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明清時代華南地域史研究

本研究によって明清時代華南地域の物的・人的移動状況を把握することができた。物的移動については特に米穀の流通構造の特質・変化が明清時代台湾から福建、広西から広東という構造であったが、日本による台湾統治以降、蕪湖・〓羅・安南から福建、〓羅・安南から広東、台湾から日本という構造に変化した。人的移動については明清時代は福建泉州・〓州、広東潮州・恵州の人々が台湾へ移住したが、日本による台湾領有以後はこれらの移民が無くなり、日本から台湾へ移民が行われた。明清時代華南地域の宗族構造は同族・同郷原理が台湾に持ち込まれ、台湾では〓〓械闘という福建系移民と広東系移民の対立が続いた。しかし、日本統治以後、台湾ではこのよな対立構造は表面的には解消し、植民統治が貫徹された。以上の分析を総合すると、明清時代福建・広東・台湾は華南経済圏を形成していたが、台湾の日本統治以後、福建・広東は華中・華南・東南アジア経済圏に含まれ、台湾は日本経済圏に含まれるようになったことが明らかとなった。本年度は(1)華南地域社会に関する研究論文目録を完成し、商品流通と移民の関係、移民の具体的実態についての研究が今後の課題であることが判明した。(2)華南地域史関係史料目録を作成し、『福建地方志(第2期)』(成文出版社)を購入した。現在史料整理を行っている。(3)大分大学経済研究所に赴き、『台湾事情』(台湾総督府編、大正15年昭和19年)より関係史料を入手した。(4)中華人民共和国福建省厦門大学台湾研究所に赴き、同研究所の研究者より明清時代福建より、台湾への移民問題、両岸の商品流通に関する研究情報をインタビューするとともに、関連論文・著書、並びに関連史料を入手した。その結果、(1)と同様の研究状況が判明するとともに、史料的には商品流通では地方志、海関史料、移民では族譜史料を用いなければならないことが明らかとなった。(5)「福建・台湾間の商品流通・移民問題」に関する論文を現在、作成中である。本年度は特に広東広州・潮洲における生産・流通・土地所有構造及び華南における米穀需給・流通構造に関する論文の作成をめざし、研究情報、研究資料を収集し、分析した。具体的には、4月6月には本学図書館を通じて『明代倭寇関係史料』、『台湾時報』、『中山大学学報』、『福建師範大学学報』等の文献より関係史料を入手し、7月には設備備品費を用いて『中国方志叢書広東省(第2期)』(成文出版社)161185を購入し、また同月には外国旅費を用いて台湾に出張し、台湾大学、台湾師範大学の研究者よりレビューを受けた。そして、10月には国内旅費を用いて大分大学経済学研究所に赴き、『台湾事情』等の文献より関係史料を入手した。10月から3月までは以上の研究情報、収集資料を分析した。その結果、明代15世紀中頃、後期倭寇の活動がさかんであった時期に、安徽の官僚=商人=倭寇勢力と並んで福建の官僚=商人=倭寇勢力が台頭し、この福建勢力が福建、広東、台湾、日本、東南アジアの商品流通を担った。明末清初より、広東広州・潮州地域の官僚=商人=倭寇勢力も台頭し、やがて鄭芝龍・成功父子によってこの福建と広東両勢力が傘下に収められた。鄭氏によって華南地域開発、商品流通が運営されたが、17世紀後半に清朝によって鄭氏が降伏したために、以後は、清末まで福建勢力と広東勢力が華南地域の開発、米穀生産、商品流通をめぐって対立していたことが明らかとなった。この分析結果をもとに広東広州・満州における生産・流通・土地所有構造及び華南における米穀需給・流通構造に関する論文を現在作成中である。本年度は特に台湾社会における福建系・広東系住民の移住・開発・生産・流通構造と両系の対立構造、華南宗族社会の特質とその変容、近代(特に18951945)における華南地域社会の変容ー半植民地下広東・福建と植民地下台湾との比較考察によるーの三研究論文の作成を中心に行った。平成10年4月7月には兵庫教育大学図書館を通じて関係史料の入手に努め、812月に旅費を用いて東京の国会図書館、東京大学総合図書館、東洋文庫を訪問し、関係史料の入手を行い、また福岡に出張し、研究者より本研究上のアドバイスを得た。

さらに、謝金を用いて東京の研究協力者に入手史料のパソコン入力等を依頼した。平成10年9月平成11年1月に収集史料を分析し、12月に、台湾社会における福建系・広東系住民の移住・開発・生産・流通構造と両系の対立構造、華南宗族社会の特質とその変容、近代(特に18951945)における華南地域社会の変容ー半植民地下広東・福建と植民地下台湾との比較考察によるーの三研究論文を完成した。平成11年23月、3箇年の研究成果を総合し、報告書『明清時代華南地域史研究』を完成した。
荒天下における実船の変動トルクと操船限界の推定に関する研究

