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高温超伝導バルク磁石を用いたアンジュレータ

放射光を利用した科学の進展に資するため、高温超伝導バルク磁石を用いた新奇の短周期・強磁場のアンジュレータに関する研究を行った。今年度は以下の研究を行った。1.高温超伝導バルク磁石を用いて実用強度のアンジュレータ磁場が生成可能であることを実証するため、6周期の試作機を10K以下まで冷却して磁場の計測を行った。結果として、同一磁場周期・磁石ギャップにおいて既存の永久磁石型を超える0.85Tの振幅のアンジュレータ磁場の生成に成功した。2.アンジュレータの性能を予測するため、20,40,60Kの各温度でアンジュレータ磁場の計測を行うと同時に、次の3で開発した計算コードと比較することによって、バルク内部の平均臨界電流密度を求めた。結果として、アンジュレータ磁場の温度依存性・臨界電流密度依存性が明らかになるとともに、小試料の計測で求めた臨界電流密度がバルク内部で平均的に達成されていることを確認した。3.高温超伝導バルク内部の電流分布を考慮してアンジュレータ磁場を正確に計算するコードを開発するため、電流密度が臨界電流密度と等しく磁気エネルギーが最小になるような電流分布を決定する計算手法を用いて電流・磁場分布計算を行った。結果として、2で述べたアンジュレータ磁場を精度良く再現することができ、直接観測できないバルク内部の電流分布を明らかにした。また、計算コードの妥当性も確認できたため、このコードを用いて高温超伝導バルク磁石を用いたアンジュレータの実用機の設計がより正確に行えるようになった。本年度は高温超伝導バルク磁石を用いた強磁場・短周期アンジュレータの実現に向けて、以下の2項目を実施した。(a)電子ビーム軌道に大きな影響を与えるアンジュレータ端部での磁場の均一化を目的として端部磁場補正方法の検討を行った。高温超伝導バルク磁石は永久磁石と異なり互いの磁場が大きく作用し合う性質を持つため、永久磁石型アンジュレータに用いられている端部磁場補正方法をそのまま適用することはできず、既存のアンジュレータ磁場計算コードを用いた数値的検討もできない。本研究では研究代表者の開発した第二種超伝導体のビーンモデルに基づくアンジュレータ磁場計算コードを用いて有望な磁石配置を探索した。この際、コードをGPGPUを用いる並列計算用に書き直し10倍以上の高速化を行った。これにより様々な磁石の配置での計算を短時間で行う事ができ、いくつかの配置が有望である事がわかった。次に、計算によって有望であると認められた配置を試作機に取り入れて実験を行い、端部磁場が均一となる磁石配置を見つけることができた。(b)本研究の対象である高温超伝導バルク磁石を用いたアンジュレータの各バルク磁石内部での電流分布を解析・再現可能な物理モデルと数値コードを構築することを目的とし、物理モデルの高度化の為の計測を進めている。具体的には、現在のモデルで用いている、バルク磁石の磁化は電子ビーム進行方向(z軸、超伝導体のc軸に一致)に平行であるという仮定の、実際の磁化とのずれを計測する。その為に、高温超電導薄膜を積層して完全に平面内でのみループ電流の作られる疑似バルク磁石で、アンジュレータ内のバルク磁石を一部だけ置き換える実験を計画し、疑似バルクの製作に着手した。本年度は以下の3項目について実施した。(a)高温超伝導バルク磁石と軟磁性体を組み合わせたハイブリッド構造によってアンジュレータ磁場の増大が可能かどうか検討することを目的とし、研究代表者が開発した第二種超伝導体の臨界電流モデルにもとづくアンジュレータ磁場計算モデルを改良し、ハイブリッド構造での磁場分布、電流分布を求めるモデルを開発した。このモデルを磁場計算コードに組み込み、ハイブリッド構造のアンジュレータ磁場に与える軟磁性体の影響を検討した。(b)液体ヘリウム温度で安定した温度で短時間にアンジュレータ磁場を計測できることを目的として、アンジュレータ磁場計測装置の更新を行った。具体的には、以下のような更新を行った。まず、温度の制御方法を液体ヘリウムの流量のみによるものから、液体ヘリウムの流量とヒーターによるPID制御を組み合わせた方法に変更した。次に、アンジュレータ本体に使用する銅製部品の構造を変更し、熱容量を大きく熱侵入を小さくした。最後に、磁場計測用ホールプローブの駆動機構、配線等を工夫し、計測時に起こるプローブの問題を計測を長時間止めることなく解決できるようにした。(c)高磁場領域でアンジュレータ磁場の一様性に影響を与える高温超伝導バルク磁石の臨界電流密度の個体差および個体内での分布を低減することを目的として、高エネルギー低フラックスのプロトン照射による着磁磁場の増減への影響をしらべた。照射フラックスや照射方向への依存性、もとの着磁磁場とその増減の関係などを調べた。

結果として、アンジュレータ磁場の温度依存性・臨界電流密度依存性が明らかになるとともに、小試料の計測で求めた臨界電流密度がバルク内部で平均的に達成されていることを確認した。3.高温超伝導バルク内部の電流分布を考慮してアンジュレータ磁場を正確に計算するコードを開発するため、電流密度が臨界電流密度と等しく磁気エネルギーが最小になるような電流分布を決定する計算手法を用いて電流・磁場分布計算を行った。結果として、2で述べたアンジュレータ磁場を精度良く再現することができ、直接観測できないバルク内部の電流分布を明らかにした。また、計算コードの妥当性も確認できたため、このコードを用いて高温超伝導バルク磁石を用いたアンジュレータの実用機の設計がより正確に行えるようになった。高温超伝導バルク磁石を用いたアンジュレータの基礎的特性を調べる実験および、その物理の理解と将来的な設計に必要不可欠である計算モデルの開発の両面において、研究が滞りなく進行しており、さらに将来的な応用に重要となってくる高温超伝導バルク磁石の臨界電流密度の個体差と個体内部での分布の低減といった課題にも取り組む余地があった。平成23年度に行った磁場計測系の更新によって計測の高度化、短期化が実現されたので、これまで困難であったアンジュレータ磁場の磁場積分の計測や、低温・強磁場領域での長時間安定性の計測といった課題について研究を行う予定である。それらの緻密な計測結果をもとに、磁場計算モデル・コードの改良についても行っていく予定である。
多変量データ推測法の新展開と応用

