hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
無細胞蛋白質合成系の効率化に関する研究

現在までのところ、mRNA分子を反応系から取り出し、PCRによって増幅するための条件を決定し、より翻訳活性の高い分子種をmRNAのポリゾーム形成能の違いによって選択するための条件検討を行っている。小麦胚芽抽出液を翻訳装置として用いて、異種mRNA(レポーター遺伝子として大腸菌ジヒドロ葉酸還元酵素をコードする遺伝子を用いた)を鋳型として無細胞系で蛋白質を合成するシステムの効率化(反応時間の延長と反応速度の向上により蛋白質合成量を飛躍的に高める)及び反応終了後の目的蛋白質の分離・精製について以下のような実績を得た。1.分子拡散型バイオリアクターの開発これまでの我々の研究より、小麦胚芽抽出液を用いた無細胞蛋白質合成系では、ATPの枯渇が反応停止の主たる要因であることがわかっている。そこで、反応中、絶えずATPあるいはクレアチン燐酸を外部から反応系に補給できるように、限外濾過膜もしくは透析膜を用いた、分子拡散型バイオリアクターを開発した。膜を介してのATPの移動速度を高めるために、適切なポアサイズの膜の選択、外液のATP濃度を高めること、外液を攪拌すること等により、ATP濃度を最適値に保つことができるようになった。2.キャップ非依存性mRNA先行配列の必須領域の検討キャップ非依存性的にリボゾーム複合体への取り組みを促進する配列(IRESと呼ばれている)としてタバコエッチウイルス(TEV)の配列を出発点として、翻訳に必須の領域をtruncation(切詰め法)によって検討した。その結果、TEV配列と同程度の翻訳活性を示す領域があった。3.翻訳反応終了後の目的蛋白質の分離・精製に関する研究反応後超遠心分離操作により、35倍程度、また限外濾過膜法により、35倍程度比活性を上げることが出来た。既存の無細胞蛋白質合成系ではあまりにも微少量しか合成されないので、物としてその特性を調べることが難しい。そこで、無細胞蛋白質合成系の効率向上をめざして次の3点を研究し実績を得た。1.分子拡散型ミニバイオリアクターの最適化翻訳に必須なATPとGTPを連続的に供給できる分子拡散型ミニバイオリアクターの形式として2つ考案した。1つはホロファイバーを使用した透析液循環方式であり、他の1つは反応槽の底部を膜にした平膜方式である。前者については、遠心濾過膜で濃縮した大腸菌のS30画分を用いることによって、約2.5時間の転写翻訳共役反応で、クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)が1.2mg/ml合成できた。一方、後者においては、濃縮小麦胚芽抽出液を用いた系においてmRNAを経時的に添加することにより3時間でジヒドロ葉酸還元酵素(DHFR)が0.14mg/ml合成できた。2.キャップ非依存性mRNAの5'-UTRの最適化タバコエッチウイルす(TEV)の5'-非翻訳領域(5'-UTR)から出発し種々な断片(合計8種類)をレポーター遺伝子の上流につなぎ、その蛋白質生成量を調べた。その結果、35ntからなるTEV-5'-UTRの断片が完全長5'-UTRよりも高い翻訳活性を示した。3.翻訳反応終了後の目的蛋白質の分離・精製ニッケル樹脂を用い、CATのN末端側にあるHis-Tagによる精製はうまくいかなかった.
矯正治療後の後戻り抑制に対するdaidzeinの有効性の検討

矯正歯科治療において,装置除去後保定装置を用いるが,歯の後戻りは少なからずみられ,その原因は明らかではない。本研究では矯正治療後の歯の後戻りの抑制に焦点を当て,イソフラボンの一種でマメ科植物に多く含まれるdaidzeinがコラーゲン代謝を活性化させる特性に着目し,伸展された歯根膜組織に対するdaidzeinの効果を細胞生物学的・組織病理学的に検討し,歯の後戻りの抑制薬としての可能性を検討した.この結果, in vivoで, daidzein注射により後戻りは減少し, Daidzein注射によりPDLの細胞増殖能が高まり,COL-IおよびMMP1発現量が遺伝子レベルおよびタンパク質レベルで増加した.in vitroでは,伸展力がかかっている歯根膜細胞で,COL-IおよびMMP1発現量がdaidzeinにより増加することが示唆された.このことから, daidzeinはhPDLの細胞増殖を活発化し,それに伴いコラーゲン代謝を促進させることで,矯正治療後の後戻りの抑制に有用である可能性が示唆された.今後は, daidzeinの歯根膜組織の骨新生を促進することで後戻りを抑制する可能性があることから骨代謝関連因子のタンパク・遺伝子発現についても検討していく予定である。【目的】矯正歯科臨床で保定終了後に後戻りがみられることが多く、特に捻転歯は長期保定しても後戻りがみられることが多い。後戻りの局所的原因として、治療により圧迫や伸展された歯根膜のコラーゲン線維が充分にリモデリングされていないことが原因であるとの報告がある。Daidzeinは、イソフラボンの1種で大豆から抽出された化合物であり、構造は女性ホルモンの1種のエストロゲンと似ている。骨粗鬆症等の疾患に応用されたり、また美容領域では、抗皺材料として皮膚線維芽細胞のコラーゲン代謝を促進する重要な因子であるとの報告がある。そこで本研究は,リモデリングや骨形成を促すDaidzeinの作用に関する研究の一環として, in vivoにおいてラットの動的治療後のDaidzein処理による歯牙移動量を検討した。【資料および方法】6週齢のWistar系雄性ラット(日本大学松戸歯学部動物実験委員会第AP15MD017号)の上顎第一臼歯に10gの矯正力を14日間加えたのち装置を除去し、実験群にはdaizeinを対照群にはPBSを7日間歯肉注射し、後戻り量をμCTにて測定した。【結果および考察】除去後7日目においてdaidzein 50ng/mlで75.3%、500ng/mlで75.1%後戻りを有意に抑制した。以上のことからdaidzeinはコラーゲン代謝の促進を介して後戻りを抑制することが示唆された。【結論】Daidzeinはヒト歯根膜のコラーゲン線維のリモデリングを促進し、矯正治療後の後戻り抑制に有効である可能性が示唆された。矯正臨床において,動的治療後の短期間では,歯根膜のリモデリングが不十分であるため元の状態に戻りやすいと考えられている。そのため歯根膜線維の再構成を促し,リモデリングの速度を速める事で後戻り抑制につながる可能性があると考える。ラットを用いた実験的歯の移動モデルにて、daidzeinを歯肉注射および経口投与し、マイクロCTを用いて後戻り抑制効果を確認した。その結果、歯肉注射において除去後7日目においてdaidzein 50ng/mlで75.3%、500ng/mlで75.1%後戻りを有意に抑制した。また、経口投与において10mg/kgで約50%後戻りを抑制した。以上のことから、daidzeinが当講座の先行研究で報告したrelaxinと同程度の後戻り抑制効果を有し、それはコラーゲン代謝の促進を介して後戻りを抑制すること可能性が示唆された。平成28年度の計画はおおむね順調に遂行できたと考える。【目的】後戻りは歯科矯正治療における主要な臨床的問題の1つであるが歯根膜(PDL)におけるコラーゲン線維の蓄積された機械的伸展力の開放は,後戻りに関連する因子の1つであると考えられている。イソフラボンの1つであるdaidzeinは皮膚のコラーゲン代謝回転に関与するが,後戻りに対するdaidzeinの効果は不明な点が多い。本研究は歯科矯正治療後の後戻り状態を再現しdaidzeinの抑制効果を調べた。In vivoでは10.0gで歯の移動した後,装置を取り外し,対照群にはリン酸緩衝生理食塩水(PBS)を,実験群にはdaidzeinを歯根膜注射した。後戻り距離はマイクロCTにて測定した。H.E.染色を用いて組織学的特徴を,コラーゲンI型(COL-I),マトリックスメタロプロテイナーゼ(MMP)-1および増殖性細胞核抗原(PCNA)を用いて免疫組織化学的特徴を調べた。In vitroではSTREXチャンバーを用いてヒトPDL(hPDL)細胞に12時間伸展力(10.0%)をかけ,細胞をdaidzein(50.0μg/ ml)で48時間処理した。daidzeinで処理した伸展したhPDL細胞におけるCOL-IおよびMMP-1のタンパク産生量および遺伝子発現をELISAおよびリアルタイムPCRにて調べた。【結果および考察】Daidzein群の後戻り距離の比率は,対照群より有意に低かった。免疫組織化学染色はdaidzein群においてCOL-IおよびMMP-1の強い陽性反応を示した。