外乱下の実船変動プロペラトルクの推定法を開発しました。自由航走模型船の運動を実船相似にする舵効き船速修正をプロペラ逆転状態に拡張しました。主機の連続運転の制限をモデル化するとともに、舵効き船速修正に主機モデルを組み込んで統合するアルゴリズムを構築しました。自由航走模型船に風の影響を付与できる風荷重模擬装置を開発してこれまで不可能だった波風併存時における自由航走模型実験を可能にしました。自由航走模型船を用いて波風併存時の実船の変動トルクを推定して実船と模型船の波浪中変動トルクの違いを明らかにするとともに、主機作動制限の操船運動への影響を明らかにしました。自由航走模型実験によって実船の波浪中変動プロペラトルクを推定するためには、まず模型船の波浪中の船体運動を実船と相似にする必要があります。これを実現するためには研究代表者らが開発した補助推力装置と舵効き船速修正を利用することとしました。舵効き船速修正は補助推力装置を用いて模型船の舵効きと船速応答を時々刻々実船相似にする手法です。制御するのは補助推力と模型船のプロペラ回転数です。この舵効き船速修正で模型船の波浪中の運動を実船と相似にした上で、まず、トルク一致法で模型船のプロペラ有効流入速度を推定します。次に推定した模型船のプロペラ有効流入速度と計測した模型船の船速からプロペラ有効流入速度の中の波の成分を抽出します。次に、計測した模型船の船速に別途推定した実船の伴流係数を考慮してプロペラ有効流入速度の中の船速成分を推定します。前述の波の成分には尺度影響はないと仮定すると波の成分と実船の船速成分から実船のプロペラ有効流入速度を推定することができます。これが新しい実船の波浪中変動プロペラトルクの推定法です。トルク限界およびプロペラ露出の影響に関する文献調査をおこないました。主機トルクの限界には、連続運転のための馬力制限や省エネを目的とした燃料投入量の制限、燃料の性状や気温・気圧などの気象条件を考慮しうるものや過給機の応答を含めたモデル化などが提案されていますが、本研究では基本的な連続運転のための馬力制限と過負荷の上限に基づく制限を上記舵効き船速修正に組み込む方法を検討しました。主機の特性が大きく変化する例としてプロペラ逆転の場合の模型船制御方法について主機モデルを簡単化して検討をおこない有益な知見を得ました。また、プロペラ没水深度の変化によるプロペラ単独特性の変化としてプロペラ露出の影響を考慮しうる手法の模型実験への適用の可能性について検討しました。初年度予定していた実船の波浪中変動プロペラトルクの推定手法の構築については、これまでに研究代表者らが開発・提案してきた補助推力装置と舵効き船速修正の活用によって理論の構築が完成したと考えています。過去の補助推力装置を使わない模型実験データを使った試行的な検証でもその可能性が確認できました。トルク限界とプロペラ露出に関するモデル化に関しては予定の文献調査をおこなった結果、主機関係の詳細なモデルを考慮する場合はかなり複雑なモデルになってしまう可能性があることがわかりました。本研究で目指しているのは主機の特性の研究そのものではありませんので必要な要素に絞って目的に沿ったモデル化を実現していくつもりです。ごく簡単な主機モデルの適用例としてプロペラ逆転の場合の検討をおこなうことができたことは今後の自由航走実験技術の向上にとって意義のあるものと考えられます。また、連続運転の制限などごく基本的なエンジン特性に関しては、上述の舵効き船速修正の手法に組み入れる方法を考案しました。以上のようにほぼ順調に当初の目標に向けて本研究を遂行しており、成果は随時論文等にまとめつつあります。本研究で構築した実船の変動プロペラトルク推定手法が想定どおりに機能するかどうかを検証するための補助推力装置を使った模型実験を実施しました。補助推力と模型プロペラ回転数を船速に応じて制御することにより、模型船の応答が変化することを実験的に確認し、本推定手法が基本的に自由航走模型実験で機能することを確認しました。前年度の文献調査に基づき、様々な馬力制限の中から実用性を考慮して連続運転におけるトルク限界とプロペラ露出を選定し、これらの影響取り入れた主機モデルの構築をおこないました。そのうえで、これらを水槽実験に適用可能なアルゴリズムを検討しました。全周造波機を備えた実海域再現水槽で荒天下の自由航走模型実験を実施しました。模型船には研究担当者らの開発・提案した補助推力装置と補助推力装置の機構を応用して新たに開発した風荷重模擬装置を搭載し、同じく研究担当者らが開発した舵効き船速修正の手法と風圧力推定法に従ってこれらを時々刻々制御することで、風と波が併存する荒天状態での実船の性能を直接評価するための実験をおこないました。波は理論計算との比較検討を考慮して基本的な規則波と一方向不規則波とする一方、風は一様風を想定しました。風荷重模擬装置は実際に船の周りに一様風を吹かせるのではなく、一様風を想定して模型船の速度と船首方位等の運動を時々刻々フィードバックすることで想定した風荷重を模型船に与える装置です。また、この実験では本研究で製作した小型模型船用の自航動力計によってプロペラトルクと推力の計測をおこないました。実験データは機関出力の制限を考慮することで荒天下の船の応答が変化することを示すものでした。

本研究で構築した実船の変動プロペラトルク推定手法が基本的に自由航走模型実験で機能することは、主機作動制限の有無の違いに基づく補助推力とプロペラ回転数の制御の違いが模型船の応答の違いになって現れることを確認したことによるものです。詳細な検討はより進んだデータ解析を必要としますが、基本的な原理が想定どおりに実験に反映されていることは理論計算との比較検討により確認しており、この点で進捗は順調と考えられます。連続運転におけるトルク限界は通常はプロペラ回転数と馬力の関係として与えられますが、本推定法ではこの関係をプロペラ回転数と船速の関係として読み替えることで自由航走模型実験への適用を可能としました。これまでは理論計算上の検証でしたが、今回初めて自由航走模型実験に適用した結果、理論計算と同様の傾向が模型実験結果でも確認されたことから、本推定法の妥当性が検証されたと考えられます。一方、プロペラ露出のモデル化に関しては、低周波数成分のみを模型船の制御に反映させ、高周波数成分は実船尺度で計算上再現する手法としてモデルを構築しました。製作を予定していた船載型データ計測システムは自由航走模型制御用計算機内で実質的に実現するようにしました。荒天下を想定した自由航走模型実験のために補助推力装置の機構を応用した風荷重模擬装置が開発できたことは波と風の両方の影響を同時に考慮することができる実験を実現する手法として重要です。その効果も理論計算との比較検討でおおむね妥当なものであることを確認しました。この実験手法は従来にない新しいもので、実船の実海域での性能を直接評価できるようにしようとするものです。前年度分を含めた研究成果は雑誌・学会等で発表を進めています。昨年度までの実験データを詳細に解析した結果、特に多方向不規則波中の実験データが理論計算との整合性が良くないことがわかりました。その原因を調べたところ、特に多方向不規則波の主方向を変えた場合の波浪場の出来具合のばらつきによって計測データにもばらつきが出ることがわかったので、今年度は波の主方向をなるべく変化させずに模型船の針路を変える手法で再度注意深く多方向不規則波と風中で自由航走模型実験を実施しました。その結果、前回より信頼性の高い計測データを得ることができました。新たな実験データとこれまでの実験データから、本研究で開発した推定法によって実船の変動トルクを推定した結果、トルクの平均値だけでなく変動成分にも尺度影響があること、変動成分と平均値の比は模型船では向波中より斜波中が小さくなる一方、実船では逆に向波中より斜波中の方が大きくなるという定性的傾向の違いも見られることがわかりました。主機の作動制限については、補助推力装置と風荷重模擬装置を使いながら模型船の甲板上にまで大きな波を受けるような状況では計測ができなかったため、プロペラ露出を伴うほどの条件では計測をおこなうことはできませんでしたが、主機モデルにおいて連続運転の制限の程度を想定主機出力の100%や80%、70%と変化させていくと波風のため船速がより大きく低下するとともに斜航角と舵角が大きくなり、操船限界に対応する状況に近くなるという理論計算で示された現象が実験でも確認され、本研究で開発した連続運転の制限を考慮した主機モデルが自由航走模型実験で有効に機能することを確認しました。
圧縮を受ける円形鋼管短柱の降伏棚上での安定性に関する研究<理論と実験事実の乖離>

