hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
クリーン地殻エネルギー抽出法の設計基礎論-フラクタル破壊力学の構築とその応用-

研究目的を達成するために,3つの課題(1)マルチクラックキャラクタリゼーション(AO1班),(2)マルチクラック貯留層制御(AO2班),(3)地殻熱水流動と岩石変質メカニズム(AO3班)を研究の柱として選定した。総括班ではAO1-AO3班の研究成果に基づく熱抽出シミュレーション法の開発に関する研究班横断ワーキンググループを発足させ重点的共同研究を実施した。これにより,マルチクラック型の貯留層からの抽熱性能を予測するための基礎を構築することができた。本研究領域は我が国の他の地熱開発プロジェクトであるNEDOの肘折フィールドならびに電力中央研究所の雄勝フィールドにおける高温岩体プロジェクトとも連携をとりながら研究を進めてきた。また,支援研究として科研費国際学術研究によりイギリス(ロンドン大学,Meredith教授),ならびにドイツ(ルール大学,Rummel教授)との国際共同研究を実施し,特にフラクタルと破壊,およびボアホールデータに基づくマルチクラックキャラクタリゼーションに関する共同研究を行った。本総括班においては,年度毎の成果報告会と総括班会議の開催に加えて,研究成果の公表を目的とした公開シンポジュウムならびに公開ワークショップを開催した。平成5年11月16日には,「理学と工学分野におけるフラクタルに関するシンポジウム」を開催した。シンポジウムでは,以下の5名の講演(内外国人講演者3名)を受けフラクタルの基礎的考え方に関する討論を行った。平成6年11月1日には「フラクタル破壊力学に関するシンポジウム」を開催し、4名の招聘講師による講演会を行い,岩石破壊に観察されるフラクタル性,およびこの観察結果を用いた破壊現象のモデル化に関する討論を行った。平成7年11月1日には「クリーン地殻エネルギー抽出法の設計基礎論」を行い、11名の本研究メンバーを講師とする研究成果の公表を行った。計3回の成果報告と公開シンポジュウムの内容はそれぞれ成果報告書ならびにプロシ-ディングとして印刷されている。また,研究班およびワーキンググ-ルプ活動の有機的連携を促進させるために,ニュースレターを定期的に発行することにより,研究成果を速報するとともに各実験フィールドで得られたデータの共有化を図った。ニュースレターの総発刊数は10号であった。本研究は、地殻エネルギーの利用を目的に、フラクタル幾何学を適用し地下断裂群を特長づける手法を開拓、さらにこれを基にしたマルチクラックの力学モデルを構築することにより、新しい地熱貯留層設計法を開発するものである。1.マルチクラックキャラクタリゼーション(A01班)2.マルチクラック貯留層制御(A02班)3.地殻熱水流動と岩石変質メカニズム(A03班)の3つの研究課題を選定し3班構成で研究をスタートさせている。平成5年7月12日13日には研究領域全体の会合を開催した。研究領域における緊密な共同研究の推進に関して議論し、(A)3次元マルチクラックキャラクタリゼーションWG (B)熱抽出設計技術WGの2つの研究班横断ワーキンググループを発足させ重点的共同研究を実施することにした。本総括班においては、研究班およびワーキンググループ活動の有機的連携を促進させるために、情報ネットワークを整備し、各実験フィールドで得られたデータ、数値解析結果等の共有化を進め、またニュースレターを2回発行し、研究成果の速報化を計っている。

平成5年11月16日には、本研究プロジェクトの基礎を確立することを目的とし、Symposium on Fractals in Science and Technology(理学と工学分野におけるフラクタルに関するシンポジウム)を開催した。シンポジウムでは、以下の5名の講演(内外国人講演者3名)を受けフラクタルの基礎的考え方に関する討論を行った。講演者と話題は:(a)フラクタル科学(H.E.Stanley)(b)フラクタルとユニバーサリティクラス(高安秀樹)(c)機械工学におけるフラクタ(H.J.Herrmann)(d)フラクタル破壊力学(P.G.Meredith)(e)フラクタルに関する実験的アプローチ(松下貢)平成6年1月18日、19日には平成5年度の成果報告会を開催し、あわせて総括班の今後の進め方を討論した。本研究は、深部地殻エネルギーの工学的利用を目的に、フラクタル幾何学を適用し地下断裂群を特長づける手法を開拓、さらにこれを基にしたマルチクラックの力学モデルを構築することにより熱抽出の設計基礎技術を構築することにある。研究目的を達成するために、次下の3つの研究課題を選定し3班構成で研究が行われている。1.マルチクラックキャラクタリゼーション(A01班)、2.マルチクラック貯留層制御(A02班)、3.地殻熱水流動と岩石変質メカニズム(A03班)特に、熱抽出設計技術に関する研究班横断ワーキンググループを発足させ重点的共同研究を実施している。研究班およびワーキンググループ活動の有機的連携を促進させるために、情報ネットワークを整備し、各実験フィールドで得られたデータ、数値解析結果等の共有化を図ることを進めている。また、ニュースレターを年4回発行し、研究成果を速報している。平成6年11月1日(火)には平成6年度の公開シンポジウムとして「フラクタル破壊力学に関するシンポジウム」を行った。4名の招聘講師による講演会を行い、岩石破壊に観察されるフラクタル性、およびこの観察結果を用いた破壊現象のモデル化に関する討論を行った。加えて翌日の11月2日には研究メンバーの報告を主体とした「岩石き裂のフラクタルキャラクタリゼーションに関するワークショップ」を開催し、地下断裂系のフラクタル表現に焦点をあてた討論を行った。公開シンポジウムの講演者と話題は:(1)「臨界状態にある地殻のクラックシール、局所ダイラタンシー、メカニカルグレイン」P.G.Meredith、ロンドン大学(UCL)(2)「岩石ジョイントの新しいせん断強度基準」P.H.S.W.Kulatilake、アリゾナ大学(3)「飽和含水状態にある岩石の空隙とき裂の表面電気伝導およびフラクタル特性」P.W.J.Glover、ロンドン大学(UCL)(4)「HWR地熱貯留層形成に及ぼすき裂ネットワークのフラクタル次元の影響」
Ischemic preconditioningによる肝虚血再潅流傷害の改善

