hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
トーラス型トラップによる非中性プラズマの閉じ込め

本研究では,非中性プラズマの新たな閉じ込め方式(トーラス系磁気シヤー配位)を開発し,その平衡,安定性,緩和現象を総合的に研究することによって,非中性プラズマの理論的体系を構築するとともに,高β平衡の形成や,核融合プラズマ物理の基礎実験など新たな応用の可能性を明らかにした.本方式を,従来から非中性プラズマの研究で使われてきた直線型磁場・電場閉じ込め方式(Penningトラップなど)と比較すると,(1)高エネルギー粒子の閉じ込めが可能である,(2)高密度閉じ込めが可能である,(3)多種粒子の同時閉じ込めが可能である,という特徴をもつ.このトーラス閉じ込め方式の鍵となる原理は,(A)磁気シヤー配位である,(B)粒子運動のカオスを利用した無衝突拡散によって粒子を注入する点にある.これらの特性と原理を活かして,(I)高速回転流系における新たな緩和状態の研究,(II)カオスによる異常拡散・異常抵抗の研究,(III)シヤー流による非エルミートダイナミクスの研究,(IV)静電揺動の磁気シヤーによる安定化の研究を行った.通常「プラズマ」というと,平均すると電気的に中性の荷電粒子多体系を指す.核融合エネルギーの研究に関連して進歩してきた高温プラズマの物理も,主として中性プラズマを対象としたものである.しかし,プラズマ物理の学理は,電磁力によって相互作用する多粒子系の「集団現象」に係る非線形科学として深化し,一般的な基礎学術へと発展している.なかでも,中性条件を取り除いた「非中性プラズマ」の研究は,プラズマ物理の視界を格段に広げるとともに,さまざまな分野が関連する新領域の創成につながるものと期待される.非中性プラズマでは,中性条件下でいわば縮退していた物理的効果が発現し,新たな特性が見出される可能性がある.その最も重要な効果が「自己場(self-field)」すなわち電気的非中性に起因する総体としての自己電場に起因する流れの発生である.本研究では,自己場による流れをもつプラズマの物理を,重力多体系(銀河)などとも共通の物理的課題としてとらえ,その平衡構造の自己組織化,非エルミート性によって引き起こされる多様な科と現象,運動論的効果などについて新たな知見が得られた.本研究では,非中性プラズマの新たな閉じ込め方式(トーラス系磁気シヤー配位)を開発し,その平衡,安定性,緩和現象を総合的に研究することによって,非中性プラズマの理論的体系を構築するとともに,高β平衡の形成や,核融合プラズマ物理の基礎実験など新たな応用の可能性を明らかにした.本方式を,従来から非中性プラズマの研究で使われてきた直線型磁場・電場閉じ込め方式(Penningトラップなど)と比較すると,(1)高エネルギー粒子の閉じ込めが可能である,(2)高密度閉じ込めが可能である,(3)多種粒子の同時閉じ込めが可能である,という特徴をもつ.このトーラス閉じ込め方式の鍵となる原理は,(A)磁気シヤー配位である,(B)粒子運動のカオスを利用した無衝突拡散によって粒子を注入する点にある.これらの特性と原理を活かして,(I)高速回転流系における新たな緩和状態の研究,(II)カオスによる異常拡散・異常抵抗の研究,(III)シヤー流による非エルミートダイナミクスの研究,(IV)静電揺動の磁気シヤーによる安定化の研究を行った.通常「プラズマ」というと,平均すると電気的に中性の荷電粒子多体系を指す.核融合エネルギーの研究に関連して進歩してきた高温プラズマの物理も,主として中性プラズマを対象としたものである.しかし,プラズマ物理の学理は,電磁力によって相互作用する多粒子系の「集団現象」に係る非線形科学として深化し,一般的な基礎学術へと発展している.なかでも,中性条件を取り除いた「非中性プラズマ」の研究は,プラズマ物理の視界を格段に広げるとともに,さまざまな分野が関連する新領域の創成につながるものと期待される.非中性プラズマでは,中性条件下でいわば縮退していた物理的効果が発現し,新たな特性が見出される可能性がある.その最も重要な効果が「自己場(self-field)」すなわち電気的非中性に起因する総体としての自己電場に起因する流れの発生である.本研究では,自己場による流れをもつプラズマの物理を,重力多体系(銀河)などとも共通の物理的課題としてとらえ,その平衡構造の自己組織化,非エルミート性によって引き起こされる多様な科と現象,運動論的効果などについて新たな知見が得られた.本計画は,リング導体を用いたトーラス系に非中性プラズマを閉じ込めることを目指したものである.これは,他に例のない独創的な閉じ込め方法であり,閉じ込め効率の飛躍的な向上が期待される.非中性プラズマは強い自己電場をもつ.我々は,自己電場による回転流を応用した超高ベータプラズマ閉じ込めを提唱しており,本研究によりその概念の基礎を構築しようとしている.本研究計画の初年度にあたる平成9年度には,実験装置の主要部である以下の装置を設計・製作し,非中性プラズマの閉じ込めを実証した.(1)トロイダル磁場発生用コイル・電源の設置:磁場が容器に触れることがないトーラス磁場を用いることによって,種々の荷電粒子を理想的に閉じ込めることができる磁気トラップを開発した.本装置では,リング導体が発生するポロイダル磁場に,トロイダル磁場を重畳することにより,プラズマの集団モードに対して安定な磁場シヤ-をもつ磁場構造を形成できる.電子ビームの入射実験により,最適なトロイダル磁場強度が存在することが明らかになった.

