hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
再生医療材料開発のための新規NMR解析システムの構築と絹人工血管開発への応用

含水状態で用いられる再生医療材料を開発するための新たな13C固体NMR解析法を開発するとともに、1H固体NMR分子間構造解析法、水の重水素二次元NMRダイナミクス解析法を合わせ用いて、含水状態の絹の構造とダイナミクスならびに絹と相互作用した水の挙動に関する詳細な知見を得た。そして、それらの知見を基盤に、絹基盤に絹のスポンジコーティングを行い、コーティングが最適化された絹人工血管を試作、動物移植評価実験を繰り返し、最終的に小口径絹人工血管を開発した。1.1H固体NMR分子間構造解析法を用いて家蚕絹のβシート構造を決定することができ、論文として発表した。これまで半世紀もの間、生化学の教科書に必ず引用されてきたMarsh,Paulingらの提案した家蚕絹の分子間構造モデルが間違っていることを指摘し、新たな構造を提案する事が出来た。2.含水状態の重水素二次元ダイナミクス解析法を形状の異なる家蚕絹試料について適用、その結果をもとに、不連続な集団として出現する重水素ピークの帰属を行うことができた。また、本スペクトルが絹と相互作用した水のダイナミクスの状態の違いを極めて鋭敏に反映する事を示した。3.含水状態の家蚕絹試料について、結晶部を反映するセリン残基、非晶部を反映するチロシン残基の固体13CNMRスペクトル挙動を詳細に検討し、絹の含水状態は、結晶、非晶と言う領域の違いよりも、個別のアミノ酸残基の親水性や疎水性の違いに大きく左右されることを示し、論文として発表した。4.絹人工血管の試作・物性評価に関しては、編みと組みの各繊維会社による絹人工血管基盤作製と当研究室の周軸強度、圧縮強度、吻合保持強度、透水率の測定結果を元に、基盤の改良を加えた。さらに、絹コーテングを行った後、マウス、ラット、イヌを用いた移植実験を行い、基盤の改良にフィードバックを行った。特に、マウスの血管直径は、1mm以下と細いため、編みや組みによる基盤作製以外に、エレクトロスピニング(ES)技術を用いた絹人工血管作製が有力であり、その技術を用いた絹人工血管の作製と改良を行った。また、マウス移植実験は、極めて高度な移植技術が要求されるため、約200匹のマウスを用いた移植実験(編み基盤が、32頭、組み基盤が89頭、ES基盤が69頭)を繰り返し、染色評価まで行うことのできる移植試料が得られるようになった。現在までの業績は、論文22報(すべて査読付きで、うち18報が外国国際雑誌)、関連の学会での発表は、60件、図書は7件と、多くの成果を上げる事が出来た。日本語論文のうちの一報は、繊維学会誌に掲載された論文であるが、繊維学会から、昨年度の特に優れた内容の論文であるとの受賞理由で繊維学会論文賞を受賞した。また、新たに開発した1H固体NMR分子間構造解析法を駆使して、Marshらが提案した家蚕絹繊維の分子間構造(従来、約半世紀にわたって生化学の教科書に必ずと言ってよいほど引用されてきた)は間違っている事を明らかにした点は特筆に値する。今後は、我々が提案した新しい構造を基礎に、絹の再生医療材料の応用に向けた研究が進むであろう。これらの一連の業績も加味して、昨年度、繊維学会功績賞、高分子科学功績賞、NMR学会特別講演者(功績賞に相当)を受賞することができた。一方、このようなNMRを用いた基礎研究と並行して、従来のイヌならびにラットを用いた移植実験に、小口径絹人工血管を評価するためのマウスを用いた移植実験を加えることができるようになった。今後、遺伝子改変マウス等を用いて、絹人工血管の血栓形成、再内皮化、炎症反応、吸収、リモデリング等に関与する因子を明らかにし、長期開存のための指針が得られると期待される。タンパク質試料の安定同位体ラベル化と超高速固体NMRプローブを用いた1H固体NMR構造解析の組み合わせが、タンパク質の分子間構造を精密に決定する上で極めて有力であることを示した。特に、極微量であっても固体NMR測定が可能であるという利点は、貴重な安定同位体ラベル試料を扱う上で特筆に値する。さらに超高速固体NMRプローブを用い、新たに天然の絹のモデル化合物について、14N核の相関を固体NMR測定により検出できる技術を開発した。本手法は、分子間水素結合を介したペプチドの分子間構造の決定に使用できた。また、家蚕絹の選択的13C安定同位体ラベル化と固体13CNMRならびにスペクトルシミュレーションを組み合わせて、延伸ならびに含水に伴う絹構造の変化を各コンフォメーションの分率の変化として定量的に追跡できることを示した。さらに、家蚕絹をスポンジ、フィルム、ハイドロゲル等の様々な形状に加工し、含水状態の詳細な構造解析を行い、比較することによって、その含水構造の違いを明らかにすることができた。これらの知見を総合することによって、新たなバイオ素材としての絹を分子設計する上で重要な開発指針を得ることができた。一方、家蚕絹を用いた小口径人工血管の開発に関しては、市販のポリエステル素材を用いた小口径人工血管との性能比較をラットへの3か月間の移植によって行った。その結果、移植後の評価結果が絹人工血管の方が格段に優れることを実証することができた。また、マウスでの絹人工血管の評価実験についても、新たな吻合方法を開発するとともに、スキル向上のための多くの移植実験を繰り返した結果、人工血管の移植評価が可能となった。

