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凝縮液膜の波状化を利用した汚染ガス除去の促進メカニズムの解明

微小粒子やCO_2などの各種汚染ガスを含む排ガスの分離・回収の高効率化は環境問題解決のためのキーテクノロジーである.その解決策の一つとしてミスト化を利用した凝縮式ガス吸収方式がある.この方式は,液膜表面が凝縮により更新され常に高いガス濃度ポテンシャルが維持されることおよび液相内でのガス濃度分布の一様化が生じることにより,ガス吸収が気相内ガス拡散律速となり,液相内拡散律速の従来法である流下液膜方式に比べて数倍ガス吸収速度が促進されるとともに回収液の後処理も軽減できるところに大きな特徴がある.しかし,その一方では,ガス吸収速度が排ガス中に含まれる水蒸気の冷却面への凝縮速度に依存するためガス吸収量には限界がある.すなわち,さらなる効率向上には凝縮速度の促進法の追究が必要と言える.以上の観点から,本研究は,排ガス処理の特色ある新技術として凝縮およびミスト化を利用したガス吸収法の高性能化を目的に,凝縮液膜流と気流を対向させ,気流せん断力による凝縮液膜の波状化およびフラッディング現象と凝縮速度促進とそれに伴うガス吸収速度の促進のメカニズムについて追究を行った.その結果,汚染ガスとしてCO_2を供した検討では現象が非常に複雑なうえ吸収量測定に多くの問題が生じ,CO_2ガスの除去効率を明らかにするまでには至らなかったが,気流せん断力により液膜の不安定波状流あるいは上昇液膜流が出現し凝縮伝熱が促進されることが凝縮液の動挙動と関連づけて明らかにされた.また,液膜の波状化のために要したポンプ動力とそれによる伝熱促進量の比較から本方式がエネルギー効率の上からも有効であることが明らかにされた.さらに,液膜の波状化による凝縮伝熱の促進に及ぼす管寸法の影響が凝縮液の動挙動と関連づけて明らかにされるとともに促進比が最大となる条件が管寸法と操作条件の関係において存在することが明らかにされた.微小粒子やCO_2などの各種汚染ガスを含む排ガスの分離・回収の高効率化は環境問題解決のためのキーテクノロジーである.その解決策の一つとしてミスト化を利用した凝縮式ガス吸収方式がある.この方式は,液膜表面が凝縮により更新され常に高いガス濃度ポテンシャルが維持されることおよび液相内でのガス濃度分布の一様化が生じることにより,ガス吸収が気相内ガス拡散律速となり,液相内拡散律速の従来法である流下液膜方式に比べて数倍ガス吸収速度が促進されるとともに回収液の後処理も軽減できるところに大きな特徴がある.しかし,その一方では,ガス吸収速度が排ガス中に含まれる水蒸気の冷却面への凝縮速度に依存するためガス吸収量には限界がある.すなわち,さらなる効率向上には凝縮速度の促進法の追究が必要と言える.以上の観点から,本研究は,排ガス処理の特色ある新技術として凝縮およびミスト化を利用したガス吸収法の高性能化を目的に,凝縮液膜流と気流を対向させ,気流せん断力による凝縮液膜の波状化およびフラッディング現象と凝縮速度促進とそれに伴うガス吸収速度の促進のメカニズムについて追究を行った.その結果,汚染ガスとしてCO_2を供した検討では現象が非常に複雑なうえ吸収量測定に多くの問題が生じ,CO_2ガスの除去効率を明らかにするまでには至らなかったが,気流せん断力により液膜の不安定波状流あるいは上昇液膜流が出現し凝縮伝熱が促進されることが凝縮液の動挙動と関連づけて明らかにされた.また,液膜の波状化のために要したポンプ動力とそれによる伝熱促進量の比較から本方式がエネルギー効率の上からも有効であることが明らかにされた.さらに,液膜の波状化による凝縮伝熱の促進に及ぼす管寸法の影響が凝縮液の動挙動と関連づけて明らかにされるとともに促進比が最大となる条件が管寸法と操作条件の関係において存在することが明らかにされた.本研究は、凝縮およびミスト化を利用したガス吸収法による排ガス処理の高性能化として、凝縮液膜の波状化・乱流化ならびに流動不安定化による凝縮伝熱の促進法を提案し、その基礎メカニズムの解明と最適設計・運転条件を提供することを目的とする。具体的には、強制対流凝縮を対象に凝縮熱伝達率やガス吸収速度に及ぼす凝縮液膜の波状化やフラッディング現象の影響など基礎メカニズムを解明し、それと関連する排熱回収高率、ガス吸収効率、動力損失(圧力損失)を総合評価することによりシステムの最適設計・運転条件を明らかにする。本年度は、鉛直冷却管内を上向きあるいは下向きに流れる空気-水混合蒸気の管内強制対流凝縮実験装置を設計・製作し、凝縮液膜の動挙動の観察および凝縮速度、圧力損失の測定を行った。さらに、これら凝縮液膜の動挙動と凝縮伝熱特性に及ぼす操作条件(蒸気濃度・温度、速度、気流方向)や装置寸法(冷却管長さ、内径)の影響について検討を行った。その結果、上向き流の場合、気流せん断力により液膜流の不安定波状流あるいは上昇液膜流が出現し凝縮速度が向上すること、および操作条件と装置寸法との関係において凝縮伝熱促進効果には最適値が存在することが明らかにされた。また、提案した方式の実用化には凝縮伝熱促進のみではなく系全体のエネルギー効率についての検討が必要であることから、上向き流において液膜を上昇させるために消費するエネルギーとして単位面積あたりのポンプ動力を圧力損失の測定結果から求め凝縮伝熱促進量と比較した結果、凝縮熱伝達の大幅な向上に対してポンプ動力はかなり小さいオーダーであることが明らかにされた。本研究は、凝縮およびミスト化を利用したガス吸収法による俳ガス処理の高性能化として、凝縮液膜の波状化

