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超臨界圧ヘリウムへの過渡伝熱と超伝導安定性

超臨界圧ヘリウムにより強制冷却される十分に長い中空の超伝導導体内の一部に熱擾乱を加えた場合の導体および冷媒の過渡的挙動について数値解析を行った。解析ではヘリウムについて二次元流動および伝熱、導体について一次元熱伝導を考慮し、超伝導導体の温度分布、超臨界圧ヘリウムの圧力、温度および速度分布、および導体カらヘリウムへの熱流束分布の時間分布を求めた。一方、超伝導導体の安定性に関し、冷媒条件(初期温度、圧力および質量流量)、加熱条件(熱擾乱の付加時間、強さ、熱擾乱付加部の導体長さおよび動作電流)および幾何条件(導体の長さおよび内径)を変え、各因子の影響を検討した。ヘリウムの物性値は当方で開発したプログラム(PROPATH)により求め、導体については電流分流モデルを用いた。解析の結果以下のことが明らかになった。1.加熱初期の過渡伝熱の影響が大きく、導体の安定性は加熱後数10[ms]以内でほとんど決まる。2.動作電流が小さい場合は、ヘリウムの流速を速くすると安定性に大きい効果がある。3.動作電流が大きい場合は、冷媒の質量流量の影響は小さくなり、対流による冷却効果は過渡冷却効果に比べ小さい。4.動作電流が大きいほど安定限界におよぼす初期流体温度の影響が大きい。5.加熱時間が長いほど導体の総加熱量としての安定限界は高く、加熱時間が3[ms]より長い場合は安定限界はほぼ直線的に増加する。6.管内径が大きくなるにつれ質量流量が安定限界におよぼす効果は小さくなる。
震源域における工学的基盤面の地震時変位と埋設管路の耐震性能への影響の評価

本研究では,(1)強震加速度記録を積分し地盤の動的変位を算出する,(2) GPS記録をPPP法により解析する,(3) 3D-BEMによる数値シミュレーションを行う,という3つの手法により,震源域における地盤変位を算出・評価した.さらに,得られた地盤変位をもとに震源域における地震時地盤ひずみの評価を行った.その結果,相対的に地盤ひずみが大きな地域と埋設管路被害発生地点が良好な対応を見せることが示された.本研究では,(1)強震加速度記録を積分し地盤の動的変位を算出する,(2) GPS記録をPPP法により解析する,(3) 3D-BEMによる数値シミュレーションを行う,という3つの手法により,震源域における地盤変位を算出・評価した.さらに,得られた地盤変位をもとに震源域における地震時地盤ひずみの評価を行った.その結果,相対的に地盤ひずみが大きな地域と埋設管路被害発生地点が良好な対応を見せることが示された.水道や電力の埋設管路やトンネルなどの地中構造物の地震時挙動は、周辺地盤の変位やひずみに支配されることが知られている。したがって、これらの構造物の耐震性能評価を行うためには、地震時における地盤の変位やひずみを正確に把握することが重要になる。そこで、本研究では1995年兵庫県南部地震、2004年新潟県中越地震、2007年能登半島地震および2007年新潟県中越沖地震を対象に、以下の3つの方法で地震時地盤変位を求めた。1)強震加速度記録を積分することにより地盤変位を算定する、2)地震前後のGPS記録を精密単独測位法により解析する、3)3次元直接境界要素法による数値シミュレーションを行う。これらのデータを用いて、地盤ひずみ分布を推定し埋設管路の地震被害との関連性を調べた。その結果、埋設管路の地震被害が発生した地域の分布は、水平動最大変位分布よりも最大ひずみ分布との対応がよいことが明らかになった。一方これらとは別に、東工大レーザートンネルにおいて地震動と地震時ひずみの観測を開始し、観測データを蓄積し両者の関連性を調べた。このトンネルは一辺2mの正方形断面で、長さ50mの中央部分にアルコープ(突出部)がある。地震観測の結果により、トンネル軸方向ひずみはトンネル長手方向の地震動速度成分との相関性が高く両者の比の値は3km/s程度の速度となること、トンネル側面に避難所のような突出部(アルコーブ)があると地震時ひずみは格段に低減されることなどが判明した。今後、さらに地震観測を継続して詳細な解析をする必要があるが、これらの結果は、埋設管路の耐震設計や耐震性能照査に貴重な資料を提供するものと期待される。本研究では、近年に発生した被害地震の震源域を主な対象として、地表と地下での強震記録、および地震による地表地盤変位の測量結果(GPS記録)、さらに3次元数値シミュレーションなどをもとに、地盤の動的変位量と永久変位量について時空間分布を求めた。次に、その時空間分布をもとに、地盤ひずみ量分布の時空間分布を算定し、そのひずみ量が埋設管路の耐震性能にどの程度影響するかについての評価を試みた。さらに、トンネルでの震動とひずみの観測をもとに、両者の相関性を明らかにした。(課題1)強震観測記録を用いて、地盤の動的変位量と永久変位量を次のようにして推定した。1-1)防災科学技術研究所のK-netとKik-netで観測された加速度強震記録を積分して、変位時刻歴を算定した。1-2)地表地震観測点またはその近傍でのGPS測定結果と永久変位量を比較した。十分な精度が確認できるまで作業を反復し、積分精度が確認された地表観測点に対応するKik-netの地下観測点での地盤変位時刻歴を推定した。(課題2)公表されている断層モデルと地盤モデルをもとに、3次元境界要素法プログラムを用いて、震源域における地盤変位分布の数値シミュレーション解析を行い強震記録から推定された変位時刻歴と比較して、両者が良好な精度で整合していることを確認した。その後、シミュレーションの結果をもとに、地盤ひずみ分布を推定した。(課題3)実地震による埋設管路の被害実績と、上記で得られた地盤変位分布および地盤ひずみ分布を比較することにより、3者の関連性を検討した。この際、従来、耐震設計で無視されていた地盤変位分布や地盤ひずみ分布との関連性にも注目した。(課題4)東工大レーザートンネルにおいて地震動と地震時ひずみを観測し、トンネルのひずみと地震動、および地盤変位との関連性を定量的に評価した。
シリコンマイクロ構造体上圧電型センサアレイの共振周波数チューニング