業績は、論文5報(すべて査読付き)を、本研究分野で有名な外国の国際雑誌に発表することができた。また、図書は、7報であり、特に、日刊工業の雑誌、工業材料の2月号に、シルクによる再生医療材料の開発というタイトルで、70ページにわたる特集を組むことができた。我々の小口径絹人工血管の開発を中心に、日本の絹の再生医療に関わる研究者、技術者、臨床医が一堂に執筆した特集となった。関連の学会での発表は、15件であった。以前、スペインで行われた国際会議を契機に、海外の研究者と絹の構造解析等を行うプロジェクトを立ち上げ、国際共同研究に発展している。一方、小口径絹人工血管の開発に関しても順調に研究が進展した。特に、絹人工血管の優位性を遺伝子レベルで解明するためのマウスでの移植実験は、血管の径が1mm以下と極めて細いため、移植実験の方法の確立に多くの時間を要したが、おおむね、移植実験によって絹人工血管を評価できるレベルに達しつつある。エレクトロスピニングによる、それに対応する小口径絹人工血管の作製と合わせて、今後の展開が大いに期待される。また、当研究室で解明してきた蚕の絹繊維化機構や絹人工血管の開発に関して、NHKの正月特番で紹介されるとともに朝日新聞等の取材を受け、その研究内容を広く知っていただくことができた。発表後、製品化の時期等に関して多くの方から問い合わせがあった。新たに開発してきた13C固体NMR構造解析法(INEPT法、CP/MAS法、DD/MAS法の組み合わせ)を、家蚕絹繊維の含水状態での不均一構造やダイナミクス解析に適用し、論文として3報発表した。同時に、重水素2次元NMRダイナミクス解析法を、絹繊維存在下での含水状態での水のダイナミクス解析に用い、自由水、繊維表面の吸着水、表面近傍で絹繊維内部に存在する2種類の水を、各々、明確に分離することができた。特に、後者の3種類の水は、従来の研究手法では単に吸着水として一括して認識され、区別することができなかった水であり、新たに絹と相互作用した高い運動性を有する水を区別できたことを意味する。さらに、この手法を、家蚕繭ならびに家蚕絹セリシン繊維、ならびに各種多孔質絹スポンジに適用、絹と水との相互作用の違いを明らかにした。現在、バイオ素材としての評価を、素材と相互作用する水の挙動から行うことが盛んに報告されているが、新たな観点から、分子レベルでの詳細な解析手法を開発したと言える。実際、典型的なバイオ素材であるN-イソピルアクリルアミドのゾルーゲル転移に伴う水の挙動変化にも本NMR解析手法を適用、論文として発表し、高く評価された。合わせて、絹を多孔質にする際に、使用するグリセリンについて、絹との詳細な相互作用の様子について、固体NMRを用いて明らかにすることができた。一方、小口径絹人工血管の開発に関しては、新たに多孔質絹スポンジでコーテングを行った絹人工血管の移植結果を関連学会で報告した。現在までの業績は、論文6報であり、本研究分野で有名な外国の国際雑誌に発表することができた。また、関連の学会での発表は、国内外で、18件、と多くの成果を上げることができた。特に、13C固体NMR構造解析法(INEPT法、CP/MAS法、DD/MAS法の組み合わせ)と、重水素2次元NMRダイナミクス解析法の組み合わせは、絹に限らず、再生医療材料のキャラクタリゼーションに極めて有力であることを示すことができた。
なぜネコは肉ばかり食べても健康でいられるか？新規代謝経路の解明と創薬応用

これまでに我々は、ネコがなぜ高コレステロール血症になりにくいか原因を調べ、新たにコレステロール生合成を抑制する代謝経路(フェリニン経路)がネコで亢進していることを発見した。フェリニン経路では、メバロン酸経路の最終産物の一つであるジメチルアリル二リン酸(DMAPP)が脱リン酸化を受け、酸化した後グルタチオンに抱合され、分解を経て最終的にフェリニンというアミノ酸として尿に排泄される。これはネコの肝臓にて、イソペンテニル二リン酸イソメラーゼ(IDI)というイソペンテニル二リン酸をDMAPPに異性化する酵素がメバロン酸経路の他の酵素と比較して非常に高発現していることが原因であると示唆された。また、ヒトやマウス、イヌなどの尿でも、尿中にフェリニン経路の代謝産物がわずかに検出されたので、ネコ以外の動物でもフェリニン経路は機能していることが分かった。以上の知見を踏まえ、本研究ではネコ以外の動物でもIDIを高発現させることでフェリニン経路は亢進するか検証した。アルブミンプロモーターの下流にIDIを組み込んだ発現ベクターを構築し、TransIT-EE Hydrodynamic Delivery Solution(Mirus社)と混ぜ、5週齢のBALB/cマウスに尾静脈投与した。1週間後に免疫染色で肝臓におけるIDIの高発現を確認した後、投与前後1週間の尿中フェリニン代謝物排泄量をLC-MS/MSで定量した。その結果、特にIDIの発現量が高かったマウスにおいて尿中フェリニン代謝物の排泄量が投与後3日後から増加することが分かった。よってネコ以外の動物においてもIDIの発現量が増加すればコレステロール中間産物がフェリニン経路で代謝されることが示唆された。現在は、フェリニン経路が亢進したネコ型マウスでコレステロール動態を解析中である。トランスジェニックマウスを作成し、順調に表現型を解析できている。また関連する論文も投稿できた(査読中)。IDIを高発現するトランスジェニックマウスの表現型を解析する。食の欧米化でメタボリック症候群が深刻な問題になっている日本人とは対照的に、完全肉食動物のネコは、肉ばかり食べ続けても高脂血症にならず健康を維持できる。我々は、ネコが進化の過程で高脂肪食に適した代謝機構を獲得したと考えて研究を始め、コレステロール生合成を開始するメバロン酸経路の下流にこれまで知られていなかった分岐経路が存在し、コレステロール生合成を抑制していることを解明した。分岐経路は、ネコでのみ生理的に亢進していたが、ヒトでも僅かに機能していた。本年度は、分岐経路の全容解明と創薬応用を目指し、分岐経路がネコでのみ生理的に亢進する分子機構の解明とヒトが分岐経路を亢進したら高脂肪食耐性を獲得できるか遺伝子改変動物での検証を行った。まずネコに高脂肪食と低脂肪食を与えたときに血中コレステロール値と尿中フェリニン排泄量がどのように変動するか調べた。その結果、高脂肪食を与えたときは、血中コレステロール値も尿中フェリニン排泄量も変動しないことが分かった。一方、低脂肪食を与えると、血中コレステロール値と尿中フェリニン排泄量の両方が減少することが分かった。この結果、脂肪摂取量がフェリニン経路に関係していることが分かった。フェリニン経路を亢進させたトランスジェニックマウス作成を目指した。マウスIDIの上流にCAGプロモーターを付けてトランスポゾンでマウス受精卵に遺伝子導入を試みた。現在、F1マウスを解析中でIDI高発現でフェリニン経路が亢進するか、尿中代謝物の解析などを行っている。予定通りネコでの代謝試験とトランスジェニックマウス作成に取り組むことができ、関連する論文も発表できた。

また関連する論文も投稿できた(査読中)。IDIを高発現するトランスジェニックマウスの表現型を解析する。・DMAPP脱リン酸化酵素を同定し、反応速度論的解析を行い、分岐経路とコレステロール生合成経路の競合反応の分子機構を解明する。
泥炭地の地盤沈下実態とそのメカニズム解明に関する研究

