hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
オブジェクト指向協調分散処理システムにおける動的負荷分散に関する研究

1.本研究は、オブジェクト指向をベースとし、複数のプロセスが異なるノードで協調しながら一つの処理を実行するような新たな分散処理システムにおいて、プロセスをどのノードで実行すればよいかを決定する際に、「対象ノードとの距離」、「対象ノードの稼働状況」および「投入プロセスの質量」の3つの評価尺度を用いて最適な動的負荷分散を行おうとするものである。2.平成5年度は、動的負荷分散の例題として、プリンタへの出力要求が発生した時に、ネットワーク内につながるプリンタのうち最も空いているプリンタへ自動的に出力する、プリンタ出力処理の動的負荷分散の実現を試みた。3.UNIXの1pqコマンドを用いて、各プリンタ用のスプールディレクトリに溜まっている「処理要求数」および「処理するファイルのバイト数」を取り出し、この積と、新たに投入する処理要求のバイト数および予め分かっているプリンタの性能とから、最も速く出力できるプリンタを決定するアルゴリズムを考案した。この機能をフィルタプログラムとして実現して(1)UNIXにおいてプリンタ出力を行う際に、このフィルタプログラムを通す。(2)PC-NFSにおいてリモートプリンタへの出力を行う際に、プリンタデ-モン中でこのフィルタプログラムを実行する。このようにして、プリンタ出力処理の動的負荷分散を試みた。4.今後は、投入プロセスの質量の定量的評価方法を検討する予定である。
強スケーリング性能を指向した計算物理向け超並列行列計算ライブラリの開発

(1)プラズマシミュレーションの電位計算部分で現れる連立1次方程式向けに,ブロック赤黒順序付け法に基づく高並列な不完全LU分解型前処理プログラムを開発し,GPU上で実装した。性能評価の結果,マルチコアプロセッサ上での実行に比べて10倍以上の加速が得られた。また,GPU向けのソルバであるMAGMAと比較しても,大規模問題の場合に3倍程度の速度向上が見られた。(2)超並列一般化固有値問題ライブラリに対する自作ミドルウェアEigenKernel(https://github.com/eigenkernel/)を発展させ,(i)Oakforest-PACSでのベンチマーク, (ii)マルコフ連鎖モンテカルロ型ベイズ推定による強スケーリング性能予測(外挿),の2点を実現した。また,超並列性に優れた選択的固有対計算アルゴリズムを提案し,電子状態計算の実問題へと適用し,手法の有用性を示し,コードを公開した(https://github.com/lee-djl/k-ep)。超並列型固有値問題ならではの応用研究として,有機デバイス材料(ペンタセン薄膜,10ナノメートルスケール系)の計算を行い,デバイス性能に直接関わる準局在波動関数を得た。連立1次方程式ソルバ,固有値ソルバとも,研究は順調に進展し,前者については反復法向けの前処理プログラムと直接法によるソルバの両方を開発した。また,後者についても超並列性に優れた新たなアルゴリズムを提案し,電子状態計算の実問題へと適用するとともに,コードを公開した。さらに,研究の今後の発展に向け,高速計算(HPC)とデータ駆動科学の融合を目的とした下記の研究会を共催した。研究会(共催)「データ駆動科学と高速計算科学」(企画:星健夫,福島孝治,山本有作),開発したソルバ群をソフトウェアとして整備し,公開する。また,アプリケーションソフトへの組み込みと性能評価を行う。さらに,高速計算とデータ駆動科学の融合など,新しい方向への進展に向けた研究交流を進める。今年度は次の3つのテーマについて研究を行った。(1)時間依存シュレーディンガー方程式に基づく波束シミュレーション向けに,1-way dissection法に基づく帯行列用の並列版連立1次方程式直接解法を開発した。性能評価の結果,40万元の問題を解く場合に10コアで7倍程度の加速が得られ,LAPACKに比べて高い性能を得られることを明らかにした。また,モデル問題として2次元ポアソン方程式を取り上げ,種々の疎行列格納方式を用いた場合の性能を評価した。今後,本ソルバを有機高分子系の時間発展シミュレーションに適用する。(2)ブロックヤコビ法と並列動的オーダリングに基づく共有メモリ版の実対称固有値ソルバを開発するとともに,収束性に関する理論的・実験的解析を行った。理論解析では,非対角ノルムの1次収束性に関して新しい上界を導出した。新たな上界は並列数に反比例する形を持ち,並列化による加速を理論的に裏付ける結果となっている。また,従来のラウンドロビン法や修正型モジュラス法と並列動的オーダリングとを比較し,後者は行列が悪条件の場合に従来法と比べて反復回数を大きく削減できることを示した。(3)超並列型量子物質計算の応用研究として京コンピュータを用いた有機高分子の多数計算(1200原子,4万サンプル)を行い,データ科学的解析(主成分解析)により有機材料のデバイス性能が,2種の競合的要因で得られることを示した。これにより,受賞2件を受けた。また,超並列性に適した中間固有値問題計算ライブラリk-epを作成し,ネット公開を行った(https://github.com/lee-djl/k-ep)。さらに,自作ミドルウェア型超並列固有値ソルバEigenKernel(https://github.com/eigenkernel/)において,データ科学(ベイズ推定)を用いた性能予測手法を構築した。連立1次方程式ソルバ,固有値ソルバとも,研究は順調に進展し,共有メモリ型並列計算機向けにソルバのプロトタイプが完成できた。また,固有値ソルバについては,並列性能を裏付ける理論的な結果も導出した。さらに,データ科学による物性研究という新しい領域における研究も推進し,次のように2件の賞を受賞している。[1]学生優秀発表賞:大平健太郎,星健夫,福島孝治,「データ科学と大規模電子状態計算による有機高分子探索」第31回分子シミュレーション討論会(2017年11月29日-12月1日).[2] HPCI利用研究平成28年度優秀成果賞(2年連続受賞)「100ナノ電子状態計算とデータ科学による有機デバイス材料研究」,第4回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題成果報告会(2017年11月2日,東京).(1)プラズマシミュレーションの電位計算部分で現れる連立1次方程式向けに,ブロック赤黒順序付け法に基づく高並列な不完全LU分解型前処理プログラムを開発し,GPU上で実装した。