活性層を薄くすることによりダイアフラム撓みの効果をより強調することができたが、撓み形状プロファイルを注意深く観測したところ、上部電極部分でダイアフラムが平坦に近くなっていることが示唆された。当初よりダイアフラム全体の曲げ剛性が小さく静的撓み量が大きくなったため、上部電極の200nm厚の金の層による剛性の影響が無視できなくなったためと考えられる。そこで、上部電極の金薄膜の膜厚をより薄くし、電極による剛性の影響を低減することを試みた。通常強誘電体の上部電極としては下部電極同様白金が用いられるが、金は白金に比べて抵抗率が約1/5であるため、より薄い膜であっても電気的に問題なく接続できる可能性がある。実際に薄い上部電極を製膜して特性を評価した結果、50nm程度の膜厚までは電気特性に影響を与えないことを確認した。またウェハ内にばらつき少なく薄膜を形成するために、従来の抵抗加熱蒸着法に代わりスパッタリング法により製膜することとした。これによりウェハ内の約200のダイアフラムに±5%程度以内の膜厚ばらつきで上部電極を形成することができた。またこうして作製したダイアフラムの静的撓み形状は、平坦部分がなく理論カーブに近いプロファイルが得られた。このようにして形状を安定化した構造を用い、さらにダイアフラム全体の構造を修正して撓み量と共振周波数のばらつきを評価した。下部電極下の構造として従来の/SiO_2/Si構造、埋め込み酸化膜層を残した/SiO_2/Si/SiO_2構造および活性層まで除去した/SiO_2構造を作製した。また積層構造中唯一引張応力を生じるPZT層を上部電極下の必要部分以外除去した構造も作製した。これら構造の修正により、下向き撓みをもつダイアフラムでも感度を向上することができる。またこのようにして作製したダイアフラムは、上向き撓みを持つダイアフラムで最大25%程度の共振周波数ばらつきを持つのに対し、下向き撓みのダイアフラムでばらつきがほぼ±5%程度に抑えられることが分かった。活性層厚2.5μm,中間酸化膜層厚1μmのSOIウェハを用いて、異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成し、活性層Si(2.2μm),熱酸化SiO_2(400nm),下部電極Pt/Ti(220nm),圧電層PZT(1μm),上部電極Au(200nm)の積層ダイアフラムを基本として構造を作製した。44mm角(φ2インチウェハ相当)上に196個の素子を作製し、特性評価を行った。静的な最大撓み量は触針式段差計を用いて計測した。これは、触針庄を変えてダイアフラムのプロファイルを測定し、各プロファイル中の最大撓みの値を触針圧に対してプロットして、点間を結ぶ直線を触針圧0まで延長した切片を以て静的最大撓み量とした。また、Demirらの方法[1]を利用して最大撓み量から構造内部の残留応力を求めた。これによると、構造各層がダイアフラム全体の撓みに寄与する影響は、応力換算でSiO_2:-81MPa, Pt/Ti:-306MPa, PZT:136MPaとなり、従来考えられていたよりもPt/Ti層の影響が大きいことが新たに判明した。これらの結果を利用して、Pt膜厚を増やすことにより撓みの増大、PZT膜厚を増やすことにより平坦化、と静的撓み量を制御することが可能となった。また静的撓みの方向は、ダイアフラム構造がリリースされる瞬間の応力により決定されると考えられるため、支持層の異方性エッチングを完了するタイミングとPt/Ti層の製膜のプロセス順序を制御することにより、リリースされるダイアフラム構造の撓みの向きを制御することを試みた。異方性エッチング完了前にPt/Ti層を製膜することで約70%の素子を上向きに、また異方性エッチング完了後にPt/Ti層を製膜することで約90%の素子を下向きにと、ほぼ所望の方向に制御することに成功した。ダイアフラムの撓み方向は共振周波数に影響を与えると考えられるが、今のところ他のパラメータのばらつきも大きく共振周波数との完全な相関はとれていない。今後、条件のそろった素子構造で撓み形状を制御することにより、共振周波数との相関を求めることによりチューニング精度の向上が期待される。ダイアフラムの座屈による撓みの効果をより明確にするために、活性層厚みを2.5→1.5μm表面酸化膜層厚0.4→1μmと変更してセンサ部構造を作製した。圧縮応力を発生するシリコン酸化膜を2.5倍の厚みにし、中立のシリコン層の厚みを60%に薄くすることにより、上向きに撓むモーメント成分を増強できる。これによりダイアフラム部分は、活性層Si(1.0μm),熱酸化SiO_2(1.0μm),下部電極Pt/Ti(220nm),圧電層PZT(1.0μm),上部電極Au(200nm)の積層構造となる。また、これまではPZTスピンコート時に通常の真空吸着ステージを用いていたが、この際に中心付近から負圧の漏れが生じ、上向きに座屈したダイアフラムが再度逆方向に引き戻されることがあった。

これを防ぐために新たにステージの構造を設計・作製し、吸着部分から負圧が漏れてもダイアフラムを吸引することなく大気に逃げるよう工夫した。これにより、減圧吸引により全ダイアフラムを上向きに座屈させることが可能となった。新たな積層構造のダイアフラムについて、減圧吸引を行わないものと、新治具を用いて全ダイアフラムを上向きに座屈させたものを作製し、共振周波数ばらつきを比較した。その結果、座屈方向をそろえたもので、明らかに共振周波数ばらつきの低減化が見られた。しかしながら、新治具により座屈方向をそろえたウェハにおいても若干の共振周波数の分布が生じた。この分布は、ウェハ周辺部では低く中心部に近づくほど高くなる傾向が見られた。これは、治具周辺部ではウェハとの間に隙間を生じて中心部ほど低圧になる圧力分布を生じたためと思われる。活性層を薄くすることによりダイアフラム撓みの効果をより強調することができたが、撓み形状プロファイルを注意深く観測したところ、上部電極部分でダイアフラムが平坦に近くなっていることが示唆された。当初よりダイアフラム全体の曲げ剛性が小さく静的撓み量が大きくなったため、上部電極の200nm厚の金の層による剛性の影響が無視できなくなったためと考えられる。そこで、上部電極の金薄膜の膜厚をより薄くし、電極による剛性の影響を低減することを試みた。通常強誘電体の上部電極としては下部電極同様白金が用いられるが、金は白金に比べて抵抗率が約1/5であるため、より薄い膜であっても電気的に問題なく接続できる可能性がある。実際に薄い上部電極を製膜して特性を評価した結果、50nm程度の膜厚までは電気特性に影響を与えないことを確認した。またウェハ内にばらつき少なく薄膜を形成するために、従来の抵抗加熱蒸着法に代わりスパッタリング法により製膜することとした。これによりウェハ内の約200のダイアフラムに±5%程度以内の膜厚ばらつきで上部電極を形成することができた。またこうして作製したダイアフラムの静的撓み形状は、平坦部分がなく理論カーブに近いプロファイルが得られた。このようにして形状を安定化した構造を用い、さらにダイアフラム全体の構造を修正して撓み量と共振周波数のばらつきを評価した。下部電極下の構造として従来の/SiO_2/Si構造、埋め込み酸化膜層を残した/SiO_2/Si/SiO_2構造および活性層まで除去した/SiO_2構造を作製した。また積層構造中唯一引張応力を生じるPZT層を上部電極下の必要部分以外除去した構造も作製した。これら構造の修正により、下向き撓みをもつダイアフラムでも感度を向上することができる。またこのようにして作製したダイアフラムは、上向き撓みを持つダイアフラムで最大25%程度の共振周波数ばらつきを持つのに対し、下向き撓みのダイアフラムでばらつきがほぼ±5%程度に抑えられることが分かった。
磁気共鳴グラジエントエコ-法による脳腫瘍の組織特性に関する研究