本研究は,泥炭地の広域的な沈下状況を明らかにし,泥炭地の開発利用以来の沈下の経過,沈下の要因とその発生メカニズム,今後の変動量予測等を行うことを目的として実施した.特に北海道・石狩川下流低平地に分布する泥炭地を主たる研究対象とし,過去の地盤標高資料の収集と,泥炭地盤に関する現地調査の実施,沈下発生要因の検討などを行ってきた.結果の概要を以下に記す.1.北海道開発局や篠津中央土地改良区の協力を得ながら,過去の各種事業の際におこされた図面類等の収集をすすめ,昭和30年代初頭以降の泥炭地の地盤標高情報を大量に見いだすことができた.これら資料をもとに,GISの手法を用いながら,各年代別の地盤標高資料として整理した.またあわせて泥炭の性状や構成植物,土地利用や排水履歴と沈下の関係などについても検討した.2.その結果,農地として開発利用が進んでいる石狩川下流低平地の篠津泥炭地では,沈下量は場所によって大きなばらつきがあり,1956年から1996年の40年間で,平均0.4m,最大2.9mの沈下が発生していた.沈下には泥炭の自然含水比,有機物含有量,分解度等の物理的性質が影響していた.泥炭層厚,客土層厚,土地利用履歴と地盤高変化量の間には明確な関係は見いだせなかった.3.石狩管内当別町石狩金沢地区に,泥炭地の層別地盤挙動を連続的にモニタリングする観測点を設置し,層別の地盤変動挙動を精密に捉えた.地盤変動は地下水位変動や降雪などと密接に連動していることが明らかになった.泥炭地盤の変動発生メカニズムを詳細に明らかにするためには,なお長期にわたる観測が必要であるが,その足がかりを確立することが出来た.4.検討地域における地盤沈下は沈静化の傾向にあるものの,今後も長期にわたり継続して沈下することが示唆された.本研究は,泥炭地の広域的な沈下状況を明らかにし,泥炭地の開発利用以来の沈下の経過,沈下の要因とその発生メカニズム,今後の変動量予測等を行うことを目的として実施した.特に北海道・石狩川下流低平地に分布する泥炭地を主たる研究対象とし,過去の地盤標高資料の収集と,泥炭地盤に関する現地調査の実施,沈下発生要因の検討などを行ってきた.結果の概要を以下に記す.1.北海道開発局や篠津中央土地改良区の協力を得ながら,過去の各種事業の際におこされた図面類等の収集をすすめ,昭和30年代初頭以降の泥炭地の地盤標高情報を大量に見いだすことができた.これら資料をもとに,GISの手法を用いながら,各年代別の地盤標高資料として整理した.またあわせて泥炭の性状や構成植物,土地利用や排水履歴と沈下の関係などについても検討した.2.その結果,農地として開発利用が進んでいる石狩川下流低平地の篠津泥炭地では,沈下量は場所によって大きなばらつきがあり,1956年から1996年の40年間で,平均0.4m,最大2.9mの沈下が発生していた.沈下には泥炭の自然含水比,有機物含有量,分解度等の物理的性質が影響していた.泥炭層厚,客土層厚,土地利用履歴と地盤高変化量の間には明確な関係は見いだせなかった.3.石狩管内当別町石狩金沢地区に,泥炭地の層別地盤挙動を連続的にモニタリングする観測点を設置し,層別の地盤変動挙動を精密に捉えた.地盤変動は地下水位変動や降雪などと密接に連動していることが明らかになった.泥炭地盤の変動発生メカニズムを詳細に明らかにするためには,なお長期にわたる観測が必要であるが,その足がかりを確立することが出来た.4.検討地域における地盤沈下は沈静化の傾向にあるものの,今後も長期にわたり継続して沈下することが示唆された.本研究は、泥炭地の広域的な沈下状況を明らかにし、泥炭地の開発利用以来の沈下の経過、沈下の要因とその発生メカニズム、今後の変動量予測等を行うことを目的としている。特に北海道・石狩川下流低平地に分布する泥炭地を主たる研究対象とし、過去の地盤標高資料の収集と、現地盤標高に関する測量の実施、沈下発生要因の検討などを今年度行ってきた。1.北海道内の低平部に分布する泥炭地のうち、特に農地として開発利用が進んでいる石狩川下流低平地の篠津泥炭地を主たる研究対象として選定した。2.北海道開発局や篠津中央土地改良区の協力を得ながら、特に過去の各種事業の際におこされた図面類等の収集をすすめた。その結果、昭和30年代初頭以降の泥炭地の地盤標高情報を大量に見いだすことができた。現在、これら資料をもとに、GISの手法を用いながら、各年代別の地盤標高資料として整理しつつある。またあわせて泥炭の構成植物、土地利用や排水履歴と沈下の関係などについても検討を進めている。3.石狩館内当別町石狩金沢地区に、泥炭地の層別地盤挙動を連続的にモニタリングする観測点を設置した。観測を始めてまだ間もないが、これまでのところ、層別の地盤変動挙動を精密に捉えることに成功した。地盤変動は降雪などと密接に関連しながら変動していることが明らかになりつつある。また同時に地下水位、積雪深、地温等の観測も行っている。これら観測結果の解析により、泥炭地盤の変動発生メカニズムを明らかにすることが期待される。

本研究は,泥炭地の広域的な沈下状況を明らかにし,泥炭地の開発利用以来の沈下の経過,沈下の要因とその発生メカニズム,今後の変動量予測等を行うことを目的として実施した.特に北海道・石狩川下流低平地に分布する泥炭地を主たる研究対象とし,過去の地盤標高資料の収集と,泥炭地盤に関する現地調査の実施,沈下発生要因の検討などを行ってきた.結果の概要を以下に記す.1.北海道開発局や篠津中央土地改良区の協力を得ながら,過去の各種事業の際におこされた図面類等の収集をすすめ,昭和30年代初頭以降の泥炭地の地盤標高情報を大量に見いだすことができた.これら資料をもとに,GISの手法を用いながら,各年代別の地盤標高資料として整理した.またあわせて泥炭の性状や構成植物,土地利用や排水履歴と沈下の関係などについても検討した.2.その結果,農地として開発利用が進んでいる石狩川下流低平地の篠津泥炭地では,沈下量は場所によって大きなばらつきがあり,1956年から1996年の40年間で,平均0.4m,最大2.9mの沈下が発生していた.沈下には泥炭の自然含水比,有機物含有量,分解度等の物理的性質が影響していた.泥炭層厚,客土層厚,土地利用履歴と地盤高変化量の間には明確な関係は見いだせなかった.3.石狩管内当別町石狩金沢地区に,泥炭地の層別地盤挙動を連続的にモニタリングする観測点を設置し,層別の地盤変動挙動を精密に捉えることに成功した.地盤変動は地下水位変動や降雪などと密接に連動していることが明らかになった.泥炭地盤の変動発生メカニズムを詳細に明らかにするためには,なお長期にわたる観測が必要であるが,その足がかりを確立することが出来た.4.検討地域における地盤沈下は沈静化の傾向にあるものの,今後も長期にわたり継続して沈下することが示唆された.
超臨界流体を対象とする膜分離法の開発