また,超並列性に優れた選択的固有対計算アルゴリズムを提案し,電子状態計算の実問題へと適用し,手法の有用性を示し,コードを公開した(https://github.com/lee-djl/k-ep)。超並列型固有値問題ならではの応用研究として,有機デバイス材料(ペンタセン薄膜,10ナノメートルスケール系)の計算を行い,デバイス性能に直接関わる準局在波動関数を得た。連立1次方程式ソルバ,固有値ソルバとも,研究は順調に進展し,前者については反復法向けの前処理プログラムと直接法によるソルバの両方を開発した。また,後者についても超並列性に優れた新たなアルゴリズムを提案し,電子状態計算の実問題へと適用するとともに,コードを公開した。さらに,研究の今後の発展に向け,高速計算(HPC)とデータ駆動科学の融合を目的とした下記の研究会を共催した。研究会(共催)「データ駆動科学と高速計算科学」(企画:星健夫,福島孝治,山本有作),開発したソルバ群の分散メモリ型並列化を行い,より多くのコア数で並列性能を確認する。また,ソルバ群を電子状態計算から生じる行列に適用し,性能と精度を評価する。さらに,データ科学の物性予測への応用など,新しい方向についても研究を進める。開発したソルバ群をソフトウェアとして整備し,公開する。また,アプリケーションソフトへの組み込みと性能評価を行う。さらに,高速計算とデータ駆動科学の融合など,新しい方向への進展に向けた研究交流を進める。
プラストファーミングによる高効率ワクチンの開発

従来の「食べるワクチン」には、植物体内での目的タンパク質の生産量が低い、目的のタンパク質が胃酸で分解される、粘膜免疫の誘導が困難といった問題があり実用化への障壁となっていた。本研究の目的は、全可溶性タンパク質の40%を越える組換えタンパク質の生産が可能な葉緑体などの色素体を用い、胃酸に耐性で腸管に到達し粘膜免疫を誘導するE型肝炎ウイルスのウイルス中空粒子に目的の抗原ペプチドを付加したものを産生することによって上記の3つの問題を克服し「抗原性の高い有効な食べるワクチン」の開発を目指すことである。そのために、緑体形質転換効率の高いタバコに、インフルエンザウイルスのペプチドを付加したE型肝炎ウイルス中空粒子産生用遺伝子を組込んだ葉緑体発現用ベクターをパーティクルガンで打込んだ。現在、タバコ葉をリーフディスク法によりスペクチノマイシン濃度を高めて形質転換した葉緑体と野生型葉緑体を併せ持つ状態(heteroplasmy)から形質転換した葉緑体だけをもつ状態(homoplasmy)に近づけ、個体再生を図っているところである。また、この実験と並行して、トマトの果実に特異的な遺伝子の発現が期待できるE8プロモーターを有するベクターにインフルエンザウイルスのペプチドを付加したE型肝炎ウイルスのウイルス中空粒子産生用遺伝子を組込み、アグロバクテリウム法によりトマトのカルスに導入した。これまでに、11系統の形質転換体が得られ、RT-PCR法で導入遺伝子の発現を確認することができた。さらに、ひとつの個体でWestern blottingにより抗原ペプチドのバンドが確認できた。現在、実った果実から種を採取・播種し、T2世代を育成している。従来の「食べるワクチン」には、(1)植物体内での目的タンパク質の生産量が低い、(2)目的のタンパク質が胃酸で分解される、(2)粘膜免疫の誘導が困難といった問題があり実用化への障壁となっていた。本年度は、葉緑体発現用ベクターにインフルエンザウイルスM2タンパク質のペプチドを付加したE型肝炎ウイルスのウイルス中空粒子産生用遺伝子を挿入し、葉緑体形質転換効率の高いタバコに遺伝子銃で打込んだ。現在、いくつかの薬剤耐性シュート(形質転換体)が得られているので、抗原ペプチドを付加したE型肝炎ウイルス中空粒子の発現を調べる予定である。また、この実験と並行して、トマトの果実に特異的な遺伝子の発現が期待できるE8プロモーターを有するベクターにインフルエンザウイルスM2タンパク質のペプチドを付加したE型肝炎ウイルスのウイルス中空粒子産生用遺伝子を組込み、アグロバクテリウム法によりトマトのカルスに導入した。現在、いくつかの組換え個体が得られているので、果実が得られれば組換えE型肝炎ウイルスタンパク質の発現、ウイルス中空粒子の産生を調べる予定である。(630字)従来の「食べるワクチン」には、植物体内での目的タンパク質の生産量が低い、目的のタンパク質が胃酸で分解される、粘膜免疫の誘導が困難といった問題があり実用化への障壁となっていた。
ヒト脳間の関係を多角的に記述した多元脳図譜相関樹の構築とそれによる患者脳図譜推定

健常者や患者,診察時に得られる患者の時系列情報まで含めた脳図譜データセットを体系化することで,多元脳図譜相関樹を構築することを研究目的としている.平成29年度は,昨年度に引き続き,多元脳図譜相関樹構築のために必要な,1)脳図譜モデルの作成および,2)脳図譜モデル間の対応付け手法の改良を行った.さらに,改良後の対応付け手法を用いて3)脳ボリュームモデルの統計的形状モデルの作成を行い,形状情報の体系化を行った.1.脳図譜モデルの作成:組織形状の多様性を解析するため,医用画像から脳ボリュームモデルを作成した.脳外科医に抽出してもらった,白質や脳室などの輪郭情報を基に,内部構造を有する6つの脳ボリュームモデルを作成した.2.脳図譜モデル間の対応付け手法の構築:平成28年度に構築した脳図譜間の対応付け手法である,ボリューム写像法の改良を行った.平成28年度の時点では,1つの脳ボリュームモデルに対しての写像実験しか行えておらず,そのモデルに特化した写像法となっていた.そこで,平成29年度は,6つの脳ボリュームモデルに対して提案手法の精度検証を改めて行い,メッシュ構造や形状が異なる場合でも安定して写像が行えるよう,手法の改良を行った.3.脳ボリュームモデルの統計的形状モデルの作成:改良後のボリュームモデル写像法を用いて6つの脳ボリュームモデル間の対応付けを行い,脳ボリュームモデルの統計的形状モデルを作成した.統計的形状モデルでは,平均形状からのばらつきの大きさを表す形状パラメータの値を変更することで,様々な対象臓器形状を表現できる.作成した統計的形状モデルにおける形状パラメータの値を変更することで,側頭葉や脳室などの特徴的な脳形状を保ちつつ,様々な脳形状が表現できることを確認した.この結果より,提案した写像法は,内部構造まで含めた統計的形状モデルの作成に有効であるといえる.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,健常者や患者,診察時に得られる患者の時系列情報まで含めた脳図譜(=脳の内部構造を記述したボリュームモデル)のデータセットを体系化することで,多元脳図譜相関樹を構築することを目標とする.平成28年度では,複数の脳図譜からなる脳図譜データセットの作成と,脳図譜間の対応付け法の開発を行った.1.脳図譜データセットの作成:画像から認識可能な内部構造(白質や脳室など)および,医用画像から認識困難な被殻の輪郭情報を熟練脳外科医に抽出してもらい,得られた輪郭情報を基に,脳のボリュームモデルを作成した.現在は,1つの脳ボリュームモデルが完成している.2.脳図譜間の対応付け法の開発:作成した脳図譜間の解析を行うため,脳図譜間の対応付け法として,ボリューム写像法を構築した.申請者は27年度までに,様々な形状・位相を持つ人体組織の表面形状モデルを,単純な形状の目標曲面に写像し,その写像先でモデル間の対応付けを行う手法(modified Self-organizing Deformable Model: mSDM)を開発している.mSDMをボリュームモデルへ適用できるよう拡張することで,脳図譜を目標ボリュームへ写像する方法(volumetric SDM: vSDM)を構築した.vSDMでは,1)ボリュームモデルから目標ボリュームへの単射が保証されている.また,2)元モデルの幾何特徴量を写像後も目標体内で保存でき,3)ボリュームモデルの内部に位置する組織(白質や脳室など)の写像位置を指定することもできる.作成した脳ボリュームモデルにvSDMを適用することで,3つの特徴を同時に満たしつつ,脳ボリュームモデルを球体へ写像できることを確認した.今年度の目標であった,複数の脳図譜からなる脳図譜データセットの作成と,脳図譜間の対応付け法の開発が計画通り行えたため,本研究課題はおおむね順調に進展している.ただし,データセットのさらなる充実や,対応付け手法の詳細な検証を今後行う必要がある.健常者や患者,診察時に得られる患者の時系列情報まで含めた脳図譜データセットを体系化することで,多元脳図譜相関樹を構築することを研究目的としている.平成29年度は,昨年度に引き続き,多元脳図譜相関樹構築のために必要な,1)脳図譜モデルの作成および,2)脳図譜モデル間の対応付け手法の改良を行った.さらに,改良後の対応付け手法を用いて3)脳ボリュームモデルの統計的形状モデルの作成を行い,形状情報の体系化を行った.1.脳図譜モデルの作成:組織形状の多様性を解析するため,医用画像から脳ボリュームモデルを作成した.脳外科医に抽出してもらった,白質や脳室などの輪郭情報を基に,内部構造を有する6つの脳ボリュームモデルを作成した.2.脳図譜モデル間の対応付け手法の構築:平成28年度に構築した脳図譜間の対応付け手法である,ボリューム写像法の改良を行った.平成28年度の時点では,1つの脳ボリュームモデルに対しての写像実験しか行えておらず,そのモデルに特化した写像法となっていた.

