hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
DNA修復機構を解明するためのバイプローブの構築

真核生物のDNAポリメラーゼはこれまで12種類の存在が知られており、各酵素はDNAの複製,修復,組み替えを分業すると考えられており,細胞周期のS期を担っている。抽出または組換え体を使用してDNAポリメラーゼ群を得,スクリーニングに用いて阻害物質を探索した。糖脂質sulfoquinovosyl monoacylglyceride(SQMG),あるいはsulfoquinovosyl diacylglyceride(SQDG)は強くDNAポリメラーゼを阻害する.SQMGとDNAポリメラーゼの結合部位をNMRで決定することを試みた。その結果,脂肪酸(nervonic acid)の結合部位はLeu11,Lys35,His59,Thr79であったが,SQMGの場合Lys68にも強い結合が認められた.このことは,SQMGによるDNAポリ.メラーゼの強い阻害を説明した.糖の4位をビオチン化してphage display法で結合タンパクを探索し,がん細胞で高発現しているチロシンキナーゼを得た.このたんぱく質は血管新生に関与しており,がん細胞に対して細胞毒性を示さないSQDGが固形がんを阻害するこれまでの結果をよく説明している.真核生物のDNAポリメラーゼはこれまで12種類の存在が知られており、各酵素はDNAの複製,修復,組み替えを分業すると考えられており,細胞周期のS期を担っている。solanapyroneがβとλを阻害した。λの阻害剤は始めての例になる.これまでにlithochol酸(LCA)の結合部位がLys60,Leu77,Thr79の3つのアミノ酸であることをNMR解析で明らかにした。結合力の差を利用し、ビオチン化したLCAをアフィニティーカラムにしたところαとβを効率よく分離した。炭素数18以上の長鎖脂肪酸が哺乳類のDNAポリメラーゼを阻害することが報告されている。特に,ネルボン酸(NA)のようなcis型不飽和脂肪酸が,DNAポリメラーゼβ(Polβ)のN末端8kDaに1:1で結合し,活性を阻害する。今回我々は、NAは同様にヒト免疫不全症候群ウィルス(HIV-1)の逆転写酵素(RT)も阻害することを見出した。PolβはDNA依存性DNA鎖伸長とRNA依存性DNA鎖伸長を触媒し、一方RTはウィルス性のRNAゲノムを2本鎖DNAにする時の活性,1)RNA依存性DNA鎖伸長,2)RNaseH活性,3)DNA依存性DNA鎖伸長の3つの活性を持っている。従って両酵素には機能的な類似性を有し,DNA鎖の複製・修復・組換えをふくむ細胞の活動に必須である.PolβとHIV-1RT間の立体構造と機能との関連について新しい知見を得るために,NAとPolβの8kDaドメインとの相互作用に関してのNMRデータを利用し、HIV-1RTに対するNAの結合部位の探索を行った。その結果、PolβとHIV-1RTのアミノ酸配列はまったく違うものの,3次元レベルでPolβとHIV-1RTに対するNAの結合部位の相似性が見出された。PolβがNAと結合する際にNMRの化学シフトが大きくシフトした4つの残基(Leu11,Lys35,His51,Thr79)が,結合に直接関わっているものと仮定し,この4つの残基の空間的配置と類似の空間的配置が,HIV-1RTに存在するか否かを探索した。その結果,分子進化学的手法を用いて最も保存しているアミノ酸残基を調べると,51kDaサブユニットの65番目の残基のみが100%保存していた。

よって、51kDaサブユニットのLys65,Leu100,His235,Thr386の4点が結合部位であると判断した。真核生物のDNAポリメラーゼはこれまで12種類の存在が知られており、各酵素はDNAの複製,修復,組み替えを分業すると考えられており,細胞周期のS期を担っている。抽出または組換え体を使用してDNAポリメラーゼ群を得,スクリーニングに用いて阻害物質を探索した。糖脂質sulfoquinovosyl monoacylglyceride(SQMG),あるいはsulfoquinovosyl diacylglyceride(SQDG)は強くDNAポリメラーゼを阻害する.SQMGとDNAポリメラーゼの結合部位をNMRで決定することを試みた。その結果,脂肪酸(nervonic acid)の結合部位はLeu11,Lys35,His59,Thr79であったが,SQMGの場合Lys68にも強い結合が認められた.このことは,SQMGによるDNAポリメラーゼの強い阻害を説明した.糖の4位をビオチン化してphage display法で結合タンパクを探索し,がん細胞で高発現しているチロシンキナーゼを得た.このたんぱく質は血管新生に関与しており,がん細胞に対して細胞毒性を示さないSQDGが固形がんを阻害するこれまでの結果をよく説明している.真核生物のDNAポリメラーゼはこれまで12種類の存在が知られており、各酵素はDNAの複製,修復,組み替えを分業すると考えられており,細胞周期のS期を担っている。solanapyroneがβとλを阻害した。λの阻害剤は始めての例になる.これまでにlithochol酸(LCA)の結合部位がLys60,Leu77,Thr79の3つのアミノ酸であることをNMR解析で明らかにした。結合力の差を利用し,ビオチン化したLCAをアフィニティーカラムにしたところαとβを効率よく分離した。
リン脂質薄膜の自励発振・負性抵抗スイッチング