超臨界流体の膜分離に使用する無機分離膜を、多孔性アルミナ管の表面にゾル・ゲル法によってシリカの薄膜を担持させることによって作製した。シリカコロイドの粒径を制御するこにより数nm以下の比較的シャープな細孔分布を持つ多孔性シリカ薄膜の作製も簡単に行えることが判明した。エタノール系混合物の浸透気化法による分離に使用したところ、分離性能および膜の安定性において極めて良好な結果が得られた。次いで多孔性シリカ分離膜の性能を超臨界二酸化炭素(SCCO_2)の単一成分系あるいはポリエチレングライコール(PEG)またはトリオレインの二成分系について調べた。SCCO_2の透過速度、すなわちモル透過流束を膜間差圧で割った値は、亜臨界温度あるいは臨界温度以上の一定温度の条件において圧力の増加と共に増加し、臨界圧近傍において最大値に達したのち減少し、高圧域においてはほぼ一定の値となった。ただし、透過速度のピークの現出は、膜の平均細孔径が小さくなる程、また温度が高くなる程不明瞭となった。このような透過速度の圧力依存性は、圧力増加に伴う超臨界二酸化炭素の動粘度の減少と膜細孔内における凝縮現象に関係しているものと推定された。このような透過速度の挙動は、ポリイミド限外ろ過膜の表面に架橋シリコンの薄膜を複合化させた有機ガス分離膜についても同様に観測された。SCCO_2/PEG400の二成分系の場合、臨界温度および臨界圧力以上の条件においてSC-CO_2の透過速度は、単一成分系の場合より小さくなり、減少の程度は液体の膜分離の場合同様に溶質濃度の増加と共に大きくなった。平均細孔径が約1.5nmの多孔性シリカ膜の場合は温度、圧力および溶質濃度が一定の条件において、阻止率は膜間差圧の増加と共に負から正へと変化した。平均細孔径が0.6nm程度の膜の場合にはPEG400の阻止率は0.8程度となり、膜分離の可能性を示す実験結果が得られた。超臨界流体中で使用する無機多孔質膜に関しては、ゾル-ゲル法の製膜において、無機コロイド径の制御とコ-ティング法の工夫によって無機多孔性膜の分離性能の制御が可能であることを見出した。また、無機多孔性膜の応用を検討するため、約1015オングストロ-ムの細孔径を持つ多孔性シリカ膜を作成し、これによってエタノ-ル/ベンゼン、エタノ-ル/シクロヘキサン混合物の分離が可能であることを見出した。無機多孔質膜の超臨界流体中における性能評価の実験は、平成4年度に入ってから行えるようになったため、現時点において報告すべき研究実績は得られていない。これは実験に必要となる小型テストモジュ-ルの製作が、膜間差圧を保持するためのシ-ル法の検討に月日を要したために遅れたからである。その間に、有機ガス分離膜を用いて超臨界流体の膜透過の実験を行った。用いた膜はポリイミド製の限外濾過膜の緻密層表面にシリコンをコ-ディングした複合膜(日東電工社製NTGS-2100)の平膜(直径7.2cmφ)である。ステンレス製耐圧モジュ-ルの共給側および透過側の圧力を自動圧力弁で保持し、膜間差圧を設定値に保って、温度2060°C、圧力1030MPaの条件において、CO_2の透過流束とポリエチレングライコ-ル(PEG400および600)の阻止率の測定を行い、次の結果を得た。

超臨界二酸化炭素の透過速度は臨界圧近傍でピ-クを示した。ピ-クは温度が低いほど低圧で現れ、しかもシャ-プなピ-クを示した。溶質を溶解させた超臨界二酸化炭素の透過流束は、液の膜透過の場合同様に超臨界二酸化炭素のみの場合よりも小さくなった。PEG400およびPEG600の阻止率は負となり、分子量がより大きいPEG600の阻止率の方が負の程度が大きく、透過し易い結果となった。この結果は、溶質の透過性に対し、シリコン層への溶解性が大きく関係していることをうかがわせた。溶質の阻止率は、透過流束の増加につれ0に近づいた。ケイ酸エチルあるいはケイ酸エチルとジルコニウムテトラブキシドの混合物を適当な溶媒中で縮合重合反応させ、水で希釈後、煮沸することによってコロイドゾルを調製した。コロイドゾルの粒径分布はケイ酸エチル、ジルコニウムテトラブキシドの濃度、反応、煮沸時間に大きく依存し、さらに調製後のエイジングの期間にも依存することが分かった。また、多孔性分離膜の製膜については、粒径、濃度を調整したゲルを約160-180°Cに加熱した多孔性基材に塗布して急速乾燥、焼成する方法が、薄膜化、製膜の簡略化、細孔径制御に極めて有効であることが判明した。この方法により作製した約7Åの無機多孔性膜はアルコール/芳香族炭化水素混合物の分離において高いアルコール選択透過性を示し、さらに、ヘリウム/窒素等の無機ガス混合物の高度分離のための2-3Åの細孔を持つ膜の作製も可能であることが判明した。コロイドの粒径分布の測定にはレーザー粒子径解析システムを有効に利用した。上記の方法によって作製された3種の膜、すなわち推定細孔径が15A^^°、6A^^°およびそれより小さいA,B,Cの膜を用いて超臨界二酸化炭素の透過流束の測定、そして分子量400と600のポリエチレングライコールおよびトリオレインの阻止率の測定を行った。昨年度使用した有機ガス分離用の高分子膜の結果と同様に、超臨界二酸化炭素のモル透過流束は圧力の増加、すなわち動粘度の減少と共に増加し、臨界点近傍で最大値を示したのち、急激に減少し、高圧域ではほぼ一定となった。溶質を溶解すると超臨界二酸化炭素の透過流束は、溶液の膜分離の場合同様に若干低下した。細孔系が15A^^°および6A^^°のセラミック膜の場合、PEG400およびトリオレインの阻止率は、濃度が低く膜間差庄が小さいと0ないしは負の値をとり、溶質濃度、膜間差圧の増加につれ大きくなった。膜Cの場合のPEG400の阻止率は約0.8となり、有効性が示された。
脂肪酸の腸粘膜バリヤー機構の損傷と修復に及ぼす影響に関する実験的・臨床的研究

1.腸上皮細胞(Caco-2細胞)のIL-8産生への脂肪酸の影響2.腸管洗浄液中の蛋白の分析腸管洗浄液の蛋白の分析は、炎症性腸疾患の活動性把握に有用であった。4種の好中球顆粒蛋白(lactoferrin, PMN-elastase, MPO, lysozyme)の中ではlactoferrinが炎症性腸疾患の活動性把握に最も有用であった。腸管洗浄液を遠心上清と沈渣に分けて、上清中濃度/沈渣中濃度の比率を求めた。その結果、活動性の炎症性腸疾患では管腔内への好中球のmigrationは著明に増加するが、管腔内にmigrationした好中球の一部は顆粒を放出していないことが考えられた。3.oxidantの腸上皮細胞(T84細胞)のCl^-分泌に及ぼす影響monochloramine(NH_2Cl)単独ではshort ccircuit current(Isc)に変化はなかった。NH_2Clで30分間刺激後に、carbachol, thapsigargin, PGE_2,cAMPを添加した場合のIscは、NH_2Cl濃度依存性に亢進し、なおかつピークに達したIscの持続時間も延長した。このことからNH_2Clは刺激時Cl^-分泌(Ca^<++>およびcAMP依存性の両者)を増強することが示唆された。そして、その機序はNH_2Clがbasolateral sideに存在するCa-activated K^+channelへ直接的に作用し、そのCa活性化の閾離を低下させることがわかった。腸管洗浄液を遠心し上清と沈渣に分けると、活動性の患者では好中球顆粒蛋白は上清と沈渣のいずれにおいても増加していたが、上清/沈渣比は低下していた。活動性の炎症性腸疾患では管腔内への好中球のmigrationは著明に増加するが、管腔内にmigrationした好中球の一部は顆粒を放出していないことが考えられた。Cl^-分泌をshort ccircuit current(Isc)測定により検討した。NH_2Cl単独ではIscに変化はなかった。NH_2Clで30分間刺激後に、carbachol,thapsigargin,PGE_2,cAMPを添加した場合のIscは、NH_2Cl濃度依存性に亢進し、なおかつピークに達したIscの持続時間も延長した。1.腸上皮細胞(Caco-2細胞)のIL-8産生への脂肪酸の影響2.腸管洗浄液中の蛋白の分析4種の好中球顆粒蛋白(lactoferrin, PMN-elastase, MPO, lysozyme)の中ではlactoforreinが炎症性腸疾患の活動性把握に最も有用であった。3.oxidantの腸上皮細包(T84細胞)のCl分泌に及ぼす影響monochloramine (NH_2Cl)単独ではshort ccircuit current (Isc)に変化はなかった。

