hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
複数衛星センサー画像と地理情報システムによる日本海流出重油の追跡と影響予測

TOPEX/POSEIDON衛星高度計データをもとに日本海南部におけるナホトカ号船首部漂流期間を含む1993年1月から1997年12月までの海面高度場を推定した.船首部漂流期間中,漂流期間前と比較して,隠岐諸島北部海域の海面高度は能登半島北部海域より海面高度が約80mm上昇し,その結果,プイ南側に位置する沈没地点付近の等高線間隔が密になり,等高線の向きも南北方向に傾く様子が見られる.この海域の海面勾配は等高線に対して直角方向110kmに対して海面高度差が約140mmあり,これは地衡流速に換算して南南東向き約0.24ノットの流速である.船首部漂流期間終了後,隠岐諸島北部海域の海面高度は能登半島北部海域の海面高度に比較して大きく下降し,その結果,沈没地点付近の等高線間隔は漂流期間中に比べて広がり,等高線の向きも東西方向に傾く様子が見られる.TOPEX/POSEIDON衛星高度計データによる時空間平均海面高度場では捉えきれない空間スケール100km以下の小規模低気圧性渦の存在を地衡流向流速場により明らかにした.そして風速が10m/s以下の期間の漂流軌跡はこの低気圧性渦による南東流の影響を強く受けている可能性を示唆した.ERS-2搭載高度計データをもとにナホトカ号沈没船体からの漂流重油を追跡した結果、軌道に沿った推定表層地衡流量は沈没船体からの漂流重油の海面における湧出点位置に大きな影響を与えていることが確認された。特に推定表層流向は沈没位置に関する湧出点位置の方位角とほぼ一致し、また推定表層流量が大きくなればなるほど重油湧出点位置は沈没位置から離れることが明らかになった。舞鶴海洋気象台観測船清風丸によりナホトカ号沈没地点付近の表層海水サンプリングを平成10年7月11日から15日にかけて実施したが、分析の結果、海水中に油分は認められなかった。一方、漂流油を用いた11月の屋外実験では、実際にナホトカ号船首部から抜き取られたC重油を水の入ったトレイの上に流して漂流油の分光反射特性を計測した。その結果、可視近赤外のLandsat TMの波長帯に相当する分光反射特性の組み合わせが、最も水と漂流油を区別できることを明らかにし、これを水・油分離指標と定義した。また、この指標を実際に漂流油を含むLandsat TM画像に適用し、水と漂流油を従来の方法に比べてより効果的に区別できることを確認した。地理情報システムを用いた衛星画像データベースの開発に関しては、表層海流に影響を及ぼす地衡流向流速場を明らかにするため、ナホトカ号船首部漂流期間を含む1996年から1997年までの日本海南部海面高度場をTOPEX/Poseidon衛星搭載高度計データを用いて推定した。時系列海面高度場を解析した結果、特にナホトカ号船首部漂流期間に関しては、北西風の影響に加えて、沈没地点付近にあった低気圧性及び高気圧性渦により引き起こされたと見られる南東流がナホトカ号船首部漂流に大きな影響を及ぼしている可能性を示唆した。平成11年度は、9月21日より10月25日まで東京大学海洋研究所研究船白鴎丸によるNEAR-GOOSプロジェクトのための日本海における研究航海に乗船し、衛星と同期したナホトカ号沈没地点付近の現場観測を実施することにより時間空間的な漂流油の拡散とそれに影響を及ぼす海象気象現象を観測する予定である。また、得られる衛星および現場観測のデータセットは、現在開発中の衛星画像データベースに組み込む予定である。平成11年10月12日より10月25日まで東京大学海洋研究所所属研究船白鳳丸によるNEAR-GOOSプロジェクトのための日本海における研究航海に乗船し、NOAA/AVHRR及びTOPEX/POSElDON

衛星と同期したナホトカ号沈没地点を含む日本海南部海域の流向流速、水温塩分観測を実施した。その結果、沈没地点周辺での漂流油分は確認できなかったものの、NOAA/AVHRR海面水温画像及び現場水温データから直径約200kmの暖水渦とそのまわりの冷水の進入を捉えることができ、現在TOPEX/POSEIDON衛星高度計データと合わせて解析中である。また、地理情報システムを用いた衛星画像データベースの開発に関しては、表層海流に影響を及ぼす地衡流向流速場を明らかにするため、ナホトカ号船首部漂流期間を含む1993年から1997年までの日本海南部海面高度場をTOPEX/POSElDON衛星高度計データを用いて開発した。時間及び空間変動を分離して解析できるEOF(経験的直交関数)解析を行った結果、時間的には6ケ月及び2年周期の変動が卓越し、空間的には沿岸に近づくほど海面高度の振幅が大きくなる現象が明らかになった。平成12年度はナホトカ号沈没船体部分からの漂流油をERS衛星高度計データを用いて追跡するとともに、前述の白鳳丸データと衛星海面高度場データベースを組み合わせることにより、漂流予測を行う予定である。ナホトカ号船首部漂流軌跡を現場風向風速及びTOPEX/POSEIDON衛星高度計データより得られた海面高度場をもとに評価した結果、以下の点が明らかになった。1。衛星軌道に沿った海面勾配から導かれる地衡流速成分より、風速10m/sec以下の風の影響が無視できる期間においてナホトカ号船首部の漂流軌跡に低気圧性小規模渦の存在が大きく影響している。2。表層海流がエクマンドリフト、地衡流とStokesドリフトから構成されると仮定すると、これらの和は流速東西成分の75%、流速南北成分の86%を説明できることがわかった。ERS-2搭載高度計データをもとにナホトカ号沈没船体からの漂流重油を追跡した結果、軌道に沿った推定表層地衡流量は沈没船体からの漂流重油の海面における湧出点位置に大きな影響を与えていることが確認された。特に推定表層流向は沈没位置に関する湧出点位置の方位角とほぼ一致し、また推定表層流量が大きくなればなるほど重油湧出点位置は沈没位置から離れることが明らかになった。ここで軌道に沿った地衡流量は深度500メートルまでを対象とした推定流量であるが、平成11年度実施された東京大学海洋研究所所属研究船白鳳丸航海で得られた日本海南部海域における深度500メートルまでのADCP(超音波流向流速計)データを解析した結果、対馬暖流と思われる鉛直流速分布は深度200メートル以下では海域によりほぼゼロに近いことが明らかになった。深度500メートルまでを対象とした流量では実際より大きく見積もることになり、今後の日本海南部を対象とした衛星高度計データによる地衡流量推定にとって検討課題となる。
Mimicking exerciseを用いたランニングの効率に影響する動作の解明

本研究は、ランニングに類似した運動(mimicking exercise)である連続ジャンプを複数の条件間で比較することによって、ランニングの効率に影響する動作や筋活動の特徴を明らかにすることを目的としている。ランニングの効率には重力に抗して体重を支える動作が最も影響することが知られており、本研究ではスレッジジャンプ(斜めに設置されたレール上で動くソリに乗った状態で行うジャンプ)を用いて身体に作用する重力方向を変化させ、体重支持と身体の推進に関する動作と効率の関係を明らかしようとするものである。
事例分析による地盤の側方流動の予測に関する研究