圧縮をうける円形鋼管の塑性域における座屈耐力式には接線係数Etがかかっており、固有値的には降伏棚上でEt=0となって座屈してしまう。しかし円形鋼管は径厚比が小さくなると降伏棚で座屈せずに歪硬化域に達するような振る舞いを示すのは実験事実の示すところであり、理論との間に乖離が存在する。他方平板は座屈時に捩れを伴うが板の捩り剛性はどの理論によっても降伏棚上で零にならない。このことによって幅厚比の小さい板は降伏棚上で座屈を伴わず歪硬化域に達し得る。これは円形鋼管と比べて大きく異なる。そこで本研究は降伏棚のある熱間成形鋼管や降伏棚の無いアルミニウム合金鋼管短柱の圧縮実験を行い、理論との整合性を調べ、降伏棚の果たす役割を調べた。以下の事が明らかになった。1.箱形断面と比較すると、円形断面試験体の方がおおむね耐力が高いが肉厚になると両者の耐力は近づく。これは理論上予測される最初の座屈固有値の大小の推測と矛盾する。2.鋼、アルミニウム共、塑性化後の耐力の上昇は変形理論による値にほぼ一致している。3.象の足モードで座屈するとき、直径の変化に起因して周方向に発生する曲率は、既往の研究では無視されているが、これを考慮して弾性座屈解を求めてみたらその差異は1%に満たなかった。4.板は馬の鞍形のモードで座屈するときに耐力が低いが、4.のモードはこれにあたり、塑牲流れの進行過程にある円管では弾性域とは異なった効果があるかもしれない。降伏比が低く、降伏棚の長さが標準的な材質としてSTPT410-S-H(配管用鋼管)で外径60.5×肉厚8.7×長さ5.5mのものを入手し、外径を60に統一して内径を切削により変化させた試験体を製作した。試験体の径厚比は10-120の18種類総数31体である。材料の機械的性質は引っ張り試験によると、所謂軟鋼の範疇に属する材料である。試験体は製作後引張り試験片と合わせて残留応力除去焼鈍を行った。焼鈍条件は600°C15分保持後炉冷である。これらの試験体の圧縮実験を平押しで行った。既往の理論によると円形鋼管は圧縮を受け降伏棚に至ると素材の応力-歪関係の接線係数が零になるために、固有値的にはどんなに径厚比が小さくてもこの棚上で座屈してしまうことになる。その理由は平板と異なり象の足モードで座屈する時板としての曲げ剛性が降伏棚上で平板と同様に存在したとしても曲率に座屈抵抗を失う組み合わせが存在する事が推測できる。実験によると径厚比50を境にそれより小さいものは降伏棚上での座屈を経ずして歪硬化域に達した後座屈する事が明らかになった。この事は既往の理論では説明しきれない事実であるので、今後異なった素材で実験を行い更に円形鋼管の特性を追求する予定である。1.降伏棚の長さが長い材質としてSTKM-S45Cで外径60.5mm×肉厚8mm×長さ6mの継ぎ目無し鋼管を入手し試験体を製作した。試験体は外径を59mmに統一して内径を切削により変化させて製作し、径厚比が9120の19種類30体である。2.材料の機械的性質は降伏応力度σy=398N/mm2、降伏比YR=56%、降伏棚の長さβεyをあらわすβ=3.98(εy:降伏歪)である。試験体は機械削りにより製作後引張り試験片と合わせて残留応力除去焼鈍を行った。

これらの試験体の圧縮実験を平押しで行った。座屈モードはすべて象の足モードが観察された。3.座屈に及ぼす降伏棚の長さの影響を調べるには前年度に行ったSTRT410-S-H(配管用鋼管)の実験結果が比較になる。この材料はσy=304N/mm2、YR=63%、β=12.6であった。降伏棚が長いほど座屈耐力が低い結果となった。4.既往の理論は塑性域の座屈式に接線係数Etか掛かっているが、固有値的には歪硬化域に至る前に降伏棚上でEt=0となってしまうので、降伏棚を克服できない。実験によれば耐力が降伏値を超えるものが、降伏棚上で一度座屈を経験しているという証拠は観察されていない。この点については新しい理論を提案できる可能性がある。5.降伏棚の長さが座屈耐力に影響するなら、塑性学的に合理性に問題があると言われている変形理論の座屈式に含まれている割線係数が役割を果たすと考えるのも自然で、事実変形理論は実験結果と良く符合する。圧縮をうける円形鋼管の塑性域における象の足モードの座屈耐力は既往の理論には接線係数Etの項がかかっており、歪硬化域に達する前に降伏棚を経験するので、どんなに径厚比が小さくても固有値的には降伏棚上でEt=0となってここで座屈してしまう。すなわち降伏棚を越えることはできない。それにもかかわらず円形鋼管は径厚比が小さくなると降伏棚で座屈せずに歪硬化域に達するような振る舞いを示すのは実験事実の示すところであり、理論との間に乖離が存在すると言わざるを得ない。他方平板は座屈時に捩れを伴う。板の捩り剛牲はどの理論によっても降伏棚上で零にならない。このことによって幅厚比の小さい板は降伏棚上で座屈を伴わず歪硬化域に達し得る。これは円形鋼管と比べて大きく異なる。そこで本研究では降伏棚のある熱間成形鋼管や降伏棚の無いアルミニウム合金鋼管短柱の圧縮実験を行い、理論との整合性を調べ、降伏棚の果たす役割を調べた。又過去に行った箱形断面短柱の圧縮実験結果と比べ、断面形状の有効性を調べた。その結果実験では径厚比の小さい鋼管が降伏棚上で座屈を経ずして歪硬化域に達すること。又実験結果は耐力について変形理論および歪増分理論による座屈式と比較したが、歪硬化域に達する試験体は歪硬化開始点以降の材料特性を適用すれば変形理論が実験結果によく合うという結果を得た。しかしこれはあくまで便法でありEt=0で解析しても降伏棚を克服できるかどうかについて、現在理論的解明を進めているところである。見通しとしては平板の降伏棚上での曲げ剛牲の値が零にならないのと同じく、曲げ剛性でいうと円形鋼管の場合も零にならないので、もし耐力を失うとすれば軸方向と周方向の局率の組み合わせが、座屈モードとして鞍形の変形を生じさせるしか無いと考えている。
歩行時の膝関節前後動揺量に関する研究

膝前十字靱帯は、膝関節にかかる前方剪断力を防御する重要な構造物である。この靱帯は断裂による他動的な前方動揺量の増加はこれまで多くの報告があるが、運動時の前方動揺量に関するものは少ない。そこで本研究では、歩行時の脛骨に対する大腿骨の前方移動量を測定し、求められた前方移動量を膝関節屈曲角度を2次関数で当てはめを行い、その残差を前方動揺量の指標とし、この指標の再現性を検討した。成人男性15名、女性15名を対象とした。被験者に10メートル自由歩行させその際の大転子、大腿骨外側顆、腓骨小頭、外果の位置をWATSMART3次元解析器(Northern Digital Inc.,Canada)で計測した。得られた3次元情報より、脛骨に対する大腿骨外側顆の変位を求めた。また、日を隔てた測定間の再現性を検討するため、被験者のうち4名をランダムに抽出し測定を繰り返した。また、大腿骨と下腿骨に貼付したマーカー位置の内積から膝関節角度を算出した。この膝関節角度を2次の独立変数、大腿骨外側顆の変位を従属変装とした回帰分析を行い残差を求めた。同一測定日内3回の計測の級内相関は右膝で0.85、左膝で0.79であった。また、測定日を隔てた2回の計測の相関は、0.62から0.97であった。平均の最大前方移動量は5.5mm±1.2mmであった。これらの値は男女間、右左間のいずれも有意な差を認めなかった(p>0.5)。同一測定日内の相関はやや低かったものの、隔日の相関は良好であった。結果は、この指標の膝前十字靱帯損傷患者への応用の可能性を示唆するものと考えた。
PH勾配とゲル固定化結晶鋳型を用いたcmオーダー3次元コロイド単結晶の構築

