hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
カルシウム感受性蛍光タンパクを用いたスライス及びin vivo脊髄イメージング

本研究は脊髄後角における神経活動を二次元的に測定する目的で、アデノ随伴ウイルス(AAV)ベクターを用いて脊髄後角および後根神経節(DRG)にカルシウム感受性蛍光タンパク質を導入することを目的とした。髄腔内に接種したAAVベクターは、投与後12週間で、脊髄後角およびDRGにおいて標識タンパクであるTurboRFPを発現させる可能性があることを見出した。しかし、免疫組織学的技術の限界のために、導入遺伝子由来タンパクが脊髄後角およびDRGにおいて確実に発現されたという確認は困難だった。そのため、その先に計画した生理学的実験の結論は明らかにできなかった。平成27年度は、まずアデノ随伴ウイルス(Adeno-associated virus:AAV)ベクターを用いてラット及びマウスの一次知覚神経に外来遺伝子を発現させるため、くも膜下腔へのウイルスベクターの接種を行う予定であった。米国ペンシルバニア州立大ベクター産生施設との間で物質移動合意書(MTA:Material Transfer Agreement)を締結し、AAVベクター(AAV5.CMV.TurboRFP.WPRE.rBG: AV-5-PV2177)ならびにカルシウム感受性蛍光タンパクをコードするAAVベクター(AAV5.Syn.GCaMP6f.WPRE.SV40: AV-5-PV2822及びAAV5.CAG.GCaMP6s.WPRE.SV40: AV-5-PV2833)を入手した。同時に当科でin vivoカルシウムイメージングのための設備のセットアップを行なった。ペンシルバニア州立大との間のMTAの締結が書類不備により10月にずれ込み、AAVベクターの入手が11月後半にずれ込んだこと、AAVベクターを接種後、実験動物を飼養する施設を、当初は当研究室が有するP1A飼養施設を用いる予定が、動物実験センターとの話し合いで動物実験センター内で行うことになり、手続きに時間を要したこと、in vivoカルシウムイメージング及び、in vitroカルシウムイメージングの設備も、学内の他の実験室から移設する必要が生じ、そのセットアップに時間を要したことなどが原因。アデノ随伴ウイルス(Adeno-associated virus:AAV)ベクターを用いて、マウスの一次知覚神経の後根神経節(DRG)に外来遺伝子を発現させるため、始めに遺伝子導入効率を検討した。導入効率を検討するためのAAVベクター(AAV5.CMV.TurboRFP.WPRE.rBG)5μl / bodyを脊髄くも膜下腔に投与し、その後、1週間・2週間・3週間後および比較対象として未処置(Naive)のマウスの脊髄およびDRGを採取し、組織学的染色法により検討した。投与後2週間後のDRGにおいてAAVの感染はピークとみられることが示唆された。また、脊髄後角では投与1週間後に多いようだが、2週間後・3週間後とあまり変化はないように思われた。以上の結果より、使用したAAVベクターの蛍光色素が弱いこと、またはバックグラウンドの可能性が排除できないことから、はっきりとした感染効率の時間が確認できなかった。次に、バックグラウンドなのか、実際に感染しているのか、感染しているとすれば時期はいつなのかを検討するため、AAVベクターを認識する抗体(Anti-RFP)を使用し、免疫組織化学染色法を1次抗体として使用し染色を行った。1次抗体の濃度は、1:400, 1:800, 1:1600で検討し、2次抗体は蛍光強度の異なるCy3, Rhodamineを用いて1:1000, 1:2000で検討した。DRGではAAV投与後1週間後のDRGでRFP陽性細胞の数が多いように思われた。しかし、これはanti-RFPなしの染色時では2週間後がピークと思われた結果とはことなった結果となった。また、ネガティブコントロールとして使用したNaiveのDRG切片においても同様に染色した結果、わずかにanti-RFP陽性細胞の染色がみられた。(anti-RFP 1:400, Rhodamin 1:1000)本研究は脊髄後角における神経活動を二次元的に測定する目的で、アデノ随伴ウイルス(AAV)ベクターを用いて脊髄後角および後根神経節(DRG)にカルシウム感受性蛍光タンパク質を導入することを目的とした。飼養施設の問題はすでに解決済みであり、カルシウムイメージング設備についてもセットアップはほぼ完了している。研究代表者の異動もあり、研究体制も不安定だったが、実験補助者との連携を強化することにより改善可能と考えている。生理学実験については、最悪in vivoカルシウムイメージングに絞って施行することも視野に入れているが、遺伝子導入法が確立することにより、行動実験や組織学実験への適応が広がることを期待している。麻酔科学、神経科学実験環境の整備に手間取ってしまったため、研究の進捗が遅れたのが理由平成27年度に行う予定だった研究を平成28年度に先送りして施行予定のため、消耗品費等はそのままくりこして使用する。
ミクロ多相系バイオアクタ-の特性と物質合成への応用

酵素を含むミクロな多相反応系を構築し、その構成成分間の相互作用から生まれる高度の複合機能を明らかにすると共に、新しいバイオアクタ-としての有用性を実証することを目的に研究を行い、以下の成果を得た。1。水ー有機溶媒系でプロテア-ゼによるアミノ酸エステルの加水分解を行い、酵素活性と立体特異性の溶媒組成依存性を詳細に検討した。その結果、高濃度(90%以上)の親水性有機溶媒(例えばアセトニトリル)中では、酵素は高い活性を保持し、また水中と比較してはるかに高い立体特異性を示することを見いだした。この結果を利用して、高効率で分離の容易なアミノ酸の光学分割法を実現した。2。有機溶媒中での酵素の固定化担体と固定化法について詳細に検討した。特にポリビニルアルコ-ルへの包括固定化及び橋掛けキトサンビ-ズへ吸着固定化したプロテア-ゼによるアミノ酸のエステル化およびペプチド合成を行い、これらの固定化酵素が長期間にわたり安定で高い活性を保持することを明らかにした。3。親水性有機溶媒中でのプロテア-ゼによるペプチド合成反応における基質特異性の変化を検討した。その結果、αーキモトリプシンやスブチリシンのS_<1'>特異性が、水中におけるペプチドの合成及び加水分解反応に対する特異性と大きく異なることが見いだされた。これらの結果から、酵素周辺の環境が酵素構造及び酵素ー基質間の相互作用に与える影響について考察した。1。2。3。
青斑核ノルアドレナリン神経活動制御因子の同定と生理機能解明

青斑核ノルアドレナリン神経(LC-NA神経)は、様々な生理機能に関わっているが、特に動機などの意志力生成において極めて重要な役割を担っている。本研究では、独自に同定したLC-NA神経活動を制御する4因子の作用メカニズム、意志力形成における役割について明らかにし、その応用による意志力の制御を試みる。
植物化学物質(ファイトケミカル)の老化及び疾患関連変性神経細胞への影響