本研究では、多変量統計解析における次の重要課題に取り組んだ。(1)数量化法における推測理論の展開、(2)多変量モデルの高次元選択規準の提案と性質、(3)経時データ分析における推測法の展開、(4)多変量非線形に関する推測法、(5)高次元推測法と高次元漸近理論の展開。各課題について、研究成果を得て、それらを国際的雑誌に発表している。とくに、高次元AIC規準などを提案し、それらが、一致性をもつことを示した。本研究では,最近の多変量データ分析の理論と応用の両面における最近の重要課題ついて研究することを目的にしている.とくに,「数量化法の推測問題」,「モデル選択問題」,「経時データ分析問題」、「多変量非線形問題」,「高次元問題」に関する問題を取り上げる.以下,主要な成果をリストする.1.数量化2類において,多変量正規モデルのもとで発展している推測法を適用することの妥当性について,理論的並びに実験的に検証した.これらの結果の1部は,今回出版した図書にも紹介している.また,論文としてまとめている段階である.2.モデル選択問題に関して,Cp規準は標準化した予測2乗誤差の推定量として構成されたものであるが,本研究では,基準化しない予測2乗誤差の推定量としての基準を提案し,その特徴を明らかにした(AISMに掲載).また,多変量回帰モデルへの拡張も与えている.3.高次元問題に関して,一様構造検定統計量の分布に関して,高次元近似を導出し,その近似の誤差限界を与えている(JMA掲載).4.拡散テンソル画像測定値や偏波宇宙背景測定値の分析に関連して,正規対称行列変数の無作為標本に基づく推測問題が重要となっている.正規対称行列変数の共分散構造が直交不変であるかどうかの検定統計量に対して,漸近展開近似を導出した(統計関連学会で発表).5.ノンパラメトリック回帰モデルにおいて,平滑化パラメータは推定曲線の局所変動の程度を制御する重要なパラメータである.この問題に関して,平滑化パラメータを追加しCp規準を最小にする解が一意に求められるようにすることで繰り返し計算を必要としない平滑化パラメータの最適化法を提案した(結果の1部はStatistics and Computingに掲載).本研究では,最近の多変量データ分析の理論と応用の両面における最近の重要課題ついて研究することを目的にしている.とくに,「数量化法の推測問題」,「モデル選択問題」,「経時データ分析問題」、「多変量非線形問題」,「高次元問題」に関する問題を取り上げる.以下,主要な成果のいくつかをリストする.1.経時データ分析問題に関連して,ランダム係数モデルにおける線形仮説の検定統計量の高次元漸近分布を導出した.この結果より,観測時点が大きい場合にも適用できる検定法が可能になった(JCISSに掲載).2.通常のMANOVAモデルにおいては,プロファイル分析法が発展しているが,これらの手法を成長曲線モデルに拡張した(JUTに掲載).3.モデル選択規準は,リスクの推定量として構成されるが,その際バイアス項を減らすことが重要になる.cross-validation規準の高次バイアス補正を,バイアスの漸近展開式を使用することなく,leave-one-out cross-validationからleave-k-out cross-validationまでの線形和により構成した(SJSに掲載).4.著書を2冊出版しているが,そのうちの1つは多変量モデルの選択問題を扱っている.多変量解析に用いられる手法には,どの変数を用いればよいか,主成分や判別変数などの変換変数をいくつ用いればよいかの問題がある.これらの問題に対して,モデル選択規準を用いる方法を統一的に解説している.このような本は,他になく,また,多くの応用例も載せている,もう一つの本では,Rを用いた環境データ分析を,実例をあげながた紹介している.特に,成長曲線モデルやモデル選択に重点を置いた内容となっている.5.この他,学会や国際研究集会において発表した結果,準備中の論文,投稿中の論文が多くある.これらの中には,AICなどのモデル選択規準が高次元の枠組みのもとで一致性をもつことを示した結果もある.また,高次元のための情報量規準を導出している.これらは高次元問題における新たな発展の契機になる結果である.本研究では,最近の多変量データ分析の理論と応用の両面における最近の重要課題ついて研究することを目的にしている.とくに,「数量化法の推測問題」,「モデル選択問題」,「経時データ分析問題」、「多変量非線形問題」,「高次元問題」に関する問題を取り上げる.以下,主要な成果のいくつかをリストする.1.モデル選択規準は,リスクの推定量として構成されるが,その際バイアス項を減らすことが重要になる.多群の判別問題において, AIC規準の高次元の枠組みでの修正基準を導出し,その基準のよさを数値実験により確認した(Sankhyaに掲載).本論文では, MANOVA統計量の高次元漸近的挙動を求めるための基礎定理を与えている.

2.正準相関分析のアプローチとして,各組の変数を主成分に置き換えて,正準相関分析を行う主成分正準相関分析法が提案されている.この方法における主成分の選択法を提案した(Communication in Statist.に掲載). 3.多項ロジット回帰モデルにおける変数選択のためのAICのバイアスを補正したBias-corrected AIC (CAIC)を提案した(Linear Algebra and Its Applicationsに掲載).本論文では,ベクトルと行列表示を多用することで,バイアス補正AICの表記の単純化に成功している.4.この他,投稿中や研究集会で発表した結果として, AICなどのモデル選択規準が高次元の枠組みのもとで一致性をもつことを示したり,また,高次元のもとでの情報量規準を導出している.このような結果は,多変量回帰モデル,成長曲線モデル,判別分析,などにおいて得ている.5つの研究課題のうち、「多変量非線形問題」を除く4つの研究課題については、それぞれ新たな成果を得ている。24年度が最終年度であるため、記入しない。最近、高次元問題に関連した研究において、情報量規準AICなどが高次元漸近的枠組みのもとで一致性をもつという、斬新な結果を示している。次年度は、このような研究を他の多変量モデルで発展させることを考えている。また、非線形問題にも重点的に取り組む予定である。
イメージングプレート(輝尽性蛍光体)法によるデジタル口内X線撮影装置の開発

