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第一原理計算と実験の連携による強誘電体相転移における化学結合とソフトモードの研究

本研究では,理論計算(第一原理計算,分子動力学計算)及び高精度な実験(マイクロラマン散乱など)の密接な連携により,強誘電体相転移における化学結合状態,特に共有結合とソフトモードフォノン,また,それらに関連した巨大強誘電体物性との関連を解析することを目標として研究し,有限温度での誘電率のシミュレーション技術を開発した.この技術により,BaTiO3の巨大誘電率はポテンシャル障壁が熱振動エネルギーと同程度であるソフトモードの存在により発現していることが明らかになり,将来の高誘電率材料開発のための重要な設計指針を提供できた等の成果をあげた.本課題は,強誘電体材料の巨大強誘電物性機能について,その原子レベルでの構造解析と機能発現メカニズムを解明することを目的とし,化学結合状態とソフトモードフォノン巨大強誘電体物性に着目して,高精度の第一原理計算と実験を組み合わせた包括的な研究を実施し,巨大な強誘電物性発現のメカニズムを解析,解明することを目的として研究活動を実施している.提案者らは,本研究2年度である,平成25年度にTiペロブスカイト酸化物にフォーカスして,【第一原理計算によるTiペロブスカイト酸化物の化学結合状態,ソフトモードフォノン解析】,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,【マイクロラマン散乱・物性測定のための高品位試料の合成手法検討】の3点につき重点的に検討を行うことを計画し,実施した.その結果,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,においては,古典分子動力学法に基づきシャルモデルを応用したポテンシャル開発を行った.BaTiO3をモデル材料として,その精度の検証を実施したところ,BaTiO3の温度による逐次相転移はほぼ再現できることが判明した.しかしながら,有限温度での物性値である誘電率は実験値を大幅に過小評価する課題があることが明らかになった,この原因について現在解析中であるが,構築したTiの古典ポテンシャルに原因がある可能性が明らかになってきた.本結果については現在論文投稿中である.今年度にこの原因について引き続き解析を行い,より精度の高い大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発を目指す.本研究では,理論計算(第一原理計算,分子動力学計算)及び高精度な実験(マイクロラマン散乱など)の密接な連携により,強誘電体相転移における化学結合状態,特に共有結合とソフトモードフォノン,また,それらに関連した巨大強誘電体物性との関連を解析することを目標として研究し,有限温度での誘電率のシミュレーション技術を開発した.この技術により,BaTiO3の巨大誘電率はポテンシャル障壁が熱振動エネルギーと同程度であるソフトモードの存在により発現していることが明らかになり,将来の高誘電率材料開発のための重要な設計指針を提供できた等の成果をあげた.本課題は,強誘電体材料の巨大強誘電物性機能について,その原子レベルでの構造解析と機能発現メカニズムを解明することを目的とし,化学結合状態とソフトモードフォノン巨大強誘電体物性に着目して,高精度の第一原理計算と実験を組み合わせた包括的な研究を実施し,巨大な強誘電物性発現のメカニズムを解析,解明することを目的として研究活動を実施している.提案者らは,本研究初年度である,平成24年度にTiペロブスカイト酸化物にフォーカスして,【第一原理計算によるTiペロブスカイト酸化物の化学結合状態,ソフトモードフォノン解析】,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,【マイクロラマン散乱・物性測定のための高品位試料の合成手法検討】の3点につき重点的に検討を行うことを計画し,実施した.その結果,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,においては,古典分子動力学法に基づきシャルモデルを応用したポテンシャル開発を行った.BaTiO3をモデル材料として,その精度の検証を実施したところ,BaTiO3の温度による逐次相転移はほぼ再現できることが判明した.しかしながら,有限温度での物性値である誘電率は実験値を大幅に過小評価する課題があることが明らかになった.次年度以降にこの原因について引き続き解析を行い,より精度の高い大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発を目指す.本課題は,強誘電体材料の巨大強誘電物性機能について,その原子レベルでの構造解析と機能発現メカニズムを解明することを目的とし,化学結合状態とソフトモードフォノン巨大強誘電体物性に着目して,高精度の第一原理計算と実験を組み合わせた包括的な研究を実施し,巨大な強誘電物性発現のメカニズムを解析,解明することを目的として研究活動を実施した.その結果,大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発を行い,古典分子動力学法に基づきシャルモデルを応用したポテンシャル開発を行った.BaTiO3をモデル材料として,その精度の検証を実施したところ,BaTiO3の温度による逐次相転移はほぼ再現できることが判明した.これを用いて有限温度での誘電率のシミュレーションを行ったところ,その温度依存性の傾向を良く再現することが分かった.これらの結果は,BaTiO3の巨大誘電率はポテンシャル障壁が熱振動エネルギーと同程度であるソフトモードの存在により発現していることを示しており,新規巨大誘電率材料の設計にはこのポテンシャル障壁が熱振動エネルギーと同程度であるソフトモードを物質内に作りこめば良いことを示唆している.(本シミュレーションによる誘電率絶対値は実験値を大幅に過小評価する課題があり,この点については継続検討する必要がある.)

