に成功し、合成した分子プローブを用いてプルダウンアッセイにより、標的タンパク質複合体のネットワーク解析を行った。その結果、ミトコンドリア呼吸鎖電子伝達系に関与する標的タンパク質群を同定することに成功した。さらに、その情報を基に天然物を用いた詳細な生物活性評価を行い、標的としての妥当性を検証し、アプラトキシンAの作用機序を明かにした。本研究は従来、画一的な手法がなかった標的タンパク質未知の天然物や医薬品の作用機構解明における基盤研究となるものであり、合成化学的手法を基盤としたケミカルバイオロジー研究の成果として重要な結果であると考える。
細胞の不死化に伴い誘導される新しいカルシウム結合蛋白質の解析

初代培養細胞は一定の寿命を有しているが、継代を重ねていくと、一部は無限増殖の能力を獲得した、いわゆる不死性の細胞となることが報告されている。これは細胞の増殖機構を解明する上で重要な形質変化と考えられる。我々は分別的ハイブリダイゼ-ション法により、初代培養細胞と比較して、樹立細胞(Balb/C 3T3)で発現が顕著に増加しているmRNAに対するcDNAクロ-ンを4種類分離し、そのなかの1つが、カルシウム結合蛋白質Sー100とhomologyの高い,101個のアミノ酸からなる新しい蛋白質をコ-ドする事を報告した(J.Biochem.103,48ー53,1988)。Sー100カルシウム結合蛋白質はCaイオンの細胞内への流入に際して、細胞内シグナル伝達機構に関与し、DNA合成を促進することが知られている。不死化した細胞でSー100類似の新しい蛋白質が増加していることから、これが細胞の不死化にともなうG_0期からG_1期へ、さらにS期への移行において重要な役割を果している可能性が考えられる。そこで、このクロ-ンを大腸菌での発現ベクタ-に挿入し、この蛋白を大量に発現させ、SDSーPAGEで単一なバンドに精製した。この蛋白は分子量10kDaでpH4.5の等電点をもっており、Ca結合活性が確認された。我々はこの蛋白質をウサギに免疫し、抗体を作成し、細胞の増殖過程におけるこの蛋白質の動態を解析している。更に、このクロ-ンを真核生物発現ベクタ-(SRαプロモ-タ-やメタロチオネインプロモ-タ-)に組込み過剰に発現させ、細胞内へのCaイオンの流入とDNA合成開始との関連を調べ、この蛋白質の機能を解析している。
環境負荷の低いガス遮断器の開発を目指した磁気ロータリー型代替ガス遮断器の研究

本研究では、CO2ガス遮断器の消孤性能向上に対する磁気ロータリ効果の有効性を電磁流体解析から調べた。この研究のために、CO2ガスの熱力学的係数や輸送係数の温度依存性、電極移動を考慮した3次元非定常電磁流体解析プログラムを開発した。解析対象は永久磁石利用外部磁界印加型モデルガス遮断器とした。解析結果から、磁気ロータリ効果によりアーク冷却が促され、その結果、アークコンダクタンスは大きく減少し、熱パッファー室の圧力も増加することが示された。すなわち、磁気ロータリ効果がCO2代替ガス遮断器の消孤性能の向上に有効に働くことが示された。本研究課題では、極めて環境負荷の大きいSF6ガスを全く用いないCO2カス遮断器を対象とし、その遮断性能向上に磁気ロータリ効果が実質的に有効に働くか否かを電磁流体解析から見極める事を目的とした。この目的のために、まず、CO2ガス遮断器環境下で磁気ロータリー効果を扱える3次元非定常電磁流体解析プログラムを開発した。このプログラムでは、遮断器内部の複雑な流路形状と遮断過程時の電極移動、CO2/SF6の熱化学係数(エンタルピーや密度など)・輸送係数(熱伝導率・電気伝導率・粘性係数)・輻射損失の温度・圧力依存性、ローレンツ力、ジュール熱、誘導起電力などの磁気ロータリーガス遮断器の解析で取り扱うべき物理現象を考慮した。