hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高効率触媒とマイクロリアクターを組み合わせた省エネルギー型反応システムの開発

マイクロリアクターの課題として、個々の反応器に関する研究にとどまり、流路設計論の観点から流路サイズの検討をした事例が少ないことが挙げられる。昨年度は、強制対流伝熱を考慮した反応流路の設計の研究を中心に行い、流路サイズと反応速度のバランスを理論的に解析し、その妥当性を数値流体力学(CFD)計算によって確認した。その際、工業生産規模(年産5万トン程度の長鎖炭化水素)のリアクターサイズも試算し、洋上プラントに建設可能なサイズであることを見出した。本年度は、研究経費によりマイクロ空間有するプレート型マイクロリアクター(触媒を流路壁面に装填した、マイクロリアクターの一形式)を試作し、メタノール分解反応を対象として200-400 °Cの範囲で原料転化率と水素収率の比較検討を実験により行った。既往の研究(S. Kudo, et al. J. Chem. Eng. Japan, 42, (2009))では、触媒充填型リアクターと比較してプレート型マイクロリアクターは同流量条件において優れた原料転化率を示しており、このことを踏まえて部品交換によるプレート型マイクロリアクターの構造の変化が反応に及ぼす影響を観察した。プレート型マイクロリアクターが触媒充填型リアクターより優れた原料転化率と水素収率になることを確認したうえで、流路幅(マイクロ空間)の大きさ、触媒量の2点を検討項目とした。前者ではPe数、Da数がともに不利になるにも関わらず空間時間の長い即ち大きな流路幅の方が優れた原料転化率を示すことを、後者では触媒量をW/F(触媒量/原料流量)の考察から適切な触媒量が存在することを明らかにした。以上の検討により、柔軟にリアクター構造を変更できるプレート型マイクロリアクターにおいて、その最適設計の検討に必要な操作変数を実験によって具体的に示すことができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。一般に強制対流による伝熱性能はレイノルズ数Reとプラントル数Prの関数としてNuで与えられ、さらに流路形状、線速などの設計条件が定まれば、流体-壁間の伝熱速度を求めることができる。また、マイクロ流路では流れが精緻であり実際に理論どおりの移動現象等の挙動が得られる。このことに着目し、本年度はプレート型流路を対象にマイクロ流路特有の伝熱特性を定量的に検討した。反応熱の発生速度と伝熱速度とを比較することでマイクロリアクターの等温反応操作が可能な領域を定量的に導き、数値流体力学(CFD)計算において、液相と気相の両者で一定の妥当性を確認した。この成果は雑誌「Chemical Engineering & Technology」で論文発表した。また、気相触媒反応のリアクター形式のひとつであるプレート型リアクターの検討も行った。ここでは、近年注目されるメタンガスおよびCO_2の利用を念頭に、メタンのCO_2改質を反応系として扱った。これに関し、触媒反応の速度解析を実施し、その反応速度パラメータを用いてプレート型リアクターの性能評価を行った。さらに、得られた結果から、工業規模の長鎖炭化水素製造に対応できるリアクターサイズを試算したところ、洋上プラントに建設可能なサイズであることを見出した。このほか、流体の迅速昇温のための研究として、目標とする昇温時間と温度に対して適切な設計条件を示す設計式の考察をした。こちらは今年度の化学工学会第79年会(岐阜)において発表した。また、研究経費により流路内部の温度測定可能なマイクロフローを試作し、動作することを確認した。次年度はこの装置を用いて実験データを取得する予定である。

これまで個々に試算されていたマイクロ流路内の強制対流伝熱の関係をモデルを用いて定式化した。それにより、流体の伝熱操作に対する等温反応操作、無次元数を導入することで一般的な設計指針を提示することができ、さらに触媒反応の実測データを取得しマイクロリアクターの性能評価まで行った。これらの成果から、研究計画がおおむね順調に進展していると判断した。整理した課計指針の妥当性を数値流体力学(CFD)計算によって詳細に検討し、モデルの修正を行う。例えば、物性が温度依存する流体を扱う場合、デバイス設計に用いるべきパラメータを整理していく必要がある。また、気相触媒反応のための新たなリアクター形式を提案する予定である。例えば、反応と分離のように複数の工程をまたぐ場合、マイクロ流路内の精緻な挙動を利用して、工程の一段化あるいはプロセスのコンパクト化が期待できる。このほか用意するマイクロデバイスの形式を工夫しておくことでデバイス形状、触媒による性能評価も実施していく。
下等真核植物の光形態形成-細胞および細胞下レベルでのアプローチ-

1・光屈性に関してヒゲカビ胞子嚢柄の光屈性機構を種々の突然変異体を用いて解析し、光屈性反応では胞子嚢柄のレンズ効果、光成長反応および胞子嚢柄の回転が重要な要因であることを明らかにした(大滝)。ミズタマカビの胞子嚢柄の光屈性反応が細胞内骨格系の存在様式と密接に関連することを明らかにした(三原)また、シダ原糸体の屈性反応と、成長域における微小管の環状配列との関連が確認された(和田正三)。ハネモの光屈性反応の作用スペクトルが測定され、青色域および紫外光域に作用極大が存在することが確認された(和田俊司)。フシナシミドロでは光により誘導される先端成長において、成長域へのイオン電流の流入が振動電極法により明らかにされた(片岡)。以上の結果は光屈性反応の光受容→イオンの流入→細胞内微細構造の変化といった図式が一般に成立しうるという見通しをたてたという点で画期的である。2.光形態形成に関して菌類の胞子形成に対する光の効果について、近紫外-青色光に可逆的反応が認められ、マイコクロム系の関与が明らかにされた(熊谷)。子嚢菌の子実体分化に関して、形態的分化に先立って青色光による核の同調的分裂が始まるこそを蛍光定量法による核DNA量の測定により確認した(井上)。また、分生胞子の光による誘導および制御機構が調べられ、分生子柄の微細構造の変化との関連性が示唆された(本田)。3.シダ胞子発芽に関してシダ胞子中のフィトクロム量は、吸水期間中に増加するが、この増加はフィトクロムの発色団形成を阻害するギャバクリンにより阻害されることからフィトクロムのde novo合成の結果であることが確認された(真鍋、菅井)。
環境調和型反応の開発に向けた規則性固体の特性を利用する触媒活性中心の精密設計

