hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
中学生の非行・反社会的問題行動に対する危険要因と防御要因についての縦断的研究

今年度の分析結果は、日本発達心理学会第14回大会で発表された。本年度は3回調査(縦断研究の35回に当たる)を行った。1回目は2003年6月に、2回目は2003年9月に、3回目は2004年1月に実施した。1回目と3回目の調査対象は、愛知県内の9つの中学校および福島県内の4つの中学校に在籍する中学生2年生3,000名であり、2回目はさらにそれぞれの両親を研究対象とした。調査内容は、1回目が、非行・反社会的問題行動の程度、心身症状の程度、友人関係、ストレス、自己概念であった。2回目は、親の行動認知、家庭の雰囲気、友人関係、心身症状の程度、非行・反社会的問題行動の程度、自己概念であった。3回目は、学校適応、将来展望、抑うつ、自己概念などであった。2回目の親調査は、家庭の雰囲気、夫婦関係、子どもに対する行動や態度、子どもの心身症状の認知、子どもの非行・反社会的問題行動の認知、親権威であった。本研究は、中学生を3年間追跡し、問題行動の消長パターンと親や本人の心理的要因との関連を縦断的に明らかにしようとするものである。今年度は、中学2年までの追跡を終了した。現段階までの主な結果は次の通りである。横断的分析の結果、子どもに対する親の態度や夫婦関係は、子どもの心身の問題に直接影響をもたなかった。しかし、それらの要因は、子どもが自分と親との関係認知を経由して、心身の問題を予測することがわかった。最初の2回の縦断的分析によれば、中1の9月段階の親の威厳のある態度は、翌年の1月における子どもの心身症状を直接予測しなかった。しかし、親の威厳のある態度は、1月における子どものストレスを低下させる効果をもち、間接的に子どもの心身症状を抑制する効果をもつことがわかった。今年度の分析結果は、日本発達心理学会第15回大会で発表された。また、2004年7月にベルギーのゲントで開催される国際行動発達学会(ISSBD)で発表予定である。今年度、当初計画の6回目と7回目の調査を行った。6回目は2004年6月に、7回目は2004年9月に実施した。調査対象は、愛知県内の9つの中学校および福島県内の4つの中学校に在籍する中学生3年生3,000名であり、7回目はそれぞれの両親も調査対象となった。調査内容は、6回目が、非行・反社会的問題行動の程度、心身症状の程度、友人関係、ストレス、自己概念であった。7回目は、親の行動認知、家庭の雰囲気、友人関係、心身症状の程度、非行・反社会的問題行動の程度、自己概念であった。7回目の親調査の内容は、家庭の雰囲気、夫婦関係、子どもに対する行動や態度、子どもの心身症状の認知、子どもの非行・反社会的問題行動の認知、親権威であった。本研究は、中学生を3年間追跡し、問題行動の消長パターンと親や本人の心理的要因との関連を縦断的に明らかにしようとするものであるが、今年度をもって計画通り7回の追跡調査を終了した。1回目と2回目の縦断データの分析が終了しているが、(1)子どもに対する親の態度や子どもの自己概念、学校適応が、ストレスの量を予測し、ストレス量が子どもの心身の問題を予測すること、(2)心身の状態とストレス量には相互性があり、1回目のストレス量→1回目の抑うつ→2回目のストレス量、という関係が見られている。今後、非行や反社会行動の分析枠組みの決定及び、7回の縦断データの分析を進める予定である。今年度の分析結果は、日本発達心理学会第16回大会で発表された。また、2004年7月にベルギーのゲントで開催される国際行動発達学会(ISSBD)で発表した。
硝酸薬の血管拡張作用に及ぼすALDH2遺伝子多型の影響に関する薬理遺伝学的研究

ニトログリセリン(GTN)の活性化に2型アルデヒド脱水素酵素(ALDH2)が関与するとされているが、487番アミノ酸の1塩基多型によりALDH2活性には著しい個人差がある(^*1/^*1:高活性、^*1/^*2:低活性、^*2/^*2:無活性)。この多型がGTNの血管拡張効果に及ぼす影響を解明するとともに二硝酸イソソルビド(ISDN)と比較するため、GTNまたはISDNを投与し、上腕動脈径を連続測定するクロスオーバー試験を実施した。GTN投与後の最大拡張率には遺伝子型による差はなかったが、拡張に要した時間は^*1/^*1に比べて^*1/^*2と^*2/^*2では有意に長かった。一方ISDNでは遺伝子型による差はなかった。また、^*1/^*1と^*1/^*2ではISDNよりGTNの方が速く拡張させたが、^*2/^*2では速度に差はなかった。以上より、^*1/^*2と^*2/^*2ではGTNによる血管拡張が有意に遅れること、^*2/^*2ではGTNとISDNの効果に差がないことがわかった。ニトログリセリン(GTN)は、狭心症発作の第一選択薬として古くから用いられてきたが、薬効には個人差がかなりある。しかし、GTNの薬効の遺伝的差異については、あまり検討されてこなかった。最近、GTNからNOを遊離させる主な酵素は2型アルデヒド脱水素酵素(ALDH2)であることが示唆されている。日本人はALDH2の多型頻度が極めて高いため、これが正しいなら大きな問題である。すなわち、GTNの作用はALDH2の多型によりどれほど異なるのか、またALDH2の活性に薬効が左右されないとされる二硝酸イソソルビド(ISDN)はALDH2の多型に影響されないGTNの代替薬となりうるかどうかを明らかにし、ALDH2多型を考慮した硝酸薬選択のエビデンスを築く必要がある。平成20年度は、当研究室が保有しているDNAサンプル(遺伝子解析に関するインフォームド・コンセントを取得している既存試料)について、ALDH2の遺伝子多型解析を行った。ALDH2の多型として、野生型(^*1:Glu^<487>)と低活性型(^*2:Lys^<487>)の2種類のアレルが報告されているが、解析した210名については、^*1/^*1が125名(59.5%)、^*1/^*2が73名(34.8%)、^*2/^*2が12名(5.7%)であった。これは、すでに報告されている日本人の多形頻度とほぼ一致していた。また、来年度より開始する予定の薬効試験(GTNとISDNの血管拡張反応を測定する試験)のため、臨床試験プロトコールを作成し、九州大学病院臨床試験審査委員会の審査を受け、研究実施の承認を得た。承認後、UMIN-CTRデータベースへの登録を行った(試験ID:UMIN000001492)。近年、硝酸薬ニトログリセリン(GTN)から、血管拡張作用を担う一酸化窒素(NO)を遊離させる反応を触媒する酵素として、ミトコンドリアに存在する2型アルデヒド脱水素酵素(ALDH2)が候補に挙げられている。これが正しければ、遺伝子多型(E487K)によりALDH2の活性を欠く人が数%存在する日本人では、狭心症等の治療にとって問題となる可能性がある。そこで、ALDH2の遺伝子多型によってGTNの血管拡張作用に差があるかどうかを明らかにするため、平成21年度より臨床試験を開始した。前年度に作成した試験プロトコールに従い、年度末までに、60名の健常成人(年齢24±1.6歳、男性53名・女性7名)を対象として、GTN(0.3mg)または二硝酸イソソルビド(ISDN:1.25mg)を口腔内に投与した後の上腕動脈径の変化を超音波断層法にて測定した。ALDH2遺伝子型(E/E:高活性型、E/K:低活性型、K/K:無活性型)はPCR-RFLP法にて決定した。