【背景】犬の心筋では短時間虚血の前処置により心筋壊死縮小効果が得られ、MurryらによりIschemic preconditioningと名付けられた(Circulation 1986)が、メカニズムとしては一定の見解は得られていない。肝におけるIschemic preconditioning効果については、ラット肝温虚血・再灌流モデルで我々が世界で始めて発見し、既に学会報告を行っている(第31回日本移植学会総会1995年9月、京都)。【目的】ラットの肝虚血・再灌流モデルを用いて、肝におけるIschemic preconditioning効果のメカニズムを明らかにするとともに、冷虚血を施す肝移植モデルにおいても同様の効果が存在するかどうか検討する。【結果】1)肝内ATPの変化心筋Iischemic preconditioningによりCa^<2+>チャネルが閉鎖し、細胞内Ca^<2+>濃度が低下する。これにより心筋収縮力が減弱することで虚血中の細胞内ATPの枯渇を防ぎ心筋保護作用をもたらす可能性が示唆されている。我々の肝温虚血モデルにおいてIschemic preconditioningをかけた場合、再灌流120分後のATP増加率に有意な改善効果が得られた(78±13% versus 61±11%,p<0.05)。虚血肝の再灌流初期に肝内へCa^<2+>が流入することがこれまで知られており、その多寡が肝傷害と正の相関を示すことから、ATP改善効果はIschemic preconditioningの肝保護作用の一因を担っているものと推測された。2)ラット肝移植モデルを用いたIschemic preconditioning効果の確認ラット肝に10分間のIschemic preconditioningを施し、臨床移植で使用されている臓器保存液であるUW液にそれぞれ1、12、24時間、4°Cで冷保存し同所性に移植した。再灌流後の血清中AST、ALTに有意な改善効果は認められず、また生存率にも差は認めなかった。さらに、肝組織所見においても変化は認められなかった。以上の結果から、我々の肝移植モデルにおいてはIschemic preconditioningによる肝保護効果は認められなかった。【総括】現在、多数の施設でIschemic preconditioning効果のメカニズム解明に関する研究がなされており、特に心臓移植の分野では近い将来種々の形での臨床応用が期待されている。肝におけるIschemic preconditioningに関する研究は未だその現象を捉えたにとどまっており、十分なメカニズム解明に至っていないのが現状である.本研究ではIschemic preconditioning後の肝組織中におけるATPの変化がその効果発現に大きく関与していることが示唆されたが、さらなるメカニズムについては解明するに至らなかった。Ischemic preconditioningは肝切除の手術操作を変革する可能性を秘めている。今後、さらに詳細なメカニズムについて検討を重ねていくことが肝要と思われる。

Ischemic preconditioningは肝切除の手術操作を変革する可能性を秘めている。今後、さらに詳細なメカニズムについて検討を重ねていくことが肝要と思われる。ラットの40分温虚血・再潅流モデルを用い、1)コントロール群、2)10分のIschemic preconditioning群にて再潅流2時間後の血中(各n=10)及び肝組織内Ca濃度を測定した(各n=7,6)。30分温虚血後に肝移植を行い、Ischemic preconditioningの有無による再潅流2時間後の肝機能の変化を観察した。1)コントロール群(n=9)、2)10分のIschemic preconditioning群(n=5)コントロール群のAST3,711【.+-。】991IU/L、ALT4,298【.+-。】1,355IU/Lに対し、Ischemic preconditioning群ではAST2,569【.+-。】772IIU/L、ALT2,888【.+-。】1,427U/Lと、ASTは有意(p<0.05)に減少していた。雄性Wistar ratをpreconditioning群では10分間の肝2/3血流遮断それに続く10分間の血流再開(Ischemic preconditioning)、またcontrol群ではIschemic preconditioningなし、の2群に分け、それぞれ40分間の長時間温虚血を加えた。血流再開120分後の以下のパラメーターを比較検討したところ、preconditioning群において(1)ALT、LDHが有意に低下、(2)胆汁産生量が有意に増加、(3)energy statusが有意に改善した。また長時間虚血後24時間において肝組織所見におけるnecrosis rateが有意に減少していた。以上の結果より、rat肝においてIschemic preconditioningを施すことにより、長時間温虚血に対する虚血・再灌流傷害の改善が得られることが判明した。
ウニにステロイドホルモン合成・代謝機構はあるのか？

ウニの生殖巣肥大にステロイドホルモンが関与しているか解明するために、生殖巣が小さいキタムラサキウニに給餌し生殖巣を人為的に肥大させた。給餌開始前後のウニから生殖巣を摘出し、次世代シークエンス解析によりトランスクリプトーム解析を行い、22種類の核内受容体および21種類のP450を同定した。脊椎動物に見られるステロイドホルモンをリガンドとする核内受容体は認められなかった。一方、脊椎動物においてステロイドホルモンの合成に必須のP450と相同性を持つP450遺伝子は認められなかった。さらに、生殖巣ではEcR/FXRが認められたことからウニ特有のステロイドホルモンを合成・代謝している可能性が示された。ウニ生殖巣にステロイド合成・代謝機構が存在するか解析するために、放卵・放精後のキタムラサキウニを用いて、2ヶ月間コンブを与えウニ生殖巣を肥大させ、ウニ主要卵黄タンパク質の合成を促進させた。給餌後には栄養細胞で満たされた生殖巣が組織学的解析により確認された。また、給餌後にはMYPのタンパク質およびmRNAレベルは給餌前に比べ顕著に増大していた。これらの生殖巣を用いてRNAを抽出し次世代シークエンス解析によりESTライブラリーを作製した。作製したESTライブラリーからステロイドホルモン合成・代謝に関与する、CYP、STAR、核内受容体のホモログを探索した。その結果、1種類のSTAR、14種類の核内受容体、24種類のCYPとの相同性遺伝子がESTライブラリーから探索された。このことから、ウニ生殖巣ではステロイドホルモンを合成している可能性が示された。さらに、これまでの知見としてMYPのプロモーター領域に核内受容体結合様配列が存在することが知られていることから、給餌後に発現が増大したMYPは核内受容体を介して合成されている可能性も示唆された。ウニ生殖巣の肥大に伴い、どのような遺伝子群、特にステロイドホルモン合成・代謝機構およびそれらをリガンドとする核内受容体について、礒焼けウニにコンブを給餌し人為的に肥大させた後に、次世代シークエンス解析を行った結果、いくつかの核内受容体および薬物代謝酵素であるP450遺伝子群、コレステロール輸送タンパク質遺伝子群が増大することが明らかになった。本年度はウニ生殖巣の肥大に伴い発現量が増大する遺伝子群のうち核内受容体cDNAのクローニングを行った。また、ウニ生殖巣の肥大に伴い主要卵黄タンパク質(MYP)がウニ生殖巣で発現しタンパク質として蓄積されることが知られていたが、ウニ生殖巣で合成されるMYPの一次構造は明らかにされていなかった。そのため、ウニ生殖巣で合成されるMYPの一次構造を明らかにするため上記の給餌実験で肥大させたウニ生殖巣からMYPcDNAの全長クローニングを実施した。1.生殖巣栄養細胞で発現しているMYPcDNAの全長クローニングを行い、完全長cDNAのクローニングを終了した。2.核内受容体である、COUP-TFおよびRARβcDNAの全長クローニングを行い、各定量系(qPCR法)を確立し、各組織での発現量を定量し、両核内受容体は各器官で発現していることを確認した。また、MYPの発現量と相関して発現するかを確認したところ、COUP-TFはMYPの発現と相関が認められたが、RARβは相関が認められなかった。3.ステロイド合成・代謝の律速タンパク質であるStAR-likecDNAのクローニングを行ったが、完全長はクローニングできなかった。ウニの生殖巣肥大にステロイドホルモンが関与しているか解明するために、低品質な生殖巣を持つウニにコンブを5カ月間給餌し、給餌後に生殖巣を摘出した。摘出した生殖巣からRNAを精製し、次世代シークエンス解析を行い、ウニ生殖巣に発現している22種類の核内受容体およびステロイド合成に必要なP450遺伝子をトランスクリプトーム解析により同定した。同定した核内受容体のアミノ酸配列を既知のデータベースにより相同性検索を行った結果、脊椎動物に見られるステロイドホルモンをリガンドとする核内受容体(エストロゲン受容体、アンドロゲン受容体)は認められなかった。しかし、エストロゲン関連受容体であるERRと相同性を持つ核内受容体が認められた。また、22種類の核内受容体の内、ウニ生殖巣の肥大に伴いCOUP-TF、HNF4、EcR/FXR、LXRなどの8種類の核内受容体の発現量が増加し、その内、4種類の核内受容体がウニ生殖巣の発達時に主要卵黄タンパク質(MYP)の発現量の増減と相関していた。一方、ウニ生殖巣に発現していたP450のアミノ酸相同性検索を行った結果、脊椎動物において性ステロイドホルモンの合成に必須のP450と相同性を持つP450遺伝子は認められなかった。さらに、ウニ生殖巣では昆虫のステロイドホルモンをリガンドとする核内受容体と相同性を持つ核内受容体が認められた。これらの解析により、ウニにおいては脊椎動物と同様な性ステロイドホルモンの合成はされておらず、ウニ特有のステロイドホルモンを合成・代謝している可能性が示された。