植物化学物質の中で効果の期待できる赤ワインポリフェノールのレスベラトロール(RSV)に限定して、その影響を老化促進マウスP10(SAMP10)の神経細胞と肝細胞及びラットの培養神経細胞(PC12細胞)で解析した。RSV投与で老齢SAMP10の神経細胞の変性度が減少したが、肝細胞でより明確な細胞老化/変性の改善効果がみられた。培養細胞での直接作用で、RSVがミトコンドリアとオートファジー(自食作用)を活性化することにより細胞寿命の延長に貢献することが示唆された。抗酸化能をもつ植物化学物質(ファイトケミカル)の神経細胞への影響を、培養細胞、通常のラット及び老化促進マウス(SAMP10)で解析した。植物化学物質は赤ワインポリフェノールのレスベラトロールと米糠成分のキサントシンを用いた。培養細胞はPC12細胞を使用し、この細胞は本来腫瘍性であるが、NGFを短時間添加すると神経性の細胞に分化するため、レスベラトロールの未分化(腫瘍性細胞)と分化(神経細胞)PC12細胞への影響の相違を同じ起源の細胞で解析し、レスベラトロールはPC12細胞が腫瘍性の場合は障害的に作用し、神経性に分化した場合は神経突起伸展作用を示すことがわかり、PC12細胞の蛋白質の発現変化もこれに対応した。ケルセチン、クルクミン、ルチンなどの分化PC12細胞での神経突起伸展能は確認したが、未分化細胞との比較は今後検討する。レスベラトロールのSAMP10への影響については、35週令のマウスに20週投与した場合は、血清過酸化脂質や肝細胞の脂肪滴の減少に加えて、神経細胞では老化マーカーのリポフスチン顆粒の減少、老化で増加する細胞骨格系の蛋白質及び細胞死促進蛋白質の発現が減少し、老化で減少するシナプス関連蛋白質、活性酸素消去酵素及び細胞死抑制蛋白質が増加し、老化抑制効果を示した。しかし、レスベラトロールを6週令のSAMP10に30週投与した場合は、肝細胞では変化みられず、中枢神経細胞では障害的変化をもたらし、また死ぬ個体も有意に多かった。レスベラトロールのカロリー制限様作用から判断して、この物質の投与に関しては、年齢(成長期ではカロリーが必要であるが、老令ではカロリー消費が寿命延長と関連する可能性)や肥満関連疾患で左右されることが強く示唆され、今後の課題である。また、通常の6週令のラットにエタノールとキサントシンを40週同時に投与すると肝細胞に加え神経細胞のエタノール障害程度が有意に緩和され、キサントシンに神経細胞保護効果があることがわかった。植物化学物質(ファイトケミカル)の1つで赤ワインポリフェノールのレスベラトロールのPC12細胞への影響、すなわち未分化(腫瘍性細胞)と分化(神経細胞)PC12細胞への影響に関して、レスベラトロールで活性化されかつカロリー制限で活性化され寿命延長に関与すると考えられている蛋白質であるSIRT1の作用について検討した。SIRT1がレスベラトロールのPC12細胞への作用に関与するかどうかを、SIRT1の活性を阻害する数種のインヒビターを用いて解析すると、レスベラトロールの作用は予想とは異なり、SIRT1を介さずに行われていることが示唆された。老化促進マウスの脳及び肝臓でのSIRT1の発現もレスベラトロールで変化がないことがわかり、レスベラトロールは今まで考えられているのと異なり、SIRT1を介してではなく別の経路を介してあるいは直接に老化あるいは変性細胞を改善することが示唆された。レスベラトロールの神経細胞への作用機序を明らかにする上で、レスベラトロールのカロリー/代謝関連機構への影響について、この化学物質が生体内の代謝の中心的存在である肝細胞ではどのようなメカニズムで改善させるか、その分子機構について解析した。35週令の老化促進マウスに20週間レスベラトロールを投与した肝細胞では細胞1個当たりの脂肪滴が有意に減少し、ミトコンドリアの数が増加した。さらに脂肪合成経路が抑制され分解経路が促進されている所見を得た。興味深いことに、脂肪滴の周囲にミトコンドリアが集積し、1個の脂肪滴に直接接触するミトコンドリアの数も増加した。同時にATP合成酵素、活性酸素消去酵素(SOD2)及び細胞死抑制蛋白(Bcl-xL)の発現が増加した。SIRT1の発現に変化がなかったが、ミトコンドリアに局在するSIRT3の発現は有意に増加したので、レスベラトロールはSIRT3を介してミトコンドリアを活性化し肝細胞老化を遅延させることが示唆された(論文投稿中)。現在、神経細胞においてもSIRT3とミトコンドリア関連蛋白との発現関係について解析している。レスベラトロールの老化促進

マウス(SAMP10)の生体内の代謝調節の中心である肝臓での影響は、肝細胞ではミトコンドリアが増加し脂肪滴が減少し、かつミトコンドリアが脂肪滴の周囲を包囲し、脂肪滴の大きさ及び分布密度が減少することがわかり、中性脂肪がミトコンドリアにより利用(β酸化)されATPが合成され、エネルギーが消費されることが示された。またクッパー細胞が増加し巨大化し食作用が活性化し、免疫能が促進され、寿命延長に貢献することが示唆された。同様の同マウスの中枢神経系におけるレスベラトロールの影響を検索すると、形態学的解析では、神経細胞ではミトコンドリアが増加し、リポフスチン顆粒が減少した。神経組織の免疫細胞化学及び生化学的解析では、シナプス小胞関連タンパク質であるシナプトフィジンの発現が増加し、神経細胞の老化が抑制されていることが示され、さらにグリアフィラメントタンパク質(GFAP)の発現が減少することも中枢神経系の老化を抑制していることと一致した。ニューローフィラメント(NF)タンパク質が減少すると共にNF-Hのリン酸化の程度が減少し、神経老化が抑制されることが示唆された。細胞死関連タンパク質に関しては、細胞死抑制タンパク質(Bc1-2、Bc1-xL)の発現が増加し、細胞死促進タンパク質(Bax)が減少することがわかり、細胞死が抑制されていることが示唆された。ミトコンドリアに局在する活性酸素消去酵素(SOD2)も特に神経細胞で増加することがわかった。これらの所見はレスベラトロール投与により、神経細胞が活性化され、神経すなわち脳の老化が抑制されていることを支持する。今後、レスベラトロールが神経細胞に直接どのように影響するか、培養細胞を用いて解析する。ポリフェノールの一種で下等動物で寿命延長効果があることが報告されているレスベラトロール(RSV)のラットのPC12細胞への影響について解析した。PC12細胞は本来腫瘍性であるが、神経成長因子で処理すると、神経細胞様に分化するので、RSVの抗腫瘍性と神経保護の作用を同一の細胞株で解析できる。RSVは未分化PC12細胞では細胞死を促進させ、分化PC12細胞では神経突起伸展作用を示し、より細胞を分化させることがわかった。RSVの細胞の分化度の違いでこの逆の作用がどのタンパク質の発現変化と対応しているか解析した。両者の細胞で発現変化に有意差があるのは、SIRT1(サーチュインファミリー)(未分化細胞で減少)、AMPK(AMP活性化キナーゼ/代謝調節リン酸化酵素)(活性型が未分化細胞で減少、分化細胞で増加)、ミトコンドリアATP合成酵素βサブユニットタンパク質(未分化細胞で減少、分化細胞で増加)、オートファジー関連タンパク質LC3-II/LC3-Iの割合(未分化細胞で減少、分化細胞で増加)であった。最後の2種類のタンパク質(ミトコンドリアとオートファジー関連タンパク質)については、ミトコンドリアの数(未分化細胞で減少、分化細胞で増加)とオートファジーの形態的指標であるオートファゴゾームの数(未分化細胞で減少、分化細胞で増加)の変化と一致した。従って、RSVは腫瘍細胞ではSIRT1を抑制し、AMPKを不活性化させ、ミトコンドリアとオートファジーの機能を低下させ、細胞死を引き起こすが、正常細胞では逆にSIRT1を促進し、AMPKを活性化させ、ミトコンドリアとオートファジーの機能を亢進させ、細胞生存を促進すると考えられる。LC3遺伝子抑制細胞では、RSVでSIRT1が両細胞で極めて亢進し、別のオートファジー関連遺伝子の作用でオートファジーが引き起こされ、同様の結果になると思われる。
膵がん細胞の放射線感受性と浸潤・転移に対するLPA受容体分子標的薬剤の治療戦略