(2)電子ビーム入射用電子銃の設置:最大1kVの定常電子ビーム発生装置と,大電流(1kA)パルス電子銃を開発し,トーラス型トラップに電子を入射して非中性電子プラズマを発生した.電子銃は,セパラトリックスに対して様々な位置と角度をもつことができ,銃から発射された電子がカオスを起こしてトラップに効率良く捕捉されることが確認された.実験によって評価された電子の平均飛行距離は,装置の設計に際して行なった理論計算とよく一致することが確認された.本計画の研究目的は,内部導体系による閉じた定常磁気配位の内部に単一粒子群のみから構成されるプラズマ(例えば,純電子プラズマ・純イオンプラズマ・純陽電子プラズマ等)や,或いは電気的中性条件の破られた高密度プラズマを閉じ込めることである.一般に非中性プラズマは強い自己電場を有しており,その自己電場を適当な磁場配位と組み合わせ,かつ実効的な角運動量を与えることにより,プラズマ内部に強い回転流圧を引き起こしうる可能性を持つ.また我々は,理論的に,この流圧とプラズマ圧がバランスしうることを示しており,本計画によりその実験的検証を進めている.研究計画第二年度に得られた成果は,以下の通りである.(1)実験では,プラズマと装置壁との間の距離を保持し,かつプラズマを電気的に孤立させるために,閉じた磁気配位(セパラトリックス配位)を用いて非中性プラズマ閉じ込め研究を行っている.そのセパラトリックス近傍において純電子プラズマの電位分布を測定した結果,電位勾配厚が電子ラーマー半径に比して10倍以上のブロードな形状となっていることを明らかにした.さらに,1.この電位勾配がセパラトリックス内側へと位置している,2.このシフトがラジオ周波数電磁波の印加に対しても依存している結果も得ている.これらの知見は非中性プラズマのプラズマエッジが,閉じ込め磁場の磁気配位形状により決定されていないことを示唆している.(2)純電子プラズマの閉じ込め効率に対するポロイダル磁場依存性について,より高いプラズマ電位(密度)がより強いポロイダル磁場により達成される結果を得た.この結果はトーラス磁気井戸による荷電粒子の絶対捕獲理論と符合しているように見うけられるが,現在更なる研究を進めている.本年度は,Proto-RT実験装置を用いた実験により,本研究計画で目標としていた新たな非中性プラズマ閉じ込め方法の確立に係る物理的な原理を実証するデータを得,また理論モデル化を進めた。(1)非中性プラズマのトーラス型閉じ込め平衡について,プラズマポテンシャルの径方向分布の計測を赤道面において行い,その分布が概ね上に凸の放物型になることを見い出した。このことは,プラズマの径方向密度が概ね一定であることを示唆している。また,このポテンシャルの分布は,いわゆるシャフラノフシフトをしていない。これらの結果を更に追求するために,次年度においては,トーラス電子プラズマの等電位面の位置をポテンシャルの詳細な2次元(r-z面)測定を通じて明らかにする計画である。また,高周波電場によって生成した弱電離トーラスプラズマに対して電子を入射し,このプラズマを電気的に非中性化する実験を試みた。プラズマの非中性化に関しては,初期的な結果として自己電場の発生を見ているが,測定の精度を向上させる必要がある。今後はプラズマの回転の確認,電場構造の解析を進める計画である。
ヒトデ胚に対する選択的発生阻害活性を有する新規海洋天然物質

徳島県沿岸で採集したAncorina属海綿のメタノール抽出物から活性物質1を単離し、アンコリノシドAと命名した。アンコリノシドA(1)は,HRFABMS,各種2D-NMRスペクトル等から,N-メチルテトラミン酸構造をもつ新規配糖体であることがわかり、絶対配置をも含めてその構造が,(5R)-5-カルボキシメチル-3-(22-O-(β-D-グルコピラノシル-(1→4)-β-D-ガラクトピラノシルウロン酸)-1-ヒドロキシドコシリデン)-1-メチル-2,4-ピロリジンジオンであることを明らかにした。アンコリノシドA(1)を0.4μg/ml以上の濃度でイトマキヒトデの受精卵に加えると,イトマキヒトデの胚発生に対して128細胞期までは全く影響を与えないが,256-512細胞期すなわち胞胚形成の段階で胚発生を選択的に停止させた。化合物1は,10μg/ml以下の濃度では,がん細胞(L1210,K-562,MOLT-4)の細胞増殖に影響を与えないことからも,選択性の高い細胞機能阻害物質であることが示された。一方,宮崎県及び愛媛県で採集した海綿のメタノール抽出物からは,イトマキヒトデの胚発生を胞胚期で停止させる活性物質として2-アミノアデノシン(2),2′-デオキシグアノシン(3)及びチミジン(4)を単離・同定した。これら活性物質(2)(4)は,イトマキヒトデ受精卵の発生を胞胚期で選択的に停止させ,その半数阻害濃度(IC_<50>)はそれぞれ2,3および5μg/mlであった。また,鹿児島県で採集された海綿のメタノール抽出物からは,同様な阻害活性を示す物質としてオンナミドA(5)を単離・同定した。オンナミドA(5)は,2μg/ml以上の濃度でイトマキヒトデ胚の発生を胞胚期で停止させた。分裂溝が正常に出来ないため,細胞質分裂が出来ないようであったが,核の複製は認められた。以上のように,棘皮動物の胚発生に対する選択的阻害活性を指標として生理活性物質を探索することによって,特異な化学構造を有する新規生理活性物質を見出すことができた。徳島県沿岸で採集したAncorina属海綿のメタノール抽出物を溶媒分画すると,1-ブタノール可溶部に,イトマキヒトデの胚発生を胞胚形成の段階で阻害する強い活性が認められた。1-ブタノール可溶部を逆相カラムコロマト分画したのち,活性画分を逆相HPLCで精製して活性物質を1を単離し,アンコリノシドAと命名した。1は,HRFABMS,各種2D-NMRスペクトル等から,N-メチルテトラミン酸構造を持つ新規配糖体であると決定した。アンコリノシドA(1)を酸化水分解後,水可溶部とクルルホルム可溶部に分画した。

水可溶部に含まれる糖類は,水素化シアノホウ素ナトリウム存在下でL-フェニルエチルアミンと還元的に縮合して1-(L-α-メチルベンジルアミノ)-1-デオキシアルジトールへと誘導し,その後トリメチルシリル化して標品とのco-GLCおよびGC-MS分析を行うことにより,D-グルコースおよびD-ガラクツロン酸と決定した。また,酸化水分解時に得られたクルルホルム可溶部を酸化的に分解して得られたアミノ酸を,マ-フィー法によってHPLC分析を行うことによりN-メチル-D-アスパラギン酸と決定した。以上の結果より,アンコリノシドA(1)の構造は,(5R)-5-カルボキシメチル-3-(22-O(β-D-グルコピラノシル-(1→4)-β-D-ガラクトピラノシルウロン酸)-1-ヒドロキシドコシリデン)-1-メチル-2,4-ピロリジンジオンであることを明らかにした。アンコリノシドA(1)を0.4μg/ml以上の濃度でイオマキヒトデの受精卵に加えると,イトマキヒトデの胚発生に対して128細胞期までは全く影響を与えないが,256-512細胞期すなわち胞胚形成の段階で胚発生を選択的に停止させた。化合物は1は,10μg/ml以下の濃度では,がん細胞(L1210,K-562,MOLT-4)の細胞増殖に影響を与えないことからも,選択性の高い細胞機能阻害物質であることが示された。宮崎県日南大島近海及び愛媛県佐田岬で採集した海綿のメタノール抽出物中に,イトマキヒトデの胚発生を胞胚期で停止させる活性が認められた。これらのメタノール抽出物から,活性物質として2-アミノアデノシン(1),2'-デオキシグアノシン(2)及びチミジン(3)を単離・同定した。これら活性物質(1)(3)は,イトマキヒトデ受精卵の発生を胞胚期で選択的に停止させ,その半数阻害濃度(IC_<50>)はそれぞれ2,3および5μg/mlであった。2-アミノアデノシン(1)がイトマキヒトデ胚の発生を胞胚期で停止させる原因については,アデノシンに替ってDNAに取り込まれる正確なDNAの複製ができなくなったためと考えられた。また,2'デオキシグアノシン(2)およびチミジン(3)の場合は,最終産物によりフィードバック阻害がおこり,de novo合成の最初の段階である5-ホスホリポシルアミンの合成が抑えられ,胚の正常なヌクレオチドバランスを崩すことによって核酸合成が停止したため,胞胚期で発生が停止した可能性が考えられた。一方,鹿児島県馬毛島で採集された海綿のメタノール抽出物中に,イトマキヒトデ胚の発生を胞胚期から原腸形成の段階で停止させる活性が認められたため,ヒトデ胚発生阻害活性を指標に,活性物質の分画・精製を行った。その結果,活性物質としてオンナミドA(4)を単離・同定した。オンナミド(4)は,2μg/ml以上の濃度でイトマキヒトデ胚の発生を胞胚期で停止させた。また1μg/mlでは,イトマキヒトデ受精卵の発生を,原腸陥入の段階で阻害した。15μg/mlでは発生が同調せず,164cellで停止した。分裂溝が正常に出来ないため,細胞質分裂が出来ないようであったが,核の複製は認められた。
遺伝子を標的とした新規機能性低分子プロ－ブの開発