著者らはレーザの吸収効率およびその拡散を防ぎ,解像力を高めるために青色の色素を含有させた口内撮影専用(SP Type)のイメージングプレート(ID)を作製した。そして,そのIDをCR用ドラムスキャナおよび口内撮影専用のCRシステムDIGORAに応用した。そして,隣接面カリエス(抜去歯牙)および微細な骨変化(骨ブロックの薬品による脱灰)を実験的にシミュレーションし,カリエスと骨変化の検出能についてCRT画像診断と従来のデンタルフィルムとの比較を行った。さらに,DIGORAをインタフェースを介してCR9000と接続し,DIGORAで撮影した臨床画像を片側乳剤フィルムにハードコピーした。そして,臨床的診断能について従来のデンタルフィルムと比較し,次の結果を得た。1.良質の画像を得るにはMTFとNEQのバランスのとれたIPが適していた。2.50μm^2,100μm^2,150μm^2の3種類の読み取り,書き込みアパチャーサイズにおいてSP TypeのIPは最も高いMTFとNEQを示した。4.隣接面カリエスおよび微細な骨変化の検出能は従来のデンタルフィルムとほぼ同等であり,高い検出効率を示した。5.DIGORAの臨床画像のフィルムへのハードコピーは従来のデンタルフィルム画像と同等かそれ以上の臨床的診断価値を示した。結論:新しく開発されたIPを口内撮影専用のCR装置に応用することにより従来のフィルム画像と同等かそれ以上の臨床的診断価値を有する新しいデンタルイメージングシステムの可能性が期待できる。著者らはレーザの吸収効率およびその拡散を防ぎ,解像力を高めるために青色の色素を含有させた口内撮影専用(SP Type)のイメージングプレート(IP)を作製した。そして,現在使用されている標準タイプ(ST Type),乳房撮影用(HR Type),電子顕微鏡像撮影用(UR Type)のIPとの物理的IP特性(解像力:MTF,粒状性:NEQ)について検討した。さらに,エポキシ樹脂に真空包理した乾燥下顎骨ファントームを作製し,臨床的診断価値について従来のデンタルフィルム(Kodakウルトラスピードフィルム)との比較を行った結果,下記り結論を得た。1.MTFの高いIPが必ずしも診断能の高い画像を描出するとは限らない。2.良質の画像を得るにはMTFとNEQのバランスのとれたIPが適していた。3.50mum^2,100mu^2,150mu^2の3種類の読み取り書き込みアパチャーサイズにおいてSP TypeのIPは最も高いMTFとNEQを示した。5.SP TypeのIPは従来のデンタルフィルムよりもアパチャーサイズ50mu^2,100mum^2において高い診断価値を示した。以上の結果から,SP TypeのIPは口内X線撮影専用のIPとして有効であることが証明された。著者らは口内撮影専用に作製したイメージングプレート(IP)をCR用ドラムスキャナおよび口内撮影専用のCRシステムDIGORAに応用した。さらに、DIGORAをインタフェースを介してCR9000と接続し,DIGORAで撮影した臨床画像を片面乳剤フィルムにハードコピーした。そして,臨床的診断能について従来のデンタルフィルムと比較し,照射線量低減の可能性についても検討した。また,CRによる骨梁パターンの幾荷学的特微抽出による新しいフィルター処理についても検討し次の結果を得た。1.隣接面カリエス,および微細な骨変化の検出能は従来のデンタルフィルムとほぼ同等であり、高い検出効率を示した。2.DIGORAの臨床画像のフィルムへのハードコピーは,従来のデンタルフィルム画像と同等かそれ以上の臨床的診断価値を示し,その装置がIP上のX線情報の読み取り効率の極めて高い優れた口内撮影専用のCR装置であることを示した。3.口内撮影専用のIPは従来のデンタルフィルムよりも1/41/8の照射線量低減の可能性が示唆された。

4.骨疾患の口内CR画像診断におけるコンピュータ診断支援システムとしてモルフォロジーフィルターの有効性が証明された。結論:新しく開発されたIPを口内撮影専用のCR装置に応用することにより,従来のフィルム画像と同等かそれ以上の臨床的診断価値を有する新しいデジタルイメージングシステムの可能性が期待できる。
認知症に関連した神経細胞障害機構の解明と早期診断及びリハビリテーションの開発

認知症の中でトップの割合を占めるアルツハイマー病(AD)の確定診断はなく除外診断が主となり、客観的な診断方法の開発が必要である。早期に認知症を診断し、治療やリハビリテーションの策を講じることが求められている。ADでは、異常な謝産物Aβが神経細胞障害をもたらす主な因子であると考えられる(アミロイド仮説)。侵襲性の高い脳脊髄液を用いて、Aβや微小管のタウ蛋白質の検出が有用と考えられている。本研究では、簡便で低侵襲性の血液診断ための有用なマーカーを探ることを目的とし、プロテオミクスを用いた研究を行った。神経細胞障害モデルとしてマウス神経初代細胞を用いてAβペプチドによる細胞障害を与え細胞外に分泌された物質に注目した。細胞外液に含まれる蛋白質の同定のために、濃縮後SDS-PAGEを行い一定間隔でゲルを切断しゲル内トリプシン消化を行い、質量分析(LC-MS/MS)を行った。その結果、対照群には認められないAβに特有の26種の蛋白質の存在が示された。その中で、Ca^<2+>結合蛋白質アネキシンA5に注目し、アネキシンA5に対するモノクローン抗体を用いたELISAの系を構築し、ヒト血漿アネキシンA5濃度解析を行った。その結果、健常高齢者(36例)に比べ、認知症患者のアネキシンA5濃度は有意に高く、また、AD患者(23例)はレビー小体型認知症患者(11例)より高いことが判明した。アネキシンA5は、Ca^<2+>ホメオスタシスに関する蛋白質であることから、血漿アネキシンA5はADのCa^<2+>ストレスを示す分子マーカーと考えられる。ADは酸化的ストレス、炎症などによる細胞障害が認められる。アネキシンA5のみならずこれら障害に関わる分子マーカーの探索が今後必要であると考えられ、それらを同時に考慮する診断へと発展させることが今後期待される。高齢化による老齢人口の増加に伴って、アルツハイマー病をはじめとする認知症患者数が増加し問題視されている。認知症は、本人のみならず家族や介護者の負担増を余儀なくし、その影響は大きい。認知症の中で、アルツハイマー病のその占める割合は大きく発症原因は不明であるが。確定診断のための検査法は乏しく、症状が出現してからの存在診断であるため、進行した状態で認めらるケースが多い。進行した状態では、薬物治療の効果が期待できないのが現状である。リハビリテーションや薬物療法は、症状が進行していない早期に行なわれなければ功を奏さない。認知症の背景には、主に神経細胞の小胞体やミトコンドリアの機能障害とカルシウムや酸化のストレス障害による神経細胞死がある。本研究では、(特に早期で)認知症を簡便に血液で診断できる方法を確立することを目的とした。神経細胞障害を示すマーカーは、認知症のマーカーとして期待され、その中で血液脳関門を通過し血中に現われる物質がマーカーとして考えられる。分子量が小さく、疎水性の性質を持つものは細胞膜間のバリアを通りやすく、脳から血液に入ってくる可能性がある。本研究では人工脂質膜(リポソーム)(ホスファチジルコリンとホスファチジルセリン)を担体として血漿に加え、リポソームに結合した蛋白質を解析した。この方法で血漿微量成分を濃縮することができた。2次元電気泳動後のスポットパターンの比較により、認知症候補マーカーが明らかになっている。