・乱流化ならびに流動不安定化による凝縮伝熱の促進法を提案し、その基礎メカニズムの解明と最適設計・運転条件を提供することを目的とする。具体的には、強制対流凝縮を対象に凝縮熱伝達率やガス吸収速度に及ぼす凝縮液膜の波状化やフラッディング現象の影響など基礎メカニズムを解明し、それと関連する排熱回収効率、ガス吸収効率、動力損失(圧力損失)を総合評価することによりシステムの最適設計・運転条件を明らかにする)。前年度、鉛直冷却管内を上向きあるいは下向きに流れる空気-水混合蒸気の管内強制対流凝縮実験を行い、気流せん断力により液膜流の不安定波状流あるいは上昇液膜流が出現し凝縮速度が向上すること、および操作条件と装置寸法との関係において凝縮伝熱促進効果には最適値が存在することを明らかにした。本年度は、これらの成果をもとに汚染ガスとしてCO2を供試した実験を行うため前年度の装置を改良したが比較的高速の空気-水混合蒸気流にCO2を均一に混入し一定温度・濃度条件を得るにはさらなる改良が必要であることがわかり引き続き作業中であるものの、凝縮伝熱促進に関しては供試管内径や長さなどさらに異なる条件での実験を重ね最適設計・運転条件を得るための多くのデータを得た。また、下向き流の場合に観察されたミストの発生は上向き流の場合には観察されないことを確認した。気相内の熱的・組成的不安定場が液膜の波状化や脈動により緩和されるためと考えられる。理論的には凝縮を伴い流下する液膜の気流せん断力による逆流開始点について明らかした。波状化による凝縮伝熱の促進やガス吸収促進の解明について今後さらに検討する予定である。微小粒子やCO_2などの各種汚染ガスを含む排ガスの分離・回収の高効率化は環境問題解決のためのキーテクノロジーである.その解決策の一つとしてミスト化を利用した凝縮式ガス吸収方式がある.この方式は溶質ガスを含む高温の湿り空気を冷却面と接触させ混合気中の水蒸気分子により凝縮液膜を形成し,同時に気流と液膜表面間のガス濃度差をポテンシャルとしてガス分子を拡散輸送するものである.液膜表面が凝縮により更新され常に高いガス濃度ポテンシャルが維持されることおよび液相内でのガス濃度分布の一様化が生じることにより,ガス吸収が気相内ガス拡散律速となり,液相内拡散律速の従来法である流下液膜方式に比べて数倍ガス吸収速度が促進されるとともに回収液の後処理も軽減できるところに大きな特徴がある.しかし,その一方では,ガス吸収速度が排ガス中に含まれる水蒸気の冷却面への凝縮速度に依存するためガス吸収量には限界がある.すなわち,さらなる本方式の効率向上には凝縮速度の促進法の追究が必要と言える.以上の観点から,本研究は,排ガス処理の特色ある新技術として凝縮およびミスト化を利用したガス吸収法の高性能化を目的に,凝縮液膜流と気流を対向させ,気流せん断力による凝縮液膜の波状化およびフラッディング現象と凝縮速度促進とそれに伴うガス吸収速度の促進のメカニズムについて追究を行った.その結果,汚染ガスとしてCO_2を供した検討では現象が非常に複雑なうえ吸収量測定に多くの問題が生じ,CO_2ガスの除去効率を明らかにするまでには至らなかったが,気流せん断力により液膜の不安定波状流あるいは上昇液膜流が出現し凝縮伝熱が促進されることが凝縮液の動挙動と関連づけて明らかにされた.また,液膜の波状化のために要したポンプ動力とそれによる伝熱促進量の比較から本方式がエネルギー効率の上からも有効であることが明らかにされた.
精神医学への新しいアプローチ：研究領域基準（RDoC）の計算論的基盤構築

精神医学の新しい研究アプローチとして研究領域基準(Research Domain Criteria; RDoC)が注目されている。RDoCは従来の疾患の分類の枠組みにとらわれず,症状の実態に即した行動指標とそれに対応する生物学的基盤に基づいて精神疾患をとらえる研究方略である。本研究では,計算論モデルや統計モデルを用い,従来の精神医学の研究においてこれまで中心的に用いられてきた疾患カテゴリベースの研究法と比べてRDoCがどのような利点を持つかを理論的に検討するための枠組みを構築した。それにより,従来の疾患のカテゴリーを用いる方略よりRDoCが高い確率で病因を同定できる条件などを議論した。RDoCは従来の疾患カテゴリにとらわれず,症状の実態に即した行動指標とそれに対応する生物学的基盤に基づいて精神疾患をとらえようとする研究方略である。本研究では,精神医学の基礎研究や臨床応用において,これまで中心的に用いられてきた疾患カテゴリベースの研究法と比べ,RDoCがどのような長所,および短所を持つかを理論的にあきらかにすることを目標としている。初年度では,まずその理論的基盤構築のため,精神疾患の疾患因子がどのように行動や診断基準となる要因に表されるかということを表現する数理モデルを構築した。そのモデルをベースに,RDoCと従来の疾患カテゴリベースそれぞれにもとづく研究法において,疾患因子がどの程度の検出力で同定され得るかを計算機シミュレーションおよび理論解析により導いた。その結果,同じ疾患カテゴリに多数の疾患因子が関係している場合等はRDoCにもとづくアプローチで検出力がより強くなることがわかった。一方,疾患因子が比較的少なく,疾患カテゴリの分類基準が十分に多いときなどは従来型の疾患カテゴリにもとづく研究法が優る場合があることがあきらかとなった。これらの結果は,精神疾患についての基礎研究の今後の方向性を検討する上で有益な知見となると考えられる。この理論的枠組みにより,具体的な疾患や,RDoCの構成要素である研究領域・解析単位がどちらの状況に近いか,RDoCが実際の精神疾患研究においてどの程度有効であるか,等をあきらかにしていくことが次年度の課題である。初年度で予定していた理論的基盤構築および理論的解析は完了し,その成果は査読付きの論文誌に論文として投稿中である。したがって,現在までの進捗状況は概ね順調であるといえる。RDoCは従来の疾患の分類の枠組みにとらわれず,症状の実態に即した行動指標とそれに対応する生物学的基盤に基づいて精神疾患をとらえようとする研究方略である。本研究では,従来の精神医学の基礎研究や臨床場面での応用においてこれまで中心的に用いられてきた疾患カテゴリベースの研究法と比べ,RDoCがどのような長所,および短所を持つかを理論的にあきらかにすることを目標とした。初年度では精神医学の各研究法における,疾患因子の検出力を分析する理論的枠組みを構築した。2年目にあたる平成28年度ではその枠組みをさらに発展させ,精神疾患の生成過程モデルとしての計算論モデルを取り入れて具体的な精神疾患に対する研究方略を評価する枠組みを構築した。具体的な精神疾患の例として精神病の症状の生成過程を説明する計算論モデル(強化学習モデル; Maia & Frank, 2017)を取り入れたシミュレーションを行った。その結果,ドーパミン細胞の活動異常が症状の原因となるというMaia & Frank (2017)の仮定のもとでは,意欲消失等の陰性症状と幻覚等の陽性症状を分離して扱うRDoC的なアプローチが従来の診断カテゴリを用いる方法と比べてより高い検出力でその原因を見つけ出せることなどが明らかとなった。本研究成果は計算論モデルを用いて精神医学の研究方略を議論するための要素技術を確立したものといえる。次年度では初年度で構築した数理モデルに,実際のRDoCの構成要素である研究領域,解析単位を組み込むことで精緻化し,RDoCが具体的な精神疾患研究においてどの程度有効であるかを検討していく。さらにこれまで行われてきた精神医学に関する計算論モデル研究と,本研究で提案した理論モデルを理論的に結び付けていく作業をする。それにより,計算論モデルのどういったパラメータや構造がRDoCにおける特定の解析単位や構成要素と対応づけられるか,理論的な考察をする。それらの作業を通して,RDoCが既存の臨床知見をどの程度カバーし,従来の研究法よりも適切な治療法を提案できるか等の,RDoCの応用的発展性も検討していく。計算論的行動科学,学習心理学当該年度内に出版予定だった論文の出版が次年度にずれ込んだため,その出版費用分を次年度に繰り越した。数値シミュレーション用ワークステーション(約40万円)を購入する。