そこで,平成29年度は,6つの脳ボリュームモデルに対して提案手法の精度検証を改めて行い,メッシュ構造や形状が異なる場合でも安定して写像が行えるよう,手法の改良を行った.3.脳ボリュームモデルの統計的形状モデルの作成:改良後のボリュームモデル写像法を用いて6つの脳ボリュームモデル間の対応付けを行い,脳ボリュームモデルの統計的形状モデルを作成した.統計的形状モデルでは,平均形状からのばらつきの大きさを表す形状パラメータの値を変更することで,様々な対象臓器形状を表現できる.作成した統計的形状モデルにおける形状パラメータの値を変更することで,側頭葉や脳室などの特徴的な脳形状を保ちつつ,様々な脳形状が表現できることを確認した.この結果より,提案した写像法は,内部構造まで含めた統計的形状モデルの作成に有効であるといえる.現在は,一つの脳ボリュームモデルのみを写像対象として扱っており,提案手法であるvSDMの有効性の確認が不十分である.今後は,脳ボリュームモデルの数を増やし,構築した写像法をより詳細に検証する必要がある.また,vSDMを用いて複数の脳ボリュームモデル間の対応付けを行い,脳ボリュームモデルの形状について,統計解析を行う.さらに,得られた対応関係と解析結果を基に,脳内部組織の形状と,医用画像での見えの多様性を記述する統計的脳モデルを開発する.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。
塞栓動脈瘤内部の病理組織学的検証および使用コイルの最適化

各コイル群の内膜・塞栓瘤内部の病理組織学的特徴を検証する。動物実験は全身麻酔下愛護操作に留意した。ブタ4頭を使用し計16個の瘤を対象とし以下の3群を設定した。P群:ベアコイル(n=4)FB群:Bioaciveコイル+Fiberedコイル(n=8)B群:Bioactiveコイル(n=4)。各々の瘤をコイル塞栓し、飼育期間後に瘤を摘出し、内膜形成、瘤内部の病理組織について3群を比較検討した。P群に比しFB群で内膜が厚い傾向が見られた。多核巨細胞浸潤面積はFB群において有意に多く認められた。BioactiveコイルとFiberedコイルの併用は内膜が厚く、異物巨細胞浸潤が多いことが分かった。目的は各コイル群の内皮形成・塞栓瘤内部の病理組織学的特徴を検証する事である。対象・方法I瘤作成,塞栓術:動物実験に際しては可及的愛護的操作、十分な鎮静・鎮痛に配慮した。ブタ2頭を使用した。全身麻酔下に両側外頸静脈を用い両側総頸動脈に5mm大の動脈瘤を一頭につき4個作成し、合計8個の瘤について検討した。I- 2各動脈瘤をコイルで瘤内塞栓術を施行し、3種類のコイル群を設定した。B:ベアコイル単独群(n=2)FP群:PGLAコイル+fiberedコイルの混合(n=4)P群:PGLAコイル単独群(n=2)。コイル塞栓後、35日飼育し、II- 1血管造影後、鎮静下でサクリファイスし動脈瘤部分をブロックで摘出した。II-2摘出部の血管に割をいれ、内皮面の肉眼観察したのち、瘤中央部でHE標本を作製した。1)35日後の血管造影所見と肉眼的対比、2)35飼育後のHE標本についてA:内皮厚、B瘤内部(線維化、多核巨細胞浸潤)について分析した。結果I-1全ての瘤が確実に作成できた。I-2各群の瘤サイズ・VERにおいて4群に差はなかった。いずれの瘤も35日後の血管造影上はCOが得られていた。瘤内膜面の肉眼的観察では、B1、P2でループが出ているところ以外は全てに内膜が張っていた。II-3HE標本を分析。B群に比しFP群、P群では内膜が厚い傾向が見られた(P=0.01)。線維化面積率は有意な違いはなかったが、いずれの群も内膜下から動脈瘤内に入り込む様にして分布していた。多核巨細胞浸潤はファイバー周囲に巨細胞浸潤が目立ち偏在していたが、統計学的有意差は認められなかった(P=0.06)。結論異なるコイル群で内膜と瘤内部の性状が異なることがわかった。今後35日以降の病理組織学的変化についても追加検証する必要がある。63日飼育の追加実験をすでに施行しており、現在、病理組織学的定量化を施行中である。昨年度の報告から動物実験を2回追加し合計4回の実験結果を検証した。目的:各コイル群の内皮形成・塞栓瘤内部の病理組織学的特徴を検証する事である。対象・方法I瘤作成,塞栓術動物実験に際しては可及的愛護的操作、十分な鎮静・鎮痛に配慮した。ブタ4頭を使用した。全身麻酔下に両側外頸静脈を用い両側総頸動脈に5mm大の動脈瘤を一頭につき4個作成し、合計16個の瘤について検討した。P群:ベアコイル単独(n=4)FB群:Bioaciveコイル+fiberedコイルの混合(n=8)B群:Bioactiveコイル単独(n=4)。また、これら16個の瘤を飼育期間によって35日群、63日群に分けた。各々の飼育期間後に、II- 1血管造影後、鎮静下でサクリファイスし動脈瘤部分をブロックで摘出した。II-2摘出部の血管に割をいれ、内皮面の肉眼観察したのち、瘤中央部でHE標本を作製し内膜形成、瘤内部の線維化、器質化、異物巨細胞浸潤について比較検討した。結果:I-1全ての瘤が確実に作成できた。いずれの瘤も35日後、63日後の血管造影上はCOが得られていた。P群に比しFB群で内膜が厚い傾向が見られた(P=0.038)。線維化・器質化面積率は有意な違いはなかった。多核巨細胞浸潤面積はFB群においてP群(P=0.028)とB群(P=0.047)よりも有意に多く認められた。結論異なるコイル群で内膜と瘤内部の病理組織学的性状が異なることがわかった。P群:ベアコイル(n=4)