さらに、生殖巣ではEcR/FXRが認められたことからウニ特有のステロイドホルモンを合成・代謝している可能性が示された。昨年度、ウニ生殖巣の肥大に伴い発現量が増加する遺伝子群を次世代シークエンス解析を行い、網羅的に発現量を定量した。この発現解析によりウニ生殖巣の肥大に関わる遺伝子群を選択し、2つの核内受容体、ステロイドホルモン合成に関わるタンパク質のcDNAクローニングを行い、今年度で完全長cDNAのクローニングを終えることができた。また、ウニ生殖巣の肥大に関わる重要なタンパク質であるMYPのアミノ酸配列はこれまで不明であったが、我々の研究により初めて明らかになったたため。海産無脊椎動物生理学本年度クローニングしたCOUP-TFおよびRARβの2つの核内受容体がウニ生殖巣の肥大にどのように関与しているのかを明らかにするために、キタムラサキウニMYPのプロモーター領域DNAのクローニングを行い核内受容体が結合するか確認をする。また、上記2つの核内受容体がどのような遺伝子群を発現誘導しているか明らかにするために、クロマチン免疫沈降法を用いて網羅的に発現誘導する遺伝子群を解析する。次世代シークエンス解析による網羅的解析により、標的としているステロイドホルモン合成・代謝機構に関連する遺伝子(CYP)がアメリカムラサキウニゲノム上に約150種類存在するうち、ウニ生殖巣で24種類発現していると絞り込めた。また、核内受容体についてはアメリカムラサキウニゲノム上に21種類存在するが、その内ウニ生殖巣で発現している核内受容体は14種類と絞り込めた。この成果は今後の解析において重要な情報となった。また、ウニ生殖巣栄養細胞で合成されているMYPのcDNAクローニングは未だに明らかにされていなかったが、次世代シークエンス解析により栄養細胞で発現しているMYPのcDNA断片配列情報が複数入手できた。学会発表のため旅費としての予算および消耗品購入として準備していたが日程の都合により学会発表を次年度に延期したため。また、既存の試薬を用いて今年度の実験を実施できたため消耗品の購入の必要がなくなったため。今後は、次世代シークエンス解析により網羅的に探索できたCYP、核内受容体、STARの発現量解析をリアルタイムPCR法により、給餌前と給餌後の生殖巣において発現量の比較を行う。この解析により、発現量が増大していた、遺伝子群のcDNAのクローニングを行うと共に、生殖巣における発現部位の同定を遺伝子工学的、生化学的解析法を用いて行う。また、生殖巣栄養細胞で合成されているMYPcDNAのクローニングを行い、これまで報告されているMYPcDNAの配列との相同性を確認する。旅費と消耗品購入として使用予定。本年度は予定した使用金額が交付金額内で納まった。その理由は、予定した物品費用の使用として、次世代シークエンス解析を外注予定であったが、連携研究者の研究室に次世代シークエンス解析機器が整備されたため、その必要性が無くなったことが大きく、使用金額が少なくて研究実施が可能であった。次世代シークエンス解析により網羅的に発現解析できた遺伝子群の定量解析のためのプライマーを作製するために使用する予定である。
「模倣の運動」の授業に関する研究-創造的な学習の過程とその評価活動に着目して-

広島大学附属三原小学校では、ここ数年にわたって「自己実現としての創造性を育む初等教育とその研究」に取り組んできた。筆者は、「模倣の運動」、「表現運動」の授業について、担当教諭とともに検討している。今年は、科学研究費(奨励研究A)の交付により学校側の研究主題に即して、創造的な学習の過程とその評価活動に着目した研究に着手した。まずは関連の文献により、「創造的な学習には、表現する題材から、主観的にイメージ思考や運動を広げ(拡散)、論理的に絞りこんでまとめる(収束)という過程があるのではないか。」という仮説(要約)を導きだした。そして児童の学習のなかにこのような過程がみられるかどうか、児童の自己評価から探ってみようと試みた。ここでは、表現運動の特性理解とあわせて次のような評価項目を設定した。aなりきって動く、b対象にあう動きを見つける、c精一杯動く、dリズムを感じながら動く、eたくさん動きを見つけて動く、f友達とは違う自分の動きを見つける、g自分にあった動きを選ぶ、の7項目であり、それを4段階で評価させ、「できたのはなぜか」、できない場合は「これからどのようにしていくか」ということを記述させた。項目の妥当性についてはまだまだ検討しなければならないし、主観的で曖昧な部分も多く課題が残った(広島大学附属三原小学校研究紀要第29集「一人ひとりの発想・思考に生きる評価」1996.1.P118掲載)。さらに「模倣の運動」、「表現運動」の授業の分析をすすめていくうちに、創造的な学習の捉え方として、表現的な運動を創り出す(生み出す)側面と、問題解決の側面の両面があるのではないか、ということや、主観(個の直観・想像)と客観(集団や教師の論理)の相互作用があるのではないか、ということ等、新たな課題(仮説)が見出された。これらの課題をふまえながら、今後も継続的に研究をすすめていきたいと考えている。
複合慣性航法システムの試作研究