従来型の個体触媒では困難であった液相での官能基変換反応に適用可能な高機能固体触媒を開発するために、新しい概念の固体触媒設計のコンセプトの確立を目指してきた。すなわち以下の方針に従って、環境調和型反応を実現する中心命題となる触媒の開発を実施した。(i)規則性構造を有する有機・無機化合物をマクロリガンドとみなし、錯体形成の概念を適用した触媒を設計する。(ii)触媒活性中心近傍に協奏的に働く固体の規則性を利用した分子認識部位を設計する。(iii)金属活性中心近傍の空間が基質接近過程における分子認識部位として働き高い選択性を発現させる。(iv)その空間によって金属種が安定化されて回収再使用を含む効率的な触媒使用を可能にする。このような設計指針の下、各種の複合系触媒の研究を展開してきた。具体的には金や白金・ルテニウムなどの貴金属ナノ粒子を中心とした活性種近傍を精密設計し、担体として界面における相互作用を期待できるチタニアやセリアなどの金属酸化物とを組み合わせた触媒を合成し、目的とする反応への活性や選択性を検討した。また同時に、各種の分光化学的なスペクトル解析から触媒の活性化状態を検討し、よりパーフォーマンスの高い触媒を調整するべく、PDCAサイクルによって検討して以後の触媒設計に役立てた。これらの方針のもとに研究を展開してきた結果を進捗状況に示す、従来の固体触媒では困難であった液相中での分子変換を可能にして、温和な条件で高活性高選択性を示す4つの新規な触媒反応を実現した。これらの触媒やさらに同時並行的に進めている固体酸触媒の研究によって、ファインケミストリーに適用できるよりグリーンな触媒を開発できる。1年間の成果は各種の学会で多数の報告を行った他、国際的にも有名な雑誌に複数の論文報告を行った。(1)Scientific Reports誌:担体として用いたCeO2の特性を活かしたRuナノ粒子の形成と、そこで得られたRu/CeO2触媒が1級アルコールを含むヒドロキシメチル基に隣接するC-C結合を選択的に切断できた。この反応は水溶媒中でも進行するのが特徴であり、多数の水酸基を含有するバイオマス化合物の有用ケミカルズの変換反応にも適用できた。(2)Catal.Sci.Tech.誌:酸化還元の両方の活性を持つRuナノ粒子を結晶性固体であるマガディアイトに固定化したRu/mag触媒が、フェノール類のtail-to-tailカップリングを選択的に進行させさらに引き続く還元によって効率的にビフェノールを合成できた。この触媒は環境調和型の試剤となる酸素による酸化と水素による還元と、2段階の反応を単一の触媒(実際の活性種としてはRu(III)酸化物種とRu(0)ナノ粒子種)で効率的に進行させる、究極の触媒と見做すことができる。(3)Angew.Chem.Int.Ed.誌:温和な条件でアミド基のカルボニルを脱酸素化してアミノ基に変換する反応を、PtとVのナノ粒子が協奏的に作用する触媒を開発して実現した。この反応が70°C、30atmという温和な条件で選択的に進行させるのに成功した世界で初めての例である。(4)ChemCatChem誌:TiO2上に固定化したAuナノ粒子がH2とCO2からギ酸を生成し、それがTiO2の触媒作用によってアミン類をホルミル化する反応を見出した。貴金属ナノ粒子と金属酸化物の複合系触媒が協奏的な機能を発揮して、従来知られていなかった多段階による触媒作用を見出した。以上のように環境調和型反応を進行させる新規触媒開発について順調に成果をあげている。本研究では環境調和型反応の開発が大命題であり、温和な反応条件や再生可能資源を原料に用いる反応をターゲットとした研究を展開している。今後もその延長で研究を遂行する計画であるが、上述の設計指針に従って、貴金属を含む後周期遷移金属と各種の金属酸化物を組み合わせた触媒について検討する。具体的には次の2点を中心に研究を展開する。(1)複合系ナノ粒子触媒の開発:有機・無機の結晶性固体を利用するナノ粒子固定化固体触媒の合成では、AuやPdの場合には還元剤の種類によって粒子サイズをコントロールできることを明らかにした。この成果に基づき、結晶性無機固体の協奏効果を利用した単核金錯体の表面への固定化を経るナノ粒子合成法を、貴金属以外のCoやFeなどの後周期遷移金属にも拡張し、固体表面で安定化できる金属ナノ粒子の合成法を確立する計画である。また、ナノ粒子とマクロリガンドとの接触界面を完全にするためにはマクロリガンドがナノ粒子を包み込む形、すなわちコアシェル構造をとれば、高選択的な反応が可能になる触媒が得られると考えている。このコンセプトにより、活性中心となるナノ粒子を包摂したコアシェル型触媒の合成とその反応特性についても検討する。(2)環境調和型反応の開発:温和な条件(水溶媒系/水素1気圧/室温)での活性水素種を用いた酸素官能基の変換反応、具体的にはニトロ基のアミノ化、アミド基のアミノ化、スルホキシド基のチオエーテル化、カルボニル基のメチレン化などを、新規に調製した触媒を用いて選択性100%/收率100%を達成するように実施する。これらの脱酸素を中心とする官能基変換反応を、ファインケミストリーの対象となる医薬品や香料など多数の官能基をもつ複雑な有機化合物にも適用する。

すなわち以下の方針に従って、環境調和型反応を実現する中心命題となる触媒の開発を実施した。(i)規則性構造を有する有機・無機化合物をマクロリガンドとみなし、錯体形成の概念を適用した触媒を設計する。(ii)触媒活性中心近傍に協奏的に働く固体の規則性を利用した分子認識部位を設計する。(iii)金属活性中心近傍の空間が基質接近過程における分子認識部位として働き高い選択性を発現させる。(iv)その空間によって金属種が安定化されて回収再使用を含む効率的な触媒使用を可能にする。このような設計指針の下、各種の複合系触媒の研究を展開してきた。具体的には金や白金・ルテニウムなどの貴金属ナノ粒子を中心とした活性種近傍を精密設計し、担体として界面における相互作用を期待できるチタニアやセリアなどの金属酸化物とを組み合わせた触媒を合成し、目的とする反応への活性や選択性を検討した。また同時に、各種の分光化学的なスペクトル解析から触媒の活性化状態を検討し、よりパーフォーマンスの高い触媒を調整するべく、PDCAサイクルによって検討して以後の触媒設計に役立てた。これらの方針のもとに研究を展開してきた結果を進捗状況に示す、従来の固体触媒では困難であった液相中での分子変換を可能にして、温和な条件で高活性高選択性を示す4つの新規な触媒反応を実現した。これらの触媒やさらに同時並行的に進めている固体酸触媒の研究によって、ファインケミストリーに適用できるよりグリーンな触媒を開発できる。1年間の成果は各種の学会で多数の報告を行った他、国際的にも有名な雑誌に複数の論文報告を行った。(1)Scientific Reports誌:担体として用いたCeO2の特性を活かしたRuナノ粒子の形成と、そこで得られたRu/CeO2触媒が1級アルコールを含むヒドロキシメチル基に隣接するC-C結合を選択的に切断できた。この反応は水溶媒中でも進行するのが特徴であり、多数の水酸基を含有するバイオマス化合物の有用ケミカルズの変換反応にも適用できた。(2)Catal.Sci.Tech.誌:酸化還元の両方の活性を持つRuナノ粒子を結晶性固体であるマガディアイトに固定化したRu/mag触媒が、フェノール類のtail-to-tailカップリングを選択的に進行させさらに引き続く還元によって効率的にビフェノールを合成できた。この触媒は環境調和型の試剤となる酸素による酸化と水素による還元と、2段階の反応を単一の触媒(実際の活性種としてはRu(III)酸化物種とRu(0)ナノ粒子種)で効率的に進行させる、究極の触媒と見做すことができる。(3)Angew.Chem.Int.Ed.誌:温和な条件でアミド基のカルボニルを脱酸素化してアミノ基に変換する反応を、PtとVのナノ粒子が協奏的に作用する触媒を開発して実現した。この反応が70°C、30atmという温和な条件で選択的に進行させるのに成功した世界で初めての例である。(4)ChemCatChem誌:TiO2上に固定化したAuナノ粒子がH2とCO2からギ酸を生成し、それがTiO2の触媒作用によってアミン類をホルミル化する反応を見出した。貴金属ナノ粒子と金属酸化物の複合系触媒が協奏的な機能を発揮して、従来知られていなかった多段階による触媒作用を見出した。
遷移金属酸化物触媒の量子サイズ効果

