hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
2次元及び3次元解析空間の特異点の可換環論

泊は95年4月学会で、2次元正規特異点の幾何種数の上限の数値的評価を報告したのち、早稲田大学などの他大学でのセミナーで何回か討論の末、いくつかの進展を得た。また、特異点解消の標準モデルの構成について、石井志保子氏の理論にある本質的であるE例を発見した(これは彼女の理論に重要な形で取り込まれた)。早川は、3次元terminal singularityの重み付きblowing-upを数多く構成することにより、extremal rayのdivisorial contractionの例をいくつか構成した。森下は等質空間の玉河数を与える公式を完成させ、さらに種数2タイヒミュラーモジュラー群の部分群の系列をジョーンズ表現を用いて得ている。藤本は、E.F.Beckenbach結果を拡張して、放物型Riemann面をパラメター空間とする3次元空間内の極小曲面に対してNevanlinna理論を展開し、全曲率が有限の完備極小曲面については、得られた欠除指数関係式がJorge-Meeksの公式と関連していることを示した。石本は、球上の球バンドルに関するJames-Whiteheadの定理をprimarymanifold(ハンドル体の境界としてえられる多様体)へ拡張する問題について、一定の進歩を得た。児玉は、実リー群Gが正則自己同型群として推移的に作用している複素多様体M=G/Kが、どの様な条件のもとで双曲型多様体になるかを研究した。これらの結果は、泊、早川を除いて論文として発表済み(予定)である。また、1996年2月に金沢大学で特異点研究集会が行われ、泊、早川は講演をしたが、それらは上記の研究に関連するものであり、それぞれ進展に応じて結果の発表を準備している。
磁気共鳴画像診断装置MRIで励磁する癌温熱治療用小型共振回路の設計試作

癌の温熱治療(ハイパーサーミア)は、傷跡や副作用などの患者負担が軽減される治療方法として期待される。発熱インプラントとして提案する共振回路の構造は、コイルとコンデンサを閉接続しただけの単純な構造であり、小型化に適している。インプラント式ハイパーサーミアにおける発熱体として、18ゲージ注射針で体内輸送可能なコアコイル共振回路の有用性を明らかにした。このコイルを鎖交するように交流磁界を外部から印加した場合、コイルには励磁磁界と同じ周波数の交流起電力が誘導され、交流電源を挿入したのと等価となる。この誘導起電力により回路には電流が流れ、コイルの残留抵抗が発熱する。今年度の実績は、1.コイルとコンデンサを閉接続した612mmサイズの共振回路が、外部交流磁界により高い発熱を示すことを実験で検証した。実用化のためにはカテーテルで体内輸送を行うことから、12mm径まで小型化したい。このための、コイル構造の最適化や、回路パラメータの最適化を行った。2.これまでの研究では共振回路に印加する磁界は交流連続波であった。しかしながら、磁気共鳴画像診断装置(MRI)から発生される磁界はシンク波が重畳したパルス(RFパルス)であるために、MRI実機での実験が不可欠である。病院に広く普及している1.5テスラ型のMRIを用いて、RFパルスがコイル断面に鎖交するように設置した場合のみ、共振回路インプラントの発熱が得られることとを確認するとともに、その発熱温度がMRI診断シーケンスで変化すること、さらにMRI内の設置位置により励磁周波数を調整して、発熱温度を制御できることなどの新たな知見を得た。今年度の研究実績は以下のとおりである。これまでは612mmサイズの共振回路において、外部交流磁界中で高い発熱が得られることを実験で実証してきたが、小型化に着手した。カテーテル内径である数mm以下、さらに注射針に挿入可能な小型化に成功した場合には、低侵襲な体内輸送が可能となり大きなインパクトをもつと期待される。フェライトコアを用いることにより、交流磁界中での誘導起電力を増大させることを試みた。0.6mm径、10mm長のフェライトコアにより、誘導起電力増大が確認され、その実効的な比透磁率が8.5倍となることを明らかにした。このコアコイルとコンデンサを組み合わせた共振回路では、空芯コイルを用いた共振回路と比較して約50倍の発熱を示すことを見いだした。コアの高周波特性は、磁気共鳴画像診断装置MRIのRF周波数64MHzでの共振回路の発熱を見積もるうえで重要となる、,そこでコアコイルの高周波領域でのインピーダンス特性とインダクタンス特性から共振回路のパラメータを最適化することにより、MRI励磁下で高い発熱を示す共振回路の設計が可能との知見を得た。インプラント式ハイパーサーミアにおける発熱体として、注射針で体内輸送可能なコアコイル共振回路の有用性を明らかにすることを目指した。(1)コアコイル共振回路はコイルの芯材に磁性体コアを用いた共振回路であり、磁界エネルギーの高い熱変換効率が期待される。同じ励磁条件の下では、空芯コイル共振回路の温度上昇は1.7°Cであったのに対して、コアコイル共振回路は42°Cと、約25倍の温度上昇を得られることを確認した。(2)コアコイル共振回路の温度制御方法として、磁性体コアの移動による温度制御を提案した。磁性体コアの移動によるコアコイル共振回路の共振周波数の変化を確認し、回路の温度制御可能性を示した。

以上より、本研究で試作に成功したハイパーサーミア用共振回路インプラントは、18ゲージ注射針やカテーテルによる低侵襲な体内輸送が可能であるとの有益な結果を得た。さらに、温度制御が可能な共振回路構造を提案、その原理検証により、癌温熱治療用インプラントとしての有用性が明らかになった。
受精能獲得に伴って発現する精子上の分子に関する研究

1.MC31抗原の発現、輸送そして細胞膜への統合について電子顕微鏡レベルで挙動を明らかにした。pre-meiotic精母細胞で合成された抗原は、step 8までの精子細胞鞭毛主部の細胞膜に取り込まれる。post-meioticの精子細胞の中期(step 9-10)で合成された抗原は、延長する鞭毛主部に逐次統合される。その貯蔵と輸送は、ゴルジ装置から出芽する輸送小胞が担当する。抗原は、外側へ拡張した細胞膜と軸糸間の細胞質を経由して遠位側へ運搬される。輸送小胞は次第に主部細胞膜に融合しながら統合されるが、その統合は中間部では起こらない。2.T21抗原、gp54について糖鎖末端3糖構造を明らかにした。gp54に存在する側鎖の糖鎖末端3糖のシークエンスは、Neu5NAcα2→3Galβ1→3GalNAcであった。この蛋白は、自然状態ではシアル酸を末端にして分泌されるが、老化に伴ってシアル酸がはずれ、ガラクトースが露出していた。このことは、精子は成熟の初期段階ではシアル酸で守られながら生存しうるが、老化するにつれて末端ガラクトースを介して、貪食されて処理され易くなることを意味していると推測された(投稿準備中)。3.MC101抗原について、次の結果を確認し発表した。抗原は、前先体部皮質部分に局在して発現される精巣上体内精子成熟関連蛋白であるが、成熟に伴う局在変化は起こらない。抗原の分子サイズは約155Kの蛋白である。成熟に伴い、抗原性は増強するが、分子サイズに顕著な変化は起こらない。抗原性の増強は、コンフォメーションの変化によると考えられた。
住宅地内における小規模民有広場の地域住民による自主管理及び運営モデルの構築