GTNにおいても、ISDNにおいても、最大血管拡張率には多型間で有意差が認められなかった。しかしながら、GTNにより最大拡張に至るまでの時間は、E/Eでは267±58.2秒、E/Kでは288±67.1秒、K/Kでは332±74.3秒であり、E/Eに比べてK/Kでは有意に拡張が遅延した。一方、ISDNによる血管拡張には時間差を認めなかった。これらはあくまで中間解析の結果であるが、GTNの血管拡張作用にALDH2が有意に関与していること、ALDH2に依存しないNO遊離機構も存在することが示唆された。結論を示すには、さらに被験者数を増やす必要があり、平成22年度にも試験を継続する。狭心症の第1選択薬ニトログリセリン(GTN)の体内活性化に、2型アルデヒド脱水素酵素(ALDH2)が関与するとされている。日本人を含む東アジア人では、遺伝子多型(Glu487Lys)により、ALDH2活性に著しい個人差がある。そこで、ALDH2遺伝子多型がGTNの血管拡張反応に及ぼす影響を、ALDH2遺伝子型を解析した117人の若年健常成人[^*1/^*1(高活性型)47人、^*1/^*2(低活性型)48人、^*2/^*2(無活性型)22人]を対象として調べた。無作為割付クロスオーバー法により、GTN(0.3mg)または代替薬である二硝酸イソソルビド(ISDN、1.25mg)を舌下噴霧し、被験者の遺伝子型を知らない測定者が、上腕動脈血管径を超音波断層法で連続的に計測した。予期に反して、GTN投与後の最大血管拡張率には遺伝子型による差はなかった。しかし、最大径に到達するのに要した時間は、高活性型に比べ無活性型では有意に延長し(高活性型254.7±59.2秒、低活性型277.4±59.0秒、無活性型299.7±69.3秒)、最大径の90%に到達するのに要した時間は、高活性型に比べて低活性型と無活性型では有意に延長した(高活性型174.9±46.5秒、低活性型206.1±49.3秒、無活性型231.4±38.4秒)。一方、ISDNでは、いずれのパラメーターにも遺伝子型による差を認めなかった。また、高活性型と低活性型ではISDNよりGTNの方が速く血管を拡張させたが、無活性型では速度に差は認めなかった。以上より、無活性型と低活性型では、GTNの血管拡張反応が有意に遅れることが明らかとなった。また、少なくとも無活性型では、ISDNも第1選択薬となり得ることが示された。
ＲＮＡ編集酵素ＡＤＡＲの基質認識機構の解明

A-to-I RNA編集は、RNA配列の網羅的解析により編集部位が同定されるようになった。しかしながら、責任酵素であるADARsが、それぞれの生体内の編集部位をどのように認識し、区別しているのか未解明である。これは、ADAR1とADAR2はそれぞれ特定の配列に対する嗜好性があるものの、ある程度補完しあえる複雑性にも起因する。また、生化学的解析では編集活性を示さないADAR3については、生体内でのターゲット部位を含め、その存在意義は全く不明である。そこで本研究では、各ADARに結合するRNAと結合部位を1塩基レベルで同定し、ADARの基質認識機構の解明と、特にADAR3の生理的役割を明らかにすることを目的として、研究を開始した。まず、ADAR1,2,3各酵素を安定的に発現する細胞株を作成した。これらに対してPAR-CLIP法を実施し、結合RNAを同定することに成功した。その後、これらの基質にRNA編集が生じていることを、確認した。また、ADAR1,2をノックダウンした細胞を用いてRNA-seqによる網羅的な編集部位の探索、編集効率の比較を行った。その結果、ADAR3は編集活性を持たず、更にADAR1,2の活性にも影響しないことが示唆された。以上のように計画通り研究が進展しており、現在ADAR3が不活性である理由を更に解析中である。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
通常の学級の児童が障害について学び理解を深めるための教材と学習プログラムの開発

現在、障害のある児童が通常の学級で学ぶ機会が増えており、通常の学級の児童が障害について適切に学び、理解を深める機会を設定することが求められている。本研究は、小学校の「総合的な学習の時間」において、障害理解を主題とした授業を3年間展開し、(1)障害疑似体験教材の開発と効果の検討、(2)学年ごとの学習プログラム作成と検討、(3)児童の障害認識の変容に関する検討、を行うことを目的とした。3年間授業研究を行い、児童のワークシート、写真記録及びパソコンによる発表データの分析により児童の変容や教材や授業内容を検討したところ以下のことが明らかになった。通常の学級の児童が障害について適切に学ぶためには、(1)障害に関する基礎知識を学ぶ、(2)十分に時間をかけて障害の疑似体験を行う、(3)障害のある人の暮らしや支援について調べ学習をする、(4)障害のある人や障害のある人とかかわる仕事をしている人と話しあう、(5)体験を通して自分が何を知りどう考えたかを発表する、の5内容で構成することが不可欠である。また、障害について理解を深めるためにはこうした学習を多学年に渡って繰り返すことが必要であり、学習の主題の配列として、第3学年では視覚障害、第4学年では聴覚障害、第5学年では車いす、第6学年では高齢者が適切である。本学習を継続する中で通常の学級の担任が障害に対して関心を深め自ら指導案を立案し主体的に授業を行う事も見られ、こうした取組は特別支援教育の基盤づくりに寄与できる可能性があることが示唆された。最終年度にあたり、教材や学習プログラムを整理し研究成果報告書を刊行した。現在、障害のある児童が通常の学級で学ぶ機会が増えており、通常の学級の児童が障害について学ぶ機会を設定することが求められている。本研究は、小学校の「総合的な学習の時間」において、障害理解を主題とした授業を3年間展開し、(1)障害疑似体験教材の開発と効果の検討、(2)学年ごとの学習プログラム作成と検討、(3)児童の障害認識の変容に関する検討、を行うことを目的としている。今年度は、主として上記(1)と(2)の目的に対して研究を実施した。関東地区A小学校において、第3学年では視覚障害、第4学年では聴覚障害、第5学年では車いす、第6学年では高齢者を主題とする授業を展開した。各学年の授業は、(1)障害に関する基礎知識を学ぶ、(2)十分に時間をかけて障害の疑似体験を行う、(3)障害のある人の暮らしや支援について調べ学習をする、(4)障害のある人や高齢者施設職員等に来校してもらい話を聞く、(5)体験を通して自分が何を知り、どう考えたかを発表する、の5内容で構成し、展開した。これらの実践研究から以下のことが明らかになった。障害の疑似体験を行うことは障害に起因する不自由さや困難を理解する上で重要である。その際、十分に時間をかけ、障害のある感覚や運動機能を代行する感覚の存在、や、点字や介助機器など、さまざまな工夫や支援手段があることに児童が気づく必要がある。また、疑似体験に加えて、障害のある人に実際に会い、疑問をぶつけ、話を聞くことにより、児童の障害観がより積極的な内容のものとなると考えられる。今年度も前年度に引き続き、主として上記(1)と(2)の目的に対して研究を実施した。関東地区A小学校において、第3学年では視覚障害、第4学年では聴覚障害、第5学年では車いす、第6学年では高齢者を主題とする授業の展開に向け、教材開発と指導プログラムの作成、授業研究を実施した。各学年の授業は、(1)障害に関する基礎知識を学ぶ、(2)十分に時間をかけて障害の疑似体験を行う、(3)障害のある人の暮らしや支援について調べ学習をする、(4)障害のある人や高齢者施設職員等に来校してもらい話を聞く、(5)体験を通して自分が何を知り、どう考えたかを発表する、の5内容で構成した。ワークシート記入、写真記録及びパソコンによる発表のデータによって、児童の変容を検討し、教材や授業内容を検討した。今年度開発した教材として、聴覚障害体験授業用疑似体験セットがある。これは耳栓、ホワイトノイズ再生装置、イヤマフから構成される。このセットを通常の学級の児童が着用した状態で通常の学級担任による授業を実施した結果、児童らは口型の明確化、表情や視線、指さし等視覚情報の活用等を訴え、聴覚障害のある人たちに対する基本的な接し方に気づき、表現することができた。今後、さらに教材研究、授業研究を継続し、最終年度通常の学級で活用可能なハンドブックを作成する予定である。