生体分子を化学修飾する分子プローブは生命現象の制御や解明に不可欠であり、その重要性が認識されている。既に蛋白質を化学修飾する低分子プローブは種々検討されており、細胞内において選択的に標的蛋白をラベル化する分子プローブも開発されている。しかし細胞内でDNAやRNAを配列選択的に化学修飾する方法論は現在のところほとんど報告されていない。近年、RNA研究の進展に伴い様々な機能性RNAの存在が明らかにされており、細胞内でこれらのRNAを選択的に化学修飾できる分子プローブは、その機能解明のツールとして極めて有効であると考えられる。本研究では塩基欠失部位を持つオリゴヌクレオチドと反応性核酸を含む低分子プローブを用いた、DNAあるいはRNAの1塩基に対し、ピンポイントの選択性で化学修飾する方法論の開発を目指した。本研究では、2本鎖DNAの塩基欠失部位での選択的な反応性を期待し、独自に設計した水素結合形成により活性化される反応性塩基とDNAに対して結合親和性を持つと部位を持つ分子の合成を検討した。反応性塩基2-アミノービニルプリン(AVP)に、DNA結合親和性を持つ部位として、カチオン性のペンタアルギニン、インターカレーターであるアクリジン、マイナーグルーブバインダーであるヘキスト構造を導入したプローブを合成した。合成したプローブの塩基欠失部位を持つ2本鎖DNAに対する反応性を調べた結果、ヘキスト構造を導入したAVPが塩基欠失部位の向かいのチミンに対して非常に選択的に反応することがわかった。さらに反応した部位でDNAの伸長反応を選択的に止めることにも成功した。これらの結果は疎水空間においてAVPが水素結合を形成し反応した可能性を示すものと考えている。27年度が最終年度であるため、記入しない。前年度までの検討において、独自に設計した水素結合形成により活性化される反応性塩基とDNAに対して結合親和性を持つ部分としてペンタアルギニンを導入したプローブを合成し、その反応性を検討した。その結果、中性条件下、24時間後、約60%の収率で塩基欠損部位の向かいのチミンに対して選択的に反応することがわかった。しかしその後の検討により、このプローブは1本鎖にも反応することがわかった。そこで本年度は2本鎖DNAのAATT配列を持つマイナーグルーブに結合するヘキストを持つプローブ及びアクリジンを持つプローブを合成し、その反応性を検討した。その結果いずれのプローブも1本鎖には反応せず、2本鎖DNAの塩基欠損部位の向かいのチミンに対して選択的に反応することがわかった。さらに反応したDNAをテンプレートとしてDNAポリメラーゼによるプライマー伸長反応を検討したところ、いずれの場合にも反応点であるチミンのところで、伸長反応が阻害されることもわかった。本年度、計画していた2つの分子プローブとして、ヘキストを持つプローブ及びアクリジンを持つプローブの合成に成功した。これらのプローブの反応性を検討したところ、選択性及び効率とも非常に高いブローブの開発に成功した。

ヘキストを持つ反応性プローブについては、その反応性がヘキストの結合部位であるAATT配列と反応点である塩基欠損部位のチミンとの距離に依存することもわかった。この結果は、当初の設計どおりに、ヘキスト部分が2本鎖DNAに結合し、塩基欠損部位の向かいのチミンに対して反応性塩基2-AVPが水素結合形成することで反応が進行したことを示していると考えている。またこれらのプローブが反応した位置で、DNAの伸長反応が止まることもわかった。これらの結果は当初、予期していなかったことであり、これらのプローブを今後検討していくにあたり、非常に有用な性質であると考えている。さらに予備的ではあるが、反応性塩基側の構造についてもいくつか検討した。その結果、非常に高い反応性を持つプローブの開発、さらには反応後に機能性分子を導入可能なプローブの合成にも成功した。これらの研究の進展は当初予定していた計画よりも早いと考えられる。本研究で目標としていた、疎水空間の一つである塩基欠損部位での選択的アルキル化反応を誘導するプローブは開発できたものと考えている。今後は下記の点について検討する。27年度が最終年度であるため、記入しない。昨年度までにDNAの疎水空間の一つである塩基欠損部位における選択的アルキル化反応するプローブ開発に成功した。本年度はこれらのプローブの機能化及び細胞内への適用について検討する。さらに新たな標的部位としてRNAの高次構造を設定し、その構造内で標的塩基に対して選択的なアルキル化能を持つ、反応性低分子の開発について検討する。反応性部位としては、昨年度までに検討してきた2-アミノ6ービニルプリン(2-AVP)に加え、そのデアザ体、さらにはピリミジン誘導体に、RNA高次構造に結合することが知られているヘキスト誘導体を導入した反応性低分子誘導体を合成し、その反応性について検討を行う。さらに2-AVPの7-デアザ体は、7位に置換基を導入できるため、ここにアルキンを導入した低分子プローブも合成する。アルキンはクリックケミストリーを利用することで、後から蛍光などの機能分子の導入が可能となるため、高次構造を持つRNAの標識化するプローブとして展開可能であると考えている。さらにより高い反応性を持つ反応性塩基誘導体を持つ低分子プローブも合成する。合成したプローブの反応性を検討した後、これらの反応性部位と標的RNAに結合するリガンドを連結するリンカーの長さについても検討を行い、より効率的に反応する低分子プローブを開発する。高い反応性を持つ低分子プローブに関しては、プローブが反応した構造についても検討する。RNAの高次構造は様々な機能性RNAで重要な働きを持つことが示唆されており、これらの構造に対して選択的に化学反応を誘起するプローブはRNAの機能を制御する新しい方法論として展開できるものと考えている。
口腔扁平上皮癌の低酸素環境におけるＥＭＴの解明と治療標的としての意義