研究会等での情報収集および研究打ち合わせのための国内出張を行う(約5万円×10回= 50万円)。英語論文の英文校閲費用と出版費用に約50万円を充てる。
高度変性資料に対応可能なDNA多型を用いた法歯学的個人の識別

1.mtDNAのcoding領域の多型・系統検査本研究は法医学における個人識別に広く用いられているミトコンドリアDNA多型について、日本人における多型を検討し、ハプロタイプの系統分類についても詳細な系統樹の作製を行った。ほぼ全ゲノムの情報から日本人211人は106の系統に分類された。日本人はすべてM、N系統に分かれ、特にM系統の中のD4系統が最も多く34%を占めていた。control領域のみの変異では169型に分類されていたものが、coding領域を含めると197型に分類された。2.変性DNAからの多型検出法の検討抜去歯や血痕を資料とした変性DNAを用いて、変性DNAからの検査法についていくつかの方法を検討した。法医学的鑑定にまず用いられるのがHV1(16000-16421:421bp)である。このHV1が増幅されない資料が時々認められるが、16183-16193より前後に分けてPCR増幅を行ったところ、約200bpならばかなり変性した資料からでも増幅することが可能であった。この結果を上記1で作製した系統樹に当てはめ、次に必要な検査領域を選択することで僅かな資料からでも効率よい検査が可能となった。mtDNAは法医学領域での微量な資料や、高度に変性した資料からの検出効率が高いため、mtDNA多型の細分類は法医学上の個人識別の精度を飛躍的に上昇させる。また、これらの情報は法医学上のみならず、人類学、法医学におけるヒトの移動、地理的起源の推定、個人識別などにとって利用価値はさらに高まるものと考える。1.mtDNAのcoding領域の多型・系統検査211人の日本人のmtDNA全領域の塩基配列を決定することを目標とした。以前はTaqGoldというTaqを用いていたが、LA Taqという広い範囲をPCR増幅できるTaqを用いることでPCR増幅の回数を減らすことができ、現在全領域を4分割または5分割して一度に広範囲の増幅を行っている。mtDNAの多型検査には増幅、精製、Sequencing PCR、Sequenceなど結果が出るまでの実験過程が非常に多く、またデータ整理および解析がさらに手間のかかる細かな作業であり、現在も検査中である。これまでにも新たな変異部位が発見され、さらに詳細な日本人の系統が作成されつつある。また多人種のデータ整理を平行して行い、とくにアジアのさまざまな地域および人種との比較を行い、人種識別への応用も広がりをみせている。これまでにも実際の鑑定などにも応用してきている。今後も引き続き日本人の全塩基配列の検査および系統分類、さらに人種識別への応用について行う予定である。2.変性DNAからの多型検出法の検討抜去歯や血痕を資料とした変性DNAからの検査法についていくつかの方法を試みてきた。(1)増幅サイズの違いによる検出効率およびそれに伴う新たなPrimer設計(2)数種類の精製Kitを用いて、抽出されるDNA量や精製度合いの比較1の検査結果からある資料がどの系統に当てはまり、さらにはどの地域に由来するのかを検査するために必要な検査領域を選択し、2の結果から最良の条件下で行えるようにする。現在、実際の鑑定でも問題となる検査回数が限られた資料や変性資料の検査において、より有効な領域の選択が可能となってきている。今後も引き続き最適な領域を検査するために必要なPrimerの設計や、精製方法および増幅条件を検討していく。
単一高分子鎖における階層的構造転移の統計物理学的研究