3年間授業研究を行い、児童のワークシート、写真記録及びパソコンによる発表データの分析により児童の変容や教材や授業内容を検討したところ以下のことが明らかになった。通常の学級の児童が障害について適切に学ぶためには、(1)障害に関する基礎知識を学ぶ、(2)十分に時間をかけて障害の疑似体験を行う、(3)障害のある人の暮らしや支援について調べ学習をする、(4)障害のある人や障害のある人とかかわる仕事をしている人と話しあう、(5)体験を通して自分が何を知りどう考えたかを発表する、の5内容で構成することが不可欠である。また、障害について理解を深めるためにはこうした学習を多学年に渡って繰り返すことが必要であり、学習の主題の配列として、第3学年では視覚障害、第4学年では聴覚障害、第5学年では車いす、第6学年では高齢者が適切である。本学習を継続する中で通常の学級の担任が障害に対して関心を深め自ら指導案を立案し主体的に授業を行う事も見られ、こうした取組は特別支援教育の基盤づくりに寄与できる可能性があることが示唆された。最終年度にあたり、教材や学習プログラムを整理し研究成果報告書を刊行した。
老化促進物質AGEsと下肢筋シナジーの協関を指標とした高齢者転倒予測モデルの開発

平成30年度は,倫理審査を経た実験「終末糖化産物AGEsと下肢筋シナジーの協関を指標とした高齢者転倒予測モデルの開発」を山形県立保健医療大学において実施し,データの収集と分析を行った.具体的な研究成果は以下のとおりである.1下肢のAGEs蓄積量を非侵襲的に皮膚の蛍光強度(auto fluorescence: AF)として測定した.測定部位は大腿の前面と後面,下腿の前面と後面,および,臀部とし,高齢者20名,若者18名を計測して比較を行った.いずれの測定部位においてもAFの値は若者より高齢者で高く,かつ,高齢者と若者共に近位部位で遠位部位より高い傾向であることが明らかとなった.二元配置分散分析の結果,加齢の効果と測定部位の効果が1%で有意であった.2高齢者の歩行時の身体の安定性と視覚情報との関係を明らかにする目的で,視覚情報遮断ゴーグルを用いて,視覚情報遮断刺激10 Hz,30 Hzおよび,無刺激(ゴーグル無し)の3条件を設定し,高齢者と若者とを10分間8の字歩行させる実験を行った.評価指標は一般的に良く用いられているスライドインターバル,歩行スピード,ケーデンス,ステップ長とし,高齢者と若者とで10分間の経時的変化を比較した.分散分析の結果,高齢者において,視覚情報遮断刺激の主効果が有意であった.特に,高齢者では30 Hzの比較的強い強度の視覚情報遮断刺激暴露に伴い有意にステップ長が減少する傾向が明らかとなった.下肢筋群の協調性の低下度と今年度得た研究成果である筋の生化学的老化度との関連性を解明する.そのため,下肢11部位から得た筋電図データから筋シナジーを算出し,skin AFとの相関分析を行う.また,2019年度が研究計画の最終年度となるため,これまで得た研究成果を海外のジャーナルへ投稿する.7-8月にカナダのカルガリーで行われる国際会議(XXVII Congress of the International Society of Biomechanics: ISB2019)で共同研究者らと共に発表の機会を得たため,定例の研究会を国際会議会場で開催し,研究成果を確認しあいながら,本研究テーマに関する研究活動の総括を行う.本研究では高齢者の転倒予防を目的に,転倒を導く下肢運動機能の低下度を筋萎縮と筋活動の協調性から評価し,最終糖化産物(AGEs)と筋シナジー(Muscle Synergy)を変数とした転倒予測モデルの開発を目指している.本年度は,関節自由度が高い通常歩行と単純な膝伸展・膝屈曲運動を対象とし,運動の複雑性と運動機能の低下度との関連性を明らかにすることを中心に研究を行った.本年度の具体的な研究実績は以下のとおりである.歩行能力や起居能力に関連深い膝関節伸展筋力に着目し,膝関節伸展運動に伴う大腿四頭筋の表面筋電図と筋音図を健康な高齢者5名,本学の大学生3名から計測した.得られた信号を離散ウェーブレット変換することで,周波数帯域ごとのパワー値(振幅情報)を比較した.その結果,(1)表面筋電図よりも筋音図の方が高齢者と若者との比較においては顕著な差が生じること,(2)筋音図のパワー値(振幅情報)は7.8Hz以上の周波数帯域では高齢者の方が小さいが,3.9Hz7.8Hzの低周波数帯域においては,高齢者の方が大きいこと,(3)膝関節伸展運動に伴う大腿四頭筋の活動に関する表面筋電図,筋音図ともに,高齢者の方が若者より低周波数成分の割合が多いこと,が判明した.一般的に,高齢者は若者に比べると筋力の低下,動作の緩慢さ,疲労のしやすさが顕著となることが言われている.これらは,加齢による速筋線維の選択的な萎縮が原因と考えられている.今回,高齢者から測定した筋音図信号にウェーブレット変換を施すと,高齢者の主要な筋活動の周波数帯域は若者と比べ,統計的に有意に低周波数帯域へシフトしている様態が明らかとなった.筋音図信号の低周波数化は加齢に伴う速筋線維減少を示す一つの指標と成り得ることが示唆された.実験を行うためには,山形県立保健医療大学の倫理審査を経る必要があり,手続きに関して時間を要した.しかし,倫理審査を経る間,これまで予備実験として行ってきた実験結果をまとめる形で,6月にはオーストラリアブリスベンで開催された国際会議(XXVI Congress of the International Society of Biomechanics)で研究発表を行うことが出来た.本研究遂行に関する倫理審査も無事に通過することが出来た.平成30年度は,倫理審査を経た実験「終末糖化産物AGEsと下肢筋シナジーの協関を指標とした高齢者転倒予測モデルの開発」を山形県立保健医療大学において実施し,データの収集と分析を行った.具体的な研究成果は以下のとおりである.1下肢のAGEs蓄積量を非侵襲的に皮膚の蛍光強度(auto fluorescence: AF)として測定した.測定部位は大腿の前面と後面,下腿の前面と後面,および,臀部とし,高齢者20名,若者18名を計測して比較を行った.いずれの測定部位においてもAFの値は若者より高齢者で高く,かつ,高齢者と若者共に近位部位で遠位部位より高い傾向であることが明らかとなった.二元配置分散分析の結果,加齢の効果と測定部位の効果が1%で有意であった.2高齢者の歩行時の身体の安定性と視覚情報との関係を明らかにする目的で,視覚情報遮断ゴーグルを用いて,視覚情報遮断刺激