自主管理型公共空地の管理運営のモデル構築を目指した活動を、京都市のちびっこひろばを対象として実施し、活動成果や課題を明らかにした。管理運営支援の取り組みでは住民主体が重要だが高齢化した住民への負担軽減がなければ持続可能性は望めないため、民間企業による管理運営支援を中心に取り組んだ。運動教室等のイベントを行い回収した参加費を同じ企業が広場での公益的イベントに還元した。体力測定やアンケート調査から地域住民の健康増進や広場の活用促進への寄与が確認できた。参加者数増加の課題があるが、民間企業が参入してイベントを実施し、回収資金を公益的なイベントに還元する新しい管理・運営モデルの有用性が示唆された。密集市街地における運動空間の運営実験として、住民主体で管理されたオープンスペースにおいて体操イベント等を行い住民の反応を確かめた。また、ここでは、東大阪スタジアムとの連携による「まちなか健康空間運営システム」へ向けた試験的なイベントとして、東大阪スタジアムのインストラクターを招いたラジオ体操イベントを行い地域住民の反応を確かめた。京都市が1997年から2003年の間に実施したコミュニティひろば事業によって作られたひろばの利用状況と管理運営実態に関して、全14カ所中8カ所の広場管理主体の関係者に半構造化インタビューによってインタビューを行うとともに、整備状況の変化に関して現地調査を行った。この調査結果の分析においては、量的なアプローチだけでなく質的なアプローチを重視し、特にソーシャルキャピタルに関連づけた解釈的考察を行った。これらのひろばに関して、自主管理空地の管理運営に関する情報交流インフラを構築する目的で、ひろば間の情報交換を行うイベントを実施した。本研究に関しては、昨年度中に京都市東山地区の地域住民が管理する敷地を候補地として外部専門家を含む実験的なひろば管理を開始する予定であったが、地域との合意が得られずに実現しなかった。しかしながら、昨年度後半より京都市の協力を得てコミュニティひろば事業実施対象地とのコンタクトをとることができ、管理運営主体へのヒアリングを実施し、また、イベントの相互交流のきっかけをつくることができた。今後は、すでに研究室が管理に参加している下京区壬生のひろばを含め、これらのひろば管理者や利用者に対する組織的な調査を実施し、また、管理運営に関する実験も実施できる予定である。以上より、研究の進捗は概ね順調と考える。密集市街地における小規模広場におけるコミュニティ形成促進のための活動を、継続した。これまでの大学研究室のイニシアチブに重きをおいた運営方法から、より一般的な体制構築のために、民間企業の協力による広場の管理運営支援へとシフトする試みを行っている。そのために「京都市の緑に関わる職業従事者の緑を通した地域貢献意欲」に関する調査研究を実施したが、緑に関わる職業従事者の回答からは、期待したような地域貢献意欲の存在が確かめられなかった。そこで、現在は、スポーツ健康企業との連携により、従来から継続している運動教室を有料化して展開し、広場の他の活動の資金に加える形式の実験を行っている。従来、大学の研究室で実施していた「芋掘り炊き出し大会」についても、同企業による支援をえる方針で計画している。したがって、本研究計画で目指している、民間企業などの参入による一般的な自主管理広場の管理運営モデルの構築に対して、一歩ずつ前進が図られていると考える。一方で、有料化した今年度には運動教室の参加者が大きく減少している。このため、これらの実績に関して今年度夏に地域へのアンケートを実施し、民間企業が参加する形での管理運営に必須となる金銭授受などの実施が実際に、広場の活動への参加意欲を減退させているのかを含めた意識と調査の分析を分析し、今年度後半期の実験における改善に役立てることを計画している。また、当初の計画にしたがって複数のひろばを対象としていく場合、それらの民間空地のコミュニティ空間としての管理運営にあたって、地域の都市構造の中におけるアクセス性なども重要であると考える。そこで、今後連携するひろばの地理条件の評価に役立てるため、道路連結性という指標を用いた市街地内の各地点のアクセス性の評価を行う方法を開発し、京都市内を対象とした試験的な評価実験を行った。京都市コミュニティひろば事業対象地において連携する広場を増やす計画であったが、地元の管理者の体調不良などにより連携作業が進まなかった。現在も当初より関わりのあった「壬生オアシスガーデン」を連携対象として実験を行っている。同じ方法に対する反応を比較する意味では複数の場所が望ましい。また、民間企業によるコミュニティ空間の管理運営には採算性が度外視できないため、幾つかの広場で同時におこなうことによって効率化を図ることなども重要である。今年度、複数箇所への展開を再度試みたいと考えている。自主管理型公共空地の管理運営支援のモデル構築を目指した活動を、京都市のちびっこひろば(CH)「壬生オアシスガーデン」を主な対象として実施し、活動成果や課題について地域外も対象に含んだアンケートやインタビューなどを通した調査分析を通して明らかにした。最終年度には、広場での活動で得られた理解を一般的な知見とするため、複数の広場における調査を元にした解析的研究を行った。多様な主体の参加による空間ビジョンの共有作業に関わり「空間の質」という概念の研究も行った。