本研究では、荷電コロイド分散液中に塩基を徐放させる新規千法により、i)1辺が1cm以上の直(立)方体で、かつii)底面に平行な結晶面を持つ3次元コロイド単結晶をiii)迅速(1日以内)に構築する方法論を確立することを目的とし、平成1415年度に研究を実施した。塩基の拡散手法および拡散挙動の数値解析を中心に鋭意検討を行った結果、1cm角のサイズを持つシリカコロイド結晶を数日以内に再現性よく構築する手法を確立することができた。また、成長方向の長さが数cm、幅数mmの結晶であれば、1日以内に構築できた。結晶構造および結晶面配向については詳細を検討中であるが、予備的に、底面に平行なbcc格子の存在を示す結果を得ている。当初の研究計画では、塩基を含浸させた高分子ゲルを用いることとしたが、ゲル膜を介して塩基のリザーバーに接触させる手法がより有用であり、また解析も容易であることから、主としてこの手法を用いた。塩基としては弱塩基ピリジンが有効であり、ピリジンとシリカ粒子の中和反応を伴う拡散方程式(反応拡散方程式)を用い、数値的に結晶成長曲線を評価できた。実験との一致は極めて良好であり、成長機構もその主たる部分は理解することができたと考えている。また、当初の予想に反して、強塩基(NaOHなど)を用いた場合には拡散による結晶成長は極めて遅いことが明らかになった。これは強塩基とシリカの中和反応が著しく起こりやすく、自由に拡散するNaOH濃度が極めて低いことに起因する。なお検討を予定していた鋳型の効果については、鋳型の存在無しでもcmサイズ結晶が生成したことから、詳細検討は見合わせた。本cm結晶はフォトニック素子などへの応用展開が期待されるが、将来、材料としての結晶の質がより問題となる場合には鋳型法の検討が有用であると考えている。なお、研究成果はアメリカ化学会誌に速報として掲載予定である。本研究では、荷電コロイド分散液中で高分子ゲルから塩基を徐放させる新規手法により、i)1辺が1cm以上の直(立)方体で、かつii)底面に平行な結晶面を持つ3次元コロイド単結晶をiii)迅速(1日以内)に構築する方法論を確立することを目的とし、平成14および15年度に研究を実施する。本年度の研究実績は概略次の通りである。1)試料のキャラクタリゼーション:直径110nmの市販のシリカ粒子/水分散液を十分脱塩精製したのち、電気伝導度およびpH滴定により、塩基(NaOH、ピリジン)およびその弱酸塩を添加した時の表面電荷とpHの関係を決定した。2)結晶化相図の決定:粒子濃度(3.2vol%)、添加塩濃度一定の条件下で、pHの関数(すなわち粒子表面電荷の関数)として相図を決定した。3)バルク状態での結晶の成長速度測定:相図をもとに実験条件を設定し、実体顕微鏡観察により、種々のpH条件で結晶の成長速度を測定した。4)塩基徐放時のpH勾配の評価:NaOHをはじめとする種々の塩基をゲルに含浸させたのちシリカコロイド試料中に置き、生じたpH勾配をpH指示薬の発色変化を通して分光光度法により測定(吸光度の高さ依存性を測定)した。また、1)で得たシリカ表面電荷のpH依存性をもとに計算機シミュレーションを行い、反応を伴う拡散の問題として、pHの時間変化を見積もった。

得られた結果は実験とほぼ一致し、放出挙動の最適化に今後計算機シミュレーション法も援用したい。5)cmサイズ結晶の構築:以上の詳細な検討をもとに、現在の所、5mm角の単結晶を数日で再現性よく構築できることが可能となった。また、1cm角の巨大結晶も生成することが見出されたが、生成条件の詳細が現段階では明らかでない。検討を予定している鋳型の効果はまだ予備検討の段階であり、次年度に以上の成果と併せて検討することにより、最終目的とするcmサイズの3次元フォトニック結晶を再現性よく構築したい。本研究では、pH変化により結晶化するシリカコロイド分散液中に対し、共存したゲルまたは外部環境から塩基を徐放させる新規手法により、i)1辺が1cm以上の直(立)方体で、かつii)底面に平行な結晶面を持つ3次元コロイド単結晶をiii)迅速(1日以内)に構築する方法論を確立することを目的とし、平成14および15年度に研究を実施した。14年度において既に、1)実験に用いる結晶化相図の決定、2)バルク状態での結晶の成長速度測定、3)塩基徐放時のpH勾配の評価など、本研究の目的であるcmサイズの大型結晶の一方向成長に関わる基礎的な知見・実験手法を確立した。またこれに基づき、塩基(弱塩基ピリジン)をゲル膜を介してリザーバーからシリカ分散液(粒子直径100nm,粒子濃度3.2vol%)に拡散させる手法により、5mm角の単結晶の構築に成功した。1cm角の巨大結晶も生成することが見出されたが、生成条件の詳細が明らかではなかった。15年度においては、反応拡散方程式に基づく計算機シミュレーション法を援用し、実験条件と比較しながら最適条件を詳細に検討した結果、本研究において最終目標としていた1cm角以上のコロイド単結晶を再現性よく得ることに成功した。また検討の過程において、1)一方向成長は弱塩基を用いた場合には生じるが、NaOHなどの強塩基はシリカ粒子と強く反応して拡散せず、結晶成長しないこと、2)NaHCO3などの、弱酸と強塩基の塩によっても一方向成長が生じること、などの知見が得られた。これらの知見および対応する計算機シミュレーション結果は、成長機構を解明する上で非常に有力な手がかりとなり、"自由に拡散し、かつシリカに電荷を与えうる化学種の拡散が結晶成長の駆動力となる"という、非常に一般的な結論に達した。なお、鋳型の効果についても検討したが、明瞭な効果は認められなかった。鋳型の存在なしでも大型結晶が得られたが、詳細な結晶構造決定などは実施しておらず、将来的に結晶配向の精密制御などが必要となった際に改めて鋳型効果を検討したい。
光電気化学エッチングによる半導体表面微細加工と機能界面の構築