FB群:Bioaciveコイル+Fiberedコイル(n=8)B群:Bioactiveコイル(n=4)。各々の瘤をコイル塞栓し、飼育期間後に瘤を摘出し、内膜形成、瘤内部の病理組織について3群を比較検討した。P群に比しFB群で内膜が厚い傾向が見られた。多核巨細胞浸潤面積はFB群において有意に多く認められた。BioactiveコイルとFiberedコイルの併用は内膜が厚く、異物巨細胞浸潤が多いことが分かった。病理組織学的実験は順調に進行し、4回の動物実験は無事に終了している。現在3回目4回目の実験結果を分析中である。一方物理学的因子の解明の為の実験はまだ施行できていない。インターベンショナルラジオロジー動物実験についてのまとめをすすめ、論文化する。物理学的実験を施行し、物理学的因子を解明する。両者の結果を踏まえ、指摘コイル塞栓術についての方向性を確立する。同時に実臨床症例を蓄積し、瘤の再発因子・治癒因子についても検証する。今年度は動物実験を主に施行していたため、物理学的実験を施行する事ができなかったのが一因と考えられる。また、動物実験は全て施行したが、請求算出と請求書の作成状況により今年度中に請求できなかったためである。すでに平成26年に施行した動物実験の支払いを行う。27年度に物理学的実験を行いその費用とする。動物実験の結果を学会で発表し、論文作成を行う。そのための旅費・校正費用とする。
モラルの起源―霊長類における高次感情に関する実験的分析―

本研究の目的は、モラルの進化的起源を解明することである。フサオマキザルは、報酬分配場面において、「不公平感」や「他者への配慮」といったモラルを支える重要な高次感情を示すことで知られる。本年度は、最後通牒ゲームの手続きを利用し、分配者と被分配者がそれぞれ分配の拒否権または提案権をもつ、よりインタラクティブで双方向的な報酬分配場面を設定した。最後通牒ゲームでは、提案者が報酬分配に関する提案をし、応答者がその提案を受諾するか、拒否するかを決定する。応答者が受諾すれば、互いに提案どおりの報酬を得ることができる。一方、応答者が拒否すると、互いに報酬を得られない。そうした場面で、パートナーの意思決定はサルの「不公平感」や「他者への配慮」の表出に影響するか、を検討した。提案者と応答者は対面し、その間に2つの餌箱と拒否箱を1つ設置した。提案者は2つの餌箱から1つを提案した。応答者は、その提案を受諾する場合は、餌箱の引き出しを引いて報酬を分配し、拒否する場合は、拒否箱を引いて能動的に拒否するか、何も操作せずに制限時間内を過ごして受動的に拒否した。応答者が拒否をすると、応答者自身も提案者も報酬を得ることができなかった。餌箱の中身は、報酬の配置パターンによって異なっていた。その結果、彼らの「他者への配慮」には自身が払うコストの有無が影響する一方で、パートナーの意思決定はコストのかかる「他者への配慮」や「不公平感」の表出を促進すること、特に意図があるときに、パートナーからの不公平な提案に対して自身の報酬を犠牲にしてまで拒否する形で、「不公平感」の表出が促進されることが示された。フサオマキザルは、モラルを支える「不公平感」や「他者への配慮」といった高次感情を持つだけでなく、自身の報酬の価値の保証や他者の意思決定に応じて、その感情を柔軟に表出することが明らかになった。フサオマキザルは、報酬分配場面において、「不公平感」や他者への「配慮」といったモラルを支える重要な高次感情を示すことで知られる。そこで、彼らを対象に、高次感情の生起・制御に影響する要因について検討した(計画1)。分配者は被分配者と対面しており、その間に2つの餌箱を設置した。研究1では、報酬を得るための分配者の労力の増加や被分配者の協力の有無が、高次感情の生起や制御に影響するか、を検討した。分配者は自身の選択によらず同じ報酬を得たが、被分配者の報酬は分配者の選択により異なった。分配者は、自身の労力のみが増加した条件(不公平条件)では、被分配者の有無に関わらない報酬分配をし、労力が増加する前に比べ、被分配者に価値の低い報酬を与えるようになった。他方、分配者と被分配者が同等の労力を払って報酬を得る条件(公平条件)では、分配者は、被分配者がいないときよりも、いるときに、価値の高い報酬を多く分配した。研究2では、分配者の報酬が保障されなくても、他者への「配慮」は見られるのか、を検討した。分配者の選択肢には、自身には価値の高い報酬、被分配者側には価値の低い報酬が渡る「利己的な選択肢」と、自身と被分配者側に中程度の価値の同じ報酬が渡る「相利的な選択肢」があった。分配者のみが労力を払う場合、分配者は、被分配者の有無や社会的順位にかかわらず、利己的な選択肢を選択した。ただし、研究1と同様に労力を操作したところ、不公平条件では、分配者は被分配者の有無に関わらず、利己的な選択肢を選択したが、公平条件では、半数の分配者が、被分配者がいないときよりも、いるときに、相利的な選択肢を有意に多く選択した。モラルの維持を支える高次感情の生起・制御には、報酬を得るための自身の労力や、他者の協力の有無、報酬の保障の有無、が影響することが示唆された。そこで、彼らを対象に、高次感情の生起・制御に影響する要因について検討する(計画1)ため、本年度の研究では、被分配者として子ども2個体(1歳メス)を用いて、(1)被分配者が子どもであること・(2)子どもとの血縁関係・(3)子どもの成育歴(mother-raised/human raised)が、報酬分配場面におけるフサオマキザルの他者への「配慮」に影響するか、を検討した。分配者は餌箱を選択・操作して報酬を得たが、被分配者は何も作業をせず、報酬を得た。分配者は、自身の選択によらず同じ報酬を得たが、被分配者の得られる報酬は分配者の選択により異なった。順位テストにより、子ども2個体が分配者の大人6個体よりも劣位であることは確認した。試行を繰り返した結果、分配者6個体のうち1個体(最優位のオス)のみが、子ども2個体のうちの1個体(血縁関係にない人工飼育の子ども)に対して、被分配者がいないときに比べて、有意に多く価値の高い報酬がわたる餌箱を選択した。