難治性癌の一種である膵癌は遊走・浸潤能が高く,さらに放射線によりそれらが亢進することから,放射線治療時には治療範囲の決定に苦慮する例が少なくない.これまでに生理活性脂質であるリゾホスファチジン酸(LPA)単独による受容体を介した細胞遊走・浸潤の作用機構について報告してきた(Komachi M, Carcinogenesis 30: 457, 2009).今回,膵癌細胞におけるX線誘導遊走・浸潤能の分子機構の解明をめざし,LPAの影響を調べた.ヒト膵癌細胞株BxPC-3において,(1) X線4 Gy照射後,遊走・浸潤能の亢進がみられた.(2)この遊走・浸潤能はLPAによって亢進し,この亢進はKi16425で抑制された.(3) X線照射直後,ERKおよびAKTのリン酸化が見られた.(4)このリン酸化はLPAによって亢進し,この亢進はKi16425で抑制された見解が得られた.難治性癌の一種である膵癌は遊走・浸潤能が高く,さらに放射線によりそれらが亢進することから,放射線治療時には治療範囲の決定に苦慮する例が少なくない.これまでに生理活性脂質であるリゾホスファチジン酸(LPA)単独による受容体を介した細胞遊走・浸潤の作用機構について報告してきた(Komachi M, Carcinogenesis 30: 457, 2009).今回,膵癌細胞におけるX線誘導遊走・浸潤能の分子機構の解明をめざし,LPAの影響を調べた.ヒト膵癌細胞株BxPC-3において,(1) X線4 Gy照射後,遊走・浸潤能の亢進がみられた.(2)この遊走・浸潤能はLPAによって亢進し,この亢進はKi16425で抑制された.(3) X線照射直後,ERKおよびAKTのリン酸化が見られた.(4)このリン酸化はLPAによって亢進し,この亢進はKi16425で抑制された見解が得られた.
EBウイルスのLMPに対するT細胞応答研究

EBVは、上咽頭癌、種々のリンパ腫、胃がんの一部などにモノクローナルな感染が示されており、これらの癌の発生と進展に強く関与している。一方EBV陽性癌局所には、多数の細胞傷害性Tリンパ球(CTL)が浸潤している。CTLの癌細胞増殖抑制機能に関連して、今年度は以下の研究成果を得た。1.標的抗原と考えられるLMP1およびEBNA1に対するCTLを効率良く誘導するために、in vitroで合成したmRNAを導入した抗原提示細胞を用いた。この方法で樹立したLMP1特異的CTLクローンはHLA-A*0206拘束性にEBV陽性NK細胞リンパ腫株を傷害した。EBNA1特異的CTLクローンはHLA-Cw*0303拘束性にEBV陽性リンパ芽球を認識した。種々の長さに短縮した抗原遺伝子発現プラスミッドや合成ペプチドを用いて、それぞれのCTLクローンが認識するエピトープ部位のアミノ酸配列を決定した。2.研究代表者らがこれまでに同定したEBV-LMP2由来HLA-A24拘束性エピトープ(IYVLMLVL)はインターフェロンIFNγ処理により生成が誘導されるため、免疫型プロテアソームがそのプロセスに関与している可能性が高い。IYVLVMLVL生成過程における免疫型プロテアソームの役割を詳細に検討するために、免疫型プロテアソームのサブユニットβ1i、β5iおよびプロテアソーム活性化分子PA28αの発現を特異的に抑制するshort hairpin RNAを作成し、免疫型プロテアソームを恒常的に発現し内因性にエピトープを提示しているEBV陽性細胞にレトロウイルスを用いて導入した。当該エピトープに特異的なCTLクローンを用いて、short hairpin RNA導入EBV陽性細胞のCTLエピトープ提示能を解析した。β1i、β5iおよびPA28いずれの発現を単独で抑制した場合でも、当該エピトープの提示が抑制された。申請者が同定したEBV-LMP2エピトープIYVLVMLVL(LMP2;222-230)はインターフェロンガンマ処理細胞でのみ提示される(Kuzushima et al.,BLOOD,2003)。このプロセッシングに必要な、インターフェロンガンマによって発現が誘導される蛋白(免疫プロテアソーム等)を決定するすために、以下の実験を行った。1)EBV-LMP2、HLA-A*2402、免疫プロテアソームを構成する名サブユニット(lmp2、lmp7、MECL1、PA28)それぞれのcDNAをクローニングし哺乳類細胞発現ベクターに組み込んだ。以上の実験より、エピトープIYVLVMLVLの生成には、免疫プロテアソーム・サブユニットのうちlmp7、PA28が必須でありlmp2は補助的に働くことを見出した。現在、lmp7、PA28およびlmp2の発現をそれぞれ抑制するshort interfering RNAを合成し、これらのサブユニットの役割を検証する実験を計画している。EBV-LMP1に特異的なCTLが認識するアミノ酸配列(エピトープペプチド)を同定する目的で、抗原提示細胞に、LMP1のmRNAを導入するシステムを確立した。既に、複数のCTLクローンを樹立し、エピトープの同定を進めている。EBVは、上咽頭癌、種々のリンパ腫、胃がんめ一部などにモノクローナルな感染が示されており、これらの癌の発生と進展に強く関与している。

