hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
天然歯および歯冠修復材料の摩耗に与える摩擦係数の影響

歯冠修復物に用いる材料を選択する際に考慮するべき物性の一つに,材料の摩耗傾向が挙げられる.装着する補綴物は,天然歯相互の摩耗に類似した傾向をもち,口腔内のその後の咬耗による変化に調和していくものが望ましい場合や,全顎的な咬合再構築後に咬合面を可及的に保持する必要から,できるだけ摩耗の生じないものが望ましい場合など,症例に応じた材料の選択が求められる.そのためには,天然歯や歯冠修復物に用いる材料のすべての組み合わせにおける摩耗傾向を把握しておく必要がある.そこで,現在咬合面に用いられている数種の修復材料と天然歯について往復滑走摩耗試験を行い,材料の摩耗傾向の評価を行った.その結果,天然歯や材料相互の摩耗傾向は,材料の組み合わせにより大きく異なることがわかった.この摩耗傾向の違いに影響を与えると考えられる材料の物理的諸性質のうち,硬さ,表面粗さとの関係を調べたところ,明確な相関は認められなかった.そこでそのほかに摩耗に大きな影響を与える因子として,材料間の摩擦係数に着目し,摩擦力が摩耗に与える影響について明らかにすることを目的として,摩耗試験に用いた5種の歯冠修復材料とヒト天然歯エナメル質について,平板状試料と棒状試料を作製し,各材料を組み合わせ滑走運動させた際の摩擦力を測定した.測定には,試作した冶具を材料試験機(島津オートグラフAG-IS)に取り付けた摩擦力測定装置を用い,予備試験により決定した条件で試験を行った.しかしながら,材料間の摩擦係数と滑走摩耗試験における各材料間の摩耗量との間には明らかな相関は認められず,今回の実験条件においては材料問の摩擦力が摩耗傾向に与える影響は明らかにならなかった.歯冠修復物に用いる材料を選択する際に考慮するべき物性の一つに,材料の摩耗傾向が挙げられる.装着する補綴物は,天然歯相互の摩耗に類似した傾向をもち,口腔内のその後の咬耗による変化に調和していくものが望ましい場合や,全顎的な咬合再構築後に咬合面を可及的に保持する必要から,できるだけ摩耗の生じないものが望ましい場合など,症例に応じた材料の選択が求められる.そのためには,天然歯や歯冠修復物に用いる材料のすべての組み合わせにおける摩耗傾向を把握しておく必要がある.そこで,現在咬合面に用いられている数種の修復材料と天然歯について往復滑走摩耗試験を行い,材料の摩耗傾向の評価を行った.その結果,天然歯や材料相互の摩耗傾向は,材料の組み合わせにより大きく異なることがわかった.この摩耗傾向の違いに影響を与えると考えられる材料の物理的諸性質のうち,硬さ,表面粗さとの関係を調べたところ,明確な相関は認められなかった.そこでそのほかに摩耗に大きな影響を与える因子として,材料間の摩擦係数に着目し,摩擦力が摩耗に与える影響について明らかにすることを目的として,摩耗試験に用いた5種の歯冠修復材料とヒト天然歯エナメル質について,平板状試料と棒状試料を作製し,各材料を組み合わせ滑走運動させた際の摩擦力を測定した.測定には,試作した冶具を材料試験機(島津オートグラフAG-IS)に取り付けた摩擦力測定装置を用い,予備試験により決定した条件で試験を行った.しかしながら,材料間の摩擦係数と滑走摩耗試験における各材料間の摩耗量との間には明らかな相関は認められず,今回の実験条件においては材料問の摩擦力が摩耗傾向に与える影響は明らかにならなかった.これまでに行ってきた天然歯や現在咬合面に用いられる代表的な数種の修復材料を用いた対合歯との直接的な接触による摩耗を想定した滑走摩耗試験により,天然歯や材料相互の摩耗傾向は,その組み合わせにより大きく異なることが明らかになり,摩耗性は単に材料固有の性質だけではなく,対合した材料によって大きな影響を受けると考えられた.本研究の目的は,この摩耗傾向の違いに影響を与える因子を明らかにすることであり,やはり材料固有の性質ではなく対合した材料により大きな影響を受ける因子である材料間の摩擦係数に着目した.今年度は各材料間の摩擦係数の測定を行い,これまでに行ってきた摩耗試験の結果と比較・検討した.実験には現在歯冠修復物咬合面に応用される代表的な材料である12%金銀パラジウム合金,白金加金,陶材焼付用合金,ポーセレン,硬質レジンの5種類とヒト天然歯エナメル質を用いた.それぞれの材料で,摩耗試験に用いた形状である先端が半球状の棒状試料と平板状試料を作製し,各材料を組み合わせ,平板状試料上に棒状試料を滑走運動させた際の摩擦力を測定した.測定には,試作した冶具を材料試験機(島津オートグラフAG-IS)に取り付けた摩擦力測定装置を用い,試験荷重は滑走摩耗試験時と同様に500Nとし,試験速度5mm/sec,試験距離5mmの条件で行った.同材料同士を含めた6種類の材料間の摩擦力(摩擦係数)はそれぞれ異なっていた.しかしながら,滑走摩耗試験における各材料間の摩耗量との間には明らかな相関は認められず,今回の実験条件においては材料間の摩擦力が摩耗傾向に与える影響は明らかにならなかった.今後は,試験装置,試験条件等を再検討した後に,再度摩擦力の測定を行う予定である.天然歯や材料相互の摩耗傾向は,その組み合わせにより大きく異なることが,これまでに行ってきた対合歯との直接的な接触による摩耗を想定した滑走摩耗試験により明らかになった。

本研究の目的は,この摩耗傾向の違いに影響を与える因子を明らかにすることであり,材料固有の性質ではなく対合した材料により大きな影響を受ける因子である材料間の摩擦係数に着目し,各材料間の摩擦係数の測定を行った.前年度に行った摩擦力測定結果は,各材料の組み合わせについて5回づつ行った測定値にばらつきが大きく,材料の種類よりも試料の表面性状などのその他の条件に影響を受けているように思われた.そこで今年度は条件を変えて材料間の摩擦力の測定を行い,これまでに行ってきた摩耗試験の結果と比較・検討した.実験には現在歯冠修復物咬合面に応用される代表的な材料である12%金銀パラジウム合金,白金加金,陶材焼付用合金,ポーセレン,硬質レジンの5種類とヒト天然歯エナメル質を用いた.それぞれの材料で,摩耗試験に用いた形状である先端が半球状の棒状試料と平板状試料を作製し,各材料を組み合わせ,平板状試料上に棒状試料を滑走運動させた際の摩擦力を測定した.測定には,試作した冶具を材料試験機(島津オートグラフAG-IS)に取り付けた摩擦力測定装置を用い,試験荷重は滑走摩耗試験時と同様に500Nとし,試験速度5mm/sec,試験距離5mmの条件で行った.前年度と比較して測定値のばらつきは小さくなり,材料間の摩擦力の測定結果の信頼性は高くなったと考えられる.しかしながら,材料間の摩擦係数と滑走摩耗試験における各材料間の摩耗量との間には明らかな相関は認められず,今回の実験条件においては材料間の摩擦力が摩耗傾向に与える影響は明らかにならなかった.
河岸段丘崖の斜面発達に関する定量的研究