磁気共鳴映像法MRIはスピンエコ-法を用いて中枢神経疾患の診断に用いられることが多い。脳腫瘍の組織特性の診断にグラジエントエコ-法が有用か否かの検討を行った。グラジエントエコ-法が正常組織の信号強度に及ぼす影響について動物実験および正常脳について検討した。TRが大きくフリップアングルを小さくするとT_2^*強調画像が、フリップアングルを大きくするとT_1強調類似画像が得られた。一方、TRを小さくした場合には小さいフリップアングルでT_1強調類似画像が、大きいフリップアングルでT_2強調画像が得られた。線状のflowvoidまたは線状の高信号強度を示す病変は血管に富む悪性度の高い腫瘍、または動静脈奇形が疑われ、また、susceptibility artifactsを示す腫瘍では石灰沈着を有する良性腫瘍が多い傾向にあった。グラジエントエコ-法をTR40/TE7、フリップアングル25度で行うと鑑別の困難であるくも膜嚢胞と類皮腫の鑑別が可能であった。超高速画像法のsnapshot法はpreparation pulse、delay timeなどで画像のコントラストがかなり変化することを示した。マウスを用い多いたP_<31>、C_<13>、H_1、F_<19>スペクトロスコピ-を行ったが、脳腫瘍ではNAA低下と相対的にcholineの増加が認められたが、膠芽腫、転移性腫瘍ではNAAの極度の低下とlactateの著しい増加が認められ、腫瘍の悪性度との相関が示唆された。C_<13>画像を作成することにも成功した。以上の結果からグラジエントエコ-法、およびこれを応用した種々の撮影法、スペクトロスコピ-などを実施していけば従来のスピンエコ-法で得られなかった腫瘍の悪性度に関する情報が多く得られることがわかった。
肝移植後の思春期患者に向けた多職種連携による自立支援プログラムの構築

本年度は、自立支援プログラムで使用するコンテンツの作成を行った。また、コンテンツの作成のために、改めて海外文献より肝移植を経験した青年期患者のための移行期支援プログラム等について文献レビューを行い、プログラムの内容及び、アウトカム指標について示唆を得た。コンテンツの作成に関する一点目は、教育プログラムの中の一つの項目である、DVDを用いて実施する知識提供のための講義の作成である。講義の内容は、会議で目的目標を検討し、研究分担者及び研究協力者が講師を担当た。具体的内容は、「10代の患者さんへ(自立についての内容)」(看護師担当)、「10代のこころのゆれについて」(看護師担当)「移植後長期合併症」(医師担当)、「肝移植後の内服について」(レシピエントコーディネーター担当)、「一番大切な免疫抑制薬の話」(薬剤師担当)、「生と性を考える」(助産師担当)の全部で6項目である。又自立度チェックリスト作成の担当者で検討し、思春期の肝移植経験者向けの自立度チェックリスト(医療者が主に使用するもの)及び保護者向けの自立度チェックリストを作成した。さらに本人の自立度のレディネスを測るために、既存の尺度であるTRAQ(移行準備状況評価アンケート)および、自立支援プログラムのアウトカムの測定のために既存のQOL尺度を使用することを検討した。又マイメディカルサマリーの作成も行い、患者が進学や就職時にも活用できる実用的なものとなるよう検討した。今後これらのコンテンツ及び、尺度を用いて実際にプログラムの実施をしていく予定である。本年度、実際のプログラム実施まで進めていく予定であったが、コンテンツの作成までにとどまり、倫理審査の許可を得るまで進めることができなかった。自立支援プログラムのコンテンツがある程度完成したため、倫理審査申請の準備を進めている所であり、年度明け早々に倫理審査の申請を行い、倫理審査委員会の許可を得次第、移植外科外来で自立支援プログラムを実施していく予定である。本研究は、肝移植を経験した患者が、大人へと自立していく時期に、社会の中で本来もつ力を十分に発揮し、最大限のより良い生活を営むことができるよう、多職種連携による自立支援プログラムを構築することである。プログラムの構築は、文献検討から行い、全体会議及び小グループでの打ち合わせにより進めた。主には、及川の慢性疾患患者の自立支援プログラムおよび、丸の移行期支援プログラムを参考に、プログラムに組み込む内容を抽出した。自立支援プログラムは、自立支援外来における個別の直接介入、小集団に向けた数回の教育的介入、自立支援チームによる多職種連携による支援の3つの柱で行うこととなった。自立支援外来では、肝移植を経験した青年期の患者に合わせて作成した自立支援チェックリスト(現在作成中)を用いながら、社会人として活躍する前段階の高校生を対象とし、受診のたびごとに、個別に自立に向けた支援を行っていくこととする。また、最終的には患者本人がマイメディカルサマリーを作成すること及び、それぞれの患者でチェックリストを用いて目標設定を行い、その達成状況について、事例ごとに評価していく予定である。小集団に向けた教育プログラムは、講義及びピアサポートの二つで行っていく。講義の内容は、【自立について】【移植及び疾患に関わること】【服薬について】【社会参加について】【リプロダクティブヘルスに関すること】【マイメディカルサマリーの作成方法について】などを行う。知識に関する評価は、チェックリストを用いて行っていく。ピアサポートに関しては、思春期および後青年期の時期にある患者に協力してもらい、ピアサポートの機会を作るとともに、質的にデータ分析する予定である。自立支援チームの作成に関しては、プログラム開始時に運用開始できるように準備を進めている所である。評価は各専門職からの質的データをもって評価する予定である。ほぼ、予定通り進行しており、プログラムの内容は決定しつつある。しかし、肝移植を経験した患者を対象とした自立度チェックリストを作成および、講義の具体的内容は少し遅れている。そのため、倫理審査の申請をこれから行う予定であるため。予定を大きく変更する必要性はない。

本年度、実際のプログラム実施まで進めていく予定であったが、コンテンツの作成までにとどまり、倫理審査の許可を得るまで進めることができなかった。今後、倫理審査の申請許可を得たのちに、プログラムの内容を、実際に行っていく予定である。また、昨年作成した自立度チェックリストなどの作成過程などについて、関係のある学術集会で発表する予定である。自立支援プログラムのコンテンツがある程度完成したため、倫理審査申請の準備を進めている所であり、年度明け早々に倫理審査の申請を行い、倫理審査委員会の許可を得次第、移植外科外来で自立支援プログラムを実施していく予定である。自立度チェックリスト作成に伴う、患者家族へのインタビューが遅れ、謝金が発生していないため。また今年度購入予定であったパソコンの購入が遅れて、次年度に繰り越しになったため。本年度、予定通りプログラム実施まで進めることができなかったため、謝金や謝礼、交通費、物品費等が発生しなかったため、次年度使用額が発生した。本年度予定通り進めていくことで、経費執行する予定である。
大規模疫学研究に基づく口腔状態が高血圧・糖尿病に及ぼす影響の解明