CTLの癌細胞増殖抑制機能に関連して、今年度は以下の研究成果を得た。1.標的抗原と考えられるLMP1およびEBNA1に対するCTLを効率良く誘導するために、in vitroで合成したmRNAを導入した抗原提示細胞を用いた。この方法で樹立したLMP1特異的CTLクローンはHLA-A*0206拘束性にEBV陽性NK細胞リンパ腫株を傷害した。EBNA1特異的CTLクローンはHLA-Cw*0303拘束性にEBV陽性リンパ芽球を認識した。種々の長さに短縮した抗原遺伝子発現プラスミッドや合成ペプチドを用いて、それぞれのCTLクローンが認識するエピトープ部位のアミノ酸配列を決定した。2.研究代表者らがこれまでに同定したEBV-LMP2由来HLA-A24拘束性エピトープ(IYVLVMLVL)はインターフェロンIFNγ処理により生成が誘導されるため、免疫型プロテアソームがそのプロセスに関与している可能性が高い。IYVLVMLVL生成過程における免疫型プロテアソームの役割を詳細に検討するために、免疫型プロテアソームのサブユニットβ1i、β5iおよびプロテアソーム活性化分子PA28αの発現を特異的に抑制するshRNAを作成し、免疫型プロテアソームを恒常的に発現し内因性にエピトープを提示しているEBV陽性細胞にレトロウイルスを用いて導入した。当該エピトープに特異的なCTLクローンを用いて、short hairpin RNA導入EBV陽性細胞のCTLエピトープ提示能を解析した。β1i、β5iおよびPA28いずれの発現を単独で抑制した場合でも、当該エピトープの提示が抑制された。
細胞の生と死を司るアニオンチャネルの分子実体と制御機構の解明

その結果、VSORチャネルの構成分子として、SSNK-1(仮称)が関与していることを明らかにした。SSNK-1は、原形質膜の膜マイクロドメインにおいて、LRRC8Aと相互作用することでチャネル機能を発揮し、細胞容積調節機構に関与するものと考えられた。一方、SSNK-2とSSNK-3は、チャネル構成分子ではなかった。(1)SSNK-1のアイソフォームのSSNK-2およびSSNK-3をクローニングし、それぞれHEK293T細胞に過剰発現させた。SSNK-1、SSNK-2の発現細胞ではVSORアニオンチャネル電流が増大したが、SSNK-3発現細胞では電流の増大が見られなかった。(2)SSNK-1発現細胞を低張溶液で処理すると、多量体を形成する傾向が見られた。(3)SSNK-1ノックアウトマウス由来の胎児繊維芽細胞において、VSORチャネル電流の抑制が観察されたが、SSNK-2ノックアウトマウス由来細胞のVSORチャネル電流に変化はなかった。(4)低張条件下で引き起こされる調節性細胞容積減少(RVD)は、SSNK-1過剰発現細胞において亢進し、SSNK-1ノックアウト細胞において抑制された。(5)VSORアニオンチャネルが機能的に発現しているヒト口腔類皮癌由来KB細胞およびVSORチャネル機能が欠落しているKB細胞由来のKCP-4細胞において、LRRC8Aの発現量は、遺伝子レベルおよびタンパク質レベルで有意差がなかった。以上の結果から、VSORチャネルの構成因子としてLRRC8Aに加えて、SSNK-1が有力な候補分子であり、SSNK-1の機能が細胞容積調節機構に密接に関与していることが示唆された。本年度の研究で、SSNK-1がVSORアニオンチャネルの機能発現に必須の役割を果たしていることを支持する成果を得た。これまでVSORアニオンチャネルの構成因子としてLRRC8Aが有力な候補として報告されているが、本研究でVSORチャネル機能を有する細胞と有しない細胞(KB細胞、KCP-4細胞)を使用した実験により、LRRC8Aでは説明できない結果を得た。SSNK-1に加え、SSNK-1アイソフォームのSSNK-2およびSSNK-3の発現細胞も作製が終了しており、今後SSNK-1が選択的にVSORチャネル機能に寄与する分子メカニズムの解明も可能である。以上のことから、進捗状況はおおむね順調であると考える。(1)SSNK-1強制発現HEK293細胞において、特異的抗体を用いた免疫細胞染色およびビオチン化実験により、SSNK-1は、細胞内および原形質膜に発現していることが分かった。また、SSNK-1は、LRRC8Aと共に膜マイクロドメインに発現していることが示唆された。(2)SSNK-1、SSNK-2、SSNK-3の各強制発現細胞において、低張条件下で引き起こされる調節性細胞容積減少(RVD)は、SSNK-1の場合のみ亢進し、SSNK-2、SSNK-3の発現による亢進は観察されなかった。(3)SSNK-1ノックアウトマウス由来の胎児繊維芽細胞に、SSNK-1を強制発現させるとVSORチャネル電流の回復が観察された。また、ノックアウト細胞におけるLRRC8Aのタンパク質発現量は、野生型と差がなかった。(4)タンパク質間相互作用の検討のためのProximity Ligation Assayにより、LRRC8AとSSNK-1は近接して存在していることが示唆された。以上の結果から、VSORチャネルの構成因子として、LRRC8Aに加えてSSNK-1が関与していることが示唆された。SSNK-1とLRRC8Aが相互作用することにより、VSORアニオンチャネルの機能が発揮され、細胞容積調節機構に密接に関与するものと考えられる。今後の研究の推進方策等は次のとおりである。(1)抗SSNK-1抗体ならびに各種細胞内オルガネラ蛋白質を認識する抗体やオルガネラマーカーとともに、免疫細胞染色を行う。また、細胞外低浸透圧刺激時やアポトーシス誘導時のSSNK-1の挙動について解析する。(2)SSNK-1のイオン選択性を変えると考えられる3種の変異体を作製し、過剰発現細胞において、VSORチャネル電流のイオン選択性を検討する。(3)SSNK-1ノックアウト細胞にSSNK-1を外因的に発現させ、VSORチャネル電流およびRVDが復活するかを検討する。(4)VSORチャネル発現細胞において、細胞内小胞のトラフィッキングに関与すると考えられている各種蛋白質、細胞骨格系を構成する各種蛋白質をノックダウンさせる。そして、細胞容積調節機構とアポトーシス誘導機構におけるSSNK-1のトラフィッキングの違いについて明らかにする。(5)抗SSNK-1抗体と抗LRRC8A抗体を用いた免疫沈降実験、架橋剤を用いた複合体形成実験を行い、SSNK-1とLRRC8Aが分子会合しているのかについて検討する。(6)パッチクランプ法によるSSNK-1由来電流測定系を用いて、アポトーシス誘導時のVSOR電流を選択的に活性化もしくは抑制する化合物を探索する。