PCNA陽性細胞の割合は21日目に増加した。伸展したhPDL細胞においてdaidzeinはCOL-IおよびMMP-1のタンパク産生は48hまで経時的に増加し,遺伝子発現は24hで最も増加した。【結論】DaidzeinはhPDLのコラーゲン代謝を活性化し、歯科矯正治療後の後戻りの抑制に有用である可能性が示された。以上からin yivoとin vitroの双方の検討が終了できた。矯正歯科治療において,装置除去後保定装置を用いるが,歯の後戻りは少なからずみられ,その原因は明らかではない。本研究では矯正治療後の歯の後戻りの抑制に焦点を当て,イソフラボンの一種でマメ科植物に多く含まれるdaidzeinがコラーゲン代謝を活性化させる特性に着目し,伸展された歯根膜組織に対するdaidzeinの効果を細胞生物学的・組織病理学的に検討し,歯の後戻りの抑制薬としての可能性を検討した.この結果, in vivoで, daidzein注射により後戻りは減少し, Daidzein注射によりPDLの細胞増殖能が高まり,COL-IおよびMMP1発現量が遺伝子レベルおよびタンパク質レベルで増加した.in vitroでは,伸展力がかかっている歯根膜細胞で,COL-IおよびMMP1発現量がdaidzeinにより増加することが示唆された.このことから, daidzeinはhPDLの細胞増殖を活発化し,それに伴いコラーゲン代謝を促進させることで,矯正治療後の後戻りの抑制に有用である可能性が示唆された.今後は, daidzeinの歯根膜組織の骨新生を促進することで後戻りを抑制する可能性があることから骨代謝関連因子のタンパク・遺伝子発現についても検討していく予定である。骨粗鬆症などの疾患では不足したエストロゲンの代わりにdaidzeinの摂取をすることで,骨からのカルシウム流出を抑えるほか,骨形成を促進する。また,Rassiらは, daidzeinにより破骨前駆細胞のアポトーシスが促進し,破骨細胞の分化は抑制され,骨吸収が軽減すると報告した。使用計画:次年度において,免疫組織学染色は, TRAP, ALP, OC, OPG, IL-1, 6, 8, PCNA抗体を用いて行う予定である。
インフルエンザウイルスPA,PB2蛋白の立体構造解明と阻害剤の開発

1.前年度では、精製したインフルエンザウイルスRNAポリメラーゼPAサブユニットがペプチド基質およびタンパク質を分解することを見出した。そして、DFPがPAとクロスリンクしたことからキモトリプシン様セリンプロテアーゼであることが分かった。今年度は、さらにプロテアーゼ活性部位の同定を行った。DFPのクロスリンクしたアミノ酸を調べた結果、DFPは、PAのSer616とSer624にクロスリンクしていた。このことから、セリンプロテアーゼの活性中心はこの部位に存在すると考えられた。2.さらにどちらのアミノ酸が活性部位であるかを同定するため、この2ヶ所のアミノ酸をトレオニンに置換した変異体、また欠損させた変異体を作成し、各変異体のPA蛋白の精製を行った。その結果、Ser616を変異してもプロテアーゼ活性が検出され〓のに対し、Ser624を変異あるいは欠失させると、活性は検出されなかった。この結果から、PAのセリンプロテアーゼ活性の〓心はSer624であることが分かった。3.以上、精製したPAはペプチド基質およびタンパク質を分解すること、ウイルス粒子内PAにも同様の活性がみられること、活性中心を他のアミノ酸に置換または欠損させると活性が消失すること、などからPAはプロテアーゼ活性をもつことを証明した。PAプロテアーゼ活性はRNAポリメラーゼからは初めての例であり、PAは遺伝子の複製およびタンパク分解の二つの機能をもつことになる。今後、遺伝子の転写・複製機構にプロテアーゼの関与する新たな側面が展開されるものと考えられる。4.現在、PAプロテアーゼ活性部位の立体構造を解明するため、その結晶化に取り組んでいる。1.インフルエンザウイルスRNAポリメラーゼPAサブユニットのプロテアーゼ活性の生化学的解析を行うため、まずPA蛋白の大量発現と精製法を確立した。インフルエンザウイルスA/PR8/34(H1N1)株のRNAポリメラーゼPAサブユニットを発現する組換えバキュロウイルスBacPAを作成し、これをSF21AE昆虫細胞で発現させ、各種カラムクロマトグラフィーを用い、PA蛋白を精製した。精製したPAは450500kDaの画分に回収されたことから、PA蛋白は6量体で存在すると推定された。2.精製したPAを用いてプロテアーゼ活性の測定を行った。PAを数種類の人工ペプチド基質と反応させたところ、pH8.0においてチロシンを特異的に認識し、PA蛋白の濃度に依存した基質Suc-Leu-Leu-Val-Tyr-4-methyl-coumary-7-amideの分解が見られ、また高分子タンパクであるカゼインの分解も認められた。さらにセリンプロテアーゼ特異的阻害剤であるDFPがPAと結合したことから、PAのプロテアーゼ活性はセリンプロテアーゼであると分かった。3.PAのプロテアーゼ活性部位の同定を行った結果、DFPがPAのアミノ酸C末端側の616番目と624番目のセリン残基に結合していることが分かり、この部位に活性中心が存在することが分かった。さらにどちらのアミノ酸が活性部位であるかを同定するため、この2ヶ所のアミノ酸をトレオニンに置換した変異体、また欠損させた変異体を作成し、各変異体のPA蛋白の精製を行った。現在、それぞれの変異体PAのプロテアーゼ活性を解析しており、詳細な活性部位の同定を行っている。4.PAの立体構造を解明するために、まず結晶化に必要な5mgのPAを精製した。現在その結晶化に取り組んでいる。
人工ヌクレアーゼによる食細胞異常症由来ヒトiPS細胞の遺伝子修復に関する研究