生体は,膜を使うことにより,様々な発振現象を発現させている.神経の興奮・心筋の拍動・脳波・サーカディアンリズム等,いずれも生体膜が本質的な役割を果している.本研究は,このような生体膜の機能を,人工的に構築したリン脂質二分子膜系で再現することをめざした.具体的には,安定なリン脂質薄膜を作製する方法の確立と,リン脂質膜の電気的非線形特性を計測することが,実験上の課題であった.いずれも,下記のように,基本的な成果を得ることができた.二年間の本研究は,ニュートロ・コンピュータなどの人工神経系を作っていく上での基盤を築いたものとして,重要な意味をもっていると考えている.(1)安定なリン脂質薄膜作成法の確立.ラングミュア・ブロジェット法(LB法)により,ミリボア・フィルター上に,リン脂質薄膜を固定する方法を確立することができた.従来は,径が約1mm程度の穴に張る,いわゆる黒膜法があったが,本研究の結果,一挙に膜面積が百千倍程度の,安定なリン脂質膜が得られる手法が確立した.電気的測定以外に,走査型電子顕微鏡による観測からも,安定なリン脂質薄膜が得られることを確認している.(2)上記の方法で作製した,リン脂質薄膜の電気的特性を調べた.その結果, 0.5M以上の塩濃度の水溶液に膜を浸すと,電気伝導度のゆらぎや発振がみられることが分かった.特に,等濃度のNaClとKCl水溶液で膜をはさんだときに,自発的な電位振動がみられたが,このことは,神経膜の特性と類似しており,大変興味深い.さらに,黒膜法と,ピペットクランプ法による膜についても,電気的測定を行なった.これらの膜の,電気信号のゆらぎをフーリエ解析することにより,リン脂質膜自体が,イオンのゲート作用を有していることが明らかとなった.生体は,膜を使うことにより,様々な発振現象を発現させている.神経の興奮・心筋の拍動・脳波・サーカディアンリズム等,いずれも生体膜が本質的な役割を果している.本研究は,このような生体膜の機能を,人工的に構築したリン脂質二分子膜系で再現することをめざした.具体的には,安定なリン脂質薄膜を作製する方法の確立と,リン脂質膜の電気的非線形特性を計測することが,実験上の課題であった.いずれも,下記のように,基本的な成果を得ることができた.二年間の本研究は,ニュートロ・コンピュータなどの人工神経系を作っていく上での基盤を築いたものとして,重要な意味をもっていると考えている.(1)安定なリン脂質薄膜作成法の確立.ラングミュア・ブロジェット法(LB法)により,ミリボア・フィルター上に,リン脂質薄膜を固定する方法を確立することができた.従来は,径が約1mm程度の穴に張る,いわゆる黒膜法があったが,本研究の結果,一挙に膜面積が百千倍程度の,安定なリン脂質膜が得られる手法が確立した.電気的測定以外に,走査型電子顕微鏡による観測からも,安定なリン脂質薄膜が得られることを確認している.(2)上記の方法で作製した,リン脂質薄膜の電気的特性を調べた.その結果, 0.5M以上の塩濃度の水溶液に膜を浸すと,電気伝導度のゆらぎや発振がみられることが分かった.特に,等濃度のNaClとKCl水溶液で膜をはさんだときに,自発的な電位振動がみられたが,このことは,神経膜の特性と類似しており,大変興味深い.さらに,黒膜法と,ピペットクランプ法による膜についても,電気的測定を行なった.これらの膜の,電気信号のゆらぎをフーリエ解析することにより,リン脂質膜自体が,イオンのゲート作用を有していることが明らかとなった.全体として、本研究は順調に進展し、当初予想されなかったものも含め、貴重な成果が得られつつある。以下、成果を箇条書きにして示したい。1)リン脂質薄膜の製膜条件の確立,LB法を応用することにより、多孔質フィルター上に、リン脂質薄膜をはるための、実験条件を確立することができた。リン脂質薄膜を作る方法として、黒膜(BLM)法があるが、この方法では、(1)有機溶媒の混入した膜を得ることしかできない。(2)1【mm^2】以上の膜面積の膜を作ることは困難、(3)膜は不安定であり、数時間程度しかもたない、等の問題点があった。これに対して、今回の研究で得られるようになった、リン脂質LB膜は、上記の問題点を全て解決でき、数【cm^2】の大面積の安定な膜を得ることができる。2)膜のキャラクタリゼーション。上記の方法で得られた膜を、電子顕微鏡を用いて観測したところ、多孔質フィルター上に、均質なリン脂質薄膜がはれていることを確認することができた。さらに、インピーダンス測定を行なったところ、リン脂質膜の膜厚の増大に伴い、膜の電気容量が減少することがわかった。これらの事実は、リン脂質LB膜が安定、かつ均質に存在していることを意味している。3)膜の発振条件の探索。ジオレオイルレシチンを用いたLB膜は、膜の左右両層間のイオン組成を変えることにより、自発的な電気的発振を起すことがわかった。同様な実験結果は、黒膜やピペットクランプ膜についても得られた。

さらに、この自発的な発振に伴う電気伝導度の変化を測定したところ、20100PSの変動が生じていることも明らかとなった。この結果は、リン脂質だけでも、チャネルの機能を発現することができることを示したものとして、重要な成果となっている。
光作動型シグナル伝達操作システムの線虫C. elegansへの導入と応用

ERK-MAPKと線虫の塩走性行動に着目した。ERK-MAPKは塩を受容するASER感覚ニューロンで機能し、塩走性行動に関わっているとされているが、塩走性行動のどの段階で機能しているかわかっていない。そこで、PhyB-PIFシステムを用いてERK-MAPKのリン酸化活性を光制御することを目指した。ERKの上流にあるC-RasにPhyBを融合させる一方で、PIFは多量体タンパク質(multimeric proteins, MP)に融合させておくことによりクラスターを形成させておく。赤色光照射後、PhyB-C-RasとPIF-MPが凝集することにより下流のERK-MAPKが活性化する。ERK-MAPKのリン酸化活性を同時に捉えるために、以前に開発したFRETプローブであるERKyを用いた(Tomida T*, Oda S*et al. 2012)。結果として、赤色光照射後にASERにおいてERK-MAPKのリン酸化活性が、対照群(補因子であるPCBが導入されていない)と比較して有意に上昇することを確認した。ただし、ERK-MAPKのリン酸化活性の応答は著しく低かったため、今後はEKAREVなどより感度の高いプローブを使用する必要があることがわかった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。チャネルロドプシンなどの細胞電位を制御する光遺伝学技術の開発と応用は培養細胞や多細胞生物で進んでいるが、シグナル伝達系を制御するための光遺伝学技術については発展途上の段階である。特に、多細胞生物での技術開発と応用はほとんど行われていない。そこで、本研究では光誘導性二量体化(Light-Induced Dimerization, LID)システムの一つであるPhytochrome B -PIFシステムを線虫Caenorhabditis elegansへ導入し、そのシステムを分子、細胞および個体レベルでの同時解析に応用する。平成29年度においては、線虫へのPhyB-PIFシステムの導入を行うことを計画しており、実際に導入することに成功した。PhyB-PIFシステムを機能させるには、発色団であるPhycocyanobilin (PCB)が必要である。そこで、まずは精製PCBを外部から添加した時に線虫の体全体へ浸透するかそれを餌に混ぜて検証した。検証には、PhyBの変異体でかつPCBを結合すると赤色光を発するPhyB Y276Hを線虫の腸管、神経系および筋肉に発現させて用いた。結果、外部添加したPCBは腸にのみしか十分浸透しなかった。そこで、開発に携わった4つの遺伝子(PcyA, HO1, Fd, Fnr)導入によるPCB細胞内合成システムを用いたところ(Uda Y et al. PNAS 2017)、神経系、筋肉と腸管で合成されたPCBが見られた。実際に、PCBが合成されている腸管内において、630 nmの赤色光でPhyBとPIFが二量体を形成し、750 nmの近赤外光でそれらが解離することを蛍光イメージングにより確認した。以上のことから、PCBを外部添加しても線虫の体内に浸透しずらいことが判明した。従って、線虫でPhyB-PIFシステムを腸管以外で利用するにはPCB細胞内合成システムが必須であることが分かった。これは、他の動物でも同様かもしれない。PhyB-PIFシステムとPCB細胞内合成システムの線虫C. elegansへの導入を同時に行うことに成功した。また、PhyB-PIFシステムの2量体化を光照射で検証する際、多量体タンパク質(MP multimeric protein)を用いてタンパク質凝集の有無を観察した。これにより、遺伝子にコードされたPCB合成システムとPhyB-PIFシステムが線虫で機能すること、またこの2両体化システムとMPを用いればタンパク凝集を制御できることを初めて示した。以上のことから、PhyB-PIFシステムはPCB合成システムと併用すれば、多細胞生物でもシグナル伝達の光操作のために効率よく使える可能性が高いことが示された。当初は、神経筋接合部位でのGABA受容体の解析にPhyB-PIFシステムを応用する予定であった。