今年度は、以下の3つの項目を重点的に研究した。(1)高分子鎖の空間拘束:分子鎖の硬さの効果前年度、(a)弱い閉じ込め,(b)強い閉じ込めの概念を導入することにより、空間拘束下の高分子鎖の振る舞いを統一的に取り扱う枠組みを導入した。この枠組みを、DNAなどの「半屈曲鎖」において重要となる分子鎖の硬さの効果をとりいれ一般化を行った。(2)強い外場に対する高分子鎖の非平衡応答分子量の大きな高分子鎖は、長い緩和時間を持ち、(スローダイナミクス)、比較的弱い外場に対して大きな変形、応答を示す。近年の一分子観察/操作の進展を視野に入れ、ここでは大きな力に応答する際の高分子鎖の非平衡ダイナミクスを記述する枠組みを構築した。特に、力が局所的に印加される場合には、これは高分子鎖の骨格に沿っての張力の伝播という形で定式化される。膜にあいたナノサイズの穴(nano pore)を通しての高分子鎖の輸送(polymer translocation)や、力学的操作による伸長のダイナミクスを解析した。(3)揺らぎと非平衡物性多成分の非平衡系における揺らぎと応答の関係を考察した。非平衡状態では、詳細釣合が成り立たず、その帰結として揺らぎの相関関数は時間並進対称性を失い、また、応答関数には非対称成分が顕在化する。これらの間になりたつ関係式を明らかにした。今年度は、主なテーマとして、「狭い空間に閉じ込められた高分子鎖」についての、理論的な研究を行った。よく知られているように、長い紐状分子である高分子鎖は、非常に柔らかな弾性を示し、その結果として、弱い外力に大きな応答を示し、また、非常に狭い空間に閉じ込めることも可能である。この、「高分子鎖の閉じ込め」は、高分子物理学における古典的問題として従来から知られてきたが、顕微鏡による可視化技術や、また、微細加工技術の発展により、近年実験サイドから非常に盛んに研究が進めらており、その副産物として多くの理論的には未解決な課題が提出されている。本研究では、高分子の閉じ込めには、2つの定性的に異なる状態があることを指摘し、それぞれ、1:弱い閉じ込め(weak confinement)と2:強い閉じ込め(strong confinement)として区別することを提案した。それにより、従来の枠組みでは説明不可能であった現象の理解が可能となってきている。「高分子の閉じ込め」という概念は、産業上の応用はもちろんのこと、生物物理の様々な局面においても重要であり、今後、様々な「高分子の閉じ込め」に関する現象を統一的に捉える足場となることが期待される。関連する話題として、デザインされた微小チャネル中でのDNAの電気泳動の問題も取り扱った。ここでは、閉じ込められたDNA分子が電場による外力下、どのような応答を示すかという問題を理論的に取り扱い、その結果として、電気泳動度の電場の強さ、また、DNAの鎖長依存性を計算し、報告されている実験データとの良い一致を得た。また、理論的に予想される新たな可能性について議論した。(1) DNA、クロマチンの階層構造、高次構造転移生物の遺伝情報を持つDNAは、非常に長い生体高分子であり、細胞内で非常に高密度に折り畳まれて存在している。その折り畳み様式は、遺伝子発現のメカニズム解明にとり、本質的に重要であると思われる。本研究では、DNAの対局的性質の多くは、硬くて長い、そして、高度に電荷を帯びた荷電高分子鎖としての特質として理解できるであろうという点に着目し、そのような高分子鎖において見られる折り畳み転移についての理論的研究を行った。"硬さ"と"荷電"の効果が協同的に作用することにより、これまでにない新奇な折り畳み転移の様式が可能となることを予測し、ごく最近の単一分子観察で見出されたDNAの新奇な折り畳み高次構造の形成メカニズム対する理論的説明を提唱した。また、真核生物のDNAの折り畳み(染色体構造)を視野にいれ、実験家と共同研究を行い、ヒストンたんぱく質の代替物として、荷電ナノ粒子を用いたいわゆる"人口クロマチン"モデルの階層構造についての研究も進めている。(2)空間的に高速された高分子鎖の振る舞い狭い空間に閉じ込められるなど、空間的な拘束を受けた高分子鎖の振る舞いは、ナノテクノロジー、DNA分離などの生命科学における種々の応用、さらには、細胞内の生体高分子の理解において重要な問題である。採用第一年目の実績として、柔らかな高分子鎖の閉じ込めには、"強い閉じ込め"と"弱い閉じ込め"の二つの定性的に異なる状況があることを提唱して、その重要性を理論的に示した。今回は、この概念を"硬さ"の効果も含めた"半屈曲鎖"、"剛直鎖"へと拡張し、"硬さ"の効果が如何にして、空間束縛したの高分子に現れるかを解析した。この研究は、今後、DNAなどの"半屈曲鎖"のナノマイクロスケール空間での振る舞いを理解していく上での定性的ガイドとなることが期待される。拘束下にある高分子鎖のダイナミクスについての研究も進め、これらは海外からも高い関心を受けている。

近年の一分子観察/操作の進展を視野に入れ、ここでは大きな力に応答する際の高分子鎖の非平衡ダイナミクスを記述する枠組みを構築した。特に、力が局所的に印加される場合には、これは高分子鎖の骨格に沿っての張力の伝播という形で定式化される。膜にあいたナノサイズの穴(nano pore)を通しての高分子鎖の輸送(polymer translocation)や、力学的操作による伸長のダイナミクスを解析した。(3)揺らぎと非平衡物性多成分の非平衡系における揺らぎと応答の関係を考察した。非平衡状態では、詳細釣合が成り立たず、その帰結として揺らぎの相関関数は時間並進対称性を失い、また、応答関数には非対称成分が顕在化する。これらの間になりたつ関係式を明らかにした。
フェムト秒時間分解ＳＴＭによる半導体低次元系の核スピンダイナミックス計測

平成30年度(最終年度)の研究概要実績は以下の通りでした。1.平成28年度開発した核スピンを計測する為にコア技術となる「ロックイン計測における変調方式」を時間分解STMに導入し、システム各部が期待通り動作出来ましたが、レーザースポットの空間位置不安定さより、データの再現性を低下させる問題が見つかりました。そこで光学系設計の改良とレーザー位置安定化制御装置の設計・導入をしました。2.平成28年度開発した多探針時間分解STMシステムを改良し、安定性を向上させ、スピンダイナミックスの測定も可能となりました、二次元半導体の一つである遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDS)の平面ヘテロ接合の単層試料で、キャリア緩和時間測定を成功し、バレースピン緩和時間を観測しました。3.従来のフェムト秒時間分解STMを元にして「外部トリガーできる(External Triggerable:ET)ダイオードレーザー」を用いた新たな時間分解STMシステムの開発に成功しました。新しいシステムの時間分解能は使っているダイオードレーザーのパルス幅より制限され8 ns程度にとどまるものの、システム構成は大幅に簡略化され、光学システムの導入コストが数千万円から数十万円へと大幅に削減しました。この新しい「ET時間分解STM」外部トリガーできるダイオードレーザー時間分解STMを用いて、間接遷移型半導体の一つである二セレン化タングステン(WSe2)の長いキャリア緩和時間(μs)を観測できました。この「ET時間分解STM」は、用いるレーザー光源の選択によりピコ秒領域の時間分解能を得ることも可能であり、また逆にマイクロ秒領域の長いキャリア緩和時間の観測や、偏光変調機構と組み合わせることで電子スピンダイナミックの計測など、様々な分野に応用が可能な、画期的なものとなりました。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成28年度(2016年度)の研究成果は以下の通りでした。1.新たな「レーザー光変調ロジック」の開発が出来ました。低次元半導体原子核スピン計測システムの構築する為に、主として、時間分解STM用の新しい「レーザー光変調ロジック」の開発はとても重要です。現在のレーザー光変調ロジックは半導体電子スピンの励起&計測に最適される物ですが、核スピンに励起されるように、長い励起時間(円偏光続きの時間)が必要不可欠です。そしたら、新しい光変調ロジックには、核スピンに効率な励起されるように、長い円偏光シーケンスが導入しなければなりません。平成28年度の研究内容の中心として、核スピン計測用「レーザー光変調ロジック」でした。平成28年8月、「レーザー光変調ロジック」の開発が出来ました(論理回路の作る事&ブログランキング)。2.多探針時間分解STMシステムの構築&検証。本来の単探針時間分解分解STMシステムは、半導体のキャリア及び電子スピンダイナミックスを観測する事が出来ますが、薄膜低次元半導体の時間分解ダイナミックスを追う事が出来ません(一つ探針の場合で、薄膜低次元半導体の電流が流れにくいですので)。28年6月から多探針時間分解STMシステムの構築が始まりました。多探針時間分解STMシステムに検証する為、2次元半導体の一つ、遷移金属カルコゲナイド(TMD)のキャリアダイナミックスの測定を行いました、単層・多層TMDのキャリア寿命の測定を成功しました。平成28年の一年間は主に下記2点をゴールにして研究を進んでいました。1.核スピンダイナミックス計測用の「レーザー光変調ロジック」の開発。ゴール1について、低次元半導体原子核スピン計測用時間分解STMの構築する為に、一番重要のことは「レーザー光変調ロジック」の開発です。ここでの「ロジック」という語は、変調アルゴリズムと、それを実現するためのロジック回路(CPLD内にプログラムして使用します)の両方を表します。この「レーザー光変調ロジック」は長時間にわたる「初期化シーケンス」及び短時間の「測定シーケンス」両方を用いることを特徴とします。「初期化シーケンス」は核スピンを励起させ、「測定シーケンス」は電子スピンのダイナミックスの変化(核スピンの影響より)を測れます。この「レーザー光変調ロジック」の開発を完成しましたが、現在のハードウェア(光変調用のポッケルスセル結晶)より動作周波数の制限がありますので、平成28年度の残りの研究費を繰越し、平成29年から新しいポッケルスセル結晶を購入する事が予定します。ゴール2について、多探針時間分解STMシステムの開発及び実験です。低次元半導体のスピンダイナミックス計測の実験をしました。平成28年度の研究内容の一部として、多探針STMを利用して時間分解分解測定行う手法を検証する事が成功しました。ナノスケールで2次元半導体の一つである遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)のキャリアダイナミックス(単層・多層)の計測に成功しました。平成29年度(2017年度)の研究実績は以下の通りでした。1.平成28年度開発した核スピンを測定する為の中核技術となる「ロックイン計測における変調方式」を時間分解STMシステムに導入&テスト(実験の検証)を出来ました。