筆者らがこれまでに行ってきた側方流動に関する事例研究の成果によれば、側方流動のタイプには図1に示す2種類があることが明らかになっている。タイプ1:傾斜地盤において液状化してせん断抵抗が失われた土砂が液体として挙動することにより、標高の高い地域から低い地域に向かって地盤が変位する。タイプ2:埋立地や大河川沿岸において、護岸が大きく移動することにより背後地盤が流動する。流動の原動力は液状化した土砂の体積移動である。地震前後に撮影された航空写真を用いた測量により、側方流動による地盤の絶対変位量が測定されている事例(1995年兵庫県南部地震、1983年日本海中部地震、1964年新潟地震、1948年福井地震)から、以下の条件を満たしているエリアを前述の2タイプに分けて選定し、それぞれについて分析を行った。1)地盤の水平変位の方向や変位量が安定しており、側方流動の起点と終点が比較的明瞭である。2)市街地などで地下室や構造物の基礎杭などの影響が少ない。3)護岸・盛土の崩壊などの影響を受けていない。4)地層構造が単純で液状化層の判定が容易である。その結果、以下の結論を得た。1.傾斜地盤での側方流動による水平方向の地盤変位量D(m)は液状化層厚H(m)および地表面勾配θ(%)にほぼ比例し、大まかには次式で予測することができる。2.護岸の背後地盤の側方流動量は護岸変位量に比例しており、兵庫県南部地震と新潟地震の事例では護岸変位量の約2分の1となっている。今後は、他の研究機関で実施されている室内実験の結果とも照らして、予測式の精度向上を図るとともに、上記の経験式の物理的意味を考察する予定である。
教師における児童生徒への援助行動の「適切さ」に関する研究

本研究は,教師がさまざまな場面で児童生徒を援助し支援していくことにおいて,その「適切さ」について検討したものである。そもそも援助の行動の適切さについては,その行動により被援助者側にどのような帰結がもたらされたのか,また被援助者側の意識や評価が重要な観点となる。援助を求める児童生徒がどのように具体的なリクエストをしていくのか,また教師がどのようにそれをくみとっていくのか,改めてこれらの課題が明らかになった。不適切な援助事例の収集のための教師(援助者側)に対する半構造化面接調査の実施小中学校を対象とした教師の援助行動に関する先行研究をレビューした上で、小学校および中学校の教師に対して学習場面および非学習場面における児童生徒への人的援助についてどのような事例を経験し,またどのような意識を持っているのか,半構造化面接を通して事例を行った.具体的には,学校場面での諸々のエピソードを呈示して,その場面で児童生徒に対して,どのような援助行為を行い,その帰結(援助効果・援助成果)がどうであったかということを,計10名の教師に尋ねた.その結果,多くの教師において,児童生徒への直接的な働きかけを行う前に,ある程度の援助手控えをし,児童生徒の自律的解決を促すような行動をしていることが明らかになった.援助の適切さについは,そもそも教師において,そのような概念や考え方がなく,児童生徒にとってその行動がどのように適切のかそうでないのかといった判断は難しいということであった.加えて,特定の児童の困窮状況であっても,公平性の観点から,その児童のためだけに援助の行動をすることの難しさの指摘もあり,学級内でのエピソード事例にあっては,児童生徒に適切な援助を行うどとが難しい状況も浮き彫りになった.今回の面接調査から,教育指導場面において,教師の援助的行動が各自の経験や考え方に依存した形で行われており,その援助が適切であったかどうかの点については,自分ではなかなか判断できないとする人が多かった.この問題については,第三者的視点から判断されるものなのかもしれない.なお,総合的なデータ分析とその検証はこれから行い,2010年度において研究発表する予定である.援助者側と被援助者側の意識のずれ(ギャップ)の検証平成22年度については,援助者側の教師と生徒との関係の中で,適切な援助-被援助関係がどのように構築されているかという観点から検討する予定であったが,一定数のデータがまとまって取れない場合や,調査実施依頼に対して受諾が得られない場合などにより計画実行に遅れが出ており,年度内には計画完は了していない.内容的には,教師(=援助者側)の援助意思および援助効果の認識と,児童生徒(=被援助者側)の援助の内容中身についての期待や欲求および援助効果の認識に差異があるのかどうか,ある場合は,教師(援助者)が行う援助行動は児童生徒(被援助者)にとって最も望んでいるものではないということを検証する予定であった.なお当初の目的からややずれるが,当研究室における学生の研究として,教師同士の援助-被援助関係における適切さについて調査を行った.その結果,教師間の相互援助的関係が構築されている場合は,職場環境や職場風土を良好なものと認知しており,学校行事等の活動も活発であることがあきらかになった.児童生徒に対しても良好な影響を及ぼしていると考えられる.また別の研究では,教師が1年間の学級運営を行っていく上で,子どもたちの他者受容感に焦点を当て,子ども同士の支え合いの関係の構築を目指す教師の行動について観察を通した研究が行われた.その結果,教師の適切なアドバイスが,子どもたち個々人の他者へのサポーティブな言動を引き出し,学級内の対人関係が良好となり,他者受容感が生まれていることが明らかにされた.前者は来年度の学会で発表予定であり,後者については,研究論文として発表された.これらの研究は,いずれも学校現場における実際のデータをもとにして行われたものであり,今後の展開を含めて大いに意義のあるものと言える.不適切な援助行動を解決するモデルの構築教師による不適切な援助を回避し,援助を適切なものにしていく過程を検討しながら,時系列的な援助における援助の適切化モデルを構築することを目標とする.このモデルに組み込まれる変数は多種多様(教師側のパーソナリティ要因,児童生徒側のパーソナリティ要因,教師側の職務専門性の要因,児童生徒側の援助要請経験の要因,学習状況の要因,教室や学級環境の要因等)であり,それらの要因をすべてまとめて検討するという形には至っておらず,モデルの構築に向けて検討段階にある.教師の授業等の観察やインタビュー,本学で行っている教育実践活動における毎回の子どもたちの様子等を把握しているが,データ化はまだ完成しておらず.今後もこのまま本研究を進めていく.教師の援助スキル向上プログラムの開発

さらに,教師の援助スキル獲得向上に資するプログラムの開発に取り組むという目的については,本学の教育心理学教室が主として行っている教育実践活動(子どものコミュニケーション能力向上に資する実践活動,志摩市における教育実地研究,コミュニケーション実習の授業等)を通して,コミュニケーションスキル向上を課題に取り組んでいるが,「他者を助ける」あるいは「援助を要請する」という枠組みにおける活動を取り入れて実施している.本来は,教師側の立場に焦点を当てて教師向けの課題として実践したいところであるが,大学内においては,教師を目指す学生が対象となり,本職の教師を対象としては,かろうじて教育免許法更新講習において実施しているのみである.研究としても遂行していかねばならないところであるが,教育実践の機会において現場教師の参加者も増えてきて,少しずつではあるが軌道に乗ってきているところである.3年計画の課題として申請したが,今後当分の間,このまま研究を進めることになる.
活性サイト原子分解能イメージング顕微鏡の開発