口腔癌細胞株を低酸素環境と通常環境で培養し、運動能と浸潤能、E-cadherinの発現を比較した。結果、低酸素環境での亢進を認め、Notch阻害薬を添加することでそれらは抑制された。またNotcho阻害薬のまたリアルタイムPCRにてNotch関連因子の発現を調べたところ、低酸素環境でNotch関連因子の発現の亢進を認めた。以上より低酸素環境はNotch経路を介して口腔癌細胞株にEMTを誘導している可能性が示唆され、口腔癌の転移抑制の治療標的になりうることが示唆された。口腔扁平上皮癌の予後因子として最も需要なことは頸部リンパ節への転移の有無である。癌細胞が浸潤、転移する能力を獲得する過程で上皮間葉移行(EMT)という現象が注目されているが、口腔扁平上皮癌細胞ではそのメカニズムは明らかでない。また癌組織における微小環境が癌の性質に影響を与えているとの報告もある。癌組織は慢性的な低栄養、低酸素状態にあると言われている。低酸素状態に置かれた癌細胞は低酸素誘導因子(HIF-1α)を安定化させる。HIF-1αは様々な因子を活性化させ、癌の悪性化に関与していると報告されている。Notchは細胞の分化に関係している因子であり、幹細胞の恒常性の維持に低酸素環境とNotchが関与しているとする報告もある。乳癌細胞で低酸素環境がNotchを活性化することによりEMTを誘導するとの研究報告があるが口腔扁平上皮癌細胞ではそのメカニズムは明らかでない。今回我々は口腔癌細胞株において低酸素環境がNotchを介してEMTを誘導するかどうかを調べた。免疫学的染色では上皮マーカーであるE-cadherinの発現の低下を認めた。またそれはotch阻害物質であるγ-secretase inhibitorを添加することにより阻害された。リアルタイムPCRにおいては低酸素環境ではNotchのmRNAの発現量が増加し、Notch標的遺伝子であるHES1、HEY1の発現の増加を認めた。またE-cadherinの抑制遺伝子であるsnailの発現増大を認めた。またwound healing assayでは低酸素環境で口腔癌細胞の走化能の亢進を認め、invasion assayでは浸潤能の亢進を認めた。またこれらの作用はγ-secretase inhibitorを添加することにより阻害された。以上から口腔癌細胞株において低酸素環境がNotch経路を介してEMTを誘導することが示唆された。口腔扁平上皮癌の予後因子として最も重要な因子は頸部リンパ節への転移の有無である。そのため癌の浸潤・転移メカニズムを明らかにし、それを予測あるいは標的とした治療法を確立することが口腔癌の治療成績の向上につながる。我々は口腔癌細胞株において低酸素環境がNotchとその標的因子であるHES1、HEY1とsnailのmRNAの発現量を亢進させることを明らかにした。さらに低酸素環境下では口腔癌細胞株の走化能と浸潤能を亢進させ免疫染色法にてE-cadherinの発現量の減少を引き起こすことを明らかにしたが、それはNotchの阻害物質であるγ-secretase inhibitorによって阻害されることを明らかにした。以上より低酸素環境がNotch経路を介して口腔癌細胞株のEMTを誘導することが示唆され、結果を論文にて報告した(Oncology letters 6: 1201-1206, 2013)。Notchは細胞の分化に関係している因子であり、幹細胞の恒常性に関与していると考えられている。近年、がん幹細胞が治療抵抗性や転移に関与していることが示唆されているが癌細胞が幹細胞様性質を獲得する過程としてEMTを引き起こすとの報告もあり、EMTと幹細胞性性質の獲得との関連性を今後明らかにしていきたいと考えている。口腔癌において低酸素環境がNotchシグナル経路を介してEMTを誘導し、浸潤能や転移能を更新させるとの仮説をもとに平成24年度はin vitroの研究を行う計画を立てた。口腔癌細胞株HSC-2、HSC-4、Ca9-22、KONを通常培養条件(21%O2)、低酸素培養条件(1%O2)で培養し、上皮系markerであるE-cadherinの発現を免疫染色法にて調べた。すべての細胞株で低酸素培養条件でE-cadherinの発現が低下した。またNotch阻害薬であるGSIを添加するとHSC-2、HSC-4、Ca9-22でE-cadhrinの発現低下が阻害された。次に走化能を調べるためwoundhealing assayを行った。すべての口腔癌細胞株で低酸素条件で走化能が亢進した。またGSIの添加でKON以外の3株で走化能の亢進が阻害された。次にNotchシグナル因子のNotch receptor, ligand, target geneのmRNA発現量をreal time RT-PCR法にて定量的に調べた。

KON以外の細胞株でNotchシグナル因子の発現増加を認めた。KONはreceptor, ligandのmRNA発現増加を認めなかったがtarget geneの増加を認めた。以上より口腔癌細胞株は低酸素環境でNotch経路を介してEMTを引き起こすことを明らかにした。しかしKONは低酸素環境でEMTが誘導されNotch target geneの増加は認められるもののreceptor, ligandのmRNAの増加を認めないこと、GSIの影響を受けないことから仮説以外の経路でEMTを引き起こす可能性があることが示唆された。以上の結果を第56回(社)日本口腔外科学会総会で報告し優秀ポスター発表賞を受賞した。低酸素環境が口腔癌細胞株の走化能と浸潤能を亢進させたこと、それらがNotch阻害物質であるγ-secretase inhibitorの添加により阻害されたことから低酸素環境が口腔癌の悪性化に関与していること、それがNotch経路を介していることを明らかにした。またE-cahderinの発現が減少していることから低酸素環境がEMTを誘導することが示唆された。平成23年度はin vitroの実験を行う計画を立てていたがほぼ計画通りの実験を行うことができ、申請者が立てた仮説通りの結果を得ることができたため順調であったと判断している。この研究には複数の口腔癌細胞株を使用し、そのすべての細胞株が低酸素環境で走化能、浸潤能が亢進したが、γ-secretase inhibitorによりすべて細胞株の走化能、浸潤能亢進が阻害されたわけではなかった。これはつまり低酸素環境が口腔癌の悪性化に関与していることが示唆されたが、すべての癌細胞でNotch経路が関与しているわけではなく、低酸素環境は別の経路も活性化させ癌細胞の悪性化を亢進している可能性も示唆している。そこで今後EMTを引き起こす別の経路についても低酸素環境での活性化の有無の検討を行うこととした。今後も計画書通りに研究を進めていく方針である。具体的にはヌードマウスを用いたin vivoの実験を行う。それと並行して当科で生検もしくは切除術を行い、研究に同意を得られた口腔癌患者の検体を用いてNotchシグナルの免疫染色を行い、予後、リンパ節転移の有無、組織学的悪性度、浸潤様式、放射線化学療法耐性などの予後予測因子との相関関係を調べていく予定である。EMTを起こすその他の経路、twist、slugの経路について口腔癌細胞株を用いてreal time PCR、ウエスタンブロットにより定量的に計測し、低酸素環境における口腔癌細胞株のEMT誘導因子の解明を行いたいと考えている。概ね実験計画通りに使用する予定である。今年度は実験試薬や消耗品を中心に使用する。また論文を投稿予定なので、校正・投稿費にも使用する予定である。
個人別環境破壊度指標の作成