半導体「電子」スピンとは異なり、「核」スピンを効率的に励起するには、長い初期化時間(同じ円偏光を当て続ける時間)が必要不可欠です。開発した新しいレーザー光変調方式を使うことで、低温・磁場印加中で実際に核スピン計測を実施し、各部が期待通り動作することを確認しました。しかし、新たにデータ再現性の問題が発見され、原因を検討したところ、レーザーシステムの強度安定性・空間位置安定性の向上が必要なことが分かりました。現在の時点、安定化システムの開発・導入を準備中です。2.平成28年度開発した多探針時間分解STMシステムを用いて、2次元半導体の一つである遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)の電子スピンダイナミックスの計測に成功しました。室温で、単層・多層のTMD系試料の電子スピン緩和時間を測定し、我々の時間分解STMシステムが幅広いナノスケールスピンダイナミクス(キャリア・電子スピン)計測に応用出来ることを証明しました。3.単探針時間分解STMシステムで磁性半導体の一つであるMn/GaAsの室温の電子スピンダイナミクスを観察できました。超高真空中GaAs試料を劈開して、劈開された断面の上にMn原子を蒸着させ、Mn蒸着量によって、GaAsの電子スピン緩和時間の変化を観測しました。以上は平成29年度の研究実績概要です。平成29年度の一年間は主に下記3点をゴールにして研究を進んでいました。1.核スピンダイナミックス時間分解STMの開発及び実験。2.多探針時間分解スピンSTMの実験。3.現在の時間分解STMを用いて電子スピン系の計測実験。ゴール1について、低次元半導体原子核スピン計測システムの構築、つまり、核スピン時間分解STM用の新しい「レーザー光変調ロジック」の開発が完了しました。新しいレーザー光変調方式より、低温・磁場中の時間分解システムで実験を検証し、電子スピンの歳差運動状態変化(核スピンの影響より)観測が出来るような実験データを取りました。しかし、実験しながら、一つ問題点を発見しました。つまり、データの再現性が問題となりました。繰り返し測定を行う中で検討した結果、レーザーシステムの不安定さが低いデータの再現性の原因である事が判明しました。ゴール2について、開発した多探針時間分解STMシステムを用いて、低次元半導体のスピンダイナミックス計測の実験をしました。平成28年度の研究内容の一部として、多探針STMを利用して時間分解分解測定行う手法を検証した上、2次元半導体の一つである遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)のキャリアダイナミックスの計測に成功しました。今年度行った多探針スピンダイナミックス計測はこの多探針時間分解STMを用いたものです。本来の電子スピン計測システムと多探針STMとを組み合わせ、TMD系薄膜試料で電子スピンの緩和時間を測定できました。ゴール3は進行中です。我々の核スピンダイナミックス計測では電子系スピンダイナミックスを利用して核スピンの励起及び計測を行うため、電子スピンダイナミクスに対する理解を深めることが必要です。今時点まで、時間分解STMを用いた磁性半導体(Mn/GaAs)での室温の電子スピンダイナミックス計測を行い、有効な実験データを得ました。
Ｅ３活性を併せ持つ伸長因子Ｅｌｏｎｇｉｎ　Ａの発生・神経形成における機能の解明