本疫学研究のフィールドである岩手県大迫町(大迫研究)において55歳以上の一般住民150余名を対象に歯科検診を行った。対象者に対しては、歯科検診の他、頭部MRI撮影および各種医科学検査も行われた。本年度は、昨年度(17年度)の調査者を含む307名について無症候性脳血管障害と口腔状態の関連についての検討を行った。無症候性脳血管障害の指標にはMRI画像から得られたラクナ梗塞と脳室周囲高信号域(PVH)の有無を用いると同時に、口腔状態の指標としては現在歯数、咬合支持、コミュニティ・ペリオドンタル・インデックス(CPI)、アタッチメントロス(AL)を用いた。単変量解析の結果、WMHを有する割合は、現在歯数が少ない群ほどWMHの保有率が高く、無歯顎・1-19歯・20歯以上の3群間で有意差を認めた。(P=0.016)。咬合支持なしの群では咬合支持ありの群に比べ有意にラクナ梗塞およびPVHを有していた(それぞれP=0.004,P=0.002)。CPIについては、正常群(スコア0)から軽度群(スコア1,2)、軽度群から中・重度群(スコア3,4)となるにしたがい、WMHを有する者の割合は増加しており、3群間で有意差が認められた(P=0.027)。しかし、これらの因子が年齢・性別などの対象者背景や無症候性脳血管障害に関わる他の危険因子と相互に関与している可能性が考えられたため、各種危険因子を同一モデルに入れた多重ロジスティック回帰分析を行った。ラクナ梗塞の有無に関して、主要な危険因子である年齢、性別、BMI、糖尿病既往、高脂血症既往、喫煙、飲酒、降圧薬服用、家庭収縮期血圧に咬合支持の有無を加えたモデルに入れてオッズ比を算出した。その結果、年齢、降圧薬服用と並び咬合支持が他の危険因子と独立してラクナ梗塞を有する有意なオッズ比上昇を示し、咬合支持ありのラクナ梗塞を有するオッズ比は、2.35(95%信頼区間:1.14-4.85)であった。一方、PVHに関して同様の解析を行ったところ、PVHと現在歯数、咬合支持、CPIとの関連は認められなかった。本疫学研究のフィールドである岩手県大泊町において55歳以上の一般住民150余名を対象に歯科検診を行った。本年度は、それらの調査結果から無症候性脳血管障害と口腔状態の関連についての検討を行った。無症候性脳血管障害の指標にはMRI画像から得られたラクナ梗塞と脳室周囲高信号域(PVH)の有無を用いると同時に、口腔状態の指標としては現在歯数、咬合支持、CPI、アタッチメントロス(AL)を用いた.単変量解析の結果、咬合支持なしの群では咬合支持ありの群に比べ統計学的有意にラクナ梗塞を有しており、また、AL6mm以上の群は6mm以下の群に比べ統計学的有意にPVHを有していた。その結果、年齢のみが他の危険因子と独立してラクナ梗塞を有する有意なオッズ比上昇を示し、咬合支持ありのラクナ梗塞を有するオッズ比は、1.68(95%信頼区間:0.93-3.13)となり有意ではなかった。一方、PVHに関して同様の危険因子とALを同じモテルに入れてオッズ比を算出したところ、年齢とALが他の危険因子と独立してPVHを有する有意なオッズ比上昇を示し、AL6mm以上のPVHを有するオッズ比は1.17(95%信頼区間:1.06-3.04)であった。以上の結果から、AL6mm以上がPVHの危険因子、あるいは予測因子である可能性を示した。(P=0.016)。

CPIについては、正常群(スコア0)から軽度群(スコア1,2)、軽度群から中・重度群(スコア3,4)となるにしたがい、WMHを有する者の割合は増加しており、3群間で有意差が認められた(P=0.027)。しかし、これらの因子が年齢・性別などの対象者背景や無症候性脳血管障害に関わる他の危険因子と相互に関与している可能性が考えられたため、各種危険因子を同一モデルに入れた多重ロジスティック回帰分析を行った。ラクナ梗塞の有無に関して、主要な危険因子である年齢、性別、BMI、糖尿病既往、高脂血症既往、喫煙、飲酒、降圧薬服用、家庭収縮期血圧に咬合支持の有無を加えたモデルに入れてオッズ比を算出した。その結果、年齢、降圧薬服用と並び咬合支持が他の危険因子と独立してラクナ梗塞を有する有意なオッズ比上昇を示し、咬合支持ありのラクナ梗塞を有するオッズ比は、2.35(95%信頼区間:1.14-4.85)であった。一方、PVHに関して同様の解析を行ったところ、PVHと現在歯数、咬合支持、CPIとの関連は認められなかった。
巨大磁化をもつ窒化鉄の高純度化と形態制御

