hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ＣＬＶシグナル系に注目した、光ストレスによる植物生長制御機構の解明

茎頂分裂組織の活性調節機構の解明のため、clv2エンハンサー突然変異体の探索と原因遺伝子の同定を行ってきた。その結果、46の候補のうち、14突然変異体において、三量体G-proteinタンパク質のβサブユニット, agb1の遺伝子内に変異を検出した。また、γサブユニットの二重突然変異体, agg1 agg2もclv2の表現型を助長する事を示した。一方、agb1, agg1 agg2だけでなく、αサブユニットの突然変異体gpa1も、CLEペプチド耐性を示した。さらに、生化学的実験により、AGB1がCLV2と相互作用することを明らかにした。これらのことから、Gタンパク質がCLV2を介してCLVシグナルを伝達していることを示唆した。さらに、CLV受容体であるRPK2遺伝子の突然変異体の表現型を助長するエンハンサー突然変異体を36単離した。一方、CLE19の過剰発現効果を抑圧するsol3突然変異体と、CLEペプチドに耐性を示すcli2突然変異体の解析を行った。これらの原因遺伝子は、AtPUB4をコードすることが明らかになった。さらに、rpk2エンハンサー突然変異体のスクリーニングから得られた突然変異体候補のゲノムシーケンスが終了し、多くの候補遺伝子が同定できた。24年度が最終年度であるため、記入しない。我々は、これまでに、シロイヌナズナを用いて、42のclv2エンハンサー突然変異体を単離してきた。本年度、これら全ての候補突然変異体のゲノムシーケンスを解読した。その結果、46の候補のうち、14突然変異体において、三量体G-proteinタンパク質のβサブユニット,agb1の遺伝子内に変異を検出した。また、γサブユニットの二重突然変異体,agg1 agg2もclv2の表現型を助長する事を示した。一方、agb1,agg1 agg2だけでなく、αサブユニットの突然変異体gpa1も、CLEペプチド耐性を示した。42のclv2エンハンサー突然変異体のうち、3つの候補について、LRR-RLKをコードするBAM1遺伝子内に変異が生じていることを明らかにした。bam1は単独の突然変異体でもペプチド耐性を示したが、bam2,bam3突然変異体は、野生型同様ペプチド感受性であった。clv2 bam1は、強いペプチド耐性を示すが、rpk2 bam1二重突然変異体も同様に強いペプチド耐性を示した。これらのことから、BAM1は、根端分裂組織において、CLV2やRPK2と独立の経路によりCLEシグナル伝達系の受容体として機能することが示唆された。地上部で機能すると考えられているCLV1は、根端分裂組織では機能していないと考えられているので、CLV1に最も高い相同性を示すBAM1が、根端部において、CLV1の代わりにCLEペプチド受容体として機能し、根端分裂組織の活性制御を担っていると考えられる茎頂分裂組織の活性調節機構の解明のため、clv2エンハンサー突然変異体の探索と原因遺伝子の同定を行ってきた。今年度、clv2エンハンサー突然変異体について、次世代シーケンサーを用いた原因遺伝子の単離を行った。その結果、BAM1遺伝子エキソン内にアミノ酸置換を伴う変異を見いだした。さらに、遺伝学的解析も行い、分子機構について明らかにした。1年での遺伝子単離は極めて順調であると思われる。24年度もペプチド耐性突然変異体の原因遺伝子の単離・機能解析を行う。また、光シグナルとの関連について、より詳細な遺伝学的解析を行って、作用点などの解析をする。また、光シグナル受容後の分子機構の解析も行う。
日本型原価理論の構築

ドイツの生産・原価理論の文献、アメリカを中心としたABCに関する文献、わが国の原価企画に関する文献を中心に、原価計算システムの文献のなかから原価現象の理論的分析を含むものを広範に収拾し、その重要部分を電子テキスト化し、データベースを作成した。そのデータベースと「わが国の現代の経営環境に適応した原価理論の条件を探るための実態調査」の成果とを合わせて利用することにより、日本の現代の経営環境に見られる現象でいまだ生産・原価理論的分析のおこなわれていない問題の発見につとめた。そして、従来の原価理論上の前提があてはまらない部分を発見することにつとめた。そして、原価理論をわが国の現代の経営環境に対する適応性という観点から見直す作業を行った。上記の作業の結果は、まだ必ずしも、完全な形で整理できていないが、そのプロセスのなかで、以下のような知見を得た。従来の生産・原価理論において重要な役割を果たしている間接材料の費消関数は、今日の経営環境のなかではそれほどの重要性を有していない。従来の生産・原価理論が、主として製造業を念頭において構築されており、モノ以外のアウトプットの認識に弱点がある。従来の生産・原価理論は、収益の真の発生原因を明らかにしないが、今後の原価企画の拡張の必要性を考えると収益面での分析がないことは、原価計算の基礎理論として不十分である。これらの知見をさらに深く検討し、あらたに理論モデルを構築し、それらを統合して日本型原価理論を構築することが今後の課題である。
結び目理論とその諸科学への応用の研究