Elongin Aは、RNAポリメラーゼII(Pol II)の伸長促進活性とユビキチン化活性(E3)を併せ持つ転写伸長因子であるが生体内における機能は不明であった。最近我々は、Elongin Aホモ欠失マウス胎仔が脳ならびに脊髄神経の形成異常を示し、同因子ホモ欠失ES細胞がニューロンへの分化能を著しく欠いていることを見出した。本研究では、Elongin Aが神経堤細胞の分化を制御するSox10、Neurogenin1等の転写制御因子の発現を促進することにより、感覚神経系の形成に重要な役割を果たしていることを明らかにした。1.神経系形成におけるElongin A標的遺伝子の解析のためのChIP (クロマチン免疫沈降)シークエンス用抗体の作製これまでに免疫染色やウェスタンブロットに用いていた数種類の抗Elongin A抗体を用いてChIPを行ったところ、沈降効率が低くChIPシークエンスには適さないことが判明した。そこでElongin Aアミノ酸配列の親水性ならびに二次構造予測データに基づいて新たに抗原部位を6カ所選定し、当該部位のペプチドを合成してウサギを用いて抗体作製を行った。血清より抗体を精製した後、免疫染色、免疫沈降ならびに免疫沈降物のMS解析によりChIPに適した抗体の選別を行った。その結果、ChIP用抗体の候補として4種類の抗体が得られた。野生型ならびにElongin Aホモ欠失ES細胞を用いて4ー/4+プロトコール(LIF非存在下で4日間浮遊培養、レチノイン酸を加えてさらに4日間浮遊培養)による胚様体の形成ならびに神経分化誘導を行い、経時的に回収した胚様体よりRNAを調製しRNAシークエンスを行った。その結果、Elongin A欠失細胞で神経分化に関わるNeurogenin 1、Neurogenin 2等の発現低下が認められるなど、先に報告したマイクロアレイの結果の再現性が得られると共に、Elongin A依存的な発現を示すnon-coding RNAの存在が認められた。Elongin Aホモ欠失マウス胚のホールマウントin situハイブリダイゼーション解析を行い、placodeマーカーのPax8、自律神経系の形成に必要なMash1の発現に差は認められないが、neural crestマーカーのSox10や感覚神経系の形成に必要なNgn1等の発現が顕著に減少していることが判明した。ES細胞を用いて胚様体を形成させ、免疫組織学的解析を行ったところ、レチノイン酸による分化誘導により、野性型細胞由来の胚様体では神経前駆細胞マーカーNestinや成熟神経細胞マーカーβIII-tubulinの発現が誘導され神経細胞へ分化が認められたのに対し、ホモ欠失細胞由来の胚様体では分化が見られなかった。また両胚様体共にアストロサイトマーカーのGFAP、オリゴデンドロサイトのマーカーCNPaseの発現は認められなかった。また、胚様体を用いたマイクロアレイ解析でElongin A欠失細胞で発現の低下が認められた、Neurogenin1、Neurogenin2、Hoxa7遺伝子についてChIP解析を行ったところ、野性型細胞ではレチノイン酸による分化誘導によりプロモーターならびにコーディング領域にPol IIの増加が検出されたのに対し、ホモ欠失細胞では増加が見られなかった。さらに、E3活性のみ、伸長活性のみを持つ変異体を用いたレスキュー実験を行い、Elongin Aの伸長機能が神経分化に重要であることが判明した。以上のことから、Elongin Aが伸長機能を介して神経堤細胞の分化を指令するNgn1等の転写制御因子の発現を促進することにより、感覚神経系の形成に関与していることが示唆された。(Cell Reports, 2012)研究期間全体を通じて実施した研究の成果:(1)マウス胎仔を用いたホールマウントin situハイブリダイゼーション解析により、Elongin A(EloA)の欠失で神経堤細胞から感覚神経への分化制御過程が損なわれることで神経系の形成不全が起こることが、(2)レチノイン酸(RA)による神経分化誘導前後の胚様体を用いたクロマチン免疫沈降(ChIP)解析により、EloAは、神経形成に関わるNeurogenin 1等の幾つかの遺伝子のRAによる発現誘導に寄与していることが判明し、EloAが神経堤細胞の分化を指令するNeurogenin1等の転写制御因子の発現を促進することにより感覚神経系の形成に関与していることが示唆された(Cell Reports 2: 1129-1136, 2012)。また、神経分化における遺伝子発現の経時的変化を調べるために、胚様体を用いてRNAシークエンスを行ったところ、EloAの欠失により神経分化に関わる幾つかのlong non-coding RNAの発現も顕著に減少していることが判明した。さらに、これまでChIPに適した抗EloA抗体がなかったため、EloAのアミノ酸配列の親水性ならびに二次構造予測データに基づいて新たに抗原部位を6カ所選定し、ウサギを用いて当該部位に対する抗体作製を行った。

抗体を精製した後、免疫染色、免疫沈降によりChIP用抗体の候補として4種類の抗体を得た。最終年度は、さらにChIPに適した抗体の選別を行うために、FLAG-EloAをトランスフェクションした293T細胞ならびにESを用いて、UV照射前後の細胞よりクロマチン画分を調製しChIPを行い、FLAG-EloAならびに内在性EloAとRNAポリメラーゼIIを共免疫沈降可能な抗体を選定した。その結果2種類の抗体が、高効率にPol IIを共免疫沈降できることを確認した。分子生物学胚様体を用いたRNAシークエンスのデータも得られ、ChIPシークエンス用の抗Elongin A抗体の候補も幾つか得られたので、Elongin Aの標的遺伝子を直接的に同定するための解析に入る準備が出来た。よって研究は、概ね順調に進展していると思われる。Elongin Aが1)神経系の形成、なかでも感覚神経系の形成において重要な役割を果たしている、2)それにはElongin Aの伸長・E3の2つの機能のうち伸長機能が重要である、こと等を明らかにし、間接的ではあるがElongin Aの標的遺伝子と思われる幾つかの遺伝子を同定できた。そして得られた成果をCell Reportsに発表した。よって研究は概ね順調に進展していると思われる。ChIP用抗Elongin A抗体の候補が幾つか得られたので、それらを用いて実際にChIPを行い、抗体の選定、ChIP条件の最適化の後、ES細胞を用いてChIP解析ならびにChIPシークエンスを行い、得られているRNAシークエンスの結果と併せて、Elongin A標的遺伝子を同定する。さらに、マウス胚を用いてChIPシークエンスならびにRNAシークエンスによるin vivoの標的遺伝子の解析を行う予定である。尚、共同研究先であるStowers研究所のConaway博士らとも連絡を密に取りながら研究を進めていく予定である。ChIP解析により標的遺伝子と思われるものを幾つか同定したが、抗Pol II抗体によるもので直接的なデータはまだ得られていない。そこで抗Elongin A抗体を幾つか作製したので、それらを用いたChIP解析により確認を行う。さらに、Elongin Aの標的遺伝子の網羅的探索を行うために、ES細胞ならびにマウス胚を用いてRNA-seqやChIP-seqによる解析を行う予定である。発生した繰越金、次年度の研究費は、遺伝子工学・生化学実験用試薬、細胞培養用試薬、プラスティック器具、RNA-seqならびにChIP-seqによる解析費、学会発表のための旅費に使用する。
レーザー誘起電子散乱による超高速分子イメージング