(1)粒径30nmのFe_2O_3を水素還元して得た結晶子径100nmのα-Feを原料として、高純度なアンモニア気流中130°Cで100時間低温窒化して、Fe_3Nなどの多窒化鉄が混在しない高純度で結晶性の良いFe_<16>N_2を得た。室温での飽和磁化は225emu/gで、窒化前のα-Feより16%増加した。メスバウアスペクトルには3種類の強磁性成分があり、その平均磁気モーメントは2.52μBであった。その他に約19%超常磁性成分が混在しており、全てが強磁性を示すとすれば、270emu/gの大きな磁化をもつ可能性を明確に示すことができた。(2)60分間スパッタ成膜した膜厚360nm程度のα-Fe薄膜は、220°C以下の反応温度では全く窒化しなかった。短時間成膜した薄い薄膜ほど、Fe_3Nなどの窒化鉄の生成温度が低温化した。成膜時間が短いほど、α-Fe結晶格子が膨張して結晶子が微細化するとともに、微細な粒子が疎に詰まって互いに連結した組織をもつことが明らかになった。これらの要因によって、短時間成膜した薄い薄膜ほど窒化温度が低温化したと思われる。(1)既報に従って粒径20nm程度のα-Fe微粉体を水素還元した後に、アンモニア気流中で120°C、24時間窒化することによって、X線回折法で巨大磁化をもつと言われてきたFe_<16>N_2単一相と認められる生成物が得られた。生成物は大気に触れると直ちに酸化されてしまうために、試料は極力酸化されないように表面をシリコンオイルで被覆する必要があった。磁気測定の結果、530K付近からFe_4Nとα-Feの混合物に不均化することが判った。さらに原料のα-Feに比べて保磁力の値が14%減少し、軟磁性化することが判った。更に高純度化する必要がある。(2)高周波スパッタ法によって得られるα-Fe薄膜を上記と同様に低温窒化することによって、Fe_<16>N_2の薄膜を得ることを試みた。還元用の水素ガス、窒化用のアンモニアガスともにモレキュラーシーブを通して脱水しなければ、生成物は酸化鉄のみとなった。還元したα-Fe薄膜を、脱水したアンモニアガスを用いて低温窒化しても、X線回折法ではα-Feしか検出されなかった。しかしXPSのデップスプロファイルを測定すると、脱水したアンモニアガスを用いて窒化した試料では、ある程度の深さまで窒素が検出された。酸化された脱水せずに窒化した試料では、結晶格子中の酸素のほかに吸着水の酸素も検出された。今後アンモニアガスを充分に脱水することによって、Fe_<16>N_2薄膜を得られる可能性が見出された。(3)高周波スパッタ法によって二種類のNi-Fe強磁性合金薄膜間にAlN絶縁層を挟んだ接合薄膜を作製して、磁気抵抗効果を測定した。成膜時にかける高周波出力を変化させることによって、異なる保磁力をもつ強磁性薄膜を作製できた。磁気ヒステリシス曲線では、上下の各強磁性薄膜のもつHc=15Gおよび60Gの磁気成分のほかに、界面反応層によると思われるHc=25Gの新たな磁気成分も見られ、複雑な曲線になった。室温におけるトンネル電流は、接合にかける電圧を増すと指数関数的に増加した。また接合の磁気抵抗は、上記の三つの磁気成分を反映した複雑な磁場依存性を示しS/Nも悪いながら、4Kで約10%の変化率を示すことがわかった。(1)水素還元した粒径約20nmのα-Fe微粉体を120°Cで24時間アンモニア窒化すると、Fe_<16>N_2が主生成物でわずかにFe_3O_4が混在する試料の得られることが、前年度の研究によって明らかになった。

窒化時間や温度などの合成条件を変化させると、窒化反応の進行に伴ってFe_<16>N_2の結晶子径が微細化することが明らかになった。この微細化に伴って、保磁力は結晶子径22nmで極大値2kOeを示し、飽和磁化は140emu/gから次第に減少した。(2)高周波スパッタ法によって作製したα-Fe薄膜は、吸着水を充分に除去することによって窒化する可能性が、前年度の研究によって示された。そこで大気に触れることなく直接アンモニア窒化できるように、予備反応室をゲートバルブを介して高周波スパッタ装置に併設した。膜厚360nmの薄膜を200250°Cの温度範囲で窒化すると、Fe_<16>N_2ではなくFe_4NやFe_3Nが生成した。200°C以下では何ら窒化鉄は生成しなかった。しかし膜厚を薄くするとともに窒化反応が200°C以下のより低い温度で生じることが明らかになり、窒化反応は原料となるα-Feの粒径に大きく依存することが明らかになった。(3)トンネル磁気抵抗効果が期待される多層膜を高周波スパッタ法によって作製する準備として、Fe-Ni複合ターゲットを用いて高周波出力を30Wおよび100WでFeNi合金薄膜を作製すると、保磁力が20および600e、飽和磁化100emu/g以上の強磁性薄膜を作り分けれることが明らかになった。(1)粒径30nmのFe_2O_3を水素還元して得た結晶子径100nmのα-Feを原料として、高純度なアンモニア気流中130°Cで100時間低温窒化して、Fe_3Nなどの多窒化鉄が混在しない高純度で結晶性の良いFe_<16>N_2を得た。室温での飽和磁化は225emu/gで、窒化前のα-Feより16%増加した。メスバウアスペクトルには3種類の強磁性成分があり、その平均磁気モーメントは,2.52μBであった。その他に約19%超常磁性成分が混在しており、全てが強磁性を示すとすれば、270emu/gの大きな磁化をもつ可能性を明確に示すことができた。(2)60分間スパッタ成膜した膜厚360nm程度のα-Fe薄膜は、220°C以下の反応温度では全く窒化しなかった。短時間成膜した薄い薄膜ほど、<Fe_3N>などの窒化鉄の生成温度が低温化した。成膜時間が短いほど、α-Fe結晶格子が膨張して結晶子が微細化するとともに、微細な粒子が疎に詰まって互いに連結した組織をもつことが明らかになった。これらの要因によって、短時間成膜した薄い薄膜ほど窒化温度が低温化したと思われる。
電界による磁壁駆動に関する研究