n型半導体化した酸化チタン電極を硫酸水溶液に浸し、アノード分極下で光照射すると光生成された正孔による水の酸化によって酸素発生が起こるが、それと競争的に酸化チタン自身の溶解反応が結晶構造のc-軸に沿って選択的に進行し、断面が一辺数十ナノメートルの正方形で、側壁が(100)面からなる特徴的な形態を持つエッチングパターン(ナノハニカム構造)が形成されることをみいだし、その詳しい構造解析を行った。平成11年度には、そのエッチピット径を電極のキャリア密度を変えることにより制御できること、また、エッチング時の電極電位を制御することにより粒界部に特徴的なエッチングサイト選択性が現れることを報告した。平成12年度においては、形成されたナノハニカム酸化チタン表面構造について、透過電子顕微鏡、原子間力顕微鏡などを用いて、さらに詳しい微細構造観察を行った。その結果、この表面が高結晶性かつ大比表面積を持つというユニークな構造をもつということを明らかにした。また、そのような表面への金属微粒子修飾を行い、その構造および電極特性への効果について検討した。さらに、エッチング量を増大させると、ナノハニカム構造を形成している側壁の溶解が進行し、太さ数十ナノメートル、長さ数マイクロメートルの棒状試片(ナノロッド)からなる興味深い構造が得られることを見出し、その微細構造についても検討を行った。その結果、この棒状試片の長軸は、ルチル型酸化チタンのc-軸と一致し、ナノハニカム構造と同様、高い結晶性を持つことがわかった。酸化チタンを硫酸水溶液中で光電気化学エッチング(フォトエッチング)すると、エッチング反応がルチル型構造のc-軸方向に選択的に進行し、結晶粒表面に断面が正方形で(100)面の薄い壁からなるナノポーラス構造が形成されることを見いだした。この処理により、高配向性かつ大比表面積の酸化チタン表面を形成することができる。酸化チタン電極をフォトエッチング処理したときに形成されるこのナノポーラス構造の形態制御を目的とし、電極作製条件およびフォトエッチング条件を変化させたときの表面形態について検討した。還元条件を変化させて作製した酸化チタン電極に対してフォトエッチング処理した後の表面SEM像から高温で還元処理した電極ほど形成されるポーラス構造が細かくなることがわかった。電極のインピーダンス測定から、還元温度に依存してキャリア密度が大きく変化しており、このポーラス構造の孔径は、キャリア密度によって制御できると考えられる。1000°Cで還元した酸化チタン(001)面単結晶表面を光電気化学エッチングすることにより、数十ナノメートルサイズのナノハニカム構造を形成することができた。また、エッチング電位を変化させることにより、酸化チタン電極のフラットバンドに近い、弱いアノード分極下で光電気化学エッチングを行ったところ、焼結体電極の粒界部のみを溶け残すことができた。その高分解能透過電子顕微鏡観察により、粒界部の構造像解析を行った。溶け残った酸化チタン焼結体の粒界部は、2つの異なる配向性を持つ酸化チタンの結晶性の層2枚からなるサンドイッチ構造を持つことがわかった。n型半導体化した酸化チタン電極を硫酸水溶液に浸し、アノード分極下で光照射すると光生成された正孔による水の酸化によって酸素発生が起こるが、それと競争的に酸化チタン自身の溶解反応が結晶構造のc-軸に沿って選択的に進行し、断面が一辺数十ナノメートルの正方形で、側壁が(100)面からなる特徴的な形態を持つエッチングパターン(ナノハニカム構造)が形成されることをすでに報告している。本年度においては、形成されたナノハニカム酸化チタン表面構造について、透過電子顕微鏡、原子間力顕微鏡などを用いて、さらに詳しい微細構造観察を行った。

また、そのような表面への金属微粒子修飾を行い、その構造および電極特性への効果について検討した。さらに、エッチング量を増大させると、ナノハニカム構造を形成している側壁の溶解が進行し、太さ数十ナノメートル、長さ数マイクロメートルの棒状試片(ナノロッド)からなる興味深い構造が得られることを見出し、その微細構造についても検討を行った。その結果、この棒状試片の長軸は、ルチル型酸化チタンのc-軸と一致し、ナノハニカム構造と同様、高い結晶性を持つことがわかった。
3次元領域における境界要素法の高速直接解法の開発と最適設計問題への応用

境界要素法の高速直接解法を開発すること、これを用いた効率的なトポロジー最適化法を開発することを目的として研究を行った。Interpolative decomposition (ID)に基づく方法、H行列演算とadaptive cross approximation (ACA)に基づく方法、高速多重極法(FMM)と代数方程式のマルチフロンタルソルバに基づく方法の三種について検討を行った。また、開発したソルバを用いた波動デバイスのトポロジー最適設計法の開発を行った。提案法により、吸音材の最適設計問題などの工学的に重要な問題を効率良く解くことができることを確認した。はじめに、三次元Laplace方程式の境界値問題に対し、部分行列を用いた低ランク近似手法であるInterpolative decomposition (ID)を用いた高速直接解法の実装を行った。しかしながら、二次元問題と比較して部分行列のランクが大きくなることに起因し、十分な計算効率を達成することが難しいことが判明した。そこで、三次元Helmholtz方程式の境界値問題に対し、高速多重極法とIDを併用した高速直接解法の実装を行った。前年度に開発した高速多重極法のみに依る高速直接解法は記憶容量の観点から実用的でなかったが、IDを併用して高速多重極法の各種オペレータを圧縮することにより、必要記憶容量を削減することに成功した。また、並行して二次元問題に対する本手法の実装も行い、本手法の基本性能に関する知見を蓄積した。二次元問題、三次元問題ともに、数十万自由度程度までの規模の問題は実用に耐えうる計算時間・容量で解析可能であることが結論された。次に、種々の散乱体の湧き出しに関するトポロジー感度の導出を行い、トポロジー最適設計ソフトウェアに実装した。これまでに取り扱ってきたNeumann境界を有する散乱体に加え、インピーダンス境界を有する散乱体の最適設計が可能となった。感度解析に基づくトポロジー最適化では、順問題・随伴問題と呼ばれる二種類の境界値問題を解く必要がある。本研究では、これらの境界値問題を境界要素法で離散化して得られる代数方程式の係数行列が多くの場合共通であることに着目し、高速直接解法の利用を検討した。順解析の際に対応する係数行列を(高速に)LU分解しておけば、随伴解析においては前進・後退代入を行うのみで良い。昨年度開発した高速多重極法とInterpolative Decomposition (ID)を併用した高速直接解法に基づく境界要素法を、レベルセット法に基づくトポロジー最適化法と組み合わせた。例えば、開発した手法をあらかじめ定めた観測点群における音場強度を最小化する吸音材の配置を求める最適化問題に適用したところ、吸音材表面の境界要素数が10000程度の問題に対して、従来法と比較して計算時間は1/4程度となった。このことから本研究で開発した手法の有効性が分かる。この結果を含む論文は投稿準備中である。また、境界要素法の高速直接解法の応用例のひとつとして、非線形固有値およびそのトポロジー導関数の数値計算法を開発した。IDを用いた高速直接境界要素法のパフォーマンスが期待通りのものではなかったが、高速多重極法とIDを併用した手法を用いて一定の成果を得たと判断する。また、種々の散乱体の最適設計のためのトポロジー最適化の拡張に関しても当初の予定通り成果を得ることができた。以上から、上記の評価としたが、高速直接解法のトポロジー最適化ソフトウェアへの実装は本年度中に着手できなかったため、それ以上の評価とはしなかった。計算科学27年度は高速直接解法をトポロジー最適化ソフトウェアへ実装し、種々の波動デバイスのトポロジー最適化を実行する予定である。また、並行して高速直接解法のパフォーマンスを向上させる基礎研究も継続する予定である。平成26年度において未使用学が60787円あるが、導入した計算サーバが安価になったことに依る。次年度行う予定である最適設計においては大規模問題を取り扱うことになると思われる。そこで、当該研究費は導入した計算サーバに追加で搭載するメモリの購入に使用する予定である。
有機合成に役立つ新しいカチオン活性種の選択的発生と捕捉に関する基礎的研究