また,新しい強誘電材料の候補として従来の酸素八面体とはことなる四面体ユニットを有する物質の検討を行い,従来強誘電体にはならないと考えられていたZnOなどのウルツ鉱型結晶構造においてP63mc →P63/mmc →P63mcでの分極反転機構により強誘電性を発現する可能性を明らかにした.また,これらの物質群は酸素をカルコゲンに置換しても同様のメカニズムにより強誘電材料となりうることが判明し,新規強誘電体材料開発に新たな設計指針を提供した.第一原理計算による材料研究【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】において当初は,BaTiO3の温度による逐次相転移を再現できたならば,有限温度での物性値である誘電率の温度依存性も定量的に再現できるものと想定していたが,実際には実験値を大幅に過小評価する結果となってしまっている.この原因について現在解析中であるが,構築したTiの古典ポテンシャルに原因がある可能性が明らかになってきた.今年度は,引き続きこれらの原因の解明を行う.【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】において当初は,BaTiO3の温度による逐次相転移を再現できたならば,有限温度での物性値である誘電率の温度依存性も定量的に再現できるものと想定していたが,実際には実験値を大幅に過小評価する結果となってしまっている.現在は,これらの原因の解明中である.提案者らは,本研究2年度である,平成25年度にTiペロブスカイト酸化物にフォーカスして,【第一原理計算によるTiペロブスカイト酸化物の化学結合状態,ソフトモードフォノン解析】,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,【マイクロラマン散乱・物性測定のための高品位試料の合成手法検討】の3点につき重点的に検討を行うことを計画し,実施した.今年度も引き続き,【第一原理計算によるTiペロブスカイト酸化物の化学結合状態,ソフトモードフォノン解析】,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,【マイクロラマン散乱・物性測定のための高品位試料の合成手法検討】を実施するが,研究対象を非Tiぺロブスカイト物質に拡大して研究を実施する計画である.提案者らは,本研究初年度である,平成24年度にTiペロブスカイト酸化物にフォーカスして,【第一原理計算によるTiペロブスカイト酸化物の化学結合状態,ソフトモードフォノン解析】,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,【マイクロラマン散乱・物性測定のための高品位試料の合成手法検討】の3点につき重点的に検討を行うことを計画し,実施した.今年度も引き続き,【第一原理計算によるTiペロブスカイト酸化物の化学結合状態,ソフトモードフォノン解析】,【大規模分子動力学シミュレーションソフトウエアの開発】,【マイクロラマン散乱・物性測定のための高品位試料の合成手法検討】を実施するが,研究対象を非Tiぺロブスカイト物質に拡大して研究を実施する計画である.若干研究が計画に対して遅れているためH26年度中に研究の遅れを取り戻し,研究費を全額使用予定本提案の研究遂行において必要な大規模分子動力学計算,フォノン分散関係などを第一原理計算により決定するためのクラスタ計算装置,ソフトウエアについては,開発予定のものを除き,現在の所属研究室(JFCC,産総研)で既に有している.
感性パラメタによる経営組織のシミュレーション

1.高度モデルの実現方法前年度(2007年度)において構築行なったシステムプロトタイプの高度化を行なった.特にシステムとして構築するための機能要件をさだめそれに基づいてシステムの設計と実装を行なった(この結果は査読付論文誌に採録された).これにより以下のことが可能となった(1)これまでは複数のアプリケーションを組み合わせないとシミュレーションが行なかったが,このシステムで完結して実行することが可能となった(2)これまでは組合せる複数のアプリケーションに合わせてそれぞれモデル記述を行なわなければならなかったが,このシステムではここで定めた記述法のみで完結して実行することが可能となった2.システム運用によるモデルの評価本年度(2008年度)に構築したシステムを用いてその利用実験を行なった.具体的には,これまで目に見えるもの(これまでは人を中心)をエンテイティとして扱っていたが,モデルの中に組織自身のもつ風土や会議自体のもつ雰囲気など,目に見えないものを場を表す感性パラメタを導入し,そのパラメタをもつエンティを導入することによってシミュレーション可能とした.これをもとに実際に例題を用いてシミュレーションを行なうことによりその有用性を確認した.3.総括計画通りの進捗であった.前年度(2007年度)からの高度化に当たっては場の感性の導入である.さらに,それを実行できる高度モデルの実現である.(1)経営組織の調査(感性的要素の実態データ収集と感性パラメタの抽出)本研究が対象とする経営組織について出版物を中心にした調査(合理的要素の収集が主)および聞き取り調査(感性的要素の実態の収集が主)を行った.また,企業経営における感性を要素の利用状況を,とくに情報システムへの反映状況の調査を行った.これら聞き取りの内容から基礎データとして感性的なパラメタの抽出を行った.(2)関連モデルの調査(情報処理システム関連モデルの調査)本研究が対象とするシミュレーションを行うために,過去利用されていた情報処理システムとそこで利用されていたモデルや扱うことのできるモデルを文献により調査した.また,実際に使用されている現場に出向き,システムがどの程度使用されるかを調査した.これによりコンピュータソフトウェアによって実現できるモデルの構築を行った.(3)モデル考察と確立(1)および(2)で収集・分析した結果をもとに,シミュレータ構築のための基礎実験(プロトタイプの作成)をおこなった.これを用いてシミュレーションシステム構築のための実験システム(システムプロトタイプ)を作成しモデルの妥当性を検証する.(4)総括ほぼ,計画通りの進捗であった.特に(3)については,シミュレータに必要な機能設計に相当する部分も明確になったことにより,次年度でのシミュレータ構築が容易となった.1.モデルの高度化前年度(2006年度)において調査結果(合理的要素の収集および感性的要素の実態の収集)をもとに抽出された感性パラメタをもとに,さらに現実をシミュレートするためのモデルを構築した.具体的には,動的に変化する感性パラメタの導入である.そのために,感性パラメタに確率分布を導入した.これにより以下のことが可能となった(1)シミュレーションの結果を単一ではなく分布(期待値)として示すこと(2)複数のシミュレーションを個別データセットで複数行っていた昨年度のシステムと違い,同時に複数のシミュレーションすること2.システムプロトタイプの構築前年度(2006年度)のモデル調査(情報処理システム関連モデルの調査)および1(モデルの高度化)に基づき,実験システム(コンピュータソフトウェア)を構築した.このシステムは1(モデルの高度化)を表の形でモデルを記述でき,各感性パラメタには簡単な操作で確率分布を設定できる.さらに,モンテカルロ法によりシミュレーションを実行でき,それをグラフの形で表示することもできる.このシステムの設計と構築を行った.3.総括ほぼ,計画通りの進捗であった.研究申請時は高度化の具体的方法自体が調査対象であったが,前年度(2006年度)の成果をもとに具体的方法として確率分布の導入という方法を見い出し,それを組み込んだ実験システムを構築できた.本年度(2007年度)は会社経営という一般的な事柄以外に領域を特定した分野における感性についての分析も行いより現実的な課題の抽出もこことみた.具体的にはレストラン(フードビジネス)についてである.今後,このように,この方法が実際の経営システムをどの程度のレベルでシミュレーションしているのかを検討する必要がある.次年度の課題である.1.高度モデルの実現方法前年度(2007年度)において構築行なったシステムプロトタイプの高度化を行なった.特にシステムとして構築するための機能要件をさだめそれに基づいてシステムの設計と実装を行なった(この結果は査読付論文誌に採録された).これにより以下のことが可能となった(1)これまでは複数のアプリケーションを組み合わせないとシミュレーションが行なかったが,このシステムで完結して実行することが可能となった(2)これまでは組合せる複数のアプリケーションに合わせてそれぞれモデル記述を行なわなければならなかったが,このシステムではここで定めた記述法のみで完結して実行することが可能となった2.システム運用によるモデルの評価本年度(2008年度)に構築したシステムを用いてその利用実験を行なった.具体的には,これまで目に見えるもの(これまでは人を中心)をエンテイティとして扱っていたが,モデルの中に組織自身のもつ風土や会議自体のもつ雰囲気など,目に見えないものを場を表す感性パラメタを導入し,そのパラメタをもつエンティを導入することによってシミュレーション可能とした.これをもとに実際に例題を用いてシミュレーションを行なうことによりその有用性を確認した.3.総括計画通りの進捗であった.
内分泌攪乱化学物質の作用における新規ケトン体利用酵素の役割に関する研究