次に、莫大な計算負荷に対応するため、PCクラスター並列計算機(30CPU並列計算機)を構築し、交流遮断過程(50Hz交流電流の1周期相当)の非定常解析を2ヶ月程度で終了できる計算機環境を整備した。解析結果から、磁気ロータリ効果によりアークの冷却が促され,アーク抵抗の上昇とパッファー室の圧力増加が十分に期待できることをCO2ガス遮断器環境下で示した。また,SF6環境下ではスパイラル形状のアークが得られる遮断条件において,CO2では円筒形を保ったままアークが高速回転しており,ロータリアークの形状にガス種依存性があることがわかった.さらに,0.15T程度の印加磁束密度を基準とし、磁束密度依存性(基準値の2倍、3倍での解析を実施)を調べたところ、印加磁束密度の上昇に対し、パッファー室圧力の上昇及びアークの回転速度の増加が確認できた。一方で、印加磁束密度の上昇に伴うアーク抵抗の上昇量は小さく飽和傾向が示された。以上述べたように、本研究で実施した高度な三次元非定常電磁流体解析から、CO2ガス遮断器の遮断性能向上に磁気ロータリ効果が実質的に有効に働くことが示された。本研究課題では,電磁流体解析から,CO2ガス遮断器の遮断性能の向上に磁気ロータリー効果が実質的に有効に働くか否かを見極める事を目的としている.この目的のために,当初の計画通り,まず,CO2ガス遮断器環境下で磁気ロータリー効果を扱える3次元非定常電磁流体解析プログラムを開発した.このプログラムでは,遮断器内部の複雑な流路形状と遮断過程時の電極移動,CO2/SF6の熱化学係数(エンタルピーなど)・輸送係数(熱伝導率・電気伝導率・粘性係数)・輻射損失の温度・圧力依存性,ローレンツ力,ジュール熱,誘導起電力,誘導磁界などの磁気ロータリーガス遮断器の解析で取り扱うべき物理現象を考慮した.次に,莫大な計算負荷に対応できるPCクラスター並列計算機(30CPU並列計算機)を構築し,交流遮断過程(50Hz交流電流の1周期相当)の非定常解析を2ヶ月程度で終了できる計算機環境を用意できた.上記の解析プログラム・並列計算機を用いて,実際のモデルガス遮断器環境下で,ある一つの磁場条件下ではあるが,CO2ガス及び比較検討用のSF6ガス環境下で交流遮断過程時の3次元非定常電磁流体解析を実施し,その解析結果から,SF6ガス環境下と同様にCO2ガス遮断器環境下でも磁気ロータリー効果に伴うアークコンダクタンスの低下を確認できた.また興味深い物理現象として,SF6環境下では磁気ロータリ効果でアークが螺旋形状を示すが,CO2環境下ではローレンツ力によりアークは回転するものの,アーク形状は通常のガス遮断器と同様に円筒形を維持することが解析結果から分かった.その理由については,現在考察中である.なお,これらの結果は,平成25年3月に行われた電気学会全国大会にて発表した.以上述べた研究成果は,当初の研究目的・計画を満足するものになっている.本研究課題では,電磁流体解析から,CO2ガス遮断器の遮断性能の向上に磁気ロータリー効果が実質的に有効に働くか否かを見極める事を目的としており,その目的を達成するために,以下の研究計画を交付申請書に記載した.(1)CO2ガス遮断器環境下で磁気ロータリー効果を扱える3次元電磁流体解析プログラムの開発,(2)莫大な計算負荷に対応できるPCクラスター並列計算機の構築,