しかし、それよりも分子と行動の定量的な関係性を調べる研究にそのシステムを応用した方がより説得力のある定量的手法を提案できるのではないかと考えた。平成30年度においては、導入されたPhyB-PIFシステムを用いて、線虫の化学走性に応用し、分子と化学走性の新たな関係性を明らかにする。それにより、分子と表現型の定量的解析手法を提案する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
ヒトヘルペスウイルス６特異的な糖タンパク質ｇＱ１の機能解析

HHV-6は臨床分離株間での大きなcharacterの違いによって、二種類のウイルス(HHV-6AとHHV-6B)に再分類された。今回我々はHHV-6B gQ1はHHV-6A gQ1の機能を代償できないこと、HHV-6A gQ1のN末端に侵入receptorであるCD46との結合部位が存在することを明らかにした。これらの結果は、二つのウイルスのトロピズムの違いのメカニズムの解明に繋がると考えられる。ヒトヘルペスウイルス6A(HHV-6A)及び6B(HHV-6B)は近縁のウイルスであり、ウイルスゲノムの相同性は約90%であるが、異なる分子生物学的特質を保有している。今回、我々は、両ウイルスのゲノム間において相同性が低く、かつウイルスの宿主細胞への侵入に必須な遺伝子であるgQ1に着目し、研究を行った。まず、我々はHHV-6AのgQ1領域をHHV-6BのgQ1に置換したウイルスゲノムを作製し、ウイルスの再構築を試みたが、感染性ウイルスは再構築されなかった。この結果よりHHV-6BgQ1はHHV-6AgQ1の機能を代償できないことが明らかとなった。HHV-6A及びHHV-6Bのエンベロープに存在する糖タンパク複合体、gH/gL/gQ1/gQ2は、異なる宿主レセプターと結合することが判明している。その複合体の中でもgQ1が異なるレセプターとの結合に重要であることも明らかとなっている。そこで、今回、我々はHHV-6AgQ1の一部をHHV-6BgQ1の相同部分に置換したキメラgQ1を作製した。作製したキメラgQ1の機能を解析したところ、HHV-6AgQ1のN末端を含むキメラgQ1は、HHV-6AgQ2、gH、gLと複合体を形成し、HHV-6Aの侵入レセプターであるCD46と結合した。また、同様の方法で、HHV-6BgQ1のうち、HHV-6Bの宿主レセプターであるCD134との結合に重要なアミノ酸残基を同定した。本研究で得られた成果は、HHV-6A及びHHV-6Bの異なるレセプターによる侵入のメカ二ズムの一部を解明したという事実だけではなくウイルス感染阻止のターゲットの発見にも繋がる可能性がある。着手後、BAC(Bacterial Artificial Chromosome)法及び大腸菌内の組み換え法(RecA組換え法)を用いてHHV-6AゲノムのU97からU100までの領域を欠損させ、gQ1を欠損したHHV-6AのゲノムBAC DNA(HHV-6A-BAC△gQ1)を作製した。作製したBAC DNAにHHV-6BゲノムのU97からU100までの領域を挿入し、HHV-6BのgQ1に入れ替えたHHV-6AのゲノムBAC DNA (HHV-6A-BAC-BgQ1)の作製に成功した。そのBACゲノムを用いて感染性ウイルスの再構築を試みたところ、ウイルスが再構築されなかった。このことから、BgQ1はHHV-6Aの感染におけるAgQ1の機能の代償ができないということが示唆された。現在、ウイルスの再構築ができない原因(ウイルス再構築のどの段階にとどまっているか)を調べている段階である。また、本研究課題と関連する研究で得られた結果、gQ1だけではなく、gQ1とgQ2がペアで機能することが明らかになった。それについて、更なる研究を行う予定である。一方、HHV-6BのgQ1の一部が含まれるHHV-6AのgQ1(キメラAgQ1)を作製しており、作製したキメラgQ1を、一過性発現系を用いて調べている。それにより、ウイルス複合体の形成およびreceptorとの結合領域の同定に繋がると考えている。本研究課題の24年度の研究計画で、1.HHV-6A-BAC△gQ1およびHHV-6A-BAC-BgQ1の構築2.HHV-6A- BAC-BgQ1ゲノムからの感染性ウイルスの再構築3.感染性ウイルスの再構築に成功した場合4.感染性ウイルスが再構築されない場合の4stepを計画していた。そのうち、項目4だけまだ進行中である。しかし、本研究課題と関連する研究で得られた結果、gQ1とgQ2がペアで機能することが明らかになった。現在、gQ1とgQ2のペアでの機能解析を行っている。また、本研究課題の25年度の計画の中で、gQ1の機能領域の同定を計画している。現在、それに関する研究は既に進行している。以上より、本研究課題はおおむね順調に進展していると考えている。本研究課題はおおむね順調に進展しており、25年度の研究計画の一部が既に進行している。本年度はgQ1の機能領域の同定に重点をおいて研究を行う予定である。

また、gQ1とgQ2がペアで機能することを明らかにしたことから、今年度、gQ1を入れ替えたBAC DNAから感染性ウイルスの再構築が不可能である原因を調べると共に、gQ1とgQ2のペアでの機能を解析する予定である。特に、HHV-6AとHHV-6Bの宿主細胞への侵入時に、使用するレセプターの違いは、このペアの糖タンパクの違いによるものであるかに重点を置いて研究を進める予定である。これらの研究は、HHV-6AとHHV-6Bとの大きなトロピズムの違い、また他の分子生物学の特徴の違いの解明につながると考えられる。24年度、研究が進行したうえで、12388円の研究費が余った。本研究はおおむね順調に進行しているが、24年度の研究計画のごく一部がまた進行中であるため、その額を25年度に使用させていただきたいと考えている。
ス-パ-コンピュ-タによる複合型都市汚染の低減のシミュレ-ション