先天性好中球減少症(SCN)患者(ELANE変異)の骨髄細胞から作製,樹立した疾患特異的iPS細胞を造血系,骨髄顆粒球系細胞に分化し,患者骨髄の病態とほぼ同じ成熟障害を認めたことから,iPS細胞は患者病態を反映することが明らかとなった。TALENを用いた遺伝子編集技術から患者で認められた遺伝子修復を試み,そのiPS細胞を骨髄顆粒球系細胞に分化すると患者で認められていた成熟障害が修復されていたことから,遺伝子編集の効果が明らかとなった。以上の結果から,疾患特異的iPS細胞は病態解析に有用であることと,遺伝子編集技術で病態修復の可能性が示唆された。健常人由来iPS細胞と先天性好中球減少症(SCN)患者由来iPS細胞を用いて,造血系特にCD34への分化を行い,CD34でソーティング後に骨髄顆粒球系への分化を行った。フィーダー細胞の有無で若干の違いはあるものの,健常人由来iPS細胞からはサイトカイン存在下で安定的に好中球系への分化を誘導することが可能となった。誘導された好中球の性質は細胞内酵素発現,表面抗原発現,好中球活性酸素産生能から,末梢血好中球とほぼ同等であることを確認した。また,SCN患者由来iPS細胞では骨髄顆粒球系細胞への分化誘導では患者骨髄でみられる前骨髄球での成熟障害を確認することが出来,患者病態を再現できていることが明らかとなったから,病態解析に応用することが可能となった。人工ヌクレアーゼtranscription activator-likeeffector nucleases (TALENs)は研究分担者の山本教授により,デザインと作製を行った。正常iPSには変異ELANEを,患者由来iPS細胞には正常ELANE遺伝子の導入を試みた。遺伝子導入はelectroporation法で行い,導入の可否はサザンブロッティングにて確認を行った。導入の成否とその効率は現段階では一定していないが,いくつかのクローンでは導入を確認している。現在,導入が成功しているiPS細胞クローンの分化誘導を開始している。骨髄顆粒球系への分化誘導により,SCNの病態反映とSCN由来iPS細胞の遺伝子修復を確認することが可能となるので,検討を継続している。先天性好中球減少症患者(ELANE変異)の骨髄細胞から疾患特異的iPS細胞を樹立し,造血系への分化過程を確立した。患者骨髄細胞で認められる,骨髄顆粒球系分化での成熟障害,増殖能の低下をiPS細胞からの骨髄顆粒球系細胞でも同様の所見であることを確認することができた。本課題で樹立した疾患特異的iPS細胞で,患者に認められている病態を反映できることが明らかとなり,更なる病態解明の研究に利用する事が可能となった。そこで,まずは正常iPS細胞において遺伝子編集技術を用いて,作製された人工ヌクレアーゼ(TALEN)で遺伝子操作を行い,患者と同じ変異の導入を行い,造血系への分化を検討した。正常iPS由来骨髄顆粒球系と変異iPS細胞由来の骨髄顆粒球系細胞で細胞の増殖,分化が全く異なることが明らかとなった。遺伝子編集を行うことで,正常iPS細胞から患者iPS細胞を作製できる可能性が示された。現在,患者由来iPS細胞での変異を修復するためのTALENを作製し,遺伝子修復が可能かどうかを検討している。また,正常iPS細胞から遺伝子操作で作製できた変異をもつiPS細胞を免疫不全マウスに移植実験を行っているが,完全な生着を得ることはできていない。変異iPS細胞から造血系に分化した細胞数が十分でない可能性があり,細胞数を増やした培養系で検討している。先天性好中球減少症(SCN)患者(ELANE変異)の骨髄細胞から作製,樹立した疾患特異的iPS細胞を用いて,以下の結果を得た。1正常者から樹立したiPS細胞,SCN-iPS細胞ともに造血系から骨髄系細胞への分化を確認し,SCN-iPS細胞からの骨髄顆粒球系細胞の増殖,分化障害を確認出来た。この障害は患者骨髄で認められている病態を反映するものであった。2正常iPS細胞を用いた,遺伝子編集からSCN患者に認められた遺伝子変異を導入し,造血系分化,骨随顆粒球系分化を行ったところ,ほぼSCN-iPS細胞と同様な分化障害を作製することができた。分化,成熟細胞が著明に減少し,早期の細胞死が認められたことから,SCNでは細胞死の亢進が,好中球減少の病因のひとつである可能性を示唆していることが明らかとなった。3SCN-iPSの遺伝子編集から,正常遺伝子への修復を試みた。一定の結論を導くことは不可能であったが,一部のクローンでは遺伝子編集されたSCN-iPSが正常に近い骨髄顆粒球系分化を示すものがあり,TALENによる遺伝子編集が,遺伝子修復を可能にすることが示唆された。しかし,すべてのクローンでこの結果を導くことは現段階では出来ておらず,今後,この修復技術の精度の向上と普遍性を明らかとすべき研究を継続している。4同じくELANE変異を有する周期性好中球減少症においても同様の研究を開始しており,同じ遺伝子変異で表現型の違う二つの疾患の病態解析に疾患特異的iPS細胞での造血系分化からの差異を検討している。