(3)モデルCO2ガス遮断器環境下で,印加磁界分布を解析パラメータとし,遮断過程時の3次元電磁流体解析を実施する.比較検討用に,SF6ガスの場合,また磁界を印加しない場合の解析も行う.解析結果から,遮断性能の向上に対して磁気ロータリー効果が有効に働くか否かの結論を示すとともに,最適な印加磁界分布についても明らかにする.これらの計画のうち,(1)(2)は平成24年度中の完了を計画し,(3)については平成24年度から平成25年度10月頃までに完了する計画を立てたが,その通りに順調に研究が遂行できている.なお,(3)については,現段階で,ある一つの磁場条件下ではあるが,CO2ガス環境下での解析に加え,SF6環境下での解析も終了し,その比較検討も今年度の電気学会全国大会で発表することができた.また,関連研究として,CO2/SF6の混合ガスを想定したガス遮断器環境下での解析準備も進めることができた.H25年度は,当初の予定通り,前年度からの継続として,以下の計画のもと研究を進める.・モデルCO2ガス遮断器環境下で,印加磁界分布を解析パラメータとし,遮断過程時の3次元電磁流体解析を実施する.比較検討用に,SF6ガスの場合,また磁界を印加しない場合の解析も行う.解析結果から,遮断性能の向上に対して磁気ロータリー効果が有効に働くか否かの結論を示すとともに,最適な印加磁界分布についても明らかにする.なお,ここで実施する解析はH25年度の10月頃までに終了を予定しており,その後は,H24年度の研究成果とH25年度の研究成果を原著論文としてまとめることを計画している.また,得られた研究成果を基に,次の研究課題について検討する.H25年度の研究費は,主として研究成果の発表に関わる旅費及び論文公表に伴う掲載料などに充てる予定である.また,非定常3次元解析を実施しているため保存すべきデータ量が莫大なため,その保存媒体の整備も極めて重要で有り,そのための大容量記憶媒体の整備などにも研究費を一部利用する.
テクネチウム βージケトン錯体の置換反応機構

テクネチウム錯体は,錯体化学の分野においてもまたその応用として放射性薬品としても注目されている。しかしテクネチウムは安定同位体が存在しないから,使用量の増大とともにその放射性廃棄物の回収も重要な課題になっている。このような観点から以下の研究を行なった。1.トリス(アセチルアセトナト)テクネチウム(III)は置換不活性であるが,アルカリ性溶液においては塩基加水分解が室温においても進行することが認められ,その反応機構を確立した。2.トリス(アセチルアセトナト)テクネチウム(III)は,強酸が存在すると,アセトニトリルなどの溶媒が溶媒和反応することが認められ,実際2Mの過塩素酸中でビス(アセトニトリル)ビス(アセチルアセトナト)テクネチウム(III)の生成速度は,30^゚Cにおいて(8.86±0.08)×10^<-4> s^<-1>と求められ,また過塩素酸塩として単離することができた。合合成した錯体は,赤外スペクトルおよび元素分析によって同定した。合成した錯体を用いて,アセチルアセトンを含む混合配位子錯体の合成を計画している。3.ヘキサキス(チオウレアト)テクネチウム(III)を出発物質としてEDTAとの置換反応によるテクネチウム(III)ーEDTA錯体の生成反応機構を速度論的に確立した。4.テクネチウム錯体の塩基加水分解反応機構に関する知見から,テクネチウムを放射性廃液から他の多くの金属イオンから陰イオン交換法によって,カラム樹脂上に濃縮・分離する方法を確立した。さらに過塩素酸によって溶離した過テクネチウム酸を濃縮するプロセスとして、TBPによる溶媒抽出法を検討した。希釈剤として四塩化炭素およびシクロヘキサンを用いて,テクネチウムの分配比の酸濃度およびTBP濃度依存在を検討し,テクネチウムの効果的な濃縮法について検討した。テクネチウムは、錯体化学の分野にとどまらず、その応用としての放射薬品としても注目されている元素である。また安定同位体が存在せず、すべて放射性同位体であることから、その後処理にも注意を払わねばならない点が他の元素と極めて異なる点である。このような観点を基にして以下の研究を行った。