つまり、自身の報酬が保障されているにかもかかわらず、ほとんどすべての分配者個体が、子ども個体に対して、自身との血縁関係やその成育歴にかかわらず、「配慮」を示すことはなかったのである。子ども個体は、やや控えめだが、大人個体と同様、価値の高い報酬に手を伸ばすなどして催促していたし、価値の低い報酬を与えられた際には抗議行動も示していたが、それらの行動は分配者の選択に明らかな影響を及ぼさなかった。大人個体同士のやりとりにおいてのみ、他者への「配慮」が発揮される理由については、今後、詳細に検討していくべきである。本研究の目的は、モラルの進化的起源を解明することである。フサオマキザルは、報酬分配場面において、「不公平感」や「他者への配慮」といったモラルを支える重要な高次感情を示すことで知られる。本年度は、最後通牒ゲームの手続きを利用し、分配者と被分配者がそれぞれ分配の拒否権または提案権をもつ、よりインタラクティブで双方向的な報酬分配場面を設定した。最後通牒ゲームでは、提案者が報酬分配に関する提案をし、応答者がその提案を受諾するか、拒否するかを決定する。応答者が受諾すれば、互いに提案どおりの報酬を得ることができる。一方、応答者が拒否すると、互いに報酬を得られない。そうした場面で、パートナーの意思決定はサルの「不公平感」や「他者への配慮」の表出に影響するか、を検討した。提案者と応答者は対面し、その間に2つの餌箱と拒否箱を1つ設置した。提案者は2つの餌箱から1つを提案した。応答者は、その提案を受諾する場合は、餌箱の引き出しを引いて報酬を分配し、拒否する場合は、拒否箱を引いて能動的に拒否するか、何も操作せずに制限時間内を過ごして受動的に拒否した。応答者が拒否をすると、応答者自身も提案者も報酬を得ることができなかった。餌箱の中身は、報酬の配置パターンによって異なっていた。その結果、彼らの「他者への配慮」には自身が払うコストの有無が影響する一方で、パートナーの意思決定はコストのかかる「他者への配慮」や「不公平感」の表出を促進すること、特に意図があるときに、パートナーからの不公平な提案に対して自身の報酬を犠牲にしてまで拒否する形で、「不公平感」の表出が促進されることが示された。フサオマキザルは、モラルを支える「不公平感」や「他者への配慮」といった高次感情を持つだけでなく、自身の報酬の価値の保証や他者の意思決定に応じて、その感情を柔軟に表出することが明らかになった。
紅藻植物の受精における不動精子・受精毛の接着機構の解明

1培養株の収集・確立これまで国内における磯採集や内外の研究施設からの送付により8目14種の紅藻培養株を入手し,研究室において単藻培養株を確立した.有性生殖(受精)が確認されている12目の紅藻のうち、7目10種の雌雄両方あるいはいずれかの配偶体が得られている中で,成熟し,不動精子あるいは卵細胞を形成を確認しているものは,ダルス,カギノリ,フタツガサネ,ヨツガサネ,キヌイトグサの一種,カザシグサ,ササバアヤギヌの3目7種である.2形態学的および組織化学的観察特徴的な付属枝を持つことが知られているフタツガサネAntithamnion nipponicum不動精子の被膜・付属枝の詳しい形態を,共焦点レーザー顕微鏡,透過型及び走査型電子顕微鏡を用いて観察した.精子の表面には組織化学的性質の異なる内層と外層からなる無色の被膜が存在することが初めて示された.被膜内層から長さ80ミクロンに達する2本のリボン状付属枝が伸長し,長軸方向に配列する微細な繊維が多数編み合わせられて一本の付属枝を構成することが明らかになった.精子形成過程において,精子細胞の外に形成される精子被膜は,その形成初期において放出後にみられる組織化学的性質を有していた.付属枝は精子細胞内部の2個の小胞中に形成され,そのリボン状の形態や組織化学的性質は精子の成熟に伴って徐々に現われるようになった.放出後の精子を雌性配偶体に媒精すると,精子は藻体や毛状葉,受精毛の表面に付属枝を介して,あるいは巻き付けた状態で接着した.1培養株の収集・確立これまで国内における磯採集や内外の研究施設からの送付により8目14種の紅藻培養株を入手し,研究室において単藻培養株を確立した.有性生殖(受精)が確認されている12目の紅藻のうち、7目10種の雌雄両方あるいはいずれかの配偶体が得られている中で,成熟し,不動精子あるいは卵細胞を形成を確認しているものは,ダルス,カギノリ,フタツガサネ,ヨツガサネ,キヌイトグサの一種,カザシグサ,ササバアヤギヌの3目7種である.2形態学的および組織化学的観察特徴的な付属枝を持つことが知られているフタツガサネAntithamnion nipponicum不動精子の被膜・付属枝の詳しい形態を,共焦点レーザー顕微鏡,透過型及び走査型電子顕微鏡を用いて観察した.精子の表面には組織化学的性質の異なる内層と外層からなる無色の被膜が存在することが初めて示された.被膜内層から長さ80ミクロンに達する2本のリボン状付属枝が伸長し,長軸方向に配列する微細な繊維が多数編み合わせられて一本の付属枝を構成することが明らかになった.精子形成過程において,精子細胞の外に形成される精子被膜は,その形成初期において放出後にみられる組織化学的性質を有していた.付属枝は精子細胞内部の2個の小胞中に形成され,そのリボン状の形態や組織化学的性質は精子の成熟に伴って徐々に現われるようになった.放出後の精子を雌性配偶体に媒精すると,精子は藻体や毛状葉,受精毛の表面に付属枝を介して,あるいは巻き付けた状態で接着した.
IgEを介さない新しい喘息様病態発現メカニズムの解析手段としてのマウス系統差の研究