同時にマウス初代神経培養細胞を用いたin vitroでも検討した。Aβ_<1-42>ペプチドにより細胞にストレスを与えると、それによって細胞から分泌される成分があり、プロテオミックスの手法で決定した。その中に、これまで我々が注目しているアネキシンA5が含まれていた。今後、血漿候補マーカーとin vitroでの検討結果を合わせて検討する。認知症の中でトップの割合を占めるアルツハイマー病(AD)の確定診断はなく除外診断が主となり、客観的な診断方法の開発が必要である。早期に認知症を診断し、治療やリハビリテーションの策を講じることが求められている。ADでは、異常な謝産物Aβが神経細胞障害をもたらす主な因子であると考えられる(アミロイド仮説)。侵襲性の高い脳脊髄液を用いて、Aβや微小管のタウ蛋白質の検出が有用と考えられている。本研究では、簡便で低侵襲性の血液診断ための有用なマーカーを探ることを目的とし、プロテオミクスを用いた研究を行った。神経細胞障害モデルとしてマウス神経初代細胞を用いてAβペプチドによる細胞障害を与え細胞外に分泌された物質に注目した。細胞外液に含まれる蛋白質の同定のために、濃縮後SDS-PAGEを行い一定間隔でゲルを切断しゲル内トリプシン消化を行い、質量分析(LC-MS/MS)を行った。その結果、対照群には認められないAβに特有の26種の蛋白質の存在が示された。その中で、Ca^<2+>結合蛋白質アネキシンA5に注目し、アネキシンA5に対するモノクローン抗体を用いたELISAの系を構築し、ヒト血漿アネキシンA5濃度解析を行った。その結果、健常高齢者(36例)に比べ、認知症患者のアネキシンA5濃度は有意に高く、また、AD患者(23例)はレビー小体型認知症患者(11例)より高いことが判明した。アネキシンA5は、Ca^<2+>ホメオスタシスに関する蛋白質であることから、血漿アネキシンA5はADのCa^<2+>ストレスを示す分子マーカーと考えられる。ADは酸化的ストレス、炎症などによる細胞障害が認められる。アネキシンA5のみならずこれら障害に関わる分子マーカーの探索が今後必要であると考えられ、それらを同時に考慮する診断へと発展させることが今後期待される。
プラズマCVD法によるアモルファスカーボンナノ粒子の創製と光触媒・人工網膜応用

本研究課題は、シリコン添加量によって光学ギャップを選択可能なSi添加a-C半導体をナノ粒子化し、形状と光学ギャップを制御するためのプラズマ合成法の構築を図ることを目的とした。プラズマ合成時に、プラズマ中に細孔を有するアルミニウム板を挿入して細孔内部にパワーの高い領域をつくると、ナノ粒子が得られる。アルミニウム細孔板のプラズマ中の位置・チャンバー圧力・アルミニウム細孔板の厚さの3つの合成条件のコントロールにより、ナノ粒子の直径を21215nmの範囲で制御することを可能とした。また、ナノ粒子の合成時のプラズマ出力のコントロールにより、光学ギャップを2.12.7eVに制御することを可能とした。申請者は、2つの異原子を添加したa-Cにより光学ギャップと半導体性を同時にコントロール可能な半導体を生み出してきた。本研究課題は、このa-C半導体をナノ粒子化し、形状制御するためのプラズマ合成法の構築を図る。申請者らは、a-C半導体をプラズマ合成する際、プラズマ中に細孔を有するアルミニウム板を挿入して細孔内部にパワーの高い領域をつくると、細孔内で核が形成し、プラズマ中で核が成長、基板上に直径10 nm程度のナノ粒子が得られることを見出した。平成26年度は、研究の第1段階として、粒径2.0 10 nmに制御可能な合成条件を探索する。さらに、原料組成により光学ギャップ1.02.5 eVかつキャリア密度10131019/cm3に制御可能なナノ粒子作製法を確立することを目標とした。第一に、原料組成比を固定し、光学ギャップ2. 5eV付近でナノ粒子のサイズ制御法の確立をはかった。アルミニウム細孔板のプラズマ中の位置とチャンバー圧力によって、細孔内のプラズマの実効出力を制御可能であり、これによりナノ粒子の成長速度を制御可能であることが判明した。また、アルミニウム細孔板の厚さによりナノ粒子生成時間を制御可能であることが判明した。この3つの合成条件のコントロールにより、ナノ粒子の直径を21215 nmの範囲で制御に成功した。また、15 nmのナノ粒子の合成時のプラズマ出力の変更により、光学ギャップを2.12.7eVに制御可能であった。作成した光学ギャップ2.5 eVのa-C半導体ナノ粒子は、窒素をドープすることでキャリア密度4.2×10の14乗cm-3のn型半導体として機能し、量子効率1.4%の光電変換機能を示した。制御目標値(粒子径:2.0 10 nm、光学ギャップ:1.0 2.5 eV、キャリア密度:10131019/cm3)に近いサイズ、性能の半導体ナノ粒子の作成に成功した。申請者らは、a-C半導体をプラズマ合成する際、プラズマ中に細孔を有するアルミニウム板を挿入して細孔内部にパワーの高い領域をつくると、細孔内で核が形成し、プラズマ中で核が成長、基板上に直径10nm程度のナノ粒子が得られることを見出した。平成27年度は、粒径15 nmの粒子の光学ギャップを1.02.5 eVに、キャリア密度を10131019/cm3に制御可能なナノ粒子作製法を確立することを目標とした。第1に、原料組成比、アルミニウム細孔板のプラズマ中の位置およびチャンバー圧力を固定することで、ナノ粒子の光学ギャップを2.5eV,粒径を15nmとした。このナノ粒子の半導体特性を、作製時の水素流量とプラズマ出力によりコントロールすることを試みた。水素流量を増加させることで、sp2炭素不純物を低減させることが可能となり、高品質なa-C半導体微粒子が得られることを確認した。これにプラズマ出力の制御を加えることで、高品質半導体ナノ粒子のキャリア密度を10131015/cm3にコントロールすることに成功した。さらに、ナノ粒子の合成時の原料中のSi/C比の変更により、光学ギャップを1.52.7eVに制御することが可能であることが確認できた。光学ギャップ、キャリア密度の異なる粒径15nmのa-C半導体ナノ粒子は、いずれも、窒素をドープすることでn型半導体として機能した。以上の結果より、制御目標範囲(粒子径:2.0 10 nm、光学ギャップ:1.0 2.5 eV、キャリア密度:10131019/cm3)でサイズ・光学ギャップ・キャリア密度をコントロール可能な、半導体ナノ粒子の作成手法の確立に成功した。[1]光学ギャップの異なるa-C半導体ナノ粒子のサイズ制御法の確立では、(1)制御目標:a-C

ナノ粒子の粒子径,分布幅目標値: 2.0 10 nmかつ±5%以下の分布幅、さらに、光学ギャップ目標値: 1.0 2.5 eV、キャリア密度目標値:10131019/cmに対して、実現したa-C半導体ナノ粒子は、ナノ粒子直径:21215nm、光学ギャップ:2.12.7eV、キャリア密度:4.2×10の14乗cm-3であった。従って、おおむね研究計画通り、おおむね順調に進展していると考えられる。プラズマ材料[1]a-C半導体微粒子の粒子サイズ・光学ギャップによる光触媒活性制御a-C半導体ナノ粒子によるトルエンの光酸化率目標値: 50%以上作成した粒子サイズ・光学ギャップの異なるn型a-C半導体ナノ粒子の触媒活性を、気相でトルエンの光酸化分解の反応性で評価する。a-C半導体微粒子をパイレックス製二重管型光反応器の内管外表面に塗布し、気相流通下に反応を追跡するものとする。外部からブラックライトで紫外線照射し、常圧、323Kで反応を行う。トルエン濃度は、0.06 mmol/dm3、水分0または0.025 (モル比)の条件とする。この評価条件は、酸化チタンナノ粒子の触媒活性の評価法と同一のものである。まず、1酸化チタンの光学ギャップに近い、2.5 eVのn型a-C半導体微粒子について反応率を検証し、光触媒活性の高い粒子径に最適化、さらに、2トルエンに対し高い触媒活性を示すa-C半導体の光学ギャップ値を求め,トルエンに対し、高い反応性を有する光学ギャップ・形状の明確化を図る。[2]高配列フルカラーナノサイズ変換素子アレイの開発自己規則的にナノポアが周期配列した構造となる材料にアルミナがある。アルミナをテンプレートとした鋳型合成法により、容易にさまざまな材料でドットアレイ媒体を作製可能である。申請者は、既に、直径40 nmのアルミナ内部にSi添加N-doped a-Cを合成することにより,直径40 nm高さ40 nmのa-SiCドット配列媒体の作製に成功している。直径60 nmの細孔がヘキサゴナルに配列した構造をもつアルミナの内部において青、黄、及び赤色のSi添加a-C微粒子の積層によりpin太陽電池(=フォトダイオード)を作成、青・黄・赤それぞれの光の吸収時に0.5、1.7、及び2.7 Vの電位を発生するナノ光電変換素子が100 nm間隔で配列したアレイを具現化する。
映像パタンを通して現れる映画表現の国際比較研究