NH_2Clで30分間刺激後に、carbachol, thapsigargin, PGE_2, cAMPを添加した場合のIscは、NH_2Cl濃度依存性に冗進し、なおかつピークに達したIscの持続時間も延長した。このことからNH_2Clは刺激時Cl分泌(Ca^<++>およびcAMP依存性の両者)を増強することが示唆された。そして、その機序はNH_2Clがbasolateral sideに存在するCa-activated K^+ channelへ直接的に作用し、そのCa活性化の閾値を低下させることにあることがわかった。
糖転移作用を支配する構造因子の分子解析と応用

多糖などの糖質を加水分解する糖質酵素は、オリゴ糖の製造に利用される(オリゴ糖をヒトが食すると生理機能が向上)。興味深いことに、糖質酵素の種類によりオリゴ糖の生産能が異なり、糖質酵素の構造に起因する現象である。本研究では我々が見出した3つの現象から「オリゴ糖生産性の向上」を目指した。本研究の成果は、1)オリゴ糖生成に関与する構造因子(酵素機能を発揮させる部分構造)を解明、2)オリゴ糖の生産量・種類を制御する理論を形成、3)将来において酵素的オリゴ糖生産のオーダーメイド化を実現可能にする結果取得、である。糖質酵素が触媒する糖転移作用を制御できる新しい現象を3つ見出した。すなわち、1)長鎖オリゴ糖を生産する新規な転移酵素、2)触媒水の結合部位、3)受容体の結合部位、である。本研究の目的は、これらの現象を解析し、転移作用の分子機構を知り、応用研究に結びつけることにある。具体的には、i)それぞれの現象から「糖転移を支配する構造因子(蛋白質の部分構造)」の決定; ii)その機能の機構究明; iii)構造因子を他の酵素に移植; iv)有用な機能の利用、である。糖転移反応の改良・開発は要求が強いため、応用研究への発展を図る。計画は順調に進行しており、次の研究成果を得た。長鎖オリゴ糖の生産酵素:1)酵素遺伝子発現と結晶化:酵素遺伝子を大腸菌の系で発現・酵素精製に成功した。結晶化条件を調査中である。2)拮抗阻害剤の探索:「阻害剤-酵素複合体」の結晶調製のため拮抗阻害剤を探索し、トリスが候補となった。3)自殺基質による触媒残基推定:「基質-触媒残基置換酵素」の結晶作製に必要な触媒残基の推定を自殺基質法で調べた。コンズリトールBエポキシドを酵素に作用させたところ、自殺基質の様式で失活した。本化合物が結合したアミノ酸を決定中である。触媒水の結合部位: 4)結合部位を構築するアミノ酸:デキストラン-グルコシダーゼ(DDase)の触媒水サイトを構築するアミノ酸に変異を導入した。変異酵素の加水分解力は低下したが、転移能力は向上した。受容体の結合部位:5)結合部位の改変(基質切断点の近傍) : DDaseの基質切断点近傍にある受容体結合部位に対し、立体構造情報から置換アミノ酸の候補を決め、置換酵素を作製した。予想どおり親酵素(α-1, 6結合生成能が高い)と異なる転移特異性を示した。加水分解のグルコシド結合認識も変化した。6)結合部位の改変(基質切断点の遠位) : DDaseの立体構造から受容体結合部位の遠位に位置する残基に変異を与え、転移作用を調べた。特異性は変化しなかったが、5)にある近傍への変異との組み合わせで明瞭な効果が発揮されると考えられるので、現在検討中である。具体的には、i)それぞれの現象から「糖転移を支配する構造因子(蛋白質の部分構造)」の決定;ii)その機能の機構究明;iii)構造因子を他の酵素に移植;iv)有用な機能の利用、である。長鎖オリゴ糖の生産酵素:1)酵素の結晶化とX線結晶構造解析:結晶化条件を検討した結果、良好な条件を確定でき、X線構造解析に使用できる結晶を得ることに成功した。立体構造を解析中である。2)構造因子の決定:長鎖オリゴ糖生成に関わる構造因子を相同酵素の立体構造から予想し、アミノ酸変異を導入した。触媒サイトにある芳香族残基の置換で糖転移活性が低下し、親酵素で僅かであった加水分解反応が上昇した。従って本残基が構造因子の1つと推定した。また他の候補として触媒部位から遠位にあるループに対する解析を行っている。触媒水の結合部位:3)小さな構造変化の導入:DDaseの立体構造から候補のアミノ酸を選び変異導入したが、加水分解と転移の両活性が減少した。本置換は触媒サイト内の他の残基にも影響を及ぼすと考えられた。受容体の結合部位:4)応用研究への発展:受容体結合サイトの改変で、生成オリゴ糖の構造を制御できることを示すため検討を行った。

ハナバチ酵素と長鎖オリゴ糖生成酵素では実験を継続中であるが、糸状菌α-グルコシダーゼの受容体結合サイトに対する変異導入で、親酵素が生成しないオリゴ糖の生産が認められた。本オリゴ糖の構造を解析している。糖質酵素が触媒する糖転移作用を制御できる新しい現象を3つ見出した。すなわち、1)長鎖オリゴ糖を生産する新規な転移酵素、2)触媒水の結合部位、3)受容体の結合部位、である。本研究の目的は、これらの現象を解析し、転移作用の分子機構を知り、応用研究に結びつけることにある。具体的には、i)それぞれの現象から「糖転移を支配する構造因子(蛋白質の部分構造)」の決定;ii)その機能の機構究明;iii)構造因子を他の酵素に移植;iv)有用な機能の利用、である。糖転移反応の改良・開発は要求が強いため、応用研究への発展を図る。計画は順調に進行しており、次の研究成果を得た。長鎖オリゴ糖の生産酵素:1)酵素の結晶化とX線結晶構造解析:X線構造解析を行い、立体構造を得ることに成功した。2)構造因子の決定:長鎖オリゴ糖生成に関わる構造因子として予想した触媒サイトから遠位にあるループに対して削除実験を行った。削除体の機能解析から当該ループが長鎖オリゴ糖生成に関与することが認められた。3)構造因子の移植:前項で決定した構造因子(ループ)を通常の加水分解酵素に移植し、糖転移活性を測定した。転移能が約2倍に上昇する結果が得られ移植に成功した。本ループの転移作用に対する強い貢献が明らかになった。触媒水の結合部位:4)他の糖質酵素への応用:他の糖質加水分解酵素について触媒水結合サイトを予想し、変異導入・動的解析を行った。加水分解の減少と転移の増加が観察され、オリゴ糖生産において触媒水結合サイトの変異は有効であると考えられた。受容体の結合部位:5)応用研究への発展:ハナバチ酵素・長鎖オリゴ糖生成酵素・糸状菌α-グルコシダーゼの受容体結合サイトに対する変異導入で、オリゴ糖生産能に変化が認められた。特に糸状菌酵素では転移特異性が変った。本サイトの改変が糖転移作用に与える効果に関し理論構築が可能となった。
集中豪雨のメカニズムと予測に関する研究