先天性好中球減少症(SCN)患者(ELANE変異)の骨髄細胞から作製,樹立した疾患特異的iPS細胞を造血系,骨髄顆粒球系細胞に分化し,患者骨髄の病態とほぼ同じ成熟障害を認めたことから,iPS細胞は患者病態を反映することが明らかとなった。TALENを用いた遺伝子編集技術から患者で認められた遺伝子修復を試み,そのiPS細胞を骨髄顆粒球系細胞に分化すると患者で認められていた成熟障害が修復されていたことから,遺伝子編集の効果が明らかとなった。以上の結果から,疾患特異的iPS細胞は病態解析に有用であることと,遺伝子編集技術で病態修復の可能性が示唆された。疾患特異的iPS細胞の分化実験,正常iPS細胞に遺伝し編集で変異を導入できることが明らかとなっていることから,予定通りに研究は進行していると考えている。27年度が最終年度であるため、記入しない。小児科学,血液学,免疫学計画で考えている内容が順調に遂行されているので,最終目標である患者由来のiPS細胞での遺伝子編集から,遺伝種修復が可能となるかどうかを今後の1年で明らかとする予定である。iPS細胞の血液細胞,特に骨髄顆粒球系細胞への分化過程はほぼ確立された。また人工ヌクレアーゼTALENの設計と作製,ならびにiPS細胞への導入,発現も効率は良くないものの概ね達成できている。一部のiPS細胞クローンにおいて,変異ELANE,正常ELANEの導入が出来ているので,今後はそのiPS細胞クローンから造血細胞への分化を検討していく予定である,以上,本研究課題の遂行は概ね順調に進んでいる。人工ヌクレアーゼTALENの設計と導入ならびに発現は,徐々に成功してきている段階であるので,遺伝子導入の効率を上げる工夫が重要な課題である。一部の実験では,いくつかのiPS細胞クローンで,正常iPS細胞での変異ELANEの導入,ならびに患者由来iPS細胞での正常ELANEの発現を確認しているので,これらのクローンを用いて,骨髄顆粒球細胞への分化誘導実験を開始している。分化誘導後に健常人由来iPSからのSCNの病態反映,SCN由来するiPS細胞の遺伝子修復を確認することが本研究課題の重要てーまであるので,検討を継続していく。また,iPS細胞を用いたマウスモデル作製を平行しているので,iPS細胞からのCD34細胞の免疫不全マウスへの異種間移植による,ヒト細胞の生着確認を反復して行う。ヒト細胞が同定できるための実験を継続していく予定である。消耗品費をすべて使用するに至りませんでしたが,先天性好中球減少症(SCN)の遺伝子修復ならびにSCNの遺伝子異常の発現に関する研究は順調に進行している。また国内外の学会発表も一部で行うことが出来ている。本研究テーマの基礎的条件が確立されて来ているので,次年度は遺伝子異常疾患を拡大し,修復すべき遺伝子のデザインの増加,iPS細胞株の培養の拡大,免疫不全マウスへの移植実験の増加が予想されるので,消耗品費を次年度に繰り越すこととした。先天性好中球減少症でのELANE変異導入と修復のためのTALEN作製は可能となり,遺伝子修復のための基礎的技術は確立されつつある。次年度は同疾患での他の遺伝子異常の修復のための人工ヌクレアーゼのデザインの拡大とiPS細胞株を増加して検討し,修復と病態発現されたiPS細胞のクローン選別とこのクローン由来のCD34細胞の免疫不全マウスへの移植を予定している。
生涯学習のための電気・情報系マルチメディア型CAIの開発と評価

本研究は社会人、企業人に必要な知識がいつでも誰でも学習できる、生涯学習のためのマルチメディア型CAIのコースウェアの開発と評価を行なうことを目的としている。平成2年度より3年間にわたり、以下のことを研究した。(1)具体的な学習内容として、環境電磁工学の分野を選び、技術者を対象とした学習システムを設計するための基本的な検討を行なった。(2)学習システムの環境としたMS-Windows(Ver3.)を採用し、オーサリングツールとしてGuide3を用いて、学習コースを制作した。(3)初年度のコースウェア設計に沿って、コースウェアに必要に動画映像やグラフィックスを選定し、学習形態についても検討した。(5)技術者に対応したシステムにするため、数値計算の機能を組込んだ。具体的には、学習コース上から学習を中断することなく、Fortranであらかじめ作成した数値計算プログラムが実行できるようにした。(6)マルチメディアに対応すめため、ビデオ映像をコンピュータ画面にスーパインポーズするフレームメモリーを制御できるようにした。(7)この他、オーサリングシテテムが持つハイパーテキストリンクなどの機能を利用して、コースを作成した。(8)さらに、本研究の基礎として学習端末に表示する際のプリゼンテーションの有効性について種々検討した。本研究は社会人、企業人に必要な知識がいつでも誰でも学習できる生涯学習のためのマルチメディア型CAIのコ-スウェアの開発と評価を行なうことを目的としている。そして、本年度は具体的な学習内容として、環境電磁工学の分野を選び、企業人、特に技術者を対象とした学習システムを設計するための基本的な検討を行なった。環境電磁工学の分野では、コンピュ-タ等の情報機器の電波ノイズが社会問題となっているものの、これらに従事する技術者が少なく、人材育成が急務となっている。このため、実際の業務を支援する機能を持つ高度な教育システムの開発が必要である。そこで技術者を対象としたCAIを発展させた業務支援学習システムの開発を目指した。本システムでは、基礎知識から技術の修得、測定デ-タの処理までを可能とする。企業に広く適用できる教育システムの新しい形態として、以下に示す基本方針を決定した。(1)教授する専門的知識の大系化を図り、概念をモジュ-ル化して構造化された学習コ-スとする。(2)ハイパ-テキスト的リンク構造により、技術者教育に特徴的な幅広い学習者レベルに対応した自由度の高い学習コ-スとする。(3)計算シミュレ-ションを組み込み、理解を深めさせるとともに、実際の業務のデ-タ処理もサポ-トするシステムとする。(4)知識のデ-タベ-スを構築し、仕事中に必要とする情報を検索して、学習することも可能なシステムとする。(5)レ-ザ-ディスクの利用により映像や音声も提示可能なマルチメディアの学習システムとする。また、CAIコ-スウェアのメインプログラムと外部プログラムをリンクする部分を完成させた。本研究は社会人、企業人に必要な知識がいつでも誰でも学習できる、生涯学習のためのマルチメディア型CAIのコ-スウェアの開発と評価を行なうことを目的としている。そして、昨年度は具体的な学習内容とした、環境電磁工学の分野を選び、企業人、特に技術者を対象として学習システムを設計するための基本的な検討を行なった。今年度は、学習システムを実現するための検討を行なうとともに、コ-スウェアの設計を行なった。特に、学習システムの機能について、種々検討した。システム環境として、MS-Windows(Ver 3.)を採用し、昨年度、決定した機能を実現するための方策を検討した。今年度の成果をまとめると以下のようになる。(1)学習システムの環境として、MS-Windows(Ver 3.)を採用しMS-Windows上での学習コ-スの設計を検討したところ、機能的には要件を満たしたが、学習コ-スの制作にかなりの時間を要することがわかった。(2)MS-Windows(Ver 3.)上でのオ-サリングツ-ルが何種類か発売されたので、その機能を調べたところ、Guide3が本研究で必要な機能をほぼ満たすことがわかったので、これにより学習コ-スを制作することにした。(3)初年度のコ-スウェア設計に沿って、約10時間分の学習コ-スのシナリオを作成した。

また、コ-スウェアに必要な動画映像やグラフィックスを選定し、学習形態についても検討した。(4)コ-スウェア制作に必要な、グラフィックスの入力をスキャナ-を使って行なう等、効率的な制作方法を検討した。(5)現在、上記の方法にしたがって、コ-スウェアを制作中である。本研究は社会人、企業人に必要な知識がいつでも誰でも学習できる、生涯学習のためのマルチメディア型CAIのコースウェアの開発と評価を行うことを目的としている。初年度と2年度において以下のことを研究した。(1)具体的な学習内容として、環境電磁工学の分野を選び、技術者の対象とした学習システムを設計するための基本的検討を行なった。(2)学習システムの環境としてMS-Windows(Ver3.)を採用し、オーサリングツールとしてGuide3を用いて、学習コースを制作することにした。(3)初年度のコースウェア設計に沿って、コースウェアに必要な動画映像やグラフィックスを選定し、学習形態についても検討した。以上の結果を踏まえて、最終年度では以下のことを研究した。(5)技術者に対応したシステムにするため、数値計算の機能を組込んだ。具体的には、学習コース上から学習を中断することなく、Fortranであらかじめ作成した数値計算プログラムが実行できるようにした。(6)マルチメディアに対応するために、ビデオ映像をコンピュータ画面にスーパインポーズするフレームメモリーを制御できるようにした。(7)この他、オーサリングシステムが持つハイパーテキストリンクなどの機能を利用して、コースを作成した。上記に述べたように、技術者を支援するために求められる学習システムの機能を明らかにし、その機能を盛り込んだプロトタイプを製作した。その結果、従来に無い多様な学習者の対応可能なシステムの可能性が示された。
キトサン/機能性ナノ粒子ハイブリッド・ヨウ素超分子錯体の自己集合化とその生理活性