1.複合慣性航法システムの試作研究としてストラップダウン型慣性航法システムと星画像システムを複合化し姿勢系に対する複合慣性航法システムを試作し試験を実施した.本試作システムは性能的に航法精度,安定性,運動に対する追従性全ての項目にわたって満足せしめ得ることが試験により確認され,将来型の人工衛星,宇宙機搭載自律型航法システムとして十分能力のあるものと考えられる.2.試作システムは各軸に再速度検出ユニット(レートジャイロ)を配置し亦CCD受光部を主とする星画像センサー及び航法演算部よりなる.航法演算部はM68020とM68000よりなり実時間処理については十分であった.ソフトウェア設計上特に注意を払った点は慣性航法系の高速度処理と航法演算部内の統合フィルター部であり結果的に満足できるシステムが得られた.3.試験は3軸のモーションテーブルを用いて行われ,星像は疑似星像を用いた.これは試験が室内のためである.実星像についての試験は星画像系のみについて別途行われ,確認されている.試験結果は複合慣性航法システムの理論の妥当性が十分検証され,設計理論確立への礎石となったと考える.今後の展望としては, GPS系との複合による完全な6自由度複合慣性航法システムへの拡張と耐故障性をもつシステムの構築であると考える.1.複合慣性航法システムの試作研究としてストラップダウン型慣性航法システムと星画像システムを複合化し姿勢系に対する複合慣性航法システムを試作し試験を実施した.本試作システムは性能的に航法精度,安定性,運動に対する追従性全ての項目にわたって満足せしめ得ることが試験により確認され,将来型の人工衛星,宇宙機搭載自律型航法システムとして十分能力のあるものと考えられる.2.試作システムは各軸に再速度検出ユニット(レートジャイロ)を配置し亦CCD受光部を主とする星画像センサー及び航法演算部よりなる.航法演算部はM68020とM68000よりなり実時間処理については十分であった.ソフトウェア設計上特に注意を払った点は慣性航法系の高速度処理と航法演算部内の統合フィルター部であり結果的に満足できるシステムが得られた.3.試験は3軸のモーションテーブルを用いて行われ,星像は疑似星像を用いた.これは試験が室内のためである.実星像についての試験は星画像系のみについて別途行われ,確認されている.試験結果は複合慣性航法システムの理論の妥当性が十分検証され,設計理論確立への礎石となったと考える.今後の展望としては, GPS系との複合による完全な6自由度複合慣性航法システムへの拡張と耐故障性をもつシステムの構築であると考える.1.複合慣性航法システムを構成するストラップダウン型慣性航法系の主要アルゴリズムを実時間性を考慮して開発した。特異性を避けるため姿勢変数はクォータニオンを採用している。目標の最小時間間隔は20msであるが、この点については計算機ハードウェアとの関連もあり次年度において検討する。尚、アルゴリズムの正確性は種々のシミュレーションによって確認されている。2.複合慣性航法システムの他の構成要素である星画像系については、全天における6等星以上の恒星について総数約5000個星カタログをデータベースとして登録した。更に、8°×8°の視野に入る数個の星像より、視線方向の緯度,経度を計算するアルゴリズムを開発し、シミュレーションによって正常に作動することを確認した。ある特殊な条件下においてはミスマッチの可能性があるが、この対策についても拾得した。3.星画像系については、フィールド試験の一環として3等星以上の明るい星について実際にCCDカメラによって得られた星画像についてアルゴリズムのチェックを行い正常に作動することを確認した。4.慣性航法系と星画像系の複合化については総合するアルゴリズムの開発は終了し、種々のシミュレーションによって確認作業を行っている状態である。ハードウェアについては各部の動作確認及びインターフェース部の調整を行っている段階であり、これらの終了後、複合系の総合確認試験を行う予定にあり、その段取り作業を計画中である。
流れの不安定現象を利用する高性能伝熱面の開発に関する基礎研究

一般に熱交換器の設計や作動条件の設定において、伝熱量の増大にはレイノルズ数を高くするのが得策であるのに対し、流体の持つ熱の回収率を向上させるには、スタントン数を大きくするためにレイノルズ数の低下を計ることが有利である。とくに熱回収用の熱交換器では、両者のバランスを考慮することが必要であり、中間レイノルズ数を選択し、かつ伝熱促進を計ることが望ましいと考えられる。本研究では、中間レイノルズ数域で使用する高性能伝熱面の開発を目指して、後流の蛇行や渦列の形成といった流れの不安定現象を積極的に利用することの可能性について、対象をオフセットフィン型熱交換器に絞って検討を行った。まず、鉛直縦型風洞に5段オフセットフィン列2次元モデルを挿入して行った伝熱実験の結果、以下のような知見を得た。1.流れが至るところ層流にとどまる低レイノルズ数域では、フィン厚さを変えても、フィンの伝熱特性は変化しない。2.中間レイノルズ数域では、フィンが厚いほうが熱伝達率が高くなる。その原因は、不安定化した後流が下流段フィンの温度境界層をかく乱することにあると推定される。3.1、2段目フィンを厚くし、35段目を薄くすることにより、下流側フィンの熱伝達の向上を得た。このことは、圧力損失の増大を抑えつつ、熱伝達を促進する可能性があることを示唆する。4.系全体の伝熱特性は低レイルノズ数域では段数を増すと減少するが、中間レイノルズ数域では反対に段数を増すと全体の熱伝達が向上する場合がある。さらに、フィン厚さを考慮し、オフセットフィン列の流れと熱伝達に関する基礎方程式を差文化して解く数値解析手法を開発した。この手法を用いて、まず低レイノルズ数域の定常状態に関する数値解析を行った結果、フィンが厚いほど圧力損失が増大すること、上で述べた低レイノルズ数域でフィン厚さが電熱特性に影響しないことなどが予測できた。
異種デバイス間連携のためのソフトウェア自動分散化手法