各種金属酸化物担体上にマグネシウム,チタン,バナジウム,マンガン,鉄,コバルト,銅,ガリウム,ニオブ,モリブデン,希土類,ロジウム,タングステンの酸化物微粒子を展開し、「量子サイズ効果」について系統的検討を加えた.1. XAFSを中心として物性評価を行った結果構造に関して以下のことがわかった.(1)シリカ担体上:マグネシウム,いわゆる銅は量子サイズ効果の起こる粒子径で担持される.希土類は2次元的酸化物として安定化される.チタン,バナジウム,ニオブ,ガリウム,タングステンは,原子単位で担持することができる.原子単位で担持された触媒は光触媒活性を持つ.(2)アルミナ,マグネシア担体上:基本的に原子単位で担持することができる.担持量を上げると複合酸化物が生成する.(3)チタニア担体上:低担持では原子上で安定化される.金属性元素では還元により100オングストローム程度のコロイド状の金属粒子が生成する.(4)ジルコニアと鉄は固溶体を形成する.2.これらの触媒系を以下の反応に応用可能であることを見いだした.(1)シリカ担持バナジウム酸化物での軽アルカンの選択的光酸化反応(2)シリカ担持希土類酸化物での固体酸反応(3)シリカ担持チタン酸化物上での選択的オレフィン酸化(4)シリカ担持タングステン酸化物上でのメタン酸化(5)チタニア担持銅上でのNOxの選択的還元(6)チタニア担持ロジウム上での炭酸ガスの光還元(7)Mg-Mo複合酸化物によるオレフィンメタセシス反応.(8)担持マグネシウム酸化物によるオレフィンのエポキシ化反応.各種金属酸化物担体上にマグネシウム,チタン,バナジウム,マンガン,鉄,コバルト,銅,ガリウム,ニオブ,モリブデン,希土類,ロジウム,タングステンの酸化物微粒子を展開し、「量子サイズ効果」について系統的検討を加えた.1. XAFSを中心として物性評価を行った結果構造に関して以下のことがわかった.(1)シリカ担体上:マグネシウム,いわゆる銅は量子サイズ効果の起こる粒子径で担持される.希土類は2次元的酸化物として安定化される.チタン,バナジウム,ニオブ,ガリウム,タングステンは,原子単位で担持することができる.原子単位で担持された触媒は光触媒活性を持つ.(2)アルミナ,マグネシア担体上:基本的に原子単位で担持することができる.担持量を上げると複合酸化物が生成する.(3)チタニア担体上:低担持では原子上で安定化される.金属性元素では還元により100オングストローム程度のコロイド状の金属粒子が生成する.(4)ジルコニアと鉄は固溶体を形成する.2.これらの触媒系を以下の反応に応用可能であることを見いだした.(1)シリカ担持バナジウム酸化物での軽アルカンの選択的光酸化反応(2)シリカ担持希土類酸化物での固体酸反応(3)シリカ担持チタン酸化物上での選択的オレフィン酸化(4)シリカ担持タングステン酸化物上でのメタン酸化(5)チタニア担持銅上でのNOxの選択的還元(6)チタニア担持ロジウム上での炭酸ガスの光還元(7)Mg-Mo複合酸化物によるオレフィンメタセシス反応.(8)担持マグネシウム酸化物によるオレフィンのエポキシ化反応.シリカ、アルミナ、マグネシア、チタニアなどの担体上に、ニオブ、バナジウム、マグネシウム、銅、チタン、ニッケルなどを担持させた系を調製し、構造解析、電子状態分析などの物性試験、光触媒反応、NO還元等の試験反応を行なった。1.ニオブ酸化物シリカ、アルミナ上のニオブ酸化物を調製し、その調製過程も含めニオブ酸化物の構造解析(ラマン、XAFS)を行なった。その結果、いずれの担体上でも低濃度においてニオブは4配位種の構造をとることが見いだされた。アルミナ上では、高濃度になるとニオブ酸と類似のものが形成されるのに対し、シリカ上では5酸化ニオブに近いものをとるものと結論された。2.チタン酸化物シリカ上に種々のチタン錯体から表面チタン酸化物を合成した。チタンイソプロポキシドから調製したものはルチルタイプの表面種が得られたのに対し、ジケトン錯体からはチタンモノマー、ダイマー、オリゴマーを調製することができた。光触媒反応はこれらの表面種にたいし異なった選択性を示すことが見いだされた。3.銅チタニアとその他の酸化物上に銅を担持したところ、チタニアに担持した銅が最もNOの還元に高活性を示した。触媒活性は、銅の粒子サイズに大きく依存していることが見いだされた。平面的な銅金属が分極振動を起こすことが分かった。4.以上のほか、ニッケル-マグネシア、モリブデン-マグネシア、バナジウム-シリカ、マグネシウム-シリカ等の系に関しても同様の評価および分子軌道計算を行なった。