任意地点における斜面縦断形の時間的変化すなわち斜面発達を、その変化の主要な要因の関数として表す実体的経験式を確立することを目的として、比較的に簡単な初期条件をもち、しかも削剥年数の推定も容易な河岸段丘崖を対象に研究した。調査した段丘崖は、埼玉県荒川沿岸、長野県犀川沿岸および静岡県大井川沿岸にそれぞれ発達する河岸段丘崖であり、それらの気候条件、構成物質および離水年代は異なっている。3河川沿岸の段丘崖は、一般に頂部凸形部・中部直線部・基部凹形部の3区間に区分される。それぞれの傾斜(頂部凸形部と基部凹形部では見掛傾斜)をθ_<cv>、θ_<st>、θ_<cc>、また高度構成比(各部の比高/斜面全体の比)をξ_<cv>、ξ_<st>、ξ_<cc>、と記す。任意地点での、任意のTにおける段丘崖3区間および段丘崖全体のそれぞれの減傾斜速度は、P,ρ,S。およびI_dがTとともに変化しないと仮定すれば、dθ/dT=ーA B{(Pρw)/(H IγS_cI_d)}^<ーB>T^<ー(B+1)>として求められた。ここに、θ=θ_<cv>,θ_<st>,θ_<cc>またはθ_<mcan>(°)、T=段丘崖の離水年代(ka)、H=段丘崖の比高(m)、P=調査地域の年降水量(mm/yr)、ρ=斜面発達の間に運搬される物質の平均密度(gf/cm^3)、w=段丘崖上の単位幅(m)、I_r=基盤岩石の有効相対傾斜示数(無次元)、S_c=基盤岩石の圧縮強度(MPa)、I_d=基盤岩石の不連続示数(無次元)である。また、AとBは無次元の定数で、各区間でそれぞれ異なった値をもつ。各部の高度構成比は、ξ=α+βlogTの形で表される。ただし、Tは段丘崖の年代であり、αとβは定数で、段丘崖の各区間で異なった値をもち、さらにそれらの値は受盤斜面と流盤斜面とで異なっている。段丘崖各区間の高度構成比と傾斜の経験式から求めた任意の地点・時点の平均傾斜は、傾斜の経験式だけから求めた平均傾斜と一致する。本年度に調査した段丘崖は、埼玉県荒川沿岸、長野県犀川沿岸および静岡県大井川沿岸にそれぞれ発達する河岸段丘崖であり、それらは気候条件、構成物質および離水年代の異なっている。

3河川沿岸の段丘崖は、一般に頂部凸形部・中部直線部・基部凹形部の3区間に区分されるが、任意地点の段丘崖の各区間の傾斜および段丘崖全体の平均傾斜は、他の条件が同じならば、一般に1)段丘崖の年代が大きいほど減少し、2)比高が小さいほど小さく、3)受け盤斜面より流れ盤斜面で小さく、4)基盤岩石の強度が小さいほど小さい。ただし、比高の影響は現成の段丘崖ではほとんど見られず、古い段丘崖ほど大きい。また、基盤の相対傾斜の影響はそれが45°内外のとき最も著しいが、古い段丘崖であるほどは小さくなる。これらの資料から、調査地域の任意地点における段丘崖の3区間の傾斜および平均傾斜を表す経験式を、次の形で確立した。すなわちθ=α{(T/H)・(pρw)/(IγS_cI_d)}-βを提唱した。ただし、これらの諸式において、θ=θ_<cv>,θ_<st>,θ_<cc>またはθ_<mcan>(°)、T=段丘崖の離水年代(ka)、H=段丘崖の比高(m)、p=調査地域の年降水量(mm/yr)、ρ=斜面発達に間に運搬される物質の平均密度(gf/cm^3)、w=段丘崖上の単位幅(m)、I_r=基盤岩石の有効相対傾斜示数(無次元)、S_c=基盤岩石の圧縮強度(MPa)、I_d=基盤岩石の不連続示数(無次元)である。また、αとβは無次元の定数であり、両者はθ_<cv>,θ_<st>,θ_<cc>およびθ_<mcan>についてそれぞれ異なった値をもつ。調査地域の任意地詞での、任意のTにおける段丘崖3区間および段丘崖全体のそれぞれの減傾斜速度は、p,ρ,S_cおよびI_dがTとともに変化しないと仮定すれば、dθ/dT=-αβ{Pρw)/(HIrS_cI_d)}ーβT-(β+1)として求められる。本年度は特に河岸段丘崖各部の高度構成比について研究した。本研究で調査した河岸段丘崖の縦断形は、一般に頂部凸形部、中形直線部、基部凹形部の3部分に分割される。それぞれの高度構成比(各部の比高/斜面全体の比)をξ_<cv>、ξ_<st>、ξ_<cc>、また傾斜(頂部凸形部と基部凹形部では見掛傾斜)をθ_<cv>、θ_<st>、θ_<cc>と記す。形成年代の異なる段丘崖系統ごとに各部の高度構成比を平均すると各部の高度構成比は、ξ=α+βlogTの形で表される。だだし、Tは段丘崖の年代であり、αとβは定数で、段丘崖の各部で異なった値をもち、さらにそれらの値は受盤斜面と流盤斜面とで異なっている。高度構成比の時代的変化を、実測した時間範囲(0.530ka)を起えて内挿および外挿すると、頂部凸形部および基部凹形部は受盤斜面より流盤斜面に早く出現する。これは流盤斜面では地層面に沿って斜面崩壊が起りやすいためである。ところが、それらの高度構成比(ξ_<cv>およびξ_<cc>)は、受盤斜面より流盤斜面で緩慢に増加する。これは流盤斜面では、ひとたび相対的に低抗性の最も小さい地層面に沿って斜面崩壊が起ってその部分が平行盤斜面になると、そりより下位の地層面が風化や水文過程さらには斜面過程に対する低抗面として振舞うからである。段丘崖各部の高度構成比の時代的変化に関する上記の経験式とSuzuki and Nakanishi(1990)の示した段丘崖各部の傾斜(θ_<cv>、θ_<st>、θ_<cc>)の時代的変化に関する経験式とを組合せて、種々の初期条件をもつ任意地点における任意時点の斜面縦断形の予知および遡知すると、斜面全体の平均傾斜は、Suzuki and Nakanishi(1990)の示した段丘崖全体の平均傾斜を表す経験式から求めた平均傾斜とほぼ一致する。このように互に独立の二つの方法で求めた値の一致は、少なくとも本研究地域においては、このモデルが妥当であることを示唆する。
高機能センサ素子素材としてのバクテリオロバプシンの可能性の検討