この研究は、結び目理論、および、3次元トポロジーの研究を行い、その成果を、染色体のトポロジー、DNA組換え、高分子ポリマー等の研究へと応用するものである。今年度は、分岐曲面とネットワークの関係の研究の論文(Topology Appl 257 (2019) 11-21)と、格子結び目の局在結び目に関する研究の論文(Soft Matter 14 (2018) 5775-5785)を発表した。また、Encounter with Mathematicsを開催、および、研究集会「東北結び目セミナー」を開催、埼玉大学におけるセミナーを開催し、研究討議を広く行った。研究計画に従い、研究が順調に進んでいる。また研究成果の論文も2編公表できた。当初計画していた東京工業大学での国際シンポジウムを行うことが出来た。また、カナダでのBIRSでの国際ワークショップでも、各種の研究討論を行うことが出来た。今後もこれまで通り、染色体のトポロジー、格子結び目とポリマーのトポロジー、DNA組換え酵素、3次元ハンドル体分解とネットワークの分類等を中心に研究を行う。特に、染色体のトポロジーについて、染色体に結び目の構造を特定する理論の構築を目指す。その手法は、トポロジカルドメインの探索にも有用であると考えられる。この研究では、結び目理論、および、3次元トポロジーの研究を行い、その成果を、染色体のトポロジー、DNA組換えの研究、高分子ポリマー等の研究へと応用するものである。本年度の研究では、研究分担者の石原海氏他とともに、ファイバー絡み目間のバンド手術の特徴付けの論文を発表した(J. London Math. Soc.(2016) )。これは、Xer等のDNA組換えの特徴付けの応用がある。また、研究分担者の小沢誠氏とともにデーン手術とFoxの埋め込み定理に関する論文を発表した(Ann. Sc. Norm. Super. Pisa Cl. Sci. (5) (2017))。Javier Arsuaga氏とともに、染色体のトポロジーに関して、結び目のheat mapと結び目のトポロジーに関する研究を行い、成果を得ている。また、Mariel Vazqeuz氏とともに、DNA組換えを格子結び目を用いてモデル化し、シミュレーションによる成果を得ている。これらは平成29年度に公表予定である。さらに、絡み合う3次元ネットワークに関する基礎的成果を得ることが出来た。小沢誠氏は、その研究に応用が期待されるmultibranched surfaceに関する成果を、論文として発表した。当初予定していた5つの研究分野のうち、1.染色体のトポロジー、2.格子結び目とポリマーのトポロジー、3.DNAの組換え、4.3次元ハンドル体分解とネットワークの分類については、今年度研究が順調に推移している。特に、染色体のトポロジーについては、基礎的な結果を得ることが出来、近々論文として発表する予定である。また、DNAの組換えについても現在論文を投稿中である。5.欠陥線が作る結び目の研究については、U.Tkalec氏に加え、S.Zumer氏とも連絡をとり、29年度以降に、これまでに得られた数学的結果の物理学的応用を行うことになった。全般的に、今年度は予定通りの成果を得ている。今年度は、結び目理論のDNA組換えへの応用研究の論文をScientific Reportsに発表し、格子結び目に関する論文をJ. Phys. A: Math. Theor.に発表し、順調に成果を得ている。また、染色体のトポロジーに関する結果もまとまり、公表が間近である。8月には国際ワークショップを開催することが出来、研究討論を行うことが出来た。以上を鑑み、研究はおおむね順調に進展していると判断した。今後も、1.染色体のトポロジー、2.格子結び目とポリマーのトポロジー、3.DNAの組換え、4.3次元ハンドル体分解とネットワークの分類、5.欠陥線が作る結び目の研究を中心に研究を行う。2019年1月末には、東京工業大学において、国際ワークショップ"Polymers meet Topology"を、出口哲生氏(お茶の水女子大学)、手塚育志氏(東京工業大学)とともに開催し、多くのトポロジーや高分子の研究者を招待し、活発な研究討論と成果発表を行う予定である。
レーザーキャプチャー・ダイセクションとPCRによる側頭骨組織からの難聴遺伝子解析

レーザーキャプチャー・マイクロダイセクションとTaqMan PCRを用いて、遺伝性感音難聴をきたす疾患であるMELASの側頭骨組織から難聴遺伝子解析を行っている。MELASはミトコンドリアDNA3243変異に起因する母系遺伝の疾患で神経症状、筋症状とともに感音難聴をきたす。その側頭骨組織の病理学的所見としては、血管条の萎縮とラセン神経節細胞の減少が特徴的であった。しかしそれらから抽出したミトコンドリアDNA3243の変異率は必ずしも組織学的所見と一致するものではなく、個々の細胞レベルでの検討も必要であると考えられた。今回我々は、これまでにMELAS内耳の蝸牛有毛細胞、血管条、ラセン神経節細胞などの各組織からLaser Capture Micro Dissection(LCM)により窒素レーザーで細胞を取り出し、そこからDNAを抽出した。さらにそれをミトコンドリアDNA3243をターゲットとしてTaqMan PCRを用いて増幅し、そこから各組織の変異率を同定することを試みた。その結果、内耳各組織におけるミトコンドリアDNA3243の変異率は、有毛細胞1.25%,血管条0.68%,ラセン神経節43.97%,球形嚢38.68%,卵形嚢9.60%,顔面神経2.79%,聴神経27.2%であった。これらの結果は血管条以外の組織では比較的病理学的所見と一致するものであったが、血管条においては相応しないものであった。また値の一定性についてもまだ安定はみられず、これまでの報告との相違も含めて、今後も検討を重ねていく予定である。本年度はさらにミトコンドリア遺伝子7511の異常により非症候性感音難聴をきたした側頭骨標本についても同様の解析を行っており、現在検討中である。今回我々は、これまでにMELAS内耳の蝸牛有毛細胞、血管条、ラセン神経節細胞などの各組織からLaser Capture Micro Dissection(LCM)により窒素レーザーで細胞を取り出し、そこからDNAを抽出したさらにそれをミトコンドリアDNA3243をターゲットとしてTaqMan PCRを用いて増幅し、そこから各組織の変異率を同定することを試みた。今回我々は、これまでにMELAS内耳の蝸牛有毛細胞、血管条、ラセン神経節細胞などの各組織からLaser Capture Micro Dissection (LCM)により窒素レーザーで細胞を取り出し、そこからDNAを抽出した。また今後は、ミトコンドリア遺伝子7511の異常により非症候性感音難聴をきたした側頭骨標本についても同様の解析を行う予定である。

MELASはミトコンドリアDNA3243変異に起因する母系遺伝の疾患で神経症状、筋症状とともに感音難聴をきたす。その側頭骨組織の病理学的所見としては、血管条の萎縮とラセン神経節細胞の減少が特徴的であった。しかしそれらから抽出したミトコンドリアDNA3243の変異率は必ずしも組織学的所見と一致するものではなく、個々の細胞レベルでの検討も必要であると考えられた。今回我々は、これまでにMELAS内耳の蝸牛有毛細胞、血管条、ラセン神経節細胞などの各組織からLaser Capture Micro Dissection(LCM)により窒素レーザーで細胞を取り出し、そこからDNAを抽出した。さらにそれをミトコンドリアDNA3243をターゲットとしてTaqMan PCRを用いて増幅し、そこから各組織の変異率を同定することを試みた。その結果、内耳各組織におけるミトコンドリアDNA3243の変異率は、有毛細胞1.25%,血管条0.68%,ラセン神経節43.97%,球形嚢38.68%,卵形嚢9.60%,顔面神経2.79%,聴神経27.2%であった。これらの結果は血管条以外の組織では比較的病理学的所見と一致するものであったが、血管条においては相応しないものであった。また値の一定性についてもまだ安定はみられず、これまでの報告との相違も含めて、今後も検討を重ねていく予定である。本年度はさらにミトコンドリア遺伝子7511の異常により非症候性感音難聴をきたした側頭骨標本についても同様の解析を行っており、現在検討中である。
甲状腺疾患の病因解明に向けた濾胞内Tgによる濾胞機能調節シグナル伝達経路の同定

甲状腺機能異常を示す症例の中には、バセドウ病や橋本病などの自己免疫機序や先天性の遺伝子異常、あるいはヨード摂取の多寡や薬剤の影響などが特定できない原因不明例も少なからず存在する。そのような中に、申請者等が発見した濾胞内に蓄積するサイログロブリンによる強力な濾胞機能の自己調節の異常が関与している可能性が考えられる。本研究では、サイログロブリンの作用機序を解明し、上記仮説を検証することを目的として検討を進める。
新しい光受容体LitRの機能