1)二酸化炭素の光還元に関する研究穏和な条件下で炭酸ガスを固定化することのできる光触媒の探索を行った結果,酸化ジルコニウムが水素ガスにより炭酸ガスを一酸化炭素に光還元する有効な触媒であることが見いだされた.類似の系としてチタニア担持ロジウムが水素により炭酸ガスを一酸化炭素あるいはメタンまで還元することを見いだした.酸化ジルコニウム上で水素,炭酸ガスを原料とする表面中間体が生成し,これが分解するものと考えているが,中間体の完全な同定はまだ行われていない.最近,還元剤として水素の代わりにメタンを用いてもよいという結果がでている.2)酸化バナジウム表面種に関する研究Rb_2O-V_20_5/SiO_2のVK殻吸収XAFSを解析したところ、バナジウム酸化物は基本的にはVO_4構造を持ち、ルビジウムイオンは一個の酸素イオンを介してバナジウム原子と結合していることがわかった。この表面錯体の電子状態および反応性について量子化学計算を行い,触媒の可視光応答化について検討を検討を加えるとともに,反応経路の推測を行った.3)担持銅種に関する研究NO還元に有効な銅種の構造,分散効果(量子サイズ効果)について検討を加えた.反応中は銅酸化物微粒子として存在し,これが,還元剤により還元され,NOを還元する,というredox機構が見いだされた.このようなredox機構は,粒子サイズが1020nmの際に生じる.4)典型元素の量子サイズ効果マグネシウム,ケイ素酸化物を微粒子化することにより光活性を示すことが見いだされた.各種金属酸化物担体上にマグネシウム,チタン,バナジウム,マンガン,鉄,コバルト,銅,ガリウム,ニオブ,モリブデン,希土類,ロジウム,タングステンの酸化物微粒子を展開し、「量子サイズ効果」について系統的検討を加えた.1. XAFSを中心として物性評価を行った結果構造に関して以下のことがわかった.(1)シリカ担体上:マグネシウム,いわゆる銅は量子サイズ効果の起こる粒子径で担持される.希土類は2次元的酸化物として安定化される.チタン,バナジウム,ニオブ,ガリウム,タングステンは,原子単位で担持することができる.原子単位で担持された触媒は光触媒活性を持つ.(2)アルミナ,マグネシア担体上:基本的に原子単位で担持することができる.担持量を上げると複合酸化物が生成する.(3)チタニア担体上:低担持では原子上で安定化される.金属性元素では還元により100オングストローム程度のコロイド状の金属粒子が生成する.(4)ジルコニアと鉄は固溶体を形成する.2.これらの触媒系を以下の反応に応用可能であることを見いだした.(1)シリカ担持バナジウム酸化物での軽アルカンの選択的光酸化反応(2)シリカ担持希土類酸化物での固体酸反応(3)シリカ担持チタン酸化物上での選択的オレフィン酸化(4)シリカ担持タングステン酸化物上でのメタン酸化(5)チタニア担持銅上でのNOxの選択的還元(6)チタニア担持ロジウム上での炭酸ガスの光還元(7)Mg-Mo複合酸化物によるオレフィンメタセシス反応.(8)担持マグネシウム酸化物によるオレフィンのエポキシ化反応
自己炎症的機序を端緒とした肉芽腫形成の分子機構解明

単球が関わる各種炎症性刺激に対する反応性を,NOD2の下流分子に着目して検証することで,変異NOD2に直接関わる経路,間接的に関わる経路,NOD2に関わらない経路を明らかにすることで,生体防御を妨げることなく過剰な肉芽腫反応を抑制する治療戦略の端緒を見出す。肉芽腫が関わる感染症や代謝異常症,あるいは自己に対する反応など,肉芽腫反応が関わる様々な病態解明の端緒となる有益な情報をもたらすと期待される。
金属援用エッチング(MacEtch)の高度化による新たなシリコン加工技術の確立

ULSIやパワーデバイスなどに用いられるシリコン半導体は、デバイス製造時の切断加工によるロスが大きい。金属援用エッチングは金属触媒を修飾したシリコンを薬液に浸すだけで進行する湿式法であり、切り白が小さく、スループットの高い低コストプロセスである。本研究では、これを加工技術として確立するために、電気化学測定とデバイスシミュレーションによる解析により、エッチング機構の全容と構造制御因子を解明する。
教師教育における通信ネットワークを用いた遠隔授業の共同研究

通信ネットワークを用いた教師教育の共同研究について,次のように調査研究を進めた。教師教育,教員養成での通信の利用は,大学学部・大学院の授業,公開講座などで遠隔授業の多様な試行研究が各分野で検討が進められだし,教師教育における総合的な研究の相互関連の調整が早急に必要となってきた。(1)通信ネットワークを利用した教師教育の遠隔教育システムについての教育実践の調査・検討平成9年から進めてきた通信ネットワークを用いた大学院公開講座を使った教師教育の教育実践結果について受講者を対象に調査・分析し・評価し,教育方法の基礎資料を作成した。(2)新しい教育システム構成の調査研究遠隔教育等を用いた教育システム構成を各分野の研究者で研究会,実地調査を行い,その可能性を検討した。それは,大学院が遠隔教育等を用いて,10年で教師の25%が専修免許を取得する指導方法の確立についての試行の方向性を検討した。(1)通信ネットワークを用いた遠隔教育およびその問題点などについて調査・検討し,学習支援が可能な教師教育システムを構成し,約2400単位・人試行を実施した。(2)教育システムの検討(大学問の共同授業の必要性)通信ネットワークを用いた学習資料の相互流通,学習指導法等の確立および大学間での相互交流も含め遠隔教育を実施した。(3)通信ネットワークを用いた教師教育に関わる等の教育方法研究教育学部がもつ教師教育に関する教育課題について,科目等履修生や大学公開講座,大学院遠隔授業等の通信ネットワークの利用などの可能性の共同調査研究を(1),(2)の検討結果をもとに,平成10年度に岐阜県内の四ヶ所および新潟大学,香川大学でテレビ会議システムを用いて行った。これらの教師教育に関する一連の研究から,専修免許の取得が,10年間で,25%,20年間で50%とする計画が可能であることが明らかになり,今後,教員養成関連学部での共同研究プロジェクトが必要である。
交感神経によるリンパ球動態制御の分子基盤と生理的意義の解明