1.トリス(β-ジケトナト)テクネチウム(III)錯体の塩基加水分解反応機構トリス(アセチルアセトナト)テクネチウム(III)は置換不活性であり、酸性溶液では極めて安定である。しかしアルカリ性溶液においては塩基加水分解反応が室温においても認められる。分解反応速度は、水酸化物イオン濃度が低い領域では、その1次に比例するが、高くなるとその2次に比例するようになる。反応速度定数の温度依存性より求められた活性化エントロピ-の値が負であることから、水酸化物イオンは会合的攻撃により配位子の結合をはずし、塩基加水分解反応が進行することが認められた。またテクネチウムは、これまで我々が確立したテクネチウム(IV)および(V)β-ジケトン錯体の塩基加水分解反応と同様に最終的には過テクネチウム酸イオンになる。このことは、テクネチウムの廃液からの回収方法を確立する上で重要な知見である。2.テクネチウム(III)チオ尿素錯体とEDTAとの置換反応機構テクネチウム(III)錯体合成の出発物質として我々が開発したテクネチウム(III)チオ尿素錯体とEDTAとの置換反応は、pH24の領域において室温でも比較的速やかに進行し、チオ尿素錯体とH_2edta^<2->との反応速度定数Rは、k=(2.1【plus-minus】

0.2)×10^<-2>M^<-1>S^<-1>(25°C)と求められた。この結果を基に、マイクロ量のテクネチウム(III)EDTA錯体の合成・単離の方法を検討中である。テクネチウム錯体は,錯体化学の分野においてもまたその応用として放射性薬品としても注目されている。しかしテクネチウムは安定同位体が存在しないから,使用量の増大とともにその放射性廃棄物の回収も重要な課題になっている。このような観点から以下の研究を行なった。1.トリス(アセチルアセトナト)テクネチウム(III)は,過塩素酸又は塩酸のような強酸が存在すると,アセトニトリルなどの溶媒が溶媒和反応することが予備検討の結果認められた。実際2Mの過酸素酸中で置換反応によって生成するビス(アセトニトリル)ビス(アセチルアセトナト)テクネチウム(III)(A)の生成速度を分光光度法によって追跡した。錯体Aの生成速度として,30°Cにおいて(8.86±0.08)×10^<-4>s^<-1>と求められた。またこの結果を基に混合配位子錯体Aを過塩素酸塩として単離することができた。合成した錯体は,赤外スペクトルおよび元素分析によって同定した。合成した錯体Aを用いて,従来合成が大変困難であったアセチルアセトンを含むテクネチウム(III)の混合配位子錯体の合成を計画している。2.テクネチウム錯体の塩基加水分解反応機構に関する知見から,テクネチウムを放射性廃液中の他の多くの金属イオンから陰イオン交換法によって,カラム樹脂上に濃縮・分離する方法を確立した。さらに過塩素酸によって溶離した過テクネチウム酸を濃縮するプロセスとして,TBPによる溶媒抽出法を検討した。希釈剤として四塩化炭素およびシクロヘキサンを用いて,過テクネチウム酸の分配比の酸濃度およびTBP濃度依存性を詳細に検討し,テクネチウムの効果的な濃縮法について検討した。
広範な食中毒に適応可能な分泌型IgAイムノアドヘシンの作製と植物での生産