(目的)機能性蛋白質を用いて高安定性、高性能のセンサを開発するために非常に安定な光電変換蛋白質バクテリオロドプシン(bR)を用いてその機能の内部機構を解明し、バクテリオロドプシンの安定性の秘密と機能を構造面から解明することを目的する。(結果と考察)本年度はまずbRを蛋白質分解酵素キモトリプシンで1ケ所のみ切断した試料(Ch-bR)を用いた。この試料は切断によって2つの断片に分れるが、バラバラにはならず疎水的相互作用によって膜構造は保たれている。しかし、切断によってその熱的ゆらぎが増大すると考えられる。このことがbRの光反応や機能にどのような影響を及ぼすかを調べた。bRはrigidな構造をしており、そのままでは酵素が作用しにくい。そこでbRからレチナールを外したものを作り、それに酵素を作用させ、切断されていることを電気泳動法により確認してから再びレチナールを加え、Ch-bRを調整した。Ch-bRの諸性質をnative bRと比較した結果から次のようなことが分かった。(1)レチナール近傍の微環境を反映しているスペクトルの形状、K中間体の生成過程には変化がないことからCh-bRでのレチナール近傍の微環境は保たれている。(2)一方蛋白質の構造変化を伴うことが期待されるレチナール結合速度、脱塩による青膜の生成、暗順応などでは変化がみられた。(3)O中間体はその生成量が大幅に減少し、光プロトンポンプ活性の効率は著しく減少した。Ch-bRではレチナール近傍の微環境は保たれており、光プロトンポンプ活性は失われていないが大きくその効率が低下することが分かった。このことはbRのrigidな構造が効率よい機能のために必須であることを示していると考えられる。次に2本のペプチド断片を分離精製し、それらを用いて再構成を行なった。各断片のみでは色素は再生しなかったが、両断片を混ぜて用いると色素が再生し、光プロトンポンプの機能も回復することが分った。
リポフェクションによる昆虫個体への簡便な遺伝子導入・遺伝子機能解析技術の開発

リポフェクション法により6目70種以上の昆虫でルシフェラーゼ遺伝子を発現させることに成功した。カイコに脱皮ホルモン不活性化酵素遺伝子E22Oを発現させたところ、血液虫の脱皮ホルモン濃度が低がり、脱皮・変態が阻害された。また、本法とレポーター遺伝子アッセイを組み合わせることにより、カイコの麻痺ペプチドがポリシストロニックmRNAから翻訳されることも明らかにした。このように、リポフェクション法は様々な昆虫に遺伝子を発現させてその機能を解析したり、遺伝子の発現制御機構を解析する手段として利用できそうである。リポフェクションは、DNAを脂質との複合体にして無理なく細胞に取り込ませる簡便な遺伝子導入法で、培養細胞に対してよく用いられる。本研究では、(1)リポフェクションにより昆虫個体に様々な遺伝子を一過的に発現させてその機能を解析する技術を開発する、(2)リポフェクションをトランスポゾンを使った既存の遺伝子組換え技術と組み合わせることにより簡便にトランスジェニック昆虫作出する技術を開発する、という2種類の技術開発を行う。初年度である本年度は、ルシフェラーゼ遺伝子の発現プラスミドを用いてリポフェクションの条件検討を行い、最も遺伝子導入効率の高いリポフェクション試薬の種類、DNA量、DNA/リポフェクション試薬量比、導入時期などの条件を決めた。そして、その決定した条件で各種の昆虫に遺伝子導入を試したところ、チョウ目、コウチュウ目、バッタ目の合計10種以上の虫にルシフェラーゼを発現させることができた。さらに、1種類の発現プラスミドを用いるsingle inductionシステムだけでなく、トランスジェニック昆虫でよく用いられているGAL4/UAS dual inductionシステムが機能するか調べたところ、single inductionシステム以上に効率よくルシフェラーゼ遺伝子を発現できることがわかった。現在、GAL4/UAS dual inductionシステムに用いるプロモーターの選定を進めているところである。プロモーターの種類を含めて、このGAL4/UAS dual inductionシステムでの発現条件を最適化できれば、今まで以上に効率よく外来遺伝子を発現できるようになると期待できる。2年目である本年度は、(1)においてより高い発現効率を実現するためと、(2)においてトランスポゾンをin vivo lipofectionに利用できるか確かめるため、トランスジェニック昆虫作出に常用されるトランスポゾンpiggyBacを用いたUAS/GAL4発現誘導系をin vivo lipofectionに利用できるか調べた。まず、アクチンA3プロモータの下流でGAL4遺伝子を発現させるpBac[A3-gal4]をUASプロモーターによりホタル・ルシフェラーゼを発現させるpBac[UAS-luc]とともに、in vivo lipofection法によりカイコの3齢0日幼虫に導入し、バキュロウイルスのIE2プロモーターにより直接ルシフェラーゼを発現誘導するレポーター・プラスミドpIZT-flucを導入した場合と、カイコ幼虫細胞でのルシフェラーゼ発現効率を比較したところ、piggyBacではpIZT-flucの数10分の1の値しか得られなかった。そこで、driverをヘルペスウイルスのトランス作動性タンパク質VP16の転写活性化ドメインを融合させたGAL4-VP16タンパク質遺伝子を発現させるpBacMCS[A3-gal4-VP16]に変えてみたところ、ルシフェラーゼ活性は大きく上昇したが、pIZT-fluc単独処理の値と比べるといまだ数分の1にとどまっていた。このように、piggyBacベクターを使ったUAS/GAL4発現誘導系をin vivo lipofection法に利用できることが確認できたが、発現効率はまだ十分ではない。今後、さらに改良を重ねる必要がある。本研究では、1リポフェクションにより昆虫個体に様々な遺伝子を一過的に発現させてその機能を解析する技術を開発する、2リポフェクションをトランスポゾンを使った既存の遺伝子組換え技術と組み合わせることにより簡便にトランスジェニック昆虫作出する技術を開発する、という2種類の技術開発を行う。昨年度までに、リポフェクションにより発現プラスミドやレポーター・プラスミドをカイコ幼虫に導入し、遺伝子の機能解析や発現制御機構解析を行うことができることを示してきた。しかし、カイコの幼虫期以外のステージで遺伝子導入できるかどうか、また、カイコ以外の昆虫に対しても本法が有効かどうかは分かっていない。そこで、様々な時期のカイコと70種以上のチョウ目昆虫の幼虫にリポフェクションによる遺伝子発現を試みた。ドクガNPVのIE2プロモーターによりホタル