ナショナルフィルム期以降の映画を対象として、ショットを計量的に分析することで言語圏ごとの映画の違いを明らかにすることを試みた。ショットの計量のために専用のエディタを制作し、画像認識と人の操作を組み合わせてショットのつなぎ目をマークしていくようにした。日本、アメリカ、フランスの映画から各年の大ヒット作を選び、合計91本を分析した。ショットの長さの平均や標準偏差がある程度、映画を特徴付ける指標になることがわかった。一方で映画の特徴をより的確に表すには、時系列情報を従来とは違う形で処理する方法の開発が緊急の課題となることが分かった。課題となる作業のうち、作品をショット単位に分割処理したデータにサイズ(クロースアップなど被写体の大きさ)による情報を加えることに着手した。この検出・判定は自動化できないので、実例判定を積み重ね原則を作ることにした。これまでも判定は観察者の解釈により別れることがあり、個々の事例ごとに協議をして結論を出していた。これでは手分けすると同一の結果が得られない虞れがある。そこで多様な時期の各国映画を抽出し、判定の基準を確定しようとした。しかし作業を始めると、表現の幅が想定以上に広く、分析のたびに基準の修正・補足を迫られた。観察者の解釈の違いも想定以上に大きいことが分った。そこで作業の専従者を決め、それを全員がチェックして、基準作りの一本化を進めた。結果的に、この作業にほぼ一年を要した。基準はほぼ固まったが、まだ新たに養成した作業員が同じ基準で判定し結果が得られるかどうか検証するところまではいかなかった。ショットのサイズによる情報を加えて、新たな角度から統計処理をし特性を分析することはできた。この作業と並行して、平成24年度に、「芸術的な作品については、日、米、仏から一人ずつ特定の作家を取り上げてさらに広範囲に調査を行うよう、方針を修正したのに従い、日本、アメリカ、フランスから長く活躍した映画監督として、それぞれ黒澤明、ジョン・ヒューストンを選び、これまでの作業同様、データ処理を進めている(フランスの監督も今年決定する予定)。ベストワン作品のデータと対照させることで、作品の特徴に新たな光を当てることができる。これらを踏まえて、ヒット作品を主体とした量的分析と、作家単位の質的分析という大きな方向が固まった。また、連続した二つのショットの関係など、データ相互の関連を、サンプルによって検証し、何がどこまで明らかになるか、どの程度有効かという仮説作りとその評価を続けた。24年度はデータ収集の範囲を広げ、年間最大ヒット映画のデータベースを完成させることが当面の目標であった。早速、大ヒット作品の調査範囲を広げ、収拾したデータの処理を進めた。その結果、作品のデータをナショナル・フィルム時代と70年代以降で比較すると、日・米・仏各国で、急にショットが短くなることが明らかになった。またショットの長さをフレーム数別に集計してみると、均一な分布にならず、多く使われるフレーム数の間に、あまり使われないフレーム数がところどころ現れ、凹凸があることが分かった。反面、データの処理を進める途中で、一つの問題が起きた。1990年代以降の作品を何本か処理したところ、ショットのつなぎにコンピューター処理がされているものがいくつか見つかったのである。画面の中でのCG合成は想定していたことであったが、カメラがある光景を移動で捉えながらいつの間にか同じ場所の別の時代の光景に変わっていくようなショットがあり、従来のフィルム撮影・編集と違い、ショットの区切りを指定できないばかりか、区別をすること自体が無意味であるような例が複数の作品で見られた。最初は、一つ一つの判別を議論していたが、あまりにもケースが多様なので、調査範囲を限定するほうが現実的であるという結論を出さなければならなくなった。当初は、範囲を可能な限り2010年くらいまでと想定していたが、1980年から1985年頃までで、一旦、線を引くことにした(最終的な線引きは次年度)。対象が数的に絞り込まれる結果になったので、大ヒット映画のショットの長さのデータは処理をほぼ完了した。その他25年度の処理テーマのための予備的調査を行った。研究成果の概要ナショナルフィルム期以降の映画を対象として、ショットを計量的に分析することで言語圏ごとの映画の違いを明らかにすることを試みた。日本、アメリカ、フランスの映画から各年の大ヒット作を選び、合計91本を分析。一方で映画の特徴をより的確に表すには、時系列情報も必要であることが明らかになった。研究成果の概要

(英文)映画学サイズ判定のための基本作業に手間取ったので、処理本数を増やすことができなかったが、基準の確立を差し置いて先に進むわけにはいかない。不可欠の足踏みである。昨年問題となった作品を対象とする範囲は、大ヒット作品やベストワン作品は1980年で一応の線を引き、監督単位で見る時には最後の作品までを扱うことを作業仮説とした。また当初想定していなかった以下の問題は本年度で解決された。もともとフィルムで撮られた映画をデジタルデータを使って計測する際には、テレシネの過程で生じる上映時間の変化に留意する必要がある。NTSCの場合は上映時間に違いはないが、PALの場合には、約4%再生時間が短くなる。PAL版のDVDを使って計測する場合には、データを25/24倍することで本来のショットの持続時間になるように補正しなければならず、データの補正という作業は完了した。データ相互の関連を検証し、何がどこまで明らかになるか、どの程度有効か評価する作業は、方針ができつつあるので、データ収集とともに加速する条件は整った。計画では、2010年くらいまでの作品のうち約半数を処理し終える程度が現実的と考えていたが、想定していた調査範囲を、1980年あるいは1985年頃までに限定しなければならなくなり、対象が数的に絞り込まれる結果になったので、大ヒット映画のショットの長さのデータは処理をほぼ完了した。対象が限定された結果ではあるが、そのため他の道を具体的に検討する時間的余裕が生まれ、今後の長さ以外の情報の処理について徹底した議論を行うことができた。それにより、映像処理技術を、より目的に特化したものに改良することが可能となった。3人の作家のデータを積み上げ、作家的特質の分析を深める。この段階で作品の内容と統計的結果を対応させる。ただこの作業の場合もショットのデータ処理は基本であり、ショットの量的データをヒット作、作家の作品ともに積み上げることで、回帰分析を駆使した比較の可能な軸を複数設定し総合的見解を掘り下げ、総合する。会話のシーンを抽出し、特性を分析することを一つの視点として準備している。・昨年度の持ち越し1、研究対象の範囲を一旦、線を引くことにした、1980年から1985年頃までのどの範囲するかを決める。2、ショットを長さにより集計し、そこに現われた数的凹凸の特性を利用し、いくつかの群に分けようと試行錯誤したが、どのような分け方にするか結論を出し、それに基づく次の段階のデータ処理を行う。・今年度収集されたデータの数理的規則性、特徴的パタンを探し、解読し、長さ以外の情報(例えばサイズ、オプチカルなど)を処理していくことを主眼とする。またカメラの移動をどのようにデータ化するかが、直近の課題であり、すでに議論を重ねている。また、今回の研究でも、大ヒット作品と対比させる目的で、各年度を代表する作品を分析対象として念頭においていたが、アメリカでの指標としたニューヨーク映画批評家協会賞がイギリス映画に与えられる例が多くなったこと、フランスでのそれに当たる賞の性格が日米とは著しく性格が違うことから、芸術的な作品については、日、米、仏から一人ずつ特定の作家を取り上げてさらに広範囲に調査を行うよう、方針を修正する。サイズの基準作りに追われ、ショットのデータ処理という点では数を増やすことができなかった。
台湾の高齢者福祉に関する研究