本研究は、腸管のような粘膜組織で感染防御に働く分泌型IgAに着目し、Glycoprotein 2(GP2:腸上皮のM細胞に発現し、大腸菌やサルモネラ属菌、ボツリヌス毒素といった病原体に結合する糖タンパク質)のIgA型イムノアドヘシン(GP2-IgA)を作製し、経口投与により複数の感染症を防ぐ抗体様医薬品の可食性植物での生産を目指している。昨年度までに、CHO細胞を媒体としてGP2-IgAを生産し、リガンドの一つである細菌の細胞接着分子FimHとGP2上の糖鎖を介して結合できることを確認している。本年度は植物を媒体としたGP2-IgAの発現を試みた。分泌型GP2-IgAの発現には、GP2-IgAに加えて、IgAを二量体化させるリンカーとなるJ鎖、IgAのFc領域およびJ鎖と結合してIgAに消化酵素抵抗性を付与するSCの3タンパク質を共発現させる必要がある。まず、可食性植物を媒体としてGP2-IgAを生産できるかを検討するため、トマト一過性発現系を用いてGP2-IgAの発現を試みた。アグロインジェクション法にてトマト(品種:マイクロトム)で発現させたGP2-IgAを抗IgA抗体で固相に捕捉した後、大腸菌(FimHを持つ細菌)と反応させ、生細胞の還元反応で発色するWST-8を用いて、結合した生菌を比色法にて検出したところ、GP2-IgAの濃度依存的な大腸菌の結合がみられた。次に、植物を媒体とした分泌型GP2-IgAの生産について、前年度に上述の3タンパク質の遺伝子を導入したシロイヌナズナにおける分泌型GP2-IgAの発現解析を行った。抗IgA抗体と抗SC抗体を用いたsandwich ELISAおよびWestern blotでの解析から分泌型GP2-IgAの発現が確認できた。以上より、リガンド結合性を保持したGP2-IgAを分泌型IgAとして植物で生産可能であることが示された。本研究は、腸管のような粘膜組織で感染防御に働く分泌型IgAに着目し、Glycoprotein 2 (GP2:腸上皮のM細胞に発現し、大腸菌やサルモネラ属菌、ボツリヌス毒素といった病原体に結合する糖タンパク質)のIgA型イムノアドヘシン(GP2-IgA)を作製し、経口投与により広範な感染症を防ぐ抗体様医薬品の可食性植物での生産を目指している。今年度はGP2-IgAの機能の評価を目的として、哺乳類細胞での発現、リガンドへの結合性を検討した。生体内での分泌型IgAの産生は、二量体IgA (2分子のIgAと1分子のJ鎖で構成)の発現、Secretory component (SC)の付加の2段階で行われており、単一の哺乳類細胞での分泌型IgAの産生は困難とされているため、哺乳類細胞を用いた分泌型GP2-IgAの作製には二量体GP2-IgAとSCの獲得、in vitroでの分泌型の構築の2ステップが必要である。両タンパク質の獲得のため、ヒトGP2のリガンド結合部位とヒトIgA2のFc領域からなるGP2-IgA遺伝子とJ鎖遺伝子の2遺伝子、もしくはSC遺伝子をリポフェクション法によりCHO細胞に導入してクローニングを行い、二量体GP2-IgA安定発現株、SC安定発現株を樹立した。二量体GP2-IgAの発現は抗IgA抗体を用いたWestern Blot、SCの発現は抗SC抗体を用いたSandwich ELISAによって確認した。発現した二量体GP2-IgAについて、リガンドへの結合性を固相化したFimH (線毛構成タンパク質、GP2のリガンドの一種)を用いたELISAによって解析し、GP2-IgAの濃度依存的な結合を確認した。以上より、二量体GP2-IgA、SCをそれぞれ発現するCHO細胞を樹立し、発現したGP2-IgAがリガンドへの結合能を保持していることを確認できた。本年度はGP2-IgA安定発現細胞株の樹立、分泌型GP2-IgA発現植物の樹立を計画していた。植物については現在、発現ベクターを作製中であり、この部分は遅れている。一方、哺乳類細胞で発現させたGP2-IgAについては、次年度以降に予定していたサルモネラ属菌に対する反応性について検討を始めており、こちらは想定より進んでいるため、研究計画全体としてはおおむね順調に進んでいると判断した。本研究は、腸管のような粘膜組織で感染防御に働く分泌型IgAに着目し、経口投与により病原体の粘膜組織への感染を防ぐデコイ受容体として働くIgA型イムノアドヘシンの可食性植物での生産を目指している。