1-アルキンのヒドロジルコニウム化で得られるアルケニルジルコノセン錯体は、従来、求核性に乏しく、カルボニル化合物との反応は極めて遅いとされてきた。しかし、この反応を触媒量の過塩素酸銀の存在下で行うと、著しく付加速度が速くなり、高収率で対応する付加体を与えることが分った。わずか1モル%程度の銀塩で十分な加速が起こる。発生するカチオン型錯体がカルボニル基の効果的に活性化するためと考えられる。なお、この加速効果は、対応するアルキル錯体にも見られた。この反応をプロパルギルシランに適用すると、付加に続き1、4脱離が起こり、共役ジエンを与える。1、4脱離の段階でも過塩素酸塩の存在が必要である。さらに、市販のアルコキシアセチレン類にこの反応を適用すると、アルデヒドの2炭素、4炭素ホモロゲーションが容易に行えることも分った。さらに、NbCl_5がルイス酸として極めて特異な反応性を示すことが分った。すなわち、NbCl_5の在存下ではアリルシランとアルデヒドとが2:1の化学量論で反応し、シクロプロパン体を与えた。この異常反応は、(1)1当量目の付加に続いて、ニオブの高い酸素親和性によりニオブオキシドの脱離とホモアリル型の隣接基関与が起こる、(2)カチオニックな化学種の異性化が起こった後、最も寄与の大きい2級のシクロプロピルカルビニル種で2当量目のアリルシランの捕捉が起きる、という経路によることが分った。この反応はシクロプロパンのα位の強力なカチオン安定化効果を如実に示したものと言える。さらにこの知見を合成的に生かすことを検討した結果、ビニルシクロプロパンがカルボニル-エン反応において極めて高い反応性を有することを明らかにし、さらに新しいシクロブタン、シクロブテンの合成法を確立することに成功した。
増殖型遺伝子組換えヘルペスウイルスを用いた脳腫瘍治療開発の基礎研究

腫瘍選択的に複製する遺伝子組み換え単純ヘルペスウイルスI型(HSV-1)を用い、特に膠芽腫に対する臨床応用が間近い第三世代のG47Δを基本骨格として、外来遺伝子を組み込んだ「武装」HSV-1を開発した。IL-12+IL-18やIL-23を発現するHSV-1は免疫を介して抗腫瘍効果が格段に増強した。ルシフェラーゼ発現型は、生体外から分布や体内動態を解析するのに有用であった。G47Δはまたグリオーマ幹様細胞に対して高い殺細胞作用を呈した。ウイルスゲノムを遺伝子工学的に改変し,腫瘍細胞で選択的に複製するウイルスを作製して,ウイルス複製に伴う直接的な殺細胞効果を腫瘍治療に応用する。本研究は,増殖型遺伝子組換え単純ヘルペスウイルスI型(HSV-1),特に第三世代HSV-1を基本骨格として治療遺伝子を発現する「武装」遺伝子組換えHSV-1を用いて,抗腫瘍効果が高く且つ安全で臨床応用可能な新しい悪性脳腫瘍の治療法開発を目的とする。三重欠失変異を有する増殖型HSV-1(T-01)に,任意の治療遺伝子を組み込むことのできるHSV-1ベクター作製系(BACシステム)を利用した。マウスIL-12遺伝子を挿入したT-mffL12を作製したところ,マウス腫瘍モデルでTリンパ球を介した抗腫瘍免疫が増強され,T-01に比べて高い抗腫瘍効果を示した。そこで更に,IL-12とIL-18遺伝子を同時に発現する二重武装HSV-1ベクター(T-mfiL12.IL18)を作製した。また,マウスIL-23を,IRESを用いて2つのサブユニットを発現させたT-mlL23iresと,single chainとして発現させたT-mIL23scを作製した。分子イメージングの手段として,基質依存的に発光するCBRルシフェラーゼ遺伝子をT-01-に挿入したT-lucを作製した。現在これら新ベクターのin vivo評価を進めている。幹細胞を腫瘍治療用HSV-1のdeliverysystemとして利用し,腫瘍治療用HSV-1の治療効果を増強する方法を検討するため,HSV-1に感受性の高いA/Jマウスの胎児脳から神経幹細胞の分離培養を試み成功した。HSV-1感染に対する感受性や,マウス脳腫瘍モデルにおいて腫瘍に対するhoming能を評価する。本研究は、ウイルスゲノムを遺伝子工学的に改変して腫瘍細胞で選択的に複製する単純ヘルペスウイルスI型(HSV-1)を脳腫瘍治療に応用する。特に、治療域が広く、まもなく進行性膠芽腫に対する臨床研究が開始される第三世代HSV-1のG47△や、それを基本骨格として外来遺伝子を組み込んだ「武装」HSV-1を用いた治療法開発を目的とする。膠芽腫患者の手術検体からグリオーマ幹様細胞を培養して評価に用いたところ、in vitroのsphere forming assayでは、G47△がグリオーマ幹様細胞に対して効率よく殺細胞作用を呈した。ヌードマウスの脳内にグリオーマ幹様細胞を移植すると、元の病理形態を反映した脳腫瘍を形成することが示され、G47△の一回投与で有意に生存期間を延長させた。更に、がん治療用HSV-1の体内動態を生体外から観察するためのツールとして、CMVプロモータ制御下にルシフェラーゼを発現するウイルスT-luc(CMV)を作製した。In vitroでは、G47△とほぼ構造を持つ対照ウイルスT-01と同等のウイルス複製能を示した。T-luc(CMV)を生体に投与後IVISを用いて観察すると感染部位を検出できる。腫瘍内に直接投与するとNeuro2a(マウス神経芽腫)皮下腫瘍では7日間、U87MG(ヒトグリオーマ)皮下腫瘍では14日以上のウイルス感染の持続が認められた。またU87MG皮下腫瘍を有するヌードマウスの尾静脈内投与では、肝臓への高い集積を認めるものの数日内に消失し、一方皮下腫瘍に届いたウイルスの感染が遷延することが観察された。神経幹細胞脳腫瘍細胞へのhoming機能を利用したdelivery systemの開発を進め、T-luc(CMV)を用いて有効性と体内動態の評価を行う。
RNAの新しい機能に関する研究