本研究では三次元アトムプローブ顕微鏡(3DAP)装置を改良し、固体触媒を反応条件下で測定することにより固体触媒の活性サイトを原子レベルで構造解析が可能な新たな分析装置である活性サイト原子分解能イメージング顕微鏡(Active Site Atomic Resolution Microscopy; ASARM)を開発し、触媒活性サイトの構造分析方法を確立することが目標である。ASARMは触媒機能を持つ試料表面に反応ガスを噴射し触媒反応が起きた場所を電界イオン顕微鏡(FIM)で観察することにより触媒反応サイトを特定する。その後、反応ガスの導入を止め3DAP測定を行うことで反応サイトの構造を観察する二段階で測定を行う。(1)表面触媒反応活性点の分布解析:FIMにより表面原子配列を明らかにした(111)面を先端に持つ白金の針先で、残留水素と雰囲気酸素の反応による水分子の生成を観測した。H2O関連イオンは針先の広い部分から放出されており、白金においては触媒活性点は広く分布していることが示された。しかし、最も強くイオンを放出する部分は先端中央の(111)面ではなく、その周囲3か所に存在する{240}面付近で、この部分が特に活性が大きいことが示された。{240}面はほかの面と比較して原子レベルでの凹凸がもっともはげしい部分であることから、白金表面での酸素による水素の酸化反応は、原子レベルでの凹凸の激しさに関係していることが示唆された。(2)電界強度とイオン放出強度の関係の解析:白金先端から放出される残留水素を起源とするイオンの放出強度分布を測定した結果、電界強度を徐々に強くしていくと、初めに(H2)+イオンが放出され始め、追ってH+イオンが放出されるようになうことが明らかとなった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では三次元アトムプローブ顕微鏡(3DAP)装置を改良し、固体触媒を反応条件下で測定することにより固体触媒の活性サイトを原子レベルで構造解析が可能な新たな分析装置である活性サイト原子分解能イメージング顕微鏡(ASARM)を開発し、これを用いて触媒活性サイトの構造分析方法を確立することが目標である。ASARMは触媒機能を持つ試料表面に反応ガスを噴射し触媒反応が起きた場所を電界イオン顕微鏡(FIM)で観察することにより触媒反応サイトを特定し、その後反応ガスの導入を止め3DAP測定を行うことで反応サイトの構造を観察する二段階で測定を行う。触媒反応が起きるためには試料付近での反応ガスの濃度と触媒反応が起きる温度が必要である。反応ガスが計測に悪影響を与える可能性があるため試料付近のみ反応ガスの濃度を高くする必要がある。そこで、実験およびシミュレーションを用いてガスを流した際のガスノズルと試料までの距離、ガス流量などによる試料付近及びチャンバ全体の圧力変化を確認した。その結果を基にガス導入機構の設計及び製作を行った。さらに反応ガスによるノイズを最小限にするため排気システムも改良を行った。触媒反応で重要な点である温度についても研究を行った。FIM及び3DAPでは原子レベルの空間分解能を持つために試料を低温にする必要があるが触媒反応では室温及びそれ以上の温度を必要とする場合が一般的である。今回目標とする触媒活性サイトの観察のためには原子レベルでの空間分解能が必須条件であり、試料を加熱するのは望ましくない。そこで3DAPで用いられるパルスレーザーにより試料温度が瞬間的に上がることから、パルスレーザーによる試料温度の変化についてシミュレーションを行った。パルス幅、パルス間隔、パワー等を最適化することにより様々な触媒反応に必要な温度にまで瞬間的に上げられることが確認できた。(1)ガス導入機構設計及び装置改良測定への影響を最小限にするため試料付近のみ触媒反応条件になるようガス導入機構を設計した。ガス導入機構を設計する前に簡易装置を用いてガスノズルの直径、ガスノズルと試料までの距離、流量などによるチャンバ全体の圧力および試料付近の圧力変化について実験とシミュレーションを行った。これの結果からガス流量を低くしでても試料からガスノズルまでの距離を短くした場合がチャンバ全体の真空度の悪化を抑えたまま試料付近の反応ガスの濃度を上げられることが確認できた。しかし、ガスノズルを試料に近づけられる距離は限度がある。測定中試料または触媒反応により生成された生成物が試料付近でイオン化され電場に沿って飛行するため試料付近にグラウンドの物体がある場合電場の形が歪みイオンの飛行軌道に影響を与える。そこでSIMIONを用いてガスノズルが放出されたイオンの飛行軌道に影響を与えない距離を求めた。これらの結果を基に試料とガスノズルの距離は5 mmという最適値が得られた。この結果を基にガス導入機構の設計及び製作を行い装置の改良を行った。さらに残留した反応ガスによるノイズの増加を防げるため排気系も改良を行った。チャンバで最も高真空度が必要とされる検出器付近にタンデムのTMPを設置し検出器側は高真空を維持できるようにした。(2)シミュレーションによる試料付近の温度触媒反応に必要な試料温度を得るためのパルスレーザーによる試料温度上昇についてシミュレーションを行った。シミュレーションの結果から試料の温度はおよそ400Kまで上昇することが確認できレーザー照射が止まると短時間で元の温度まで冷却されることを確認できた。この結果からパルスレーザーのパルスエネルギー、パルス間隔、パルス幅を調整することにより原子レベルの空間分解能を持ちながら触媒反応が観察できることを確認できた。

本研究では三次元アトムプローブ顕微鏡(3DAP)装置を改良し、固体触媒を反応条件下で測定することにより固体触媒の活性サイトを原子レベルで構造解析が可能な新たな分析装置である活性サイト原子分解能イメージング顕微鏡(Active Site Atomic Resolution Microscopy; ASARM)を開発し、触媒活性サイトの構造分析方法を確立することが目標である。ASARMは触媒機能を持つ試料表面に反応ガスを噴射し触媒反応が起きた場所を電界イオン顕微鏡(FIM)で観察することにより触媒反応サイトを特定する。その後、反応ガスの導入を止め3DAP測定を行うことで反応サイトの構造を観察する二段階で測定を行う。(1)FIM質量分析法の開発:通常のFIMは結像ガスとして不活性ガスを用い、試料に直流高電圧を印加することで連続的に結像ガスをイオン化する。この方法では針状試料先端の原子配列は観察可能であるが、生成したイオンを同定することはできない。そこで、FIM観察時に3DAPに実装されているトリガーパルスを加えることで、飛行時間型質量分析を可能とした。これにより、トリガーに同期して発生したイオンの同定を行い、同時にそのイオンが示す二次元FIM像を観察した。(2)FIM質量分析による吸着化学種の同定:試料としてPt針を用い、結像ガスの代わりに酸素ガスを用いてFIM質量分析を行うことを試みた。その結果、低温域では酸素分子イオンのみが検出されたが、100K程度以上の温度になると酸素分子イオンは検出されず、酸素原子イオンが検出されるようになった。このことから、Pt上の酸素は低温域では分子吸着しており、室温では解離吸着していることを観察可能であることが明らかとなった。FIM質量分析が実現し表面吸着種の同定が可能となったことにより、触媒反応前後の分子を区別し、かつそれらの分布像を原子分解能で得ることが現実のものとなった。これは、ASARMの実現が目前のものとなったことを意味する。(1)表面触媒反応活性点の分布解析:FIMにより表面原子配列を明らかにした(111)面を先端に持つ白金の針先で、残留水素と雰囲気酸素の反応による水分子の生成を観測した。H2O関連イオンは針先の広い部分から放出されており、白金においては触媒活性点は広く分布していることが示された。
光合成の光阻害における光化学系I反応中心の分解メカニズム