管理運営支援の取り組みでは、特に後半期で地域住民から民間企業による運動教室を中心とするイベント参加費を回収した。運動教室を行う企業が回収した費用を充当して、芋掘り炊き出し大会など公益的イベントを展開した。イベント前後で体力測定やアンケート調査をした結果、地域住民の健康増進やCHの活用促進への寄与が確認できた。永続的な取り組みに向けて地域住民の参加者数の増加が課題として残った。解析的研究では「コミュニティひろば」の利用状況と管理運営実態に関して8カ所の広場管理主体などにインタビューを行い、整備状況の変化の現地調査を行った。1カ所の広場の周辺住民へのアンケートから管理運営への参加意欲を向上する要因を明らかにした。広場管理者ごとに主体性や外部利用者への態度で違いがある一方、半数の管理運営主体で管理運営の引き継ぎの課題が明らかになった。また管理運営への参加意欲は広場の利用経験者やイベントへの参加経験よりも、住民間のネットワークや広場の認知度や理解度、イベントへの参加意欲が影響することがとわかった。事業経営的な課題が一部残りつつも、民間企業が参入し魅力的なイベントを実施しながら地域住民が参加料を支払い、収益を公益的なイベントに還元するという方式での、民間活力を導入した持続可能性の高い自主運営・管理のモデルが示唆されたと考える。自主管理型公共空地の管理運営のモデル構築を目指した活動を、京都市のちびっこひろばを対象として実施し、活動成果や課題を明らかにした。管理運営支援の取り組みでは住民主体が重要だが高齢化した住民への負担軽減がなければ持続可能性は望めないため、民間企業による管理運営支援を中心に取り組んだ。運動教室等のイベントを行い回収した参加費を同じ企業が広場での公益的イベントに還元した。体力測定やアンケート調査から地域住民の健康増進や広場の活用促進への寄与が確認できた。参加者数増加の課題があるが、民間企業が参入してイベントを実施し、回収資金を公益的なイベントに還元する新しい管理・運営モデルの有用性が示唆された。今後は、すでに研究室が管理に参加している下京区壬生のひろばを含め、これらのひろば管理者や利用者に対する組織的な調査を実施し、また、管理運営に関する実験も実施する。先行事例調査を目的としてヒアリングを行ったひろばが、具体的な研究対象地になる見込みを得たため、それぞれのひろばに即した管理運営実験の内容を構想し、実施する。民間企業が参入した広場運営のモデルとして、運動教室と芋掘り・炊き出し大会を核としたスポーツ健康企業との連携実験を継続する。有料化した今年度には運動教室の参加者が大きく減少しているため、これらの実績に関して今年度夏に地域へのアンケートを実施し、民間企業が参加する形での管理運営に必須となる金銭授受などの実施が実際に、広場の活動への参加意欲を減退させているのかを含めた意識と調査の分析を分析し、今年度後半期の実験における改善に役立てることを計画している。
最適内捜法による人工放射性核種の海洋汚染の実態解明

福島第一原子力発電所(FNPP1)の事故により海洋へ放出された放射性セシウム(134Cs,137Cs)の分布を、最適内挿法を用いて解析した。2011年3月21日ー5月31日の間、非常に高い放射能比がFNPP1付近(<東経141.5度)で観測された。50 Bq/m3を超える高い放射能比が、西部北太平洋の北緯40度に沿って、東経165度に分布していた。北太平洋における134Csのインベントリは、15.2±1.6 PBqであると見積もられた。また、東経141.5度以西の沿岸域のインベントリは8.3±1.8 PBqであり、これは北太平洋で見積もられた134Csの約半分がFNPP1沿岸域に存在していたことを示唆している。FNPP1沿岸域における134Cs放射能比は、大規模な直接漏洩が終了した2011年4月6日以降、4.2日の半減期で指数関数的に減少し、2011年5月31日には約2PBqになっていた。しかし、一時的に減少していない時期もあり、その原因として、降水による大気から海洋への沈着(1ー2 PBq)が考えられた。134CsはFNPP1事故以前には検出されなかったこと、FNPP1で放出された134Csと137Csの比は1:1であったことを考慮すると、FNPP1事故由来の放射性セシウムは、1950年代後半ー1960年代前半に、大規模核実験により北太平洋に降下した137Csの総量を約20%増加させたと推定された。27年度が最終年度であるため、記入しない。2011年3月11日の東日本大震災に伴う東京電力福島原子力発電所の事故の際に漏洩した、人工放射性核種による海洋汚染の実態を把握することは、人体の体内被曝の観点から、緊急の課題である。本研究では、データ同化の一手法である最適内挿法(Optimum Interpolation;OI)を用いて、離散的に分布している観測データを格子値(緯度・経度・水深・時間)に再解析し、海水中の人工放射性核種の濃度分布を明らかにする。さらに、海水における人工放射性核種の収支を見積もることで、海洋汚染の実態把握を行う。平成25年度は、アメリカエネルギー省によって実施された唯一の海洋上空の航空機サーベイ結果(2011年4月18日)をもとに、福島沿岸域における人工放射性核種の濃度分布を明らかにした。観測日には、福島第一原子力発電所(FNPP1)から30km圏内の南ー南東方向に、高濃度の131I, 134Cs, 137Csが分布していた。高濃度域の濃度は、131Iで200ー300 Bq/L, 134Cs,137Cs濃度で500ー600Bq/Lであった。131I/137Cs比から、高濃度域の放射性核種は、原子力発電所からの直接漏洩によるものと推定された。さらに、観測領域には、直接漏洩量(3.4PBq)の1/3以上の人工放射性核種が存在していた。北太平洋全域(>東経141.5度)についても最適内挿解析を行い、有効半径などの最適パラメータを決定し、134Cs, 137Csの濃度分布やインベントリを推定した。2011年4月の日本付近の北太平洋の134Cs, 137Csの高濃度域分布や、北太平洋中央部への輸送などが明らかになった。さらに、大規模漏洩がほぼ終了した2011年4月11日の時点における137Csインベントリは10.6PBq以上であると算出した。

134CsはFNPP1事故以前には検出されなかったこと、FNPP1で放出された134Csと137Csの比は1:1であったことを考慮すると、FNPP1事故由来の放射性セシウムは、1950年代後半ー1960年代前半に、大規模核実験により北太平洋に降下した137Csの総量を約20%増加させたと推定された。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、OI法を用いて、福島沿岸域や北太平洋における人工放射性核種(137Cs,134Cs,131I,131I/137Cs)の濃度分布や収支を見積もり、海洋汚染の実態を明らかにする。OI解析には、HAMデータベース(Aoyama and Hirose, 2003 and update version)に収録されている福島事故関連データを使用する。電力中央研究所で開発された領域海洋モデル及び海洋大循環モデル(坪野ら2010、津旨ら2011、Tsumune et al. 2012)による解析結果と組み合わせることにより、観測の空白域における人工放射性核種の濃度分布や輸送についても明らかにする。H25年度の達成度としては、データベースからOI解析用データセットを作成し、北太平洋(>東経141.5度)におけるOI解析を行い、137Cs・134Cs濃度分布やインベントリを明らかにしたことである。また、解析結果から、大量の直接漏洩が終了した直後である4月11日の137Csの北太平洋東経141.5度以東のインベントリは10.8PBq以上であることが算出された。福島第一原子力発電所付近についての達成度としては、アメリカエネルギー省によって実施された唯一の海洋上空の航空機サーベイ結果(2011年4月18日)をもとに、福島沿岸域における人工放射性核種の濃度分布を明らかにしたことである。解析結果から、福島第一原子力発電所(FNPP1)から30km圏内の南ー南東方向に、高濃度の131I, 134Cs, 137Csが分布していた。131I/137Cs比から、高濃度域の放射性核種は、原子力発電所からの直接漏洩によるものと推定された。さらに、観測領域には、直接漏洩量の1/3以上の人工放射性核種が存在していた。なお、福島沿岸域における海洋放射能分布については、この解析で初めて明らかになった。また、航空機サーベイが、海洋表層における人工放射性核種の分布を明らかにするために有効であることを実証した。平成25年度は、放射能データベースに収録されている放射能濃度データを用いて、134Cs,137Csの最適内挿に必要な有効半径などのパラメータの選定を行い、2011ー2012年3月までの、北太平洋における放射能の濃度の分布を調べた。また、福島沿岸域については、航空機観測によって観測された空間線量率データをもとに、海洋への直接漏洩直後の海洋放射能濃度の分布を明らかにした。平成26年度は、前年度の結果を踏まえて、福島沿岸域(北緯35-40度、東経145度以西)について最適内挿法を行い、沿岸域における放射能の濃度分布やその変動を明らかにする。福島第一原子力発電所からの漏洩は“点"源であること、沿岸域では北向き或いは南向きの沿岸に沿った流れが卓越しているため、海洋へ直接漏洩した人工放射性核種の輸送は沿岸流に支配されていること等を考慮すると、データ領域は単純な円ではなく、Rを指数関数の軸で表す必要がある。有効半径などのパラメータの最適値を選定し、決定したOIパラメータを基に、(i)海水中の137Cs, 134Csの分布、(ii)海洋への直接漏洩の収支を推定する。また、領域海洋モデルとの比較から3次元モデルシミュレーション(電力中央研究所開発モデル)の検証を行う。観測データがないために、OI解析が不可能な領域については、3次元モデルシミュレーションを用いて、海洋モデルを使用した観測の空白域における放射性核種濃度の分布を明らかにする。これらの、解析結果を基に、収支の推定、海洋への直接漏洩量と大気からの沈着量推定の精緻化、福島沿岸域から太平洋への輸送速度の評価などを行い、最終的に、福島原子力発電所による人工放射性核種の海洋汚染の実態解明をまとめる。
類天疱瘡抗体が表皮基底細胞表面結合後の水疱形成機序の解明