今年度は、いくつかのグル-プの研究成果が、論文という形で一流誌に掲載された年度にあたっている。岡田は、サケ科の系統の中で、いくつかのレトロポゾンが、進化のある特定の段階でのみ特異的に増幅していることを示した。例えば、SmaIファミリ-は,シロサケとカラフトアスのみに、FoKIファミリ-は,イワナ属の魚類に,HpaIファミリ-は、サケ科魚類全部にといった具合である。今後このレトロポゾンの系を用いて、100%正しい系統関係を樹立できる可能性がひらけたこと、更にレトロポゾンの増幅の分子機構について明らかに出来る系が確立したことで、今後の進展が期待される。坂本は、ショウジョウバエの性決定の過程で起るアルタナティブスプライシングの分子機構を明らかにした。すなわち、Sxl遺伝子の産物が、tra遺伝子からの一次転転産物の3'スプライス部位に結合することにより、アルタナティブスプライシングを起し、メス型のtraの産物を産生するというものである。本研究は,アルタティブスプライシングの分子機構を解明した最初の例であり、性決定のカスケ-ドの中で、その上流の遺伝子産物が、アルタナティブスプライシングを制御するRNA結合性のトランスアクティング因子であることを証明したという点でも大変興味深いものである。菊池は、コピアRNAの逆転写の際に,メチオニンtRNAの5'側の半分子がプライア-として用いられることを明らかにして来たが、今回そのtRNAの切断が,tRNAのプロセシングを解媒するRN_<ase>Pによって行なわれる可能性を示した。これは、tRNAの断片が生物活性をもつことの最初の例であり、他のtRNA様構造の起原についても示唆を与えるものである。
医療・介護ビッグデータの有益な利活用を可能とするデータ解析法の開発研究

本研究では本邦における地域別・年代別がん医療の実態把握を行う。NDBのレセプト情報から年齢、治療実施施設、治療内容等のデータを抽出し、層別解析を行うことによって年代間や施設間での治療実態の差の有無を明らかにする。一方レセプト情報には患者の病態についてのデータ(進行度・検査データ・転帰等)は含まれていないため、レセプト情報のみでの解析がどれくらい医療の質を評価できるかについて明らかにした報告はいまだなく、このため我々はさらに同様の治療実態調査を自施設のレセプト情報・DPCデータ・電子カルテ情報を用いて行い、全国のレセプト情報を用いた場合との評価法としてのメリット・デメリットを比較する。
新制女子大学及び家政学部の創立とCIE-米国側文献及び生存する当事者の証言を中心とした実証研究-

1.戦後の教育改革の中で、CIE内部にも高等教育についていわゆるヨーロッパ型教育を提唱する者と、より幅広い大衆に対する高等教育を考えるアメリカ型の考え方を推進する二つの考え方が存在した。2.1の問題については、当時の文部省内における考え方とも連携しており、旧制の専門学校についての短大構想とも結びついていた。3.Holmesと教育課で一緒に教育改革の仕事をしていたWiggleswirthの帰国後、米国で短期大学連盟の理事をしていたEellsがその後任として着任し、今までの、教育課の政策からはずれた様々な見解を展開し、Holmesの4年制新制大学推進案と鋭く対立し、高等教育プロジェクトが停滞させられた。4.戦前日本の教育事情を実際に体験していたHolmesは、大学が自ら大学設置基準を策定し、日本の高等教育を推進していく為の大学基準協会を創立させた。5.Holmesは、加えて日本の女子高等教育の必要性から、二つの国立女子大学の創設、私立の女子大学の設立、家政学部の創設に重要な役割を果たした。6.民主主義を推進するためには、草の根からの日本社会の変革が必要と考えたHolmesは、大学婦人協会、全国女子学生連盟などの組織化に尽力した。7.女子に対する差別教育を撤廃するために、小学校から男女共修の家庭科を履修させるカリキュラムを、Holmes,Donovan,山本松代等が中心になって作り上げた。第二次世界大戦終結直後、1945年から52年の間、連合軍総指令部(SCAP)民間情報教育局(CIE)の課長補佐として勤務したジョセフ・C・トレイナ-(Joseph C.Trainor)が、米国スタンフォ-ド大学フ-バ-研究所公文書館(Hoover lnstitution Archives,Stanford Univ.)に託したトレイナ-文書(Trainor Paper),ホ-ムズに関しては、カリフォルニア州立大学バ-クレイ校が所蔵するホ-ムズ文書、CIE元当事者、ワシントン州立大学、新聞社、親戚、知人等から得た手紙やインタビュ-によって収集した情報にもとづいて、研究を進めている。まず言えることは、当時直接及び間接に、第二次世界大戦後の教育改革に携わった日本人の記憶と記録に基づいた記述を、歴史的公文書でもって裏付けを与えることが出来ることによって、占領下の力関係のもとでの具体的教育改革、とりわけ女子の高等教育改革の経緯に歴史的分析を加える作業が出来る可能性が十分に生まれてきつつあることである。具体的な改革の中でのGHQ教育課アドバイザ-等職員、一人一人の行動覚書、考え方、文部省や教育刷新委員会との会合の内容や、その相互の関係を明らかにすることによって、その時期の教育改革の進行を明解にすることが出来ると思われるので、特にホ-ムズの教育課への到着から、米国への帰国(1946年夏から1948年春)までの時期に焦点をあてて資料を収集、整理、翻訳、分析をくわえている。そのうち重要な事柄の一つとして「大学基準協会」設立に関連したことと、もう一つは、ホ-ムズと一緒に教育課で仕事をしていたウイグルスワ-スの帰国後、米国で短期大学連盟の理事をしていたイ-ルズがその後任として着任し、今までの教育課の政策からはずれた様々な見解を展開し、ホ-ムズの新制4年制大学推進案と鋭く対立し、プロジェクトが停滞したことがあげられる。教育改革の方法、範囲、内容を具体的に明らかにしていく上で、GHQ教育課、文部省、教育刷新委員会などの関係を、より明確にする必要がある。1946年3月に米国第一次教育使節団が来日し、報告を行なっているが、その主内容の一つに高等教育は少数者の特権ではなく、多くのものに機会が与えられねばならないこと、総合大学の数を増加させる基本的な計画が立てられる必要性が述べられている。戦前には日本の大学設置の認可は、文部省の権限の下におかれており女子大学に認可が与えられなかったが、新制大学の設置にあたってCIE教育課、高等教育担当のルル・ホームズ(Lulu Holmes)は、全国的な組織としての大学基準協会を設立し、大学設置基準に適合すれば女子大学であっても、文部省が認可を与えなければならない仕組みを創り出した。

1947年4月CIE教育課へ着任したウォルター・イールズ(Walter Eells)は、ホームズやそれまでの教育課の方針とは異なった旧制専門学校を短期大学にしようとする短期大学構想を持ち出し、教育課内での政策の企画、遂行に混乱を持ち込み、お茶の水女子大学等国立大学を含めて、創設準備ができた大学を順次スタートさせて行こうとするCIEの政策に対して、文部省の1949年国立一括スタート案に加担したりした。1.戦後の教育改革の中で、CIE内部にも高等教育についていわゆるヨーロッパ型教育を提唱する者と、より幅広い大衆に対する高等教育を考えるアメリカ型の考え方を推進する二つの考え方が存在した。2.1の問題については、当時の文部省内における考え方とも連携しており、旧制の専門学校についての短大構想とも結びついていた。3.Holmesと教育課で一緒に教育改革の仕事をしていたWiggleswirthの帰国後、米国で短期大学連盟の理事をしていたEellsがその後任として着任し、今までの教育課の政策からはずれた様々な見解を展開し、Holmesの4年制新制大学推進案と鋭く対立し、高等教育プロジェクトが停滞させられた。4.戦前日本の教育事情を実際に体験していたHolmesは、大学が自ら大学設置基準を策定し、日本の高等教育を推進していく為の大学基準協会を創立させた。5.Holmesは、加えて日本の女子高等教育の必要性から、二つの国立女子大学の創設、私立の女子大学の設立、家政学部の創設に重要な役割を果たした。6.民主主義を推進するためには、草の根からの日本社会の変革が必要と考えたHolmesは、大学婦人協会、全国女子学生連盟などの組織化に尽力した。7.女子に対する差別教育を撤廃するために、小学校から男女共修の家庭科を履修させるカリキュラムを、Holmes,Donovan,山本松代等が中心になって作り上げた。
分子種間変動を扱う階層モデルとその正則化による蛋白質立体構造の比較解析