これまで、ディーゼル排気微粒子(DEP)をアレルゲンと共にマウスに気管内投与すると喘息様病態が発現し、その病態の程度は2系統のマウスで著しく違うことを認めた。そこで我々は、5系統のマウスにDEP(50μg)+OA(1μg)を3週間に1回ずつ気管内投与し、喘息様病態指標(気道粘膜への好酸球浸、や気道上皮の粘液産生細胞増生)の計測と血中抗体価を測定し両者の関係を調べた。その結果、マウスの系統によってその病態発現の程度が著しく異なり、その病態は血中IgE抗体価とではなく、IgG1抗体価と有意な相関性があることを見いだした。次に我々は肥満細胞を欠損したマウスを用いて、同様にDEP(50μg)+OA(1μg)を3週間に1回ずつ気管内投与し、IgEが結合する相手の無い状態のマウスではIgEとIgG1抗体価がどう変わり、喘息様病態(好酸球性気道炎症や気道上皮の粘液細胞化)の発現はどのように変化するかを調べ、喘息発現におけるIgG1抗体価の役割を明らかにすることを試みた。その結果、肥満細胞を欠損したマウスにおいてもDEPとアレルゲンとの併用投与によって気管支喘息病態は増強された。一方、血中のIgE抗体価は低くかったが、IgG1は非常に高い抗体価を示した。この結果は喘息様病態発症には肥満細胞やIgE抗体よりも気道への好酸球浸潤と共にIgG1抗体の産生が重要であり、DEPはこれらの誘導を高めるものであることが示唆された。マウスを用いた本研究の結果から、IgEを介さない新しい喘息様病態発現のメカニズムが明らかにされた。我々はこれまで、ディーゼル排気微粒子(DEP)をアレルゲンと共にマウスに気管内投与すると、好酸球の浸潤を伴う慢性的気道炎症等の気管支喘息の基本的病態が発現するとともに、マウスの系統によってその病態発現の程度が著しく異なることを見いだした。今回、このマウスの系統の差から喘息様病態発現のメカニズムを解析することを目的に、5系統のマウスに、0.05mgのDEPを毎週一回ずつ12回、OAは1μgを3週間に1回ずつ4回気管内投与し、最終投与の24時間後に屠殺して肺の病理標本を作成し、喘息様病態指標の計測を行った。さらに、血清を分離し、その中のIgEとIgG1抗体価を測定した。その結果、血清中IgE抗体価はどの系統のマウスにおいても変化しなかった。一方、血清中IgG1抗体価は、CBA,BDF,ICR,C57/BL,C3H/Heの順に増加し、系統間の抗体価(titer)は200位から20万まで増加していた。また、気道粘膜周辺への好酸球浸潤と気道上皮の粘液産生細胞の過剰増生等もIgG1増加の順に増加しており、好酸球浸潤の割合と粘液産生細胞の増生割合はIgG1値との間に統計的に有意な相関性が認められた。これらの結果から、気道炎症や粘液過剰産生のような喘息様病態の発現は、IgEとではなく、IgG1と関連しているものと考えられる。今後は、さらに定量的な検討を行う予定である。我々はこれまで、ディーゼル排気微粒子(DEP)をマウスにアレルゲンと共に気管内投与すると、好酸球の浸潤を伴う慢性気道炎症等の気管支喘息の基本病態が増強すること、また、マウスの系統によってその病態発現の程度が著しく異なり、その病態は血中IgE抗体価とではなく、IgG1抗体価と有意な相関性があることを見いだした(8年度)。

本年度は遺伝的に肥満細胞を欠損したマウスを用いて、0A(1μg)+DEP(50μg)を3週間に1回ずつ4回気管内投与し、IgEが結合する相手の無い状態のマウスではIgEとIgG1抗体価がどう変わり、喘息様病態(好酸球性気道炎症や気道上皮の粘液細胞化)の発現はどうのように変化するかを調べ、喘息発現におけるIgG1抗体価の役割を明らかにすることを試みた。その結果、肥満細胞を欠損したマウスにおいてもDEPとアレルゲンとの併用投与によって気管支喘息病態は増強された。しかし、血中のIgE抗体価は低く(2-10titer)、その変化は気道の病態変化とは対応しなかった。この結果は喘息様病態発症には肥満細胞やIgE抗体が関与しないことを示唆している。一方、血中IgG1抗体価はIgE抗体価に比べると比較にならないほど高かった(10万100万titer)。この結果から、アレルゲンとの併用投与による喘息様病態の発症には増強された気道への好酸球浸潤と共にIgG1抗体のある程度の産生が必須である可能性が示唆された。
DNAポリメラーゼα-プライマーゼの反応機構の構造的基盤

染色体DNA複製における新生DNA鎖合成開始の際、まず最初に約10塩基からなるプライマーRNA分子がプライマーゼにより合成される。真核細胞/古細菌型プライマーゼは制御(PriL)及び触媒サブユニット(PriS)のヘテロ2量体を形成している。本研究課題はPriS:PriL複合体の触媒反応機構を原子レベルで解明することを目標においている。古細菌Pyrococcushorikoshii由来PriLの1-222アミノ酸残基からなるN末ドメイン(PriL^<NTD>)は、PriSとの非常に強固な分子間相互作用を担っている。PriL^<NTD>の立体構造は研究代表者によりすでに決定されている。この立体構造を基に各種欠失及びアラニン置換変異体を作成し、PriL^<NTD>のPriS結合領域を決定し、分子間相互作用の構造的基盤を明らかにした。具体的には、GST融合タンパク質を用いた共沈降法からi)PriSはPriL^<NTD>中の101-165アミノ酸残基で構成されるtwistedβ-strand構造を持つサブドメイン2(SD2)に結合、ii)SD2には結晶の非対称単位を構成する分子の1つに、ヘリックスH8領域が欠失していた。このことからヘリックスH8領域のPriS結合に関与する可能性を検討したところヘリックスH8により結晶構造で塞がれていた見かけ上は埋もれた疎水残基Tyr155-Tyr156-Ile157にアラニン置換変異を導入すると、PriS結合能に大きな影響をもたらすことを見いだした。また結合定数についても表面プラズモン解析により決定した。PriS:PriL^<NTD>及びPriS:PriL複合体の結晶化を行った。得られた結晶については低分解能もしくはほとんど回折能を有していなかった。現時点では、他生物由来PriS:PriL複合体の発現系の構築、精製、結晶化などの詳細な検討を進めている。真核細胞及び古細菌ではプライマーゼは制御(PriL)及び触媒サブユニット(PriS)のヘテロ2量体を形成している。本研究課題はPriS/PriL複合体の触媒反応機構を原子レベルで解明することを目標においている。今年度は、研究代表者によりすでに決定されていた古細菌由来PriLのN末ドメイン(PriL-NTD)の立体構造を基に各種変異体を作成し、PriSとの非常に強固な分子間相互作用の構造的基盤を明らかにした。具体的には、i)PriSはPriL-NTD中の中央領域に位置する、ユニークなフォールドを持つサブドメイン2(SD2)を介して結合すること、ii)SD2には結晶構造中でディスオーダーしたヘリックスH8が存在しているが、このヘリックスはPriS結合には必須ではなく、むしろ結晶構造ではヘリックスH8により見かけ上塞がれていた疎水表面が重要であり、これらの領域に変異を導入すると、PriS結合能が完全に失われることを見いだした。これらの結果から、PriS/PriL複合体の非常に強固な結合を担う決定的なアミノ酸残基を同定することができた。PriS/PriL-NTD及びPriS/PriL複合体の結晶化も進めている。現在の時点では、結晶の作成は成功したが、放射光を用いた回折実験でも反射が観察されず、今後結晶化条件や精製条件などの詳細な検討を計画している。
ビリルビン除去装置の開発