使用する受容体には腸上皮のM細胞に発現し、大腸菌やサルモネラ属菌、ボツリヌス毒素といった病原体に結合する糖タンパク質Glycoprotein 2 (GP2)を選択した。昨年度はGP2のリガンド結合部位とヒトIgAのFc領域との融合タンパク質(GP2-IgA)をCHO細胞で発現させ、FimH (1型線毛を構成する接着分子)への結合性を確認した。本年度は、CHO細胞で発現させたGP2-IgAの機能解析とGP2-IgA発現植物の作製を行った。GP2とFimHの結合には、GP2に修飾されたマンノースが重要であることが知られているため、マンナン存在下におけるGP2-IgAのFimHへの結合性の変化をELISAにより検討したところ、マンナンの濃度依存的に結合が阻害された。また、マンノース結合性を持つスノードロップレクチンを用いたレクチンブロットにより、GP2-IgAへのマンノースの修飾を確認した。

次に、抗IgA抗体を用いて固相に捕捉したGP2-IgAへの大腸菌(FimHを持つ細菌)の結合をWST-8を用いた生菌数測定法で検出したところ、GP2-IgAの濃度依存的に大腸菌が結合した。また、大腸菌のCaco-2細胞への接着をコロニー計数法で評価したところ、GP2-IgAの添加により接着した大腸菌数の減少がみられた。これらの結果からGP2-IgAが修飾されたマンノースを介してFimHへ結合することで細菌の宿主細胞への接着を阻害することが示された。また、GP2-IgAを分泌型として発現できる植物用ベクターを構築し、モデル植物シロイヌナズナの形質転換を行い、選抜薬剤に耐性の個体を得た。本年度は哺乳類細胞由来のGP2-IgAと植物由来のGP2-IgAの性状と機能の比較を計画していた。植物用の発現ベクターの構築の際、分泌型GP2-IgAを構成する3つのタンパク質(GP2-IgA、J鎖、分泌片)の遺伝子について、植物での発現量の向上のため、遺伝子の塩基配列を植物での発現に適した縮重コドンに変換するコドン最適化を行った。コドン最適化遺伝子を用いた発現ベクター構築の過程で、コドン最適化した分泌片遺伝子による大腸菌の生育阻害が見られたことによりベクターの構築が難航した。そのため、GP2-IgAの植物での発現については選択薬剤に耐性の形質転換体の獲得にとどまっており、植物由来のGP2-IgAの機能解析にまでは至っておらず、この部分は遅れている。一方で、次年度に予定していた実用植物での発現について、一過性発現系を用いた解析にすでに取り組んでおり、こちらは想定より進んでいるため、計画全体としてはおおむね順調に進んでいると判断した。本研究は、腸管のような粘膜組織で感染防御に働く分泌型IgAに着目し、Glycoprotein 2(GP2:腸上皮のM細胞に発現し、大腸菌やサルモネラ属菌、ボツリヌス毒素といった病原体に結合する糖タンパク質)のIgA型イムノアドヘシン(GP2-IgA)を作製し、経口投与により複数の感染症を防ぐ抗体様医薬品の可食性植物での生産を目指している。昨年度までに、CHO細胞を媒体としてGP2-IgAを生産し、リガンドの一つである細菌の細胞接着分子FimHとGP2上の糖鎖を介して結合できることを確認している。本年度は植物を媒体としたGP2-IgAの発現を試みた。分泌型GP2-IgAの発現には、GP2-IgAに加えて、IgAを二量体化させるリンカーとなるJ鎖、IgAのFc領域およびJ鎖と結合してIgAに消化酵素抵抗性を付与するSCの3タンパク質を共発現させる必要がある。まず、可食性植物を媒体としてGP2-IgAを生産できるかを検討するため、トマト一過性発現系を用いてGP2-IgAの発現を試みた。