本研究は、環境適合性のある新規生理機能性材料開発の目的から、(1)キトサン(Ch)に種々の機能性ナノ粒子をハイブリッドさせ、(2)それらとヨウ素との間で構築される自己集合化3元超分子錯体の物理化学的特性を究明するとともに、(3)その超分子錯体の構造と生理活性の相関性を評価した。本研究ではナノ粒子として、世代の異なるデンドリマー(ポリプロピレンイミンデンドリマーPPID)、フラーレン(C_<60>)、および金粒子の3種類を対象に選んだ。それぞれのCh-ナノ粒子ハイブリッドに関して以下の結果を得た:(1)合成したCh-PPIDハイブリッド(CDH)のヨウ素超分子錯体の物理化学的性質に関して、CDHのヨウ素錯体(CDHI)の分光特性は、ChI錯体のそれに類似しており、500nm付近に特性吸収帯をもち、またそれに対応して正負に分離したCD帯を有す。ヨウ素濃度の増加に伴い、これらの光学量はシグモイド曲線を描きながら大きくなる傾向がみられた。CDHのヨウ素に対する錯形成能はデンドリマーの世代に依存し、G1が最も高かった。CDHのヨウ素錯体の分子サイズは錯形成能に対応して大きくなる傾向があり、錯形成に分子集合が重要な役割を担っていることが示唆された。CDHの抗菌効果はデンドリマーの世代によらずChに比べて小さく、また世代による違いは認められなかった。また、CDHIの抗菌性は、ヨウ素の効果に支配されていることが分かった。(2)Ch-フラーレンハイブリッド(CFH)のスペーサーとしてテトラエチレングリコール(TEG)を用い、フラッシュカラムクロマトグラフィーにより、アザフラーレン1付加体を選択分離した後、TEGを介したキトサンとフラーレンのハイブリッド合成を行った。そのハイブリッド化は、^1H-NMRおよびFT-IRにより確認した。CFHハイブリッドはラジカルスカベンジャーの機能を有し、新規医用材料として期待される。現在、ヨウ素複合体の生理活性を検討中である。(3)平均粒径14nmの金ナノ粒子を二次元的に配置させた金粒子薄膜の上にChあるいはSH-Chをハイブリッドし、自己組織薄化膜を作成した。また、ChあるいはCh-ヨウ素複合体と金ナノ粒子溶液を順番に浸すことで、1層から5層の交互累積膜を作製した。作製した膜の表面状態をAFM観察した。キトサン自己組織化膜及び交互累積膜の抗菌性評価を行った。大腸菌を用いた膜の抗菌性評価は、菌を一日繁殖させたあとの溶液培地(ペプトン、肉エキス、塩化ナトリウム)のUV測定(光学濃度法)より行った。キトサン、SH化キトサン自己組織化膜は両膜とも菌の増加を抑制した。キトサン・ヨウ素複合体-金ナノ粒子交互累積膜の抗菌性評価は、各層において菌の増加の抑制がみられたが、層の増加と抗菌性の効果に相関性はみられなかった。

大腸菌を用いた膜の抗菌性評価は、菌を一日繁殖させたあとの溶液培地(ペプトン、肉エキス、塩化ナトリウム)のUV測定(光学濃度法)より行った。キトサン、SH化キトサン自己組織化膜は両膜とも菌の増加を抑制した。キトサン・ヨウ素複合体-金ナノ粒子交互累積膜の抗菌性評価は、各層において菌の増加の抑制がみられたが、層の増加と抗菌性の効果に相関性はみられなかった。天然アミノ多糖であるキトサン(Ch)はヨウ素との錯形成(ChI)により秩序配向された自己集合を起こす。本研究は、有用な生理機能を有するキトサンとヨウ素を素材とした環境調和性に富む新規でかつヨウ素の毒性を軽減させた新規生理機能性材料の開発の目的から、キトサンに(1)キトサンに種々の機能性ナノ粒子をハイブリッドさせた化合物を合成し、(2)それらとヨウ素との間で構築される自己集合化3元超分子錯体の物理化学的特性を究明するとともに、(3)その超分子錯体の構造と抗菌作用や抗腫瘍効果等の生理活性との相関性を評価する。なお、本研究ではナノ粒子として、球状で特異な機能をもち、かつ表面電荷の異なるデンドリマー(ポリプロピレンイミンデンドリマー)、フラーレン(C_<60>)、および金粒子の3種類を対象に選んだ。本年度は、Mw=11000、脱アセチル化度96%のキトサンを使用し、(1)メチルエステル化度を0.25とした後、世代G1、G2、G3のポリプロピレンイミンデンドリマー(PPID)とハイブリッド(CDH)合成し、また(2)キトサンとS-アセチルメルカプトコハク酸の反応後、NaOHより加水分解して得られるチオール化キトサン(SH基導入率0.08)と塩化金酸と水素化ホウ素化ナトリウムの反応により得られる粒径約8nmの金ナノ粒子とを混合し、金粒子SH化キトサンハイブリッド(CGH)を調製した。生理活性として大腸菌に対する抗菌効果を評価した。それらのハイブリッドのヨウ素超分子錯体の物理化学的性質および生理活性として、(1)CDHのヨウ素錯体(CDHI)の分光特性は、ChI錯体のそれに類似しており、500nm付近に特性吸収帯をもち、またそれに対応して正負に分離したCD帯を有す。ヨウ素濃度の増加に伴い、これらの光学量はシグモイド曲線を描きながら大きくなる傾向がみられた。CDHのヨウ素に対する錯形成能はデンドリマーの世代に依存し、G1が最も高かった。CDHのヨウ素錯体の分子サイズは錯形成能に対応して大きくなる傾向があり、錯形成に分子集合が重要な役割を担っていることが示唆された。CDHの抗菌効果はデンドリマーの世代によらずChに比べて小さいが、デンドリマー間では表面アミノ基の数に比例して強く、G3>G2>G1であった。ヨウ素錯体の抗菌作用や抗腫瘍効果等の生理活性については、現在検討中である。(2)一方、金粒子は粒子特有の表面プラズモン吸収のピークを520nm前後にもち、凝集に伴い、レッドシフトすることが知られている。CGHと無修飾キトサンと金粒子に比べて、CGH吸収ピークは短波長にあり、ハイブリッド化により金粒子間の凝集が抑制されることが示唆された。CGHはヨウ素との錯形成より、ChI錯体同様、510nm付近に錯体特性吸収帯および正負に分裂したCD帯を示した。ただし、それらの光学量はChI錯体に比べ小さかった。
意味フレームとコーパスに基づく文意理解のための言語資源の構築