光合成を行わない細菌にも光に応答して遺伝子発現をするシステムが存在することを発見し、そこに中心的に関わる蛋白質LitRの機能と役割に関する研究を複数のモデル細菌を用いて分子遺伝学的研究を推進した。その結果、高度好熱菌Thermusならびに環境中で広く重要な役割を果たすグラム陰性菌PseudomonasにおいてもLitRによる光依存的な転写制御が認められ、またそれが多様な遺伝子群をコントロールしていることが判明した。1.好熱性細菌Thermus thermophilusHB27のLitR蛋白の機能と構造解析コバラミン生合成遺伝子群破壊株を薬剤マーカーの挿入により作製した。本破壊株は明・暗の両条件下でカロテノイド生産を示し、LitRによる転写制御が解除されていることが予想された。これらの結果を支持するように、大腸菌を宿主として調製した組み換えLitRはコバラミンに特徴的吸収波長を示したが、コバラミン結合ドメインを欠失したLitR蛋白はこの吸収波長を示さなかった。試験管内転写実験を用いてLitRの機能を調べた結果、LitR蛋白はRNAポリメラーゼによる転写開始を阻害するリプレッサーとして機能することが判明した。これらの結果から、LitR蛋白はコバラミンをリガンドとして必要とし、本蛋白のリプレッサー活性はコバラミンを介して吸収した青色光によって制御されることが示唆された。2.Pseudomonas putida KT2440のLitR青色光によって誘導される遺伝子群の特定を目的とタイリングアレイ(アフィメトリックス社)解析を行った結果、未知生合成遺伝子クラスター、葉酸生合成遺伝子、走化性の受容体として機能するMCP遺伝子、フェニル酢酸分解遺伝子クラスターを含む約50の遺伝子群が青色光によって誘導されることが判明した。これら遺伝子群の青色光による誘導はこれまでに報告がなく、本応答は新規な環境応答現象であると考えられた。3.光に依存した表現形質の探索土壌を単離源とした探索の結果、多数の菌株が光に応答して黄色色素を生産することを見い出した。16SrRNA配列解析からこれまでに光応答性の報告が殆どないBacillus属及びPseudomonas属細菌がその大半を占めていた。この中でBacillus megateriumが生産する黄色色素は極めて高極性であり、新規性の高いカロテノイドであると推測された。これらに加えてDGGE法を用いた分子生態学的解析により土壌中には多くの青色光依存的な生育を示す細菌の存在が示唆された。1. Pseudomonas putida KT2440のLitRタイリングアレイ解析よって同定した青色光によって誘導される遺伝子群について、RT-PCRを主に用いた解析によりその光依存性を確認した。その結果、脂肪酸合成に関連すると推測される機能未知遺伝子クラスター、葉酸生合成遺伝子、フェニル酢酸分解遺伝子クラスターが光によって誘導されることを明確にした。一方、litR1破壊株を取得し、それについても同様の解析を行った結果、いずれの遺伝子についても依然として光誘導性が観察された。このことから、2つのパラログ(litR2、litR3)がlitR1の機能を相補していることが示唆された。2. Streptomyces coelicolorのコバラミン生合成遺伝子LitRのリガンドとして光応答に重要な役割を果たすことが予想されるコバラミン(ビタミンB12)について、その生合成遺伝子を放線菌S. coelicolor A3(2)において破壊した。その結果、光応答性が失われただけでなく、形態分化と抗生物質生産にも負の影響が認められた。このことから、コバラミンは本菌においてグローバルな調節に要求される因子であることが明確になった。3.光に依存した表現形質の探索前年度に引き続き土壌等を単離源として光に応答を示す菌株を探索した結果、多数の細菌株が得られた。16SrRNA配列解析から、これまでに取得されていたBacillus属及びPseudomonas属に加えて、Arthrobacter属細菌が多く得られ、本属にも光応答性の遺伝制御機構が存在することが予想された。
生体関連金属錯体を触媒とした有機電界反応

金属酵素は天然の優れた触媒であり、モデル化合物を用いた酵素機能のシミュレーションは新規触媒の開発の一つの有効な手段と言える。また、視点を変えることにより酵素類似の反応以外にも適用できるユニークな触媒開発につながる可能性を秘めている。本研究ではビタミンB12の鍵中間体であるコバルト-炭素結合を形成できる金属錯体に注目し、ビタミンB12酵素反応のシミュレーションを基礎とした新規触媒系の開発を目指した。反応の手法としては、反応系がクリーンで、電位による反応制御が容易な電気化学的手法を主に用いた。ビタミンB12誘導体を用いた電気化学的手法による分子変換反応では、酵素類似の高効率官能基転位反応、電解電位による転位基の制御、また非酵素反応として環拡大反応および不斉反応への応用に成功した。さらに新規触媒系の構築を目指した新規コバルトニ核錯体の合成と酸化還元挙動、コバルトポルフィセン錯体による付加-酸化触媒反応の開発について研究を行った。ビタミンB12誘導体については、すでに金属錯体の合成と物性に関する実績があったので、これらを触媒とした種々の有機電解反応に関して新たな知見が得られ、有用な触媒反応を見出した。一方、新規ニ核錯体とポルフィセン錯体については、配位子と金属錯体の合成と物理化学的性質の検討に焦点を当てたため、有機電解反応の触媒としての応用までには至らなかった。しかし、これらの錯体は、極めて興味深い反応性を有しているので、新有機合成触媒への展開が期待できる。テトラピロール系環状配位子を有する生体関連金属錯体は、生体内で極めて重要な触媒作用に関与している。例えばコリン環を有するビタミンB_<12>類は、生体内でコバルト-炭素結合を生成することができる唯一の補酵素であり、多様な触媒機能を発現することが知られている。本研究では、側鎖を化学修飾したビタミンB_<12>誘導体および生体関連モデル金属錯体としてポルフィセン金属錯体を合成し、酵素機能のシミュレーションおよび新規触媒系の構築を行った。反応の手法としては、反応系がクリーンで、電位による反応制御が容易な電気化学的手法を用いた。アポタンパク機能を付加させる目的で、側鎖にアミノ酸残基を含むベンジルフェニルアラニンを導入したビタミンB_<12>誘導体を合成した。この錯体は、カルボン酸エステルの1,2-転位を極めて効率良く進行させる触媒となることが明らかになった。また、1,2-転位反応を環状化合物に応用し、アシル基の転位を伴う環拡大反応についても検討した。単純な疎水性ビタミンB_<12>を触媒として58員環化合物について電解反応を行い、-1.5V-2.0V vs.SCEの条件で環拡大反応が効率良く進行することを見い出した。ポルフィセンはポルフィリンと比較して空洞サイズが小さく、また対称性も低下し、異なる配位子場を提供しており、未知の物性を持つ新規機能性錯体としての可能性を秘めている。ポルフィセン金属錯体の触媒機能を模索するに先立ち、その物理化学的性質を検討することは極めて重要である。コバルト二価錯体を合成しその磁気的性質を検討した結果、コバルトポルフィセン錯体は結晶構造解析より明らかなように平面四辺形構造であるにもかかわらず、高スピン状態をとり、さらに軸配位子存在下では、四角錐構造となり低スピン状態へと変化することがNMR、ESRおよび磁化率測定により明らかになった。このような配位子場の強さの変化は、ポルフィセン空洞の対称性の低下に伴う金属-配位子間軌道相互作用のミスマッチに起因すると考えられる。有機電解合成は、大規模な有機合成のための手法として、電解技術の多様性、電流および合成収率の良さ、間接電解反応に用いるメデイエータの選択幅の広さ、反応様式の多様性など種々の利点が挙げられる。コバルト錯体をメデイエータとして用いた場合は、Co(II)/Co(I)レドックス触媒として種々の錯体が合成され、多様な有機電解合成が行われている。しかし、いずれも単核錯体を用いた例であり、二核錯体をメデイエータとして用いた例はない。