近年、集中治療医学の進歩により、多臓器不全から回復後に重度の肝障害が継続する症例が増加している。肝障害によるビリルビン濃度の上昇を抑制するため、血漿交換や体外循環によるビリルビン吸着が行われるが、感染症や費用の問題があり、適応は限られている。一方、新生児の高ビリルビン血症では光線療法(緑色光)によりビリルビンの脂溶性を低下させ、肝臓や腎臓からの排泄を促進することができる。しかし成人では体重あたりの体表面積が少ないため光線療法は行われていない。本実験は体外循環中の限外濾過カラムを緑色光で照射し、血中ビリルビンの脂溶性を低下させビリルビンを限外濾過することを目的としている。前年度は、自然状態のビリルビンと血液をカラム内内に灌流する事で、少量のビリルビンがカラム外に限外濾過されることを吸光光度の上昇により確認した。加えて、カラムに光を照射することによりビリルビンの限外濾過量が増加することを観察した。本年度は臨床で持続血液濾過透析に用いられている濾過膜(旭メディカル社製パンフ口ーAPFO6S)を用いて、緑色光を照射しない状態でも水溶性のビリルビンが限外濾過されうることを確認した。しかし濾過量は少量で、臨床上ビリルビン値を低下させるには至っていない。ビリルビンは生体内で長時間存在するとアルブミンと共有結合し、分子量の大きさから限外濾過が不可能となる。今後、ビリルビンとアルブミン間の共有結合に対し、緑色光がどのような作用を有するか調べることが必要であると考えている。新生児の高ビリルビン血症では光線療法によりビリルビンの脂溶性を低下させ、肝臓や腎臓からの排泄が促進される。しかし成人では体重あたりの体表面積が少ないこと等が原因となり光線療法は行われていない。本実験は緑色光の照射下に限外濾過カラムに血液を灌流し、ビリルビンを除去することを目的としている。本年度は、自然状態のビリルビンと血液をカラム内に灌流する事で、少量のビリルビンがカラム外に限外濾過されることを吸光光度の上昇により確認した。加えて、カラムに光を照射することによりビリルビンの限外濾過量が増加することを観察し当初の目的を達成した。また実験方法として、全血で行うより血球を除去した状態で灌流する事により除去効率が上昇する事を観察した。文献によると(ZE)-bilirubinと(ZZ)-bilirubinから(EZ)-bilirubinが光による立体異性比反応により生じ、(EZ)-bilirubinから(EZ)-cyclobilirubinが構造異性比反応により産生される。(EZ)-cyclobilirubinは胆汁だけでなく尿中にも排泄されビリルビンの光線療法で重要な役割を果たしていることが報告されている。そのため、本実験においてもビリルビンがどのような状態でカラム外へ移行したか調べる必要がある。今後は高速液体クロマトグラフィーを用いて濾過液の解析を行い、除去機序の解明に努める。また臨床応用を目指し、ビリルビンのクリアランスの算出を行い、ビリルビン除去効率の上昇をはかる。
YbInCu_4の温度、磁場誘起型価数転移と結晶構造の規則度との関係

C15b型の結晶構造をもつ金属間化合物YbInCu_4はTu40Kで価数転移を示すが、その価数転移とYb-In間のzincblende型秩序度との関係や価数転移の際の電子状態の変化をミクロに調べるために、ハイパワ-で位相干渉型の核磁気共鳴(NMR)装置を作製した。今のところ、NMR装置の立ち上げ、およびそれを用いたYbInCu_4における^<115>In核のNMR測定が行われているので、以下に、その研究の概要・成果を記す。まず、磁気的秩序が存在しないことに対応し、全ての温度領域で^<115>In NMRはナイトシフトKがゼロの付近に観測された。T>Tu,T<TuでKは全く異なった温度変化を示し、TTuでKに不連続な飛びができるが、その際、Tu近傍(3560K)でそれぞれに対応した二本のラインが観測され、その強度比が変化することが明らかになった。このことはこの価数転移が一次転移であることを示している。Kの温度変化は巨視的磁化率χに対応して、T<Tuではほとんど一定、T>Tuでキュリ-則的な温度変化を示す。このKとχは直線的にスケ-ルし、その間の超微細結合定数は物質の電子状態を反映しているが、YbInCu_4ではT>TuとT<Tuで結合定数が5倍程度変化し電子状態に大きな変化があることが明らかになった。更に動的観点から調べるためにスピン-格子緩和時間T_1の測定を行った。その結果、T_1はT>TuでYb^<3+>の局在モ-メントを反映した一定の値を示し、また、T<Tuではパウリ常磁性的コリンガ関係を示すことが明らかになった。このことは、T=Tuにおける価数転移が局在モ-メント系からフェルミ液体系への転移であることを示している。これに関して、阪大・基礎工のグル-プ(中村・中島・北岡・朝山)と共同研究を行い、^<63>Cuの核四重極共鳴を測定することにより同様の結論を得ている。今後、(Yb-In)サイト内の秩序構造と価数転移との関係や磁場誘起価数転移に及ぼす影響を系統的に調べ、価数転移の機構解明へと迫っていきたい。
脳腫瘍に対する免疫治療に伴う遺伝子発現のcDNAマイクロアレイ法による解析

本研究の目的は、樹状細胞を用いた免疫治療を施行した悪性脳腫瘍患者における治療前後の遺伝子発現の変化についてc DNAマイクロアレイ法を用いて解析し、本治療に抵抗性を示す宿主免疫応答抑制機構を解明することである。現在、凍結保存された上記検体より、total RNAを単離し、^<33>Pでラベルされたc DNAプローブを作成の準備中である。手術時に得られた組織を用いた免疫組織化学検討にて、樹状細胞を用いた免疫治療前および治療後における腫瘍内浸潤CD8陽性Tリンパ球数は、樹状細胞治療後は治療前に比べ約30倍に増加していた。しかし、腫瘍の拒絶に至るには、腫瘍内浸潤CD8陽性Tリンパ球数の増加は不十分であり、腫瘍細胞が分泌するtransforming growthfactor-β(TGF-β)によりCD4+Th細胞による抗腫瘍サイトカイン(IL-2,IL-4,IFN-γ,TNFα)の産生が抑制されていたり、glioma細胞が発言したFas ligandによりエフェクター細胞であるCTLをアポトーシスにさせ、抗腫瘍免疫を抑制しているといった機序が考えられる。今後、cDNAマイクロアレイを用い、遺伝子解析樹状細胞を用いた免疫治療前後における遺伝子の発現の変化を解析する予定である。免疫組織化学法用に、一個のパラフィンブロックに200サンプルの組織を抱埋し、切片を作成することが可能な組織マイクロアレイを作成する予定である。現在、凍結保存された上記検体より、total RNAを単離し、^<33>pでラベルされたc DNAプローブを作成の準備中である。しかし、脳の局所リンパ節と考えられる頚部リンパ節においては、CD8陽性Tリンパ球数の変化は一定の傾向を示さず、腫瘍抗原の感作が不十分な場合があると考えられた。今後、c DNAマイクロアレイを用い、遺伝子解析樹状細胞を用いた免疫治療前後における遺伝子の発現の変化を解析する予定である。
生体高分子会合の溶液理論への情報理論の応用