1.本研究の目標は観測,データ解析におよび数値モデルの方法を用いて, (1)梅雨前線帯に形成する中間規模低気圧の動的構造と発達機構, (2)低気圧域における中間規模降雨セル群の分布と消長・移動,(3)実態の解析・予測およびその情報伝達のシステム構成,を解明・開発することである.2.(1)本年度は重点を目標(1)に置き,観測によって中間規模低気圧の実態を把握するために, 1987年7月6日から13日にかけて,九州を中心に福江・熊本・足摺・対馬の4地点で6時間毎のラジオゾンデ観測およびレーダ観測を実施した.この期間は梅雨あけの状況になり狙った気象状況は現れなかったが,その前後の期間に12日周期の中間規模低気圧が見られた.そこで,ルーチン観測資料の解析を行ないつつある. (東大海洋研,名大水圏研,京大防災研).九州における高層観測とは別に,北大グループは, 8月末に北海道で独自のレーダ観測を行い,地形性降水を捉えた.現在はその降水機構の解明を行いつつある.(2)数値モデルのグループの中で,大規模スケールの気象擾乱を研究しているグループは,最近10年間の梅雨期間中の若干例について微細格子数値モデルを用いて中間規模低気圧の予報実験を行っている(気象庁数値予報・気象研予報).一方,小規模スケールの気象擾乱を研究しているグループは,積雲対流モデルを作り,集中豪雨に関係する地形性降水や降水の一形態である熱帯のクラウドクラスターの数値実験を行っている(東大海洋研,東大理).3.今後の研究計画:本年度も九州を中心に特別観測を行う.今年度の反省から,観測時間は2週間として,強化観測を通常観測からなるものとする.さらに,来年度の観測で最も充実するのは,レーダ観測である.1.本研究の目標は観測,データ解析におよび数値モデルの方法を用いて, (1)梅雨前線帯に形成する中間規模低気圧の動的構造と発達機構, (2)低気圧域における中間規模降雨セル群の分布と消長・移動, (3)実態の解析・予測およびその情報伝達のシステム構成,を解明・開発することである.2.(1)本年度は重点を目標(1)に置き,観測によって中間規模低気圧の実態を把握するために, 1987年7月6日から13日にかけて,九州を中心に福江・熊本・足摺・対馬の4地点で6時間毎のラジオゾンデ観測およびレーダ観測を実施した.この期間は梅雨あけの状況になり狙った気象状況は現れなかったが,その前後の期間に12日周期の中間規模低気圧が見られた.そこで,ルーチン観測資料の解析を行ないつつある. (東大海洋研,名大水圏研,京大防災研).九州における高層観測とは別に,北大グループは, 8月末に北海道で独自のレーダ観測を行い,地形性降水を捉えた.現在はその降水機構の解明を行いつつある.(2)数値モデルのグループの中で,大規模スケールの気象擾乱を研究しているグループは,最近10年間の梅雨期間中の若干例について微細格子数値モデルを用いて中間規模低気圧の予報実験を行っている(気象庁数値予報・気象研予報).一方,小規模スケールの気象擾乱を研究しているグループは,積雲対流モデルを作り,集中豪雨に関係する地形性降水や降水の一形態である熱帯のクラウドクラスターの数値実験を行っている(東大海洋研,東大理).3.今後の研究計画:本年度も九州を中心に特別観測を行う.今年度の反省から,観測時間は2週間として,強化観測を通常観測からなるものとする.さらに,来年度の観測で最も充実するのは,レーダ観測である.
シオマネキ類の配偶システムの分析

インド・西太平洋の1亜属Deltucaに属すシオマネキの配偶システムを調査した.インド・西太平洋の亜属では,雄と雌の巣穴域は重なり合っているが,雌は巣穴に対する執着性が強く,アメリカ大陸のLlcaの様に雌が交尾前になると放浪を始め,雄の巣穴域へ向い交尾するという習性がない.そのために求愛交尾の機会を増すような雄の行動は何かを明らかにするための調査をした.繁殖期の雄の行動を調べたところ,この時期になると雄は,巣穴域が干出した後,自らの巣穴を捨てコロニー内を動きまわることが明らかになった.雄のこの様な行動で雌と出合う機会が著しく増えた.雌雄選択は繁殖成巧の高い雄に有利に働くので,この様な雄の行動は適応的である.上記の雄の行動は巣穴を持つ雌とのinteractionを増した.これによって巣穴を失った雌はコロニー内を放浪した.アメリカの亜属であるハクセンシオマネキで前回明らかにしたように,この様な雌の行動で雄の巣穴内での交尾に至るが,本種では,巣穴の構造上ペアを収容するようなスペースを持たない等の理由で交尾に至るのは稀であるが,巣穴内での交尾が成立する(アメリカ大陸の亜属)方向への進化が起るきっかけを与える行動を保持しているという点は大変興味がある.この様な配偶システムはDeltucaでは一般的であるかどうか検討するために,他の同亜属のLlcaについて調査を計画したが予備調査の段階で終ってしまった.海外調査研究で,マレーシアのLlca rosea(Deltuca亜属)を調査する機会があって,やはり本種と同様な配偶システムを持つことがわかったので,これは本亜属における普遍的なシステムであると言える.今回は,個体識別をして行動を調べたが調査中の個体が実際に交尾をすることを観察するチャンスが少なかったので,交尾のデータは不十分に終った.今後はこの方面のデータを主にとり,取まとめる予定である.インド・西太平洋の1亜属Deltucaに属すシオマネキの配偶システムを調査した.インド・西太平洋の亜属では,雄と雌の巣穴域は重なり合っているが,雌は巣穴に対する執着性が強く,アメリカ大陸のLlcaの様に雌が交尾前になると放浪を始め,雄の巣穴域へ向い交尾するという習性がない.そのために求愛交尾の機会を増すような雄の行動は何かを明らかにするための調査をした.繁殖期の雄の行動を調べたところ,この時期になると雄は,巣穴域が干出した後,自らの巣穴を捨てコロニー内を動きまわることが明らかになった.雄のこの様な行動で雌と出合う機会が著しく増えた.雌雄選択は繁殖成巧の高い雄に有利に働くので,この様な雄の行動は適応的である.上記の雄の行動は巣穴を持つ雌とのinteractionを増した.これによって巣穴を失った雌はコロニー内を放浪した.アメリカの亜属であるハクセンシオマネキで前回明らかにしたように,この様な雌の行動で雄の巣穴内での交尾に至るが,本種では,巣穴の構造上ペアを収容するようなスペースを持たない等の理由で交尾に至るのは稀であるが,巣穴内での交尾が成立する(アメリカ大陸の亜属)方向への進化が起るきっかけを与える行動を保持しているという点は大変興味がある.この様な配偶システムはDeltucaでは一般的であるかどうか検討するために,他の同亜属のLlcaについて調査を計画したが予備調査の段階で終ってしまった.海外調査研究で,マレーシアのLlca rosea(Deltuca亜属)を調査する機会があって,やはり本種と同様な配偶システムを持つことがわかったので,これは本亜属における普遍的なシステムであると言える.今回は,個体識別をして行動を調べたが調査中の個体が実際に交尾をすることを観察するチャンスが少なかったので,交尾のデータは不十分に終った.今後はこの方面のデータを主にとり,取まとめる予定である.
従属栄養脱窒とAnammoxを組み合わせた都市下水からの窒素除去プロセスの開発