・ルシフェラーゼ遺伝子を発現させるプラスミドをカイコの35齢幼虫、蛹、成虫にリポフェクションしたところ、体壁でのルシフェラーゼの発現は3齢幼虫期が最も高くステージが進むにつれて弱くなっていき、成虫になるとほとんど検出できなくなった。また、リポフェクション後、11上科19科に属す47種のチョウ、ガ類から明らかなルシフェラーゼの発現を検出できた。このように、リポフェクション法は様々なチョウ目昆虫の幼虫に簡単に遺伝子を発現させる方法として利用できそうである。また、昨年度、piggyBacベクターを使ったUAS/GAL4発現誘導系をin vivo lipofection法に利用できることが確認できたので、トランスポゼースの発現プラスミドを一緒に発現させてトランスジェニック・カイコを作出できるかどうか調査したが成功しなかった。期待していた通りの結果が得られていない部分もあるが、研究は計画通り進行しており、また、研究成果の発表も順調に進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。まだ、本法による外来遺伝子の発現効率は十分ではないので、さらに効率を高める試行錯誤を繰り返し、さまざまな遺伝子の機能解析を行う。
導電性ナノダイヤモンド粒子の作製・機能化と水系電気二重層キャパシタへの応用

高エネルギー密度かつ高出力密度の水系電気二重層キャパシタ(EDLC)を実現するための電極材料として、ホウ素ドープナノダイヤモンド(boron-doped nanodiamond, BDND)粉末を開発する。BDNDは、100 nm以下サイズのナノ粒子であり、高比表面積のため高容量が期待される。また、表面修飾により酸化還元活性な官能基を導入することにより、疑似容量によるさらなる高容量化を図ることができる。作製したBDNDおよび表面修飾BDNDを電極材料に用いることにより、高エネルギー密度かつ高出力密度を示す積層型セルを試作する。
除草剤によるエチレン生合成遺伝子の発現誘導の機序

オーキシンと類似の作用を強力に発現することによって植物を枯らすいわゆるオーキシン型除草剤の作用には、除草剤によって生成が誘導されるエチレンの関与が推定されているが、作用機構の全容解明までは至っていない。本研究はオーキシン型除草剤の作用プロセスの全体像を解明すること、およびエチレン生合成遺伝子の発現誘導と除草剤の作用への関与の機構を明らかにすることを目的としたものでる。作用機序が明らかでないオーキシン型除草剤キンクロラックについて、エチレン合成系の活性化とその要因について解析した。キンクロラックをトウモロコシの根から吸収させるとエチレンの発生が顕著に促進され、クロロフィルの分解に伴う葉の白化と水分含量の減少が見られたが、これらは光の照射下でのみ起こった。この作用への光の必要性は他のオーキシン型除草剤ではみられず、キンクロラックに特徴的であった。また、エチレンの発生はトウモロコシの生育期温度にも大きく影響を受け、また、薬剤処理時に温度を上げると急激に増加した。エチレン生合成のキー酵素であるACC synthaseとACC oxidaseの活性誘導を調べた結果、キンクロラック処理植物でACC synthaseが、光照射下でのみ顕著に誘導されることが明らかとなった。これらのことからキンクロラックにより光の下でこの酵素が誘導されることがエチレン発生の要因と考えられ、さらに、酵素活性の増加パターンから障害誘導型のACC synthaseが誘導されている可能性が示唆された。現在、このことを確かめるべくACC synthase遺伝子の発現解析を行っている。この一連の研究により、オーキシン型除草剤として分類されているキンクロラックに関して新規の知見が集積され、さらに、現在進行中の遺伝子解の結果と併せて、作用機序の詳細がほぼ解明されるものと考えられる。オーキシンと類似の作用を強力に発現することによって植物を枯らすいわゆるオーキシン型除草剤の作用には、除草剤によって生成が誘導されるエチレンの関与が推定されているが作用機構の分子レベルでの解明までは至っていない。本研究はオーキシン型除草剤の作用プロセスの全体像を解明すること、および、エチレン生合成遺伝子の発現誘導とそのオーキシン型除草剤の作用への関与機構を明らかにすることを目的としたものである。平成11年度においては除草剤キンクロラックによるエチレン合成系の活性化とその要因について解析した。キンクロラックを感受性植物の葉片から吸収させると葉片からのエチレン発生が顕著に促進され、生成量に応じてクロロフィルの分解に伴う葉片の白化が見られたが、これらは光の照射下でのみ起こった。この光の下でのみのエチレン発生促進と作用の発現という現象は、キンクロラックをトウモロコシ個体の根から吸収させた場合にも確認された。また、葉片からのエチレンの発生は、トウモロコシの生育期温度にも大きく影響を受け、また、薬剤処理時に温度を上げると急激に増加した。これらのことからキンクロラックによるエチレンの合成促進は光の関与する反応で、高温下では生合成系の酵素量の増大が起こっている可能性が示唆された。エチレン生合成のキー酵素の一つであるACC oxidaseの活性の誘導を調べた結果、キンクロラック処理によるこの酵素の活性の増加は見られなかったため、ACC synthaseなどの酵素について検討を行っている。オーキシンと類似の作用を強力に発現することによって植物を枯らすいわゆるオーキシン型除草剤の作用には、除草剤によって生成が誘導されるエチレンの関与が推定されているが、作用機構の解明までは至っていない。

キンクロラックをトウモロコシの根から吸収させるとエチレンの発生が顕著に促進され、クロロフィルの分解に伴う葉の白化と水分含量の減少が見られたが、これらは光の照射下でのみ起こった。この作用への光の必要性は他のオーキシン型除草剤ではみられず、キンクロラックに特徴的であった。また、エチレンの発生はトウモロコシの生育期温度にも大きく影響を受け、また、薬剤処理時に温度を上げると急激に増加した。エチレン生合成のキー酵素であるACC synthaseとACC oxidaseの活性誘導を調べた結果、キンクロラック処理植物でACC synthaseが、光照射下でのみ顕著に誘導されることが明らかとなった。これらのことからキンクロラックにより光の下でこの酵素が誘導されることがエチレン発生の要因と考えられ、さらに、酵素活性の増加パターンから障害誘導型のACC synthaseが誘導されている可能性が示唆された。現在、このことを確かめるべくACC synthase遺伝子の発現解析を行っている。この一連の研究により、オーキシン型除草剤として分類されているキンクロラックに関して新規の知見が集積され、さらに、現在進行中の遺伝子解の結果と併せて、作用機序の詳細がほぼ解明されることになる。
花粉管の通り道に発現するタンパク質の形質転換体による機能解析