単一のプログラムとして記述された集中制御型ソフトウェアを,複数の端末で動作する分散協調型ソフトウェアに変換する自動分散化手法を確立した.本手法では,入力プログラムの各命令文を実行に適した端末に分配し,端末間のメッセージ通信処理を生成する.この際に,プログラムの処理やデータの流れを解析することにより送信すべきメッセージの内容を抽出する.本手法をnesC言語に対して実装し動作検証と評価を行った.また,異種プラットフォームのソフトウェア開発の容易化についても検討を行った.単一のプログラムとして記述された集中制御型ソフトウェアを,複数の端末で動作する分散協調型ソフトウェアに変換する自動分散化手法を確立した.本手法では,入力プログラムの各命令文を実行に適した端末に分配し,端末間のメッセージ通信処理を生成する.この際に,プログラムの処理やデータの流れを解析することにより送信すべきメッセージの内容を抽出する.本手法をnesC言語に対して実装し動作検証と評価を行った.また,異種プラットフォームのソフトウェア開発の容易化についても検討を行った.単一のプログラムとして記述された集中制御型ソフトウェアを,自動的に分割し,複数の端末で動作する分散協調型ソフトウェアに変換する,自動分散化手法を確立した.本手法は特に,リソースが制限された低レベルデバイスを対象としている.本手法では,入力された機能配置情報を元に,入力プログラムの各命令文(ステートメント)を実行に適した端末に分配し,端末間のメッセージ通信処理を生成することにより行う.この際に,プログラムの処理やデータの流れを解析することにより送信すべきメッセージの内容を抽出する.この自動分散化手法を,センサ端末(センサ,無線通信機能,マイコン等を内蔵した小型端末)向けのプログラミング言語であるnesC言語に対して実装した.現在,以上の成果を論文としてまとめている.また, nesCとは別のプラットフォームとして, Java言語で開発したソフトウェアが動作するセンサ端末であるSentillaノードの調査も行った.実際にSentillaノードで動作するいくつかのソフトウェアを, Java言語を用いて開発し動作させた.その結果, nesCを使う場合と比較して, Javaを用いるSentillaノードは実行時により多くのリソース(CPUパワーやメモリ容量など)を必要とするが, Javaは既に多くの開発者に普及しており開発環境も洗練されているため,アプリケーションソフトウェアの開発がより容易になることが分かった.今後の課題として,提案した自動分散化手法をこのような様々なプラットフォームへと適用することも有益である.また,これらの様々なプラットフォーム間の差異を吸収し,ソフトウェアの開発をより容易にする手段も検討したい.単一のプログラムとして記述された集中制御型ソフトウェアを,自動的に分割し,複数の端末で動作する分散協調型ソフトウェアに変換する,自動分散化手法を確立し,その動作検証を行った.本手法は特に,リソースが制限された低レベルデバイスを対象としている.本手法では,入力された機能配置情報を元に,入力プログラムの各命令文(ステートメント)を実行に適した端末に分配し,端末間のメッセージ通信処理を生成することにより行う.この際に,プログラムの処理やデータの流れを解析することにより送信すべきメッセージの内容を抽出する.この自動分散化手法を,TinyOSを搭載したセンサ端末(センサ,無線通信機能,マイコン等を内蔵した小型端末)向けのプログラミング言語であるnesC言語に対して実装した.また実装したプロトタイプシステムを,複数のTinyOSエミュレータノード上で実行し,その動作検証と評価を行った.また,Java言語でソフトウェアを開発できるセンサノードであるSentillaノード(加速度センサを搭載)や,近年急速に普及しつつあるiPhone, Android端末(加速度センサ,地磁気センサ,マイクなどを搭載)など,TinyOS以外のプラットフォームに対するソアトウェア開発の容易化についても検討を行った.これらの様々なプラットフォーム間の差異を吸収し,クロスプラットフォーム開発を行うための手段として,(1)Webブラウザ上で動作するWebアプリケーションとして実装する方法,および(2)APIの差異を吸収したラッパーライブラリを開発し,異なるプログラミング言語間のトランスレータを用いる方法を検討した.これらについて,プロトタイプシステムの実装,プラットフォーム間の差異の調査,関連技術の調査などを行った.
地下岩盤構造物建設時の地下水挙動予測手法の開発に関する研究

本研究において,岩盤亀裂におけるミクロ構造と亀裂中の水理・物質移行特性の関係を解明するための実験,およびシミュレーション手法の開発を行った.具体的には,本研究は一面せん断試験により,単一亀裂を含んだ供試体のせん断変形中の透水挙動を把握する実験結果についてまとめ,垂直応力一定試験時,せん断応力-変位曲線において,両者が直線関係で近似できる比例限界までの範囲と,それ以降の降伏領域では亀裂内を流れる水の透水量係数と開口幅の関係が異なることを示した.後者は力学的開口幅の三乗に比例して透水量係数は増加するが,前者は当該3乗則が成り立たず,また3乗則が成り立つ後者の場合においても,亀裂の表面粗度というミクロな構造によって,力学的開口幅と透水量係数の関係が異なることを示した.これにより,割れ目系岩盤中の亀裂ネットワークを構成する個々の亀裂に対する水理モデルは,せん断過程の状態と亀裂の表面粗度の両者を考慮することによって表されることを示した.さらに,亀裂内における水理挙動を考慮する解析手法として,亀裂のミクロ構造を考慮することによって,巨視的な透水特性を評価するセルオートマトン原理に基づく格子ガス法を開発した.これまでの格子ガス法では,解析モデルの入口および出口付近での粒子の運動は,亀裂内部の空隙の構造との相互作用,あるいはそこで生じる流れとの相互作用に影響を受けるため,全く何も存在しないモデル外部との相互作用によって決定されていた.そこで本研究では,亀裂外部との相互作用による影響が及ばない範囲でのみ流体特性の評価を行うこととするため,モデルの入り口および出口に助走区間を設けることを考案した.これにより,せん断挙動時に亀裂内のミクロ構造によって,Hagen-Poiseuille flowの成立が影響を受け,その結果力学的開口幅と透水量係数の関係が決定されることを明らかにした.本研究において,岩盤亀裂におけるミクロ構造と亀裂中の水理・物質移行特性の関係を解明するための実験,およびシミュレーション手法の開発を行った.具体的には,本研究は一面せん断試験により,単一亀裂を含んだ供試体のせん断変形中の透水挙動を把握する実験結果についてまとめ,垂直応力一定試験時,せん断応力-変位曲線において,両者が直線関係で近似できる比例限界までの範囲と,それ以降の降伏領域では亀裂内を流れる水の透水量係数と開口幅の関係が異なることを示した.後者は力学的開口幅の三乗に比例して透水量係数は増加するが,前者は当該3乗則が成り立たず,また3乗則が成り立つ後者の場合においても,亀裂の表面粗度というミクロな構造によって,力学的開口幅と透水量係数の関係が異なることを示した.これにより,割れ目系岩盤中の亀裂ネットワークを構成する個々の亀裂に対する水理モデルは,せん断過程の状態と亀裂の表面粗度の両者を考慮することによって表されることを示した.さらに,亀裂内における水理挙動を考慮する解析手法として,亀裂のミクロ構造を考慮することによって,巨視的な透水特性を評価するセルオートマトン原理に基づく格子ガス法を開発した.これまでの格子ガス法では,解析モデルの入口および出口付近での粒子の運動は,亀裂内部の空隙の構造との相互作用,あるいはそこで生じる流れとの相互作用に影響を受けるため,全く何も存在しないモデル外部との相互作用によって決定されていた.そこで本研究では,亀裂外部との相互作用による影響が及ばない範囲でのみ流体特性の評価を行うこととするため,モデルの入り口および出口に助走区間を設けることを考案した.これにより,せん断挙動時に亀裂内のミクロ構造によって,Hagen-Poiseuille flowの成立が影響を受け,その結果力学的開口幅と透水量係数の関係が決定されることを明らかにした.
高等植物における紫外線誘発DNA損傷の修復酵素遺伝子のクローニング