新規ケトン体利用酵素であるアセトアセチルCoA合成酵素は、内分泌攪乱化学物質であるビスフェノールAによりその発現が抑えられる。本研究ではまず、エストロゲン投与により脂肪細胞系のST-13細胞で本酵素の発現が上昇することを明らかにした。さらに、本酵素の発現と性ステロイドホルモンとの生理的関係を検討するために、乳癌細胞株(MCF7)を用いて解析したところ、転写開始点から0.17kbp以内にエストロゲンに反応する領域があることが明らかとなった。また、この領域はテストステロン処置でも反応することから、本酵素は性ステロイドの影響下にある可能性が示唆された。次に、この領域に存在する既存転写因子の結合する典型配列の有無を調べたところ、細胞の増殖や分化に関係するEtsやGATAの典型結合配列が存在していることがわかった。このことから性ステロイドやその類似化学物質が本酵素を介して細胞の機能に影響を与える可能性が示唆された。さらに3T3-L1細胞を用いた検討では、本酵素の転写開始点から0.5kbp以内が発現に大きく影響する領域であることがわかった。また、本酵素のプロモータ領域に遺伝子変異を導入して解析したところ、C/EBPαまたはβが本酵素の転写において重要であることが示唆された。さらに、本酵素の発現分布について検討したところ、本酵素の遺伝子はSDラットの各部位の脂肪組織において高発現し、特に雄の白色脂肪組織で特異的に発現していた。また、本酵素の週齢変化を見ると離乳に伴い発現が上昇し、その後雌と異なり雄では性成熟に伴って発現が亢進していた。一方、コレステロール合成の律速酵素(HMG-CoA還元酵素)については、本酵素と異なり雌雄共に週齢変化はほとんど観察されなかった。更に、前駆白色脂肪細胞を用いた検討では本酵素はHMG-CoA還元酵素と異なり、ACC-1と同じく分化誘導後4日目をピークに発現することがわかった。さらに本酵素は雄の肥大脂肪細胞に特異的に高発現することがわかった。以上の結果から、本酵素はケトン体からの脂肪酸合成を通じて、脂肪細胞の肥大化に関わっている可能性が示唆された。本年度はケトン体利用酵素であるアセトアセチルCoA(AA-CoA)合成酵素の発現動態を中心に以下について検討を行った。1)本酵素遺伝子上流プロモータ部位の解析本酵素の遺伝子発現制御機構を明らかにする目的で、ゲノム上の遺伝子上流配列を決定し既存転写因子の結合する典型的配列の有無を調べた。その結果、ステロール依存性調節因子など様々な転写因子の典型的な結合配列が多数存在していた。次に、上流のどの部位が本酵素の遺伝子発現に大きな影響を与えるのかを調べる目的で前立腺癌細胞株(MCF-7)や肝癌細胞株(HepG2)などの培養細胞系を用いてルシフェラーゼアッセイを行った。その結果、転写開始点から0.5kbp以内が本酵素の発現に大きく影響する領域であることが明らかとなった。この領域にはステロール調整領域(SRE)やcAMP依存性調節領域(CRE)などが存在しており、本酵素がコレステロールやcAMPを介する細胞内情報伝達系の影響下にある可能性が示唆された。2)本酵素発現と性ステロイドホルモンとの生理的関係の検討本酵素は性ステロイド様作用を持つ内分泌撹乱物質ビスフェノールAにより発現が減少することが明らかになっている。

そこで、まず本酵素と性ステロイドの関連を検討する目的で本酵素や関連酵素の遺伝子発現の性差を検討した。その結果、肝臓、皮下部の白色脂肪組織で特に大きな性差が見られた。両組織は脂質代謝に深く関わる組織であることから、本酵素が男女の脂質代謝の差異に関わる可能性が示唆された。次に、各種培養細胞系に性ステロイドホルモンを投与し、本酵素遺伝子の発現に与える影響を見た。その結果、エストロゲン投与により脂肪細胞系のST-13細胞で本酵素遺伝子の発現上昇が見られた。このことから性ステロイドやその類似化学物質が脂肪組織に存在する本酵素を介して生体内脂質代謝に大きな影響を与える可能性が示唆された。前年度にアセトアセチルCoA合成酵素は、エストロゲン投与により脂肪細胞系のST-13細胞で発現が上昇することが明らかになっている。そこで、本酵素の発現と性ステロイドホルモンとの生理的関係を検討するために、まず、エストロゲン投与による本酵素の転写調節領域を、乳癌細胞株(MCF7)を用いて解析した。その結果、転写開始点から0.17kbp以内にエストロゲンに反応する領域があることが明らかとなった。また、この領域はテストステロン処置でも反応することから、本酵素は性ステロイドの影響下にある可能性が示唆された。次に、この領域に存在する既存転写因子の結合する典型配列の有無を調べたところ、細胞の増殖や分化に関係しているEtsやGATAが結合する典型的配列が存在していることがわかった。このことから性ステロイドやその類似化学物質が本酵素を介して細胞の機能に影響を与える可能性が示唆された。さらに本酵素の遺伝子発現制御機構を明らかにする目的で、前駆脂肪細胞系の3T3-L1細胞を用いて検討を行った。前年度に本酵素の転写開始点から0.5kbp以内が発現に大きく影響する領域であることがわかっているので、本酵素のプロモータ領域に遺伝子変異を導入して解析したところ、C/EBPαまたはβが本酵素の転写において重要であることが示唆された。C/EBPαは肝臓におけるグリコーゲンや脂肪の蓄積に関係しており、またC/EBPβは正常な肝細胞の増殖に必要なことから、本酵素はこれらの機能に関係している可能性が示唆された。さらに、アセトアセチルCoA合成酵素の発現分布について検討したところ、本酵素の遺伝子はSDラットの各部位の脂肪組織において高発現し、特に雄の白色脂肪組織で特異的に発現していた。また、本酵素の週齢変化を見ると離乳に伴い発現が上昇し、その後雌と異なり雄では性成熟に伴って発現が亢進していた。一方、コレステロール合成の律速酵素(HMG-CoA還元酵素)の発現を検討したところ、本酵素と異なり雌雄共に週齢変化はほとんど観察されなかった。更に、前駆白色脂肪細胞を用いた分化誘導による検討では本酵素はHMG-CoA還元酵素と異なり、ACC-1と同じく分化誘導後4日目をピークに発現することがわかった。以上の結果から、本酵素は成熟期の脂肪細胞でケトン体をコレステロール合成以外の経路、特に脂肪酸合成経路に受け渡している可能性が考えられた。
可視化癌幹細胞における特異的キナーゼ解析と臨床病理学的検証