タバコ柱頭滲出液中のタンパク質のcDNAクローニングを目指し、柱頭滲出液中のタンパク質を二次元電気泳動で分離し、そのN末端アミノ酸配列の決定を行った。柱頭滲出液中の酸性タンパク質SE32とSE39は、30mMのクエン酸buffer中で50%のアセトンでは沈殿しないが80%のアセトンでは沈殿するという性質を利用して、柱頭及び花柱の可容性タンパク質を文画した後、二次元電気泳動で分離し、PVDF膜に転写したタンパク質のN末端アミノ酸配列を気相アミノ酸シーケンサーによって分析した。その結果SE32とSE39のN末端アミノ酸配列が決定された。これらのうち、SE39は相同性検索の結果、thaumatin like protein(以下TLP)のgene family内で保存されているN末端アミノ酸配列の特徴を持つことが明らかになった。TLPは、PR protein(pathogenesis related protein)のグループ5として、ウイルスや病原菌により発現が誘導されるものや、種子や花にdevelopmentalな制御を受けて蓄積するものが報告されている。一般的に、TLPは抗菌活性を持つことが知られており、SE39についても同様に抗菌活性を持つ可能性が示唆される。SE39がPR proteinのグループ5と相同性を持つという結果は柱頭滲出液中のタンパク質とPR proteinの構成の類似性を示すものと思われる。そこで、PR proteinのグループ3のキチナーゼに保存される配列をもとにプライマーを作成しPCRを行ったところタバコのPR-P(キチナーゼ)と90%以上の相同性を持つDNA断片が増幅された。このことから、柱頭滲出液中に酸性で分泌型のキチナーゼが含まれる可能性が高いと考えられる。
ラテックスを利用した電気二重層キャパシタの可逆性増大手法

電気二重層キャパシタの設計に有用な結果は、1)二重層静電容量は周波数のべき乗に比例する、2)二重層インピーダンスに周波数依存性のある抵抗成分含まれる、3)静電容量は直流電位、塩濃度、塩の種類に無関係、4)静電容量は電極上に配向した双極子の実効分極で決まる、4) Gouy-Chapman理論は実用上のイオン濃度では不成立、5)周波数依存性の指標となる冪数は双極子の配向に関する協同現象である。静電容量の実際の厚さが分子大なので、電気二重層の静電容量は電極の微視的表面積だけで決まる。電極に垂直方向へのイオン分布を考慮するGCS理論は、電気二重層キャパシタの考え方と異なることを証明し、矛盾することを示した。静電容量のイオン濃度依存性や電位依存性のデータを得た。(論文1,2,3,4,5)。次にGCS理論に代わる独自の理論として、電気二重層キャパシタへの実用に向く研究結果は以下です。(1)論文(1,2,3,4,5)に掲載したように原始的モデルの構築・計算をした。電気二重層容量にかかわる変数は、塩の濃度、誘電率、外部電圧、電解質イオンの大きさ、電解質の価数などであり、それぞれ現れる静電容量の特徴が異なる。各変数が及ぼす力が明瞭になるイオンの配置モデルを設定する。力からエネルギーを算出し、カノニカル分配関数を作成する。それを基にして、静電容量、電位分布、表面電荷密度などの期待値を求める。その考えを基礎実験によって証明した。(2)論文(6,7,8,9)に掲載したようなナノ電極の作製および組み合わせ:ナノメートルオーダーを目指して電極の微小化(論文6,7)、絶縁壁が問題になりにくい白金微細線電極の作製と検証(論文8,9)、電気化学測定装置の調整、微小電極の組み合わせを行った。実用に向く最適条件を見つけるまで至らず、さらなる時間と設備の充実が必要である。(3)論文(4,5,6)に掲載したようなイオン化した微粒子の合成およびその性質:異なる直径を持った3種類のラテックスを合成した。それぞれの粒子の幾何学とイオン的性質および溶媒への分散などの基本的な性質を求めた。(4)実験結果に基づくモデルの構築およびモデル計算と並行して行なっている。電極に垂直方向へのイオン分布を考慮するGCS理論は、電気二重層キャパシタの考え方と異なることを証明し、電気化学測定の結果と整合しないことを示した。26年度における電気二重層キャパシタへの実用に向く研究結果は以下のとおりである。(1)溶媒の依存性:13種類の溶媒を用い、それぞれ、分極ポテンシャル領域におかれた二本の平行な白金線電極間の交流インピーダンスを測定し、得られたインピーダンス値を解析した。1界面抵抗は二重層容量と平行の等価回路になるように含まれている。2ハライドイオンの白金電極での二重層静電容量は、ポテンシャルに無関係である。3二重層静電容量はイオンの濃度に無関係であった。静電容量は溶媒の直径や双極子モーメントではなく、電極上に配向した双極子の長さで決まることを示している。(2)電気二重層構造におけるイオンの役割:スルホン酸ラテックス懸濁液の微粒子から解離した水素イオンにより、極めて低いイオン濃度における電気二重層容量Cpの測定ができた。白金電極での静電容量は、イオン分布に依らず、溶媒の双極子モーメントにより制御され、溶媒の配向により生じる。イオンの分布による静電容量のみを考慮するGouy-Chapman理論に従わなかった。(3)静電容量の周波数依存性:分散した酸化グラフェン片を電極上に積層した後、還元させ、その膜の静電容量が交流インピーダンスを測定した。その静電容量と積層膜の厚さの関係、さらに、その周波数依存性を求めた。積層膜が10 nm以上になると、静電容量の周波数依存性が大きくなった。静電容量の周波数依存性の実験式を提案し、そのモデルを考察した。(4)実験結果に基づくモデルの構築およびモデル計算を並行して行なっている。静電容量の実際の厚さが分子サイズなので、電気二重層の静電容量は電極の微視的表面積だけで決まる。電極に垂直方向へのイオン分布を考慮するGouy-Chapman理論は、電気二重層キャパシタの考え方と異なることを証明し、矛盾することを示した。Gouy-Chapman理論に代わる独自の理論として、電気二重層キャパシタへの実用に向く研究結果は:(1)溶媒の依存性:13種類の溶媒を用い、それぞれ、二本の平行な白金線電極間の交流インピーダンスを測定し、得られたキャパシタンス値を解析した。1二重層容量は容量に抵抗平行に含まれている。2ハライドイオンの白金電極での界面の容量は、ポテンシャルに無関係、3イオンの濃度に無関係であった。(2)電気二重層構造におけるイオンの役割:スルホンラテックス懸濁液の微粒子から解離した水素イオンにより、極めて低濃度における電気二重層容量Cpの測定ができた。