本研究は類天疱瘡抗体の抗原結合後に特異的に活性化されるシグナル伝達に基づき、類天疱瘡抗体免疫複合体がエンドサイトーシスされる過程(仮説)を免疫電子顕微鏡で検討することを最終目的としている。すでに数名の類天疱瘡患者から類天疱瘡IgG抗体を精製し、基礎実験として培養ケラチノサイトを用いて検討を行ったところ、類天疱瘡抗原は、類天疱瘡IgG抗体反応後には経時的にヘミデスモゾーム画分から減少していることがわかった。このことは、類天疱瘡IgG抗体が類天疱瘡抗原に結合後、患者体内でも(in vivo)同様な細胞生物学的な反応を引き起こしていることを示唆するものである。当初、平成22年度の計画として考えていた凍結固定、凍結置換法を用いた包埋後免疫電顕法で試験的に検討した。すなわち、類天疱瘡患者皮膚においてin vitroと同様の類天疱瘡抗体免疫複合体が細胞質内にあるかどうか検討をした。同意を得た類天疱瘡患者1名の皮膚を凍結固定、凍結置換させ、包埋後免疫電顕の試料を作成した。数か所に免疫複合体を細胞質内に検出することは困難であったが一か所のみ免疫複合体を認識した金コロイドを多数観察することができ、細胞質内に免疫複合体が取り込まれている可能性を示唆した(第108回日本皮膚科学会総会発表)。今後は、条件設定を改良し、安定した結果を得られるよう工夫し、さらに培養ケラチノサイト(in vitro)系においても確認が必要である。
安価な新規高結晶性カーボンナノファイバーの調製と評価

セルロース固体は難黒鉛化性炭素前駆体であるが、表面から100 nm程度は単純高温処理により黒鉛化する(表面効果)。直径が100 nm程度以下のセルロースナノファイバー(Cel-NF)の場合、高温処理時の表面効果が全体に及び高結晶性カーボンナノファイバー(Car-NF)が調製できると予想した。バクテリアセルロースなどから分散方法や調製方法に留意して種々のCel-NF集合体を調製し、炭素化・高温処理によりCar-NFを得た。高分散した直径50 nm程度のCel-NFからは結晶性Car-NFが得られた。Cel-NFから調製される高結晶性Car-NFは低環境負荷で安価なため種々の応用が期待される。今年度は以下の結果を得た:1.セルロースパルプを機械的に高分解したセルロースナノフィブリル(CelNF)およびナタデココから得られるバイオセルロースナノファイバー(BioNF)を高分散する溶液としてはエタノールが最適であることを確認した。分散溶液を真空濾過して得たナノセルロースシートを炭素化、高温処理し、カーボンナノファイバーシート(BioNF-CNFおよびCelNF-CNF)を調製し、室温電気抵抗率を測定した。3200°C処理により得られたBioNF-CNFでは市販のVGCF集合体の体積抵抗率とほぼ同等、CelNF-CNFでは多少劣るが、導電性シートやプラスチックなどの導電補助材料としての応用の可能性が高いことが分かった。2.高温処理したBioNF-CNFおよびCelNF-CNFシートの磁気抵抗を77Kで測定した。その結果、BioNF-CNFの黒鉛化性がCelNF-CNFよりも良い事、シートを構成するCNFの炭素層面はシート面に平行に配向する割合が高いことが分かった。3.産業廃棄物であるホヤの殻から、セルロースの結晶性がさらに良いとされるアニマルセルロースを分離、抽出した。得られたアニマルセルロースを(1)蒸留水分散、(2)アルコール分散し蒸留水で希釈、および(3)tーブチルアルコール分散し、各溶液を真空凍結乾燥し、綿状ナノファイバー集合体を得た。4.得られた綿状ナノファイバーを炭素化後、3100°Cで処理して綿状のカーボンナノファイバー(CNF)集合体を得た。高温処理したBioNF-CNFおよびCelNF-CNFシートではSEM観察において独立したCNFが存在しなかったが、アニマルセルロースを真空凍結乾燥した場合は高温処理後、独立したCNFが得られる事が分かった。しかし、tーブチルアルコールで分散した場合はナノファイバーが湾曲し黒鉛化しないことが判明した。植物系セルロースナノフィブリル(Cel-NF)およびバイオセルロース(Bio-NF)を抽出し、溶媒中で分散処理した後、真空濾過してシート状のセルロースナノファイバー集合体(CNF-Sh)を作成し、炭素化、高温処理により軽量で電気伝導率の高いグラファイトナノファイバーシート(GNF-Sh)を調製することを研究目的とした。CNF-Shを単純高温処理することによりGNF-Shが調製できれば、市販のVGCFよりも環境負荷が低く安価なため、種々の工学分野への応用が期待される。昨年度までの研究において、分散溶媒はエタノール+純水が最適で、単純高温処理により黒鉛化し、Bio-NFから得たGNF-Shの電気抵抗率は市販のVGCFの体積抵抗率に匹敵した。しかし、GNF-ShのGNFは互いに融着して繊維形状が確認できなかった。そこで真空凍結乾燥により綿状のセルロースナノファイバー集合体(CNF-FD)を作成した。その際、新たにアニマルセルロース(Ani-NF)を抽出し、そのCNF-FDを炭素化、高温処理することで独立したGNFが得られる事が分かった。最終年度はCel-NFおよびBio-NFについても真空凍結乾燥しCNF-FDを作成した。またAni-NFについてはCNF-Shを調製し、高温処理の効果を検討した。Cel-NFおよびBio-NFを真空凍結乾燥した場合も高温処理により独立したGNFが調製できたが、真空濾過と真空凍結乾燥の処理の違いは黒鉛化の進行に明確な影響を及ぼさなかった。黒鉛化性はAni-NFとBio-NFで大きな違いは無いがCel-NFは劣った。これらナノセルロースの結晶性と細さがAni-NF>Bio-NF>Cel-NFの順で、Cel-NFの均一性が劣るためと考えられた。また、黒鉛化がより進行したGNFにおいても乱層構造領域と非晶質領域が見出され、ナノファイバー試料の不均一性に起因すると考えられた。径(厚さ)が約100nm以下で均一であれば分散制御により単一相のGNFが得られる可能性が示唆された。