二核錯体の場合、二箇所の反応サイトがあり、単に単核の2倍の反応活性を示すというだけではなく、2分子の基質の同時活性化や1分子の基質を2箇所で活性化し、2官能性の活性種の生成が可能となる等の二核錯体特有の機能が期待される。そこで本研究では、新しい電解メデイエータとして種々の二核錯体を合成し、その酸化還元挙動および触媒活性について検討した。二核錯体の合成は、有機電解反応のメデイエータとして頻繁に用いられているコバルトサレン錯体およびコバルトコスタ型錯体を基本骨格とし、それらをメチレン鎖やベンゼン環等の種々のスペーサにより架橋することにより二核化した。合成した錯体の酸化還元挙動をサイクリックボルタムグラフ法により検討した結果、メチレン鎖のような非共役架橋鎖により二核化した錯体は単核とほぼ同じ挙動を示したのに対し、ベンゼン環の様な共役した架橋鎖により二核化した錯体は、段階的な電子移動が起こり、Co(II)Co(II)/Co(I)Co(II)の均化定数は約2,000であった。基質としてハロゲン化アルキルを添加した場合、電極上で還元されて生成するCo(I)Co(I)種と反応して生成するアルキル錯体の還元波が観測された。その電位は、錯体の電荷に大きく依存し、モノアニオン性のコスタ型二核錯体では、サレン型錯体と比較してより正の穏やかな条件で定電位電解出来ることが明らかとなった。本年度は、ビタミンB12酵素反応のシミュレーションを基礎とした新規触媒系の開発を目指した。反応の手法としては、反応系がクリーンで、電位による反応制御が容易な電気化学的手法を主に用いた。まず、ビタミンB12酵素反応の1,2-転位反応を環状化合物に応用し、アシル基の転位に伴う環拡大反応について検討した。58員環化合物について電解反応を行い、-1.5V-2.0V vs.SCEの条件で環拡大反応が効率よく進行することを見出した。-2.0V vs.SCEの条件では少量のエステル基転位物も得られた。また、8員環化合物の場合には反応性が悪かった。また電解反応による立体特異的反応を目指して、ストラップ型疎水性ビタミンB12を合成した。3-ブロモ-2-メトキシ-2フェニルプロピオン酸エチルエステルを基質として反応を行った。転化率10%の時、生成物をGLCにより分析すると、単純環元生成物およびフェニル基転位体などの生成物が検出された。主生成物である環元体を光学分割カラムを用いたHPLC法により分析すると、側鎖にメチルエステルをもつ疎水性ビタミンB12では87%e.e.でS体が、側鎖にプロピルエステルをもつ疎水性ビタミンB12では58%e.e.でS体が得られた。一方、ストラップ型疎水性ビタミンB12を用いた場合には26%e.e.でR体が過剰であった。これは、環元的光学分割が進行していることを意味する。この選択性は不斉アルキル化反応の結果とほぼ一致している。分子力学および分子動力学計算により選択性の因子を検討したところ、立体的因子が最も大きな駆動力であることが明らかになった。
界面電子移動とその制御

固体/溶液界面の電子移動反応の本質を理解し、方向制御を実現するためのアプローチを明確にすることを目的に、(i)金属電極と化学エネルギー変換、(ii)半導体電極と光エネルギー変換、(iii)化学修飾とセンシングさらに(iv)電極および表面分子種の構造評価手法について分担者が個別に調査研究を行うとともに、全体会議を開催し、対象別のグループ(i)(iii)の成果を縦糸に、手法に関するグループ(iv)の成果を横糸として総合的見地から検討を行い、今後の研究推進施策を明らかにした。これらの成果に基づき重点領域研究申請書類を作成し、申請を行った。
酸性鉱山廃水処理のためのヨシ起源重金属吸着剤を活用した人工湿地法の開発