自然環境の破壊は、人間が存在する限り、いかなる技術を開発しても続くことは否定できない。しかし、現在のような資源を使い果たす方向を少しでも変えることによって環境破壊の速度を緩めることは可能である。この研究は個人の生活が環境にどのような影響を与えているかを数量的に把握して、破壊度指数としてあらわすことを目的としている。間接的には企業活動の見直しにも貢献できる。本年度は、第1に一般家庭での生活様式によるエネルギ-使用およびゴミの排出量の関係をアンケ-ト調査によって明らかにした。第2に排出量の原単位を調査した。第3にすでに発行されている地球環境と行動に関連する書籍の内容などを検討した。第4は環境に負荷された物質やそれらに関連する自然界の変化による影響調査を部分的に行った。アンケ-トの結果により、通常の家庭人が使用する水やエネルギ-の量が明かとなった。これらの量は、大幅に節減可能な水使用量に対してガス、電気は個人の日常の努力では不可能な部分が存在する事が判明した。ゴミに関しては自治体、民間の回収システム、ス-パ-、商店、企業などに関連しているための問題がある。この点については、個人の努力だけでは解決は不可能であり、廃棄物に関する法律が制定されることが望まれる。◎1.人間の行動による、◎2.環境への負荷、◎3.そのための環境変化、◎4.最終的な人間への影響に分類し、1と4を直結し、2と3は理解したい人が利用できるようにまとめる予定である。現在の科学では、環境の変化については必ずしも解明できていないが、あらゆる可能性をそのなかに加味し、検討しつつある。これらの結果は、助成があれば、コンピュ-タで簡単に操作できるソフト、CDーROMまたは書物にまとめる予定である。
ATP13A2の分子機能探索と局在異常に伴う神経細胞死の機序解明

家族性パーキンソン病の原因遺伝子の一つであるATP13A2が細胞内小器官の一つであるリソソームの膜に局在することを明らかとした。この遺伝子発現を抑制すると神経細胞由来の細胞でのみ細胞死が認められた。この時、リソソーム内酵素であるカセプシンDの活性が上昇しており、細胞内に異常構造物の蓄積を確認した。以上のことからATP13A2の変異によるパーキンソン病発症はリソソーム機能異常が原因であることが予想された。1.ATP13A2遺伝子発現抑制によるリソソームへの影響ATP13A2遺伝子発現抑制下における神経芽腫細胞のリソソーム数、オートファゴソーム数に変化は認められなかった。同様にタンパクレベルにおいてもリソソーム膜タンパク(Lamp1, Lamp2)、リソソーム酵素(Cathepsin D及びB)さらにLC3Bの変化は認められなかった。またこの時の神経芽腫細胞を電子顕微鏡で観察した結果、細胞内に巨大な異常構造物の蓄積、さらにFinger print様の多重膜構造物も多数認めた。この構造物がCathepsin D欠質マウスの神経細胞内に見られる異常構造物に類似することから、ATP13A2遺伝子発現抑制下におけるFIFOATPase subunit Cの蓄積を検討したが、その蓄積は認められなかった。2.ATP13A2遺伝子発現抑制による細胞死の機序解明遺伝子発現抑制における細胞死は、カスパーゼ阻害剤やBc12過剰発現では抑制できなかった。このことは、ATP13A2遺伝子発現抑制による細胞死がカスパーゼ非依存的であることを示唆していると考えられる。一方、Cathepsin Dの細胞質への流出が細胞死を引き起こすことが知られていることから、ATP13A2遺伝子発現抑制におけるCathepsin Dの局在を細胞分画により検討したがその局在変化は認められなかった。3.野生型、変異体を用いた細胞死のRescue実験新たにリソソームに局在を持つ変異体(T12M、G533R)を作製し、これらと野生型、小胞体に局在する変異体を用いて、ATP13A2遺伝子発現抑制による細胞死のRescueをTUNEL法にて検討した結果、野生型のみが細胞死を抑制した。このことから、ATP13A2はリソソームに局在し、その機能を果たすものと予想される前年度までにATP13A2 siRNAを用いATP13A2分子の機能、細胞死への影響を検討した。本年度はshRNAを用いATP13A2発現抑制細胞株を用い、持続的にATP13A2遺伝子発現を抑制した細胞を用い、ATP13A2発現抑制によるリソソームへの影響、並びに細胞死を検討した以下、神経芽腫細胞(SH-SY5Y)、肝ガン由来細胞(HepG2)にATP13A2 shRNAを導入し検討した成果である。1.リソソームへの影響蛍光免疫染色にて、SH-SY5Y細胞内のみでLamp2陽性、CathepsinBまたはD陽性の顆粒状の構造物の増加を認めた。タンパクレベルにおいてもその増加が認められた。さらに、Cathepsinの酵素活性測定した結果、前年度と同様にCathepsin Dの酵素活性増加、またCathepsin B並びにLも同様に活性が増加した。2.神経細胞死への影響Annexin V/PI染色を行いフローサイトメーターで早期アポトーシスを検討した結果、前年度と同様に、ATP13A2発現抑制によりSH-SY5Y細胞でのみ約30%の早期アポトーシスを認めた。さらに、細胞活性を測定した結果も同様に、コントロールと比較して約30%の活性低下が認められた。これらの結果から、ATP13A2遺伝子変異によるATP13A2分子の機能異常はCathepsin酵素群の活性増加を伴い細胞死を引き起こすことが予想された。また、ATP13A2発現抑制はSH-SY5Y細胞においてのみミトコンドリアにMn-SODの蓄積を認めた。ATP13A2はMnトランスポーターである可能性が報告されている。さらにMn-SODはCathepsin Dの基質であることが知られていることから、ATP13A2発現抑制によるCathepsin群の増加は、基質であるMn-SODの増加が原因である可能性が考えられた。これらのことから、ATP13A2遺伝子変異パーキンソニズムの原因も他の遺伝子変異患者と同様にミトコンドリア障害による可能性も考えられた。
モジュール化が可能な小型マイクロ波放電型イオンエンジンの開発