1.酵母,大腸菌,動物培養細胞を含む種々の生物のDNA修復酵素遺伝子の保存性の高い配列領域から作製したセンスおよびアンチセンスプライマーを用いたPCR法,ならびにサブトラクション法を適用し,5種類の"enriched"cDNAライブラリーを作製した.各種生物DNA修復酵素遺伝子の別の保存性の高い領域から作製したオリゴプローブを用いたハイブリダイゼーションによりポジティブクローンをスクリーニングした.得られたポジティブクローンを用いて修復能欠損の大腸菌,インフルエンザ菌,および酵母を形質転換し,相補性をもとにDNA修復能を相補する遺伝子を含むクローンの調査を行った.修復能欠損株の相補が認められたのは,大腸菌の場合のみであった.修復能欠損大腸菌を相補したポジティブクローンのDNA断片をサブクローニングし制限酵素地図を作製し塩基配列を決定し,アミノ酸配列を推定した.配列既知の他の生物のDNA修復酵素遺伝子およびその遺伝子産物とのアミノ酸配列を比較した.2.通常の"direct"cDNAライブラリー,2種類の"amplified"cDNAライブラリー,および2種類の"subtracted"cDNAライブラリーのうち,もっとも効率的にポジティブクローンが得られたのは"double amplified"cDNAライブラリーで,"direct"cDNAライブラリーの約50倍の効率であった.3.大腸菌のO^6mGアルキルトランスフェラーゼ遺伝子,3mAグリコシラーゼ遺伝子,umuDC遺伝子,およびuvrB遺伝子のホモローグをクローニングし,その一部の塩基配列を決定し,それらのアミノ酸配列を推定することができた.1.酵母,大腸菌,動物培養細胞を含む種々の生物のDNA修復酵素遺伝子の保存性の高い配列領域から作製したセンスおよびアンチセンスプライマーを用いたPCR法,ならびにサブトラクション法を適用し,5種類の"enriched"cDNAライブラリーを作製した.各種生物DNA修復酵素遺伝子の別の保存性の高い領域から作製したオリゴプローブを用いたハイブリダイゼーションによりポジティブクローンをスクリーニングした.得られたポジティブクローンを用いて修復能欠損の大腸菌,インフルエンザ菌,および酵母を形質転換し,相補性をもとにDNA修復能を相補する遺伝子を含むクローンの調査を行った.修復能欠損株の相補が認められたのは,大腸菌の場合のみであった.修復能欠損大腸菌を相補したポジティブクローンのDNA断片をサブクローニングし制限酵素地図を作製し塩基配列を決定し,アミノ酸配列を推定した.配列既知の他の生物のDNA修復酵素遺伝子およびその遺伝子産物とのアミノ酸配列を比較した.2.通常の"direct"cDNAライブラリー,2種類の"amplified"cDNAライブラリー,および2種類の"subtracted"cDNAライブラリーのうち,もっとも効率的にポジティブクローンが得られたのは"double amplified"cDNAライブラリーで,"direct"cDNAライブラリーの約50倍の効率であった.3.大腸菌のO^6mGアルキルトランスフェラーゼ遺伝子,3mAグリコシラーゼ遺伝子,umuDC遺伝子,およびuvrB遺伝子のホモローグをクローニングし,その一部の塩基配列を決定し,それらのアミノ酸配列を推定することができた.1.イネ,タバコ,およびソラマメの緑葉,ならびにイネ,タバコ,およびダイズの倍養細胞からmRNAを分離精製し,cDNAを調製し,プラスミドcDNAライブラリーを構築した.2.酵母,大腸菌,動物培養細胞を含む種々の生物のDNA修復酵素遺伝子の保在性の高い配列領域から作製したセンスおよびアンチセンスプライマーを用いて,各種植物のcDNAに対してPCR法を適用し,PCR増幅産物のゲル電気泳動により各種修復酵素遺伝子と相同性の高いDNA配列の存在を調査確認した後,PCR増幅したDNA断片を大腸菌プラスミドベクターに組み込んでプラスミド"enriched"cDNAライブラリーを作製した.3.各種生物DNA修復酵素遺伝子の別の保在性の高い領域から作製したオリゴプローブを用いたハイブリダイゼーションによりポジティブクローンをスクリーニングした.4.現在,得られたポジティブクローンを用いて光回復能欠損の大腸菌,インフルエンザ菌,および酵母,ならびに除去修復能を欠く大腸菌および酵母を形質転換し,相補性をもとにDNA修復能を相補する遺伝子を含むクローンを調査中である.5.今後は,ポジティブクローンのDNA断片をサブクローニングし制限酵素地図を作製し塩基配列を決定する予定である.またあわせて配列既知の他の生物のDNA修復酵素遺伝子およびその遺伝子産物の進化生物学的比較を行う.6.またポジティブクローンを用いて,イネおよびタバコプロトプラストに遺伝子導入し植物細胞中での遺伝子発現を確認する予定である.イネ,タバコ,およびソラマメの緑葉,ならびにイネ,タバコ,およびダイズの培養細胞からmRNAを分離精製し,cDNAを調製し,プラスミドcDNAライブラリーを構築した.酵母,大腸菌,動物培養細胞を含む種々の生物のDNA修復酵素遺伝子の保存性の高い配列領域から作製したセンスおよびアンチセンスプライマーを用いて,各種植物のcDNAに対してPCR法を適用し,PCR増幅産物のゲル電気泳動により各種修復酵素遺伝子と相同性の高いDNA配列の存在を調査確認した後,PCR増幅したDNA断片を大腸菌プラスミドベクターに組み込んでプラスミド"enriched"cDNAライブラリーを作製した.各種生物DNA修復酵素遺伝子の別の保存性の高い領域から作製したオリゴプローブを用いたハイブリダイゼーションによりポジティブクローンをスクリーニングした.得られたイネ,タバコ,およびダイズ由来のポジティブクローンを用いて修復能欠損の大腸菌,インフルエンザ菌,および酵母,ならびに除去修復能を欠く大腸菌および酵母を形質転換し,相補性をもとにDNA修復能を相補する遺伝子を含むクローンの調査を行なった.修復能欠損株の相補が認められたのは,大腸菌の場合のみであった.