高齢者行政担当者の聴き取りや各種高齢者施設の訪問調査及び現地での網羅的な資料収集に努め、台湾の高齢者福祉政策が政治的要因の影響を大きく受け、中国(大陸)との共通点が多いことを明らかにした。また高齢者施設の運営状況や介護労働に従事する東南アジア籍ヘルパーや大陸籍配偶者の実態から、少子化が急激に進む台湾における介護事業の特徴ならびに高齢者ケアに関する台湾独自の問題点や今後の課題を明らかにした。(1)本研究では、これまで研究代表者が継続して行ってきた中国(大陸)研究を基礎とし、同じ中華圏における台湾の高齢者福祉の現状とその背景を明らかにすることを一義的目標としている。(2)現地調査によって得られた知見に基づき、本研究期間内に社会主義体制とは異なる台湾の政治枠組みが、どのように社会保障制度を整備し、今後どのような方向性をたどっていくのかを高齢者福祉に焦点をあてて解明していく。(3)とくに台湾独自の問題として存在している福祉施設における外国人ヘルパー問題、また日本植民地時代に設置されたハンセン療養所の直面する入所者の高齢化など、多角的な方面から台湾の高齢者福祉に焦点をあてる。(4)長期的には、中国大陸や日本社会との比較から、福祉分野における儒教文化圏の変動様態を抽出することを目指す。平成20年度は台湾北部の高齢者施設調査及び行政担当者インタビューを実施し、日本国内では関連資料の収集を行った。以下、20年度の知見をおおまかにまとめる。1. 2007年3月に行政院を通過した「長期介護10年計画」では、介護産業全体の育成も視野にいれた長期的介護サービス体制の充実を目指している。10年間で817億台湾元余を介護サービス体制支援に投入予定であり、民間資源の活用を活性化することによって、高齢者福祉の中軸に据えている在宅ケアとコミュニティケアを補強し、大局的には介護コミュニティネットワークの形成を目指していると考えられる。2.自治体の経済状態によってケアサービス内容の差異が目立つ傾向にあり、現状では子女(特に息子)のいない高齢者が施設入所高齢者の大半を占めているが、台湾では行政が主体となって運営する高齢者施設のほかにも宗教団体が運営主体となっている施設も少なくない。認知症高齢者の増加とともに、高齢者介護については、すでに外国人ヘルパーの存在なしには立ちいかない現状があり、東南アジア圏の外国人ヘルパーがかなりの戦力となっている。3.在宅を望む高齢者のために家庭で個別に外国人ヘルパーを雇用して在宅ケアを行っているケースも少なくない。台湾では福祉分野における外国人労働者の受入れが日本より早く、それに伴う社会的問題も発生しているが、外国人労働者の管轄部門が分かれているために、立場によって問題の扱い方も異なっている。ヘルパーの人材育成さらには雇用者側の意識改革も、高齢者福祉の現場においてはかなり焦眉の問題であることが浮き彫りとなっている.1.台湾では子どものいる高齢者は在宅ケアが中心であり、高齢者施設への入所に対しては高齢者層の心理的抵抗が根強い。子世代による在宅介護が難しい場合は、個人で外国人ヘルパーを雇用し、ベビーシッターを兼ねさせている事例も少なくない。この点は中国大陸において経済格差を背景に、農村からの出稼ぎ者を家政婦兼在宅ヘルパーとして雇用しているのと同じ状況である。ただし高齢者施設全体の水準については、両地域の経済発展状況をぬきに単純比較することはできない。2.台湾の高齢者施設も大陸と同様に経営状態の二極化が進んでおり、施設水準は入所高齢者の退職前の職業や収入が大きく反映されたものとなっている。行政が運営主体となっている施設では、施設の外部評価や合理化(人員削減)が進み、それが入所者へのしわ寄せとなって表れている。また政府方針の転換により、低所得者層の施設入所条件であった息子の有無が「子どもの有無」に変更され、それが既入所者にも適用されることとなったため、現場では混乱が起きている。3.外国籍ヘルパーの雇用に関する問題(給与・待遇を含む)は深刻である。経済格差を背景とする大陸からの花嫁が単身高齢者のヘルパーとして役割期待されている側面もあり、外国籍ヘルパーに関しては仲介業者のありかたなど実際の介護面意外でも社会的に解決すべき課題が多い。行政担当者は台湾籍ヘルパーの人材育成が急務であると口をそろえるが、日本同様、専門的ヘルパーの育成・雇用が順調に進んでいるとは言い難い。また歴史的背景を抱えた台湾独自の単身高齢者問題も存在していることがわかった。1.台湾社会では収入や社会的地位の低い介護労働の分野においても、すでに外国人労働者のマンパワーが大きな存在となっている。1992年の正式受入れ開始からすでに18年の雇用実績を有し、二国間協定を利用しながら外交政策として外国人介護労働者の受入れを進める台湾では、現在外国人労働者全体の約半数(2010年時点で約18万人)が介護分野での就労となっている。2.台湾における外国人介護労働者は95%が個人雇用による家庭内就労であり、施設雇用はわずか5%に過ぎない。