小型人工衛星用の小型マイクロ波放電型イオンエンジンの開発を目標として,前年度の成果をもとに研究を行った.前年度明らかになった性能のパラメータ依存性に関して,この相関関係を解明すべく,イオンエンジン内部のプラズマ状態を測定した.従来の静電プローブによる測定では内部に擾乱を与え測定が困難であるため,新たに可視化マイクロ波放電型イオンエンジンを設計・製作し,発光分光法により,プラズマ状態を測定した.これと並行して,マイクロ波を放出するアンテナを内部のプラズマ状態が測定できる測定子となるよう改良し,調査した.その結果,生成領域の形状依存性,及びプラズマ損失とエンジン形状の関係を解明した.これよりプラズマ生成・損失過程が明らかになり,設計指針を得ることができた.また,前年度に引き続き,放電室内の電磁界とプラズマ生成損失過程の解明のために,3次元非定常数値解析コードを作成し数値解析を行った.その結果,電子の振る舞いの磁場形状依存性が明らかになり,これは実験結果と矛盾しないものであった.中和器に関して,性能向上の指針を得るため,プラズマ諸量の計測を行った.その結果プラズマ密度は印可磁場が電子サイクロトロン共鳴磁場において最大となった.これらの知見をもとに,世界最小サイズの,イオンビーム直径16mmの小型マイクロ波放電型イオンエンジンを製作し,性能を測定した.このエンジンの性能は,推力1mN,電気から推進力へのエネルギー変換効率は40%と,NASAが開発中のイオンエンジンの性能と比肩し,このサイズのエンジンとして世界最高の性能を達成した.また,大型化した矩形エンジンを設計,製作し,性能を測定した.このエンジンの性能は推力1.3mNで変換効率は30%であった.本年度は以下に挙げられる課題に関する研究を行なった。1.マイクロ波放電型イオンエンジンにおける推進性能のエンジン形状依存性2.容積の利用効率の高い矩形小型イオンエンジンの開発3.小型マイクロ波放電型中和器の開発4.数値シミュレーションによる内部物理の解明および最適な放電室形状の模索1に関して、アンテナ形状、磁場形状を変更し、イオンエンジンの推進性能を測定した。アンテナ形状に関して6種類のアンテナにおいて性能を測定した結果、星型アンテナを用いたときが最も性能がよかった。さらに磁場強度を変更して性能を測定したところ、磁場強度で最適値が存在することが明らかになった。これらの知見をもとに、最適化した状態で推進性能を測定したところ、8Wで12mAのイオン電流が得られ、性能の向上が確認された。2に関して、5×5×3cmの直方体エンジンを作成し、性能を測定した。しかし円柱状エンジンとは異なり、放電室全域ではなく偏ってプラズマが生成し、性能の低下が見られた。これより矩形放電室用に磁場形状の抜本的な改良が必要であることがわかった。3に関して、小型マイクロ波放電式中和器の開発を行なった。中和器の圧力、引き出し面積、放電室形状、磁場強度の性能依存性を調査し、最適化を行なった結果,投入電力4Wで12mAの電子電流が得られる中和器の開発に成功した。4に関して、放電室内の電磁界とプラズマ生成過程の内部物理解明のために、3次元非定常数値解析コードを作成し、数値シミュレーションを行った。電子の挙動およびエネルギー授受を解明するために、電子の運動解析には粒子法を、マイクロ波の伝播は有限差分時間領域法を用いた。その結果、電子エネルギーの上昇はアンテナとECR領域の距離に強く依存すること、また、アンテナ挿入方向に対して、磁場の向きが平行な場合が垂直な場合に比べて電子エネルギーの上昇が大きいことが確認された。小型人工衛星用の小型マイクロ波放電型イオンエンジンの開発を目標として,前年度の成果をもとに研究を行った.前年度明らかになった性能のパラメータ依存性に関して,この相関関係を解明すべく,イオンエンジン内部のプラズマ状態を測定した.従来の静電プローブによる測定では内部に擾乱を与え測定が困難であるため,新たに可視化マイクロ波放電型イオンエンジンを設計・製作し,発光分光法により,プラズマ状態を測定した.これと並行して,マイクロ波を放出するアンテナを内部のプラズマ状態が測定できる測定子となるよう改良し,調査した.その結果,生成領域の形状依存性,及びプラズマ損失とエンジン形状の関係を解明した.これよりプラズマ生成・損失過程が明らかになり,設計指針を得ることができた.また,前年度に引き続き,放電室内の電磁界とプラズマ生成損失過程の解明のために,3次元非定常数値解析コードを作成し数値解析を行った.その結果,電子の振る舞いの磁場形状依存性が明らかになり,これは実験結果と矛盾しないものであった.中和器に関して,性能向上の指針を得るため,プラズマ諸量の計測を行った.その結果プラズマ密度は印可磁場が電子サイクロトロン共鳴磁場において最大となった.これらの知見をもとに,世界最小サイズの,イオンビーム直径16mmの小型マイクロ波放電型イオンエンジンを製作し,性能を測定した.このエンジンの性能は,推力1mN,電気から推進力へのエネルギー変換効率は40%と,NASAが開発中のイオンエンジンの性能と比肩し,このサイズのエンジンとして世界最高の性能を達成した.また,大型化した矩形エンジンを設計,製作し,性能を測定した.このエンジンの性能は推力1.3mNで変換効率は30%であった.
精原幹細胞の維持と分化におけるNanos2の機能解析