我々は本研究に先立って、交感神経がリンパ球の体内動態を制御する仕組みを明らかにしていた。リンパ節に投射する交感神経からノルアドレナリンが放出されると、リンパ球に発現するβ2アドレナリン受容体が活性化されるのに伴って特定のケモカイン受容体のシグナルが増強される結果、リンパ球のリンパ節からの脱出が抑制される。しかし、β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機構と、この交感神経によるリンパ球動態の制御機構の生理的意義は不明であった。そこで本研究では、この2つの問題点を解明することを目的とした。平成28年度までに、交感神経の活動性の概日リズムに応じてリンパ球のリンパ節からの脱出頻度が変化し、それに伴ってリンパ節における免疫応答の強度に日内変動が生まれることがわかった(J. Exp. Med. 2016)。これによって、交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義が明らかになった。そこで平成29年度以降は、β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機構に的を絞って研究を行った。我々はこの受容体間クロストークに関与し得る分子として、COMMD3とCOMMD8から成る機能未知のタンパク複合体(COMMD3/8複合体)を同定しており、その機能解析を進めてきた。その結果、平成30年度までにCOMMD3/8複合体がβ2アドレナリン受容体およびケモカイン受容体にシグナル伝達分子GRK6を動員することによって、これらの受容体のシグナル伝達を促進することを見出した(J. Exp. Med. 2019)。今後も引き続きβ2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークにおけるCOMMD3/8複合体の役割について解析を進め、交感神経系と免疫系を連動させる分子機構を明らかにする。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。我々のこれまでの研究から、交感神経からのノルアドレナリンの入力が、リンパ球上に発現するβ2アドレナリン受容体を介して特定のケモカイン受容体の反応性を増強し、リンパ球のリンパ節からの脱出を抑制することによって、リンパ球の体内動態の制御に関与することが明らかになった。本研究は、β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体のクロストークの分子メカニズムを明らかにすると共に、交感神経の活動性の概日リズムに伴うリンパ球動態の変化が適応免疫応答に及ぼす影響を解析することによって、交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義を解明することを目的とする。平成27年度は、当初の研究計画にしたがって以下の2点について研究を行った。1) β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体のクロストークの分子機序我々はケモカイン受容体の細胞内領域に会合する新規分子を同定した。この新規分子がβ2アドレナリン受容体とケモカイン受容体のシグナル伝達のクロストークに関与すると予想して解析を進めたが、この新規分子は受容体間クロストークには関与していないことがわかった。そこで、Gタンパク共役型受容体の主要なシグナル制御因子の一つに注目して、その受容体間クロストークにおける役割を明らかにすることとし、その遺伝子欠損マウスの作製を開始した。2)交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義マウスの体内では交感神経の活動性が高まる夜間にリンパ球のリンパ節からの脱出頻度が低下するのに伴って、リンパ節におけるリンパ球数が増加することが確認された。また、リンパ節におけるリンパ球数が増加する時間帯に、液性免疫応答が強く誘導されることがわかった。さらに、リンパ球のリンパ節における出入りを遮断したところ、液性免疫応答の日内変動が消失したことから、リンパ球のリンパ節を介する再循環が適応免疫応答の日内変動に寄与していることが明らかになった。当初の予想に反して、我々が同定した新規分子は、β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体のクロストークには関与しないことがわかった。しかし、交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義に関しては、適応免疫応答の日内変動の検出に成功し、それがリンパ球のリンパ節を介する再循環に依存することを明らかにすることができたため、研究はおおむね順調に進捗していると言える。我々は本研究に先立って,交感神経がリンパ球の体内動態を制御する仕組みを明らかにしていた.リンパ節に投射する交感神経からノルアドレナリンが放出されると,リンパ球に発現するβ2アドレナリン受容体が活性化されるのに伴ってケモカイン受容体CCR7およびCXCR4のシグナルが増強される結果,リンパ球のリンパ節からの脱出が抑制される.しかし,β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機構と,この交感神経によるリンパ球動態の制御機構の生理的意義は不明であった.そこで本研究では、この2つの問題点を解明することを目的とした.平成28年度は当初の計画にしたがって研究を行い、以下のような成果を得た.1) β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機序β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体はいずれもGタンパク共役型受容体である.我々はGタンパク共役型受容体のシグナル制御因子の一つに着目し,その遺伝子欠損マウスを作製した.遺伝子欠損マウスから採取したリンパ球では,β2アドレナリン受容体を刺激することによるケモカイン受容体のシグナル増強作用が消失したことから,この分子がβ2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークを媒介する可能性が示唆された.

2)交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義交感神経の活動性は,身体の活動性に合わせて日内変動を示す.我々は,交感神経活動の日内変動に着目して解析を進めた結果,マウスの交感神経の活動性が高まる夜間にリンパ球のリンパ節からの脱出が抑制されるのに伴って,リンパ節におけるリンパ球数が増加し,それを反映して適応免疫応答が昼間に比べて強く誘導されることを見出した.このことから,交感神経によるリンパ球動態の制御機構がリンパ節における適応免疫応答の日内変動に寄与することが明らかになった.β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークを媒介する可能性のある分子を同定でき,かつ交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義を明らかにすることができたため,研究はおおむね順調に進捗していると言える.我々は本研究に先立って,交感神経がリンパ球の体内動態を制御する仕組みを明らかにしていた.リンパ節に投射する交感神経からノルアドレナリンが放出されると,リンパ球に発現するβ2アドレナリン受容体が活性化されるのに伴ってケモカイン受容体CCR7およびCXCR4のシグナルが増強される結果,リンパ球のリンパ節からの脱出が抑制される.しかし,β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機構と,この交感神経によるリンパ球動態の制御機構の生理的意義は不明であった.そこで本研究では,この2つの問題点を解明することを目的とした.平成28年度までに,交感神経の活動性の概日リズムに応じてリンパ球のリンパ節からの脱出頻度が変化し,それに伴ってリンパ節における適応免疫応答に日内変動が生まれることがわかった(J. Exp. Med. 2016).これによって,交感神経によるリンパ球動態制御の生理的意義が明らかになった.そこで平成29年度は,β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機構に的を絞って研究を行った.β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体はいずれもGタンパク共役型受容体であることから,我々はGタンパク共役型受容体のシグナル制御分子の一つに着目して解析を進めた.β2アドレナリン受容体を刺激するとケモカイン受容体CXCR4への当該分子の動員が増加することがわかった.また,当該分子を欠損するリンパ球では,β2アドレナリン受容体を刺激することによるCXCR4の反応性の増強が消失したことから,当該分子が両受容体間のクロストークを媒介することが明らかになった.β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークを媒介する分子を同定し,それを介した受容体間クロストークの機序解明に向けて実験系の構築も進んでいることから,研究はおおむね順調に進捗していると言える.我々は本研究に先立って、交感神経がリンパ球の体内動態を制御する仕組みを明らかにしていた。リンパ節に投射する交感神経からノルアドレナリンが放出されると、リンパ球に発現するβ2アドレナリン受容体が活性化されるのに伴って特定のケモカイン受容体のシグナルが増強される結果、リンパ球のリンパ節からの脱出が抑制される。しかし、β2アドレナリン受容体とケモカイン受容体間のクロストークの分子機構と、この交感神経によるリンパ球動態の制御機構の生理的意義は不明であった。そこで本研究では、この2つの問題点を解明することを目的とした。
全胚胎仔培養法を用いたマウス二次造血の発生部位の同定