セルロースナノフィブリル(CelNF)およびバイオセルロースナノファイバー(BioNF)から高結晶性カーボンナノファイバー(Graphitized CNF: GCNF)を調製・評価することが目標である。当該年度の研究成果:CelNFおよびBioNFペーストをエタノール(Et)および蒸留水(Water)中で分散・濾過してシート状の純粋なセルロースCelNFおよびBioNFを得た。CelNFおよびBioNFはシートにほぼ平行に配向し、直径はそれぞれ50300 nmおよび3060 nmであった。900°C処理のCelNFシートとBioNFシート、それぞれのオリジナル(OR)ペーストは、どちらもORペースト、蒸留水(water)分散、エタノール(Et)分散の順に比表面積が増大した。Et-CelNFシートとEt-BioNFシートでは2400°C処理以上で黒鉛成分が見い出され、黒鉛化性はBioNFの方がCelNFよりも良く、Et分散の方がWater分散よりも良いことが分かった。ORペーストは高温処理によっても難黒鉛化性炭素の特徴を示した。高温処理Et-CelNFシートおよびEt-BioNFシートにおいては発達した黒鉛構造を示す領域に加えて乱層構造およびアモルファスの領域が見出された。CelNFおよびBioNFから調製したシートの表面積が大きいほど、表面の効果が顕著に表れ、黒鉛化が進行し、ナノサイズであるために表面黒鉛化がナノファイバー内部にまで及ぶことが推察された。比較のためにフェノール樹脂から得られる市販CNFおよび活性CNFを同様に高温処理した。0.31.0 μmの黒鉛微粒子が生成し、CNF自体は多相黒鉛化した。黒鉛微粒子の数は活性CNFの方が多く、気相成長したと考えられた。CelNFおよびBioNFの黒鉛化特性とは異なり、900°C以上で揮発有機成分があると推察された。採択時の交付申請書に平成24年度以降の研究実施計画として記載した項目および昨年度の研究実施報告書に記載した今後の推進方策における項目をほぼ実施できた。すなわち、1.ナノセルロースの分散性についてはセルロースがOH基を含むためシクロヘキサン、ベンゼン、アセトンなどは効果が低く、エタノール分散が最適と判断できた。また、シート状カーボンナノファイバー集合体を高温処理し直流4端子法により電気抵抗率を測定した結果、市販のVGCFの体積抵抗率と遜色が無い値が得られる事が分かった。さらに磁気抵抗測定からシートの炭素層面の配向性と黒鉛化度を判断できた。2.結晶性の良いナノセルロースファイバーである純粋なアニマルセルロースをホヤの殻から分離・調製できた。ホヤの殻は産業廃棄物であり、天然資源の有効利用および自然環境保全の観点からも安価なセルロースナノファイバー原料として有望である。3.セルロースナノフィブリルおよびバイオセルロースナノファイバーを高分散、濾過して得たシートを炭素化、高温処理して調製したカーボンナノファイバーシートにおいては独立したカーボン・グラファイトナノファイバーが得られなかったが、アニマルセルロースを真空凍結乾燥することで綿状のナノセルロースファイバー集合体を調製でき、炭素化、高温処理することで独立したグラファイトナノファイバーが得られる事が分かった。
高圧MANES測定による圧力誘起4f電子転移の定量解析

新たに設計・製作した非対称ペア型ダイヤモンドアンビルセルを用いて、高圧下でのCeL_<III>収端近傍構造(XANES)スペクトルを測定する技法の開発に取り組み、圧力誘起4f電子転移(Ce価数の圧力依存性)の定量的評価法を確立した。この新技法を用いて、電気抵抗に異常な圧力効果を見出したβ-Ce_3Al合金相における高圧XANESスペクトルを実測し、高圧下で異常物性(高密度近藤効果)が発現する際の4f電子状態について考察した。得られた結果を以下に示す。1.極薄ダイヤモンド(0.8mm)を片側に用いた非対称ペア型アンビルとし、この薄型アンビルを貫いて試料に放射光を入射した際に放出される蛍光X線を特殊形状のべリリウムガスケットを通して半導体検出器で検出することで、Ce^<3+>(4f^l)とCe^<4+>(4f^0)に対応する2つの吸収ピークを明瞭に分離したS/N比の高い高圧XANESスペクトルが実測できた。2. β-Ce_3Al合金相では室温での比抵抗値が圧力と共に大きくなり、5GPaでは室温の値の約1.2倍に増大する。また電気抵抗は、常圧下では温度低下と共に直線的に減少するが、僅かに加圧(2.3GPa)するだけでCepd_3相の常圧での値やCePd相の約4GPaでの値に匹敵するほど顕著な高密度近藤効果が現れる。3.種々の高圧下におけるCeL_<III>-XANESスペクトルを測定した結果、いずれの圧力下においてもCe^<3+>(4f^1)に対応する鋭い吸収ピークしか観察されず、少なくとも8GPaまではβ-Ce_3Al合金相中でのCeは3.0価を保つ。以上の結果は、β-Ce_3Al合金相では高Ce組成で且つ3.0価を保った極めて高密度なスピン状態において高密度近藤効果が発現する可能性を示唆しており、これまで提案されている高密度近藤効果の発現機構では説明できない極めて興味深い現象が見出された。圧力誘起4f電子転移(Ce価数の圧力依存性)を定量的に評価するために、ダイヤモンドアンビルセル(DAC)装置により高圧力を加えたCe合金についてCe-L_<III>吸収端近傍構造(XANES)スペクトルを測定する技法を開発した。Ce-L_<III>吸収端(約5.7keV)付近のX線はダイヤモンドによる吸収が極めて大きいため、X線透過距離が0.8mmの超薄型ダイヤモンドをアンビルとして用いた。この超薄型アンビルを貫いてCe合金試料に高輝度X線(放射光)を入射し、入射X線と垂直方向に放出されるX線をガスケットを通して半導体検出器(SSD)で検出する独創的な測定法を考案した。この際、X線の検出効率を高めるために、通常の3倍以上の大きな検出窓をもつDAC装置およびX線脱出距離が約1.0mmの特殊形状Be製ガスケットを新たに設計・製作して用いた。さらに、SSDで検出されるX線の中からCe-L_<III>の吸収(2P→5d電子転移)に伴って放出される蛍光X線のみを分離・蓄積する方法を採用した。まず、典型的な中間価数物質であるCeO_2について1測定点当たり約30秒蓄積する測定を行った結果、Ce^<3+>(4f^1)とCe^<4+>(4f^0)に対応する2つの吸収ピークを明瞭に分離したXANESスペクトルが実測できた。すなわち上述の測定法により、Ce価数の定量的解析が行える良質の高圧XANESスペクトルを測定できることが明らかとなった。次に、1GPa程度の圧力下で特異な電気抵抗の圧力変化が現れるβ-Ce_3Al合金相について最大4.6GPaまでの高圧XANES測定を行った結果、この相中でのCeは3.0価のまま変化せず、局在した4f電子状態を保つことが明らかとなった。今後さらに、種々のCe合金相について同様の測定を行うことで、価数揺動状態に由来する異常物性の発現機構を解明できるものと期待される。

