hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
破骨細胞融合の新たな制御機構

骨の構造と機能は骨破壊と骨形成のバランスにより厳密に制御されており、その破綻は骨粗鬆症や骨大理石症等の疾患を惹起する。骨破壊を担う破骨細胞はマクロファージ系の前駆細胞に由来し、融合による多核化を経て成熟する。それ故、破骨細胞の融合は骨破壊の制御に重要であるが、その分子機構は不明である。本研究では、破骨細胞融合の制御因子であるシグナル分子に着目し、結合分子の探索や、その機能欠損により変動するタンパク質修飾の網羅的解析を行い、破骨細胞融合の分子機構を解明する。本研究の成果は、細胞融合を標的とした新たな骨代謝疾患治療開発の手掛かりとなり、多様な生命現象を支える細胞融合の制御機構に新たな視座を与える。
In vitro スライス培養系におけるシナプス除去とその分子メカニズム

我々はスライス培養によるin vitro皮質脊髄投射系を用いて、発生初期に見られる皮質脊髄路シナプスの腹側からのシナプス除去過程について研究してきた。その中で、本過程がNMDA依存性で、臨界期critical periodを有することを示し、更にNMDA受容体サブユニットGluN2B (2B)の特異的関与とその責任部位が皮質(pre)ではなく脊髄(post)であることを明らかにした。本研究では、シナプス除去にかかわる更に下流の分子メカニズムを明らかにするため、2Bの選択的関与が2AとのCa流入量の違いのみでは説明できず2B受容体に直結する下流分子メカニズムの相違によるものであることを示唆した上で、2Bの代表的下流分子であるCaMKIIの遺伝子改変動物を用いて、シナプス除去に対するCaMKIIの関与を示した。また、野生型において臨界期の終了時期に一致して2Bから2Aへのシフトが起こることから臨界期の終了と2B発現量との関係に注目し、2B発現量の減少が臨界期の終了に重要な役割を果たしていることを確認し得た。I.皮質脊髄路シナプス形成過程において、シナプス後部(脊髄背側/腹側)がシナプス前部(皮質からの入力)をシナプス競合している可能性が、下記の結果から強く示唆された。a) tripartite co-cultureの固定標本による群間比較で得た結果同様、exo utero electroporation法による軸索の順行性標識を用いた同一標本のlive imageでも、背側+背側,腹側+腹側,背側+腹側の組み合わせのうち、腹側+腹側及び背側+背側の組み合わせではシナプス除去が生じなかった。b)背側と腹側各々のスライスに赤と緑のビーズを置いて逆行性に標識することで、腹側と背側の両者に軸索をのばしている単一皮質ニューロン(黄色)が大脳皮質深層中央部に存在することが確認できた。II.シナプス除去に関わるsignaling cascade下流の分子を明らかにするために進めている薬理学的スクリーニングで、2Bの下流にあると考えられるCaMKII依存性であることが示唆され、CaMKII αknock in mice (KI)を導入することにより、下記の方法でシナプス除去過程にCaMKIIが関与していることを確認し得た。また少なくとも脊髄が責任部位であることも確認したが、皮質側の関与に関しては現在確認中であるa)野生型とKI由来の組織を用いて、皮質か脊髄どちらか一方のスライスをKIにするheterotypic co-cultureを作成し、膜電位感受性色素を用いた光学的記録にてシナプスの分布を観察したところ、脊髄側にKIを用いた場合にのみシナプス除去が阻害された。b) Exo uteroelectroporationにて皮質ニューロンが蛍光を発するマウスを野生型とKIで作製し、皮質と脊髄のいずれの側をKIにした場合に軸索除去が阻害されるのかを、生きたままで追跡中。1.GluN2Bの選択的関与が2AとのCa流入量の違いだけでは説明出来ないことを、以下の結果から確認し得た。2Bと2AKOにおけるCa流入量を同レベルに合わせる操作((1)もしくは(2))を加えた上で、両者の間でシナプス除去に違いが生じるかを、下記の手法で確認したところ、2A及び2BKO間の解離が明らかでなくなった。操作(1)2AKOのNMDA電流を阻害剤を用いて下げる(2)2BKOのNMDA電流をMg濃度を下げることで上げるII.臨界期の終了が2Bから2Aへのシフト(2Bの減少)によっていることが、下記の結果から強く示唆された。臨界期終了後も2Bの発現が続く2AKO由来の脊髄スライスを用いてco-cultureを作成し、臨界期の問培養液中にAPVを添加しておいて臨界期終了後にAPVを除去したところ、野生型由来の脊髄ではもはやシナプス除去が生じないのに対して、2AKOの場合にはシナプス除去が観察された。シナプス除去の評価方法として以下の手法を用いる手法1)膜電位感受性色素を用いた光学的記録optical imagingにてシナプス電位の変化をとらえ、その空間分布を観察する今後は更に、薬物を用いて2Bをup regulateさせることにより臨界期を操作することが可能かどうかを検討していきたい。1.臨界期の終了がNMDA受容体サブユニット2Bの減少によることが示唆された:臨界期終了後も2Bの発現が続く2Aノックアウトマウス(2AKO)