白金電極でのCpは、イオン分布に依らず、溶媒の双極子モーメントにより制御され、溶媒の配向により生じる。イオンの分布による静電容量のみを考慮するGouy-Chapman理論に従わず。実験結果から、内側層容量と周波数依存性を考慮する二つ成分の拡散層容量により、構成される二重層容量の等価回路を提案した。(3)静電容量の周波数依存性:分散した酸化グラフェン片修飾電極を還元させ、還元した膜の静電容量が交流インピーダンス測定による見積もった。その静電容量と積層膜の厚さの関係、さらに周波数依存性を求めた。積層膜が10 nm以上になると、静電容量の周波数依存性が大きくなった。静電容量の周波数依存性の実験式を提案し、そのモデルを考察した。(4)実験結果に基づくモデルの構築およびモデル計算と並行して行なっている。電気二重層キャパシタの設計に有用な結果は、1)二重層静電容量は周波数のべき乗に比例する、2)二重層インピーダンスに周波数依存性のある抵抗成分含まれる、3)静電容量は直流電位、塩濃度、塩の種類に無関係、4)静電容量は電極上に配向した双極子の実効分極で決まる、4) Gouy-Chapman理論は実用上のイオン濃度では不成立、5)周波数依存性の指標となる冪数は双極子の配向に関する協同現象である。当初の計画の75%に至る研究結果が得た。分析化学(1) 26年度の結果によりモデルの再構築およびモデル再計算。その考えを基礎実験によって証明、その正当性を理論的に示す。(2)ナノ電極の作製および組み合わせ。測定装置の再調整。実用に向く最適条件を見つける。不適であれば(1)へ戻る。(3)電気化学測定・データ解析と計算理論を同時的に行い、各変数の影響を調べるため、変数を一つずつ動かしてみる。できるだけ解析解が出るような形のモデルの再構築も行う。それらをすべて取り込んだとき、実験で得られる電気二重層キャパシタが得られる。それらの変数を変えたときの実験的検証を行う。(1)と並行して行なっている。当初の計画の70%に至る研究結果が得た。(1)論文(1,2,3,4,5)に掲載したような電気二重層の原始的モデルの構築・計算をした。電極に垂直方向へのイオン分布を考慮するGCS理論は、電気二重層キャパシタの考え方と異なることを証明し、矛盾することを示した。静電容量のイオン濃度依存性や電位依存性のデータを得た。その考えを基礎実験によって証明した。(2)論文(6,7)に掲載したようなナノメートルオーダーを目指して電極の微小化に成功した。ナノ電極の作製、絶縁壁が問題になりにくい白金微細線電極の作製と検証、ナノ電極の無塩状態での応用、電気化学測定・データ解析と計算理論をした。(3)論文(4,5,6)に掲載したようなイオン化した微粒子の合成およびその性質:異なる直径を持った3種類のラテックスを合成した。それぞれの粒子の幾何学とイオン的性質および溶媒への分散などの基本的な性質を求めた。実用に向く最適条件を見つけるまで至らず、さらなる時間と設備の充実が必要である。(1) 25年度の結果によりモデルの再構築およびモデル再計算。その考えを基礎実験によって証明。その正当性を理論的に示す。測定装置の再調整。(3)合成したラテックスの適用性の検討。
ディープラーニングを用いた大規模配列データからの階層的特徴抽出

塩基配列や、それから転写・翻訳されてできるアミノ酸配列を解析する際、分子生物学の知識に大きく依存した従来的な方法では、ある程度予想可能な事実しか発見できないという限界があった。本研究ではディープラーニングを含む各種の機械学習手法を用いることで、大規模な配列データから道の階層的な特徴を抽出することが可能であることを明らかにした。平成26年度はまず、ディープラーニングを用いてDNA配列やアミノ酸配列の分類と予測を行っている事例について、文献調査を行った。位置特異的スコア行列(PSSM)など、従来的な配列分類予測で使われている特徴を多数組み合わせた例がいくつか報告されているが、ディープラーニングに特化した全く新しいエンコーディング方法を提案した例は見られなかった。次に、数種類の配列分類問題に対してディープラーニングを応用し、サポートベクターマシン等の分類器との性能比較を行った。特徴として数種類の固定長部分配列頻度を用いた結果、エクソン・イントロンの境界予測問題とヒストンアセチル化の予測問題については、サポートベクターマシンと同等程度の分類精度を得ることができた。また、ディープラーニングの有力な要素技術の1つであるドロップアウトについても網羅的な調査を行い、その効果を確認した。ドロップアウトにより必ずしも精度が向上するわけではなかったが、その場合でも学習の収束速度が向上することが確認された。一方、大規模配列データへの対応としては、グラフィックプロセッサ(GPU)を使った高速化の効果を確認した。近年ではディープラーニング用ソフトウェアの多くがGPUを用いた高速化に対応しているが、実験ではトロント大学で開発されたDeepNetを用いた。固定長部分配列頻度をエンコーディングに用いた場合に中間層に現れる特徴については現在解析中だが、他にもディープラーニングに特化した新しいエンコーディング手法を開発し、精度検証を行っている。平成27年度は、DNA配列を直接エンコーディングして深層学習に入力することを試みた。多くの試行錯誤を経て、深層学習の一種である畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network)をテキスト分類に用いたJohnsonらの研究に着目し、これをDNA配列分類に応用した。one-hot vectorを用いて配列を2値のマトリクス(バイナリイメージ)としてエンコーディングすることにより、連続性の情報を損なうことなく文字列を数値ベクトルに変換し、深層学習への入力とした。学習アルゴリズムとしては畳み込みニューラルネットワークを用い、最適なハイパーパラメータの組み合わせを探索し、交差検定により予測精度を求めた結果、10種類のヒストン修飾データセットと、UCI Machine Learning Repositoryで公開されている2種類のデータセット(SpliceおよびPromoter)について、従来法を上回る精度を達成することができた。また、学習済みのネットワークの各階層から、特徴情報を抽出することができた。一方、エンコーディング手法探索の過程で、ニューラルネットワークを用いた単語埋め込み(Word Embedding)も検討した。配列分類への応用は結局見送ったが、テキストマイニングを用いたドラッグリポジショニングが可能であることを示した。エンコーディング手法の探索と、最適なネットワーク構造およびハイパーパラメータの探索に、予想以上に時間を取られたため、アミノ酸配列を対象とした実験と、抽出した特徴の解釈を行うことができなかった。平成28年度は、昨年度に続いてテキスト分類のための畳み込みニューラルネットワークをDNA配列分類に応用する研究を行った。その一方で、全く新しいDNA配列に対する提案手法の特徴抽出能力を評価するために、能登地方に自生するキノコの一種を対象として、次世代シーケンサによる配列決定を行った。対象生物の発生時期である10月以降にサンプル採取を行い、予備調査として、2種類の株について長さ100塩基程度のショートリードを読み取り、ゲノム配列の構築を試みた。リード長が短いことから、多くのゲノム領域で欠損が見られたが、不完全ながらも数千個の遺伝子を同定することができた。また、同様のショートリードが公開されている近縁種のキノコと比較を行った。サンプル採取が10月しか行えないことと、次世代シーケンサによる配列決定に時間がかかったため、本調査であるロングリードの配列決定およびRNA Seqによる遺伝子領域決定を年度内に行うことができなかった。本研究ではまず、配列の分類と予測を行っている事例について文献調査を行った後、DNA配列を直接エンコーディングして深層学習に入力することを試みた。いくつかの手法を検討した後、深層学習の一種である畳み込みニューラルネットワーク(CNN)をテキスト分類に用いたJohnsonらの研究に着目し、これをDNA配列分類に応用した。one-hot vectorを用いて配列をバイナリイメージとしてエンコーディングすることにより、連続性の情報を損なうことなく文字列を数値ベクトルに変換し、深層学習への入力とした。最適なハイパーパラメータの組み合わせを探索し、交差検定により予測精度を求めた結果、10種類のヒストン修飾データセットと2種類のベンチマークデータセットについて、従来法を上回る精度を達成することができた。また、エンコーディング手法探索の過程で、ニューラルネットワークを用いた単語埋め込みを検討した結果、テキストマイニングを用いたドラッグリポジショニングが可能であることを示した。その一方で、全く新しいDNA配列に対する特徴抽出能力を評価するために、能登地方に自生するキノコの一種を対象として、2種類の株についてゲノム配列の構築を試みた。ショートリードデータから、不完全ながらも数千個の遺伝子を同定し、近縁種のキノコと比較を行った。最終年度にはロングリードの配列決定およびRNA-seqによる遺伝子領域決定を行い、これらを総合してドラフトゲノム配列を構築した。