嫌気性アンモニア酸化(Anammox)反応の都市下水処理への適用を目指し、従属栄養脱窒との同時進行(SAD)プロセスによる無加温の効率的な窒素除去方法の開発を目的とする。アナモックス菌は増殖速度が低いため、35°C付近に加温して培養されることが多いが、下水処理への応用のためには、常温で高い窒素除去能力を示すことが望ましい。本研究では、常温で高い活性を示すアナモックス汚泥をPVA(ポリビニルアルコール)ゲルとPEG (ポリエチレングリコール)ゲルによる二種類のゲルで固定化し、アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素を含む模擬廃水を流入させ、20°Cにおける窒素除去リアクター(0.5L)のスタートアップを試みた。PVAによる包括固定化によって細胞の一部が損傷を受けるが、緩やかながら、PVA固定化アナモックスリアクターの良好なリスタートアップに成功した。66日以降後は、アンモニア態窒素:亜硝酸態窒素:硝酸態窒素の反応比は1:1.09:0.14であり、アナモックス反応の典型値1:1.22:0.23に近づいた。PEG固定化アナモックスリアクターは、2週間ほどは良好に窒素が除去されていたが、その後は流入水の濃度とほぼ同じになり、2ヵ月経過しても窒素除去能力は回復しなかった。また、硝酸を亜硝酸に還元するための従属栄養脱窒リアクター(1.5L)のスタートアップを行った。表面付着型のPVAゲルを投入し、下水処理場から採取した活性汚泥を定着させ、酢酸塩と硝酸態窒素を含む模擬下水の処理を実施している。PEG固定化アナモックスリアクターの立ち上げがうまくできず、さらなる時間を要する。PVAに比べるとゲルの耐久性は高いものの、PEGの固定化はアナモックス細菌に大きな細胞損傷を与えることが原因と考えられる。共同研究者の井坂氏の協力により、もう一度PEGによる包括固定化を試みる。立ち上げに成功したPVA包括固定化リアクターは、従属栄養脱窒リアクターと合わせ、研究を進める。下水処理施設では、窒素除去に生物学的硝化-脱窒プロセスを用いているが、硝化槽への多量の曝気エネルギーの供給や、脱窒槽への炭素源の添加といった問題点を抱えている。そこで嫌気性アンモニア酸化(Anaerobic Ammonium Oxidation:Anammox)反応を用いた新たな窒素除去プロセスの開発が進められている。増殖が極めて遅いため、Anammox細菌を35°C付近で集積した既住研究が多いが、都市下水はむしろ低温であり、無加温で窒素が除去できるAnammoxプロセスの開発が望まれる。そこで本研究では、20°C付近で集積された後、冷蔵保存されたAnammox細菌1)を利用し、その低温型リアクターのリスタートアップを試みた。熊本市の下水処理場と北海道の畜産廃水処理場の汚泥に由来する2つのAnammox汚泥を用いた。8ヶ月間、4°Cで保存されたAnammox汚泥を新たな不織布担体に植種し、それぞれを充填した上向流式リアクター1、2を作成した。アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素をそれぞれ20mg/L含む廃水の処理を20°Cにおいて開始した。水理学的滞留時間(hydraulic retention time: HRT)を45時間から10時間まで短縮し、アンモニア態窒素、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素の濃度を測定しながらリアクターのリスタートアップ状況を管理した。リアクター1では、緩やかながら、良好なリスタートアップに成功した。HRTを10時間に設定した73日以降後は、アンモニア態窒素:亜硝酸態窒素:硝酸態窒素の反応比は、Anammox反応の典値に近づいた。リアクター2の窒素の除去率は、60日目までは良好に維持されていた。しかし、リタクター内の水が全量漏出する62日目のアクシデントから、亜硝酸態窒素の除去率が低下し、アンモニア態窒素の除去も不安定になった。その反応比も典型値とは遠い結果となった。92日からはHRTを20時間に戻したが、105日目時点でも、窒素除去率は回復しなかった。リタクター内の水が全量漏出する62日目のアクシデントから、亜硝酸態窒素の除去率が低下し、アンモニア態窒素の除去も不安定になった。

PEG固定化アナモックスリアクターは、2週間ほどは良好に窒素が除去されていたが、その後は流入水の濃度とほぼ同じになり、2ヵ月経過しても窒素除去能力は回復しなかった。また、硝酸を亜硝酸に還元するための従属栄養脱窒リアクター(1.5L)のスタートアップを行った。表面付着型のPVAゲルを投入し、下水処理場から採取した活性汚泥を定着させ、酢酸塩と硝酸態窒素を含む模擬下水の処理を実施している。PEG固定化アナモックスリアクターの立ち上げがうまくできず、さらなる時間を要する。PVAに比べるとゲルの耐久性は高いものの、PEGの固定化はアナモックス細菌に大きな細胞損傷を与えることが原因と考えられる。リタクターのアクシデント後、負荷を下げて処理能力の回復の傾向が見られている。共同研究者の井坂氏の協力により、もう一度PEGによる包括固定化を試みる。立ち上げに成功したPVA包括固定化リアクターは、従属栄養脱窒リアクターと合わせ、研究を進める。
熱による岩石の風化過程に関する基礎的研究