蛋白質の会合に関連しているアクチンは、高塩濃度の溶液中において会合によりフィラメントを自発的に形成する。近接したアクチン2分子間に働く高分子込み合い効果起因の平均力を、溶液理論の一つである拡張scaled particle theory(XSPT)を用いて計算した。その結果、X線小角散乱により予想されている、溶液中のダイマーがとる2分子相対配置が計算では最も安定となった。また、クラウダー(ここではアクチン単分子)の空間充填率が高濃度(空間充填率が0.6以上)では安定化される2分子の相対配置がフィラメント内での軸方向の相対配置と一致し、低濃度と異なる結果となった。つまり、高分子込み合い効果でのクラウダーに対するダイマーの排除体積の大小のみで議論できないことがわかった。XSPTにおいて排除体積の仮想的スケーリングに関する関数形の導出のため-に、情報処理理論である計算幾何学でのαシェイプが用いられた。このことにより、蛋白質分子の立体構造の変化に伴う形状の変化を直接計算に取り入れることが可能になっている。Fundamental measuretheory(FMT)と呼ばれる密度汎関数理論の二つの表現が、ひとつの項を除いてXSPTと全く同じになることが今回の研究でわかった。αシェイプの手法をFMTにも同様に適応した結果、XSPTの結果とFMTの結果は正しいと予想される高分子込み合い効果起因の平均力ポテンシャルの値を挟み込む形で値を与えることがわかった。生体高分子会合の溶液理論への情報理論の応用を研究課題として、次のような目標を立てた。最近注目されている排除体積効果による溶液中の生体高分子会合の促進(macromolecular crowding)および生体にとって重要な生体高分子間相互作用を、溶液理論の立場から解明する。その際、溶液理論の一つである拡張scaled particle theoryを応用する。生体高分子形状の会合への影響の計算に溶液理論と情報理論における計算幾何学手法を組み合わせる手法の確立。具体例として、筋肉蛋白質であるアクチンフィラメント内の蛋白質分子間相互作用に開発した理論を応用する。ミクロな蛋白質分子がマクロな構造であるフィラメントを構築するために会合してゆく現状を考察する。このうち平成14年度は、次の成果を得ることができた。溶液中の蛋白質分子間の相互作用への、拡張scaled particle theoryの応用。計算幾何学手法を使用し蛋白質分子間相互作用計算での拡張Scaled particle理論の高速化をはかった。計算幾何学で3次元画像処理に用いられるαシェイプの手法を持ちいて、複数個の蛋白質分子がフィラメント等の規則構造を取っている場合に幾何学的な対称性を利用できる計算手法を確立した。このことにより、幾何学的な考察に基づく朝倉・大沢理論の精密化として、拡張scaled particle theoryを位置づけ、その適応範囲を広げることにより理論を拡張した。最初の具体例としてdipeptideを用いて計算を行った。生体高分子会合の具体例として、モーター蛋白質であるアクチンについて,会合過程を考察すべく研究を行ってきた。まず、第一段階としてアクチン分子が2個会合した場合に働いている平均力について計算を行った。考察の対象を排除体積起因平均力(引力)に限定し、我々が開発してきた拡張scaled particle理論(XSPT)を用いて、2分子の相対配置を変更して結果を比較した。その結果、アクチンがフィラメントを形成した際の、螺旋に沿った2分子の相対配置が最も安定であることがわかった。また、キノコ毒であるファロイジン分子は、2分子の隙間に入り込むことにより、螺旋状の配置をより安定化させていることがわかった。これは、ファロイジン分子がアクチンフィラメントを固定化することにより毒として機能している知見と一致する。XSPTでは、分子内形状(蛋白質分子のコンフォメーション)を反映させた計算も可能である。そのため、モノマーとして遊離して存在するアクチン分子のコンフォメーションと、アクチンフィラメント中のアクチン分子のコンフォメーションで平均力の違いを考察した。その結果、アクチンフィラメント内でみられるアクチン分子のコンフォメーションは、螺旋状配置にあるアクチン2分子をより安定化することがわかった。

これらのXSPTの計算には情報理論におけるアルファシェイプの方法が必要であり、この部分はEdelsbrunnerらのプログラムの利用にとどまっていた。この部分のプログラムを自作すべく、今年度はその基礎となる4次元凸包のプログラムの開発に取り組み成功した。溶液理論や高分子理論で分子や分子会合体の形状を定量的に議論するためには、3次元分子形状の幾何学的定式化が必要である。我々は情報処理理論であるアルファシェイプに注目し、コンピュータでの高速計算を行うべくプログラム作成を行ってきた。今年度は、3次元アルファシェイプを4次元凸包から導出するプログラムを作成した。これまでのプログラム作成により、4次元凸包、3次元重みつきドロネー図、そして、3次元アルファシェイプという一連の流れが完成した。この3次元アルファシェイプは、溶液理論の一つである拡張scaled particle theory (XSPT)の一部をなす。蛋白質分子形状の会合および重合への影響の計算に溶液理論と情報理論における計算幾何学手法を組み合わせる手法が確立したことに相当する。具体例として、筋肉蛋白質であるアクチンフィラメント内の蛋白質間相互作用およびその結果としての重合に、拡張scaled particle theoryを応用する。ミクロな蛋白質分子がマクロな構造であるフィラメントを構築するために会合してゆく現状を考察する。溶液中の蛋白質分子間の相互作用へのXSPTの応用。アクチンのダイマーについて、相対的な配置を変えて排除体積効果起因の平均力を計算した。その結果、実験で予想されている配置(会合したアクチンフィラメント内での螺旋の道筋に沿った配置)が、この平均力では最も安定であることがわかった。また、アクチンフィラメントを安定化させる(そのために動的な会合乖離を阻害する)ファロイジン分子が同時に会合する場合、ダイマー状態がより安定化されることがわかった。また、遊離したアクチンの濃度が濃いほど、ダイマーが安定化することがわかった。主に二点について研究を行った。第一のトピックは、アクチン分子間に働く排除体積起因の平均力の計算であり、第二のトピックは、2状態モデルを用いた球状蛋白質の熱容量の計算である。第一のトピックは、蛋白質の会合に関連している。アクチンは高塩濃度の溶液中で、会合によりフィラメントを自発的に形成する。近接したアクチン2分子間に働く高分子込み合い効果起因の平均力を、5種類の2分子相対配置について、溶液理論の一つである拡張scaled particle theory(XSPT)を用いて計算した。その結果、溶液中のダイマーがとる2分子相対配置が最も安定となった。また、高濃度では安定化される2分子の相対配置が低濃度と異なる結果になった。