光エネルギーは植物の光合成反応の原動力であり、植物の生存に必要不可欠である。しかし過剰な光は逆に光合成反応を阻害し、光合成器官の酸化的な破壊を引き起こす。この現象は、植物が光エネルギーを効率的に集める機構を発達させればさせるほど起きやすくなるという面を持つので、その機構の解明は非常に大きな意味を持っている。光化学系Iの光阻害時のPSI-Bサブユニットの分解に関しては最近の我々の研究により、最初の切断はヘリックス7と8を繋ぐラメラ側のループ上のAla^<500>とVal^<501>の間で起こることが明らかになった。この切断は弱光でも引き起こされることから、光阻害時だけではなく通常のサブユニットの代謝回転にも寄与している可能性が示唆される。そこで、本研究においてはこのPSI-Bサブユニットの分解のメカニズムと光化学系Iの反応中心複合体の代謝回転への関与を明らかにすることを目的として実験を行っている。昨年度においては、in vitroの光阻害の系を用いて阻害処理時にタンパク質分解酵素阻害剤を共存させてサブユニットの分解が抑制されるか否かを検討し、セリンタイプの蛋白質分解酵素の阻害剤であるPMSFの添加によってサブユニットの分解が押さえられることなどを明らかにした。本年度は、主にin vivoの光阻害の系を用い、光阻害後のタンパク質代謝回転に注目して実験を行った。まず、光阻害後のクロロフィル量を時間を追って追跡した結果、低温光処理直後にはほとんど変化がなかったが、その後1週間のうちに処理した物ではクロロフィル量が大きく減少することがわかった。同時に光化学系Iの反応中心量をP-700の吸光変化からin vivoで測定すると、処理直後に大きく減少した後、1週間の間ほとんど変化を示さないことがわかった。この結果、in vitroで測定した系I反応中心/クロロフィル比は処理直後に大きく減少した後、1週間の間にほぼ元のレベルに回復する。以上の結果は、低温光処理によって失活した系Iが選択的に分解を受けることを示唆する。しかし、過剰な光は逆に光合成反応を阻害し、光合成器官の酸化的な破壊を引き起こす。光化学系Iの光阻害時のPSI-Bサブユニットの分解に関しては最近の我々の研究により、最初の切断はヘリックス7と8を繋ぐラメラ側のループ上のAla^<500>Val^<501>の間でおこることが明らかになった。本年度においては、まず、植物種に依らず、また温度に依らず系I活性の低下と反応中心サブユニットの分解が見られることを明らかにしているチラコイド膜を単離してからの光阻害の系を用いて阻害処理時にタンパク質分解酵素阻害剤を共存させてサブユニットの分解が抑制されるか否かを検討した。その結果、セリンタイプの蛋白質分解酵素の阻害剤であるPMSFの添加によってサブユニットの分解が押さえられることを明らかにした。ついで、低温感受性植物の葉を茎につけたまま系I光阻害処理を行い、サブユニットの断片の量を処理後の時間をおってチェイスすることにより、サブユニットの分解がサブユニットの代謝回転を引き起こすのか、それとも通常の代謝回転は光阻害時のサブユニット分解とは全く別個に起こるのかを検討した。その結果、サブユニットの断片は、処理後4日ほどで消失し、通常の代謝回転よりも速い速度でサブユニットが分解されていることが示唆された。

同時に光化学系Iの反応中心量をP-700の吸光変化からin vivoで測定すると、処理直後に大きく減少した後、1週間の間ほとんど変化を示さないことがわかった。この結果、in vitroで測定した系I反応中心/クロロフィル比は処理直後に大きく減少した後、1週間の間にほぼ元のレベルに回復する。以上の結果は、低温光処理によって失活した系Iが選択的に分解を受けることを示唆する。
熱放射の射出・吸収に関する分子動力学的研究

先ず一酸化炭素を例に,液体と気体の各状態における振動(赤外線)及び回転(遠赤外線)スペクトルを分子動力学法により計算した.分子内振動は原子間にレナ-ド・ジョンズポテンシャルを仮定し,また原子間に静電荷によるク-ロン力が働くとして計算した.計算は温度120K,密度600kg/m^3(液体),60kg/m^3,6kg/m^3(気体)の3種の場合について,分子数108個を用い,周期境界条件を置いて,時間刻み2×10^<-16>secで行ない,10^6ステップの計算結果から系の双極子モ-メントの変動を求め,それから熱放射にとって重要な吸収断面積を計算した.計算結果によると遠赤外線(回転)スペクトルには液体,気体のいずれにおいても約50カイザ-位置にピ-クをもつが,液体の方がピ-ク値が小さく,スペクトルは広い振動数範囲に分布する.また,気体についての結果は量子論から求まるものとよく一致する.次に実用上要重な水及び水蒸気について,特にその回転スペクトル(遠赤外線スペクトル)に注目して同様の計算を行なった.水分子のモデルとしてはBNSモデルを採用した.水の場合,特に液体状態では計算時間の制限から扱える分子数に限りがあること,周期境界条件を用いたことなどにより,これらの原因による特有の指向性が現れるという問題があるが,その制約内では実験事実と定性的によく一致する結果が得られた.上記2つの計算結果から明らかなように,分子動力学法は赤外及び遠赤外線スペクトルの計算に有効であることが判明した.先ず一酸化炭素を例に,液体と気体の各状態における振動(赤外線)及び回転(遠赤外線)スペクトルを分子動力学法により計算した.分子内振動は原子間にレナ-ド・ジョンズポテンシャルを仮定し,また原子間に静電荷によるク-ロン力が働くとして計算した.計算は温度120K,密度600kg/m^3(液体),60kg/m^3,6kg/m^3(気体)の3種の場合について,分子数108個を用い,周期境界条件を置いて,時間刻み2×10^<-16>secで行ない,10^6ステップの計算結果から系の双極子モ-メントの変動を求め,それから熱放射にとって重要な吸収断面積を計算した.計算結果によると遠赤外線(回転)スペクトルには液体,気体のいずれにおいても約50カイザ-位置にピ-クをもつが,液体の方がピ-ク値が小さく,スペクトルは広い振動数範囲に分布する.また,気体についての結果は量子論から求まるものとよく一致する.次に実用上要重な水及び水蒸気について,特にその回転スペクトル(遠赤外線スペクトル)に注目して同様の計算を行なった.水分子のモデルとしてはBNSモデルを採用した.水の場合,特に液体状態では計算時間の制限から扱える分子数に限りがあること,周期境界条件を用いたことなどにより,これらの原因による特有の指向性が現れるという問題があるが,その制約内では実験事実と定性的によく一致する結果が得られた.上記2つの計算結果から明らかなように,分子動力学法は赤外及び遠赤外線スペクトルの計算に有効であることが判明した.
Stat3を標的とした慢性炎症性関節炎および関節破壊制御