本研究の目的は、研究代表者が構築中の日本語フレームネット(JFN)を、語彙の意味情報に加え、構文の意味情報をも含む語彙・構文複合言語資源へと発展させることであった。文全体の意味に、語彙素の意味以外のどのような文要素の意味が関与しているかを明らかにし、それらを記述して言語資源とする方策を探った。コーパス上に現れる文に用いられる構文の洗い出しを行ない、フレーム意味論の手法を用いてそれぞれの構文の意味を分析した。それらの結果をアノテーションとして蓄積するための、構文アノテーションの範囲を定義することができた。さらに、構文の意味情報と意味フレーム情報との関係が明確化できた。本研究の目的は、研究代表者が構築中の日本語フレームネット(JFN)を、語彙の意味情報に加え、構文の意味情報をも含む語彙・構文複合言語資源へと発展させることである。具体的には、文全体の意味に、語彙素の意味の他にどのような文要素の意味が関与しているかを明らかにし、それらを記述して言語資源とする。記述の枠組みとしてフレーム意味論と構文文法を用い、語彙素以外の文要素の意味も語彙素の意味と統一的に記述する。コーパス上の文の意味分析を行いその結果を蓄積することで、将来的に自然言語処理技術や日本語学習者にとって有益な言語資源とすることを目指す。言語分析に関しては、1.日本語構文の洗い出しを引き続き行うとともに、2.構文の意味情報とフレーム情報の関係について考察を深めることができた。また、3.英語フレームネット・プロジェクト・チームのメンバーとの相互訪問ならびに意見交換、4.スウェーデン、ブラジル、韓国のフレームネットならびにConstructicon(構文データベース)構築プロジェクトのメンバーとの打ち合わせと意見交換、5. IFNW(国際フレームネットワークショップ)、ICLC(国際認知言語学会)、言語処理学会年次大会などでの成果発表、6.成果についての論文執筆を行った。システムに関しては、英語フレームネットプロジェクトで使用しているコーパスアノテーション(タグ付け)ツールを移植し、日本語化に成功した。本研究の当該年度の活動により、1.構文意味情報のアノテーションの重要性を示すことができた。さらに、2.フレーム意味論・構文文法の精緻化に日本語分析の観点から貢献することができた。記述の枠組みとしてフレーム意味論と構文理論を用い、語彙素以外の文要素の意味も語彙素の意味と統一的に記述する。言語分析に関しては、1.文全体の意味に寄与する語彙素以外の表現形式の洗い出し、2.上記表現形式の意味分析、3.英語フレームネット・プロジェクト訪問ならびに意見交換、4.LREC(言語資源評価学会)、ICCG(国際構文理論学会)、FRIAS CONSTRUCTIONS ACROSS GRAMMARSワークショップなどでの成果発表、5.成果についての論文執筆を行った。特に1.2.に関しては、『現代書き言葉均衡コーパス』(BCCWJ)の白書ジャンルのテキストを分析し、そこに現れる構文の洗い出しを行い、それらの意味分析を行った。システムに関しては、主にコーパスアノテーション(タグ付け)用のソフトウェアのバージョンアップを行った。本研究の当該年度の活動により、1.コーパスデータの詳細な意味分析を行い、その重要性を示すことができた。さらに、2.フレーム意味論・構文理論の精緻化に日本語分析の観点から貢献することができた。また、3.言語資源はこれまで言語処理研究者らによって構築されることが多かったが、本研究により言語学的枠組みに則った言語資源の有用性を示すことができた。具体的には、文全体の意味に、語彙素の意味以外にどのような文要素の意味が関与しているかを明らかにし、それらを記述して言語資源とする方策を探ることであった。意味記述の枠組みとしてフレーム意味論を用い、語彙素以外の文要素の意味も語彙素の意味と同様に記述した。コーパス上の文の意味を分析しその結果を蓄積することで、将来的に自然言語処理技術や日本語学習者にとって有益な言語資源とすることを目指した。言語分析に関しては、日本語構文の洗い出しを行なった。さらに、それぞれの構文の意味情報を分析した。その結果を例文への構文アノテーションとするためには、どのような情報を記述すれば良いのかを検討した。それらを基に構文の意味情報とフレーム情報の関係について考察を深めた。

その結果、英語フレームネット、スウェーデン語フレームネット、ポルトガル語フレームネットにおけるこれまでの関連研究では、構文アノテーションの範囲が必ずしも明確に定義されてきていなかったことを指摘し、新たに構文アノテーションの範囲を定義した。これらの研究成果を、3編の国際会議口頭発表、1編の国内学会口頭発表、1編の論文として発表した。システムに関しては、ツールを使ってアノテーションを行なうための準備が整った。データの整合性チェックのためのプログラムが完成した。言語学平成25年度の目標は以下の通りであった。言語分析関連では、1)引き続き文全体の意味に寄与する語彙素以外の表現形式の洗い出し:主にBCCJコーパスの白書ジャンルのテキストを分析する。2)英語フレームネット・プロジェクトを訪問し、アノテーション結果に関する考察、ソフトウェアのバージョンアップなどについて意見交換を行う。3)国際会議、国内学会で成果発表を行う。4)成果に関する論文を執筆する、が目標であった。以上、すべて実施することができた。システム関連では、1)英語フレームネット・プロジェクトから構文への意味情報付与用アノテーションツールを移植する。2)構文への意味情報付与用アノテーションツールの日本語対応化を行う、が目標であった。いずれも実施することができた。平成24年度の目標は、環境の整備であった。言語分析関連では、1)文全体の意味に寄与する語彙素以外の表現形式の洗い出し、2)上記表現形式の意味分析、3)英語フレームネット・プロジェクト訪問・意見交換、4)LREC(言語資源評価学会)、ICCG(国際構文理論学会)、FRIAS CONSTRUCTIONS ACROSS GRAMMARSワークショップなどで成果発表、5)成果に関する論文執筆、を計画した。1)から5)までのすべてについて、特に3)、4)、5)について成果を上げることができた。システム関連では、1)サーバ移行、2)ソフトウェアのバージョンアップ、3)英語フレームネット・プロジェクトから構文への意味情報付与用アノテーションツールを移植、4)構文への意味情報付与用アノテーションツールの日本語対応化、を計画した。1)は調査の結果時期尚早であることが判明し行わなかった。2)から4)については現在進行中である。最終年度である平成26年度の目標はデータの雛形公開に向けた準備である。まず、言語分析関連では以下を行う。1)ツールを用いたアノテーション:実際にツールを用いてアノテーションを行い、必要に応じて修正する。2)英語フレームネット・プロジェクトを訪問し、アノテーションに関する考察、フレームネットの応用分野、マルチリンガルフレームネットへの拡張、ソフトウェアの改良などについて意見交換を行う。システム関連では以下を行う。
新規相同組換え法を応用した遺伝子変異修復システム