膵癌および膵神経内分泌腫瘍における、癌幹細胞性についての研究を目的とした。膵癌については、DCLK1という遺伝子が、癌幹細胞性に寄与していることを見出した。さらにこの遺伝子が癌細胞の遊走能を向上させ、膵癌の転移を促している可能性が示唆された。また、膵神経内分泌腫瘍においては、DAXXという遺伝子が癌幹細胞性に関与している可能性を見出した。DAXXの機能低下は、STC2という遺伝子の過剰発現と相関して、腫瘍形成能や、腫瘍内血管造成に関与していることを発見した。これらの遺伝子は、膵癌および膵神経内分泌腫瘍における新たな治療ターゲットとなる可能性がある。近年、プロテアソーム活性の制御因子として、Mpk1/ERK5の重要性が明らかとなった(Nature 536, 184&#8211;189)。膵癌におけるMpk1/ERK5の幹細胞性への影響を調べるために、ERK5阻害薬であるXMD8-92をCSClowに付加したところ、濃度依存性にZsGreen陽性率が上昇した。膵癌の幹細胞性維持にもMpk1/ERK5が重要な機能を担っている可能性が示され、今後さらに解析を進める予定である。また、膵原発の悪性腫瘍として近年膵神内分泌腫瘍(PanNETs)が近年注目されてきている。希少疾患であるPanNETsだが、当院はPanNETsの専門施設として多くの症例が集まっており、豊富な臨床データ、標本をもとに研究が可能である。近年、PanNETsにおける遺伝子Xの重要性を示唆する報告を受け、当院でのPanNETs症例44例について遺伝子Xの免疫組織染色を行ったところ、12例(27.3%)に発現低下を認め、これらの症例で悪性度と相関するKi67が高かった。そこで、PanNETs細胞株に対しCrispr/cas9を用いて遺伝子XのKnock down株を作成したところ、Sohere形成や腫瘍増殖の上昇が認められ、遺伝子Xが癌幹細胞性に関与していることが示唆された。また、この細胞株を用いたmicroarray解析で複数の遺伝子のRNAレベルが変化を認めた。遺伝子Xはヒストンシャペロンとして機能していることで知られており、遺伝子Xのリクルート状況やヒストン修飾状況について、Chip解析を進めている。これまで行ってきた可視化システムを用いた膵癌幹細胞についての研究に加え、新たに膵神経内分泌腫瘍の幹細胞性についての研究も開始し、順調に結果が得られている。膵癌幹細胞に関する実験については、やや遅れている。近年、プロテアソーム活性の制御因子として、Mpk1/ERK5の重要性が明らかとなった。膵癌の幹細胞性維持にもMpk1/ERK5が重要な機能を担っている可能性が示され、今後さらに解析を進めている。近年、PanNETsにおける遺伝子Xの重要性を示唆する報告を受け、当院でのPanNETs症例44例について遺伝子Xの免疫組織染色では、12例(27.3%)に発現低下を認め、非機能性腫瘍、Ki-67指標およびWHOグレードの高さと有意に相関していた。PanNETs細胞株に対しCrispr/cas9を用いて遺伝子XのKnock out株を作成したところ、遺伝子X-KOのマイクロアレイおよびChIP解析では、遺伝子Xの転写リプレッサーの直接標的として12の遺伝子が同定された。その中で、遺伝子Yを含む5つの遺伝子の発現は、遺伝子X/H3.3/H3K9me3経路によって抑制された。遺伝子X-KO細胞はSphea形成を活性化し、遺伝子YのKOによってその効果が抑制されることを確認し、異種移植モデルでは遺伝子Yの発現が高い遺伝子X-KO細胞で腫瘍形成能および腫瘍血管密度が有意に上昇することを確認した。これらの結果から、遺伝子Xが癌抑制遺伝子として働き、遺伝子X/ H3.3複合体がPanNETのH3K9me3を促進することによって標的遺伝子を抑制することが示唆された。PanNETsに遺伝子Xのリクルート状況やヒストン修飾状況について、Chip解析を進めている。肝胆膵外科学膵癌幹細胞についてついての実験に加えて、PanNETsの癌幹細胞性に関する研究を進めた。膵癌幹細胞についての使用部分で未使用額が生じた。上記理由により、未使用額の一部はPanNETs癌幹細胞についてのヒストン修飾機能的解析に充てることを予定している。また、この研究結果を論文および学会発表するための経費としての使用を考えている。
ミトコンドリア異常症における患者形成機構の分子生物学的解析