また電気抵抗は、常圧下では温度低下と共に直線的に減少するが、僅かに加圧(2.3GPa)するだけでCepd_3相の常圧での値やCePd相の約4GPaでの値に匹敵するほど顕著な高密度近藤効果が現れる。3.種々の高圧下におけるCeL_<III>-XANESスペクトルを測定した結果、いずれの圧力下においてもCe^<3+>(4f^1)に対応する鋭い吸収ピークしか観察されず、少なくとも8GPaまではβ-Ce_3Al合金相中でのCeは3.0価を保つ。以上の結果は、β-Ce_3Al合金相では高Ce組成で且つ3.0価を保った極めて高密度なスピン状態において高密度近藤効果が発現する可能性を示唆しており、これまで提案されている高密度近藤効果の発現機構では説明できない極めて興味深い現象が見出された。
ムタロターゼによる変旋光を応用したグルコースの新しし増収技術の開発

1.グルコアミラーゼの縮合本能速度の動的解析---本酵素の縮合反応を基質であるβ-グルコースを用い、二基質反応として取り扱い、速度パラメータを算出し、反応速度式を導いた。β-グルコースによる縮合反応系にα-グルコースを共存させれると、拮抗せず、反応促進がみられた。この現象を解析した結果、α-グルコースが本酵素の第一サブサイトに結合せず、専ら第二サブサイトに結合し、その親和力がβ-グルコースより強いことが判明した。一方、全グルコース濃度を一定にし、グルコースアノマーの様々な混合比率における縮合反応速度を測定したところ、βアノマーの比率が低いと速度が減少した。これは、基質であるβ-グルコースの濃度低下による速度減少効果の寄与がα-グルコースによる反応促進より大きいことを意味し、ムタロターゼの効果が期待された。2.ムタロターゼによる縮合反応の抑制とグルコース製造試験---30%β-グルコースに対するグルコアミアラーゼの縮合反応はムタロターゼの存在により30%低下した。現行のバッチ方式によるグルコース製造法に対し、ムタロターゼの効果を調べた。次に、グルコアミアラーゼ固定化カラムを作製し、ムタロターゼ存在下でマルトデキストリン(液化デンプンの代用)の送液・糖化試験をカラム内で行った。両試験ともに、ムタロターゼの共存によりグルコースの収量向上と縮合反応による二糖類生成量の低下が認められ、ムタロターゼの良好な効果を確認した。3.ブタ腎臓ムタロターゼの蛋白構造解析---本酵素の遺伝子取得と大量発現を意図し、アミノ酸配列の解析を行った。本酵素はN末端がブロックされていた。プロテアーゼ消化で得られたN末端閉塞ペプチドの配列をタンデム質量分析法で決定し、アセチル基によるブロックであることを明らかにした。Mutaloseの大量調製に関して、ブタの腎臓から大量調製を試みているが、腎臓の大量処理はきわめて困難であり、このため市販の粗酵素標品の提供を受け精製を行ないその精製法を確立した。精製した酵素について、その酵素化学的性質を検討した。(2)Glucoamylaseの縮合反応の動的解析1)反応速度式(2基質反応)の確立本酵素の縮合反応を基質であるβ-グルコースを用い、2基質反応として取り扱い解析した。B-グルコースの濃度を変化させ、各々の濃度における縮合反応生成物を正確に定量し、反応速度を求め、速度パラメーター(解離定数、Km値および最大速度)を算出し、2基質反応の速度式を導いた。2)グルコースアノマーの混合系での縮合反応β-グルコースによる縮合反応系にα-グルコースが共存すると、その拮抗作用により反応速度が低下すると考えられたが、グルコースのα-、β-アノマーの比を変化させ縮合反応に対するα-グルコースの影響を解析した結果、予想に反してα-グルコースが縮合反応を促進する現象が観察された。(3)Mutarotaseの一次構造の解析と大腸菌へのクローニング当初の計画にはなかったが、一部純化された酵素について一次構造の解析を進めた結果、本酵素のN-末端はアセチル基によって修飾されていることが判明した。それらの部分一次構造解析の結果をもとに、本酵素遺伝子の大腸菌へのクローニングと発現の検討を行って順調に進行している。(1)Glucoamylaseの縮合反応の動的解析と縮合反応の予測と評価