昨年度までに、電界による局所的な磁壁移動の観測、および電界効果を用いた無磁場磁壁導入、に成功している。最終年度である本年度は、100 m/sを超える高速磁壁移動の電界制御に世界で初めて成功した。これまで磁壁移動速度の電界制御は、主に熱活性的なクリープ領域において行われてきた。しかしクリープ速度は10^-310^-5 m/s程度と極めて遅く実用的ではない。代表者は磁壁の高速移動領域(フロー領域と呼ばれる)での電界制御を目指して実験セットアップの構築と測定を行った。垂直磁気異方性を有するCo/Pt系材料をキャパシタ構造に加工した試料を用いた。フロー領域の速度は100 m/sを超えるため、一般的な電磁石ではダイナミクスを観測することが極めて困難である。そこで、代表者は0.2 T,150 nsのナノ秒パルス磁界を印加できるシステムを独自に開発した。これにより高速磁壁移動を直接観測することができる。±15 Vの電圧を加えながら磁壁速度を測定した結果、+15 Vを加えている場合に比べ、-15 Vを加えている状態では同じ磁界に対して磁壁がより速く移動していることがわかった。これは世界で初めての成果である。さらに詳細な測定を行った結果、原子レベルに薄い磁石が持つジャロシンスキー・守谷相互作用(DMI)の大きさが電圧により変化していることが、磁壁速度変化の起源であることを突き止めた。DMIの電圧変調により、高速な磁壁移動を制御できることを実証した点も世界初である。上記の結果は、Science Advances誌に掲載された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、ゲート電界による磁性の電界制御を利用して、強磁性体中の磁壁を無磁場・無電流で駆動することを目指す。初年度である平成27年度は、申請書の記載に従い、測定系の構築及び試料作製条件の最適化、そして磁壁移動の観測を行った。コバルト(Co)超薄膜をワイヤ形状に微細加工した試料を作製し、絶縁膜を介して透明ゲート電極(酸化インジウムスズ)を製膜したデバイスを作製した。製膜の際は、試料の強磁性相転移温度が室温付近になるようにCoの膜厚を最適化した。これにより、電界効果をより明瞭に観察できる。この試料において、電界による保磁力の変化を観測した。測定系については、カー顕微鏡で磁区構造を観測しながら同時に異常ホール測定も行うことができるセットアップを構築した。無磁場下において電界を印加しながら、試料の磁区構造を観察したところ、電界の符号に応じて磁区の大きさが変化していることが確認された。さらに、ワイヤ端においては磁区構造変化に伴い局所的に磁壁が移動していることが観測された。また、磁壁の移動速度は電界の符号によって異なることがわかった。上記の結果は、局所的ではあるものの、磁壁を無磁場・無電流下で電圧のみで駆動できたことを示している。上記の結果は、研究協力者である京都大学小野研究室と共同で行ったものであり、Applied Physics Express紙に投稿・受理された。今後は、単一磁壁の電界駆動を目指すとともに、電気測定系の構築及び高速磁壁移動に向けた取り組みも行う予定である。無磁場・無電流化で、ワイヤ端における局所的な磁壁移動を観測できたことは大きな進捗である。平成27年度はこのほか、(i)電界効果による交換スティフネス定数の変化を観測した(京都大学との共同)、(ii)磁壁のクリープ速度からスピン軌道トルクの大きさを定量評価する方法を提案した、などの成果を挙げた。(i)については論文投稿中、(ii)はPhysical Review B誌に掲載された。これらは計画段階では予期していなかったことであり、本研究は当初の計画以上に進展していると言える。本研究の目的は、ゲート電界による磁性の電界制御を利用して、強磁性体中の磁壁を無磁場・無電流で駆動することである。昨年度はコバルト(Co)超薄膜をワイヤ形状に微細加工した試料を作製しゲート絶縁膜を形成することで電界を印加できる試料を作製し、局所的な磁壁移動を観測することに成功した。本年度は申請書に記載した「傾斜電界の印加」による無磁場での磁壁移動の観測を目指した。ゲート電極に電流を印加するという手法を採用し、実際に傾斜電界が印加できていることを異常ホール測定によって観測した。さらに、傾斜電界下では磁壁のクリープ速度が位置依存性を示すことをカー顕微鏡を用いた直接観測により明らかにした。これは傾斜電界により、試料の磁気異方性の強さが場所によって異なっていることを意味している。しかしながら、電界のみでの磁壁移動は観測できなかった。異方性の位置依存性から有効磁場の計算を試みたところ、その大きさはマイクロテスラ程度であることがわかり、磁壁を駆動するには十分でないことがわかった。一方、磁壁駆動に必要な傾斜電界の大きさを見積もり、試料の最適化に向けた設計指針を得ることができた。本研究成果はJapanese Journal of Physicsに掲載された。また、本年度はスピン軌道トルクによる磁区構造の制御にも成功した。室温で多磁区状態にあるCo超薄膜に電流を流すことで系を磁化させ、最終的に単一磁区状態を実現することを示した。

また、パルス的に電流をオン・オフすることで単磁区⇔多磁区の状態間スイッチングをミリ秒のオーダーで実現できることを示した。本研究成果はScientific Reportsに掲載された。本研究では電界による無磁場下での単一磁壁駆動を目的としており、それを実現する手法の一つとして傾斜電界を用いることを申請書にて提案した。本年度は、実際に傾斜電界を系に印加できることを示すことができた点でおおむね順調に進展しているといえる。より大きな傾斜を書けることが今後の課題である。一方、電流による磁区構造の制御は計画段階では予期していなかったことであるが、年度内に論文を発表できた点は評価できると考える。平成29年度は、電界による保磁力変化の符号反転に関する詳細な研究を行った。磁性の電界効果は強磁性体/ゲート絶縁膜の界面電子状態に敏感であるため、磁性変調の符号は様々な原因で変化する。本研究では、試料としてプラチナ(Pt)/コバルト(Co)積層構造にゲート絶縁膜および電極を取り付けたキャパシタ構造を有するデバイスを作製した。この試料を用いて電界下における保磁力を測定した結果、保磁力変化の符号が強磁性薄膜の厚さが異なる2つの試料で逆になっていることを発見した。一般に保磁力は系の磁気異方性と関連していると考えられているため、同じ試料を用いて磁気異方性に対する電界効果を調べたところ、その変化方向および変化量は同じであった。磁気異方性は界面電子状態をより直接的に反映した量であることを考えると、2つの試料では似たような電子状態変化を示していると考えられる。従って、保磁力変化の符号反転には別の原因がある。それを調べるために、磁気光学カー顕微鏡を用いて電界印加下における磁化過程の直接観察を行った。その結果、磁壁移動が支配的な場合とニュークリエーションが支配的な場合で保磁力の変化方向が異なることが明らかになった。磁壁移動の場合は電界による磁壁移動速度の変調が変化方向を決めているのに対して、ニュークリエーションの場合は局所的な磁区生成の起こりやすさがそれを決めていることがわかった。本研究成果はPhysical Review B誌に掲載された。本研究では無磁場下での単一磁壁駆動を最終の目的としており、それを実現するため磁性の電界制御における物理メカニズムを一つ一つ明らかにしていくことは必須である。保磁力変化の符号反転を通して磁性の電界制御が磁化過程にも強く依存していることを証明した点は、メカニズムを理解する上で重要な成果であると考えられるため、おおむね順調に進展しているといえる。一方、磁壁移動に対しる電界効果がいまだに非常に小さい点が今後解決すべき課題である。昨年度までに、電界による局所的な磁壁移動の観測、および電界効果を用いた無磁場磁壁導入、に成功している。最終年度である本年度は、100 m/sを超える高速磁壁移動の電界制御に世界で初めて成功した。これまで磁壁移動速度の電界制御は、主に熱活性的なクリープ領域において行われてきた。しかしクリープ速度は10^-310^-5 m/s程度と極めて遅く実用的ではない。代表者は磁壁の高速移動領域(フロー領域と呼ばれる)での電界制御を目指して実験セットアップの構築と測定を行った。垂直磁気異方性を有するCo/Pt系材料をキャパシタ構造に加工した試料を用いた。
ID連携基盤における不正アクセス対策のための強固な認証セキュリティアーキテクチャ