並行して、大規模配列データからの新たな特徴抽出法について研究を行い、数量的特徴とカテゴリカルな特徴を組み合わせることで配列分類の予測精度を改善できることを明らかにした。塩基配列や、それから転写・翻訳されてできるアミノ酸配列を解析する際、分子生物学の知識に大きく依存した従来的な方法では、ある程度予想可能な事実しか発見できないという限界があった。本研究ではディープラーニングを含む各種の機械学習手法を用いることで、大規模な配列データから道の階層的な特徴を抽出することが可能であることを明らかにした。様々なディープラーニング用ソフトウェアの試用と評価に時間を取られた結果、中間層に現れる特徴とエンコーディング手法に関する研究がやや遅れている。平成28年度は、特定の生物種について次世代シーケンサによる配列決定を実際に行い、その結果得られた全く新しいゲノムDNA配列を対象として深層学習を行う。但し、対象とする生物サンプルを採取できる季節が10月以降に限られるため、それまでは前年度にやり残したアミノ酸配列を対象とした実験と、抽出した特徴の生物学的解釈を進める。平成29年度は、次世代シーケンサによる配列決定を完了し、構築したゲノム配列を対象として深層学習を行うことで、今まで見つからなかった新しい配列特徴の発見を目指す。生命情報学配列データに対するディープラーニングの実験を効率良く進めるための計算機環境を早急に整備し、中間層に現れる特徴とエンコーディング手法に関する研究を進めるとともに、最適なパラメータセットの探索を行い、大規模配列データベースからの網羅的特徴発見を行う。主に学会発表や論文投稿の遅れによる。平成28年度に予定していた「微生物ゲノム配列の新規決定と解析」について、対象生物として能登地方固有の菌類を選定した結果、10月のシーズンまでサンプル採取が遅れた。これに加えて、精密な配列決定のためにショートリードとロングリードの2段階の配列決定が必要になり、当初予想より時間を要し、最終的な納品が平成29年度にかかることが判明した。当初計画では高性能ワークステーションを1台購入して研究を進める予定だったが、より安価な多数の計算機にGPUを搭載した計算機環境とディープラーニング用のソフトウェアを組み合わせた方が効率的に研究を進められることが分かったため、各ソフトウェアと計算機およびGPUの適合調査が必要になり、物品の購入が遅れた。次世代シーケンサによる新規ゲノム配列決定の対象生物種を微生物から変更したことにより、ゲノムサイズが大きくなり、当初予定より外注費用が嵩む見込みである。次年度使用額は、主にこれに充てる予定である。ロングリードの配列決定結果が4月末に納品され、予算の大部分を使用し終えた。
多糖・機能性高分子複合体を用いた新規バイオナノマシンの創製

有機溶媒/水の界面にてシゾフィランをRenatureさせ、疎水性ポリマーへのラッピングを行った。このような界面でのラッピング過程を利用することにより超分子ポリマーの形成が可能となると期待される。得られた水溶液のDLS測定の結果、直径100-200nmの構造体の形成が示唆された。さらに、TEMによる観察の結果では内部に疎水性ドメインを持つ水溶性巨大ミセルの形成が明らかとなった。親水性ポリマーと疎水性ポリマーが共有結合にて連結した両親媒性ポリマーは水中で自己組織的に集合し、巨大なミセルやベシクルなどの超構造体を形成することがよく知られている。これら集合体の構造は、一本の高分子鎖における親水ドメインと疎水ドメインの相対的な大きさ、位置、数によって劇的に変化する。このため、多用な機能と構造を持った集合体の創製には一本の高分子鎖内でこれらのファクターを厳密に制御することが求められ、簡便かつ有効な方法の確立が待望されている。天然多糖であるシゾフィランは様々な疎水性ポリマーをラッピングすることにより水溶性コンポジットを与える。もし、このラッピング過程で疎水性ポリマーに巻き付くシゾフィランの領域を制御することができれば、ラッピング過程を利用した両親媒性ポリマーの創製が可能になるはずである。このような、自己組織的なラッピングを利用したブロックポリマーの創製は高分子合成の視点からみても興味深いはずである。今回、シゾフィランの疎水性ポリマーへのラッピングをキープロセスとした超分子化学的なブロックポリマーの創製を試みた。まず、疎水性ポリマーを有機溶媒に溶解し、水中でエマルジョン化した。ここにシゾフィランのDMSO溶液を加え、有機溶媒/水の界面にてRenatureさせ、疎水性ポリマーへのラッピングを行った。さらに、TEMによる観察の結果では内部に疎水性ドメインを持つ水溶性巨大ミセルの形成が明らかとなっている。β1、3系の天然多糖であるシゾフィランおよびカードランは様々な疎水性ポリマーをラッピングすることにより水溶性コンポジットを与える。今回、このラッピング過程で疎水性ポリマーに巻き付くシゾフィランの領域を制御し、ラッピングを利用した新規な超分子ブロックコポリマーの創製を試みた。次に、このミセル内部に疎水性の制がん剤であるカンプトテシンを内包することを試みた。ここでは得られるミセルにバイオ材料としての適性を持たせる為に、ポリ乳酸を疎水性ポリマーとして使用した。種々の条件を検討した結果、カンプトテシンを内包したミセルの調製に成功し、一定の成果を得る事ができた。今後は得られた制がん剤内包ミセルを利用した新規なドラッグデリバリーシステムの構築を目指す予定である。緑色光合成細菌内では、クロロソームと呼ばれる器官が光を集光し伝達する機能を担っている。この自己会合体は、クロロフィル色素分子3^1位の配位性の水酸基が他の分子の中心マグネシウムに配位結合し、さらにその配位結合で酸性度が大きい水酸基が立体的に空いた13位のケトカルボニル基と水素結合し、さらにπ-π相互作用によってQ_y軸方向に綺麗に並んだ高秩序な」会合体を形成する。この自己会合体により吸収された光エネルギーは、膜内に配置された色素タンパク質複合体に伝達される。ヘキサンなどの低極性有機溶媒中で脂質膜内の疎水環境を再現することが可能であり、合成クロロフィルなどを用いて人工クロロソームを創製しようとする試みに注目が集まっている。クロロフィル分子の自己組織性を利用すると、適切な疎水性環境においてナノマイクロメーターサイズの超分子型光合成アンテナを簡便に創製することができる。本研究では、ポリスチレンなどの合成高分子と天然多糖からなるミクロ相分離構造内でクロロフィル分子を自己組織化することにより、半人工クロロソームの創製を試みることにした。その結果、相分離した疎水性ドメイン内で、クロロフィル分子が自己組織化し、高秩序な1会合体を形成していることがUV/VISによって確認された.さらに光エネルギーのアクセプター