強レーザー場中で原子がトンネルイオン化する際に、放出された電子は光電場で加速される。レーザー光が直線偏光の場合、イオン化の約1/4周期後に光電場が反転し、その結果、加速された電子は発生源である原子に衝突し、散乱する。この現象は「レーザー誘起電子散乱」と呼ばれ、散乱源の電子構造を測定する手法として期待されている。しかし、マルチサイクルのフェムト秒レーザーパルスを用いた場合、包絡線強度の異なる時刻での散乱が複数回発生し、その結果、衝突エネルギーの異なる散乱現象が多数重なり合ってしまうという問題があった。本研究では、赤外域でキャリアエンベロープ位相(carrier envelope phase; CE位相)が制御された高強度極短レーザーパルス(中心波長1600 nm,パルス幅10 fs,繰り返し1 kHz)を希ガス原子(Ar, Kr, Xe)に集光し、発生する光電子スペクトルを測定した。光電子スペクトルには「ハーフサイクルカットオフ」と呼ばれるCE位相に敏感なスペクトル構造が現れるため、一回のトンネルイオン化に対応する光電子散乱のみをエネルギー的に分離することが出来る。さらに、ハーフサイクルカットオフ構造の最大エネルギー部分では二つの電子軌道が縮退するため、光パルス中で完全に一回しか起こらない光電子散乱の信号を切り出すことが出来る。このことを利用して、CE位相を操作することによって電子の衝突エネルギーを制御する手法「CE位相マッピング法(carrier-envelope phase mapping)」を提案し、実証した。特にXe原子のレーザー誘起電子散乱において、微分散乱断面積を実験的に求めた。この結果は、現時点で最も厳密な散乱モデルで計算される微分散乱断面積と定量的によく一致したことから、本手法の妥当性が明確に示された。実験当初の目論見としては、サブ2サイクルの極短パルス赤外レーザーを用いることによって、レーザー誘起電子散乱から原子分子の弾性散乱断面積を求める手法を確立することだった。初期の試行実験においてその理論的解釈を検証していった結果、従来行われているレーザー誘起電子散乱における解釈の曖昧さが、本研究で実証した手法によって解決できることを見いだした。実験自体は、長時間の計測と安定なレーザーの運用が必要な困難な物だったが、早期に完了することができた。その後、当初の計画には含まれていなかったが、国際的に著名な理論グループとの共同研究へと発展し、得られた実験結果と理論グループが行った計算結果の比較が可能となり、結果として定量的によい合致が得られた。これにより、新しい実験手法の提案とその妥当性を明確に示すことができた。本研究では、飛行時間分析法によって角度分解光電子スペクトルを測定したため、異なる方向へ散乱される光電子のスペクトルを測定するためにレーザーの偏光を逐次回転させる必要があった。そのため、運動量空間での二次元データの取得に長時間かかるという問題点が明らかになった。この問題を解決するために、Velocity Map Imaging法による高エネルギー電子の運動量イメージング装置を導入し、本実験をアト秒精度の時間分解実験へと展開することを計画している。また、本研究を通して理論グループとの連携が可能となった。今後、レーザー誘起電子散乱の理論に関しては、散乱における多電子効果や分子系への拡張が期待される。本研究によって、これらの理論の進展へ実験からのフィードバックが可能となり、強レーザー場中でのアト秒電子過程に関する理論の更なる進展が期待出来る。高強度光電場における原子分子は、光の電場成分によってトンネルイオン化する。放出された光電子が発生源である原子分子に衝突し、散乱する。本研究の目的は、このアト秒スケールの超高速電子過程を光電子分光によって観測し、原子分子の電子構造に関する知見を得ることである。平成27年度においては、繰り返し1kHzの赤外OPCPA光源(パルスエネルギー1.5mJ,パルス幅11fs,波長1600nm,位相安定)および繰り返し20kHzの赤外OPA光源(パルスエネルギー5マイクロJ,パルス幅9fs,波長1600nm,位相安定)を用いた希ガス原子のイオン化と光電子分光測定を行った。特に、キャリアエンベロープ位相(Carrier-envelope phase, CE位相)に依存する高エネルギー光電子を、CE位相の関数としてマップし、CE位相と再衝突時の電子の運動エネルギーを対応づける手法(CEPマップ法)を提案し、Xeイオンの微分散乱断面積を決定できることを示した。また、時間分解計測への展開を目指して繰り返し20kHz光源を用いた再散乱実験を行い、繰り返し1kHzの光源で得られる光電子スペクトルを短時間で計測できる見通しを得た。また、光電子の運動量イメージング(velocity map imaging)法に基づく計測装置の設計を実施した。散乱電子の光電子スペクトルをCE位相を変化させながら計測する新手法を提案し、実証することが出来た。この手法は、高強度レーザー場中での原子分子のイオン化現象を探る上で、複数の電子軌道の縮退を避ける事ができる唯一の実験手法である。高強度レーザー場中のイオン化過程に関して、詳細な理論を構築するためのテストベンチ的な実験を行う事ができるため、理論研究者との密接な協力を進めた結果、実験と最新の理論による計算結果を比較して、良好な合致を得た。

しかし、マルチサイクルのフェムト秒レーザーパルスを用いた場合、包絡線強度の異なる時刻での散乱が複数回発生し、その結果、衝突エネルギーの異なる散乱現象が多数重なり合ってしまうという問題があった。本研究では、赤外域でキャリアエンベロープ位相(carrier envelope phase; CE位相)が制御された高強度極短レーザーパルス(中心波長1600 nm,パルス幅10 fs,繰り返し1 kHz)を希ガス原子(Ar, Kr, Xe)に集光し、発生する光電子スペクトルを測定した。光電子スペクトルには「ハーフサイクルカットオフ」と呼ばれるCE位相に敏感なスペクトル構造が現れるため、一回のトンネルイオン化に対応する光電子散乱のみをエネルギー的に分離することが出来る。さらに、ハーフサイクルカットオフ構造の最大エネルギー部分では二つの電子軌道が縮退するため、光パルス中で完全に一回しか起こらない光電子散乱の信号を切り出すことが出来る。このことを利用して、CE位相を操作することによって電子の衝突エネルギーを制御する手法「CE位相マッピング法(carrier-envelope phase mapping)」を提案し、実証した。特にXe原子のレーザー誘起電子散乱において、微分散乱断面積を実験的に求めた。この結果は、現時点で最も厳密な散乱モデルで計算される微分散乱断面積と定量的によく一致したことから、本手法の妥当性が明確に示された。実験当初の目論見としては、サブ2サイクルの極短パルス赤外レーザーを用いることによって、レーザー誘起電子散乱から原子分子の弾性散乱断面積を求める手法を確立することだった。初期の試行実験においてその理論的解釈を検証していった結果、従来行われているレーザー誘起電子散乱における解釈の曖昧さが、本研究で実証した手法によって解決できることを見いだした。実験自体は、長時間の計測と安定なレーザーの運用が必要な困難な物だったが、早期に完了することができた。その後、当初の計画には含まれていなかったが、国際的に著名な理論グループとの共同研究へと発展し、得られた実験結果と理論グループが行った計算結果の比較が可能となり、結果として定量的によい合致が得られた。これにより、新しい実験手法の提案とその妥当性を明確に示すことができた。角度分解あるいは時間分解した光電子計測を実現するため、光源の高繰り返し化と、イメージングによる光電子分光法の導入を予定している。本研究では、飛行時間分析法によって角度分解光電子スペクトルを測定したため、異なる方向へ散乱される光電子のスペクトルを測定するためにレーザーの偏光を逐次回転させる必要があった。そのため、運動量空間での二次元データの取得に長時間かかるという問題点が明らかになった。この問題を解決するために、Velocity Map Imaging法による高エネルギー電子の運動量イメージング装置を導入し、本実験をアト秒精度の時間分解実験へと展開することを計画している。また、本研究を通して理論グループとの連携が可能となった。
コレラ菌走化性受容体のリガンド認識機構