インターネットにおける成りすましや不正アクセスによる犯罪等の対策のためにはオンライン認証の強化が欠かせない。本研究はオンライン認証の強化を目的として、トランザクション認証および複数の認証システムの併用(多信頼点認証方式)による次世代認証連携アーキテクチャを、SSO技術に基づくID連携フレームワーク上に実現することを目指している。2年目にあたる平成30年度は、認証の対象とする処理内容を利用者およびシステム側で共に確認し、途中での処理内容の改竄を防ぐトランザクション認証に関する調査を引き続き行った。近年、認証プロトコル標準規格として検討が進められているFIDOにおいても、UAFにおいてトランザクション認証がサポートされていることから、その詳細について調査を行っているが、新たに定められた後継仕様であるFIDO2においてもどのような対応になっているかについて調査を進めた。また、SAMLによるSSO ID連携を実現するミドルウェアであるShibbolethのIdPバージョン3において、認証を強化するためのMultiFactor認証フローを利用した多要素認証の実現方法について情報をまとめ、Webサイトで提供を行うとともに、多要素認証のためのデバイスとして利用可能なTiqrについても、Shibboleth IdPバージョン3対応を行った環境を構築し提供を行っている。これらについて、トランザクション認証をどのように組み込むことができるかについて引き続き検討を行う。ID連携技術の整備と活用が世界的に進められているが、特に学術分野では、SAMLを用いたID連携技術が利用されていることから、その代表的な実装であるShibbolethおよびOpenSAMLphpと呼ばれるミドルウェアによるIdPのセキュリティ向上について重点的に検討を行っている。トランザクション認証についてはIdPだけでなく、認証デバイスとの連携も重要になるため、FIDOをはじめとする認証デバイスに関する標準について調査を進めているが、FIDOも平行して標準の策定やデバイスの開発が進められているところであるため、調査および簡単な評価に留まっている。また、多信頼点認証の実現に向けた複数のIdPの連携方法についての検討も進めており、複数のIdP間での紐付け機構の検討・実装・評価を行っている。今後はこれを一歩進めて複数IdPでの認証に結びつけることを検討中である。引き続き、ID連携対応トランザクション認証方式についての検討、実装および評価を行うとともに、多信頼点認証方式についての検討、実装および評価を行う。ID連携対応トランザクション認証については、Shibboleth、OpenSAMLphpによって構築されるIdPおよびSPに対して、トランザクション認証のための機能を組み込み、WebアプリケーションからAPIを介してユーザにトランザクションの内容を提示しつつ再認証を行うことができることを確認し、その使い勝手について評価を行う。多信頼点認証方式についても、複数のIdPを組み合わせて認証に利用する方法を検討し、Shibboleth、OpenSAMLphpによって構築されるIdPおよびSPに対して、多信頼点認証方式に対応させる方法について実装、評価する。また、最終的にトランザクション認証と多信頼点認証方式を組み合わせた利用についても検討する。インターネットにおける成りすましや不正アクセスによる犯罪等の対策としてオンライン認証の強化を目的として、トランザクション認証および複数の認証システムの併用(多信頼点認証方式)による次世代認証連携アーキテクチャを、SSO技術に基づくID連携フレームワーク上に実現することを目指し、研究初年度である平成29年度はトランザクション認証に関する準備研究を行ってきた。学術分野におけるID連携で世界的に広く利用されているSAML (Security Assertion Markup Language)ではShibbolethと呼ばれるミドルウェア実装が広く利用されていることから、Shibboleth IdP (ID Provider)を用いた実現方法について検討を進めている。Shibboleth IdPはバージョン2のサポートが終了し、バージョン3への移行が行われたが、バージョン3になって実装の大幅な見直しが行われたため、バージョン3の調査を中心に進めてきた。その一環として、Shibboleth IdPバージョン3.3における多要素認証の実現方式であるMultiFactor認証フローについて調査を進めた。調査の結果は、Webページにまとめて公表している。Shibboleth IdPを利用している場合は、このページを参考に設定を行うことで、多要素認証を用いたIdPのセキュリティ向上を実現することが可能である。ID連携技術は、今後より幅広く活用が進むと予想されるが、特に学術分野では、SAMLを用いたID連携技術の活用が進められており、Shibbolethと呼ばれるミドルウェアが広く利用されていることから、Shibboleth IdPの利用におけるセキュリティ向上について重点的に検討を行っている。トランザクション認証方式の活用による、セッション全体のセキュリティ向上を行う上でも、利用者認証はある程度の認証強度を保持していなければトランザクション認証によるセキュリティ向上は意味をなさない。そのためには、これまで広く利用されてきたID/パスワードのような脆弱なものではなく、多要素認証などの認証強度がより高い仕組みを普及させていく必要がある。そこで、Shibboleth IdPに関する調査を進める中で、多要素認証方式を活用するための方法について調査を行うことから作業を開始した。特に、Shibboleth IdPは平成28年にバージョン2からバージョン3への移行が進められ、実装が大幅に変更されていることから、Shibboleth IdPバージョン3における多要素認証方式の利用方法について調査を行い、Web上で設定方法について公開を行った。利用者に求められる認証強度は、利用するサービス(SP: Service Provider)の内容ごとに異なることから、複数レベルの認証強度を設定して、それぞれの認証強度レベルごとに要求すべき最低限の認証手段(パスワード、証明書、認証トークン等)が設定できるようにし、SP側から必要とする認証レベルが指定できる方法について調査を行った。アクセス元のIPアドレス等に基づくリスクベース認証にも対応する方法についても提供している。

インターネットにおける成りすましや不正アクセスによる犯罪等の対策のためにはオンライン認証の強化が欠かせない。本研究はオンライン認証の強化を目的として、トランザクション認証および複数の認証システムの併用(多信頼点認証方式)による次世代認証連携アーキテクチャを、SSO技術に基づくID連携フレームワーク上に実現することを目指している。2年目にあたる平成30年度は、認証の対象とする処理内容を利用者およびシステム側で共に確認し、途中での処理内容の改竄を防ぐトランザクション認証に関する調査を引き続き行った。近年、認証プロトコル標準規格として検討が進められているFIDOにおいても、UAFにおいてトランザクション認証がサポートされていることから、その詳細について調査を行っているが、新たに定められた後継仕様であるFIDO2においてもどのような対応になっているかについて調査を進めた。また、SAMLによるSSO ID連携を実現するミドルウェアであるShibbolethのIdPバージョン3において、認証を強化するためのMultiFactor認証フローを利用した多要素認証の実現方法について情報をまとめ、Webサイトで提供を行うとともに、多要素認証のためのデバイスとして利用可能なTiqrについても、Shibboleth IdPバージョン3対応を行った環境を構築し提供を行っている。これらについて、トランザクション認証をどのように組み込むことができるかについて引き続き検討を行う。ID連携技術の整備と活用が世界的に進められているが、特に学術分野では、SAMLを用いたID連携技術が利用されていることから、その代表的な実装であるShibbolethおよびOpenSAMLphpと呼ばれるミドルウェアによるIdPのセキュリティ向上について重点的に検討を行っている。トランザクション認証についてはIdPだけでなく、認証デバイスとの連携も重要になるため、FIDOをはじめとする認証デバイスに関する標準について調査を進めているが、FIDOも平行して標準の策定やデバイスの開発が進められているところであるため、調査および簡単な評価に留まっている。また、多信頼点認証の実現に向けた複数のIdPの連携方法についての検討も進めており、複数のIdP間での紐付け機構の検討・実装・評価を行っている。今後はこれを一歩進めて複数IdPでの認証に結びつけることを検討中である。予定通り、ID連携対応
集光照射用のCT,MRIによるデジタル式位置取得装置の開発