亜鉛は、植物や動物にとって必須の微量元素であるものの、感受性の高い水生生物は低濃度でも悪影響を受けるため、適正な排水処理が必要である。本研究では海藻をパッキングしたカラムと砂ろ過カラムを組み合わせて亜鉛を除去する2段プロセスを構築し、バイオソルベントとして、および硫酸還元菌の炭素源としての海藻の相乗的な効果を調べた。海藻をパッキングしたカラムによる亜鉛の除去率は7495%で、砂ろ過カラムを通過した後には8299%に上昇した。75日間ブレークスルーせず、安定的な亜鉛の除去率を保った。亜鉛で飽和した海藻カラムに対して硫化水素イオンを脱着剤に用いて溶出実験を行った。最初の10min(30mL)で急速な亜鉛濃度の増加を示し、1030min(60mL)で濃度は低下しフラットになった。これは添加したHS^-溶液がバイオマスに吸着飽和している金属の置換を効果的に行っていることを示唆する。すなわち、海藻カラムにおけるバクテリアによるHS^-の生産は、亜鉛との相互作用が可能であり、硫化亜鉛の形で、亜鉛を再生させることがわかった。海藻カラムで除去された亜鉛の形態としてはアモルファス型結合フラクションが最も多く、ついで結晶酸化物、硫化物であった。一方、砂ろ過カラムの底層から抽出した亜鉛の量は海藻カラムのそれより大きく、有機成分が最も多く、ついで硫化物,炭酸塩の順であった。これは亜鉛と結合した海藻デトリタスが海藻カラムから砂ろ過カラムの底層へ移動したことを示唆する。また、海藻バイオマスの2つの機能、バイオソルベントとしての亜鉛の吸着および硫酸還元菌の炭素源供給によって、99%以上の高い亜鉛除去率がもたらされ、最終濃度は0.7-0.01mg/Lに低下させることができた。そして、本実験期間(75日間)で吸着平衡は見られず、生物学的に発生した硫化水素イオンとバイオソルベントに結合した亜鉛の置換により除去が行われているためと考えられた。本研究では人工鉱山廃水中に含まれる亜鉛を除去することを目的として,植物由来の重金属吸着剤と硫黄還元細菌を活用した砂ろ過装置の複合システムを用いた室内実験を行った。本システムでは植物由来重金属吸着剤から溶出する有機炭素を,砂ろ過装置に生息する硫黄還元細菌の炭素源として活用することで効果的な重金属の除去を目指した。植物由来吸着剤の材料としてヨシ(200g)とワカメ(200g)を選定し,それぞれ単独でカラムに装填した。このカラム内を通水させた人工鉱山廃水を,硫黄還元細菌が増殖している砂ろ過装置に流入させた。実験条件として廃水(亜鉛:10ppm,酸化硫黄:50ppm)を75日間に渡って連続的に260L/m^2/dの流入速度で供給した。水質の測定項目は亜鉛濃度,pH,酸化還元電位,水温とし,発生した硫化水素ガス濃度も併せて測定した。ヨシ吸着剤を装填したカラム単体では亜鉛除去率は62-90%であったが,砂ろ過装置と併用することによって82-98%と除去率が向上した。またワカメ吸着剤を使用した場合においても同様に,74-95%から82-99%と除去率の改善が見られた。砂ろ過装置の流入前後で廃水のpHの値は常に高くなった。またヨシ吸着剤を用いた系における処理水ではORPの値が実験開始後3週間後以降正の値を記録し続けたのに対して,ワカメ吸着剤を利用した系では実験期間中負の値を記録し続けた。このことはワカメ由来の有機物がヨシと比較して硫黄還元細菌にとって利用しやすい有機物であることを示している。この結果から植物由来吸着剤が重金属吸着効果のみならず硫黄還元細菌に炭素源を供給するという機能も有していることが明らかとなり,砂ろ過装置と併用することで高い除去率を実現可能であることが明らかとなった。

また、海藻バイオマスの2つの機能、バイオソルベントとしての亜鉛の吸着および硫酸還元菌の炭素源供給によって、99%以上の高い亜鉛除去率がもたらされ、最終濃度は0.7-0.01mg/Lに低下させることができた。そして、本実験期間(75日間)で吸着平衡は見られず、生物学的に発生した硫化水素イオンとバイオソルベントに結合した亜鉛の置換により除去が行われているためと考えられた。
雰囲気制御による高温超伝導体および関連物質の合成と構造・物性

高温超伝導体および関連物質について、高酸素圧から水素雰囲気までにわたる様々な雰囲気下での合成を行い、酸素量と構造・相関係・相転換および物性との関連について調べた。結果、以下のような成果を得た。(1)LaBa_2Cu_3O_yにおいて、高酸素圧処理により初めて酸素量が7を越える(y=7.06)試料の合成に成功した。酸素量が6から7.06にいたる試料を合成し、超伝導性を調べた結果、酸素量の増大とともに超伝導転移温度は上昇し、y7での極大を経て、y=7.06では再び79Kに低下する即ち123化合物では初めてのオーバードープ挙動を観測した。核磁気緩和時間の測定からは、スピンギャップ挙動の消失と転移温度の極大とは一致しないことが示される。また、超伝導は正方晶から斜方晶に変わるy【greater than or equal】7で発現し、構造と超伝導との密接な関連を示している。La-123ではY-123にみられる60K相は存在しない。(2)La_<2-X>Ba_XCuO_4において、x=0.125近傍では低温での正方晶への相転移に伴い、超伝導は抑えられるが、低温で静水圧を加えてゆくと、低温正方晶→斜方晶→高温正方晶と相転移し、斜方晶に転移する圧力で超伝導転移温度は急速に30Kに復活する。また、電気化学的酸化によりδ=0.11の過剰酸素を含む試料はバルク超伝導を示し、X線回折のその場観察では、斜方晶転移に伴うと思われるわずかな回折線の半値幅の増大がみられるが、ほとんど低温まで正方晶のままである。これらは、超伝導と構造および酸素不定比性との密接な関連を示している。(3)YBa_2Cu_4O_8,Tl_2Ba_2CuO_y,La_2CuO_4について共同研究で核磁気共鳴により、Cuサイト,Oサイトのスピンダイナミクスについての情報を得た。(3)カルコゲナイド超伝導体La_3S_4について不定比性とBa置換の効果を調べ、両者とも超伝導転移を抑えるが、前者が金属的なままであるのにたいし、後者では金属-半導体転移を示す。
細胞内RNA-Proteinナノ構造体の設計法の開発