関節リウマチに代表される関節炎疾患は、関節痛や関節腫脹だけではなく、関節の変形や日常生活動作レベルの低下に直結することから、その対策は重要です。本研究では、関節リウマチモデルマウスや新規に樹立した自己炎症症候群モデルマウスを用いて、関節炎および関節破壊を抑制する、新たな治療薬開発を進めます。
Inコアフェリチンを鋳型に用いた液滴エピタキシー法による量子ドット作製方法の開発

本研究では、「InコアフェリチンのGaAs基板への吸着」、「タンパク質殻の除去」、「InコアのAs化」の各プロセスを検討した。Inコアフェリチン溶液をGaAs基板に滴下しN2ガンで乾燥させることによって、GaAs基板上への吸着に成功した。UV/O_3処理によりタンパク質殻の除去を実現した。In_2O_3をH_2雰囲気下で熱処理をおこなうことによって、Inに還元されることを確認した。そして、すべてのプロセスを施すことによって、Inコアフェリチンに由来するナノ構造の形成と発光を得た。本年度は、まず、Inコアフェリチンの提供を受け、InコアフェリチンのGaAs基板上への吸着を試みた。(1)溶液濃度依存性:Inコアフェリチン濃度0.03.7mg/mlの溶液をGaAs基板上に滴下し、5分静置後、溶液を吹き飛ばした。AFM観察の結果、溶液濃度が増加すると、直径20nm、高さ9nm程度の粒子の密度が増加した。溶液濃度に対する依存性とフェリチンの大きさから、この粒子がInコアフェリチンであると判断した。つまり、溶液を滴下、静置、溶液除去という簡単な手法によって、InコアフェリチンをGaAs基板上に吸着させることに成功した。(2)溶液静置時間依存性:溶液静置時間を10秒10分と変化させた試料を作製した。AFM観察の結果、Inコアフェリチンの密度は大きな変化を示さなかった。つまり、Inコアフェリチンは、10秒以下の時間でGaAs基板上に吸着することがわかった。次に、Inコアフェリチン配列の基礎データを取得する実験をおこなった。(1)基板導電型の影響:p型、n型、半絶縁性基板上にInコアフェリチンを吸着させた。AFM観察の結果、Inコアフェリチンの密度は、基板導電型に対して系統的な変化を示さなかった。(2)光照射の影響:p型、n型、半絶縁性基板上にInコアフェリチンを吸着させる際、可視光を30秒照射した。これにより、基板中に発生するキャリアとフェリチンとの相互作用発現を狙った。一方、可視光照射時間を5分とした場合、溶液が蒸発した。AFM観察の結果、Inコアフェリチンは多層で、部分的に配列していた。これは、Inコアフェリチンの高密度配列構造の実現につながる重要な結果である。昨年度に実現した、GaAs基板上に吸着したInコアフェリチンに対し、タンパク質殻の除去を試みた。タンパク質殻除去手法として、(1)OMVPE装置を用いてH_2及びAs雰囲気下での熱処理、(2)UV/O_3処理について検討をおこなった。AFM観察の結果、いずれの手法によってもInコアフェリチン由来のナノ構造体のサイズが減少した。しかしながら、(1)の手法を用いた場合には、ラマン散乱測定から熱分解黒鉛の生成が確認された。一方、(2)の手法の場合、熱処理を施しても熱分解黒鉛の生成は見られなかった。したがって、UV/O_3処理によって、タンパク質殻が除去できることがわかった。また、タンパク質殻の除去には、34分のUV/O_3処理が必要であることもわかった。次に、InコアのAs化をおこなう前段階として、In_2O_3焼結体をH_2雰囲気下で熱処理することによって、In_2O_3の還元が可能であるか検討した。その結果、15分の熱処理によってIn_2O_3基板は黄色から灰色へ変色し、また、電気伝導性が見られるようになった。つまり、In_2O_3が還元され、Inが生成したものと考えられる。この結果より、H_2及びAsの混合雰囲気下においては、InコアがH_2で還元されると同時に、As化される可能性が十分あることが示唆された。タンパク質殻の除去に必要なUV/O_3処理時間においてはGaAs基板がダメージを受ける。そこで、GaAs基板がダメージを受けない最長のUV/O_3処理時間である2分で、タンパク質殻の除去をある程度おこない、その後、H_2及びAs雰囲気下での熱処理をおこなった。AFM観察の結果、Inコアフェリチン由来のナノ構造体が確認された。また、77KでのPL測定の結果、Inコアフェリチンに関連する発光が見られた。つまり、本研究の最終目標であるInAs量子ドット形成の可能性示す重要な結果が得られた。
15デオキシΔ^<12,14>プロスタグランジンJ2の肝細胞癌に対する抗腫瘍活性の検討

15デオキシΔ^<12,14>-プロスタグランジン12(15d-PGJ2)は、核内レセプターであるPPARγの生体内リガンドであり、サイトカイン・LPSによるNF-κB活性化の阻害やcyclo oxygenase2 (COX-2)活性の抑制を介して抗炎症作用を持つことが知られている。リセプターであるPPARγは、脂肪細胞の分化に必須の因子である他、肝臓、腸、血管内皮、血液細胞などでもその発現が確認されている。最近、15d-PGJ2が種々の癌細胞や血管内皮細胞対して増殖抑制効果さらにはアポトーシス誘導能を持つことが報告された。本研究では、肝細胞癌に対する15d-PGJ2の抗腫瘍活性を明らかにする目的で実験を計画した。15デオキシΔ12,14-プロスタグランジンJ2 (15d-PGJ2)は、核内レセプターであるPPARγの生体内リガンドであり、サイトカイン・LPSによるNF-κB活性化の阻害やcyclo oxygenase2 (COX-2)への負のfeed back作用を介して抗炎症作用を持つことが知られている。一方、リセプターであるPPARγは、脂肪細胞の分化に必須の因子である他、肝臓、腸、血管内皮、血液細胞などでもその発現が確認されている。最近、PPARγのリガンドであるチアゾリジン化合物や、15d-PGJ2がある種の癌細胞や血管内皮細胞対して増殖抑制効果さらにはアポトーシス誘導能を持つことが報告され、注目されている。15デオキシΔ12,14-プロスタグランジンJ2(15d-PGJ2)は、核内レセプターであるPPARγの生体内リガンドであり、サイトカイン・LPSによるNF-κB活性化の阻害やcyclo oxygenase2(COX-2)活性の抑制を介して抗炎症作用を持つことが知られている。レセプターであるPPARγは、脂肪細胞の分化に必須の因子である他、肝臓、腸、血管内皮、血液細胞などでもその発現が確認されている。最近、15d-PGJ2が種々の癌細胞や血管内皮細胞に対して増殖抑制効果さらにアポトシス誘電能を持つことが報告された。
照度制御型小型実験動物観察システムの研究開発