細胞生理学、分子生理学本年度は315円が余ったが、これは研究計画の変更や進捗状況の変化等によるものではなく、315円以下の物品の購入を希望しなかったためである。次年度において、物品費の一部として使用する予定である。
電子スピン共鳴電流を利用した新規有機スピンデバイスの開発と基盤技術の創生

本申請では、最近申請者が発見した、空気処理された有機半導体における電子スピン共鳴誘起電流に対し、その発生機構の解明及び素子展開への技術開発を行った。分光技術を融合させることで、この機能が、トラップサイトに捕獲されたキャリヤに由来することを明らかにした。また、これらの系が光照射下において磁場キャパシタンス応答を示すことを明らかにした。空気処理した有機半導体の系においてこの効果が観測されることを示した初めての例である。さらに、電子スピン共鳴操作により、電気容量(誘電率)が変化することを実証した。観測された変化率は0.14%であったが、過去の報告例を遥かに超えるもので最高値であった。近年、半導体スピン物性として、電子スピン共鳴(ESR)時に誘起される電流が注目されている。申請者は最近、ポリマーダイオードを改変することによって、従来の最高値をはるかに凌ぐほどにESR時の電流を増強させることに成功した。その系は、磁場を制御因子として捉えることで、ESR電流を、従来性能を遥かに凌ぐ新規磁気抵抗素子として利用できる可能性を有している。本年度は、そのための基盤技術を確立させることを目的として、基礎的性質を調べた。特に、有機半導体について、どのような過程で作成された素子が、そのESR電流を強く示すのかについて調べた。これまで調べてきた過程では、空気処理を行うことで、ESR電流が増強されることがわかっている。今回は、その処理に要する時間を変化させたり、酸素濃度自体が影響するのかなどについて調べた。その結果として、現状での、最適な空気処理条件を明確にすることができた。さらには、通常の素子では、サンドイッチ型半導体素子構造を用いているが、その間に絶縁層を導入することで、定常電流を低減させた環境下での測定も実施した。その系では、絶縁層の効果として、定常電流自体はゼロにすることができたが、ESR電流は大きく減少した。それは、絶縁層の導入により膜厚が増加したことが原因であると推定している。また、絶縁層に高誘電率の試料も用いたが、余り有用な結果は得られなかった。以上の研究結果から、最大限のESR電流を与える素子系について、概ね特定できたと考えている。近年、半導体スピン物性として、電子スピン共鳴(ESR)時に誘起される電流が注目されており、量子情報系への展開が世界的規模で図られている。本申請ではその成果を発展させ、全く新しい概念のスピントロニクス素子の創出を目指している。26年度は、まず、素子への応用展開を考えるために、従来使用していた材料よりも安定なポリマー材料について計測を行い、その性質を入念に調べた。その材料の場合、従来の材料よりもかなり応答が遅いことが分かった。このことから、ESR電流の動作において、キャリアのトラップ及びその解放が深く関与していることが明らかとなった。その試料における応答の遅さは、ESR電流の高速応答性を追求する上では短所になるが、その一方で、ESR電流がかなり大きく得られることが分かった。これにより、ESR電流の生成に起因した電気特性を高感度に検出することが可能となった。その結果として、ESRとともに素子の電気容量が変わることを実験的に証明することに成功した。そのように、ESRによる電子スピン操作と電気容量を直接結びつけた結果はこれまで報告がない。これらの機構をより詳細に探るために、電気容量の磁場効果を検証した。その結果、電気容量が磁場とともにわずかに変化し、それと同時に素子抵抗が変化することが分かった。このような電気容量と抵抗の相関は、正にキャリアがトラップもしくは解放されることで説明がつき、自らのモデルを裏付けるものとなった。申請者は近年、ポリマーダイオードを改変することによって、従来の最高値をはるかに凌ぐほどにESR時の電流を増強させることに成功した。本年度は、その機構解明に特に力を入れた。まず、それらESR誘起電流の、光照射後の経過時間依存性を計測した。その結果、光照射とともに定常光電流が顕著に減少し、それに対応するようにESR誘起電流が増加することがわかった。また、その増加過程を、分光により計測するシステムを構築し、実際に、ESR誘起電流の増強とともに発生する状態を分光計測した。特に、スピンペアの振る舞いを分光計測から調べるシステムも構築した。その結果、光照射とともにトラップキャリヤが生成し、それが誘起電流を発現させていることがわかった。また、それら変化の観測と並行し、光照射とともに、電気容量が変化し、ESRによるその容量の変化が、ESR誘起電流の起源であると結論できた。最終的に、磁気キャパシタンス効果の発現機構は以下にまとめられた。まず、空気処理により素子内にトラップサイトが形成され、光キャリアがトラップされ、ペア状態が生成される。ESRはスピン遷移を引き起こし、ペアが生成もしくは解離するために素子内のキャリア数が増減する。この変化が誘電率変化として現れる。このような、空気処理で発生するトラップ状態の磁気特性への寄与は、これまで存在が示唆されてきたが、発生を実際に証明し、機構まで明らかにしたのは過去に例が無い。

あいにく、論文投稿までは間に合わなかったが、現在執筆中で、非常にインパクトが高い研究成果を上げることができた。また、以上の実験に加えて、ラジオ波照射の効果についても調べたが、水素核の振動数に合わせた際、電流ESR信号が変化することも確認できた。本申請では、最近申請者が発見した、空気処理された有機半導体における電子スピン共鳴誘起電流に対し、その発生機構の解明及び素子展開への技術開発を行った。分光技術を融合させることで、この機能が、トラップサイトに捕獲されたキャリヤに由来することを明らかにした。また、これらの系が光照射下において磁場キャパシタンス応答を示すことを明らかにした。空気処理した有機半導体の系においてこの効果が観測されることを示した初めての例である。さらに、電子スピン共鳴操作により、電気容量(誘電率)が変化することを実証した。観測された変化率は0.14%であったが、過去の報告例を遥かに超えるもので最高値であった。26年度の目標は、当初は、素子のESR誘起電流における高速応答性を追求するものであった。しかしながら、ESR電流値自体が予想していたよりも小さく、応用面を考える意味で短所となるため、発現機構に関して改めて追求することになった。その結果、発現機構を決定する多くの要因を明らかにすることができた。特に、電気容量の磁場効果が確認されたが、その曲線は、電子と核の超微細結合が関与することを示唆するものであった。本研究においては、核スピンと電子スピンの結合を利用してスピン操作することにより、メモリ機能の可能性を追求することを計画しているが、今回確認された電子と核の結合は、その展開を行う上で非常に重要なものとなる。また、全体的に、発現機構に関する理解をかなり進めることができた。これを基に、最適な素子材料についての改良を行い、高速応答性を含め、素子の応用性を拡張させることにつながりうる。以上により、現状では概ね順調に研究は進んでいると自己評価した。27年度が最終年度であるため、記入しない。物性物理上述の通り、核スピンと電子スピンの結合がESR誘起電流の起源であることがわかった。そのため、27年度では、当初の予定通り、ラジオ波照射によるESR電流の応答を検証し、メモリ効果への応用展開の可能性を探る。それに加えて、これまでの研究により、発現機構においてトラップ電子が関与することが強く示唆される結果を得た。これまでトラップ電子が物性を決定することを示唆する例は多く見られたが、全て曖昧なものであった。今回の結果は、素子内のトラップ電子の物性を決定づける非常に重要な成果であるため、当初の計画では重点的な項目に挙げていなかったが、入念に調べ上げ、新しい機構の提唱へとつなげたいと考えている。それと関連させて、当初の予定通り、磁気抵抗素子としての可能性も追求する。本年度の、当初における計画では、π共役ポリマーのサンドイッチ型ダイオード素子において観測された。ESR誘起電流を最大にする実験条件を確立させることが主であった。それについては、種々の素子作成を行い、その特性を注意深く調べることで、概ね達成できたと言える。
恐怖学習中の嫌悪情報処理を司る神経回路の光遺伝学を用いた解明