本研究では、人工的にデザインしたRNAと細胞内に存在するRNAに結合するタンパク質や相互作用するmiRNAを組み合わせることで、細胞内の環境に応じてRNA-タンパク質ナノ構造を構築し、さらに翻訳量が変化するRNAスイッチを構築した。いずれも細胞の機能を自在に制御する基盤技術となる。RNAスイッチについては、特異的な細胞の選別技術を確立し、がん細胞除去や未分化細胞の除去などへ利用できる可能性を示した。細胞の中には多数のRNAが存在しており、その中にmiRNAと呼ばれる短いRNAが存在する.ヒト細胞では1800種類以上のmiRNAの候補が見つかっており、細胞ごとにその発現プロファイルが異なるため、miRNAの発現で特定の細胞を特徴づけることができる.そのため、特定のmiRNAが存在する細胞のみを選択的に細胞死に導くシステムは、がん細胞の特異的な除去や、分化細胞の選別において重要である.今年度は、申請書に記載の研究目的(3)の細胞内に存在する特定のRNA(miRNA)に応答して細胞死を引き起こすシステムの構築を目指した.そのために、miRNAに応答してタンパク質の翻訳がONになるRNAの作製を行った.その結果、細胞に導入するとターゲットのmiRNAが発現している場合に蛍光タンパク質の発現が増大するRNAの設計に成功した.少なくとも作製した2種類(miR-21とmiR-302応答型RNA)はともに対応するmiRNAに反応し蛍光タンパク質の発現を増大させることができ、iPS細胞、293FT細胞、HeLa細胞など複数の細胞を区別することができた.このRNAは、(1)簡単にターゲットのmiRNAを交換できる、(2)出力のタンパク質を交換することができる、(3)ゲノムへの影響が無いため医療応用へ直接結びつく、(4)一般的な分子生物学の知識と実験技術があれば、誰でも作成可能であることなどの特徴を持っている.そのため、出力のタンパク質をアポトーシス遺伝子へ変更することで、目的である特定細胞で細胞死を誘導する技術へ利用可能であると期待できる.当初は原子間力顕微鏡によるナノ構造の確認とナノ構造による細胞死誘導を最初に行う予定であったが、計画を変更して最終目標である、研究の目的の(3)からとりかかることになった.これは、研究代表者の所属が変わったため、旧研究室の原子間力顕微鏡が一時的に利用できなくなったためである.そのため、やや当初とは異なる手法であるが先に最終目的の達成を目指した.この際に、研究目的(1)、(2)にある細胞内でのRNA応答性のRNAナノ構造の構築につながるように、細胞内RNAに応答するRNAデバイスの作製とRNAの細胞内導入という手法を選択した.現在までに、少なくともmiRNAに応答するRNAを細胞内へ導入することが可能であることが確認され、今後、miRNAの応答配列を導入したRNAナノ構造を作製することで細胞内のRNA(miRNA)に応答するナノ構造が構築できると期待される.現在、最終目的である細胞特異的な細胞死を行うため、蛍光タンパク質からアポトーシス遺伝子への交換とON/OFFの比の改善を行っている.また、旧研究室から原子間力顕微鏡の譲渡、移設も完了したのでナノ構造の構築、解析の準備も整った.今年度は、昨年度に引き続き細胞内に存在する特定のRNA(miRNA)に応答して細胞死を引き起こすシステムの構築を目指し、miRNAに応答してタンパク質の翻訳がONになるRNAの作製を行った. miRNAに応答して翻訳がONになるシステムは構築できたもののOFFからONへの活性化の度合いが小さく、細胞内に導入したRNAがすべてmiRNAに応答しているかどうか検証する必要が出てきた. miRNAによりターゲットの配列が切断されているかどうかRT-PCRにより検証を試みたが、切断は確認されなかった.これは、RNAをカチオン性脂質とのコンプレックスとして導入しているが、この場合細胞内ではエンドソーム内にトラップされるため、添加したRNAの一部のみしかmiRNAと相互作用して切断されないことが原因であると考えられる。細胞全体からRNAを回収するとエンドソーム内にトラップされたRNAも回収されバックグラウンドとして検出され、切断されているかどうかが判別できなくなっていると考えられる。現在、RNAの導入法と回収法を検討している.今後は、前年に引き続きin vitroでの構造の観察と導入を行う予定である.また、修飾塩基によりタンパク質とRNAの結合が影響を受けることも確認されたため、修飾塩基の影響についても調査をすすめる.細胞内で導入したRNAについて構造や切断状態を判別しなければならないが、導入したRNAのみを回収する方法の検討に時間がかかっている.また、導入する細胞死遺伝子の種類によって細胞死誘導の効率が異なるため、これについての検討にも時間がかかっている。RNAに結合させるタンパク質(L7Ae及びその融合タンパク質)については、純度の高い精製方法を確立した.本研究では、外部から導入したRNAと細胞内に存在するRNAやタンパク質を用い、細胞内でRNA-proteinナノ構造を形成させることで、細胞機能の制御を行うことを目的とした。特に、細胞内ナノ構造を利用した細胞特異的な細胞死を人工的に引き起こすことで、コンセプトの実証を行うことを目指した。この目的のために、RNAナノ構造の材料として、K-turnと呼ばれるRNA構造とK-turnに特異的に結合することが知られているL7Aeタンパク質を選択した。K-turnとL7Aeの結晶構造を組み合わせ、RNA-タンパク質複合体をデザインし、複合体が予想通りの構造を取ることをAFMで確認した。

また、アポトーシス遺伝子であるCaspase8の多量体形成ドメインとL7Aeを入れ替えた融合タンパク質を発現させた細胞に、人工的にデザインしたK-turnをもつRNAを細胞内へ導入することで、細胞内でナノ構造体を構築し、ナノ構造上でCaspase8を多量体化さアポトーシスを誘導することに成功した。また、細胞内分子の別のターゲットとしてmiRNAについても検討を行い、新たにmiRNAの活性に応じて翻訳が増大するmRNAスイッチの構築に成功した。蛍光タンパク質をコードしたmRNAスイッチを用いることで、HeLa細胞、293FT細胞、iPS細胞の識別に成功した。さらに、HeLa細胞と293FT細胞をモデルとして、細胞内miRNAを指標としてセルソーターを用いない細胞分離法を確立した。このmRNAスイッチはがん細胞除去や移植用の特定の細胞の取得において、ゲノムへのDNAの挿入のリスクのない安全な手法になると考えられる。本研究では、人工的にデザインしたRNAと細胞内に存在するRNAに結合するタンパク質や相互作用するmiRNAを組み合わせることで、細胞内の環境に応じてRNA-タンパク質ナノ構造を構築し、さらに翻訳量が変化するRNAスイッチを構築した。いずれも細胞の機能を自在に制御する基盤技術となる。RNAスイッチについては、特異的な細胞の選別技術を確立し、がん細胞除去や未分化細胞の除去などへ利用できる可能性を示した。計画書と順序は逆になったが、先に細胞特異的な細胞死を起こすシステムを確実に構築することにする.これにより、研究計画の重要な意義の一つ(医療や細胞工学への応用)を先にクリアし、がん細胞の除去や分化細胞の選択的な取得などの社会への還元を達成しておきたい.これは今年度中に確実に終了できると思われる.並行して、当初の計画通りナノ構造の設計、構築を行い、学術的な意義である細胞内でのナノ構造構築手法の確立を目指す.細胞内ナノ構造の構築については、昨年度作製したmiRNA応答型のRNAの実験から、RNAを細胞外で構築して細胞内に導入することが予想外に容易であること、プラスミドで導入しないことでゲノムへのDNA挿入の危険がなく医療応用の幅が広がることから、構造は細胞外で作製して細胞へ導入するという方針を取りたい.この方針では、細胞外で構造を構築するため、AFMで観察したものをそのまま細胞内部に導入することができるため、細胞内で構造が構築されるかどうかという問題を考えなくて済むという利点もある.また、細胞内のRNAとしてはmiRNAが確実に導入RNAに作用することが確認されたため、構造を制御する細胞内RNAとして、まずmiRNAをターゲットとする.今後は、細胞外でのRNPナノ構造構築を行い、AFMの観察を行い、その後細胞内へ導入して機能が細胞内miRNAによって制御できることを示す.最後に、最も難しいと思われる、細胞内で転写されたRNAとタンパク質を用いたRNPナノ構造の構築を行い、当初の計画全体を達成したいと考えている.タンパク質は用意できているので、細胞外でのRNPナノ構造構築および、AFMの観察を行い、その後細胞内へ導入する.機能が細胞内miRNAによって制御できることを示す予定である.
性分化異常症の網羅的な病因・病態の解明