ミトコンドリア異常症における患者形成機構の解析の基本は、変異ミトコンドリア遺伝子(mtDNA)の分配様式の解析である。ミトコンドリア異常症における特異点は、組織内で正常ミトコンドリア遺伝子(mtDNA)と変異mtDNAが存在していることであり、変異mtDNAの局在様式が、病態を決定している。本研究ではミトコンドリア異常症における変異mtDNAの分配、局在様式の解析のために、細胞内変異mtDNAの分配様式を末梢リンパ球において1細胞ごとの変異mtDNAを定量解析した。全身型であるMELASと病態が局在するLeber遺伝性視神経萎縮症(LHON)の異なる2病型において異なる血痂を得た。MELASでは、すべての細胞は変異mtDNAと正常mtDNAの共存型であるヘテロプラスミ-を形成し、変異mtDNAは安定状態で正常mtDNAと共存していた。LHONにおいては、正常mDNAのみの細胞集団と変異mtDNAを多量に持つ細胞集団が存在した。このことは、ミトコンドリア異常症の病型により変異mtDNAの分配機構が異なる可能性を示唆し、患者形成機構の解析に新たな知見を与えた。
フレーバーの構造と暗黒物質をつなげるフレーバー対称性

低エネルギーフレーバー対称性を湯川相互作用の構造を決定する原理と見なし、低エネルギーフレーバー対称性のもたらす現象論的帰結とその実験的検証可能性を調査した。さらに、低エネルギーフレーバー対称性によって決められたフレーバーの構造から、ニュートリノ質量・混合と暗黒物質の性質を結びつけることを試み、標準理論を拡張する糸口を探った。また、平成19年8月3日から10日まで国際集会[Summer Institute2008]を富士吉田で開催し、素粒子のフレーバーの構造や暗黒物質についての講演会を行った。72名(内18名は海外の研究施設から)の参加者があり、当研究課題に興味のある国内外の研究者や大学院生と集中的な議論を様々な側面から行った。当集会の総合報告は素粒子論研究116巻1号(平成20年4月)に発表されることが確定している。
確率計画による発電部門における二酸化炭素問題対策技術の評価

1.本研究の実績本研究では、CO_2排出量の約3割を排出する発電部門に関して、来世紀中頃までを対象にした電源計画モデルを構築した。そして、CO_2排出抑制政策に関する不確定性とその経年変化とを考慮した電源計画手法を確率的動的計画手法に基づいて提案した。そこでは、不確定な排出抑制政策を時変の確率過程としてモデル化し、電源計画を分解解法が適用可能な大規模線形計画問題として定式化した。そして、炭素排出量規制や炭素税の導入という不確定要因が、今後の発電設備構成に与える影響を分析した。本研究は以下の手順で行った。(1)関連データの収拾と整理、および発電部門のモデリング(4カ月)発電部門のモデリングに必要なデータ収拾、整理、加工を行った。そして、発電部門のモデリングを変数の個数が3000個程度の確率的動的計画問題として定式化した。(2)ソフトウェアの開発、およびモデルによる分析(7カ月)OECDによって集計されたエネルギー統計を購入し、そのデータに基づいてモデルパラメータの設定を行った。そして(1)で定式化したモデルを最適化するためのプログラム作成を新規に購入した計算機上で行った。さらに我が国の発電部門を対象にした数値例を通して、作成されたモデルを用いて不確実性下における発電部門のCO_2問題対策技術の評価を試みた。2.本研究の成果提案手法の有効性をまとめると次のようになる。まず本手法では、電源計画を多段決定過程として定式化するため、対象期間途中における排出抑制政策の変更に対して柔軟に対応できる計画の立案を可能としている。そして、排出抑制政策決定に関する不確定性を時変の確率過程としてモデル化しているので、不確定性の経年変化の影響を明示的なシナリオに基づいて評価することができる。本手法は、発電部門以外のエネルギーシステムにも十分に適用可能と考えられ、本研究の担当者は既に提案手法の拡張を図りつつある。
自己運動知覚を支える運動視機能と脳内ネットワークの研究

視覚性の自己運動感覚(ベクション)は長く研究されてきたが生起メカニズムの解明は不十分で.VR(仮想現実)機器の隆盛に伴い,再検討が必要となっている.本研究では,1)ヘッドマウント型VR機器におけるベクションの心理応答と身体応答の検討,2)ベクションを支える運動視の基礎過程の解明,3)ベクションに関連する脳機能画像実験(fMRI),の3つを柱として,VR環境による映像酔いの評価と対策の検討も行う.視覚運動情報処理と身体感覚という基礎科学的問題を基軸としながら,新しいVR環境における,より効果的なアプリケーション開発と安全性の確保につながる応用性の高い知見を得ることを目指す.視覚性の自己運動感覚(ベクション)は長く研究されてきたが生起メカニズムの解明は不十分で.VR(仮想現実)機器の隆盛に伴い,再検討が必要となっている.本研究では,1)ヘッドマウント型VR機器におけるベクションの心理応答と身体応答の検討,2)ベクションを支える運動視の基礎過程の解明,3)ベクションに関連する脳機能画像実験(fMRI),の3つを柱として,VR環境による映像酔いの評価と対策の検討も行う.視覚運動情報処理と身体感覚という基礎科学的問題を基軸としながら,新しいVR環境における,より効果的なアプリケーション開発と安全性の確保につながる応用性の高い知見を得ることを目指す.
OXA-型カルバペネマーゼ産生アシネトバクター属菌に関する 集中的・包括的研究