アグロインジェクション法にてトマト(品種:マイクロトム)で発現させたGP2-IgAを抗IgA抗体で固相に捕捉した後、大腸菌(FimHを持つ細菌)と反応させ、生細胞の還元反応で発色するWST-8を用いて、結合した生菌を比色法にて検出したところ、GP2-IgAの濃度依存的な大腸菌の結合がみられた。次に、植物を媒体とした分泌型GP2-IgAの生産について、前年度に上述の3タンパク質の遺伝子を導入したシロイヌナズナにおける分泌型GP2-IgAの発現解析を行った。抗IgA抗体と抗SC抗体を用いたsandwich ELISAおよびWestern blotでの解析から分泌型GP2-IgAの発現が確認できた。
SN1987A周縁ガス3リング構造の電磁流体力学的解析

本研究では観測で得られた超新星(SN)1987A周縁ガスの3リング構造の形成過程についてトロイダル磁場の効果に着目して、3次元電磁流体力学的(MHD)シミュレーションにより明確にすることを第一の目的としている。研究は3次元解析のためのTVDスキームにより大規模なMHDシミュレーション解析を中心に行った。超新星爆発以前に赤色超巨星であった時代に、惑星間空間には密度が濃く、速度の遅い恒星風が存在し、爆発寸前には星は青色超巨星に進化し、密度は薄く、速度の速い恒星風が赤色超巨星からの恒星風を内側から押しながら広がって行くと考えられる。この時の流れ-流れ相互作用がもし流体的なものであれば球状の殻型の構造になるはずであるが、ハッブル宇宙望遠鏡観測では、ほぼ軸対称な、見事な3リング構造となっている。これは従来の流体力学的過程ではとうてい説明がつかない。我々は恒星風によって外側へ運ばれるトロイダル磁場が赤道で極性が反転するために、球状の殻型の相互作用域ではプラズマを押す磁気圧は赤道方向に働き、これによって赤道帯にリングが出来ることを明らかにして来た。今回はユリシーズ観測で明かなように高緯度帯では恒星風の速度が速く、低緯度帯では遅いことをモデルに組み入れることにより、南北両半球の中緯度帯にリングが出来ることを確認した。このリングは初期の単純なモデルではあまり顕著ではなかったが、モデルを改善することにより長く安定したものになることを確認した。本研究によってSN1987Aの3リングはトロイダル磁場の磁気圧によるものであることが確認され、当初の目的は達成された。国際会議でも発表した。
森から海までの生態系連環機構の解明によるニホンウナギ資源の再生

河川の構造、環境、生態系とそれらに対する流域土地利用の影響を分析し、森川里海の生態系の連環、ニホンウナギの生産を支える環境と生物群集構造を流域レベルで調べ、ウナギの資源生産の観点から河川再生方策を検討することを目的とした。天然ウナギ漁獲量が多い大分県の桂川及び伊呂波川、我が国のウナギ分布域の中央付近に位置する和歌山県白浜町周辺3河川、北部の福島県松川浦とその流入3河川において調査を実施した。桂川と伊呂波川では、森林から供給される溶存態窒素濃度に大きな差が認められ、濃度の高い桂川においてウナギの餌料生物が豊かで、ウナギのバイオマス及び成長速度も高かった。溶存態窒素の主な起源は大気性降下窒素と推定されたが、生態系の許容範囲内では高濃度の溶存態窒素が水系の生産力を高め、ウナギの生産にも貢献することが示された。松川浦と流入3河川で採集されたキウナギの胃内からは、主に小型魚類、エビ類、カニ類、水生昆虫類が観察された。ウナギ筋肉の安定同位体比分析により、ウナギは汽水型(松川浦)、淡水型(河川)、中間型の3群に分けられた。松川浦内の石倉で採集されたウナギの約半数は汽水型であったが、残りの半数は中間型を示した。超音波発信機を装着して浦内に放流された20個体の天然ウナギのうち、7個体が一時的あるいは長期間河川に移動した。