酵母修復能欠損大腸菌を相補したポジティブクローンのDNA断片をサブクローニングし制限酵素地図を作製し塩基配列を決定し,アミノ酸配列を推定した.配列既知の他の生物のDNA修復酵素遺伝子およびその遺伝子産物とのアミノ酸配列を比較した.ポジティブクローンを用いて,イネおよびタバコプロトプラストに遺伝子導入し植物細胞中での遺伝子発現を確認する予定である.
非干渉光ホログラフィックナノオーダー精度高速度3次元動画像計測法の創成

自然光で照明された物体,あるいは自発光する物体などの非干渉光を用いて,高速に動く物体に対するナノメートルオーダーでの3次元動画像計測が可能な技術の創成を目指して,インコヒーレント光で照明された動く物体に対するディジタルホログラフィによる3次元動画像計測を提案し、提案法の有効性を計算機シミュレーションで示した.まず,インコヒーレント光を光源として用いた場合に得られるホログラムの計算機シミュレーション方法を構築した.このシミュレーション方法として,物体光と参照光とも波長を一定にして,入力物体の位相分布をランダムにした場合に,物体光と参照光との重ね合わせで得られるホログラムを計算した.次に,入力物体の位相分布のランダムパターンを変化させて,それぞれの変化に応じて物体光と参照光との重ね合わせで得られたホログラムを積算した.この積算により,空間コヒーレンスが低い場合に得られるホログラムを計算機によりシミュレーションした.次に,物体光と参照光の波長を光源が発する光の波長範囲で順に変化させた場合に得られるホログラムをそれぞれ計算した.さらに,それぞれの波長変化に応じて得られたホログラムを積算することで,空間コヒーレンスならびに時間コヒーレンスが共に低い場合に得られるホログラムを計算機によりシミュレーションした.得られたホログラムから光源が発する光の中心波長で再生し,その再生像を確認し画質を評価した.その結果,所望の結果が得られることを確認した.次に,考案計測法に基づくシステムを設計した.設計システムでは,共通光路を用いた干渉計とした.共通光路中には,適切な拡大率を持った4f光学系を,距離の異なるレンズを2枚組み合わせる構成とした.本研究課題である非干渉光を用いて,動く物体のナノメートルオーダーでの3次元画像を動画像計測が可能な技術に基づく技術で得られる像の計算機シミュレーション方法を確立した.また,本技術に基づく実証装置の基本光学系を設計できた.以上の成果が得られていることにより,本研究課題はおおむね順調に進展していると判断できる.非干渉光ホログラフィックナノオーダー精度高速度3次元動画像計測法を実現するシステムとして平成30年度に設計したシステムは共通光路を有する.この共通光路には,適切な拡大率を持った4f光学系を,距離の異なるレンズを2枚組み合わせて構成した.この光学系を構築する.容易に入手可能なレンズを選定し,光学系を設計し構築する.また,この構築には,光学素子の高精度な位置合わせが必要となる,この位置合わせに空間光変調素子用いる.本4f系を構築した干渉計で得られたホログラムを偏光イメージングカメラで記録し,記録したホログラムにたいして,考案した像再生アルゴリズムを適用して物体の像を再生する.静止した自発光する物体としてLEDを設定し点灯状態でホログラムを記録し,その像再生を試みる.次に,動く物体を設定して試作システムの有効性を示す.自発光する物体として,LEDを物体として,LEDの点滅ならびに空間的に移動させた場合に,試作システムが正常に動作するかを実験的に確認し,その能力を評価する.最後に,本研究全体を総括するとともに,得られた知見をまとめて,総括と展望を行い,システムの更なる高性能化を目指して,新たな非干渉光ホログラフィックナノオーダー精度高速度3次元動画像計測法に対する示唆を与える.研究協力者としてホログラフィの記録について高度な知識を持つ神戸大学的場修教授,千葉大学角江崇助教,産業技術総合研究所研究員夏鵬博士と議論ならびに助言を受けながら研究を進める.自然光で照明された物体,あるいは自発光する物体などの非干渉光を用いて,高速に動く物体に対するナノメートルオーダーでの3次元動画像計測が可能な技術の創成を目指して,インコヒーレント光で照明された動く物体に対するディジタルホログラフィによる3次元動画像計測を提案し、提案法の有効性を計算機シミュレーションで示した.まず,インコヒーレント光を光源として用いた場合に得られるホログラムの計算機シミュレーション方法を構築した.このシミュレーション方法として,物体光と参照光とも波長を一定にして,入力物体の位相分布をランダムにした場合に,物体光と参照光との重ね合わせで得られるホログラムを計算した.次に,入力物体の位相分布のランダムパターンを変化させて,それぞれの変化に応じて物体光と参照光との重ね合わせで得られたホログラムを積算した.この積算により,空間コヒーレンスが低い場合に得られるホログラムを計算機によりシミュレーションした.次に,物体光と参照光の波長を光源が発する光の波長範囲で順に変化させた場合に得られるホログラムをそれぞれ計算した.さらに,それぞれの波長変化に応じて得られたホログラムを積算することで,空間コヒーレンスならびに時間コヒーレンスが共に低い場合に得られるホログラムを計算機によりシミュレーションした.得られたホログラムから光源が発する光の中心波長で再生し,その再生像を確認し画質を評価した.その結果,所望の結果が得られることを確認した.次に,考案計測法に基づくシステムを設計した.設計システムでは,共通光路を用いた干渉計とした.共通光路中には,適切な拡大率を持った4f光学系を,距離の異なるレンズを2枚組み合わせる構成とした.本研究課題である非干渉光を用いて,動く物体のナノメートルオーダーでの3次元画像を動画像計測が可能な技術に基づく技術で得られる像の計算機シミュレーション方法を確立した.また,本技術に基づく実証装置の基本光学系を設計できた.以上の成果が得られていることにより,本研究課題はおおむね順調に進展していると判断できる.非干渉光ホログラフィックナノオーダー精度高速度3次元動画像計測法を実現するシステムとして平成30年度に設計したシステムは共通光路を有する.

この共通光路には,適切な拡大率を持った4f光学系を,距離の異なるレンズを2枚組み合わせて構成した.この光学系を構築する.容易に入手可能なレンズを選定し,光学系を設計し構築する.また,この構築には,光学素子の高精度な位置合わせが必要となる,この位置合わせに空間光変調素子用いる.本4f系を構築した干渉計で得られたホログラムを偏光イメージングカメラで記録し,記録したホログラムにたいして,考案した像再生アルゴリズムを適用して物体の像を再生する.静止した自発光する物体としてLEDを設定し点灯状態でホログラムを記録し,その像再生を試みる.次に,動く物体を設定して試作システムの有効性を示す.自発光する物体として,LEDを物体として,LEDの点滅ならびに空間的に移動させた場合に,試作システムが正常に動作するかを実験的に確認し,その能力を評価する.最後に,本研究全体を総括するとともに,得られた知見をまとめて,総括と展望を行い,システムの更なる高性能化を目指して,新たな非干渉光ホログラフィックナノオーダー精度高速度3次元動画像計測法に対する示唆を与える.研究協力者としてホログラフィの記録について高度な知識を持つ神戸大学的場修教授,千葉大学角江崇助教,産業技術総合研究所研究員夏鵬博士と議論ならびに助言を受けながら研究を進める.次年度使用額が生じた理由:本研究課題の実験系において光学系をより高精度に微調整することが必要であることが研究期間中に分かった.また,その微調整のための機構についての検討も必要であることが研究期間中に分かった.使用計画:本研究課題の実験系において光学系をより高精度に微調整が可能な光学素子を購入する.
一側性喉頭神経麻痺における喉頭の動態に関する実験的・臨床的研究