(目的)胎仔キメラを作製して、成体まで発育させることが比較的容易な鳥類・両生類において、造血発生研究は大きな進歩を遂げた。しかしほ乳類では、着床後の胎仔を取り出した後成体まで発育させることが困難なため、造血発生研究、特に卵黄嚢造血の解析が遅れている。そこで我々は、卵黄嚢(YS)における造血発生を明らかにする目的で、血流開始前のマウス胎仔でgraft YSとhost YSとのキメラを作製後、全胚胎仔培養法にて培養し、graft YS由来細胞からのB細胞の発生について検討した。(方法)血流開始前のE8.25で、C57BL/6マウスの胎仔を母胎より分離した。graft YSには、Ly5.1マウス、、グリーンマウスを使用し、血島をすべて含むようにgraft YSを分離した。graft YSを顕微鏡下でhost YSへ植え込み、E11.0まで全胚胎仔培養装置で培養した。graft YSが生着したか否かは血流の有無で判定した。培養後40体節以上のものを選択し、graft YS由来の細胞が、血流中にどの程度存在しているかをフローサイトメトリーにより解析した。また、キメラ胎仔のAGM領域を分離し、OP9細胞との共培養系を用いて、graft YS由来のB細胞の出現を検討した。(結果と考察)作製したキメラのうち、約半数に血流が認められ、それらの血流中にはgraft YS由来の細胞が12.5%存在した。キメラ胎仔のAGM領域より分離された細胞をOP9細胞との共培養すると、B220+/CD19+B細胞が出現し、Ly5.1マウスキメラ、グリーンマウスキメラ、いずれにおいても、半数でgraft YS由来のB細胞が検出された。以上の結果より、血流開始前のYSにも、B細胞に分化する能力をもった細胞が存在し、これらの細胞は確立された血流を介して胎仔内に移動することが示された。本システムによりマウス卵黄嚢造血を経時的に観察することが可能となった。本システムを用いることにより、マウスにおいても造血幹細胞を含めた造血発生のより詳細な解析が期待される。
新規G-タンパク質DRIP-47による根の生長促進のメカニズム

砂漠など乾燥条件下で生育する植物は、生理的・形態的に多様な適応戦略を有している。カラハリ砂漠に自生する野生スイカ(Citrullus lanatus L.)は、ストレスに応答して地下の根系を発達させ、水分獲得能力を向上させる。野生スイカの根タンパク質を用いたプロオーム解析により得られたRan GTPase (CLRan)の遺伝子を他植物に導入すると、主根の生長が促進される。本研究では、CLRanによる根の生長促進メカニズムを明らかにすることを目的として、アミノ酸点変異によりRanを常時活性化または不活性化した変異遺伝子を導入したシロイヌナズナを作出した。本実験では、CLRanlタンパク質の19位のGlyをValに置換したGTP結合型である活性型遺伝子(G19V)および24位のThrをAsnに置換したGDP結合型である不活性型遺伝子(T24N)を作成した。G19V植物体およびT24N植物体それぞれ3ラインに加え、CLRan1遺伝子が導入されたシロイヌナズナ(CLRan1植物体)2ラインをMS培地で生育させた。CLRan1植物体は、以前の研究でRanの蓄積量の高いラインで主根の生長促進効果があった。また、Ranの蓄積量と主根の生長促進の程度には相関があるように思われた。これらの植物体について9日間斜面培養を行った結果、G19V植物体およびT24N植物体はコントロールと比較して有意に主根の生長が促進されていた。CLRan1植物体は、今回の実験においても主根の生長促進を見出すことができた。この結果は、CLRanのアミノ酸置換による活性化状態の変化に依存しないシグナル系により、生長促進効果がもたらされていることを示している。乾燥気候に適応した植物はしばしば深い地下系を発達させる。アフリカ・カラハリ砂漠に自生する野生種スイカは、栽培種スイカなど他の植物の根の伸長が阻害されるような厳しい乾燥ストレス条件下において、逆に根の生長を促進させ、地中深くの水分源に到達することで乾燥気候に適応している。乾燥ストレスに応答した根の伸長メカニズムを解明するため、野生種スイカの根における乾燥ストレス応答タンパク質をプロテオーム解析により網羅的に解析した。強光・乾燥ストレスを付与した野生種スイカの根から可溶性タンパク質を抽出し、二次元電気泳動により分離した。その結果、約1500個のタンパク質スポットが検出され、その中で乾燥ストレス付与1日目(初期増加型)および3日目(後期増加型)で強度が顕著に増加したスポットが、それぞれ35個、42個認められた。また、ストレスにより減少したスポットは14個検出された。Lq-MS/MSによる解析の結果、初期増加型には2つのRan GTPase(CLRAN)を含めた細胞分裂制御/細胞骨格関連因子や様々な代謝関連タンパク質が、後期増加型にはプロテアーゼ、ヒートショックタンパク質、活性酸素消去関連タンパク質などが含まれていた。以上の結果より、野生種スイカの根は乾燥ストレスの程度に依存してストレス回避および防御機構を誘導し機能させていることが示唆された。さらに、乾燥ストレス下での野生種スイカの根の発達におけるCLRANの役割について検討した。CLRANは主に根端の分裂および伸長領域で発現し、根端での発現量は乾燥ストレスにより約1.5倍に増加していた。さらに、CLRANを過剰発現させたシロイヌナズナは、コントロールに比べて根の生長が促進されることが判明した。さらにこの形質転換体は、浸透圧ストレス下において根の伸長を維持することが示された。これらの結果は、CLRANが乾燥ストレス回避のための根の生長促進機構において中心的な役割を果たすことを示唆している。
東日本大震災による環境汚染がもたらした海洋生物の汚染物質耐性メカニズムの解明