10 Hz,30 Hzおよび,無刺激(ゴーグル無し)の3条件を設定し,高齢者と若者とを10分間8の字歩行させる実験を行った.評価指標は一般的に良く用いられているスライドインターバル,歩行スピード,ケーデンス,ステップ長とし,高齢者と若者とで10分間の経時的変化を比較した.分散分析の結果,高齢者において,視覚情報遮断刺激の主効果が有意であった.特に,高齢者では30 Hzの比較的強い強度の視覚情報遮断刺激暴露に伴い有意にステップ長が減少する傾向が明らかとなった.当初の研究計画通り,運動の複雑性を外的基準に,筋群の協調性(筋シナジー)と筋の生化学的な老化度(最終糖化産物: AGEs)を尺度とした下肢運動機能障害を評価する研究を行う.そのために,運動の複雑性と運動機能の低下度との関連性を中心に検討する.関節自由度が高い歩行運動と単純なぺダリングに伴う膝伸展・屈曲運動を対象とし,それぞれの運動ごとに筋シナジーを算出し筋シナジーの数と寄与率を求める.さらに,山形県立保健医療大学にて,高齢者の下肢筋群から最終糖化産物(AGE)量を計測し,運動機能の低下度との相関関係を明らかにする.下肢筋群の協調性の低下度と今年度得た研究成果である筋の生化学的老化度との関連性を解明する.そのため,下肢11部位から得た筋電図データから筋シナジーを算出し,skin AFとの相関分析を行う.また,2019年度が研究計画の最終年度となるため,これまで得た研究成果を海外のジャーナルへ投稿する.7-8月にカナダのカルガリーで行われる国際会議(XXVII Congress of the International Society of Biomechanics: ISB2019)で共同研究者らと共に発表の機会を得たため,定例の研究会を国際会議会場で開催し,研究成果を確認しあいながら,本研究テーマに関する研究活動の総括を行う.山形県立保健医療大学で行う予定だった実験に関して,倫理審査をパスするのに時間を要し,当初,平成29年度に予定していた実験を平成30年度に行うように計画を変更したため.倫理審査は平成30年2月に通過したので,平成30年度は前年度分も含め,実験を行う予定である.オープンアクセスの海外のジャーナルの論文掲載費用として約30万円を予算化していたが,投稿した論文が残念ながらリジェクトとなったため.現在,リジェクトされた論文のレフェリーコメントを分析し,次年度,再度,海外のジャーナルへ投稿するよう準備を進めている.
凸最適化の逆問題に基づいた 入力・状態拘束系の非線形最適制御

本研究課題は,入力・状態拘束を有する非線形システムに対する最適制御則の統一的な設計法の確立を目指すものである.具体的には,制御リアプノフ関数に基づいた逆最適制御則設計法を入力・状態拘束系に対して拡張するとともに,得られた知見を援用することで,非線形モデル予測制御における新たな拘束条件の取り扱い法を提案することを目的としている.本年度は,前年度に構築した入力拘束を考慮した設計法に制御バリア関数を組み合わせることで,新たに入力・状態拘束を考慮可能な制御則設計法を構築した.提案法は,入力拘束のみの場合と同様,凸最適化問題の解として安定化制御則を設計可能である.次年度は,この設計法で得られた制御則の逆最適性について理論的に明らかにするとともに,非線形モデル予測制御への展開を行う予定である.また,当初計画では想定していなかった成果として,これらの凸最適化に基づいた設計法を用いることで,局所的な制御則と大域的な制御則を連続的に接続可能である,という新たな知見を得ることができた.この結果を発展させることで,局所的な制御性能と大域的な安定性を両立させる制御系設計が可能になると期待される.提案法の応用としては,小型の四回転翼型飛行ロボットの位置・姿勢制御と埋め込み永久磁石同期電動機の省エネルギー制御に加え,二輪車両型移動ロボットの軌道追従制御への適用について検討を進めており,次年度に検証実験を行う予定である.本年度は,前年度に得られた入力拘束を考慮した設計法と制御バリア関数の融合による,入力・状態拘束を考慮した制御則設計法を構築することができた.また,凸最適化に基づく制御系設計法に関して,局所的な制御則と大域的な制御則の融合に利用可能である,という新たな知見を得ることができた.状態拘束を考慮した場合の逆最適性については更なる理論的な解析が必要であるため,モデル予測制御への展開についてはやや遅れているものの,理論面ではほぼ計画通りに進捗している.実システムへの応用に関しては,小型の4回転翼UAVと車両型ロボットへの適用について検討しており,次年度へのステップとして,最低限の予備的な成果は得られている.以上より,総合的に評価しておおむね順調な進捗であると考える.本年度に提案した入力・状態拘束を考慮した制御則設計法を,理論.応用の両面で発展させていきたい.理論面では,提案設計法により得られた制御則がどのような評価関数を最小化するか(逆最適性)について解析を進めるとともに,得られた知見をモデル予測制御における評価関数設計に適用する方法について検討を進める.応用面では,提案設計法を4回転翼型飛行ロボット・二輪車両型移動ロボットの位置・姿勢制御や埋め込み永久磁石同期電動機の省エネルギー制御問題に適用し,数値シミュレーションと実機実験により有効性の検証を行う.本研究課題は,入力・状態拘束を有する非線形システムに対する最適制御則の統一的な設計法の確立を目指すものである.具体的には,制御リアプノフ関数に基づいた逆最適制御則設計法を入力・状態拘束系に対して拡張するとともに,得られた知見に基づいた新たな拘束条件付き非線形モデル予測制御アルゴリズムを開発することを目的としている.初年度である平成29年度は,入力拘束を持つ非線形システムに対して,制御リアプノフ関数と凸最適化理論に基づいた逆最適制御則設計法を構築した.この設計法は,凸最適化におけるkarush-Kuhn-Tucker条件と最適制御問題におけるHamilton-Jacobi-Bellman方程式の等価性に基づくものであり,入力拘束が存在する場合でも意味のある評価関数を最小化するような制御則の設計が可能である.また,最小化される評価関数の形状とロバスト性の関連についても理論的な解析を行った.当初の計画では,状態拘束の取り扱いについてシステム蘇生変換とよばれる微分同相写像を用いることを想定していたが,検討を進める中で制御バリア関数を用いる方が上記設計法との相性が良いことが明らかになった.実システムへの応用に関して,研究計画では埋め込み永久磁石同期電動機のみを想定していたが,本年度はこれに加えて小型の4回転翼UAVへの応用に関する検討を行った.具体的には,制御リアプノフ関数を用いた様々な制御則を設計し,数値シミュレーションによりその有効性を検証した.本年度は,最大の目標であった入力拘束を考慮した逆最適制御則設計法を構築することができた.状態拘束の取り扱いについても,制御バリア関数による方法が有望であるとの知見が得られた.また,4回転翼UAVへの応用可能性について検討することができた点は,当初の計画以上の進展があったといえる.研究代表者の所属機関変更に伴いモデル予測制御に関する進捗はやや遅れているものの,総合的に評価しておおむね順調な進捗であると考える.本研究課題は,入力・状態拘束を有する非線形システムに対する最適制御則の統一的な設計法の確立を目指すものである.具体的には,制御リアプノフ関数に基づいた逆最適制御則設計法を入力・状態拘束系に対して拡張するとともに,得られた知見を援用することで,非線形モデル予測制御における新たな拘束条件の取り扱い法を提案することを目的としている.本年度は,前年度に構築した入力拘束を考慮した設計法に制御バリア関数を組み合わせることで,新たに入力・状態拘束を考慮可能な制御則設計法を構築した.提案法は,入力拘束のみの場合と同様,凸最適化問題の解として安定化制御則を設計可能である.次年度は,この設計法で得られた制御則の逆最適性について理論的に明らかにするとともに,非線形モデル予測制御への展開を行う予定である.