29年度が最終年度であるため、記入しない。
生物学的製剤は脊柱靱帯骨化症の治療薬となり得るか？

脊柱靱帯骨化症は厚生労働省の難治性疾患に指定されており、骨化巣を縮小もしくはその増大を抑制するような薬物治療は存在しない。過去には異所性骨化や脊柱靱帯骨化の病態に炎症性サイトカインが関与していることが報告されているが、炎症性サイトカインを阻害することで、脊柱靱帯の骨化が抑制されるかの検討はなされていない。本研究では、炎症性サイトカイン阻害薬が脊柱靱帯骨化症患者の治療薬になり得るかを検討する。
濃淡画像のハーフトーニングの最適化問題としての定式化と計算複雑度解析

本研究では,濃淡画像を白黒の2値で出力するための技術であるハーフトーニングを組み合わせ最適化問題として定式化するとともに,その本質的な計算複雑度の解析を行った.この種の技法は,ファクシミリやレーザプリンタのように黒点しか出力できない出力装置で濃淡画像を扱う際に不可欠であり,実用的な側面から様々な方法が提案されてきた.本研究では,出力の2値画像を評価するのに合理的と思われる数学的基準を設定して,その基準の下で最適な解を求める問題の本質的な計算複雑度を解析した.その結果,妥当な仮定の下では効率よく解くアルゴリズムは存在しないという結論を得ることができた.この結果は理論計算機科学の国際会議でも発表し,高い評価を得た.また,本研究では理論と応用の融合を目指すために,従来から提案されている手法を詳しく調査し,かつそれらの手法をプログラムの形に実現することによって提案手法との比較を行った.さらに,この問題が計算幾何学におけるディスクレパンシーの問題と密接に関連していることを発見し,最悪の場合の性能を保証することができるアルゴリズムを開発した.これとは全く別の方向の手法としてグラフ理論において長年研究されてきたネットワークフローの技術が応用できることを発見し,巨大なネットワーク問題を解くことにより緩和した基準の下では最適な解を多項式時間で求めることができることを証明し,実際にプログラミングをして計算機実験を行った.本研究では,濃淡画像を白黒の2値で出力するための技術であるハーフトーニングを組み合わせ最適化問題として定式化するとともに,その本質的な計算複雑度の解析を行った.この種の技法は,ファクシミリやレーザプリンタのように黒点しか出力できない出力装置で濃淡画像を扱う際に不可欠であり,実用的な側面から様々な方法が提案されてきた.本研究では,出力の2値画像を評価するのに合理的と思われる数学的基準を設定して,その基準の下で最適な解を求める問題の本質的な計算複雑度を解析した.その結果,妥当な仮定の下では効率よく解くアルゴリズムは存在しないという結論を得ることができた.この結果は理論計算機科学の国際会議でも発表し,高い評価を得た.また,本研究では理論と応用の融合を目指すために,従来から提案されている手法を詳しく調査し,かつそれらの手法をプログラムの形に実現することによって提案手法との比較を行った.さらに,この問題が計算幾何学におけるディスクレパンシーの問題と密接に関連していることを発見し,最悪の場合の性能を保証することができるアルゴリズムを開発した.これとは全く別の方向の手法としてグラフ理論において長年研究されてきたネットワークフローの技術が応用できることを発見し,巨大なネットワーク問題を解くことにより緩和した基準の下では最適な解を多項式時間で求めることができることを証明し,実際にプログラミングをして計算機実験を行った.多階調の濃淡画像を白点と黒点だけで構成される2値画像で表現するための技術であるディジタル・ハーフトーニングは,コンピュータ・グラフィックスにおける最も基本的な問題の一つであり,これまでに実に様々な方法が提案されてきた.しかしながら,問題自体が非常に実際的であるためか,これまで出力画像の品質に関する合理的な評価尺度について論じた研究は多くない.そこで,本研究では人間の視覚モデルに基づいた合理的と思われる数学的な基準を設定して,その基準の下で最適な解を求める問題の計算複雑度を解析することを目標として進めた.まず,1次元では効率よく最適解が得られることを確認した後,2次元の画像を平面充填曲線を用いて1次元化し,その上で最適解を求めるアルゴリズムを開発すると共に,計算機実験を行った結果,従来の方法に比べて著しい画質の改善が見られた.この結果は論文として報告済みである.さらに,2次元のままで扱おうとすると,効率のよいアルゴリズムの存在が絶望視されている問題のクラス(NP困難問題)に属すると予想し,その証明を構築しているところである.証明のための道具立てはほぼ完了したが,最後の段階で証明は完成していない.さらに,新たな手法として,複数の処理方法を組合わせることにより画質の改善が図れるかについても,予備的な実験と考察を行った.本研究では,多階調の濃淡画像を白点と黒点だけで構成される2値画像で表現するための技術であるディジタル・ハーフトーニングについて,実用と理論の両面から研究を行ってきた。実用面では,現在のプリンタで最も一般的に使われている誤差伝播法を画質の面で凌駕する方法に照準を当てて様々な方法を実験を通して評価してきたが,エッジ部分と画質の滑らかな部分で別の方法を適用するという考え方に基づいて具体的にプログラムを作成し,実験を行った。人間の視覚実験でも好評であったが,階調の再現性を特殊な装置を用いて測定した結果でも良好であった。この結果については来年度に発表の予定で,現在結果をまとめている段階である。理論的な側面でも重要な発見があった。以前からはハーフトーニング問題は組合わせ最適化の問題として定式化されていたが,その本質的な計算複雑度については不明のままであったが,今回,この問題が現実的には解決不能であること,専門用語ではNP完全であることの証明を得た。そこで準最適解を求めるための近似算法が問題になるが,これについては計算幾何学の分野でよく研究されているディスクレパンシーの理論を応用できることが判明し,理論的な限界を大幅に下げることに成功した。また,1次元の問題は,近傍のサイズを定数と考えると多項式時間で解けることは以前の研究で知られていたが,今回,近傍のサイズに対しても多項式時間の算法を開発することに成功した。