本申請課題では、東日本大震災によって重油汚染が生じた宮城県気仙沼湾の海洋生態系を対象に、重油由来でかつ毒性の高い多環芳香族炭化水素(PAHs)が海洋生態系にどのような集団遺伝学的影響をもたらしたかについて調査した。気仙沼湾の海底堆積物の菌叢を解析した結果、石油耐性・分解菌と考えられるRhodococcus(R)属は、PAHs濃度が高い地点に多く分布していた。一方、2011年からR属の数は経年的に減少傾向にあった。このことから、震災による重油汚染が著しい時期に重油を分解できるR属が集合、あるいは他の菌が淘汰された後、時間と共に重油が分解・減少した結果、R属自身も減少していったことが示唆された。東北地方太平洋沖地震・東日本大震災がもたらした化学物質による海洋生態系への影響のアセスメントは重要な課題である。本申請課題では、震災によって深刻な重油汚染が生じた気仙沼の海洋生態系に着目し、重油由来で毒性の高い多環芳香族炭化水素(PAHs)が海洋生物にどのような集団遺伝学的な影響を与えたのか?、つまり、PAHs耐性をもたらしたのか?、という点について明らかにする。本年度は、まずターゲットとなる生物を確保するため、宮城県気仙沼湾において生物試料の採取を2回実施した。すなわち、2014年5月にカキ50検体を、11月にアイナメ43検体をそれぞれ現地で採取した。カキについては、中腸腺と生殖腺、アイナメについては、肝臓と生殖腺、血液(血漿)をそれぞれ分取し、液体窒素(-170°C)の入った専用容器に入れて凍結保存した。これらの試料は、遺伝子解析・タンパク解析に使用する予定である。また、化学物質の分析用に、カキの中腸腺と生殖腺を取り除いた後の残りと、アイナメの筋肉と卵を現地の冷凍庫(-20°C)で冷凍保存した。フィールドから実験室に戻ってから、試料を愛媛大学沿岸環境科学研究センターの生物試料バンク(es-BANK)の冷凍室(-25°C)、超低温冷凍庫(-80°C)に入れて保存した。東北地方太平洋沖地震・東日本大震災がもたらした化学物質による海洋生態系への影響アセスメントは重要な課題である。本申請課題では、震災によって深刻な重油汚染が生じた気仙沼の海洋生態系に着目し、重油由来でかつ毒性の高い多環芳香族炭化水素(PAHs)が海洋生物にどのような集団遺伝学的影響を及ぼしたのか?、つまりPAHs耐性をもたらしたのか?、という点について明らかにする。本年度は、2015年11月、宮城県気仙沼湾において、堆積物20点、カキ8プール、アイナメ10匹をそれぞれ採取することができた。アイナメに関しては、肝臓・生殖腺・血液(血漿)をそれぞれ分取し、液体窒素(ー170°C)の入った専横容器に入れ、凍結保存した。その他の試料に関しては、-20度で冷凍保存した。今回採取した一部の堆積物と2011年に採取してあった堆積物については、メタゲノムシークエンスを実施し、菌叢の違いを解析した。その結果、石油耐性・分解菌と考えられるRhodococcus属は、PAHs汚染が著しいポイントで多い傾向がみられた。また2011年と比較して、汚染濃度は低減しているが、Rhodococcus属の数に大きな変化は認められなかったことから、細菌への影響は長期化しており、未だに耐性種がある程度優先して存在していることが予想された。本来予定の実験を実施することが難しくなった。この遅延の理由として、本年度の4月から所属が変わり、別の大学へ異動となったため、新しい研究室での実験環境づくりに時間がかかったこと、元々前所属で予定していた分析機器や施設が使えなくなったことが大きい。本申請課題では、震災によって深刻な重油汚染が生じた宮城県気仙沼湾の海洋生態系を対象に、重油由来でかつ毒性の高い多環芳香族炭化水素(PAHs)が海洋生態系にどのような集団遺伝学的影響を及ぼしたのか?、つまり、PAHs耐性をもたらしたのか?、という点について明らかにする。本年度は、まず2016年11月に、気仙沼湾において堆積物12点、アイナメ10匹をそれぞれ採取した。アイナメに関しては、肝臓・生殖腺・血液(血漿)をそれぞれ分取し、液体窒素(-170°C)の入った専用容器に入れ、凍結保存した。その他の試料は、-20°Cで冷凍保存した。今回と2011年・2012年・2015年に採取した堆積物に関してDNAを抽出した後、メタゲノムシークエンスを実施し、海底堆積物中菌叢の違いを空間的かつ時間的に解析した。その結果、石油耐性・分解菌を考えられるRhodococcus属は、相対的にPAHs汚染が高いところで多い傾向を示した。また、2011年から経時的にみると、Rhodococcus属は減少傾向にあった。このことから、PAHs汚染が著しいときにRhodococcus属が集まり、徐々にPAHsを分解していったことでPAHs汚染が低減し、その結果Rhodococcus属も減少していったことが予想された。

本申請課題では、東日本大震災によって重油汚染が生じた宮城県気仙沼湾の海洋生態系を対象に、重油由来でかつ毒性の高い多環芳香族炭化水素(PAHs)が海洋生態系にどのような集団遺伝学的影響をもたらしたかについて調査した。気仙沼湾の海底堆積物の菌叢を解析した結果、石油耐性・分解菌と考えられるRhodococcus(R)属は、PAHs濃度が高い地点に多く分布していた。一方、2011年からR属の数は経年的に減少傾向にあった。このことから、震災による重油汚染が著しい時期に重油を分解できるR属が集合、あるいは他の菌が淘汰された後、時間と共に重油が分解・減少した結果、R属自身も減少していったことが示唆された。元々、採取した試料を凍結粉砕し、DNAおよびRNAを抽出する予定であった。しかし、科研費・基盤研究(S)の分担で実施しているin vivo実験(動物実験)に対する労力が予想よりも大きくなってしまったため、本来予定の実験を実施することが難しくなった。今回得られた細菌叢に着目して、さらに解析を深める。とくに、Rhodococcus属といった既知の細菌群とは異なる新規の細菌群を、堆積物中PAHs濃度の地理的分布・経年変化との関連性をみながら特定する。また、実際に堆積物にPAHsを処理し、インキュベートすることで、耐性菌が優先的に生き残るのか、またPAHs分解産物ができるのか、の確認をおこなう。採取した生物に関しては、標的遺伝子のcDNAクローニングをおこなう。まず凍結粉砕サンプルからフェノール・クロロホルム法を用いて高純度のRNAを抽出する。次に、NCBIやDDBJのデータベース上にあるモデル生物のAHRの配列を確認し、それらの保存性の高い部分を基にプライマーを作製した後、目的の遺伝子をRT-PCR法・RACE法によってクローニングする。得られた配列を既知の生物のものと比較しながら相同性を明らかにする。とくに、汚染地域と非汚染地域の生物とで、配列間の違いの有無と頻度をチェックする。この差異のある部分(遺伝子多型)が、その生物における化学物質(PAHs)に対する感受性、つまり耐性に関与していると考えることができる。同一種を多数分析し、標的遺伝子の多型の地理的分布を明らかにする。予想される結果としては、震災による汚染が続く海域に生息する生物は、耐性型の遺伝子を持っている頻度が非汚染域の生物よりも有意に高いことが挙げられる。環境化学・毒性学標的遺伝子のcDNAクローニングをおこなう。次に、NCBIやDDBJのデータベース上にあるモデル生物のAHR等の配列を確認し、それらの保存性の高い部分を基にプライマーを作製した後、目的の遺伝子をRT-PCR法・RACE法によってクローニングする。この差異のある部分(遺伝子多型)が、その生物における化学物質(PAH)に対する感受性、つまり耐性に関与していると考えられる。また、抽出したRNAを用い、標的遺伝子のmRNA発現量を逆転写-リアルタイムPCR法により測定する。同一種を多検体分析し、標的遺伝子の多型・発現量の地理的分布を明らかにする。予想される結果としては、震災による汚染が続く海域に生息する生物は、耐性型の遺伝子を持っている頻度が非汚染域の生物よりも有意に高いこと、あるいは標的遺伝子の発現量が高いことが挙げられる。
超汎関数空間の構成に基づく無限次元確率解析の新展開及び量子情報論への応用