(1)候補遺伝子アプローチにより46, XY DSDを対象に遺伝子解析を行った。その結果、WT1遺伝子に既知の変異を、SOX9、AR、Ad4BP/SF-1にそれぞれ新規遺伝子変異を同定した。このうちAd4BP/SF-1変異は副腎不全を伴わない精巣形成不全患者において同定された。(2) DSDのなかで最も頻度が高いステロイドホルモン産生異常症についての成因探索を目的に、先天性リポイド過形成症の病因であるStAR蛋白と、X連鎖性先天性副腎低形成症の原因であるDAX-1/AHCについてヒト副腎cDNAライブラリーを作成し、それぞれの相互作用因子についてのスクリーニングをyeast two-hybridシステムを用いて行った。その結果、候補因子をそれぞれ3種、30種同定した。現在各候補因子についてその病因的意義を検討している。1.46,XY性転換症例における候補原因遺伝子の変異解析:Denys-Drash症候群と診断された症例においてWT1遺伝子のエクソン8にヘテロ接合性のミスセンス変異を同定した。また、アンドロゲン不応症と診断された2症例(同胞例)においてアンドロゲン受容体(AR)遺伝子のエクソン1に37塩基の欠失を同定した。今回同定したAR遺伝子の変異はこれまでのところ報告のない新規変異と考えられる。37塩基の欠失であることからその後フレームシフトをおこし、コドン465が終止コドンへと変化することから、転写因子としての機能を喪失することが容易に予想された。2.屈曲肢異形成症患者で同定したSOX9遺伝子の新規変異体の細胞内局在に関す検討:変異体の発現ベクターの作製をPCR-based mutagenesis法により行った。今後、培養細胞での発現実験を行い、細胞内における局在を免疫抗体法により検討していく計画である。3.性分化異常症を合併する先天性副腎ステロイドホルモン産生異常症の原因遺伝子StARと相互作用する因子の検索:ヒト副腎のRNAよりcDNAライブラリーを作出した。また、StARの発現ベクターの作製も終了し、yeast two-hybridシステムを利用してのスクリーニングを開始しているが、これまでのところ有望な因子の同定には至っていない。今後は、ヒト副腎ライブラリーの再度作製を試み、改めてスクリーニングを行っていく計画である。2.中枢性性腺機能低下症(hypogonadotropic hypogonadism)患者および早発思春期発来者・遅発思春期発来者における候補遺伝子解析:hypogonadotropic hypogonadismの原因遺伝子として報告されたGPR54遺伝子についての解析を、上記対象者50名について行ったが、いずれのグループにおいてもGPR54遺伝子異常を見出せなかった。3.性分化異常症を合併する先天性副腎ステロイドホルモン産生異常症の原因遺伝子StARと相互作用する因子の検索:ヒト副腎cDNAライブラリーを用いて、リポイド過形成症の病因であるStAR蛋白と相互作用する因子についてのスクリーニングをyeast two-hybridシステムを利用して計3回行ったところ、13個のポジティブコロニーを得た。これら候補コロニーついて塩基配列の同定、およびcDNAから発現させたタンパクとStARタンパクとの結合を免疫沈降によって確認している。1.StAR相互作用因子に関する研究:ヒト副腎cDNAライブラリーを用いて、リポイド過形成症の病因であるStAR蛋白と相互作用する因子についてのスクリーニングをyeast two-hybridシステムを利用して行い、これまでに得られた候補コロニーついて塩基配列の決定を行った。さらに候補因子のcDNAを導入した発現ベクターから発現させたタンパクと、StARとの結合を免疫沈降によって確認した。その結果、候補因子は最終的に3個にまで絞られた。2.DAX-1相互作用因子に関する研究:X連鎖性先天性副腎低形成症の原因遺伝子である転写因子DAX-1と相互作用する因子についてのスクリーニングをStAR蛋白の場合と同様に、ヒト副腎cDNAライブラリーに対してyeast two-hybridシステムを利用して行った。1次スクリーニングの結果、79個の陽性コロニーを同定したため、さらなる確認実験を行っている。塩基配列の決定を行っているが、転写共役因子などが含まれていることがわかった。今後、絞られるはずの候補因子についてさらなる解析を進める計画である。3.性分化異常症におけるAd4BP/SF-1の関与:副腎不全を呈さない性分化異常症患者5名について転写因子Ad4BP/SF-1の遺伝子解析を行ったが、遺伝子異常は見出せなかった。

4.中枢性性腺機能低下症(hypogonadotropic hypogonadism)患者および早発思春期発来者・遅発思春期発来者における候補遺伝子解析:hypogonadotropic hypogonadismの原因遺伝子として報告されたGPR54遺伝子についての解析を、昨年度に引き続いて新たに10名について行ったが、遺伝子異常は見出せなかった。1. StAR相互作用因子に関する研究:リポイド過形成症の病因であるStAR蛋白との相互作用因子についてのスクリーニングを、作成したヒト副腎cDNAライブラリーを用いてyeast two-hybridシステムを利用して行い、候補因子が3種に絞られた。しかし、これまでの報告から検討した結果、いずれも有望な因子とは思えないものであった。2. DAX-1相互作用因子に関する研究: X連鎖性先天性副腎低形成症の病因であるDAX-1との相互作用因子についてのスクリーニングを、作成したヒト副腎cDNAライブラリーを用いてyeast two-hybridシステムを利用して行い、候補因子が30種に絞られた。現在それらの病因的意義について、DAX-1の転写抑制効果に与える影響に関してと、発現の局在関連性に関しての検討を行っている。3.完全型アンドロゲン不応症の症例においてその病因であるアンドロゲン受容体遺伝子のDNA結合に重要な領域であるZnフィンガーモチーフに新たなミスセンス変異を同定した。4.中枢性性腺機能低下症(hypogonadotropic hypogonadism)患者および早発思春期発来者・遅発思春期発来者における候補遺伝子解析: hypogonadotropic hypogonadismの原因遺伝子として報告されたGPR54遺伝子の解析を、昨年度に引き続いて新たに6名に,ついて行ったが、いずれにも遺伝子異常は見出せなかった。5. Kallmann症候群患者の遺伝子解析: hypogonadotropic hypogonadismに嗅覚異常を伴うKallmann症候群の病因であるKAL14の遺伝子解析を臨床的に.診断した1例について実施したが遺伝子異常は見出せなかった。
第一原理による機能性酸化物材料の原子構造および電子状態の理論計算