Duchenne型筋ジストロフィー(DMD)をはじめとする単一遺伝子病に対し、遺伝子治療によるタンパク質補充療法の非臨床試験が活発に推進され効果が期待されているが、将来的には遺伝子変異そのものの修正が根本的な治療として期待される。遺伝子組み換え技術を用いた遺伝子修正療法の実用化をめざし、より高い有効性と安全性、正確性を備えたシステムの構築を検討した。また、疾患モデルにおける炎症病態を解析し、遺伝子修正細胞のプラットフォームとして間葉系幹細胞や歯髄幹細胞の応用可能性を検証した。本研究では、高精度かつ高機能で安全な細胞治療技術の開発を推進するため、治療細胞染色体の特定部位に高い効率で外来遺伝子を組込む技術の開発を行う。疾患の原因となっている病態関連遺伝子の修復を高い効率で安全にかつ正確に行うため、標的染色体の特定部位において高い効率で遺伝子組み換えを行うためのベクター系を構築し、標的細胞に効率よく外来遺伝子を導入する条件を検証した。安全かつ高効率なホストゲノムの修正に有用な、二本鎖DNAの一方の鎖のみを切断するNicking酵素活性部位を付加したTranscription activator-like effectors (TALE)を搭載したベクターの開発を行った。標的とするゲノム領域のモデルとして、導入された遺伝子がlocus effectによるサイレンシングを受けず、致命的な遺伝子を含まない、AAV integration site 1(AAVS1)領域を選択した。また、動物種には、ヒトと同じ霊長類であり、ゲノムの相同性が非常に高く保存されているコモンマーモセットを用いた。ヒトのAAVS1領域については19番染色体(19q13.4 qtr)に存在することが知られるが、マーモセットでは22番染色体上の45.95-8Mb付近に存在する相同領域中1.6Kbが未知であった。独自に解析したところ、AAVゲノムの挿入に必須とされるRBSおよびTrs配列まで保存されている事を確認した。これらは野生型AAVゲノムがホストゲノムに挿入される際に必要であり、この近傍領域はゲノム編集を行っても安全であり、これらの配列を認識して結合するTALEを設計し、TALE-Nickaseを発現するカセットを搭載したベクタープラスミドを構築した。さらにDMDモデル動物の病態解析を推進すると同時に、治療用細胞の調製法やIL-10を利用した機能強化の作用機構と効果を検討した。疾患の原因となっている病態関連遺伝子の修復を高い効率で安全にかつ正確に行うため、標的染色体の特定部位に短い相同領域において高い効率で遺伝子組み換えを行うためのベクター系を構築し、標的細胞に効率よく外来遺伝子を導入する条件を検証した。筋ジストロフィーモデル動物であるmdxマウスはジストロフィン遺伝子exon23に点突然変異を有するため、これを標的とする染色体治療モデルを計画した。ZFNsによる相同組み換えを誘導するために、DSB(double-strand break)を引き起こすためのZFNs発現ベクター、および目的とする挿入遺伝子を含むターゲティングベクターを標的の細胞に導入する必要があり、これらの機能発現ベクターを構築した。ZFNsには、標的配列上にて互いに会合した時のみ機能を発現する様に、FokI消化酵素の2種類の変異体を各々融合させた。また、細胞内での組換え効率の促進を図るため、切断後にDNA鎖の一方を消化する核酸分解酵素TREX1(3-prime repair exonuclease 1)およびDNA結合タンパク質RAD51(recAの同族体)を発現するベクターを構築した。さらに、標的細胞への遺伝子導入条件の検討として、ポリエチレンイミン(PEI)を応用し、効果的に骨髄間質細胞に外来遺伝子を導入する条件を検証した。本研究では、高精度かつ高機能で安全な細胞治療技術の開発を推進するため、治療細胞染色体の特定部位に高い効率で外来遺伝子を組込む技術の開発を行うことを目的とした。従来TALEを用いたNickingでは野生型および変異型のFokI酵素活性部位をそれぞれ付加した一対の融合タンパク質を用いる必要がある。しかしながら、この場合には一対で最低でも50-60bp程度のTALEにより特異的に認識される配列を選択せねばならず、必ずしも容易ではない。そこで我々は、近年報告されたBacillus phage γHNHEに由来し、非分裂細胞においてもNicking活性を持つとされるφGammaを融合させたTALE-Nickaseを発現するカセットを搭載したAAVベクタープラスミドを構築した。

さらに前年度に引き続き、DMDモデル動物の病態解析を推進すると同時に、治療用細胞の調製法やIL-10を利用した機能強化の作用機構と効果を検討した。脳神経外科学疾患の原因となっている病態関連遺伝子の修復を高い効率で安全にかつ正確に行うため、標的染色体の特定部位において高い効率で遺伝子組み換えを行うためのベクター系を構築した。疾患の原因となっている病態関連遺伝子の修復を高い効率で安全にかつ正確に行うため、標的染色体の特定部位に短い相同領域において高い効率で遺伝子組み換えを行うためのベクター系を構築し、標的細胞に効率よく外来遺伝子を導入する条件を検証した。標的細胞に導入後、発現タンパク質を抽出し標的配列を含むプラスミドを用いて培養細胞の系で切断活性を確認する。また、各々のベクターの導入時期と投与量について諸条件を検討する。ベクターの導入時期については、DSBが引き起こされて遺伝子損傷修復機構が最も活性化される段階を、Real-Time-PCR法によって遺伝子修復に関与する遺伝子発現をモニタリングして検証する。細胞内での遺伝子修復機構が最も活発な時点でターゲティングベクターが細胞内に存在する様に遺伝子導入のタイミングを調節することにより、遺伝子相同組換えの効率の向上が期待される。ベクターの導入時期については、ZFNsの発現によりDSBが引き起こされて遺伝子損傷修復機構が最も活性化される段階を、Real-Time-PCR法によって遺伝子修復に関与する遺伝子発現をモニタリングして検証する。細胞内での遺伝子修復機構が最も活発な時点でターゲティングベクターが細胞内に存在する様に遺伝子導入のタイミングを調節することにより、遺伝子相同組換えの効率の飛躍的な向上が期待される。該当なし
抗体工学に関する基礎的・応用的研究