一側上喉頭神経麻痺麻痺の喉頭動態を明らかにするために、3匹の生犬を用いた全身麻酔下の実験を行なった。一側の上喉頭神経外枝切断後に発声が可能な程度の麻酔深度で発声中に他側の上喉頭神経を電気刺激すると、声門軸が回転して後部声門が切断側へ移動することが確認された。声門軸回転の程度は非切断側の輪状甲状筋の収縮度が大きく変動するほど大きかった。この結果から、一側上喉頭神経麻痺例において、発声時にピッチを上げることで健側の輪状甲状筋に収縮が生じ、甲状軟骨に対して輪状軟骨の前部が健側へ、後部が麻痺側へ回転するため、後部声門が麻痺側に移動すると推定された。喉頭筋電図で診断された一側上喉頭神経麻痺例21例にピッチ変換を指示して喉頭ファイバービデオ検査を行なった。5例はピッチの変換ができず、ピッチ変換可能な16例中13例(81%)でピッチ上昇に伴って声門軸回転が生じ、後部声門が顕著に麻痺側に移動した。声門軸が回転しなかった3例中2例は甲状腺術後例で甲状腺と前頚筋を広範囲に切除し、喉頭周囲に著名な瘢痕があり、1例は感冒後の不全迷走神経麻痺例であった。他方、上喉頭神経麻痺のないコントロール群23例ではすべてピッチ変換が可能であり、ピッチ変換に伴って声門軸が回転した例はなかった。したがって、ピッチ上昇に伴う声門軸回転が一側上喉頭神経麻痺に特徴的な喉頭動態であることが明らかとなり、ピッチ変換時に喉頭動態を観察することが一側上喉頭神経麻痺を診断するための簡便なルーチン検査として有効であることが示された。
「気づき」の言語化がpragmatic routinesの習得に与える影響

Pragmaticroutinesの習得は語用論的能力の発達にとって重要であるが、一方で、第二言語学習者にとっては習得が難しいことも明らかになっている。そこで、学習者のpragmatic routinesの習得を促進するためには、何らかの指導や足場かけが必要と考えられる。本研究では、まず学習者が口頭による談話完成タスクを行ない、その後に母語話者によるモデル発話を音声および文字で提示して、表現の違いで気づいたことを筆記させる。そして、このような「気づき」の言語化がpragmatic routinesの習得に、短期的および長期的にどのような効果を及ぼすかを探る。Pragmatic routinesの習得は語用論的能力の発達にとって重要であるが、一方で、第二言語学習者にとっては習得が難しいことも明らかになっている。
ハイブリッドペトリネットを用いた細胞周期制御因子のシュミレーションモデルの開発

細胞周期(Cell Cycle)は、細胞の増殖、分裂という最も基本的な振る舞いを顕わしている。これまでにシミュレーションが試みられてきた転写調節やシグナル伝達に比べて細胞生物学的動態を含み可視的変化に飛ぶことと、細胞周期を制御するほとんどの因子がフィードバックシステムを持ち、全体としてサークル状の伝達系対を持つことが特徴である。すなわち、タンパクのリサイクリング機構を持ち、最終的にシグナルが初期状態に帰結するという、いわゆるシグナル伝達の方向性とは異なる独自の系を持っている。本年度、我々はコンピューターシミュレーションツールの一つであるペトリネット(Petri Nets : PN)を用いて細胞周期を一周するモデルの構築を試みてきた。細胞周期のコアには数種のサイクリン依存性キナーゼ(Cdk)キナーゼが細胞周期エンジンとして働いており、PNを用いてこれらキナーゼのin vivoにおける動態を正確に反映するモデルを構築した。細胞周期の各フェース全体を制御するCdkの細胞周期における発現、活性化、不活化に関する詳細なネットワークモデルをPNを利用して構築した。本モデルを用いると、簡単なパラメーターの操作によって、タンパクの過剰発現や遺伝子ノックアウトによるタンパク発現の低下などの状態に細胞が陥った場合に、細胞周期、すなわち、細胞の増殖課程にどのような影響が生じるかが、瞬時にシミュレーションできる。その結果、これまで論文として発表されたin vivoの実験結果を容易にモデル上で再現することができた。さらに、in vivoでは未だ報告がない実験結果をシミュレーションし、その結果の正当性に関して、実際的に細胞内タンパク強制発現法、siRNA法などの生物実験を行い検証した。
合成DNAマイクロアレイを用いたウイルス感染細胞のトランスクリプトーム解析

平成14年度は、年度内に作製したHuman 22,000 & HCMV 179遺伝子アレイを用いて、ヒトサイトメガロウイルス(HCMV)感染後のヒト正常線維芽細胞(HF)・IMR32・Saos2・SW982・Y79細胞の遺伝子発現プロファイルを取得した。HFとIMR32はウイルス遺伝子に関してきわめて似た発現パタンを示した。しかし、HFで感染初期に激しく起きるIFN反応性遺伝子群の発現がIMR32では検出不能だった。また、SW982ではウイルス遺伝子の発現変化をほとんど検出できなかったにもかかわらず、IFN反応性遺伝子群の発現上昇を弱いながら検出した。さらに、Saos2では、感染初期に発現するHCMV遺伝子およびIFN反応性遺伝子群の発現上昇を検出できず、感染後期にHCMVの遺伝子の発現レベル上昇を確認した。Y79では、感染初期にウイルス遺伝子のわずかな発現レベル上昇を捉えたものの、宿主遺伝子の大きな発現レベル変化を見いだせなかった。培養細胞系においてHCMV許容性を示すのは、正常細胞であるHFとごく少数の細胞株に限られている。IMR32はこの限られたHCMV許容細胞株の一つで、少なくともウイルス遺伝子に関してはHF同様の発現パタンを示すことが明らかとなり、これまでの知見を裏付けた。しかし、宿主遺伝子の発現パタンはHFとIMR32で大きく異なっており、これらの違いがウイルス産生効率などの両者で異なる性質を決定している可能性がある。HCMV許容性が報告されていない3細胞株において、それぞれが異なる宿主遺伝子発現プロファイルを示した事から、これらの細胞株では非許容の程度が同じではなく、ウイルスの増殖サイクルの異なる段階で阻害がおきていることが考えられる。