アシネトバクター属菌のカルバペネム耐性因子のイムノクロマトグラフィーによる検出方法を構築した。本検出システムの感度および特異度はそれぞれ81.3%および92.5%であった。このシステムを用いて日本国内で収集された598株のアシネトバクター属菌が保有するカルバペネム感受性低下因子について検討した。その結果、Acinetobacter baumanniiおよびnon-baumannii Acinetobacterの主要カルバペネム耐性因子は、それぞれOXA-型カルバペネマーゼおよびメタロβラクタマーゼであった。本邦で分離されたカルバペネム低感受性A. baumanniiの93%は、世界各地から報告されている多剤耐性株と同一clone株であることが明らかとなった。さらに、私たちは酵素学的検討が十分になされていないOXA-23の詳細な酵素学的パラメータの算出およびOXA-24のX-線結晶解析にも成功した。平成22年、ついに日本でも多剤耐性アシネトバクター属菌(MDRA)による院内感染が発生し大きな問題となった。しかし、MDRAのカルバペネム耐性に関与するOXA-23、OXA-40、OXA-51およびOXA-58といった、クラスDに属するカルバペネム分解型βラクタマーゼ(CHDL)の検出法は未だ確立されていない。本研究の目的の一つはこのCHDLの検出法を確立することにある。この方法として申請者らが注目したのは、イムノクロマト法による検出方法である。当初、ポリクローナル抗体を用いた検出法の構築を試みたが、感度・特異度に問題があることが判明した。その問題を解決するために、急遽モノクローナル抗体を用いた検出法の構築を実施することにした。平成22年度、OXA-51以外の酵素に対する検出法の構築が終了した。平成23年に検出システムの評価を実施するため、CHDL産生MDRAの検出頻度が高く、異なるタイプのCHDL産生株が分離されるシンガポール、韓国、イタリアおよびフランスの研究者に連絡を取り、具体的な評価計画を立案した。海外に評価を依頼するのは本邦におけるCHDL産生MDRAの検出頻度が未だ低いからである。もう一つの目的である各種CHSLの酵素学的パラメータの取得のうちOXA-23については平成22年度に終了した。しかし、この酵素の結晶化については難航している。平成23年度のX-線結晶解析はOXA-23の結晶化に重点を置いて研究を推進する予定である。OXA-40に関しては結晶が得られており、大まかな構造解析は終了しているが、詳細な結晶解析には至っていない。平成23年度はさらに良好な結晶を得るための条件検討を行い、野生型酵素の解析を終了する。また、平成22年度にOXA-40の詳細な酵素学的パラメータを測定する条件検討が終了し、いくつかのパラメータの取得が終了した。平成22年以降、日本でも多剤耐性アシネトバクター属菌(MDRA)による院内感染が発生するようになった。しかし、MDRAのカルバペネム耐性に関与する主要耐性因子であるクラスDに属するカルバペネム分解型βラクタマーゼ(CHDL)の検出法は確立されていない。平成23年までは、ポリクローナル抗体を用いたイムノクロマト法による検出法の構築を試みたが、特異度に問題があることが判明したため、モノクローナル抗体を作成することにした。平成23年度、対象とした全てのCHDLに対する抗体作成と検出システムの構築が終了した。日本ではCHDL産生株の分離頻度が低いため、米国、英国、オーストラリア、オランダ、シンガポール、韓国、イタリアおよびフランスの研究者にその評価を依頼した。本年度中には、その評価結果を集計し、論文で公表する予定である。もう一つの目的であるOXA-23の酵素学的パラメータは、平成22年度にほぼ取得することができた。しかし現在は、その反応機構を詳しく解明するために、さらに詳細なパラメータの取得を試みている。一方で、本酵素の結晶化が難航していることも事実である。一方、OXA-40に関しては良好な結晶が得られており、詳細な構造の解析を実施する予定である。平成24年度は、OXA-40の詳細な酵素学的パラメータを取得し、解析された構造をもとにその反応機構の詳細を理解する予定である。平成22年以降、多剤耐性アシネトバクター属菌(MDRA)による院内感染が、日本でも発生するようになった。

しかし、MDRAのカルバペネム耐性の主要耐性因子であるクラスDに属するカルバペネム分解型βラクタマーゼ(CHDL)を、病院検査部で実施可能な検出法は確立されていない。本研究の大きな目的は、迅速で簡便なCHDLの検出法を確立することである。平成23年までは、家兎ポリクローナル抗体を用いたイムノクロマト法を構築した方法を試みたが、非特異反応が多く認められるとともに、一部には十分な感度を得ることができないCHDLがあることが判明した。そのような背景から、マウスモノクローナル抗体を作成し、それを用いて再度イムノクロマト法によるCHDLの検出系を構築することにした。平成23年度、対象とした全てのCHDLに対する抗体作成と検出システムの構築が終了した。平成24年度は、日本におけるCHDL産生株の分離頻度が低いため、米国、英国、オーストラリア、オランダ、シンガポール、韓国、イタリアおよびフランスの研究者にその評価を依頼した。その結果、本方法の感度は約90%、特異度は約80%であった。論文で公表に向けて、現在、その評価結果を精査している。一方、CHDLの酵素としての性質を詳細に検討するために、OXA-23の酵素学的パラメータを取得した。現在、詳細な反応機構を解明する目的で、研究協力者と共にOXA-23のX-線結晶構造解析を実施している。これまでに結晶化条件のスクリーニングが終了し、現在構造解析を進めている。OXA-23に関しては、詳細な酵素学的パラメータと共に構造解析結果を合わせて論文投稿する予定である。一方、OXA-40に関しては良好な結晶が得られており、OXA-40の詳細な酵素学的パラメータと合わせた論文の投稿を準備している。OXA-23に対する主要な基質に対する酵素学的パラメータの取得は平成22年度に取得し終わったが、さらに詳細なパラメータの取得に時間を要した。さらに、現時点までOXA-23の結晶化の条件が見つかっていない。OXA-40の検討に関してはほぼ予定通り進行している。また、ポリクローナル抗体を用いたイムノクロマト法による検出系は非特異反応が解消できず、モノクローナル抗体を用いて検出する方法を構築することにした。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は臨床応用可能な耐性菌検出システムの開発と酵素学的・生化学的研究を包括的に同時に推進することを最大の特徴としている。現在、耐性菌検出システムの開発はほぼ終了し、現在その評価を試みている。さらに、本システムの評価が終了したら、早急に本邦における耐性菌の現状を把握するためのサーベイランスを実施する。一方、基礎研究に関しては予定より時間を要してはいる。その理由として酵素反応が複雑で且つ野生型酵素の精製が困難だったことが挙げられる。現在、OXA-23およびOXA-40の酵素学的解析に進展が見られている。今後さらに詳細な解析を実施することで、これまで把握することができなかったCHDLの反応機構解明が進むと確信している。
交差鎖から成る有機擬似単原子層の形成とその積層