本研究による研究成果をまとめると次のようになる。1.都市温暖化(ヒ-トアイランド)の3次元シミュレ-ションプログラムを開発した。2.都市大気汚染の3次元シミュレ-ションプログラムを開発した。3.自動車3台を用いて主に東京23区内の400地点の気温を晴天時と曇天時の2回に分けて測定した。その結果、晴天時(早朝)には郊外と中心部(大手町または新宿)の気温差は7°C近くあリ、16年前の他機関の気象調査時と比較して、2倍近く上昇しておりヒ-トアイランド化が益々顕著となっている実情が明らかになった。4.都市大気の鉛直方向分布測定を行った。都市大気境界層のモデリングのためには、鉛直方向の構造が重要であり、試作したバル-ンを用いて温度の測定を行った。5.東京23区を含む東京圏を対象とするリモ-トセンシングデ-タを入手しコンピュ-タにより熱画像図を作成し、東京の都市温暖化(ヒ-トアイランド)の実態調査および分析・把握を行った。その結果、東京は大手町付近、新宿、池袋、渋谷の四極構造(この地域の気温が際立って高い)を有していることが明らかになった。6.過去10年の人工エネルギ-消費量や建造物密度、平均階数、人口などをベ-スとしたエネルギ-消費密度の伸びから将来の東京の人工エネルギ-の予測を行った。これには、高層ビルなどの増加による蓄熱効果も加味した。これらをもとに2060年頃の東京の温暖化の予測を行った結果、大手町付近の温度が現在より10°C以上上昇し、夏(7月31日)の夕方6時の気温は、40°Cを超えることが予想された。以上の研究から東京の温暖化および大気汚染を食い止めるための早急な抜本的対策が必要であることを訴えたい。当該年度は、次の研究成果を得た。従来は3次元計算が行われた例は極めて少なく、また、都市中心部の浮力流れの考慮に問題があったので今回は、この点を改良した。現在、大都市(東京など)では、車から排出されるNO_XやCOなどの汚染物質による大気汚染が再度クロ-ズアップされており、非化石燃料車(電気自動車etc.)の導入による大気汚染の抵減効果や未来都市の設計などに役立てることが可能となった。3.車3台を用いて大気温度の移動観測を行った。実在都市の例として仙台市を取り上げ、大気温度の移動観測により都市内外の気温差(ヒ-トアイランド強さ)を明らかにした。都市大気境界層のモデリングのためには、鉛直方向の構造が重要であり、今回はまず温度の測定を行った。5.大都市東京の都市大気汚染軽減のためには、交通システムそのものの改善・変革が重要との考えから、諸外国の交通システムおよび社会システムの調査を行った。その結果、ドイツやスウェ-デンのトラフィックゾ-ンシステムなど、興味ある対策があることが判明した。これらについても、その導入効果などを検討した。本年度は、以下の研究を行った。1.リモ-トセンシングによる地表面気温の観測東京23区を含む東京圏を対象とするリモ-トセンシングデ-タを入手しコンピュ-タにより熱画像図を作成し、東京の都市温暖化(ヒ-トアイランド)の実態調査および分析・把握を行った。その結果、東京は大手町付近、新宿、池袋、渋谷の四極構造)

この地域の気温が際立って高い)を有していることが明らかになった。2.自動車による移動観測自動車3台を用いて主に東京23区内の400地点の気温を晴天時と曇天時の2回に分けて測定した。その結果、晴天時(早朝)には郊外と中心部(大手町または新宿)の気温差は7°C近くあり、16年前の他機関の気象調査時と比較して、2倍近く上昇しておりヒ-トアイランド化が益々顕著となっている実情が明らかになった。3.東京の温暖化の未来予測(2060年の東京)過去10年の人工エネルギ-消費量や建造物密度、平均階数、人口などをベ-スとしたエネルギ-消費密度の伸びから将来の東京の人工エネルギ-の予測を行った。これには、高層ビルなどの増加による蓄熱効果も加味した。これらをもとに2060年頃の東京の温暖化の予測を行った結果、大手町付近の温度が現在より10°C以上上昇し,夏(7月31日)の夕方6時の気温は、40°Cを超えることが予想された。以上の研究から東京の温暖化および大気汚染を食い止めるための早急な抜本的対策が必要であることを訴えたい。
多数のセンサによる物体位置姿勢計測のためのパーティクルフィルタの実装理論

本研究では,複数のカメラ・センサから得られる情報を統合する演算方法の設計と,その演算を実行するソフトウェアの実装を目的とした.存在しているカメラの互いの相対姿勢(6パラメータ×カメラの台数)をパーティクルフィルタで推定するアルゴリズムを実装した.これにより,複数台のカメラが協調して物体位置をロバストに計測することを可能とした.本研究では,複数のカメラ・センサから得られる情報を統合する演算方法の設計と,その演算を実行するソフトウェアの実装を目的とした.存在しているカメラの互いの相対姿勢(6パラメータ×カメラの台数)をパーティクルフィルタで推定するアルゴリズムを実装した.これにより,複数台のカメラが協調して物体位置をロバストに計測することを可能とした.近年,セキュリティー,あるいは人・動物・ロボットや車両等の誘導・移動履歴管理等の目的から,カメラ等のセンサを利用した移動体の位置・姿勢検知と追従の研究・開発が盛んである.本研究は,そのための複数のカメラ・センサから得られる情報を統合する演算方法の設計と,その演算を実行するソフトウェアの実装を行うものである.本年度は,研究のために基本となる画像処理を実装した.さらに,環境に多数取り付けられたカメラの位置姿勢計測を自動化するための新しいパーティクルフィルタアルゴリズムを提案,実装,評価した.提案した手法は存在しているカメラの互いの相対姿勢(6パラメータ×カメラの台数)をパーティクルフィルタで推定するものである.2台のカメラから同時に計測された移動物体の位置からそれらのカメラの相対姿勢を推定するアルゴリズムと,3台のカメラの3組の推定姿勢から,幾何拘束を利用して推定姿勢を修正するアルゴリズムを組み合わせた.3台のカメラの存在するシミュレーション環境と実環境で物体位置計測を行い,その結果を実装したアルゴリズムに入力して提案手法を評価した.その結果,幾何拘束を利用することで安定した推定が行えること,実環境に提案手法が適用可能であることを示した.この手法は,計測自動制御学会システム・情報部門講演会において,部門奨励賞を受賞しており,現在のところ国内だけであるが,高い評価を得ている.また,国際会議IROS2007(サンディエゴ)に参加し,競合研究について最新の動向を調べ,パーティクルフィルタを応用したロボットの制御について発表を行った.さらに,アトランタで行われるロボカップ2007に参加し,情報交換,実装したパーティクルフルタの評価を行った.近年,セキュリティー,あるいは人・動物・ロボットや車両等の誘導・移動履歴管理等の目的から,カメラ等のセンサを利用した移動体の位置・姿勢検知と追従の研究・開発が盛んである.本研究は,そのための複数のカメラ・センサから得られる情報を統合する演算方法の設計と,その演算を実行するソフトウェアの実装を行うものである.本年度は,研究期間を通じて行った実験の結果の発表を主に行った.実装したアルゴリズムは,存在しているカメラの互いの相対姿勢(6パラメータ×カメラの台数)をパーティクルフィルタで推定するものである.このアルゴリズムは,複数のパーティクルフィルタで構成されており,各パーティクルフィルタは,各カメラ対(2台のカメラの組み合わせ)に対応している.また,各パーティクルフィルタを任意台数の計算機で分散して実行することが可能である.さらに,各カメラ対の相対姿勢計測結果を分散処理のまま互いに融通するアルゴリズム(幾何サンプリングと呼ばれる)が実装されており,ロバストな推定が可能となっている.実験では,天井に取り付けた3台のカメラに,床面を移動するロボットの位置を観測させ,得た画像から各カメラの相対位置を計算した。試行した12回のうち,すべての試行において,全てのカメラの組み合わせで外れ値なく相対姿勢が求まった.また,幾何サンプリングの有効性も実環境で証明できた.この結果は,第26回日本ロボット学会学術講演,国際学会Distributed Autonomous Robotic Systems 9において発表された.
エピゲノム制御による消化管の組織修復機構