ダブルペロブスカイト構造のSr_2FeTaO_6結晶は、ディスオーダー相で頻繁に存在し、23K以下の温度においてスピングラス的挙動を示すことが明らかになった。このような挙動は、磁性Feイオン原子間の第二最近接原子間の相互作用(Next-Nearest-Neighbour Interaction)に由来することが以前から報告されている。このNNN相互作用の存在を検証するために、まず実験的にSr_2FeTaO_6薄膜における安定なBサイトオーダー相を得ることが不可欠である。パルスレーザーデポジション法によって、SrTiO_3結晶基板の(111)面上にエピタキシャル成長させたダブルペロブスカイト構造の良質なBサイトオーダーSr_2FeTaO_6薄膜を得ることができた。球面収差補正器(Cs-Corrector)搭載の走査透過型電子顕微鏡(STEM)の高角環状暗視野(HAADF)像及び電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて、Sr_2FeTaO_6薄膜の微細原子構造について詳細な観察を行った。この投影原子構造モデルを基に、理論計算で用いる三次元原子構造モデルが推定できる。SrTiO_3結晶基板では二種類の終端層の極性、Sr_2FeTaO_6薄膜では三種類の終端層、六回対称の界面原子積層を考慮すると、18種類の三次元界面原子構造モデルが推定される。界面吸着エネルギーの計算結果によると、界面においてSrTiO_3結晶はSrO_3-終端及びSr_2FeTaO_6結晶はTa-終端のケースが安定であることが明らかになった。この構造に対して、Vienna ab initio simulation package (VASP)計算を行い、界面電子状態をシミュレートした。その際、NNN相互作用するFe磁性イオンの様々な相対配列を考慮した。(抄録なし)本研究は、次世代デバイスへの応用が期待される機能性酸化物セラミック材料に対して原子分解能・元素識別走査透過電子顕微鏡法を用いて局在原子構造(原子サイトや不純物種同定)を計測し、第一原理による原子構造モデル計算を組み合わせることによって材料物性と原子・電子構造との相関について学術的に理解することが最終目標である。本年度は、強磁性や強誘電性、高耐圧性、巨大磁気抵抗、超伝導性など優れた機能性を有しているマルチフェローイック酸化物、特にダブルペロブスカイト構造をもった酸化物(化学組成RE_2CoMnO_6(RE:希土類元素))に着目して、第一原理による緩和構造モデル計算や局在原子構造、応力印加による電子状態変化について理論計算を中心に研究を遂行してきた。まず、希土類元素であるランタンを添加したLa_2CoMnO_6酸化物について理論計算を行った。この材料はダブルペロブスカイト構造のBサイト原子であるCoとMnが規則配列しており、強誘電性で半金属的な特性を有しているが外部応力(引張や圧縮)を印加することで絶縁性に遷移することが明らかとなった。この金属-絶縁遷移は、外部応力により結晶内のCoO_6八面体構造が歪むことによりCo(3d)電子軌道が大きく分極することで発現することが明らかとなった。近年の酸化物電子材料は薄膜として利用される場合が多く、基板上に薄膜形成した際に膜面内方向に大きな応力・歪みが導入され、バルク材料とは異なる物性が発現することを示唆する結果となった。本研究成果は他の材料系についても適用される知見と考える。界面吸着エネルギーの計算結果によると、界面においてSrTiO_3結晶はSrO_3-終端及びSr2FeTaO6結晶はTa-終端のケースが安定であることが明らかになった。この構造に対して、Vienna ab initio simulation package(VASP)計算を行い、界面電子状態をシミュレートした。全エネルギーの計算結果によると、反強磁性層内Feイオンと強磁性層間Feイオンが存在する場合が最安定な構造であった。

ダブルペロブスカイト構造のSr_2FeTaO_6結晶は、ディスオーダー相で頻繁に存在し、23K以下の温度においてスピングラス的挙動を示すことが明らかになった。このような挙動は、磁性Feイオン原子間の第二最近接原子間の相互作用(Next-Nearest-Neighbour Interaction)に由来することが以前から報告されている。このNNN相互作用の存在を検証するために、まず実験的にSr_2FeTaO_6薄膜における安定なBサイトオーダー相を得ることが不可欠である。パルスレーザーデポジション法によって、SrTiO_3結晶基板の(111)面上にエピタキシャル成長させたダブルペロブスカイト構造の良質なBサイトオーダーSr_2FeTaO_6薄膜を得ることができた。球面収差補正器(Cs-Corrector)搭載の走査透過型電子顕微鏡(STEM)の高角環状暗視野(HAADF)像及び電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて、Sr_2FeTaO_6薄膜の微細原子構造について詳細な観察を行った。この投影原子構造モデルを基に、理論計算で用いる三次元原子構造モデルが推定できる。SrTiO_3結晶基板では二種類の終端層の極性、Sr_2FeTaO_6薄膜では三種類の終端層、六回対称の界面原子積層を考慮すると、18種類の三次元界面原子構造モデルが推定される。界面吸着エネルギーの計算結果によると、界面においてSrTiO_3結晶はSrO_3-終端及びSr_2FeTaO_6結晶はTa-終端のケースが安定であることが明らかになった。この構造に対して、Vienna ab initio simulation package (VASP)計算を行い、界面電子状態をシミュレートした。その際、NNN相互作用するFe磁性イオンの様々な相対配列を考慮した。本研究では実験と理論計算の両立が不可欠であり、本年度は短期であったが全体研究計画のうち理論計算手法をまず確立・習得したことが次年度の実験(原子構造計測や電子状態解析)との融合に向けて大きく前進したと言える。共同研究体制の中で、日本では機能性薄膜の実験的成長、加工、評価を行ってきており、パルスレーザーデポジション法によって、SrTiO_3結晶基板の(111)面上にエピタキシャル成長させたダブルペロブスカイト構造のBサイトオーダーSr_2FeTaO_6薄膜の作製に成功させた。これらの実験結果に対して、界面局所原子構造・吸着エネルギー・界面誘起磁性・界面電子状態を分析するために、またこれらの巨視的な物性と微視的な物理の相関を把握するために、密度汎関数理論に基づく第一原理計算を行った。新しい試みとして、スーパーコンピューターを駆使し、従来は困難であった大規模計算を必要とする界面格子ミスマッチに起因する弾性場を考慮し、それが電子状態に及ぼす効果についても、計算に取り入れることを試みた。本研究で用いる理論計算は原子レベルであり、構造計測における分解能のハードルは極めて高い。そのため、事前に原子分解能の電子顕微鏡施設を有する外部機関との連携・共同研究を既に開始しており、次年度以降の円滑な研究遂行に向けて準備している。また、理論計算について更なるモデル原子数増大を考慮して、スーパーコンピューターの共同利用許可についても申請しており、研究環境は全般的に整備されつつある。