また,当初計画では想定していなかった成果として,これらの凸最適化に基づいた設計法を用いることで,局所的な制御則と大域的な制御則を連続的に接続可能である,という新たな知見を得ることができた.この結果を発展させることで,局所的な制御性能と大域的な安定性を両立させる制御系設計が可能になると期待される.提案法の応用としては,小型の四回転翼型飛行ロボットの位置・姿勢制御と埋め込み永久磁石同期電動機の省エネルギー制御に加え,二輪車両型移動ロボットの軌道追従制御への適用について検討を進めており,次年度に検証実験を行う予定である.本年度は,前年度に得られた入力拘束を考慮した設計法と制御バリア関数の融合による,入力・状態拘束を考慮した制御則設計法を構築することができた.また,凸最適化に基づく制御系設計法に関して,局所的な制御則と大域的な制御則の融合に利用可能である,という新たな知見を得ることができた.状態拘束を考慮した場合の逆最適性については更なる理論的な解析が必要であるため,モデル予測制御への展開についてはやや遅れているものの,理論面ではほぼ計画通りに進捗している.実システムへの応用に関しては,小型の4回転翼UAVと車両型ロボットへの適用について検討しており,次年度へのステップとして,最低限の予備的な成果は得られている.以上より,総合的に評価しておおむね順調な進捗であると考える.前年度に構築した設計法に制御バリア関数を組み合わせることで,入力・状態拘束を考慮した逆最適制御則設計法を提案する予定である.さらに,この設計法の構築過程で得られた知見を応用した,新たな拘束条件付き非線形モデル予測制御アルゴリズムについても検討を進めていきたい.実システムへの応用としては,埋め込み磁石同期電動機および4回転翼UAVを対象に実機実験を行い,提案した設計法の有効性を検証する.また,前年度の研究成果の公表にも力を入れて取り組みたい.本年度に提案した入力・状態拘束を考慮した制御則設計法を,理論.応用の両面で発展させていきたい.理論面では,提案設計法により得られた制御則がどのような評価関数を最小化するか(逆最適性)について解析を進めるとともに,得られた知見をモデル予測制御における評価関数設計に適用する方法について検討を進める.応用面では,提案設計法を4回転翼型飛行ロボット・二輪車両型移動ロボットの位置・姿勢制御や埋め込み永久磁石同期電動機の省エネルギー制御問題に適用し,数値シミュレーションと実機実験により有効性の検証を行う.研究代表者の所属機関変更に伴い,購入を予定していたソフトウェアの購入が必要なくなったこと,また国際会議への参加を見合わせたことにより,次年度使用額が生じた.次年度は,初年度に得られた研究成果の公表を重点的に行うため,国際会議・国内会議のための旅費,学術論文誌への論文投稿料および英文校正料の支出を予定している.また,実機実験および研究打合せを行うのための旅費としても使用する予定である.本年度までに得られた成果について学術論文の執筆が遅れており,英文校正料および論文投稿料として計上していた予算をしなかったため.次年度は,本年度までに得られた研究成果の公表について,特に学術論文誌・国際会議への投稿を中心に進めるため,論文投稿料・英文校正料と国外旅費として支出を予定している.また,提案設計法の有効性検証のため,二輪車両型移動ロボットを購入するための予算としても支出予定である.
純スピン流の局所注入による多ビット情報書込み技術の創出