幹細胞の維持や分化は、幹細胞の細胞自律的な遺伝子プログラムに加え、幹細胞周囲の微小環境(ニッチ)が重要な役割を果たす。私は、これまでに、RNA結合タンパク質であるNanos2が精原幹細胞に発現し、幹細胞の維持に必須の役割を果たすことを発見した。また、精原幹細胞のニッチとしては、GDNF (glial cell line-derived neurotrophic factor)シグナル経路が精原幹細胞の維持に必要十分な機能を持つことが報告されている。そこで本研究では、細胞自律的な鍵因子であるNanos2とGDNFシグナル経路が、協調的、あるいは独立的に、精原幹細胞の維持に働くことを予想し、マウスの遺伝学的手法を用いて、これらの因子の遺伝学的相互作用を調べた。その結果、Nanos2は、GDNFシグナル経路非依存的に、精原幹細胞の分化抑制に働くことを見いだした。さらに、GDNFシグナル経路は、精原幹細胞の増殖を促進する機能を持ち、反対に、Nanos2は増殖に対して負に働くことも示唆された。以上のことから、Nanos2とGDNFシグナル経路は、ともに精原幹細胞の維持に働く必須な因子であるが、その作用機序は大きく異なっていることが明らかになった。細胞内外での独立した幹細胞制御の機構は、より強固な幹細胞維持を可能としていると考えられ、非常に興味深い。今後は、Nanos2とGDNFシグナル経路の下流の遺伝子を同定することで、精原幹細胞維持のための遺伝子カスケードのさらなる解明が期待される。哺乳類の精巣には精原幹細胞と呼ばれる少数の幹細胞が存在し、適切な数の自身を保つと共に、精子へと分化する細胞群を供給している。本研究では、精原幹細胞の維持と分化の分子メカニズムを明らかにするため、RNA結合タンパク質であるNanos2に着目し、解析を行っている。Nanos2は胎仔期において、雄性生殖細胞で特異的に発現し、生殖細胞の発生・分化に重要な機能を持つ。生後、Nanos2は、精巣内で最も未分化な細胞群である精原細胞に限局した発現パターンを示す。しかし、Nanos2欠損マウスでは胎仔期に生殖細胞が失われるため、生後の機能は不明であった。そこで私は、Nanos2発現細胞の系譜解析、および生後の時期特異的なNanos2の欠損・過剰発現マウスの解析を行い、Nanos2が精原幹細胞の維持や分化に果たす役割を明らかにしようと考えた。Nanos2発現細胞の系譜解析により、Nanos2発現細胞は、長期にわたって自己を維持するとともに精子形成を行う分化細胞を生み出す「幹細胞」として機能する細胞であることが証明された。生後の時期特異的なNanos2欠損マウスの精巣では、未分化な精原細胞の集団がすみやかに失われ、最終的に精子形成を行う生殖細胞全体が完全に欠損した。一方、Nanos2過剰発現マウスの精巣では、精原幹細胞様の細胞が異常に蓄積し、分化した生殖細胞は有意に減少した。以上の解析から、Nanos2が精原幹細胞の未分化状態を維持する必須な因子であることが明らかとなった。今後、Nanos2の標的因子とその制御機構の解明を進めることで、精原幹細胞を未分化状態に維持する、あるいは分化経路へと移行する分子メカニズムを理解するための大きな一歩となることが期待される。哺乳類の精巣には精原幹細胞と呼ばれる少数の幹細胞が存在し、永続的な精子形成を支えている。現在は、Nanos2の標的因子とその制御機構の解明を進めている。本研究は、精原幹細胞を未分化状態に維持する、あるいは分化経路へと移行する分子メカニズムを理解するための大きな一歩となることが期待される。

また、精原幹細胞のニッチとしては、GDNF (glial cell line-derived neurotrophic factor)シグナル経路が精原幹細胞の維持に必要十分な機能を持つことが報告されている。そこで本研究では、細胞自律的な鍵因子であるNanos2とGDNFシグナル経路が、協調的、あるいは独立的に、精原幹細胞の維持に働くことを予想し、マウスの遺伝学的手法を用いて、これらの因子の遺伝学的相互作用を調べた。その結果、Nanos2は、GDNFシグナル経路非依存的に、精原幹細胞の分化抑制に働くことを見いだした。さらに、GDNFシグナル経路は、精原幹細胞の増殖を促進する機能を持ち、反対に、Nanos2は増殖に対して負に働くことも示唆された。以上のことから、Nanos2とGDNFシグナル経路は、ともに精原幹細胞の維持に働く必須な因子であるが、その作用機序は大きく異なっていることが明らかになった。細胞内外での独立した幹細胞制御の機構は、より強固な幹細胞維持を可能としていると考えられ、非常に興味深い。今後は、Nanos2とGDNFシグナル経路の下流の遺伝子を同定することで、精原幹細胞維持のための遺伝子カスケードのさらなる解明が期待される。
組換え受容体を用いた逆作用薬inverse agonistの検索

受容体はagonistで刺激されなくても活性化状態を示すことがある。それは,受容体が過剰に発現した場合と,受容体それ自身がpoint mutationなどにより持続的に活性化された状態になった場合である。この活性化状態を抑制する薬物を逆作用薬inverse agonistとよび,従来の単純な競合的拮抗薬competitive antagonistと区別される。我々は本年度の研究において,inverse agonistを生理的に検索できる系の確立を試みた。実験には3種のヒトα_1アドレナリン受容体サブタイプ(α_<1a>,α_<1b>,α_<1d>)を持続的に発現したCHO細胞を用いた。受容体活性化の状態は,細胞の代謝活動を細胞外pHの微量変動として記録できるcytosensorを用いて測定した。まず,基礎実験としてα_<1a>サブタイプ発現細胞を用い,以下の成績を得た。1.noradrenalineなどによる受容体刺激はcytosensorを用いて濃度依存的に測定できる2.受容体を最大刺激した時の細胞代謝亢進(pH変動)は発現している受容体密度に比例する3.受容体が高密度に発現した細胞では,spare recptorが存在する4.本実験系を用いてagonistをfull agonistとpartial agonistに分類できる5.α_1サブタイプはPLCを介する情報伝達系を活性化する次にα_<1a>,α_<1b>またはα_<1d>サブタイプを過剰発現した細胞を用い,inverse agonistを検索した。その結果,α_<1b>サブタイプにおいてprazosin,WB4101など今までcompetitive antagonistとして考えられてきた薬物がinverse agonistとしても作用を示すことを認めた。
担持金属触媒の原子スケール観察に基づいた新しいサイズ効果解析