【座標取得用ゲージ棒の作成】アクリル製の外筒と内筒が一体になったゲージ棒を作成した。外筒は、内面に1回転が1cm間隔のラセン構造の溝があり、その溝にアルミニウムワイヤーが埋められている。内筒は表面に10本の平行な溝が掘られた構造となっている。このような二重構造になったデジタル式位置取得用のゲージ棒を試作した。【位置精度の測定および位置情報取得のシュミレーション】このゲージ棒を放射線治療用固定装置およびファントムに取り付けてCT撮影を行った。通常の厚いスライスでの撮影ではゲージ棒のアルミニウムワイヤーの断面は確認しにくかったが、薄いスライスでの断層像ではアルミニウムワイヤーの断面が、時計の文字盤状のゲージ棒の断面の中である角度の示していることが容易に確認できた。アルミニウムの輝点の表示は通常のCT撮影での表示条件ではやや見にくいが簡単に調整できることも確認した。これらの結果は、予想と大きく離れないものであったが、アルミニウムの輝点の大きさがやや像にボケを生じさせていると考えられ、改良の必要があることもわかった。次に、CT用ファントムを放射線治療装置に固定してやはり同様にCT撮影を行った。体内の腫瘤性病変に見立てた評価点の位置情報の取得についての精度および再現性を調べた。ゲージ棒の表示する輝点を読み取り平均を算出した。これにより、ファントムのZ軸座標方向の評価点の座標が容易に算出できるということが確認できた。
遺伝子の水平伝播ワールドにおける細菌分類の指標探索

本研究は、大陸移動により約1,400万年前に他の大陸から隔離された結果、気候が急速に寒冷化し、極低温、貧栄養、白夜/極夜の特殊な日照条件など、他の大陸とは大きく異なる環境に変容した南極大陸の生物圏、特に大陸上の一部の露岩域の湖沼底にのみ存在が確認されているコケ坊主生態系に注目し、それを構成する細菌のゲノム構造から、遺伝子の水平伝播が多用された痕跡を中心に、細菌の進化と分類に関する新たな指標探索を目的としている。Pseudomonas属、Rhizobium属、Brevundimonas属、Polaromonas属、Shingomonas属、Rhodoferax属、Flavobacterium属など、比較可能な細菌分離株について他の大陸の近縁種との比較ゲノム解析を行い、16S rRNAなど一部の遺伝子の塩基配列情報に基づく系統解析、ゲノム情報を網羅的な遺伝型とした遺伝子の保存性に基づく系統解析、ゲノム情報から推定された遺伝子機能と水平伝播が示唆された遺伝子群との関連性といった比較ゲノム情報解析など、ゲノム情報を基に多角的な解析を行った。遺伝子機能と水平伝播の関連性については、アミノ酸配列の比較解析から、窒素循環、炭酸固定、光応答、接合伝達など、代謝やエネルギー循環に関わる遺伝子群の存在が多数示唆されたが、機能未知の遺伝子群も多く、また、水平伝播遺伝子の由来生物種の推定も困難であった。そこで、連続塩基組成のみに着目してゲノム配列断片を生物種ごとに高精度にクラスタリングできる一括学習型自己組織化マップ(BLSOM)を用いて水平伝播遺伝子の検出を試みた。この解析精度を最大限に高めるために、ゲノム配列情報の高精度化にも取り組み、特に細菌種レベルでの高精度解析を、南極コケ坊主生態系から分離されたShingomonas属細菌2種での解析を試みた。その結果、遺伝子の水平伝播と環境適応への新たな知見が示唆された。本研究は大陸移動により他の大陸から隔離され、地球上でも特殊な環境(極低温、貧栄養、白夜/極夜の特殊な日照条件など)に変容した南極大陸上の湖沼生物圏を構成する細菌のゲノム構造において示唆されている多種多様な遺伝子の水平伝播と、これまでの16S rRNAなど一部の遺伝子配列情報に基づく系統解析との関連性を整理し、ゲノム情報を網羅的な遺伝型として、その表現型に関する実験情報と細胞内の代謝経路予測を関連付けることにより、南極の特殊環境における細菌の進化と分類に関する新たな指標探索を目的としている。そのために、最適な比較解析対象となる細菌株の選定を行った。これまでに我々がゲノム解析を行った南極大陸上の日本の昭和基地に近い湖沼底で発見された「コケ坊主」生物圏を構成する細菌株の中からPseudomonas属細菌HMP1株に着目をした。Pseudomonas属細菌は世界中に広く分布し、ヒト病原菌、植物病原菌、窒素固定菌、植物の生育促進菌、難分解性物質の分解菌など機能的にも環境的にも多様な適応進化と種分化が研究され、ゲノム情報の蓄積が最も多い細菌の一つである。我々はPseudomonas属細菌HMP1株が分離された湖沼とは南極大陸上で反対側に位置する湖沼から分離されたPseudomonas属細菌P. antarctica CMS35株にも着目し、そのゲノム解析を行った。Pseudomonas属細菌HMP1株とP. antarctica CMS35株は16S rRNAの配列比較では1塩基の置換のみであり、その系統解析からは同種とみなされたが、比較ゲノム解析の結果、それぞれのゲノム上の約1割の遺伝子はこれら2株には保存されておらず、株ごとに水平伝播により獲得されたことが示唆された。この割合は他の大陸で分離されたPseudomonas属細菌株のゲノム解析結果と比較すると顕著に高いことが明らかとなった。当初の研究計画では、フェノタイプ(表現型)マイクロアレイと呼ばれる米国のBIOLOG社で開発された、最大で1920通りの培養条件(培養液組成)での細胞応答を調べる実験システムを用いて、南極細菌とその近縁のゲノム解析株あるいは標準株の比較解析実験までを行う予定であったが、今年度は比較解析に最適な細菌株の選定と、そのゲノム解析、培養条件(培養液組成、温度)の検討を主眼に置いて行った。これは比較解析株の選定が、今後の本研究の成否を大きく左右する懸念が生じたためである。すなわち、理想的には比較解析株は同種あるいは非常に近縁な系統関係にあるものから比較対象として十分に遠縁のものまでの比較ができることが望ましい。この場合、有限な研究費と研究期間を考慮すると、ある程度の研究の蓄積がある細菌種で南極からも分離の実績があるもの、比較のためのゲノム情報が登録・整備されているものが候補として挙げられる。NBRP (National Bio Resource Project)に代表される菌株寄託機関に整備されている細菌株の活用、DDBJ (DNA Data Bank of Japan)に代表されるDNAの塩基配列の配列データベースに登録されているゲノム情報を利用することで最大限の効率化を図った。その結果、我々が南極大陸湖沼から分離し、ゲノム解析を行ったPseudomonas属細菌HMP1株、菌株寄託機関から活用可能であった南極Pseudomonas属細菌P. antarctica CMS35株を中心に、これらに近縁な他の大陸から分離されたPseudomonas属細菌株とそのゲノム情報を利用するという方針に至った。