色素を疎水性ドメイン内に導入し、光エネルギーの伝達が可能であるか検討した結果、効率的なエネルギー移動が起きている事が確認され、クロロソーム類似の光化学機能を有している事が明らかとなった。
標的酵素の立体構造に基づく新型アルドース還元酵素阻害剤の開発

アルドース還元酵素(ALR2)阻害剤は糖尿病合併症治療薬になり得る。これまでに様々なALR2阻害剤が開発されたが、副作用等によりそのほとんどが臨床試験段階で脱落している。本研究では、標的酵素の立体構造に基づいた分子デザインにより、新規ALR2阻害剤候補としてbotryllazine B類、プテリン-7-カルボキサミド類、GFP発色団モデルの3つのクラスを見出した。これらの何れにおいても酵素との特徴的な相互作用が観測され、かつ非常に高い阻害活性と副作用軽減の鍵となるLeu300との相互作用が観測された。従ってこれらの化合物群は副作用の少ない糖尿病合併症治療薬へと展開可能であることを明らかにした。アルドース還元酵素(ALR2)は糖尿病合併症に関連した酵素であり、その阻害剤は糖尿病合併症治療薬となり得る。今回、アカホヤ由来ボトリラジンBをリード化合物とし、2位に様々な置換フェニルカルボニル基を導入した誘導体、ならびに6位に様々な縮合二環式芳香環を導入した誘導体を合成し、それらのアルドース還元酵素阻害能を評価した。その結果、2位に3,4-ジヒドロキシフェニルカルボニル基を有し、かつ6位にキノリン-2-イル基を導入した誘導体において、唯一の市販薬であるエパルレスタットに匹敵する高い阻害活性が観測された。またこの化合物の標的酵素への結合をドッキングスタディによってシミュレートした。その結果、ALR2選択性と深く関わりのあるLeu300との相互作用が観測された。この結果から、今回開発した化合物がALR2の類似酵素を阻害しない高選択性かつ高阻害活性を有することが示唆され、新規糖尿病合併症治療薬候補となり得ることが示された。平成25年度は、ボトリラジンBの6位に二環式複素環を導入すると、アルドース還元酵素の阻害能が向上することを見いだした。またドッキングスタディによって、この二環式複素環が標的酵素の「特異的ポケット」と呼ばれる部位と相互作用可能であることが示唆された。この部位との強い相互作用は阻害活性の向上のみならず、他の類似酵素に対する標的酵素の選択性を発現させるためにも重要である。一方、プテリン環はアミドやアミノ基を有する二環式複素環であり、本研究代表者は、このプテリンがこれらの官能基を介した水素結合によってタンパク質と強く相互作用することを既に見いだしている。これらの知見から、プテリン環はアルドース還元酵素の「特異的ポケット」との相互作用部位として有用であると考え、平成26年度はプテリン環を含むアルドース還元酵素阻害剤の開発を行った。合成は研究代表者が見いだした手法を用いて行い、プテリンの7位に種々のアミノ酸を有する誘導体を合成した。その結果、グリシンを導入しただけのシンプルな構造のプテリン誘導体が、優れたアルドース還元酵素阻害剤として知られるソルビニルと同等の阻害活性を示すことを見いだした。さらにドッキングスタディにより、プテリン環が「特異的ポケット」を構成しているTrp111とパイ-パイ相互作用しており、さらに、アミノ基とアミドカルボニル酸素がそれぞれThr113ならびにLeu300と相互作用していることがわかった。特にLeu300との相互作用は酵素選択性発現のために重要であり、プテリン誘導体が優れたアルドース還元酵素阻害剤となり得ることを初めて明らかにした。最終年度は新規アルドース還元酵素(AR)阻害剤開発研究の一環として、オワンクラゲ緑色蛍光蛋白質(GFP)の発色団モデルを12種類合成し、それらのAR阻害能を精査した。その結果10種類の誘導体において高い阻害活性が観測され、特に2-ナフチル基を有する誘導体がエパルレスタットに匹敵する非常に高い阻害活性を示した。これらの構造とAR阻害活性との相関を詳細に検討するためにドッキングスタディを行った。通常ドッキングスタディでは蛋白質データバンク(PDB)に登録されている蛋白質立体構造に対してリガンドをドッキングさせる。しかしARはリガンドの構造により活性部位の構造が変化するinduced-fit型の蛋白質であり、約100種類のAR-阻害剤共結晶構造がPDBに登録されているため、そこから解析に最適な立体構造を見出す必要がある。これに対し今回、実測のIC50値とドッキングスコアとの相関を利用して最適な蛋白質立体構造を定量的に決定する方法を新たに確立した。この手法により決定した結晶構造に対するドッキングスタディにより、GFP発色団モデルは活性部位との強い相互作用に加え、Trp219及びLeu300と疎水性相互作用していることがわかった。Lue300との相互作用は毒性軽減に関連があるとされていることから、GFP発色団モデルは毒性の少ない糖尿病合併症治療薬となり得ることが示唆された。以上のように本研究では、標的酵素の立体構造に基づく分子デザインにより、新規AR阻害剤候補としてbotryllazine B類、プテリン-7-カルボキサミド類、GFP発色団モデルの3つのクラスを見出した。これらの何れにおいても非常に高い阻害活性と酵素選択性の鍵となるLeu300との相互作用が観測された。従ってこれらの化合物群は酵素選択性の高い阻害剤候補としてin vivo試験へと移行可能であり、本研究期間内の目的は達成された。