本研究では傷害を受けた消化管の組織修復を促す因子を、マウス腸炎モデルを用いて探索した。再生上皮においてムチン産生細胞の分化やムチン合成に関する遺伝子群の発現が低下していること、そのDNAメチル化が亢進していることを見出した。更に潰瘍性大腸炎においてもヒトホモログの発現低下が同様に起こっていることを明らかにした。また、潰瘍性大腸炎においてL-1トランスポゾンのDNAメチル化レベルの低下と、転写および分化にかかわる遺伝子群のDNAメチル化亢進を見出し、傷害上皮の再生のための増殖促進におけるエピジェネティック機構の重要性を明らかにした。消化管の慢性炎症では、傷害を受けた粘膜修復のために、急速な上皮細胞分裂と機能細胞への分化が起きている。申請者らは潰瘍性大腸炎の再生上皮細胞で見られる糖鎖変化と、その主たる原因として複数の糖鎖合成遺伝子がDNAメチル化亢進により発現抑制されているということを見出した。この事実は、腸管粘膜治癒過程におけるエピジェネティックな遺伝子発現制御機構の重要性を示唆している。そこで申請者らは、傷害を受けた再生上皮の分裂促進およびその後の分化誘導に重要な因子がエピジェネティックな発現制御を受けているのではないかと考えた。これらの因子を同定し、その機能を明らかにすることで、消化管粘膜治癒に関わる分子メカニズムの解明を試みた。23年度は炎症治癒過程の上皮細胞でDNAメチル化によりサイレンシングされる遺伝子の同定を目的として、デキストラン硫酸ナトリウム(大腸炎の誘導)投与により作製したマウス炎症モデルから上皮細胞を回収し、マイクロアレイおよびDNAメチル化アレイ解析を行うことで候補遺伝子の網羅的検索を進めた。これまでに、ムチン産生細胞のマーカとなる遺伝子、レトロトランスポゾン抑制に関与する遺伝子、ホメオボックス遺伝子などが見出されている。これらの候補遺伝子のうち、ヒトホモログの明らかとなっているものについては、正常大腸粘膜、潰瘍性大腸炎組織における発現を検討した結果、レトロトランスポゾン抑制に関与する遺伝子と、ホメオボックス遺伝子については、マウスと同様に正常組織と比べて炎症粘膜において発現の低下が認められた。そこで、傷害を受けた再生上皮の分裂促進およびその後の分化誘導に重要な因子がエピジェネティックな発現制御を受けているのではないかと考え、本研究ではこれらの因子の同定と、その機能解明を目指している。昨年度までに、マウス腸炎モデルを用いて、レトロトランスポゾン抑制に関与する遺伝子とホメオボックス遺伝子の発現が再生上皮で低下していることを見出し、更に瘍性大腸炎においてもヒトホモログの発現低下が同様に起こっていることを明らかにした。そこで本年度は、正常で見られるDNAメチル化によるレトロトランスポゾンの発現抑制が、炎症粘膜で解除されているか否かを検討した。潰瘍性大腸炎組織よりセルソーターを用いて再生上皮細胞を分離して得られる10万個以下の細胞で網羅解析をするために、次世代シークエンサー解析用ライブラリー作製のスモールスケール化を達成した。MeDIP-seqで得られたタグを、ゲノムにマップされた数で正規化後にCpGアイランドにマップされた数を比較した結果、正常上皮よりも潰瘍性大腸炎手術標本より分離した上皮細胞において、DNAメチル化レベルの有意な低下が認められた。また、このゲノムワイドな低メチル化は、Long interspersed nuclear element,L-1トランスポゾンの低メチルによることが明らかとなった。申請者らは潰瘍性大腸炎の再生上皮細胞で見られる糖鎖変化と、その主たる原因として複数の糖鎖合成遺伝子がDNAメチル化亢進により発現抑制されていることを見出した。そこで、傷害を受けた再生上皮の分裂促進およびその後の分化誘導に重要な因子がエピジェネティックな発現制御を受けているのではないかと考え、本研究ではこれらの因子の同定と、その機能解明を目指した。マウス腸炎モデルを用いて、レトロトランスポゾン抑制に関与する遺伝子とホメオボックス遺伝子の発現が再生上皮で低下していることを見出し、更に瘍性大腸炎においてもヒトホモログの発現低下が同様に起こっていることを明らかにした。正常粘膜ではレトロトランスポゾンの発現はDNAメチル化により抑制されていたが、潰瘍性大腸炎ではL-1トランスポゾンのメチル化レベルの低下が見られた。最終年度は再生上皮におけるDNAメチル化の機能的意義を解明すべく、セルソーターを用いて分離した再生上皮細胞を、DNAメチル化阻害剤存在下で培養した結果、細胞増殖が著しく抑制された。再生

上皮細胞の増殖亢進に関与するDNAメチル化標的遺伝子を網羅的に探索するため、10万個以下の少ない細胞を用いて次世代シークエンサー解析用ライブラリーを作製する方法を確立した。バイオインフォマティックス解析の結果、潰瘍性大腸炎手術組織より分離した上皮細胞において特異的にDNAメチル化修飾を受ける遺伝子群を同定した。オントロジー解析の結果、正常上皮でのみメチル化されている遺伝子には有意に濃縮されているGOは見つからなかったが、再生上皮でDNAメチル化亢進する遺伝子は、転写および分化に関わるものが多く、傷害上皮の再生のための増殖促進におけるエピジェネティック機構の重要性が示唆された。臨床検体を用いた研究においては研究目的に使用できる標本量に限りがあり、このことが研究推進のネックになる場合が多々あるが、本研究において、これまでは1千万1億細胞は必要とされていた網羅的エピゲノム解析のためのChIP法を、10万個以下の非常に少数の細胞数で解析可能な系を確立した点は、目覚ましい進歩である。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまでに確立したChIP法を用いて候補遺伝子のエピゲノム解析を行い、ヒストン修飾(H3K4、H3K9、H3K27等のメチル化、アセチル化等)によるエピジェネティックな転写制御機構とDNAメチル化(メチル基結合蛋白を利用して解析)との関連性を検討する。また、見出したエピジェネティック修飾のON/OFFと消化管上皮の増殖・脱分化との関連性について検討する。
感染マクロファージの細胞内pHの変動がアポトーシス発現に及ぼす影響について