これは公立施設が外国人労働者を雇用しておらず、外国人を雇用している施設においてもヘルパー全体の半数を超えないことが義務付けられていること、また台湾では在宅介護が高齢者福祉の柱とされているからである。3.施設においては本国で看護師資格をもっていても台湾では単純介護業務しか任されず、またヘルパーとしての技能訓練が不足したまま雇用される等の介護技術的問題や、家庭内雇用では雇用主からの虐待や言語習慣上のトラブル報告も少なくない。しかし言語・宗教・習慣上のギャップが最も少ないと考えられる中国大陸からの労働者受入れを台湾政府が拒んでおり、「大陸花嫁」という形をとった単身高齢者の実質的介護要員が近年は増加傾向にある。4.台湾の介護市場は「自国人材の不足を外国人で補う」状況にあり、外国人介護労働については買い手市場的側面が強く、雇用者側の立場が強い。台湾政府は非営利団体の運営する介護センターや通所ケアサービス分野へも規制緩和によって外国人雇用の拡大方針を新たに打ち出しているが、行政側は自国ヘルパーの育成状況が改善されるまでの一時的措置として考えているとみなす向きが強い。1.永住を前提とする外国籍配偶者(婚姻移民)が台湾では2011年時点で46万人近くに上り、すでに少数民族と互角の人口勢力となっている。台湾の国際結婚は経済格差を背景とする東南アジア国籍と中国大陸籍配偶者が96%、台湾人男性と外国籍女性の組み合わせが94%を占めるという特徴がある。2.大陸籍配偶者は外国籍花嫁の7割を占め、低階層台湾人高齢男性の家庭内ヘルパーとして介護役割を期待されている現状がある。とくに外省人である国民党退役軍人(栄民)の外国籍配偶者の9割は大陸出身者であり、台湾政府も「高齢者ケアの人材不足を補う者」として期待している。しかし将来的に彼女たちが遺族として社会保障の依存者となることについては懸念が示されている。3.台湾は国民党政権になってからそれまでの民進党政権とは逆に中国政府との融和策をとっている。人口圧力となることを回避するため大陸からの労働者受入れは拒んでいるが、こうした単純労働力として期待される大陸籍配偶者の増加は今後新たな問題を生じさせることが予想され、台湾でも研究が進み始めている。4.在宅介護を中心とする高齢者福祉政策も、急激な少子化の進行により、今後は介護の担い手不足の問題に直面する。共働き家庭が多く子世代が同居できない家庭の増加等により、実際には施設介護が検討されるべき状況にあっても、施設入所が高齢者のみならず子世代にも忌避され、台湾人ヘルパーの雇用より安価な外国人労働力に頼る家庭内介護が選択されているのが現状である。
積層化脂肪組織由来幹細胞シート移植による陳旧性顔面神経麻痺治療法の開発

陳旧性顔面神経完全麻痺、不全麻痺に伴う表情筋機能不全(萎縮、拘縮、病的共同運動)に有効な治療は確立されていない。顔面神経麻痺は笑えない、眼を閉じることができない等、罹患者の日常生活に多大な苦痛をもたらす疾患であり、日本でも数多くの患者が存在している。本研究は陳旧性顔面神経麻痺に伴う表情筋機能不全に対して、ヒト由来脂肪組織由来幹細胞(ADSCs)を積層化したシートとして移植することで、ADSCsのもつ成長因子放出能、筋肉への分化能による新たな顔面神経麻痺治療法を開発することを目的としている。現在まで、琉球大学臨床研究倫理委員会の承認の下(承認番号810)、以下の研究を行った。まず琉球大学医学部附属病院内で通常の手術において廃棄されるはずの脂肪組織を患者さんの書面の同意の下に採取する。同脂肪組織を専用の滅菌容器に充填し、琉球大学再生医療研究センター内の細胞培養加工施設(CPC)まで運び、同脂肪組織に対してペニシリンによる静菌処理を12時間行った後、コラゲナーゼ処理を行い、脂肪組織からADSCsを抽出する。抽出されたADSCsを数週間、大量に高純度培養した後、得られた大量のADSCsをコラーゲンシートに播種して、4平方センチメートルの単層ADSCsシート作製を行った。さらにこのADSCsシートを重ね合わせた積層化シートを作製した。また顔面神経麻痺モデルラットを6匹作成し、それぞれ顔面半側に積層化シートの移植を行った。積層化シートの移植を行ったサイドは、そうでない方に比べて顔面神経の回復が早期に見られた。また積層化シート移植したモデルラットをCT撮影すると、石灰化がみられた。また不織布を用いることにより、コラゲナーゼを用いないで脂肪組織由来幹細胞を分離抽出するための方法を開発し、特許出願を行った。脂肪組織由来幹細胞の積層化細胞シートの作製、顔面神経麻痺ラットモデルへの移植を行い、評価を行っている。また不織布を用いて脂肪組織由来幹細胞を分離抽出するための方法を開発し、特許出願を行っている。脂肪組織由来幹細胞の積層化細胞シートが患部で石灰化している状況の確認を行っていく。さらにこのADSCsシートを重ね合わせた積層化シートの作成に取組み中である。また次年度以降に予定している非臨床試験(顔面神経麻痺モデルラットの作成)についても、先行研究をしている大分大学に赴いて指導をいただき準備を整えている。現在まで、倫理委員会承認の下、ヒトより脂肪を採取し、細胞培養加工施設内でADSCsを抽出した後に大量培養を行い、ADSCsシートの作成に成功しており、当初の予定通りに進んでいるといえる。また顔面神経麻痺モデルラットを6体作成し、積層化シートの移植を行った。現在、移植後の経過を観察中である。

現在まで、倫理委員会の承認の下、ヒトより脂肪を採取し、細胞培養加工施設内でADSCsを抽出した後に大量培養を行い、ADSCsシートの作製に成功し、これを顔面神経麻痺モデルラット6体へ移植を行っており、当初の予定通り進んでいるといえる。陳旧性顔面神経完全麻痺、不全麻痺に伴う表情筋機能不全(萎縮、拘縮、病的共同運動)に有効な治療は確立されていない。顔面神経麻痺は笑えない、眼を閉じることができない等、罹患者の日常生活に多大な苦痛をもたらす疾患であり、日本でも数多くの患者が存在している。本研究は陳旧性顔面神経麻痺に伴う表情筋機能不全に対して、ヒト由来脂肪組織由来幹細胞(ADSCs)を積層化したシートとして移植することで、ADSCsのもつ成長因子放出能、筋肉への分化能による新たな顔面神経麻痺治療法を開発することを目的としている。現在まで、琉球大学臨床研究倫理委員会の承認の下(承認番号810)、以下の研究を行った。まず琉球大学医学部附属病院内で通常の手術において廃棄されるはずの脂肪組織を患者さんの書面の同意の下に採取する。同脂肪組織を専用の滅菌容器に充填し、琉球大学再生医療研究センター内の細胞培養加工施設(CPC)まで運び、同脂肪組織に対してペニシリンによる静菌処理を12時間行った後、コラゲナーゼ処理を行い、脂肪組織からADSCsを抽出する。抽出されたADSCsを数週間、大量に高純度培養した後、得られた大量のADSCsをコラーゲンシートに播種して、4平方センチメートルの単層ADSCsシート作製を行った。さらにこのADSCsシートを重ね合わせた積層化シートを作製した。また顔面神経麻痺モデルラットを6匹作成し、それぞれ顔面半側に積層化シートの移植を行った。積層化シートの移植を行ったサイドは、そうでない方に比べて顔面神経の回復が早期に見られた。また積層化シート移植したモデルラットをCT撮影すると、石灰化がみられた。また不織布を用いることにより、コラゲナーゼを用いないで脂肪組織由来幹細胞を分離抽出するための方法を開発し、特許出願を行った。脂肪組織由来幹細胞の積層化細胞シートの作製、顔面神経麻痺ラットモデルへの移植を行い、評価を行っている。また不織布を用いて脂肪組織由来幹細胞を分離抽出するための方法を開発し、特許出願を行っている。単層ADSCsシートを重ねた積層化ADSCsシートの安定的な作成を行う。またラット顔面神経完全麻痺モデル、ラット顔面神経不完全神経麻痺モデルの作成を開始し、ADSCsシートの移植を行う。作製したADSCsシートを、さらに多くの顔面神経麻痺モデルラットに移植し、その回復状況を確認していく。脂肪組織由来幹細胞の積層化細胞シートが患部で石灰化している状況の確認を行っていく。琉球大学医学部細胞培養加工施設の使用料(受益者負担金)について他予算による補充が可能であったため(理由)本研究において琉球大学医学部細胞培養加工施設の使用料を負担せずに済んだため(使用計画)平成30年度以降に行う動物実験モデルの購入費用に使用する。(理由)琉球大学医学部細胞培養加工施設の使用料(受益者負担)について他予算により補填が可能であったため。(使用計画)2019年度以降に行う動物実験モデルの購入費用に使用する。平成29年度以降に行う動物実験モデルの購入費用に使用する。
時計タンパク質の固有周波数の分子科学的解明