これらの結果は現在国際会議に投稿中である。多諧調の濃淡画像を白黒2値画像で表現するための技術であるディジタルハーフトーニングは,実用的に重要な問題の一つであるが,これまで出力画像の品質に関する合理的な評価尺度について論じた研究は少なく,アルゴリズムの良し悪しは人間の目視で主観的に評価されることが多かった.本研究では,合理的と思われる数学的基準を設定して,その基準の下で最適な解を求める問題の本質的な計算複雑度を解析するとともに,準最適な解を得るための近似解法の開発も視野にいれて研究を行ってきた.本研究では理論と応用の融合を目指すために,従来から提案されている手法を詳しく調査しかつそれらの手法をプログラムの形に実現することによって提案手法との比較を行った.プログラム開発に関しては着実な成果を上げることができ,プログラムライブラリの形にまとめることができた.次に,従来の手法とは違って,数学的基準を設けて最適なハーフトーン画像を得る問題の計算複雑度について考察し,最も単純なモデルにおいても多項式時間での解法,つまり現実的な時間で最適解を得る方法が存在しないことを証明した.この結果は理論計算機科学の国際会議でも発表し,高い評価を得た.さらに,この問題が計算幾何学におけるディスクレパンシーの問題と密接に関連していることを発見し,最悪の場合の性能を保証することができるアルゴリズムを開発した.これとは全く別の方向の手法としてグラフ理論において長年研究されてきたネットワークフローの技術が応用できることを発見し,巨大なネットワーク問題を解くことにより緩和した基準の下では最適な解を多項式時間で求めることができることを証明し,実際にプログラミングをして計算機実験を行った.
自伝的記憶の想起(回想)過程およびその適応的機能に関する基礎的研究

本研究では、個人が自分の人生で経験した記憶(自伝的記憶)の想起(回想)に関して、以下の検討を行った。1.社会学文化人類学におけるライフヒストリー研究を検討した。その結果、ライフヒストリーは、誰が、何のために、誰を相手に語るのかという複雑な要因に影響されること、また、ライフヒストリーは語り手と聴き手との共同作業の産物であることが確認された。2.大学生38人(男性、20歳)を対象に、質問紙法により、「これまでの人生を振り返って思い出す出来事」と「最近半年間を振り返って思い出す出来事」を5個ずつ報告させた。そして「その出来事を経験した時の感情」と「その出来事を思い出して、いま感じる感情」を自由記述で回答してもらった。また、これらの回想の前後に状況不安測定尺度を実施した。結果は、(1)人生を振り返って想起された出来事は過去5年間のものが最も多く、古い記憶ほど報告数は少なかった。(2)経験した時の感情がそのまま想起されるケースは少ない。そのようなケースは、人生を振り返って想起された出来事190例中の22例、最近半年を振り返って想起された出来事190例中の26例であった。それ以外のケースでは、出来事や自分自身を対像化した記述(後悔、恥ずかしい、なつかしい、良い経験だった、等)が多く見られた。時間経過に伴い、出来事の記憶と感情が分離することが示唆される。3)回想後は回想前と比べて、状況不安得点が低下した(回想前:平均44.3,回想後:平均41.5,t=1.85,p<.0.5)今後の課題としては、報告された自伝的記憶の詳細な内容分析や、自己同一性地位などのパーソナリティ変数との関連の検討、回想(記憶の再構成)過程の詳細な分析、等が求められる。
19世紀バルカンにおける大家族共同体(ザドルガ)の経済的機能の研究

1.ザドルガ関係文献の収集この点については、ブルガリア史の専門家である寺島憲治氏の協力を得て、まず、19世紀以来の日本内外のザドルガ関係文献目録を作成した。そして、この目録に基づいて、基本文献の収集にあたった。残念ながら、予算の関係上、収集できた文献は、なお限られている。2.研究会の実施ザドルガは、今日のユーゴスラヴィア,ブルガリアを中心として存在したが、周辺のハンガリー,ルーマニア,ギリシアにもある程度類似の家族型態がみられたので、かなり広い範囲の研究者に参加してもらって、研究会を行った。年間、計10回あまりにおよび、内1回は、自費で合宿形式の研究会を持った。3.研究の成果(1)ザドルガの地理的・民族的分布は、十分に明らかになった。(2)ザドルガの起源は、諸説があり、今後も研究すべきである。(3)19世紀前半までのザドルガの経済的機能は、社会的機能と合わせて研究し、かなり具体的に把握した。しかし、今後は、もっと詳しいケース・スタディが要求される。(4)19世紀後半のザドルガの衰退についても諸説があるので、なお研究の余地が残されている。(5)戦間期におけるザドルガの機能については、十分に研究できなかった。(6)ザドルガを、周辺の国々の家族制や、ロシアの共同体と比較することはもとより、バルト地方やポーランドやスロヴァキアの家族制とも比較することが必要になってきている。
イネ新規Ｒｕｂｉｓｃｏ小サブユニットを利用した光合成能力の改良とその生理機能解析