電子デバイスの高機能化に伴う情報量の増大は著しく、磁気記録装置の需要が年々増加している。ナノサイズの強磁性薄膜における多磁区構造と局所的な純スピン流注入を用いた革新的マルチビット磁気記録技術を考案し、その実現のために必要な磁気渦構造の旋回方向、及び渦数の制御技術、巨大な純スピン流を生成を生成する多端子スピン流注入技術、及び純スピン流注入による局所領域磁化反転などの要素技術の開発に成功した。これらの要素技術を結集により、革新的マルチビット書込技術の展開が期待できる。本研究の目的は、強磁性体をサブミクロンサイズに加工して人工的に創出した多磁区構造を用いて、複数の情報(多ビット化)を書込・記憶させる革新的磁気記録技術を開発することである。研究代表者が考案した純スピン流(電流の流れを伴わないスピンの流れ)の局所的注入技術を用いた書込アーキテクチャは、多磁区構造を形成しているナノ磁性体の一部の磁区構造のみを選択的かつ低消費電力で反転させることを可能にする。今年度は、局所的に純スピン流を注入することで形成された磁区領域を制御することで、素子のマルチビット化の実現を目指した。4mAの直流電流を重畳して非局所スピン信号を測定したところ、直流電流から生成されるスピントルクが作用することで、外部磁化からの磁化反転よりも早い段階で局所的な磁化反転が起こることが観測された。こうして得られた信号から3段階の抵抗変化が見られ、3状態からなるマルチビットを実現した。さらに8mAの直流電流を重畳させることでさらに早い段階での局所的磁化反転がなされ、最大4状態からなるマルチビット化に成功した。今年度は、磁区構造制御に必要な、純スピン流の生成法、及びその巨大化について検討した。強磁性/非磁性のオーミック接合は、トンネル接合に比べて格段に大きな許容電流密度を持つが、スピン流の生成効率が小さくなるため、大きなスピン流を生成するためには、何らかの改善が必要である。ここでは、横型スピンデバイス構造の柔軟性を利用した『スピン生成源の多端子化』と純スピン流の特徴である『スピン流の合成技術』を実現し、生成スピン流の限界を打破、及び巨大スピン流の創出を行う。今年度は、純スピン流の制御技術として、スピン生成源の多端子化による純スピン流の巨大化、及び生成スピン流と吸収磁性体の相対角度を制御し、スピン吸収の角度依存性を調べた。その結果、生成スピン端子を4つまで増大させる新構造を提案し、生成スピン流の上限が、約4倍、大きくなることを実証した。本研究の目的は、強磁性体をサブミクロンサイズに加工して人工的に創出した多磁区構造に、電気の流れを伴わない純スピン流を局所的に注入することで、一部の磁区構造のみを選択的かつ低消費電力で反転させる書き込み技術を開発することである。本技術の開発により、従来の制御法では実現不可能な新奇多磁区構造が得られると共に、単一のナノ磁性体中に複数の情報を書込・記憶させる(多ビット化)することで、限界が近づきつつある磁気記録密度にブレークスルーを引き起こすと期待される。初年度である今年度は、代表者が所有している高分解能な磁気力顕微鏡を用いて、局所スピン流注入下のナノ磁性体の磁区構造変化を調べるために、電流導入端子を内蔵した磁気力顕微鏡システムの構築を行った。これまで、孤立したナノ磁性体の磁気力顕微鏡による磁区構造の観察はよく行っていたが、デバイス化されて複数の構造が付加したナノ磁性体では、さまざまな形状の変化が微小な磁区構造の変化を観察するのを妨げることが判明した。さらに、磁区構造観察にもっとも重要な磁性体コート探針が、デバイスを観察することで、すぐに劣化してしまう等の問題があり、磁区構造制御の確認において、磁気力顕微鏡以外に電気的検出法も適用すべきであると考え、そちらの研究も行った。その結果、電気的検出方法において、多磁区構造の変化に対応した電気信号変化を観測することにも成功した。局所スピン流注入を実現する素子構造の作製技術を一昨年に開発し、さらに今年度は、同構造を用いて局所スピン注入を実現した。その結果、マルチビットに対応する多段のスピン信号変化が観測され、多ビット磁気記録の実現に大きく前進した。デバイスの作製技術に関しては、電子線描画装置の徹底的な条件の見直しや、電極材料の高品質化を実施することで、当初の予想以上の精度と性能を持つデバイスの作製に成功しており、極めて順調な立ち上がりであった。一方で、デバイスの評価に関しては、当初、磁気力顕微鏡による磁区構造観察を用いていたため、前述の問題もあり、評価に少し時間的な遅延が生じたように感じたが、電気的検出法を組み合わせた手法の開発に成功したことで進捗状況が回復し、当初の計画通りに研究は進展している。代表者は既に1多端子スピン注入源を用い、巨大純スピン流を生成させる技術2

磁化に対して垂直方向の成分を持つスピン流を注入させることで、磁化反転に必要なスピン流を最小限に低減させる技術3ホイスラー合金電極を用いてスピン生成効率を飛躍的に向上させる技術を有しており、それら3つの要素技術を組み合わせることで、書込技術の高性能化を実現する。主に電気的検出法を用いて、局所純スピン流注入による安定した磁区構造制御をおこなう。さらに、デバイスの高性能化実現に向けて、多端子スピン生成による超巨大スピン流の創出、高速スピン流注入による書込み動作の低消費電力化、高スピン偏極材料による純スピン流の高効率生成の3つの要素技術の開発を行い、最終的にすべての技術を結集させ、書込み技術の高性能化を実現する。主に、実験消耗品(有機溶剤、電子線レジスト、蒸着材料等)と国内会議用の旅費である。物品費の主は、実験用消耗品(有機溶剤、電子線レジスト、手袋等)や高圧ガス、寒剤であり、国内の学術会議出席用の旅費の計上も予定している。
超音波を併用した超臨界二酸化炭素による再生医療用材料の創製

本研究では、超臨界二酸化炭素を利用し、豚などの異種哺乳動物の組織に超音波照射することで、細胞成分を除去し、再生医療に利用できる再生医療材料として、新規バイオスカフォールド(細胞外マトリックス)の製造法を開発した。生体組織の脱細胞化組織を用いて、マイクロX線CTにて組織構造の断面写真を積層データとして収集した。これを市販装置とするために、得られたマイクロX線CTデータを用いて、脱細胞組織の立体構造をコンピュー上で再構成することで、3Dプリンターによる組織形成に必要となる3次元脱細胞組織図を作成することに成功した。本研究では、生体毒性が極めて低く生体親和性の高い二酸化炭素を機能性溶媒として利用し、豚などの異種哺乳動物の組織に超音波照射することで、細胞成分を除去し、再生医療に利用できるバイオスカフォールド(細胞外マトリックス)の製造法を開発し、臨床応用を検討することを目的とした。26年度の研究で、異種哺乳動物の組織から拒絶反応の原因となる細胞成分を除去し、高い細胞密度を実現するバイオスカフォールド生体材料を製造する超臨界二酸化炭素超音波分散法を開発した。超臨界二酸化炭素中での超音波照射を応用し、細胞浸透性の高いナノバブルを組織の細胞内に導入後、ラットならびに豚組織から超臨界二酸化炭素存在下で細胞成分を分離し、成分分析を行った。さらに、ラットの生体組織の脱細胞化組織を用いて、マイクロX線CTをもちいて組織構造の断面写真を積層データとして収集した。CO2を機能性溶媒として利用し、豚ならびにラットの異種哺乳動物の組織に超音波照射することで、細胞成分を除去し、再生医療に利用できるバイオスカフォールド(細胞外マトリックス)の製造し、これを市販装置とするために、脱細胞化した組織について、マイクロX線CTをもちいて組織構造の断面写真を積層データとして収集した。さらに、得られたマイクロX線CTデータを用いて、脱細胞組織の立体構造をコンピュー上で再構成することで、3Dプリンターによる組織形成に必要となる3次元脱細胞組織図を作成することに成功した。26,27年度の研究で、異種哺乳動物の組織から拒絶反応の原因となる細胞成分を除去し、高い細胞密度を実現するバイオスカフォールド生体材料を製造する超臨界二酸化炭素超音波分散法を開発した。CO2、フロン、ジメチルエーテルを機能性溶媒として利用し、豚ならびにラットの異種哺乳動物の組織に超音波照射することで、細胞成分を除去し、再生医療に利用できるバイオスカフォールド(細胞外マトリックス)の製造し、これを市販装置とするために、脱細胞化した組織について、マイクロX線CTをもちいて組織構造の断面写真を積層データとして収集した。当初の計画では、超臨界二酸化炭素中での超音波照射を応用し、細胞浸透性の高いナノバブルを組織の細胞内に導入後、ラットならびに豚組織から超臨界二酸化炭素存在下で細胞成分を分離し、ラットの生体組織の脱細胞化組織を用いて、マイクロX線CTをもちいて組織構造の断面写真の積層データを収集することであったが、さらに、得られたマイクロX線CTデータを用いて、脱細胞組織の立体構造をコンピュー上で再構成することで、3Dプリンターによる組織形成に必要となる3次元脱細胞組織図を作成することに成功したことは、当初の計画以上に進展していると評価できる。本研究では、生体毒性が極めて低く生体親和性の高い二酸化炭素を機能性溶媒として利用し、豚などの異種哺乳動物の組織に超音波照射することで、細胞成分を除去し、再生医療に利用できる再生医療材料として、新規バイオスカフォールド(細胞外マトリックス)の製造法を開発し、臨床応用を検討することを目的とした。28年度の研究で、異種哺乳動物の組織から拒絶反応の原因となる細胞成分を除去し、高い細胞密度を実現するバイオスカフォールド生体材料を製造する超臨界二酸化炭素超音波分散法を開発した。