本研究では、小型実験動物観察用の照度制御システムを開発した。本システムは、LED照明を制御しCOMSカメラと赤外線カメラを搭載したマイクロコンピュータとソフトウェアにより「昼夜24時間の観察」「画像輝度制御による観察」の2種類の観察目的に応じた実験環境の制御をおこなった。実験準備として、照度制御システム用ソフトウェアおよびマイクロコンピュータのプログラムを作成した。照度制御は、マイクロコンピュータを通してコンピュータにより照明を制御した。画像解析プログラムとして、予め背景を撮影し観察画像から差分し、多少の背景変化を考慮する画像解析を実施することにより小型実験動物を限定する画像解析プログラムを作成した。本研究では、画像解析後、限定された個体を確認するためのプログラムとして、ラベリング処理にて個体認識可能であることを画像輝度制御における画像輝度制御の条件とした。照度制御システム作成のため、照度センサおよび小型実験動物観察が実施される実験環境の照度が確保されるLED照明を実装した。次にマイクロコンピュータを通して、目標照度に合わせたPWM制御にてLED照明を調光し、目標値となる画像輝度値に照明が変化するシステムを構築した。本システムの性能評価をおこなった。昼夜24時間の観察について、照度センサによりカメラを切換えることにより確認した。画像輝度制御による観察について、撮影画像が画像輝度制御の条件に適した目標値に収束するように、観察環境を強制的に変化させ、目標値へLED照明の調光をおこない目標値への収束を確認した。問題点として調光による目標値への画像輝度値が収束する際、電圧変動によるLED照明のちらつきの影響を受けた。
食物の物性により異なる咀嚼性刺激が顎骨および咀嚼筋の成長発育に及ぼす影響

本研究では性状の異なる飼料でラットを飼育し咀嚼性刺激が顎骨および咀嚼筋の成長発育に与える影響を明らかにすることを目的としており、本年度はラット咀嚼筋の終日筋活動および筋線維への影響について検討を行った。3週齢のWistar系雄性ラット20匹を使用し、無作為に硬食群と軟食群の2群に等分した。12週齢まで飼育した後、全身麻酔下で筋電図記録用送信器をラット背部に埋入し、電極を右側咬筋浅層、顎二腹筋前腹、側頭筋に挿入し筋活動を5日間連続で測定を行った。測定終了後、ラットを屠殺し送信器を取り出すとともに、咀嚼筋の免疫組織化学的評価を行うため左側の咬筋浅層、顎二腹筋前腹、側頭筋を摘出した。各筋について凍結切片を作製し、免疫組織染色を施して、各MyHCアイソフォーム(MyHC-I, IIA, IIX, IIB)を有する筋線維の比率を求め両群の比較を行なった。顎二腹筋は低活動レベルにおいて軟食群の筋活動量が有意に高く、高活動レベルでは両群間に有意差がみられなかった。一方、咬筋では低活動レベルでは差が無く、高活動レベルにおいて軟食群の筋活動量が有意に低かった。また、側頭筋ではすべての活動レベルで筋活動量に差が見られなかった。筋線維の比率については、咬筋において、硬食群と比較して軟食群はMyHC-IIAを有する筋線維の構成比率が有意に小さい値を示し、MyHC-IIBを有する筋線維は有意に大きい値を示した。顎二腹筋および側頭筋の筋線維タイプには両群間に有意な差はみられなかった。以上の結果から、高い活動レベルでの筋活動量が減少することで筋線維が易疲労性へと移行し筋機能の顕著な低下が示され、これらの機能変化が顎骨の代謝に影響を及ぼすことが示唆された。咀嚼運動は筋の収縮力を介して顎顔面骨格の成長に関与していることが知られているものの、どのような機能特性が骨代謝に影響を及ぼすのか、その詳細については不明な点が多い。本研究ではラットを性状の異なる飼料により飼育し、咀嚼性刺激が顎骨および咀嚼筋の成長発育に与える影響を明らかにすることを目的とした。12週齢まで飼育した後、ラットを屠殺し下顎骨を摘出した。下顎骨はマイクロCT(μCT 40)を用いて三次元構築し、得られた画像により下顎骨の形態計測と骨石灰化度の測定を行い、両群間で比較検討を行った。下顎骨の形態計測項目として、下顎枝長、下顎骨体長ならびに下顎角を用いた。各項目とも軟食群において値が小さい傾向を示したが有意差は認めなかった。骨石灰化度の測定は下顎骨体前方および後方部の皮質骨、ならびに下顎頭の海綿骨について行なった。その結果、下顎骨体部の両皮質骨はいずれも軟食群において有意に石灰化度が高く、下顎頭海綿骨では有意差を認めなかった。これらの結果より、粉末飼料により飼育したラットは骨形態までは影響を受けなかったものの、筋付着部位において骨石灰化度が高かったことから、骨に伝達される咀嚼筋の収縮力減少により骨リモデリングが低下していることが明らかとなった。現在下顎頭軟骨の免疫組織染色を行っており、顎関節への機械的負荷の減少による下顎頭軟骨の成長発育能に対する検討を行っている。今回の研究結果を踏まえ来年度は、両群の終日咀嚼筋電図の測定および咀嚼筋の免疫組織学的検索を行い、食物の物性が顎口腔系の形態ならびに機能に与える影響を明らかにして行きたい。

筋線維の比率については、咬筋において、硬食群と比較して軟食群はMyHC-IIAを有する筋線維の構成比率が有意に小さい値を示し、MyHC-IIBを有する筋線維は有意に大きい値を示した。顎二腹筋および側頭筋の筋線維タイプには両群間に有意な差はみられなかった。以上の結果から、高い活動レベルでの筋活動量が減少することで筋線維が易疲労性へと移行し筋機能の顕著な低下が示され、これらの機能変化が顎骨の代謝に影響を及ぼすことが示唆された。
音声理解手法の高度化に関する研究