固体表面に横たえて並べた鎖状分子の単分子層に、化学反応を起こして分子を共有結合で結びつけ、二次元有機物質の単一層を得るための基礎研究として、アルキルジアセチレンの単分子層内光重合により分子を一次元的に結びつけることを試みた。173Kに保持したグラファイトの劈開面に17,19-hexatriacontadiyne(HTDY)を1MLE(monolayer equivalence)蒸着すると、ペニングイオン化電子スペクトル(PIES)において、グラファイトのバンドが消える一方、HTDYのアルキル鎖のpseudo-π軌道と2_<sδ>軌道ならびにジアセチレンのπ軌道に基づくバンドが観測され、分子がアルキル鎖を横たえて並んだ単分子層が形成されたことを確認できた。この温度で超高真空槽のサファイア窓を通して紫外線を照射したが、反応性が極めて低かった。そこで基板温度を少し上げることに一定時間の光照射とPIESの測定を繰り返すことにより、脱離せずに平らな配向が保たれるけれども、反応に必要なmobilityを分子に付与できる基板温度を探し、223Kが最適であることを見出した。この温度で紫外線照射を行うと、HTDYモノマーのπバンドが消失し、ポリマーのπ電子系によるなだらかな構造が現れたが、アルキルバンドの形状は変わらなかった。また、このポリマー膜は室温にしても本質的に同じPIESを与え、モノマー膜のような昇華性を示さなかった。これらの結果より、HTDY分子はその炭素骨格平面を下地に平行にして配列したまま、アルキル鎖と交差するポリジアセチレン鎖で結びつけられ、全炭素原子が同一平面上に保持された帯状巨大分子の単一層(有機擬似単原子層)が得られたと考えられる。また、ポリマー単一層の積層条件も検討した。
東アジアにおける地域社会変動の比較研究

日本、台湾、中国、韓国における産業構造、職業・人口移動からみた地域的自律性について、それが最も顕著に示されていたのは中国であった。つぎに日本と台湾が、それに続いていた。一方、こうした傾向が最も希薄であったのは韓国であった。つぎに、地域リーダーの特質と集団構造、および国家との関係をまとめると以下の通りであった。まず、韓国では両班的かつ同族代表的な名望家が、中央の政治や財閥の経済活動と密接な関連をもちつつ、地域において指導的な位置を占めていた。一方、中国では地域的なカリスマが、台湾では実務家的な有力者が主要なものとなっていた。こうした中国と台湾については、中央の政治や経済との関係で一定程度の自主性と主体性を維持していた。この傾向は中国にとりわけ顕著であった。日本については、ムラの名望家的なリーダーが国家との関係を背景に、地域において重要な位置を占めていた。地域の自律性との関連で、それを最も強く支えるものとなっていたのは、中国におけるカリスマ的地域指導者であった。これに続くものとして、台湾における実務家的な有力者と日本における名望家があった。また、これら地域指導者の特質については、変動の内発性と親和的な関係がみられた。さらに、それについては、儒教倫理の各国・各地域における展開と変容が重要な意味をもっていた。以上の内容から、産業構造、職業・人口移動からみた地域的自律性を支えていたのは、地域リーダーの特質であったといえる。その特質については、儒教倫理の各国・各地域での展開・変容にみられたように、地域の分化的・社会的背景が決定的な需要性をもっていた。さらに、それは変動の内発性と関連するものとなっていた。
炭酸含有アパタイトと骨髄幹細胞を用いた組織工学的骨形成

炭酸含有アパタイト(CAP)の骨補填材および組織工学的担体としての有用性を検討する目的で以下の研究を行った。CAP多孔体ブロックと骨髄細胞との複合体の移植実験を行った。その結果、骨伝導のない環境で孔内に骨が形成されることが判明した。さらにCAP・骨髄細胞複合体は、移植前に骨髄細胞を培養したほうが、より早く骨形成することが明らかになった。骨補填材および組織工学的担体として注目されているセラミック材料には、ハイドロキシアパタイト(HAP)、β-リン酸三カルシウム(β-TCP)がある。これらの材料とCAPが骨芽細胞様細胞に与える影響を比較検討した。CAP、HAP、β-TCP、コントロール(ポリスチレン)で作製した基盤上で、ラット骨髄由来の骨芽細胞様細胞の培養を行い、これらの細胞のmRNA発現量をRealtimeRT-PCR法で測定した。測定したmRNAは、RUNX2、アルカリフォスファターゼ、オステオカルシン、オステオポンチン、オステオネクチン、骨シアロ蛋白、デコリン、I型コラーゲンである。結果はALPのmRNA発現量は各材料間でほとんど差がなかった。その他は、HAP、β-TCPおよびCAPのmRNA発現量がコントロールより高かったものの、HAP、β-TCPおよびCAP間では差がなかった。本研究によりCAPは骨芽細胞様細胞のmRNA発現を促進する材料であり、その影響はHAPやβ-TCPと同程度であることが明らかとなった。初年度の研究計画は、炭酸含有アパタイト(CAP)の多孔体ブロックを作成することと、多孔体ブロックにラットの骨髄から採取した骨髄細胞をCAP多孔体ブロック内で培養したものをラットの皮下に埋入し異所性の骨を形成ざせ、組織学的観察することであった。CAP多孔体ブロックの作成方法は、CAP顆粒をスラリと混和し、紙枠で成型、焼結して作製した。この方法により作成された多孔体ブロックをμCT装置で観察し、三次元像として捉えると共に画像解析ソフトにより気孔が連続することと気孔率が40.8%であることを確認した。開発したCAP多孔体ブロックをラット大腿骨から採取した骨髄細胞懸濁液に浸漬して培養細胞を付着させ14日間培養したのちラット背部皮下に埋入した。その結果、組織学的観察により4週間目にブロックの気孔内でCAP顆粒表面に沿って骨形成が認められ、8週間目には気孔内の骨は成熟し形成された骨で気孔が埋まっている部位も観察された。また、骨髄細胞をCAP多孔体に付着させ培養を行わずにラット背部皮下に埋入した場合は、4週間目では骨の形成を認めず、8週間目でわずかに骨の形成を認めたに過ぎなかった。このことから骨髄細胞をデキサメタゾン、βグリセロリン酸ナトリウム、アスコルビン酸を含むMEM培地で培養することは骨形成に有用であること、およびCAP多孔体ブロックが組織工学的骨形成のscaffold(足場)として有用であることが確かめられた。次年度は骨髄細胞培養中および背部皮下へ埋入後の経時的な骨形成能の変化を定量的に計測する。培養骨芽細胞様細胞の担体として、各生体親和性材料(炭酸含有アパタイト(CAP)、β-TCP、ハイドロキシアパタイト(HAP))を用いた時の各タンパク発現(アルカリフォスファターゼ(Alp),オステオカルシン(OC))量の比較をおこなった。実験方法:フィッシャー系7週ラットより採取した骨髄細胞混濁液(1.023×10^7cell/ml)を各材料に播種した。また材料の無い群をコントロールとした。播種した後に細胞を付着させるために3時間インキュベートし、以下の組成の培地で培養した。MEMに15%FBS、100IUペニシリン・ストレプトマイシン、100μg/mlファンギゾン、10mMβ-グリセロリン酸ナトリウム、50μg/mlアスコルビン酸、10^<-8>Mデキサメタゾンを添加。