本研究では、超臨界二酸化炭素を利用し、豚などの異種哺乳動物の組織に超音波照射することで、細胞成分を除去し、再生医療に利用できる再生医療材料として、新規バイオスカフォールド(細胞外マトリックス)の製造法を開発した。生体組織の脱細胞化組織を用いて、マイクロX線CTにて組織構造の断面写真を積層データとして収集した。これを市販装置とするために、得られたマイクロX線CTデータを用いて、脱細胞組織の立体構造をコンピュー上で再構成することで、3Dプリンターによる組織形成に必要となる3次元脱細胞組織図を作成することに成功した。当初の計画では、超臨界二酸化炭素中での超音波照射を応用し、細胞浸透性の高いナノバブルを組織の細胞内に導入後、ラットならびに豚組織から超臨界二酸化炭素存在下で細胞成分を分離し、ラットの生体組織の脱細胞化組織を用いて、マイクロX線CTを用いて組織構造の断面写真の積層データを収集することであったが、さらに、得られたマイクロX線CTデータを用いて、脱細胞組織の立体構造をコンピュー上で再構成することで、3Dプリンターによる組織形成に必要となる3次元脱細胞組織図を作成することに成功したことは、当初の計画以上に進展していると評価できる。臨床応用を検討するために、ラットの各生体組織を、開発した超臨界二酸化炭素超音波分散法を用いて脱細胞化する。細胞増殖の知見をもとに、脱細胞化組織(細胞外マトリックス)を用いて、ラットの組織再生実験を行う。さらに、マイクロX線CTを用いて収集した脱細胞組織の積層写真データから作成した3次元脱細胞組織図をもとに、立体再構成3D画像を作成し、3Dプリンターによる脱細胞組織の立体再構成実験を行う。化学工学再生医療に利用できる細胞外マトリックス(バイオスカフォールド)をプロトタイプとして製造し、臨床応用を検討するために、ラットの各生体組織の脱細胞化組織を、開発した超臨界二酸化炭素超音波分散法を用いて脱細胞化する。さらに、マイクロX線CTを用いて収集した脱細胞組織の積層写真データから作成した3次元脱細胞組織図をもとに、3Dプリンターによる脱細胞組織の立体再構成実験を行う。得られたマイクロX線CTによる脱細胞バイオスカフォールド臓器の断層写真データを3Dプリンターで印刷する材料費が必要なため。想定以上に研究が進み、平成26年度に想定していた以上に国際学会での学会発表があり、旅費が超過した。また、再生医療の研究でも想定以上に実験がすすみ、当初、ラットの生体組織の脱細胞化組織を用いて、マイクロX線CTをもちいて組織構造の断面写真の積層データを収集することまでを計画していたが、さらに、得られたマイクロX線CTデータを用いて、脱細胞組織の立体構造をコンピュー上で再構成することで、3Dプリンターによる組織形成に必要となる3次元脱細胞組織図を作成することに成功した。そのため、必要な試薬の追加が必要となった。これらの理由により、次年度使用額が生じた。
真核アミノアシルtRNA合成酵素による自然免疫活性化の構造基盤の解明

ヒトを含む高等真核生物のアスパラギン酸tRNA合成酵素のN末端ドメイン断片(D1)は自然免疫反応を惹起するTLR2およびTLR4を活性化する事が近年明らかになった。TLRは、細菌等の外因性因子に応答して自然免疫反応を誘導する受容体であるが、近年内因性リガンドの存在が提唱されており、内因性リガンドとしてのD1の発見は、アミノアシルtRNA合成酵素の新規機能というだけでなく免疫学的見地からも非常に意義深い。そこで、TLRに対する内因性リガンドD1による自然免疫惹起の構造基盤を解明するため、複合体の構造解析に取り組んでいる。結晶構造解析を行うに当たり、TLRの発現量の低さが課題となっていたが、昨年度までの実績として昆虫細胞を用いた発現系で先行研究の100倍以上の収量でTLR2, TLR4の細胞外ドメインを発現・精製することに成功した。本年度は得られたタンパク質を用いて、結晶化スクリーニングを行ったが、結晶を得ることはできなかった。D1による自然免疫惹起の際に、TLR4の補因子であるMD-2が活性に重要である可能性を考え、現在精製系の確立及び結晶化に向けた準備を行っている。加えて本年度は、自然免疫に関連する受容体DDX41の構造解析も行っている。DDX41はDEAD-box型ヘリケースに分類され、細菌感染によって生じたc-diGMPを直接認識し、ER上に存在する受容体STING依存的な経路を活性化し、I型インターフェロンの産生に関与することが報告された。DDX41によるリガンド認識及びシグナル伝達反応機構の解明を目指し、構造解析を行っている。現在までにコンストラクションの改変及び発現・精製系の確立を行い、得られたタンパク質を用いて結晶化スクリーニングを行った。最終的にヒト由来DDX41DEADcドメインにおいて分解能3Åを超えるデータセットを与える結晶を得た。今年度が最終年度となる。本年度は、TLR・D1複合体の結晶構造解析を進展させるとともに、自然免疫系において受容体として働くDDX41の結晶構造解析を行った。コンストラクションの最適化、大量発現・精製系の確立及び結晶化を行い分解能3Åを超えるX線回折像を得ることに成功し、目標としている構造解析の目前まで大きく進展した。特にc-diGMPによる自然免疫惹起に関しての構造学的な知見は乏しく、この分野の研究を大きく進展するものである。TIR/D1複合体の構造解析において、TLRとD1を混合して結晶化スクリーニングを行ったが、結晶を得ることができなかった。D1による自然免疫惹起の際に、TLR4の補因子であるMD-2が活性に重要である可能性を考え、現在MD-2の精製系の確立及び結晶化に向けた準備を行っている。DDX41に関しては、分解能3Åを超えるX線回折像を得ることに成功したが、位相決定には至らなかった。これは得られた結晶が, non-merohedral twinであることに起因するデータの質の悪さが原因と考えられ,今後はnon-merohedraitwinの解消を目指し構造解析可能な良質なデータを取得することを目指す。現在、タンパク質の安定性を低下させていると予想されるCys残基を置換した変異体の作成を行っている。ヒトを含む高等真核生物のアスパラギン酸tRNA合成酵素のN末端ドメイン断片(D1)は自然免疫反応を惹起するTLR2およびTLR4を活性化することが近年共同研究により明らかになった。TLRは、細菌やウイルス等の外因性因子に応答して自然免疫反応を誘導する受容体であるが、近年内因性リガンドの存在が提唱されており、内因性リガンドとしてのD1の発見は、アミノアシルtRNA合成酵素の新規機能というだけでなく免疫学的見地からも非常に意義深い。そこで、TLRに対する内因性リガンドD1による自然免疫惹起の構造基盤を解明するため、複合体のX線結晶構造解析に取り組んでいる。共同研究により得られた知見から、D1はTLR2のホモダイマー、TLR4のホモダイマー、TLR2/4のヘテロダイマーいずれかに結合し、自然免疫応答を活性化する事が示唆された。よってこれらのタンパク質間の相互作用をin vitroで確認し、結晶構造解析に適する複合体を探索することを考えた。本年度は、これらの実験に必要なTLR2,TLR4,D1試料を調製するために発現系の確立を行った。TLR2およびTLR4の細胞外ドメインは、先行研究においてもその収量は非常に少なく、結晶化における問題点となっていた。そこで、結晶化に十分量のタンパク質を確保するため、タンパク質発現系の改良を試みた。共同研究によりショウジョウバエS2細胞においてTLR4/MD2が大量に発現することが明らかになった。この発現系では、ホスト細胞のコドン使用頻度に合わせて遺伝子を全合成し、細胞外分泌シグナルを付加し細胞上清中にタンパク質を分泌させることで、発現量を劇的に改善することに成功した。TLR2,TLR4単体に関しても同様の工夫を行いタンパク質の大量発現系の構築を進めた。上記のような工夫の結果、先行研究で報告された収量の60100倍の収量を得ることに成功した。