我々の研究グループでは、歯周病原性細菌であるActinobacillus actinomycetemcomitansを感染させたマクロファージをin vitroで培養すると、アポトーシスが引き起こされることを明らかにした。さらに、感染マクロファージのアポトーシス発現には、本菌が細胞内に取り込まれることが必須であることを見い出した。一般に、マクロファージに取り込まれた細菌は、細胞内小器官であるファゴゾームやファゴリソゾーム内で処理される。その際、これらの小器官内の酸性顆粒が貪食された後の細菌の消化に重要な役割を果たしていることは広く知られている。そこで、A.actinomycetemcomitans感染マクロファージを培養する時に、細胞内小器官の酸性顆粒保持機能を担っている液胞型プロトンATPaseを特異的に阻害するコンカナマイシンAを添加して、感染マクロファージのアポトーシス発現にどのような影響を及ぼすかを調べた。まず、マクロファージ細胞株J774.1細胞にコンカナマイシンAを作用させたところ、細胞内小器官の脱顆粒現象が蛍光顕微鏡で観察され、マクロファージ細胞内のpHが変動している可能性が示された。次に、コンカナマイシンAで処理したJ774.1細胞にA.actinomycetemcomitansを感染させ、致死活性をMTTアッセイで測定したところ、処理したコンカナマイシンAの濃度に依存して致死活性の増強が認められた。アガロースゲル上でのDNA断片化像、フローサイトメーターおよびTUNEL法で、コンカナマイシンA処理により、A.actinomycetemcomitans感染マクロファージのアポトーシスが増強されることを明らかにした。さらに、細胞内pHを上昇させるイミダゾールをA.actinomycetemcomitans感染マクロファージの培養系に添加したところ、その後に引き起こされるアポトーシスは有意に抑制された。以上の結果から、A.actinomycetemcomitans感染マクロファージに見られるアポトーシス誘導の過程で、細胞内pHの変動が重要な調節機能を果たしている可能性が強く示唆された。
腎発生分化におけるMAPキナーゼスーパーファミリーの役割と病因的意義

次に腎発生における機能的意義を検討した。ラット腎をERK活性化酵素MEK阻害剤PD98059、UO126、またはp38阻害剤SB203580存在下で培養、腎成長ネフロン形成、尿管芽分岐への影響を検討した。,ERKはネフロン形成と尿管芽成長に、p38は腎成長とネフロン形成に関与することが示された。ERK、p38が腎発生において必要であることから、ERK、p38の異常により腎発生異常が生じる可能性が考えられる。そこで最も頻度の多い腎奇形、異形成腎におけるMAPキナーゼの発現を検討した。胎生10週-21歳のヒト多嚢胞性異形成腎6例につき検討、嚢胞壁におけるp38、ERKの発現増加、活性化と、JNK発現低下を認めた。同様の変化は多発性嚢胞腎モデルpcyマウス嚢胞壁にも観察された。p38が腎成長、ネフロン形成に、ERKがネフロン形成に関与することから、腎成長、ネフロン形成に関与書,するbFGFのシグナル伝達におけるMAPキナーゼの役割を検討した。培養後腎間葉細胞においてbFGF刺激によりp38、ERKは活性化され、細胞増殖・遊走を媒介することが示された。多嚢胞性異形成腎には尿路閉塞が高頻度に合併し、発症への関与が示唆される。そこでヒツジ胎仔尿路閉塞モデル腎におけるMAPキナーゼの発現を検討した。胎生期尿路閉塞腎の嚢胞、異形成尿細管において、細胞増殖亢進に伴いp38、ERK、P-ERKの発現増加、JNKの発現減弱が認められ、嚢胞形成に関与することが示された。以上、正常、異常腎発生におけるMAPキナーゼの意義が明らかにされた。【方法】胎齢18日(E18)、日齢1(N1)、日齢7(N7)、6週齢(A)ラット腎を用い、ウエスタンプロット、免疫組織染色を行った。【結果】蛋白発現は、ERK;E18>N1>N7>A、JNK;A>N7、p38;E18>N1、MKP-1;E18>N1であった。活性型リン酸化MAPKは蛋白発現と相関していた。また以下の部位に発現がみられた。:ERK;E18では糸球体臓側(P)および壁側上皮細胞(B)、メサンギウム細胞(MC)、尿管芽(UB)、間葉細胞、N1、N7ではP.B.MC、尿細管、移行上皮、AではP、遠位尿細管、集合管、移行上皮、血管内皮細胞、JNK;A.N7の尿細管、p38;E18のP、MC、UB、N1のP、集合管、MKP-1;E18のMC、集合管、UB。【総括】幼若腎ではERK、p38、MKP-1の発現増加、活性化がみられた。JNKは発達に伴い発現が増加し、p38と異なった機能が推測される。これらの蛋白発現は部位的にも差があり、細胞種により異なる増殖、分化機構が存在すると考えられた。私達はMAPキナーゼファミリーの中でERK、p38はラット腎発生初期に発現が強く、JNKは逆に成熟腎で最も多いことを報告した。また、ERK発現は空間的にも腎の発達と一致することを明らかにした。すなわち胎生期には増殖の盛んな(PCNA染色により同定)間葉細胞、尿管芽細胞に強く発現、発達に伴いネフロン原基の形成されるnephrogenic zoneに強く発現する。