担持金属ナノ粒子触媒のサイズおよびナノサイズで現れる構造の効果を原子レベルで解明することを目的とし、収差補正(走査)透過型電子顕微鏡Cs-S/TEM等の手法を用いて原子スケールでの触媒解析を行い、触媒の構造と活性の関係を調査してきた。本年度は、(1)原子スケール解析を導入することで初めて解析できる構造効果、(2)原子スケール解析で明かになる構造の新たな解析手法の開発、(3)ナノ粒子で現れる原子配列の乱れの解析に取り組み、以下の成果を得た。(1)本年度は、CO酸化反応おけるPd/Al2O3の構造効果についての検討を進め、Pd/Al2O3の活性サイトを特定した。具体的に、CO酸化反応にはPdクラスター/ナノ粒子のコーナー/プレーンが高活性サイトであると示した。一方、これまでの研究でCH4酸化ではPd粒子のステップが高活性であることを見出している。つまり、反応物によって触媒活性サイトが異なることが明らかになった(論文投稿中)。また、CH4酸化については、球状Pdナノ粒子を液相合成法によって調製し、ステップサイトが高活性サイトであることを実証した(論文執筆中)。(2)従来の表面配位不飽和度とは異なる構造効果として多重双晶ナノ粒子の構造歪みの効果が報告されている。本年度の研究では、双晶構造を判別するために人工知能技術の画像認識手法を導入した。具体的に、ディープラーニングの代表的な手法であるConvolutional Neural Networkを導入し、実像データ内においては、ナノ粒子の双晶構造の判別に成功した。(3)粒子がナノサイズになると発現する原子配列の乱れ(結晶性の乱れ)の平均情報の数値化に着手し、達成可能である見通しができた。今後、解析を進め成果発表していく。本研究では原子スケール観察が可能な収差補正(走査)透過型電子顕微鏡Cs-S/TEMを用いることで担持金属ナノ粒子触媒の高活性なサイズを原子レベルで解明することを目的とし、当初の研究計画では、(1)Cs-S/TEM像解析によって得たサイズ分布の定量性の検証、(2)サイズ分布解析が適用できる材料の検討、(3)触媒反応におけるサイズ効果、活性サイトの解明を掲げた。本年度は、(2)について、これまでの申請者らはAl2O3担持Au触媒でAu単原子まで含めたサイズ分布解析が可能であることをを報告したが、本年度の研究でAl2O3担持Pd触媒においても担体上の単原子を観察でき、4d金属とアルミナの組み合わせでも単原子をも含めたサイズ分布解析が可能であることが示された。(3)について、炭化水素の酸化反応におけるAl2O3担持Pd触媒のサイズ効果を調べた結果、数ナノメートルで特異的に触媒活性が高くなることを見出した。さらに、そのサイズ効果はAl2O3の結晶相によっても変化することが判明した。数ナノメートルのPdナノ粒子がサイズ特異的に高活性で合った原因について、Cs-STEM観察による粒子形状と原子配列の観察、および、プローブ分子吸着赤外吸収分光法を用いて詳細に検討した結果、数ナノメートルにサイズ制御することで、小さすぎても大きすぎても生成しない粒子形態が現れ、その粒子表面上に生成する特殊なサイトが高活性を示した原因であると示唆された。当初の研究計画のうち、(1)Cs-S/TEM像解析によって得たサイズ分布の定量性の検証については詳細な検討はできていないが、(2)サイズ分布解析が適用できる材料の検討においては、一般的によく用いられるアルミナ担体に4d金属を担持した系でも単原子をも含めたサイズ分布解析が可能であることが見えてきた。(3)触媒反応におけるサイズ効果、活性サイトの解明については、Al2O3担持Pd触媒について当初予想していなかった非常に興味深いサイズ効果が明らかになった。以上から研究はおおむね順調に進展していると判断する。本研究では、担持金属ナノ粒子触媒のサイズ効果を原子レベルで解明することを目的とし、収差補正(走査)透過型電子顕微鏡Cs-S/TEMなどの原子スケール解析が可能な手法を用いることによって、金属ナノ粒子のサイズと触媒活性の関係を調査した。本年度は、(1)さまざまな条件で調製したAl2O3担持Pd触媒において、Pd単原子をも含むサイズ解析を行い、CO酸化反応に高活性なPd種を特定した。さらに、(2)Al2O3担持Pd触媒を用いたメタン燃焼反応において、金属ー担体間相互作用(MSI)による担持金属粒子の結晶性・形状の変化に注目し、γ,θ,α相の異なる3種のAl2O3を担体として用いることで、MSIによって変わるサイズ効果について原子レベルで解析した。結晶相の異なるAl2O3上に担持した1-2 nmのPd粒子は、いずれの相のAl2O3上でも乱れた原子配列を示したが、Pdナノ粒子が成長するとAl2O3の相によって異なる構造を示した。γ-Al2O3上では、粒子が大きくなっても歪んだ構造を保ち表面・内部の原子配列が大きく乱れていた。一方、θおよびα-Al2O3上では、5 nm程度の大きさではPd粒子は原子配列にある程度乱れはあるがfcc構造の規則性を示し、表面にステップが多くみられる球形状を示し、さらにサイズが大きくなると粒子は明確な面を示した。担体のAl2O3の結晶相、つまり、MSIの強さによって金属ナノ粒子の原子配列(結晶性)と形状が変わることが分かった。

3種の相のAl2O3上にさまざまなサイズのPd粒子を調製し、メタン燃焼反応を行った結果、粒子構造と同様にγ-Al2O3とθ,α-Al2O3の間で異なり、θ,α-Al2O3上の5 nm程度のPdナノ粒子が多く持つステップサイトがメタン燃焼に高い触媒性能を持つことが示唆された。当初計画していた(1)原子スケール観察で得たサイズ分布の定量性についてCO吸着量と比較可能なデータを収集することができている。(2)Al2O3担持Pd触媒を用いたCO酸化反応についてサイズ効果を解析し、高活性サイズを特定した。(3)担体を変化させたときのサイズ効果について、異なる結晶相のAl2O3を担体に用いたPd触媒を用いて取り組んだ結果、担体によってMSIが変化し、MSIと粒子サイズによって金属ナノ粒子の結晶性・形状が変化することが原子スケール解析によってはじめて明らかになった。さらに、メタン燃焼におけるPd触媒表面の高活性種も提案することができた。以上より研究はおおむね順調に進展していると判断する。担持金属ナノ粒子触媒のサイズおよびナノサイズで現れる構造の効果を原子レベルで解明することを目的とし、収差補正(走査)透過型電子顕微鏡Cs-S/TEM等の手法を用いて原子スケールでの触媒解析を行い、触媒の構造と活性の関係を調査してきた。本年度は、(1)原子スケール解析を導入することで初めて解析できる構造効果、(2)原子スケール解析で明かになる構造の新たな解析手法の開発、(3)ナノ粒子で現れる原子配列の乱れの解析に取り組み、以下の成果を得た。(1)本年度は、CO酸化反応おけるPd/Al2O3の構造効果についての検討を進め、Pd/Al2O3の活性サイトを特定した。具体的に、CO酸化反応にはPdクラスター/ナノ粒子のコーナー/プレーンが高活性サイトであると示した。一方、これまでの研究でCH4酸化ではPd粒子のステップが高活性であることを見出している。つまり、反応物によって触媒活性サイトが異なることが明らかになった(論文投稿中)。また、CH4酸化については、球状Pdナノ粒子を液相合成法によって調製し、ステップサイトが高活性サイトであることを実証した(論文執筆中)。(2)従来の表面配位不飽和度とは異なる構造効果として多重双晶ナノ粒子の構造歪みの効果が報告されている。本年度の研究では、双晶構造を判別するために人工知能技術の画像認識手法を導入した。具体的に、ディープラーニングの代表的な手法であるConvolutional Neural Networkを導入し、実像データ内においては、ナノ粒子の双晶構造の判別に成功した。(3)粒子がナノサイズになると発現する原子配列の乱れ(結晶性の乱れ)の平均情報の数値化に着手し、達成可能である見通しができた。今後、解析を進め成果発表していく。H29年度は、Al2O3担持Pd触媒あるいはPt触媒を用いることで(1)サイズ分布の定量性をCO吸着量と照らし合わせることで評価する。さらに(3)のサイズ効果解析ではAl2O3担持Pd触媒を用いたCO酸化反応に取り組む。また、H28年度に見出した炭化水素酸化反応の系に関して予想していなかった興味深いサイズ効果が見られてきたため、当初の計画より研究対象を拡大し、アルミナ担体の結晶相を変化させた時のサイズ効果に取り組む。H30年度は(1)サイズ分布の定量性の評価、(2)原子配列乱れの平均情報の取得、