とくに、昼間松川浦内で過ごし夜間河川に移動して摂餌を行う索餌様式を示す個体があり、安定同位体比分析により中間型に分類された個体の多くは、このような生活パターンを有することが示唆された。白浜町を流れる富田川においても、天然ウナギ20個体、養殖ウナギ5個体に超音波発信器を装着して放流追跡調査を行った。養殖ウナギは松川浦での調査と同様に、短期間に沿岸域へ移出した。2018年度は台風などにより近畿圏では数回の集中豪雨があり、多くのウナギがこの際に外海に流出した。大分県国東半島宇佐地域の河川では、流域の森林面積率が高く栄養塩の多い桂川において、ニホンウナギを含む水生動物が豊かであり生産力も高いことがわかった。また、水田からは微細粒子が河川に流出し、底質の細粒化など河川環境に悪影響を及ぼすことが推察された。しかし、人間活動と水圏生態系との関係は複雑であり、例えば桂川の溶存態窒素の起源は大気性降下窒素と推察されるが、降下窒素が直接河川へ流入するわけではなく(降下窒素は渓流水中の窒素の4%未満)、窒素は長期に森林生態系の中で循環し、その後窒素飽和により河川へ流出するメカニズムが示唆された。大気汚染物質とも言える降下窒素がまず森林生態系で利用され、次に河川において水圏の生物生産に貢献していることが考えられたが、この現象に対する生態学的な評価は今後の課題である。福島県松川浦では水田の用水路として利用されている小河川に、天然ウナギが高密度に分布していることを確認した。しかし、小河川の多くは3面張りの構造をもち、そのような河川では若齢ウナギ密度が高いのに対して大型ウナギは少なく、ウナギの生残率が低いことを示した。また、ウナギの河川遡上において、堰が大きな障害であることを確かめた。本調査により、全長20cm以下の小型ウナギ、それより大型の黄ウナギに対する堰の影響及び好適な河川生息環境を把握した。和歌山県白浜町では、住宅街を流れ生活排水が流入する小河川において、高密度に天然ウナギが生息する水域を発見した。現在、この水域におけるウナギの食性と成長速度を分析するとともに、超音波発信器を装着した15個体の天然ウナギを放流して、その行動を追跡している。本課題もあと1年となったが、研究は概ね計画どおりに進捗しており、最終年度に残された分析及びデータ解析を行うことで、本種資源を回復させるための自然再生方策につながる知見を提示できるものと考えている。我が国のニホンウナギ分布域の南部にあたる大分県桂川、伊呂波川、中部の和歌山県富田川、高瀬川、安久川、北部の福島県松川浦と流入する宇多川、梅川、日下石川で調査を行った。桂川、伊呂波川、富田川、高瀬川、宇多川は流域の森林率が高く、梅川、日下石川は水田の用水路、安久川は住宅地の割合が高いという特徴を持つ。採集方法が異なるため、これらの河川間でウナギの分布密度を直接的に比較することはできないが、いずれの河川においても比較的高密度にウナギが採集された。現在、胃内容物分析、安定同位体比分析により餌料生物の組成と炭素の起源を調べ、耳石を用いて成長速度を推定し、本種の生産構造や生産力に対する緯度、流域の特徴、河川環境などの影響を解析中である。また、松川浦、富田川、安久川において、超音波発信器を装着した天然ウナギを放流して行動を追跡しており、松川浦では日周期的及び季節的な行動特性が明らかになった。本種は水質や河川構造の変化に対して比較的高い適応力を有し、環境がいくつかの条件を満たせば生息できることがわかってきた。例えば、コンクリート3面張りの小河川であっても、部分的な自然再生によりウナギの棲みやすい環境に変えられることが示唆されている。そこで、生息に不可欠な環境条件を把握するために、若齢魚(クロコ)と黄ウナギの生態の把握、好適な物理・生物環境の特定を行っている。