尿細管の発達する新生児期には皮質深部、髄質にERKの発現が移動する。一方、p38はアポトーシスを媒介することが知られており、腎発生においても増殖と共に広汎なアポトーシスが生じている。そこでp38の発現とTUNEL染色によるアポトーシスの相関を検討した。予想に反し、p38発現部位はアポトーシスと一致せず、むしろPCNA染色陽性部位と相関を示した。以上の結果から、ERK、p38は腎発生初期の細胞増殖分化に関与することが示された。ERK、p38の機能的意義を検討するため、胎生14-15日のラット腎をERK、p38の阻害剤の存在下で培養した。ERK阻害により腎サイズは90%に減少、糸球体形成の減少、尿管芽の狭小化が見られた。p38阻害下では腎サイズは70%に減少、糸球体形成は全く認められなかったが、尿管芽形成には著変なかった。TUNEL陽性細胞はERK阻害で若干、p38阻害で著明に増加した。PCNA陽性細胞はERK阻害では対照と差がなかったが、p38阻害により減弱した。以上の結果からERK、p38は腎発達に必要であり、特にERKは尿管芽の成長に、p38は糸球体形成に関与することが示唆された。1.多嚢胞性異形成腎におけるMAPキナーゼの発現胎生19週-2歳のヒト多嚢胞性異形成腎パラフィン切片を材料に、MAPキナーゼの免疫組織染色および増殖、アポトーシスのマーカーPCNA、TUNEL染色を行った。増殖のさかんな嚢胞壁および異形成尿細管上皮細胞にはp38が異所性に発現し、ERK発現も正常対照腎に比し増加していた。ERK、p38の活性型も強く検出された。一方、増殖抑制に関与し、成熟尿細管に発現するJNKは嚢胞壁および異形成尿細管上皮細胞でその発現が減少していた。2.多発性嚢胞腎モデルpcyマウスにおけるMAPキナーゼの役割pcyマウス生後1日より嚢胞形成が認められた。嚢胞壁においてERK、活性型ERK、p38の発現が増加し、JNKの発現が対照マウス腎に比し減少していた。胎生15日のpcyマウス腎をERK阻害剤U0126存在下で4日間培養したところ、嚢胞形成がU0126非添加腎に比し抑制され、嚢胞形成へのERKの機能的関与が示された。以上より、MAPキナーゼの発現異常が腎発生異常に関与することが示唆される。MAPキナーゼのERK、p38は胎児腎に強く発現し、ネフロン形成、腎成長に必要である。一方、JNKは成熟腎に発現し、後期分化または形質維持への関与が示唆される。私たちはヒト多嚢胞性異形成腎の嚢胞においてp38、ERKの発現・活性が増加し、JNKの発現・活性が減弱していることを報告した。多嚢胞性異形成腎には尿路閉塞が高頻度に合併し、発症への関与が示唆される。今回、ヒツジ胎仔尿路閉塞モデル腎におけるMAPキナーゼの発現を検討した。対象は胎生50日(n=5)、60日(n=5)で作成したヒツジ胎仔尿路閉塞モデル。雄(n=7)は尿道および尿膜管を結紮、雌(n=3)は片側尿管を結紮、妊娠満期(145日)に帝王切開により胎仔を娩出した。雌の対側腎または無処置の同胞仔腎を対照とした(n=4)。MAPキナーゼおよび活性型ERK(P-ERK)、PCNAの免疫組織染色およびTUNEL染色を行った。胎生期尿路閉塞により多嚢胞性異形成腎(n=4)と小嚢胞を伴う低形成腎(n=6)の2種類の腎が作成された。これらの腎の嚢胞上皮、異形成尿細管ではPCNAの発現増加が認められた。TUNEL陽性細胞は多嚢胞性異形成腎の間質と異形成尿細管上皮に観察されたが、低形成腎では対照腎と同様ほとんど認められなかった。p38は対照腎には認められなかったが、尿路閉塞腎の嚢胞、異形成尿細管上皮に染色された。
テトロドトキシン生産菌のゲノム解析に基づく生合成機構の解明

フグ毒として有名なテトロドトキシン(TTX)の生合成機構を解明するために、TTXを生産するとして保存されている微生物のゲノム解析を行い、TTX生合成に関与すると推定した酵素遺伝子をinsilicoにてスクリーニングした。その結果、想定したような特徴的な遺伝子からなるクラスターを発見することは出来なかった。また、本研究で取り扱った微生物によるTTX生産性を再検討した結果、培地成分に由来するTTX同族化合物と質量が一致する夾雑物ばかりで、TTX生産性を再確認することは出来なかった。これらの結果から、TTXの生合成は低分子の一次代謝産物から多段階を経て生合成されるものではなく、比較的炭素数の揃った核酸などの分子から短行程で生合成される可能性を考えるに至った。フグ毒として有名なテトロドトキシン(TTX)を生産する微生物として公共の微生物保存機関に登録されたPseudoalteromonas tetraodonis、Shewanella algae、Vibrio alginolyticusのゲノム解析を行ったが、TTX生合成に関与すると推定される遺伝子を絞り込むことができなかった。さらに、Vibrio alginolyticusに絞り、染色体DNAをランダム消化し、TTX生合成遺伝子を包括すると考えられる比較的長い遺伝子領域の発現を試みたがTTXの生産を示唆するような結果は得られなかった。そこで、本研究で入手した菌株がTTX生産能を失っている可能性を検証するため、報告例のある様々な条件にてTTX生産性を検証した。その結果、Vibrio alginolyticusの培養に一般に用いられる培地で培養した時に、TTXそのものではないが、その前駆体と考えられるデオキシ体に相当する化合物の存在をLC-ESI-MS分析で確認できた。その量は少なく、NMRなど他の分析手段による化学構造の確認には至っていないが、もしこれがTTX生合成に関連する化合物であれば、取り込み実験による生合成解析も可能になると考えられる。TTX生合成に関与すると推定される本菌株に特徴的な遺伝子を見いだせないという事実は、Vibrio属であれば種を問わず、TTXの前駆体となりうる化合物を生成する可能性も考えられる。まずは、この少量のTTX生合成に関与すると考えられる化合物の構造を決定し、ランダムに遺伝子を破壊して生合成に関わる遺伝子を特定することが今後の課題である。もしこれが、TTX生合成に関与するものではなく、他の代謝産物あるいは培地成分が分解しただけのものである場合は、TTXを生産する真の生物を再度スクリーニングし、生産系を確立する必要がある。テトロドトキシン(TTX)を生産するとして公共の微生物保存機関に登録されたPseudoalteromonas tetraodonis JCM 21038、Shewanella algae JCM 21037、Vibrio alginolyticus NBRC 15630を、通常の方法で培養して染色体DNAを抽出し、ドラフトゲノムDNA配列解析を行った。その結果、これらバクテリアのゲノムDNA配列をほとんど網羅すると考えられるDNA配列情報を得ることができた。ついで同属微生物のゲノムDNA配列と比較し、それぞれの株に特徴的な遺伝子の特定を行った。その結果、これら微生物の遺伝子の大部分は同属のものと相同性が高いことが判明すると同時に、いくつかの特徴的な遺伝子を有していることが明らかとなった。しかしながら、特徴的遺伝子とTTX生合成との関連性を見いだすことは現状では困難であった。また、本研究でドラフトゲノム解読した3株に共通する遺伝子の探索を行なった結果、多くの遺伝子がそれぞれに保存されており、TTX生合成遺伝子として予想される共通遺伝子を絞り込むことはできなかった。以上ドラフトゲノム解析の結果、これら微生物が真にTTX生産性を有するかどうかも検証する必要があるが、TTX生合成に関わる遺伝子が染色体DNA上に散在している可能性もあるので、TTX生合成に関与すると推定できる酵素遺伝子を異種株発現させて、TTX生合成との関連性を検証して行く必要があることが分かった。毒物であるTTXの生合成遺伝子を異種発現させる実験に関しては、遺伝子組換え生物等の第二種使用等をする間に執る拡散防止措置に関して大臣確認した(23受文科振第243号)。TTXを生産するとして保存されている微生物3株のドラフトゲノム解析を行ない、TTX生合成に関与する可能性のある遺伝子情報を入手することができた。比較ゲノム解析の結果、簡単にTTX生合成遺伝子を絞り込めないことも判明し、新たな考えの下、研究を進める必要があることが分かった。また、TTX生合成に関与すると推定される酵素遺伝子を異種株発現させて機能解析する必要があるが、その遺伝子組換え実験の拡散防止措置に関しては大臣確認をとり実施可能となった。