測定には(1)TRACP&ALP Assay Kit(タカラバイオ)、(2)RAT OSTEOCALCINE EIA KIT(Biomedical technologies Inc)を用い、マイクロプレートリーダーにて吸光度を計測した。その結果、(1)Alpにおいては7日目、14日目共にコントロール、HAP、β-TCP、CAPの順に吸光度は高値を示し、(2)OCにおいては7日目はHAP、CAP、β-TCP、コントロール、14日目はHAP、コントロール、β-TCP、CAPの順に高値を示し、いずれにおいてもCAPの成績は良くなかった。これは今回おこなった実験では担体上で培養された細胞の回収率に差が生じたためと思われる。そのため材料と細胞の接着性が強いほど細胞が剥離しにくく回収率が悪くなり、前述の結果になったと思われる。そこで、材料と細胞を剥離せずに細胞のRNA抽出が可能であるリアルタイムPCR法により骨芽細胞分化マーカーの遺伝子発現の評価を行うべく実験を進めている。培養骨芽細胞様細胞の担体として、各生体親和性材料(炭酸含有アパタイト(CAP)、β-TCP、ハイドロキシアパタイト(HAP))を用いた時の各タンパク発現(アルカリフォスファターゼ(Alp),オステオカルシン(OC))量の比較をおこなった。(1)実験方法:各材料で直径300500μmの顆粒を作製し、これを担体として細胞を培養した。培養期間1週間、2週間の細胞のアルカリホスファターゼ(Alp)とオステオカルシン(OC)の発現量を測定した。測定にはTRACP&ALP Assay Kit(タカラバイオ)、RAT OSTEOCALCINE EIA KIT (Biomedical technologies Inc)を用いた。しかし、この方法は細胞の回収率により結果が異なり、データに再現性がないため中止した。(2)実験方法:各材料で基盤を作製し、この基盤上で細胞を培養した。またコントロールとしてポリスチレン基盤を用いた。培養期間1週間、2週間の細胞のmRNA発現量をリアルタイムPCR法による相対定量法で測定した。測定したmRNAは、RUNX2、Alp、OC、オステオポンチン(OP)、オステオネクチン(ON)、骨シアロ蛋白(BSP)、デコリン(DEC)、I型コラーゲン(COL I)である。結果:AlpのmRNA発現量は各材料間でほとんど差がなかった。その他はHAP、β-TCPおよびCAPのmRNA発現量がコントロールより高かったものの、HAP、β-TCPおよびCAP間では差がなかった。本研究によりCAPは骨芽細胞様細胞のmRNA発現を促進する材料であり、その影響はHAP、β-TCPと同程度であることが明らかとなった。今後は破骨細胞による生体材料の吸収性を検討したいと考えている。
IPv6におけるサイトローカルアドレスのステートレス自動設定

前年度に提案した、マルチルータ環境を対象としてIPv6のサイトローカルアドレスをゼロ設定(zeroconf)でステートレスに自動割り当てする枠組を、本年度は実装して評価するとともに、DNSにIPマルチキャストをもちいることで、DNSサーバのゼロ設定をめざして研究を行った。提案方式では、アドレスのサイト内での一意性を保証するために,RIPngを拡張した方式でプレフィックスアドレス重複が検出される。重複が検出されると直ちにリンクリーダへ通知され、IPv6のアドレス付替の仕組を用いて新たなアドレスへの付け替えが行われる。その際、IPv6において一つのリンクに複数のアドレスを割り当てられる機能とアドレスの有効期限を設定できる機能を活用し、アドレス付け替えが完了するまでの間も、アドレスの重複が検出されたルータを境界としてその両側で、古いアドレスが一定の期間利用できるようにした。次の段階として、サイトローカルアドレスの割り当てと連動してDNSを動的に構築する方法を設計した。当該サブネットのサイトローカルプレフィックスを生成したルータがそのアドレスに対するDNSサーバになるものとし、そうしてできたDNSサーバ間の木構造を経路制御プロトコルから得られる情報を用いてDNSレコードを自律的に生成する。またホスト固有のサービスに対応した自由なドメイン名も使うことができるように、DNS正引き要求をマルチキャストにより転送する。以上の仕組みに基づく自律分散型DNSを構築した。さらに無線IPルータ(ルート(株)製RGW-2400,OSはNetBSD)にルーティングソフトウェアを組み込み、検証を行った。IPv6においては単一データリンク内の通信においてのみ有効なリンクローカルアドレスと、そのステートレスアドレス自動設定の手続きが規定されている。しかし,それぞれ異なる特性を持つ多種多様のデータリンク層メディアをアドホックに接続してQoS保証も考慮したIPネットワークを構成するためには、QoSルーティングの機能を持つルータによりネットワーク層で統合する、マルチルータ環境を想定する必要がある。本年度の研究では、マルチルータ環境を対象としてIPv6のサイトローカルアドレスをゼロ設定(zeroconf)でステートレスに自動割り当てする枠組を提案した.提案する方式では、当該リンクに最初に接続されたルータが,そのリンクのリーダとなって,16bitのsubnet ID部分をランダムに選んだプレフィックスを生成する.アドレスのサイト内での一意性を保証するために,RIPngを拡張したプレフィックスアドレス重複の検出方法を示した.重複が検出されると直ちにリンクリーダへ通知され,IPv6のアドレス付替の仕組を用いて新たなアドレスへの付替が行われる.一方、IPv6において移動透過性とマルチホーミングを同時に実現する新しいネットワークアーキテクチャであるLIN6の検討を行い、LIN6環境でのサイトローカルアドレス利用の親和性と、とくにマルチホーミングへの応用の可能性について検討を行った。LIN6においてはインターネットのend-to-end原理を崩さずNATを用いることができることから、家庭内LANのようなファイアウォールの内側のネットワークにおいてサイトローカルアドレスを用い、対外接続においてLIN6によりマルチホーミングを行う方式を提案した。