TLRは、細菌等の外因性因子に応答して自然免疫反応を誘導する受容体であるが、近年内因性リガンドの存在が提唱されており、内因性リガンドとしてのD1の発見は、アミノアシルtRNA合成酵素の新規機能というだけでなく免疫学的見地からも非常に意義深い。そこで、TLRに対する内因性リガンドD1による自然免疫惹起の構造基盤を解明するため、複合体の構造解析に取り組んでいる。共同研究により、D1はTLR2のホモダイマー、TLR4のホモダイマー、TLR2/4のヘテロダイマーいずれかに結合し、自然免疫応答を活性化する事が示唆された。よってこれらのタンパク質間の相互作用をin vitroで確認し、結晶構造解析に適する複合体を探索する事を考えた。結晶構造解析を行うに当たり、TLRの発現量の低さが課題となっていたが、昨年度までの実績として昆虫細胞を用いた発現系で先行研究の100倍以上の収量で発現する事が確認された。本年度は、結晶化に備えTLR2、TLR4細胞外ドメインの精製系の確立を行った。目的タンパクを分泌させた培養上清からNiアフィニティーカラム、陰イオン交換クロマトグラフィー、ゲル濾過クロマトグラフィーを用いて高純度に精製する事に成功し、結晶化に十分な高純度で精製する事に成功した。今後はこれらのタンパク質試料を用いた結合実験及び結晶構造解析を行いたいと考えている。加えて本年度は、自然免疫に関連し、バクテリアの感染の際にセカンドメッセンジャーとして働くcyclic di-GMPの細胞内受容体であるDDX41の構造解析も行っている。数種のcDNAからクローニングを行い、現在、結晶化に適した発現精製系の構築を行っている。ヒトを含む高等真核生物のアスパラギン酸tRNA合成酵素のN末端ドメイン断片(D1)は自然免疫反応を惹起するTLR2およびTLR4を活性化する事が近年明らかになった。結晶構造解析を行うに当たり、TLRの発現量の低さが課題となっていたが、昨年度までの実績として昆虫細胞を用いた発現系で先行研究の100倍以上の収量でTLR2, TLR4の細胞外ドメインを発現・精製することに成功した。本年度は得られたタンパク質を用いて、結晶化スクリーニングを行ったが、結晶を得ることはできなかった。D1による自然免疫惹起の際に、TLR4の補因子であるMD-2が活性に重要である可能性を考え、現在精製系の確立及び結晶化に向けた準備を行っている。加えて本年度は、自然免疫に関連する受容体DDX41の構造解析も行っている。DDX41はDEAD-box型ヘリケースに分類され、細菌感染によって生じたc-diGMPを直接認識し、ER上に存在する受容体STING依存的な経路を活性化し、I型インターフェロンの産生に関与することが報告された。DDX41によるリガンド認識及びシグナル伝達反応機構の解明を目指し、構造解析を行っている。
高ベータ-磁気圏内の反磁性磁気流体波の構造

地球磁気圏内のプラズマシート領域や環電流粒子領域は、磁気圧とプラズマ圧が同程度である高ベータ-磁化プラズマである。此の領域では、人工衛星による磁場および高エネルギー粒子の直接観測から、磁気圧変動と粒子圧変動が反位相を示す数百秒周期の脈動が観測されている。本研究では、磁力線方向にエネルギーを伝える二つの局所化磁気流体波、即ちアルビン波と低速磁気音波の結合不安定を重点的に数値解析し、反磁性を示すULF脈動の発生機構・振動特性を明らかにした。(1)アルビン波と反磁性低速磁気音波の共鳴結合振動高ベータ-プラズマ内の二つの局所化モードの結合に関する方程式系を二流体モデルおよび粒子像の観点から導出し、特に反磁性に対する磁力線の曲率効果が無視し得る條件やドリフト波との結合が明らかにされた。(2)反磁性ドリフトアルビン波のバルーニング不安定磁力線の曲率が磁気勾配に比して小さい場合、低速磁気音波との曲率による直接結合よりもバルーニング不安定性が重要となる。ドリフトアルビン波の磁力線沿いの固有値解析を実施し、その結果、電場が赤道で最大となり電離層で完全反射となる基本モードのみが不安定となることが示された。此のモードの電場は静電場であるが、静的平衡が反磁性であるために、変動部分も磁気圧と気体圧が反相関を示すことになる。一方高調波は、磁力線全域にわたって振動解となり、電離層中の有限電気伝導度を考慮すると、減衰振動となる。等価回路的考察を適用すると、バルーニング不安定に対応する場合は、負のインダクタンス回路が存在することになる。(3)不安定モードの周期、伝播方向(イオンの平均ドリフト方向)、反磁性関係等を考慮すると、磁気嵐時脈動の説明として、反磁性ドリフトアルビン波がもっとも有効である。