イネRubisco小サブユニット(OsRbcS1-5)のうち、OsRbcS1は他のイネRbcSとは配列が大きく異なるなど、特異な性質を持つ。我々の以前の研究により、OsRbcS1は主要な光合成器官である葉身では発現しておらず、遺伝子組換えにより葉身のRubiscoに導入するとRubiscoの触媒速度を増加させる効果を持つことが明らかになった。そこで、OsRbcS1の代謝における機能を明らかにすることを目的として、アワ、トマト、ミヤコグサ、ブドウ、イヌカタヒバなど多様な植物が持つOsRbcS1の相同遺伝子の発現の器官特異性をRT-PCRにより詳細に解析した。その結果、OsRbcS1様RbcSは主要な光合成器官である葉では発現しておらず、非光合成器官や呼吸活性が高いと考えられる部位で発現が高い傾向があった。また、ブドウやイヌカタヒバなど進化的に古いRbcSを持つ種ではOsRbcS1様RbcSは葉でも発現していた。次に、OsRbcS1の発現抑制がイネ葉鞘の代謝に及ぼす影響を明らかにするため、OsRbcS1を発現抑制した形質転換イネを作出し、メタボローム解析を行った。イネの株元に砂利を被せて栽培し、軟白化させた葉鞘基部を用いた。その結果、OsRbcS1発現抑制イネではアミノ酸や糖などの含量が変化していた。以上の結果より、OsRbcS1を含むRubiscoは、組織内のCO2濃度が高いと考えられる非光合成器官において、カルビン回路によらないリブロースビスリン酸の供給を受け、呼吸などの炭素代謝経路に3-ホスホグリセリン酸を供給する機能を担う可能性が考えられた。OsRbcS1様RbcSの発現解析については、非光合成器官や呼吸活性が高いと考えられる部位で発現が高いことなど、様々な植物におけるOsRbcS1様RbcSの発現特性が明らかになった。また、メタボローム解析については、OsRbcS1の発現抑制が葉鞘のアミノ酸や糖の含量を変化させることが明らかになった。OsRbcS1様RbcSの発現解析に用いた植物のサンプルには、RNA抽出を阻害する多糖類やポリフェノールを多量に含む器官が多かったため、従来のRNA抽出キットを利用した方法ではRNA抽出が困難であった。阻害物質を多量に含むサンプルからでも効率的にRNA抽出が可能な新しいRNA抽出法を検討し、実験を遂行した。OsRbcS1の代謝における機能の解析を継続する。OsRbcS1の発現を抑制した形質転換イネの葉鞘を用いてマイクロアレイ解析を行う。イネ光合成能力の改良を目的として、OsRbcS1が組み込まれた高活性型Rubiscoを持つ形質転換イネのRubiscoの含量を適度に低下させた二重形質転換イネを作出し、光合成特性や生育特性などの生理解析を行う。

イネ光合成能力の改良を目的として、OsRbcS1が組み込まれた高活性型Rubiscoを持つ形質転換イネのRubiscoの含量を適度に低下させた二重形質転換イネを作出し、光合成特性や生育特性などの生理解析を行う。
効率的水素供給・貯蔵プロセスを目指した希少金属を代替する新規銅ナノ粒子触媒の開発

水素エネルギーの大規模利用を実現する、より低温での水素の貯蔵・放出が可能な新規有機ハイドライドシステムの開発を行った。その結果、チタニア表面にCuナノ粒子を固定化したTiO2固定化Cuナノ粒子触媒(Cu/TiO2)がCu触媒で初めて1,2,3,4-テトラヒドロキノリンの脱水素反応を温和な条件において進行させることを見出した。さらに、本触媒はその逆反応であるキノリンの水素化反応をも1気圧の水素雰囲気下にて効率的に進行することを見出した。さらに本Cu/TiO2触媒は反応後反応液から容易に分離・回収でき再使用も可能であった。本申請研究は水素エネルギーの大規模利用を実現する、より低温での水素の貯蔵・放出が可能な新規有機ハイドライドシステムの開発を目的としている。申請者は、これまでに金属ナノ粒子と担体による協奏効果により発現する、特異な触媒作用を明らかにしてきた。この知見を基に、新規銅ナノ粒子固定化触媒を開発し、現在の有機ハイドライドシステムに用いられている高価な稀少金属触媒を経済性に優れた銅触媒で代替することを目指した。金属ナノ粒子は、担体及び前駆体の配位子の影響を受け、粒子を構成する金属原子の電子状態や粒子の形状・サイズが変化することが知られている。また、これらの担体・粒子サイズは、液相有機合成反応において高い触媒活性を達成するための最も重要な因子のひとつである。種々の担体効果を検討した結果、チタニア上に調製した銅ナノ粒子触媒が、含窒素芳香族化合物であるテトラヒドロキノリンの脱水素反応・水素化反応において反応温度150度で効率よく上記反応を可逆的に進行させることを見出した。従来の銅触媒による有機ハイドライドシステムでは水素化反応を進行させるため、30気圧以上の水素圧が必要であったが、本有機ハイドライドシステムでは一気圧の水素で十分に水素化反応が進行する。さらに、本触媒の耐久性を検討したところ、上記可逆反応を複数回行っても活性・選択性を維持したまま再使用が可能であることがわかった。この触媒構造解をSPring-8のXAFS測定や高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)観察により行ったところ再使用後の銅ナノ粒子は反応前と比べ、粒子の凝集等が起こらないことがわかった。つまり、チタニアと銅ナノ粒子との強い相互作用により高い耐久性が生まれることが示唆された。水素エネルギーは利用後に水のみ副生し、二酸化炭素を排出しないことから化石燃料に代わる次世代型エネルギー源として期待されている。今後、水素エネルギーの大規模利用の実現に向け、安全に水素を保管・運搬する手段として有機ハイドライドシステムが注目されている。現行の有機ハイドライドシステムは、環状炭化水素化合物の水素化・脱水素反応を白金などの稀少金属触媒を用いて水素の貯蔵・放出を行うものであるが、これらの高価な触媒を用いても脱水素反応には300度以上の高温が必要であることが問題となっている。よって、より低温で効率的に脱水素反応を進行させる安価な新規触媒系の開発が求められている。本研究では、安価な銅ナノ粒子を塩基性金属酸化物であるハイドロタルサイト(HT)に固定化した触媒Cu/HTが含窒素芳香族化合物の脱水素反応を150度以下の極めて穏和な条件下で進行させ、また、その逆反応である水素化反応も進行させることを見出した。研究代表者はこれまでに高効率なアルコールの脱水素反応を実現する固体銅ナノ粒子触媒を開発に成功している。この触媒系では、担体と銅ナノ粒子が協奏的にアルコールを活性化するため、気相で行われていた反応をはるかに低温の液相条件で進行させることができる。これらの知見から、担体と銅ナノ粒子の協奏効果により有機ハイドライドの活性化を行うことで、従来の稀少金属触媒を用いた高効率有機ハイドライドシステムを代替し、より低温で機能する銅触媒系を開発できるのではないかという着想に至っている。現在、その予想通りに銅ナノ粒子が有機ハイドライドを活性させることに成功している。本研究で開発した有機ハイドライドシステムを種々の有機ハイドライドへ適用し、より低温で反応が進行する有機ハイドライドプロセスを構築する。具体的には、種々の含窒素芳香族化合物を用いて、脱水素・水素化反応を行い、100度以下における水素の貯蔵・供給が可能であることを実証する。また、XAFS測定や高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、得られた固定化銅ナノ粒子の構造解析を行う。これらの構造解析から得られた知見を基に、触媒活性、ナノ粒子の調製条件と粒子サイズや形状との関連性を明らかにし、その特性をさらなる高機能な銅ナノ粒子の設計へと適時フィードバックさせる。上記目的を達成するために、材料・消耗品費(主に含窒素芳香族化合物を購入するための試薬費)が必要である。また、触媒反応の検討を迅速に行うためにオートクレーブを購入する予定である。