平成5年度に行った縮合反応の動的解析では反応速度式を確立したが、本年度はグルコースアノマーを異にする反応混合系での縮合反応についてさらに検討した。β-グルコースによる縮合反応系にα-グルコースが共存すると、その拮抗作用により反応速度が低下すると考えられた。たとえば、α-グルコースを用いたα-glucosidaseの反応系ではβ-グルコースによって縮合反応が著しく阻害されることが観察された。しかし、glucoamylaseについてグルコースのα-およびβ-アノマーの比を変化させ縮合反応に対するα-グルコースの影響を解析した結果は、予想に反してα-グルコースが縮合反応を促進する現象が観察された。この現象を解析した結果、α-グルコースがグリコアミラーゼの第1サブサイトに結合せず、専ら第2サブサイトに結合していると考えられ、第2サブサイトへの親和力がβ-グルコースよりも強いと推測された。(1)の解析結果は、glucoamylaseにおいてはβ-マルトースよりα-マルトースにより高い特異性のあることが予測された。返納速度論的な解析を行った結果、glucoamylaseはβ-マルトースよりもα-マルトースに関する最大速度と(V)と親和性(1/km)が共に大きく、従来多くのglucoamylaseで測定されている平衡状態のマルトースの動力学的パラメーターとは異なる値が得られた。この結果はこれまで知られていない事実があり、glucoamylaseの基質特異性やサブサイトを考えるうえできわめて重要な意味をもっていると考えられた。(3)Mutarotaseの一次構造の解析と大腸菌へのクローニング当初の計画にはなかったが、平成6年度からあらたにはじめた一次構造解析の結果をもとに、本酵素遺伝子の大腸菌へのクローニングと発現に成功し、そのcDNAの解析から本酵素の全一次構造を世界でははじめて決定した。さらにペプドシーケンサーによる一次構造の解析も行っており順調に進行している。また、本酵素を大腸菌により発現させることに成功したことは、グルコース増収のために必要なmutarotaseを大腸菌によって大量生産できる可能性が明らかとなった。本年度は糖化試験を中心に行い、ムタロターゼの効果を確認し、以下に示す成果が得られた。1.グルコースアノマーの様々な混合比率におけるグルコアミラーゼの縮合反応速度の測定とムタロターゼによる縮合反応の抑制-昨年度、グルコアミラーゼの縮合反応はα-グルコースの共存により活性化されることを報告したが、全グルコース濃度が同じでもβ-アノマーの比率が低いと速度が減少した。これは、基質であるβ-グルコースの濃度低下による速度減少効果の寄与が大きいことを意味し、ムタロターゼの効果が期待された。30%β-グルコースに対するグルコアミラーゼ単独の場合とムタロターゼ共存の場合とで縮合反応を比較した。ムタロターゼにより約30%縮合反応が低下した。2.バッチ方式によるグルコース製造試験-トウモロコシデンプンから現行の方法で、50%液化デンプンを調製した。これにグルコアミラーゼ、プルナラーゼ、ムタロターゼを加え、pH 5.6,50°Cで糖化試験を行った。比較のため、グルコアミラーゼとプルナラーゼのみの場合も併せて調べた。ムタロターゼによりグルコースの収量が向上し、縮合反応が抑制された。3.グルコアミラーゼ固定化カラムでの糖化試験-
水素吸蔵合金とプロトン電導性固体間のプロチウム輸送

水素吸蔵金属とプロトン導電性酸化物を、それぞれ、負電極と電解質に用いる電気化学セルを製作し、セルの起電力測定とERD法による電極中の水素の定量により、水素吸蔵金属負電極とプロトン導電性酸化物電解質間のプロチウムの移動を調べた。電極にプロチウムに対する吸蔵作用の強いZr金属を用い、直流電圧を印加すると、プロチウムは負電極の方向に駆動されてほぼ100%の確率で捕捉されることが認められた。電解質にYドープのBaCeO_3を、負電極にTiH_2を、そして正電極にptメッシュを使用した電気化学セルの起電力は温度の上昇に伴い増加することが認められた。一方、プロチウムの電極からの出入りのないブロッキング電極を用いた電気化学セルにおいて、プロトンの濃度勾配により生じる起電力は温度の上昇に伴い減少する。従って、水素吸蔵金属負電極を用いる電気化学セルは、水素吸蔵金属からプロトンが電解質へと流出することにより水素酸素燃料電池が形成されて、起電力が発生したと考えられる。かくして、水素吸蔵金属を負電極に、そして、プロトン導電性酸化物を電解質に用いる水素酸素燃料電池が作働することが示された。更に、水素酸素燃料電池用の電解質に適したプロトン拡散速度の早い酸化物を選択するために、交流電気伝導度、OCV及びプロトン流束の測定により、SrCeO_3、SrZrO_3及びBaCeO_3中のプロトンの拡散係数を評価した。その結果、BaCeO_3が最もプロトンの拡散速度が早く且つ電気伝導度も高いことが判った。
鼻アレルギーのケミカルメジエーターの研究

鼻アレルギーの発症に重要と考えられるケミカルメジエター,ヒスタミンロイコトリエンD_4(LTD_4),プロスタグランディンD_2(PGD_2),血小板活性化因子(PAF)を用いて鼻粘膜誘発テストを行い,抗原,対照と比較した.テストは閾値法で行い,反応はくしゃみ回数のカウント,鼻汁の重量測定,鼻腔通気度の測定で評価した.抗原誘発によりくしゃみ,水性鼻汁,鼻腔通気抵抗の増加がみられた.ヒスタミンでも三症状がみられたが,抗原に比し持続時間が短く,くしゃみが多く,通気抵抗の増加が軽度であった. LTD_4はくしゃみはなく,鼻汁の増加は軽度だが持続性の通気抵抗の増加がみられた. PGD_2は大量でも三症状の発現はみられなかった. PAFは鼻汁および通気抵抗の増加を来したが,その量は鼻アレルギーで遊離される量を遙かに越していた.鼻アレルギーのケミカルメジエーターとしてはヒスタミン,ついでLTD_4が重要と考えられた.鼻アレルギーの発症に重要と考えられるケミカルメジエター,ヒスタミンロイコトリエンD_4(LTD_4),プロスタグランディンD_2(PGD_2),血小板活性化因子(PAF)を用いて鼻粘膜誘発テストを行い,抗原,対照と比較した.テストは閾値法で行い,反応はくしゃみ回数のカウント,鼻汁の重量測定,鼻腔通気度の測定で評価した.抗原誘発によりくしゃみ,水性鼻汁,鼻腔通気抵抗の増加がみられた.ヒスタミンでも三症状がみられたが,抗原に比し持続時間が短く,くしゃみが多く,通気抵抗の増加が軽度であった. LTD_4はくしゃみはなく,鼻汁の増加は軽度だが持続性の通気抵抗の増加がみられた. PGD_2は大量でも三症状の発現はみられなかった. PAFは鼻汁および通気抵抗の増加を来したが,その量は鼻アレルギーで遊離される量を遙かに越していた.鼻アレルギーのケミカルメジエーターとしてはヒスタミン,ついでLTD_4が重要と考えられた.
光合成蛋白質と金属ナノ粒子を用いた人工光エネルギー水分解システムの開発