蛋白質立体構造の比較解析法を開発した。対象とするデータは複数の蛋白質の三次元座標で、蛋白質それぞれに複数のコンホメーションが得られている場合である。そのような蛋白質-コンホメーションという階層性に着目し、蛋白質別変動と蛋白質内変動を考慮する混合効果モデルを用いた。推定方法はEMアルゴリズムをベースとしているが、それぞれの蛋白質に固有のズレを推定するために事後分布最大化を用い、さらには、ズレの個所を限定し、分子の特徴を抽出するためにL1正則化を組み入れた。この推定法の各反復において、独自の共分散行列を対象とした特異値分解により、分子の重ね合わせのための回転行列を推定した。数値テストの結果、本比較解析法は蛋白質の特徴的な構造を抽出するために効果的であると考えられた。構造バイオインフォマティクスの代表的テーマに、蛋白質の重ね合わせによる立体構造比較がある。二つの立体構造を比較する場合には、一方に回転と並進操作を施し、もう一方に重ねあわせ、対応する原子間のズレをもって類似度を測ることがおこなわれる。最近では、十個程度以上の立体構造を重ねあわせることも行われる。本研究は、複数の分子種の各々に比較的多数の立体構造が得られている場合に、それらを同時に重ねあわせ、分子種ごとの構造上の特徴を浮かび上がらせるような解析法を開発することを目的としている。具体的には、複数の蛋白質の立体構造の比較において、混合効果モデルに正則化による変数選択法を組み入れた解析法を開発することを目標とし、対象とするデータは、分子動力学シミュレーションのトラジェクトリデータなどを想定している。今年度は、分子種間変動(分子種に固有のズレ)とランダムな分子種内変動のそれぞれを扱うための方法論の検討を行ったが、公開に足りる成果は得られていない。ただし、複数の分子種の立体構造比較のための混合効果モデルの枠組みを検討し、重ね合わせに必要な回転行列の表式を導出した。また、その特異値分解によるプロタイププログラムを製作した。本研究で開発する手法の有効性の検証は、最終年度に行う予定であるが、種々の要因、特に、分子種間変動の大きさが有効性に影響を与えることが予想される。変動を分子種間と分子種内に分けて扱う方法論は、これまでに存在しないことから、検証用データの用意にも配慮が必要である。今年度は、酸化GTP分解酵素のプロトネーションが異なる分子種のトラジェクトリデータを分子動力学シミュレーションにより発生させ、クラスタ分析等により変動の大きさの推定作業を行った。蛋白質の立体構造の比較は、二つの蛋白質の一方に並進と回転を施してもう一方に重ね合せ、ズレの具合いを調べるのが基本である。分子動力学シュミュレーションやNMR構造では多数の構造が得られるため、多数の構造の同時重ね合せの必要が生じてきた。この場合でも、通常は、等分散を仮定した最小二乗法が用いられているが、最近では、より精密に、異分散性を何らかの手段で考慮に入れることも提案されている。本研究では、これをさらに進めて、複数の蛋白質の各々複数の構造の同時重ね合せを実現するまったく新規な手法の開発を目標としている。今年度は、当面実現可能な方法の理論面での設計がほぼ完了した。その特徴は、各々の蛋白質の特徴的ズレを表す確率変数(分子別変動)と末端部やループ部で大きなゆらぎを説明するための誤差変動から成る混合効果モデルを用いることだが、今年度の成果は、(1)分子別変動の共分散をクロネッカー積で表し、変数選択を原子単位で行えるようにしたこと、(2)誤差変動には変数選択を行わず、標本共分散の縮小で対処し、分子別変動の効果的な推定を図ったこと、(3)早期の実現を目指すため、分子別変動共分散を、当面、対角としたが、このため、変数選択の数値手法に、単純な二次計画法が利用できるようになったことなどである。これらは、いずれも、本質を損なわない範囲で定式化を単純化したものと思われる。プログラムの実現には至っていないが、一部、検証用データ作成のためのプログラムのプロトタイプを作成した。分子別変動の共分散については、対角でない場合にも、コレスキー分解を利用する手法も用意したが、来年度については、まず、対角行列について、実現を図る。

この場合でも、通常は、等分散を仮定した最小二乗法が用いられているが、最近では、より精密に、異分散性を何らかの手段で考慮に入れることも提案されている。本研究では、これをさらに進めて、複数の蛋白質の各々複数の構造の同時重ね合せを実現するまったく新規な手法の開発を目標とした。本手法の特徴は、各々の蛋白質の特徴的ズレを表す確率変数(分子別変動)と末端部やループ部で大きなゆらぎを説明するための誤差変動(分子内変動)から成る混合効果モデルに対して、分子別変動のL1正則化により特徴的ズレのある部分を限局化・抽出することである。今年度は、理論面でのさらなる検討ならびにプログラムの作成を行った。すなわち、まず、分子内変動の分散行列を対角行列に近似した。それにより、分子別変動のL1正則化問題が、それぞれの変数についての独立した問題となり、単純な2次方程式の最小化問題として取り扱うことができた。また、分子内変動については、基本的には標本分散行列の縮小による方法を採用したが、さらに、その行列を分散行列とスケール因子に分解し、スケール因子について最尤推定量を用いることで、柔軟なL1正則化が可能になった。十分な検証までには至っていないが、数値実験で摂動を与えた部分を抽出でき、摂動の量や分散の推定値も妥当であった。本手法は、蛋白質分子に特徴的な構造(分子間変動のズレ)を、全体の構造情報を利用してBayes的に推定するものでもあり、構造の抽出ならびに情報の補完を特徴とするユニークな解析法と思われる。本年度当初計画の(1)分子種によらない変動のモデル化を検討する、(2)蛋白質分子種によるズレ(変量効果)に対する変数選択法を検討するについては、理論面では達成しているため計画通りであるが、プログラム作成には至っていない。もうひとつの(3)有効性検証のための「正解」の制作と検証用データの発生については、プロトタイプを作成したものの、まだ十分ではない。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、解析プログラムの実現とその実証実験(数値シミュレーション)を行う。当面、分子別変動の共分散に対角行列を仮定するため、偏相関係数の推定手続きが不要になり、また、変数選択のアルゴリズムが単純化されるため、平成24年度内に目標を達成することが可能と思われる。