本研究では,物性の異なる4種類の岩石を対象に野外でひずみ変化を観測し,岩石の熱風化の可能性を探ることを目的としている。当初,観測は1994年7月から始める計画であったが,試料の採取や試料の物性値測定などに手間取ったことと,観測期間を2年間に延長したため,12月からの開始となった。このため,研究の完了は1996年冬以降にずれ込む見通しとなった。今年度これまでに行ってきた結果は,以下のようにまとめられる。1.実験に用いた岩石試料は花崗岩,硬質砂岩,凝灰質砂岩,凝灰岩の4種類である。花崗岩は加波山産で真壁町の石材店,硬質砂岩は笹野層産で八王子市の採石場,凝灰質砂岩は稲子沢層産で鋸南町の採石場,凝灰岩はつくば市内の石材取扱店からそれぞれ調達した。2.これら試料の強度を調べるため,圧縮試験と引張試験を筑波大学で実施した。その結果,圧縮強度,引張強度はそれぞれ花崗岩が,1199kgf/cm^2,84kgf/cm^2,硬質砂岩が2163kgf/cm^2,248kgf/cm^2,凝灰質砂岩が153kgf/cm^2,14kgf/cm^2,凝灰岩が97kgf/cm^2,17kgf/cm^2であった。3.一方,各岩石について観測用試料(高さ5cm,直径5cm)を作製して5種類の溶液(H_2O,Na_2SO_4,MgSO_4,Na_2CO_3,CaSO_4)を含浸させ,自然乾燥後それぞれの試料にごとに弾性波速度を測定した。溶液による弾性波速度の違いは,顕著には認められなかった。4.溶液を含浸させた試料は,表面にひずみゲージと熱電対を貼り付けて日本大学文理学部7号館(東京都世田谷区)の屋上に設置し,リモートスキャナーを用いて1時間間隔でデータを観測した。試料の風化条件は,a)日射だけを受ける条件,b)日射と湿度変化を受ける条件,c)日射,降水,風の変化を受ける条件の3タイプである。なお,ひずみと温度の観測期間中は,同時に日射量・降水量・気温・湿度の気象観測と1カ月ごとに降水のpHの測定を行った。5.1995年12月からの観測の結果,a)の条件の試料には温度変化に対応したひずみ変化が認められた。また,b)の条件の試料では表面に塩類の析出が生じた。c)の条件の試料のうち凝灰岩の試料では,直径3mm程度のピットが表面に生じた。b),c)の条件の試料におけるひずみ変化はa)とほぼ同様であるが,物性値には何らかの変化が生じていると推測される。
ソフトウェアの論理回路化による知的財産保護に関する研究

平成30年度は,引き続き目標(1)保護レベルの定量化,(2)論理回路化する部分の選択手法,(3)実装を考慮した保護手法,を遂行した.目標(1)と(2)を達成するには,まずソフトウェアを適切な中間形式で表現する必要がある.平成29年度には中間形式としてLLVM IRを検討し,Obfuscator LLVM (oLLVM),C backend (CBE),高位合成ツール(HLS)を併用したが,生成された回路の性能・コスト面のオーバヘッドが大きいことが分かった.平成30年度は,上記手法の改善と定量的評価を試みた.平成29年度はHLSにXilinx Vivado HLSを用いたため,oLLVMで難読化したLLVM IRからCBEでC言語記述を生成する必要があった.これによりオーバヘッドが発生したと推測される.一方,オープンソースHLSのLegUpはoLLVMの出力(IR)から論理回路を生成することができる.実験の結果,LegUpはVivado HLSより多くのケースで回路生成に成功したが,Vivado HLSより回路規模が増大することがわかった(1.11.7倍).本成果は電気学会論文誌で出版された.平成30年度は,目標(3)についても検討を進めた.上に述べた通り,難読化ソフトウェアをハードウェア(周辺回路)として実装することは可能である.しかしソフトウェアの柔軟性(変更の容易性)を損なわないために,FPGA等の再構成可能論理デバイスを利用し,システム稼働中に論理回路を再構成する必要がある(動的再構成).筆者はかねてから動的再構成技術を研究しており,難読化論理回路を周辺回路として動的再構成することも可能である.本手法は未だ完成に至っていないが,途中結果が電気学会論文誌で出版された.平成28年度計画では,(1)保護レベルの定量化,(2)論理回路化する部分の選択手法,(3)実装を考慮した保護手法,が研究項目となっている.保護レベルの定量化については,まずソフトウェアの評価手法から検討する必要がある.調査の結果LLVMを評価基盤として採用し,C言語ソフトウェアを中間形式IRに変形してから,IRを難読化するプログラム(A)とIRの複雑度を評価するプログラム(B)を作成することにした.プログラム(A)はIRを入力しIRを出力するため,LLVMではPathと呼ばれるプログラムになる.LLVMを採用することにより,Cコンパイラの基盤に難読化パスを組み込むことが可能になり,実行時の動的プロファイル収集や実行速度評価も可能になる.また,High Level Synthesis (HLS)を利用して,C言語からハードウェアを生成して論理規模と性能の評価をすることもできる.プログラム(A)(B)は現在も開発中である.実装を考慮した保護手法については,実装基盤としてXilinx HLSを採用することとし,難読化前のC言語プログラムの一部をハードウェア(周辺回路)として実装する手法を試みた.PLC命令列をC言語プログラムに変換し,HLSで周辺回路のハードウェアを生成してから,ARMプロセッサ搭載のFPGA上に実装・評価した.その結果,上記の方法でハードウェアが動作することが確認され,ハードウェア量と速度の評価結果が得られた.ただし周辺回路とのデータ転送が性能ボトルネックとなるため,周辺回路による実行は,ARMプロセッサによるソフトウェア実行に比べて450倍の実行時間を要することが判明した.本成果は国際会議ISIE 2017に採録され,29年度6月に発表予定である.目標(1)保護レベルの定量化と目標(2)論理回路化する部分の選択手法については,研究実績の概要欄で述べた通り,実現手法の検討を終わりプログラム(A)(B)を開発中であるので,一定の進捗はあったといえる.しかし未だ定量的結果を発表するには至っていないので,平成29年度に開発を推進し,定量的評価結果を得る必要がある.目標(3)実装を考慮した保護手法については,PLCプログラムをハードウェア化してFPGA上の周辺回路として実装することができた.実際に性能を測定した結果,周辺回路の性能はARMプロセッサによるソフトウェア実行の10倍であるが,周辺回路にデータを送り結果を回収するオーバヘッドにより,ARMプロセッサ上でのソフトウェア実行の450倍の実行時間を要することがわかった.これらの評価は,SW/HW協調難読化を実現するための基礎的実験・評価の結果であるから,目標(3)は当初予定(手法の検討)以上の進捗(試験的実装評価)を達成したといえる.以上の点からみて,目標(1)(2)は予定より遅れ気味であるが進捗があり,目標(3)は予定以上の進捗があったといえる.総合的には,概ね予定通りの進捗であるといえる.昨年度は,目標(1)保護レベルの定量化,(2)論理回路化する部分の選択手法,(3)実装を考慮した保護手法,を遂行した.特に目標(3)の成果の一部は国際会議IEEEISIE 2017に採録され,平成29年6月にエジンバラで発表した.平成29年度は,目標(1)と(2)を推進するため,LLVMの中間形式IRを難読化するプログラム(A)とIRの複雑度を評価するプログラム(B)について検討した.まず既存手法との比較,また開発労力削減のため,利用可能な既存プログラムを調査した.プログラム(A)については,Obfuscator LLVM (oLLVM)を本研究の枠組みで試験評価し,本研究に利用可能であるか検討した.その結果,oLLVMでソフトウェアおよびハードウェアの難読化が可能であるが,性能・コスト面のオーバヘッドが大きいことが分かった.