3種類のそれぞれ特徴のある音声理解システムを構築するとともに、タスクの複雑性の尺度、ベクトル量子手法について検討した。即ち、1.教師なしの自動話者適応機能と1018単語の語彙を持つ汎用的、基礎的な連続音声認識システムを開発した。その音響処理部では種々の特徴パラメータによる音素候補を統合して音素識別を行い、句境界情報を求めている。言語処理部では格構造などを使った高度の単語の予測機能の他に、連続機能を付加した。6人の話者に対し、平均72%の文認識率を得ている。2.音声による対話システムを構成するための基礎研究として、目的指向型の対話の構造解析を行い、次にくる発話の内容を予測することを試みた。文脈は談話目標と話題の推移の2つの観点から解析し、次発話に現れる可能性のある単語の数を全体の40%程度に減少できることを示した。また対話システムにおける音声インターフェイスの役割を果たす連続音声認識システムの開発を行い、平均分岐数11程度の簡単なタスクに対して行った認識実験の結果、77%の認識率を得た。3.音節単位のHMMに基づく日本語連続音声理解システムの改良を行った。フレーム同期型文脈自由文法の構文解析アルゴリズムを用いた構文解析駆動型システムの他に、係り受け解析・格構造解析を中心とする意味解析駆動型音声理解システムも構築し、両システムを比較し、前者の方が優れていることを示した。また、タスクの複雑性の尺度として音韻・単語認識率Perplexity、文長、文認識率の相互関連を理論的に検討し、文認識率の推定値が実験結果とよく一致することを確かめた。4.音声符号化においてベクトル量子化を用いる際、量子化歪と通信路歪とを同時に最小化する手法を提案し解析した。また、線形予測係数をベクトル量子化した際に、インデックス分布に偏よりがあることを利用した音声認識法を提案し、非対称誤り訂正符号を用いて認識率を改善した。
シリコン集積回路プロセスによる単電子デバイス・回路の研究

標準的なシリコン(Si)集積回路プロセスを用いて、ゲート電圧で誘起されたトンネルバリアを有する単電子デバイスを検討した。Si細線に2本のゲートが横切るタイプの単電子転送デバイスを中心に特性を調べ、容量パラメータの抽出法の提案、転送電流に重畳するノイズの解析、回路動作高速化の検討、種々の情報処理回路の動作実証などを行った。その結果、Si集積回路プロセスにより単電子デバイス・回路を構成し研究を進めて行く礎が築かれた。標準的なシリコン集積回路プロセスで単電子デバイスを作製するために,厚いゲート絶縁膜領域,チャネルイオン注入領域,ソース/ドレイン拡散層領域,シリサイド無し領域等のレイアウトに工夫を行って,ゲート誘起トンネルバリアを有する単電子デバイスを設計した。外部の製造受託会社(ファウンドリ)に発注して150nm SOI CMOSプロセスでデバイス試作を行った。単電子デバイスで重要な容量パラメータを抽出するために,上層,下層ゲートに加えるパルス電圧レベルを変化させながら転送電流の電流電圧特性を測定する方法を考案し,アト、ファラッド(aF)オーダーの微小な上層ゲート、島間容量,下層ゲート、島間容量,島の周りの全容量などが簡便に評価できることを示した。これにより試作したデバイスの寸法と容量の関係を求め,単電子デバイスとしての動作条件を把握することができた。しかし低温において転送電流にはef(eは素電荷,fは転送の繰り返し周波数)オーダーのノイズが重畳することが見いだされ,単電子デバイス動作は確認できなかった。一方,集積回路プロセスと類似した単電子デバイス向けプロセスで作製したデバイスにおいては検討が進展し,1ゲートを駆動する新しい方式(単電子ラチェット)によりGHzオーダーの単電子転送動作が実現し,MOSFETを通過する電子を1個ずつ検出することで確率的な情報処理が行えることを示すことができた。平成19年度に、シリコン集積回路プロセス(150nm SOI CMOS)で作製した単電子デイバスで見出された課題(単電子島周りの容量の低減、転送に付随するノイズの低減など)に対応するために、より微細で欠陥が少ないと期待されるプロセス(65nmバルクCMOS)によりデバイス試作ならびに評価を行った。その結果、単電子島周りの容量は10aF程度まで減少させることができ、比較的容易に実現できる低温(20K)で単電子デバイス動作(転送電流の量子化)を観測することができた。しかし転送電流に付随するノイズは依然として存在し、内製プロセスを含む異なった3プロセスで作製されたデバイスに共通して見られる事から一般的な現象と分った。ノイズの転送周波数依存性や時間領域での観測などから、トンネルバリア高を制御しているゲート電極下の絶縁膜中トラップの充放電に基づくノイズ発生モデルを提案し、対策を立案した。対策案に基づいて実際にデバイス試作を行い、効果を確認した。シミュレーション手法の検討では、アナログデバイス記述用言語を用いて一部の単電子デバイスを汎用回路シミュレータに組み込むことが可能となった。他方、集積回路プロセス類似の単電子デバイス向けプロセスで作製したデバイスに関しては、トンネルバリア高をゲート電圧で動的に変化させる過程で生じる単電子帯電効果のメカニズム、MOSFET単電子検出器の室温動作・高感度化、長期にわたるオフセット電荷の安定性などについて検討が進捗した。シリコン集積回路プロセスにより作製した単電子デバイスの転送電流にノイズが重畳する現象を解析し、原因となっているゲート絶縁膜・シリコン界面のトラップを減少させる目的で窒化処理の削除やゲート絶縁膜厚さの変更を行って、デバイス試作により効果を検証した。特性評価の結果、界面トラップ密度の減少に応じた改善が認められ、一般的な集積回路プロセスでゲート誘起トンネルバリアを有する単電子デバイスを構成する方法が明確になった。回路構成法に関しては、単電子転送による情報処理結果を検出し出力するために用いるMOSFET単電子検出器(電荷計)の動作速度向上に取り組んだ。具体的にはRF反射率を測定する手法を採用し、SPICE回路シミュレーションならびに実測によって、単電子レベルの電荷信号を10MHz程度の動作速度で検出できることを明らかにした。単電子転送を利用した超低消費電力回路に関しては、転送デバイスと単電子検出器を集積化した回路を改善されたプロセスで作製し、基本動作確認の目処を立てた。その他、集積回路プロセスから派生したシリコンプロセスで、ナノドットアレイ構成の単電子デバイスを作製し、全加算器などの多入力多出力回路やマルチドット・シングルゲートの単電子転送回路の基本動作を実験により確認した。上記により、シリコン集積回路プロセスで単電子デバイスを構成する方法が明確化し、回路やシステムのプロトタイプ作製が容易になる結果、今後の単電子デバイスの研究が大きく加速される期待できる。
シェーグレン症候群関連疾患発症機構の解明

研究代表者が所属する研究室では、T細胞の染色体構造調節因子Special AT-rich sequence binding protein 1(SATB1)遺伝子を血球系細胞特異的に欠損させたコンディショナルノックアウトマウス(SATB1cKO)を用いて、自己免疫疾患発症機序の解析を行ってきた。これまでに、SATB1cKOマウスは、生後4週齢からシェーグレン症候群(SS)様病態を呈することを明らかにした。本研究では、SS特異的な治療法の開発を目指し、SATB1cKOマウスを疾患モデルとして、SS発症初期の病態形成と、その後の全身性自己免疫疾患へ病態が進展する分子メカニズムを明らかにする。
アンキリンによるイオンチャネルの膜上集積機構の解明