1.抗原認識部位として最小単位であるV_H,V_Lヘテロダイマ-Fv(M.W.25K)を安定かつ大量に発現することができた。2. ^<13>Cカルボニルラベル及び^<15>Nラベルアミノ酸をFvに導入し,ダブルラベル法により帰属を行うことができた。3.その結果, ^1H, ^<13>C, ^<15>Nの化学シフト変化により,抗原結合に深く関与しているCDRル-プはH鎖CDR3であることがわかった。4.分子のゆらぎを主鎖アミド^<15>NーNMRシグナルの緩和時間(線幅)および主鎖アミドプロトンのHーD交換速度より解析した。この結果, ^<15>NーNMRシグナルの緩和時間よりFvに存在する計6本のCDRル-プの内H鎖CDR3は抗原非存在下ではゆらぎ(マルチコンフォメ-ション)をもっているが,抗原結合によりこのゆらぎがおさまることが示された。さらに,抗原がFvに結合することでH鎖CDR3の根本のHーD交換速度が著しく遅くなり,しかもV_H,V_L界面に存在する残基の交換速度にも変化がみられた。このことは,抗原結合によりCDRル-プという限定された部位の構造変化のみならず,動的構造変化という点でFv全体に変化が誘起されていることを示す。
素粒子統一理論を基礎にした様々な重力理論の解析および宇宙論的検証

現代宇宙論における最も重要な2つの課題(インフレーション・ダークエネルギー問題)の解明に向け提唱されている様々な重力理論を素粒子統一理論の観点から解析し、検証を行った。インフレーションに関しては、素粒子標準理論を元にしたヒッグス・インフレーションモデルを拡張したモデルや、超ひも理論を基礎に提案されているKKLMMTモデルをゲージ場と結合する場合に拡張し、それぞれより観測に合うモデルとなることを示した。ダークエネルギー問題に関しては、重力子が質量を持つbigravity理論を主に解析し、加速膨張だけでなくダークマター問題も解決する可能性を示した。宇宙論の標準モデルであるビッグバン宇宙論は、近年の精密観測により確かなものになってきたが、その一方で新たな謎としてダークエネルギー問題が誕生した。その解決には自然界における基本法則の根幹にも関わる発想の転換が必要と考えられる。また、ミクロ世界においてはインフレーション宇宙論などの初期宇宙像の観測的検証が注目されており、素粒子統一理論をもとにしたその基本的理解が求められている。これらミクロとマクロの両極端で謎となっている加速膨張宇宙の起源の解明には宇宙を支配する重力の本質的理解が鍵となり、一般相対性理論を超えた様々な重力理論が提案されるに至っている。本研究では、超弦理論など素粒子統一理論の立場からダークエネルギー・インフレーションなどの宇宙の未解決重要課題を重力物理学の問題として系統的に解析する。2013年度は主に以下の研究成果を得ている。(I)素粒子統一理論を基礎にした様々な重力理論に基づくインフレーションの解析を行っているが、近年ゲージ場とインフラトン場の結合の重要性が指摘されており、2013年度は、特に、ゲージ場のインフレーションモデルに与える影響を解析した。複数のU(1)ゲージ場またはSU(2)ゲージ場がインフラトン場と結合する場合、一様等方加速膨張時空が安定解として存在するが、初期の非等方性が大きい場合は、長期間非等方加速膨張が起こり、モデルが観測的に検証可能であることを示した。(II)ダークエネルギー問題に関しては、2013年度は、massive gravity理論を拡張したbigravity理論を基礎に解析した。その結果、加速膨張宇宙がアトラクターとして動的に実現されるということ、さらには第二の計量と結合する「双子物質」が我々の宇宙のダークマターとして振る舞う可能性があることを示した。2015年度は主に以下の研究成果を得ている。(I)素粒子統一理論を基礎にした様々な重力理論に基づくインフレーションの解析を行っているが、超弦理論を基にしたKKLMMTインフレーションモデルはパラメータの極端な微調整の必要性などの問題点が指摘されている。2015年度はこの問題に取り組み、ゲージ場との結合項の存在を指摘し、その項がモデルをより自然なものになることを明らかにした。(II)ダークエネルギー問題に関しては、前年度に引き続き2015年度も、bigravity理論を基礎に解析した。前年度に示した第二の計量と結合する「双子物質」が我々の宇宙のダークマターとして振る舞う可能性を示し、かつ宇宙初期には一般相対性理論が回復されることを明らかにした。また、この理論で相対論的な星の解を解析し、現在観測されている中性子星の存在を可能にするには、結合定数に制限がつくことを示した。研究は順調に遂行したが、本年度後半に行った研究成果の発表として適切な国際ワークショップ(Black Holes' New Horizons)が次年度5月にオアハカ(メキシコ)に開催されるため、基金の一部を繰り越した。宇宙論の標準モデルであるビッグバン宇宙論は近年の精密観測により確かなものになってきたが、その一方で新たな謎としてダークエネルギー問題が誕生した。

これらミクロとマクロの両極端で謎となっている加速膨張宇宙の起源の解明には宇宙を支配する重力の本質的理解が鍵となり、一般相対性理論を超えた様々な重力理論が提案されるに至っている。本研究では、超弦理論など素粒子統一理論の立場からダークエネルギー・インフレーションなどの宇宙の未解決重要課題を重力物理学の問題として系統的に解析する。最終年度の2016年度はこれまでの成果を2つの国際研究集会[3rd Korea-Japan Workshop on Dark Energy(韓国・大田),Black Hole New Horizons(メキシコ・オアハカ)]において招待講演として発表した。また新しく得られた成果として以下の研究成果を得ている。(I)素粒子標準理論を基礎にしたヒッグス・インフレーションの再解析を行った。従来の2つのヒッグス・インフレーションの組み合わせたハイブリッド・ヒッグス・インフレーションを提唱し、その解析法としてdisformal変換を用いた。スカラー・テンソル比(r)が発見された場合には観測に合うモデルを与えることができる。(II)ダークエネルギー問題に関しては、素粒子統一理論の現象論的モデルと考えられているDBI理論を拡張したD-BIonicモデルを解析し、物質との結合を考えることで宇宙の加速膨張だけでなくダークマター量との比も説明可能であることを示した。現代宇宙論における最も重要な2つの課題(インフレーション・ダークエネルギー問題)の解明に向け提唱されている様々な重力理論を素粒子統一理論の観点から解析し、検証を行った。インフレーションに関しては、素粒子標準理論を元にしたヒッグス・インフレーションモデルを拡張したモデルや、超ひも理論を基礎に提案されているKKLMMTモデルをゲージ場と結合する場合に拡張し、それぞれより観測に合うモデルとなることを示した。ダークエネルギー問題に関しては、重力子が質量を持つbigravity理論を主に解析し、加速膨張だけでなくダークマター問題も解決する可能性を示した。2014年度は主に以下の研究成果を得ている。(I)素粒子統一理論を基礎にした様々な重力理論に基づくインフレーションの解析を行っているが、超重力理論におけるno go theoremなどdeSitter時空のような加速膨張が理論と整合しない問題が指摘されている。2014年度は、統一理論から予想される負の宇宙項がある場合に関しても、曲率高次項のような量子補正を考慮することでdeSitter時空がアトラクターとして実現可能であることを示した。(II)ダークエネルギー問題に関しては、前年度に引き続き2014年度も、bigravity理論を基礎に解析した。前年度に示した第二の計量と結合する「双子物質」が我々の宇宙のダークマターとして振る舞う可能性をさらに精査し、ダークマターの3つの必要条件(銀河の回転曲線、構造形成問題、宇宙の構成要素)をすべて満たすことが出来ることを示した。