保有しているPseudoalteromonas tetraodonis JCM 21038、Shewanella algae JCM 21037、Vibrio alginolyticus NBRC15630のTTX生産性について再検証する。自然界における生育条件を再現できずTTX生産性を検出できない可能性も十分考えられるが、これらの微生物にはTTX生合成になんらかの関与があると想定し研究を進める。具体的には、TTX生合成に関係すると考えられる反応を触媒する酵素の機能解明に挑む。特にVibrio alginolyticusのゲノムDNA配列に見いだされた特徴的な遺伝子、炭素骨格の前駆体となりうる糖リン酸を形成するアルドラーゼ型酵素遺伝子、アミノ基やアミジノ基導入に関与すると考えられるアミノ酸代謝に関与する類縁酵素遺伝子の機能解明を進め、TTX生合成との関連性を見いだしていく。TTX生産検証用:微生物培養用培地成分、TTX抽出用試薬、クロマトグラフィー用樹脂、LC-MS用溶媒、LC用カラム、TTX標品、溶媒酵素遺伝子機能解析用:オリゴヌクレオチド、分子生物学実験用試薬、酵素反応解析用試薬一般消耗品:ガラス器具、プラスティックディスポーザブル用品、実験用試剤全般その他:DNA配列解析受託(クローニングした遺伝子配列確認用)旅費:TTXに関する研究の情報収集
金ナノフィンアレイによる近赤外光捕集ナノ界面の大面積創製

光ファイバー通信や非侵襲型バイオセンシング、太陽光発電における利用光波長の拡張など、近赤外光を吸収する材料の開発が活発に行われている。これに対し、構造設計による光捕集も精力的に行われている。そこで申請者は独自に開発したナノコーティングリソグラフィー法を駆使し、高いアスペクト比を有する金ナノフィンアレイ構造の大面積作製に成功した。これを使い、波長選択的な近赤外光捕集の実現や、ナノフィン空間への閉じ込めによる蛍光色素分子の発光増強、さらには色素分子の自発的配向などを見いだした。平成26年度は、ナノコーティングリソグラフィーを基本として、様々な形状・サイズを持つナノフィンベースの周期的金ナノ構造体を作製した。また、金ナノフィンアレイのフィルム化や透明基板への転写についても検討を進め、それらを実現した。また、ナノフィンベースの構造体について、その光トラップ現象に影響を与える因子(入射光偏光、入射角、ナノフィン構造のサイズ、ナノフィン形状、ナノフィン間の空間誘電率)について反射スペクトル測定および数値的電場解析によって明らかにした。S偏光を金ナノフィン構造に入射した場合、鋭い消失ピークが実験的に観察され、数値解析よりナノフィン間での安定した定在波生成に基づく高い電場強度分布が確認された。一方、P偏光入射ではブロードな消失ピークのみ観察され、数値解析結果では、フィン表面極近傍に、高い電場強度が複雑に分布しており、複次数のプラズモン共鳴モードの混在状態が形成すると考えられる。また、トラップ光波長は、金ナノフィンサイズや間隔に依存し、ナノフィンサイズおよび間隔の縮小により、より低波長側の光でも同モードで光トラップ可能であることが明らかとなった。また金ナノフィン間の空間の誘電率も光トラップ波長に対して影響を及ぼし、空間の誘電率上昇によって、より長波長の光をトラップ可能であることが示唆された。本年度は、光捕集効果に対するナノフィン形状の影響を系統的に評価した。その結果、フィン間隔や形状によって、捕集光の波長に影響を及ぼすことが、実験的かつ計算解析的に明らかとなった。また捕集光の波長近辺に吸収を有する蛍光色素を導入したところ、その発光強度が増強されることが見出された。増強度は2倍程度とやや低いが、これは実験に利用したフィンアレイが捕集できる光波長と蛍光色素の吸収波長の重なりが低かったことも影響していると考えられる。現時点では、フィン間への色素導入が、光吸収効率増強に影響を及ぼしているのか、あるいは蛍光発光効率向上に影響を及ぼしているかは明らかになっていない。また、キャピラリー効果を利用して液晶性芳香族分子をフィン間に導入すると、この液晶性分子がフィン方向に対して自発的に垂直配向することが明らかとなった。現時点では、フィン構造と光応答特性が、実験的かつ解析的にも相関づけられつつあり、前半の目標である、ナノフィンアレイの光捕集効果に対して、系統的な知見が得られつつある。昨年度までの検討により、光捕集効果に対するナノフィン形状の系統的な調査や、蛍光色素分子をつかった蛍光増強の確認などにより、フィン間での光と色素分子の相互作用に有意性を見いだすことができた。これらの知見をベースに、本年度はナノフィンにより捕集された光を最大限に活用するため、ナノフィン間での色素分子の配向制御について検討を行った。特にパイ電子含有系の低分子化合物は色素分子としての展開が見込め、また液晶などの自己組織的に分子配列構造を形成することから、特にペリレンに長鎖アルキル基が導入された液晶性化合物をナノフィン間に導入し、フィン間での分子配列制御を行った。偏光顕微鏡観察や光吸収の角度依存性の実験から、この液晶分子がフィン間でカラムナー液晶的な分子配向を持つこと、そしてそのカラムナー液晶がフィン配列方向に垂直かつ基板表面に対して平行配向したEdge-on型の配向構造を持つことが明らかとなった。このため、ペリレンのパイ平面はフィン方向に対して平行になっているため、光吸収断面が最大化された状態である。このペリレン化合物自身は近赤外領域に吸収を持たないため、フィン間にトラップされた近赤外光とは優位な相互作用は行えないが、このパイ平面が金ナノフィンに平行配向した液晶性分子配列は、それ自身が分子配向プラットフォームとして利用可能と思われる。例えば重金属を中心金属としてもつフタロシアニン系色素は、どうようなパイ平面構造を持ちつつ、かつ近赤外領域に光吸収領域を持つため、このペリレン配向構造内にドープすることで、近赤外光吸収色素をフィン間に分子配向制御しつつ導入可能であることが期待される。計画において、初年度は光閉じ込め状況の把握と波長および構造との相関関係の解明を目的とし、系統的に金ナノフィン構造を作製し、それらの光応答特性を幅広く精査し、実験的かつ数値解析を使って、設計指針確立に注力するとしている。初年度はこの当初の目的をおおむね実現できたものと判断している。