本研究の目的は、細菌の走化性受容体を介したシグナル伝達機構の解明である。2017年度の私の研究において、感染症コレラの病原菌であるコレラ菌の毒素産生および走化性に関与する受容体Mlp24, Mlp37について、認識メカニズムの詳細やそれらの差異を明らかにした。私は本年度コレラ菌受容体Mlp8に着目した。Mlp8はアミノ酸配列の相同性から、Mlp24やMlp37と類似した構造をもつと考えられるが、それらとは認識する化学物質が異なる。またmlp8遺伝子はacfCとオペロンを形成することから、AcfCと協同してリガンドを認識すると考えられる。AcfCのリンゴ酸複合体構造は既知であり、ペリプラズム結合タンパク質(PBP)と良く似た構造をもつことが知られている。しかしリガンド非結合状態の構造は知られていないため、他のPBPと同様のメカニズムでMlp8と相互作用するかはわかっていない。私はAcfCリガンド非結合状態の構造解析に加えて、Mlp8のペリプラズム領域、AcfC、リガンドを用いた相互作用実験からMlp8のリガンド認識機構解明を目指した。AcfCリガンド非結合状態、リンゴ酸結合状態の構造を比較した結果、AcfCのリンゴ酸結合部位の表面電荷が、リンゴ酸結合により電気的中性にシフトすることがわかった。また相互作用実験の結果から、AcfCにリンゴ酸が結合することでAcfCとMlp8の親和性が上昇することがわかり、これはAcfCの表面電荷が関与していると考えられる。コレラ菌走化性受容体に加え、これまで様々な研究が行われ、研究地盤が確立しているサルモネラ走化性受容体Tarにも着目した。大腸菌発現系、DDMによる可溶化、Niアフィニティクロマトグラフィ、サイズ排除クロマトグラフィを用いることで、Tarの全長構造解明の足がかりとなる単離生成に成功した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。私はコレラ菌走化性受容体Mlp24、Mlp37のペリプラズム領域(Mlp24p、Mlp37p)のリガンド認識機構、その差を詳細に解明すること、さらには走化性受容体を介した細菌内への情報伝達メカニズムの解明を目的とし、「1親和性がMlp24pとMlp37pで大きく異なるリガンドが結合した状態の立体構造をそれぞれ明らかにし、比較する。」「2細胞膜、細胞質領域を含む走化性受容体の立体構造を明らかにする。」という2つの研究を実施した。1に関して、私はMlp24p L-セリン複合体(Mlp24pとMlp37pのL-セリンとの解離定数は18.3, 3.2 &#181;M)の立体構造を明らかにし、既に明らかにしているMlp37pL-セリン複合体の立体構造や、Mlp24pand Mlp37pL-アルギニン複合体(L-アルギニンに対する親和性はMlp24pとMlp37pでほぼ変わらない(解離定数は4.8, 5.6 &#181;M))の立体構造との比較を行った。その結果、Mlp37pはリガンド上部に位置するループ(以下UJ Loop)のコンフォメーションをリガンドによって変化させ、より強く結びついていたのに対し、Mlp24pはCa2+の配位によりUJ Loopが固定されていたため、Mlp37pのようなコンフォメーション変化ができていなかった。Mlp24pがMlp37pと比べて高いリガンド特異性を持つのは、この認識機構の差によるものであると考えられる。2に関して、私はMlp24 orサルモネラ走化性受容体Tarの細胞外-細胞膜-HAMP領域(Mlp24 or Tar-HAMP)、Tarの全長(Tar-full)の3つのコンストラクトを用いて大量発現、単離精製を試みた。その結果、全てのコンストラクトにおいて大腸菌での発現に成功しただけでなく、Tar-HAMPに関しては単離精製、結晶化にも成功した。Mlp24pとMlp37pについて種々のリガンド複合体構造を解明し、ITC計測から得た親和性データと組み合わせることで、コレラ走化性受容体が複数の異なるリンガンドを認識する機構、非常によく似た構造でありながら大きく異なる親和性を示す構造基盤を原子レベルで見事に明らかにした。この結果は、日本生物物理学会において学生発表賞を受賞し、高く評価されている。また、細胞膜内への情報伝達機構の解明を目指した研究では、膜貫通領域を含み、情報伝達に重要な領域を含むいくつかのコンストラクトの作成と精製に成功した。結晶化と共に近年、長足の進歩を遂げている低温電子顕微鏡法による解析も視野に入れた取り組みも開始しており、期待通りの研究の進展が見られた。

AcfCのリンゴ酸複合体構造は既知であり、ペリプラズム結合タンパク質(PBP)と良く似た構造をもつことが知られている。しかしリガンド非結合状態の構造は知られていないため、他のPBPと同様のメカニズムでMlp8と相互作用するかはわかっていない。私はAcfCリガンド非結合状態の構造解析に加えて、Mlp8のペリプラズム領域、AcfC、リガンドを用いた相互作用実験からMlp8のリガンド認識機構解明を目指した。AcfCリガンド非結合状態、リンゴ酸結合状態の構造を比較した結果、AcfCのリンゴ酸結合部位の表面電荷が、リンゴ酸結合により電気的中性にシフトすることがわかった。また相互作用実験の結果から、AcfCにリンゴ酸が結合することでAcfCとMlp8の親和性が上昇することがわかり、これはAcfCの表面電荷が関与していると考えられる。コレラ菌走化性受容体に加え、これまで様々な研究が行われ、研究地盤が確立しているサルモネラ走化性受容体Tarにも着目した。大腸菌発現系、DDMによる可溶化、Niアフィニティクロマトグラフィ、サイズ排除クロマトグラフィを用いることで、Tarの全長構造解明の足がかりとなる単離生成に成功した。今後は、Tar-HAMPのコンストラクトに関して、脂質キュービックフェーズ(LCP)法やリシンメチル化法、Seeding法により、より高分解能の回折データを得られる結晶作成を試みる。さらに大腸菌での発現に成功しているMlp24やTarの全長のコンストラクトも精製方法を確立させ、結晶化を試みる。さらに現在行っている全てのコンストラクトにおいて、低温電子顕微鏡法を用いた解析も行い、立体構造解明を目指す。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。