天然の光合成蛋白質を用いたバイブリット型人工光水分解ナノデバイスの開発を目的とし、シアノバクテリアから単離した光化学系II蛋白質(PSII)と直径20 nmの金ナノ粒子(GNP)を結合させたPSII-GNP複合体、およびさらに光化学系I蛋白質(PSI)を結合させたPSI-GNP-PSII複合体を作成した。PSII-GNPの光照射による水分解・酸素発生活性、およびPSI-GNP-PSIIにおけるPSIIからPSIへの電子移動の存在を確認した。また、PSIに直径3 nmの白金ナノ粒子(PtNP)を結合させたPSI-PtNPについて、光による水素発生を検出した。1.前年度までに我々が開発した好熱性シアノバクテリアThermosynechococcuselongatus由来の光化学系II蛋白質(PSII)と金ナノ粒子(GNP)を結合した光水分解ナノデバイスの水分解活性を向上させるため、調製プロトコルの改善を行った。低Ca2+濃度緩衝液中(金ナノ粒子の凝集を避ける)でのPSIIのインキュベーションによる水分解能の低下を回避するため、GNPとPSIIの結合のためのインキュベーション時間を極力短縮し、PSII結合後に迅速に十分なCa2+濃度の緩衝液に移した。その結果、遊離光化学系II蛋白質に比べて23%であった酸素発生活性を46%にまで向上させることができた。2.光化学系I蛋白質(PSI)の電子供与体側をGNPに結合させるため、シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC6803を用い、PSIのPsaLサブユニットのC末端側(ルーメン側)にヒスチジンタグを導入した変異体を作成した。このシアノバクテリア細胞から単離精製したHis-PSIを、Ni-NTAを介してGNPに結合させた。また、His-PSIIとHis-PSIを同時にGNPに作用させ、PSIIとPSIを配向を制御しながら(PSIIは電子受容体側、PSIは電子供与体側に)GNPに結合させ、それらの双方を持つPSII-GNP-PSI複合体を作成した。PSIとPSIIの両方がGNPに結合していることを、77 Kにおける蛍光スペクトル測定によって確認した。酸素発生能を持つ光化学系II蛋白質と金属ナノ粒子を用いたハイブリッド型人工光水分解ナノシステムの開発を目指し、以下の研究を行った。1.シアノバクテリアより調製した光化学系I(PSI)および光化学系II(PSII)を直径20 nmの金ナノ粒子(GNP)に結合させたPSI-GNP-PSII複合体について、共焦点レーザー顕微鏡を用いた極低温一分子蛍光観察を行い、これらの光合成蛋白質が同一金ナノ粒子上に結合していることを確認した。また、水を電子供与体とする光化学系IIから光化学系Iへの電子移動反応を、光化学系Iの第一電子供与体クロロフィルP700の光誘起電子吸収変化により追跡し、電子メディエーターDCPIPを介した電子移動の存在を確かめた。2.光化学系Iに直径3 nmの白金ナノ粒子(PtNP)を結合させ、PSI-PtNP複合体を形成した。この複合体に人工電子供与体としてアスコルビン酸とTMPDを電子供与体として添加し、光を照射することにより、光エネルギーによる水素発生の検出を試みた。光照射後に得られた気体をガスクロマトグラムによって分析した結果、光照射により微量ながら水素の発生を確認した。さらに水素発生能を向上させるため、光化学系Iの電子供与体側に結合するシトクロムcを、遺伝子導入した大腸菌より精製した。このシトクロムcを電子供与側の電子メディエーターとして用いることにより、水素発生活性が著しく向上すると考えられる。CP47サブユニットのC末端にヒスチジンタグを導入した好熱性シアノバクテリアThermosynchococcuselongatusの光化学系II蛋白質を、Ni-NTA (nickel-nitrilotriacetic acid)を介して直径20 nmの金ナノ粒子へ結合させることにより、金ナノ粒子ー光化学系II複合体を初めて作成した。電子吸収スペクトルにより、金ナノ粒子のプラズモン吸収(530 nm)に加え、光化学系IIのクロロフィル由来のQyバンド(674 nm)およびSoretバンド(440 nm)の存在が確認できた。プラズモン吸収とQyバンドとの吸光度の比から、金ナノ粒子あたり4ー5つの光化学系II二量体が結合したことが示された。金ナノ粒子への複数個の光化学系II蛋白質の結合は、さらに透過型電子顕微鏡観察によって確認した。生成した金ナノ粒子ー光化学系II複合体はNiアフィニティーカラムにほとんど結合しなかったことから、光化学系IIはヒスチジンタグを介して金ナノ粒子に結合していると結論した。

このことは、光化学系II蛋白質が電子受容体側を金ナノ粒子側に向けて配向した状態で結合していることを意味している。光化学系IIー金ナノ粒子複合体の光照射による酸素発生活性を、酸素電極を用いて評価した結果、低塩濃度下における遊離光化学系II蛋白質試料とほぼ同じ酸素発生活性を持つことが示された。これらの結果から、本研究で得られた光化学系II-金ナノ粒子複合体は、水から電子を得る光エネルギー変換ナノデバイスとして応用が可能であることが示された。目的とする高効率な水分解ナノデバイスの開発に必要な、PSII-GNP複合体の水分解・酸素発生活性を向上させることができた。また、さらに光化学系Iを結合したPSI-GNP-PSII複合体を作成できたことは、水分解により水素発生を行うナノデバイスの開発に大きく近づいたと考えている。本研究で目的としていた、光化学系II蛋白質と金ナノ粒子の複合体の作成に世界で初めて成功し、その結果をアメリカ化学会が発行する速報誌J. Phys. Chem. Lett.に報告した。光化学系II蛋白質はHisタグとNi-NTAを介して特異的に金ナノ粒子に結合していることが示され、また、光エネルギーを用いた水分解による酸素発生も確認でき、光エネルギー変換ナノデバイスとして機能することを示すことができた。これらのことから、初年度の当初の目的はおおむね達成できたと考えている。1.PSII-GNP複合体の水分解・酸素発生活性をさらに向上するよう、調製プロトコルを改善していく。2.PSI-GNP-PSII複合体中で電子がPSIIからPSIへ移動するかを、様々な分光法を用いて調べる。電子移動速度が不十分である場合には、適当な酸化還元メディエータを添加するなどの工夫をする。3.PSIに白金ナノ粒子を結合させ、人工電子供与体の存在下で水素発生することを確かめた後、PSII-GNPにPSI-Ptを結合させ、水分解によって水素を発生する光水分解ナノデバイスを作成する。これまでに作成した金ナノ粒子ー光化学系II複合体は、低塩濃度下における遊離光化学系II蛋白質試料とほぼ同じ酸素発生活性を持っていたが、酸素発生を最大にするmMオーダーCaCl2を含む溶液中での活性に対しては約30%と低いものであった。そこで、金ナノ粒子を凝集させずに、酸素発生活性を上げる条件の最適化を行うことを計画している。また、赤外分光法を用いて金ナノ粒子ー光化学系II複合体中の電子移動反応を調べ、水分解系から金ナノ粒子への電子移動を確認する。さらに、金ナノ粒子ー光化学系II複合体に光化学系Iを結合させ、光化学系Iー金ナノ粒子ー光化学系II複合体を形成する。基本的に消耗品の購入に使用する。内訳としてはシアノバクテリアの培養、PSI, PSII蛋白質の調製などに必要な一般試薬と消耗品、金ナノ粒子、白金化合物、C2-NTAなど、PSI-GNP-PSII複合体の調製に必要な試薬を購入する。また、研究費の一部は、成果報告、情報収集のための旅費として使用する。次年度も金ナノ粒子や、C2-NTA、蛋白質調製用の試薬などの消耗品を中心に研究費を使用する。また、学会での成果報告および共同研究者との研究打ち合わせなどの旅費に使用する計画である。