これまでの基盤研究において,超関数空間を新しく構成し繰り込みをせずに,無限次元ブラウン運動の冪を自然に定義することに成功している.本研究においては,この超関数空間を基に新しい超汎関数空間を構成し,この空間に基づく無限次元確率解析を構築して,応用展開する.本解析では量子場の理論での発散量を超関数として数学的定式化することができ,その解決が期待できる.そのために必要な一般化されたレヴィ・ラプラス作用素に基づく確率解析を整備し,量子確率論などへの関連付けを念頭におき,理論展開を試みる.無限次元解析に新しい手法を導入し,量子確率論,量子情報論,力学系理論等への展開を新しいものとすることが期待される.これまでの基盤研究において,超関数空間を新しく構成し繰り込みをせずに,無限次元ブラウン運動の冪を自然に定義することに成功している.本研究においては,この超関数空間を基に新しい超汎関数空間を構成し,この空間に基づく無限次元確率解析を構築して,応用展開する.本解析では量子場の理論での発散量を超関数として数学的定式化することができ,その解決が期待できる.そのために必要な一般化されたレヴィ・ラプラス作用素に基づく確率解析を整備し,量子確率論などへの関連付けを念頭におき,理論展開を試みる.無限次元解析に新しい手法を導入し,量子確率論,量子情報論,力学系理論等への展開を新しいものとすることが期待される.
個体の環境応答行動を制御する光センシング機構の解明

動物の光環境応答の制御メカニズムを明らかにするため、真骨魚類ゼブラフィッシュを動物モデルとして次のように研究を進めた。◎これまで、成体型の体色変化(背地適応)を制御する光受容分子P470としてメラノプシン遺伝子の一つを同定し、この遺伝子の発現細胞を蛍光蛋白質で標識する組換系統を樹立した。本年度はP470発現細胞の光応答測定に向けて、組換個体の網膜ニューロンを分散培養する条件を検討した。光応答測定用の顕微鏡システムを用いた観察の結果、培養条件下で単離P470発現細胞を特定することに成功した。一方、2日齢幼生は成体型とは異なる体色変化(幼生型)を示すことがわかっている。幼生型体色変化を制御する光受容分子の波長特性を推定するため、2日齢幼生において、420580nmの単一波長の刺激光に対する体色変化を調べた。その結果、体色変化の波長依存性が成体型とは異なることが示唆された。幼生型の体色変化には成体型とは別の光受容分子群が関与すると考えられる。◎脊椎動物の祖先種は色センサー分子として4種類の錐体視物質(紫・青・緑・赤)をもち、4色型の色覚が原型であると考えられているが、青と緑の錐体視物質が果たす役割やそれらの遺伝子制御の仕組みは謎に包まれていた。網膜錐体に発現する遺伝子群を機能解析した結果、青と緑の錐体視物質の遺伝子発現を制御する鍵分子として、ホメオボックス型転写因子Six6とSix7を特定した。Six6とSix7の両者を欠損させると青と緑の錐体視物質の遺伝子発現が消失すること、また、これら錐体視物質の遺伝子近傍のゲノム領域にSix6とSix7が結合することから、両者が協調的に遺伝子発現を制御することがわかった。さらに、Six6とSix7を欠損させると動物の摂餌能力が著しく低下することから、青色緑色の波長領域の視覚感度が動物の生存に重要な役割をもつことが示唆された。これらの成果は国際雑誌(Ogawa et al. PNAS 2019)に報告した。動物の体色変化を制御する光受容分子の実体に迫るため、真骨魚類ゼブラフィッシュを動物モデルとして次のように研究を進めた。1)体色変化測定装置の改良:本研究では様々な遺伝子型の個体群に対して、多数の刺激光条件で体色変化を測定する必要がある。そこでまず、作業効率を高めるために測定装置を改良した。これにより、2種類の光源による照射を自動的に切替えることが可能になり、かつ測定精度を向上させることに成功した。2)視細胞欠損個体の体色変化測定:これまでの研究により5日齢幼生の背地適応型の体色変化には、波長感度の異なる2種類の仮想的な光受容分子、P416とP470の関与が示唆されている。これらが視細胞に存在するか否かを検証するため、視細胞欠損個体を用いて単色光照射による体色変化の測定を行った。その結果、波長500 nmの緑色光に対する光応答性は正常であったのに対し、420 nmの紫色光に対する光応答が有意に減弱した。このことからP416は視細胞に存在することが強く示唆された。3)メラノプシン遺伝子群の機能阻害実験:メラノプシン(Opn4)遺伝子群は470 nm付近に吸収極大をもつことから、上述の光受容分子P470の有力な候補である。そこで、哺乳類OPN4に対する阻害剤(Opsinamide)を用いた実験を行った。まず、ゼブラフィッシュのOpn4重複遺伝子群をそれぞれ培養細胞で発現させ、Opn4の光応答に対するOpsinamideの阻害効果を調べた。その結果、これらのうち2種類のOpn4の光応答について、Opsinamide投与による減弱が観察された。そこで次に、Opsinamideを投与した5日齢幼生の体色変化を測定したところ、500 nmの緑色光に対する光応答が有意に減弱した。これらの結果から、2種類のOpn4遺伝子のいずれかが体色変化の光制御に関与することが示唆された。当初の計画通り、体色変化測定装置を改良した上で、視細胞欠損実験やメラノプシン阻害剤投与実験を遂行した。その結果、5日齢幼生の背地適応型の体色変化を光制御する仮想的な2種類の光受容分子(P416とP470)の候補を絞り込むことができた。このことは本研究において非常に大きな進展である。特に視細胞に存在することが示唆されたP416は、青色感受性の錐体視物質である可能性が高い。私どもの研究により、錐体特異的な転写因子Six7のKO個体においては、この視物質の発現が減弱することがわかった(Proc. R. Soc. B誌, 2015)。今後はこのSix7 KO個体を用いた体色変化測定も併せて行い、P416の分子実体に迫る予定である。1)体色変化測定装置の増設:本研究では様々な遺伝子型の個体群に対して、多数の刺激光条件で体色変化を測定する必要があり、前年度は作業効率を高めるために測定装置を改良した。本年度は同様の装置をさらに増設し、これにより単位時間あたりに測定可能な個体数が2倍になり、大幅な作業効率のアップにつながった。