アンキリンGは自身がパルミトイル化され神経細胞や心筋細胞において種々のイオンチャネルを特定の場所に局在化させ膜の電気的興奮基盤を構築している。本研究では、アンキリンG自身のパルミトイル化を受ける領域の結晶構造を酸化・還元の二状態で解析し、膜接着の分子動力学計算を行った。その結果、パルミトイル化は膜への接着を安定化することを明らかにした。パルミトイル化されていない状態や酸化状態のアンキリンGも膜近傍に漂うが、安定な接着面を形成しての膜結合は観察されなかった。これらの結果は膜近傍でアンキリンGは準備しており、パルミトイル化されると、固い構造基盤に基づいた膜の電気的興奮基盤を形成することを意味する。(全体構想)心臓の拍動や脳の活動は細胞膜の電気的興奮によるものである。その電気活動を統制するイオン輸送膜蛋白質の細胞膜上の局在と機能を制御する分子基盤を明らかにする。(具体的目標)神経細胞・心筋細胞の電気的興奮性の要である電位依存性イオンチャネルは細胞膜上に裏打ち蛋白であるアンキリンGと結合することで限局・集積して発現する。本研究では、「アンキリンGによりイオンチャネルはどのように集まり、どのように機能するのか?」を、アンキリン-チャネル蛋白質複合体の結晶構造を解析し、細胞機能解析を行うことで明らかにする。これまでの研究から神経細胞・心筋細胞膜においてアンキリンGはイオン輸送体(Nav、Kv、CNG、Na+/K+ポンプ)と結合し特定の部位に限局させ膜興奮制御に有利に働くことが報告されて来たが、その構造基盤・結合様式は全く明らかにされていない。本年度は、アンキリン蛋白が、細胞膜へ接着しイオンチャネルが結合するドメインである、アンキリンリピートからなるmembrane bindingdomainのタンパク質を大腸菌を用いて発現・精製する事に成功した。精製した蛋白質の性質をCDスペクトラム、動的光散乱法を用いて解析した。アンキリンリピートは前半後半と二分割しても発現することを明らかにし、それぞれの結晶を作成することに成功した。アンキリンはアンキリンリピートの前半部分のパルミトイル化を介して細胞膜へ接着するが、そのパルミトイル化が起こる前半部位の結晶構造を高解像度に解析することに成功した。また、イオンチャネルとの結合を、種々のイオンチャネルの細胞質断片を用いて解析した。本研究では、「アンキリンGはどのように細胞膜に接着するのか?」「アンキリンGによりイオンチャネルはどのように集まり、どのように機能するのか?」を明らかにする。アンキリンG結晶構造の解析、分子間インターラクションの解析、細胞の機能解析を統合的に用い種々の側面から作動原理を明らかにする。これまでの研究から神経細胞・心筋細胞膜においてアンキリンGは細胞膜の特定の部位に接着し、イオン輸送体(Nav、Kv、CNG、Na+/K+ポンプ)と結合し限局させ膜興奮制御に有利に働くことが報告されて来たが、その構造基盤・結合様式は全く明らかにされていない。本年度は、昨年度解析することに成功した、アンキリンGの脂質結合部位の結晶構造を用いて、分子動力学的解析により、アンキリンGと細胞膜との接着機構を解析した。アンキリンGと細胞膜脂質二重膜との結合親和性を表面プラズモン法を用いて解析した。さらに、アンキリンGは酸化されることで2量体化することを見いだし、結晶構造解析法を用いて、高分解能の構造解くことに成功した。続いて分子動力学的解析により酸化アンキリン2量体の膜への脱接着機構を解析した。アンキリンGがイオン輸送体と結合していると考えられている、脂質結合部以降の分子後半部分のタンパク質を精製し結晶を作成することに成功した。大型放射光施設にて回折実験を行い、低分解能ながらタンパク質回折像を得ることに成功した。

本研究では、「アンキリンGはどのように膜に接着するのか?」「アンキリンGによりイオンチャネルはどのように集まり、どのように機能するのか?」を、アンキリンー脂質分子の相互作用、アンキリン-チャネル蛋白質複合体の結晶構造を解析し、細胞機能解析を行うことで明らかにする。これまでの研究から神経細胞・心筋細胞膜においてアンキリンGはイオン輸送体(Nav、Kv、CNG、Na+/K+ポンプ)と結合し特定の部位に限局させ膜興奮制御に有利に働くことが報告されて来たが、本研究開始前にはその構造基盤・結合様式は全く明らかにされていなかった。本年度は、前年度までに成功したアンキリンG蛋白がパルミトイル化修飾を受けて細胞膜へ接着する部分の結晶構造、そして、分子動力学的解析により明らかになった細胞膜への接着に重要な働きを持つアミノ酸残基の情報を用いて、細胞を用いた機能解析を行った。マウス胎児の海馬神経細胞の初代培養に、アンキリンG野生型、変異体をステーブルに発現させ、アンキリンGおよび電位依存性Naチャネルの局在を解析した。電位依存性Naチャネルをステーブルに発現させたヒト由来培養細胞に一過性にアンキリンG野生型、変異体を発現させ、電位依存性Naチャネルの電流量、機能修飾を解析した。26年度が最終年度であるため、記入しない。蛋白質の結晶構造を解析することは、蛋白質の発現、精製、そして結晶化が困難なため、計画通りの進展は一般に難しい。ところが、本研究では、本年度すでに2種類の機能ドメインの結晶を作成することに成功し、回折実験により蛋白質結晶であることを同定し、うち1種類の構造を高分解能で解くことに成功した。さらに、アンキリンGが酸化還元により構造が変化するというこれまで全く知られていない現象を見いだし、幸運にもその結晶構造を解析することに成功した。分子動力学的手法はコンピュータの計算速度の限界から、長時間のシミュレーションを回数多く行うことはこれまで不可能であった。本研究では、粗視化シミュレーションを行い、1マイクロ秒の長時間のシミュレーションを100本行う事が可能となった。これにより、これまで取り組まれていなかった脂質修飾蛋白質が細胞膜へ接着する機構の分子動力学計算が可能となり、その機構を明らかにすることに成功した。このように、当初の計画以上に進展しており、今後の進展も大いに期待出来る。生理学今後は、本年度解析に成功した、アンキリンGの結晶構造解析、分子動力学的解析により明らかになった、重要な蛋白質構造の情報を基に、細胞機能の解析に取り組む。アンキリンG脂質接着表面を構成する重要な残基に変異を導入し、海馬から初代培養した神経細胞にステーブルに発現させ、アンキリンGの局在、イオンチャネルの局在を組織学的に蛍光顕微鏡下に観察する。電気生理学的機能解析も並行して行ない、イオンチャネルが膜上に局在することで機能がどう変わるのかを明らかにする。パルミトイル化を介した膜への接着機構、膜への局在、そして機能発現を原子レベルで明らかにする。本年度明らかにした酸化還元によるアンキリンG蛋白質の機能的意義を細胞機能を解析することにより明らかにする。