シアノバクテリアの生物時計システムにおいては,発振周期を規定する候補因子が唯一のタンパク質分子(KaiC)にまで絞り込まれつつある.本研究課題ではKaiCのATPase活性の前定常状態解析を行い,その緩和ダイナミクスと生物時計システムの周波数(周期の逆数)の相関を調べた.その結果,KaiCそのものに1日に1回振動するための物理化学的基盤が備わっていることが明らかとなった.本課題のような研究は類似研究がほぼ皆無であるため、周波数解析を行うための装置作りが必須となる。外部よりタンパク質に様々な外乱を周期的に与え、それらに対する応答を生化学的手法や分光学的手法で計測する。入力に対する応答の大小や位相変化を調べることで、対象となるタンパク質分子の伝達関数や制御定数を求める。当初の計画に沿って開発を進めた。装置は8つのサンプルテーブルを実装し、各テーブルには複数の試料を搭載することができる。各テーブルの温度は底部に設置されたペルチェ素子により制御され、試料の操作や測定を行うため2軸のアクチュエータ+ロボットアームを導入した。これらすべてを独自にくみ上げ、各要素の動作タイミングを自作ソフトウェアを介して制御することでシステム化した。開発した装置の動作試験を徹底し、機器やソフトウェアの不具合を解消しつつ、より安定で使いやすい実験機器となるよう繰り返し調整を行った。現在、装置は申請者の研究室で不具合なく運転されており、性能についても計画通りで申し分ない。完成した装置にタンパク質試料をセットして予備的な実験を行ったところ、見事な周波数応答が観察された。次年度からは本装置を用いた実験を本格化させ、当初の目的であるタンパク質分子に秘められた固有振動数について実験的に検証を進める。その際、タンパク質の変異体試料を調製し、それらの挙動を野生型と比較することで固有振動数を規定する部位がタンパク質分子のどこに局在しているかを同定する予定である。シアノバクテリアの生物時計においては、発振周期を定める制御機構の所在が唯一のタンパク質分子(KaiC)にまで絞り込まれつつある。本年度は、独自開発した実験装置を用いてタンパク質に様々な外乱を与え、それらへの応答を生化学的手法や分光学的手法で計測してきた。実験装置が安定に稼動し始めたこともあり、野生型やその変異体を含めた試料についてデータを収集した。野生型については予想されたような応答が観察され、実験データを詳細に解析することで分子に秘められた時定数を決定することができた。また、得られた実験データを説明するべく、種々のモデル構築についても検討を開始した。一方、時計タンパク質に様々な変異を導入し、周期や安定性のことなる変異型タンパク質を測定対象として設計した。その際、これまでの研究から知られていた変異体に加えて、タンパク質の立体構造情報に立脚した変異体も新たに独自デザインした。これまでのところ、野生型よりも短い周期を示すもの(短周期型)、より長い周期を示すもの(長周期型)、リズム消失もしくは不安定になってしまうもの(無周期型)、などの変異体が得られている。一部の変異体について予備的な実験を行ったところ、時定数が明瞭に変化していることが確認された。更なる実験・解析を続け、コアとなる分子の時定数と、その分子が組み込まれたシステムの時定数がどのような関係にあるのかを詳細に調べていく。KaiC単独(KaiAやKaiBが無い状態)であっても,KaiCのATPase活性が減衰振動を示すことを見出した.観察された減衰型の緩和曲線を2次の伝達関数を用いて解析したところ,減衰振動成分の固有振動数は野生型で0.91/日と見積もられた.我々は周期の異なるKaiC変異体(株)についても同様の実験を行った.KaiC単独(野生型や変異体)の固有振動数が,KaiAやKaiBが共存する分子システムとしてのリズム(リン酸化リズムや転写翻訳リズム)の振動数と1対1対応していることを発見した.さらに,固有振動数がKaiCのATPase活性,とくにKaiCのN末端ドメインにあるATPase活性によって規定(ATPase活性が高い→固有振動数が大きい)されることを証明した.周期長を決めるATPase活性の制御機構を詳しく調べるため,KaiCのN末端ドメインの高分解能構造解析(最高1.76Å)を行い,野生型と周期変異体を含めて計9個の構造をデータベースに登録した.従来の構造解析では分解能が十分でなかった為に見落とされてきたが,我々が公開した新しい原子座標には機能を表出せしめている構造部位が鮮明に映し出されており,「遅さの根源となる不安定な局所構造」や「温度補償を実現する分子構造の対称性破れ」などを発見することができた.なかでもATPのリン酸基を求核攻撃する加水分解水は,高いATPase活性を示す他の酵素(ミオシンやキネシンなど)に比べて遠く離れた位置に隔離されており,絶対的な反応の遅さを生み出している構造要因の一つであることが示された.シアノバクテリアの生物時計システムにおいては,発振周期を規定する候補因子が唯一のタンパク質分子(KaiC)にまで絞り込まれつつある.本研究課題ではKaiCのATPase活性の前定常状態解析を行い,その緩和ダイナミクスと生物時計システムの周波数(周期の逆数)の相関を調べた.その結果,KaiCそのものに1日に1回振動するための物理化学的基盤が備わっていることが明らかとなった.完成した実験装置を用いた実験が本格的に開始され、野生型や変異体を含めた実験データの収集がほぼルーチン化されたため。27年度が最終年度であるため、記入しない。