由来の脊髄スライスを用いてco-cultureを作成し、臨界期の間培養液中にAPVを添加しておいて臨界期終了後にAPVを除去したところ、野生型由来の脊髄ではもはやシナプス除去が生じないのに対して、2AKOの場合にはシナプス除去が観察された。2.薬物投与によりシナプス膜への2Bの発現量を増大させれば野生型脊髄においても一度閉じた臨界期を再度開く事が可能であることを示せた:mGluR5阻害剤(MTEP)を野生型脊髄に添加する事により2Bのシナプス膜における発現が増大した事を、皮質脊髄NMDA電流における2B電流の増加及び脊髄内シナプスにおける2B蛋白発現量で確認した上で、上記プロトコールで臨界期終了後にMTEP投与群と非投与群とでシナプス除去を比較すると、MTEP投与群でのみシナプス除去が観察された。3.抑制系入力の阻害による臨界期の延長は2Bを介するCa流入量の増加によるものであることを示せた:臨界期終了前にグリシン阻害剤(ストリキニン)を添加しておくと、上記プロトコールで臨界期終了後にもシナプス除去が見られた。ストリキニン投与により2Bのシナプス膜における発現には変化は見られなかったが、2Bを介するCa流入量が臨界期相当程度に増大していた。<シナプス除去の評価方法>EYFPで標識したチャネルロドプシン(ChR2)遺伝子をAAVの感染により発現させた皮質と頸髄スライスを共培養し、1)皮質を光刺激する事により選択的に皮質脊髄路を興奮させる方法で、膜電位感受性色素(RH1691)を用いてEPSPを記録し皮質脊髄シナプス反応の空間分布を観察すると同時に、2) EYFPで標識される皮質脊髄軸索の動向をlive imagingで追跡した。23年度の目標の一つ目は、シナプス除去にかかわる更に下流の分子メカニズムを明らかにするため、2Bの選択的関与が2AとのCa流入量の違いによるのか、2B受容体に直結する下流分子メカニズムの相違によるのかを検討することであり、また2つ目は、臨界期の終了が2Bから2Aへのシフトによっていることを明らかにすることであった。いずれも実験は順調に進み、結論を得るに到った。24年度が最終年度であるため、記入しない。臨界期の終了が2Bから2Aへのシフトによる可能性が強く示唆されたことを踏まえ、今後は、野生型においては臨界期の終了時期と一致して消失する2Bが臨界期終了後も発現し続ける2AKOマウスを用いて、臨界期の終了が2Bから2Aへのシフトによっていることを明らかにした上で、薬剤を用いて2Bをup-regulateさせることにより臨界期を延長もしくは再開させることが可能なのかどうかを明らかにする。
短期ＣＡ処理による花きの鮮度保持効果の解明

カーネーションを20%CO2で12時間処理すると鮮度保持効果が認められたが。12hの5°C,50% CO2処理はカーネーション切り花のエチレン生成と呼吸を低下させ,日持ちを延長した。RNAseqの結果,高CO2処理が他の区に対して遺伝子発現の変動が大きく,酸化還元に関する遺伝子群の発現促進や抑制が認められた。短期CO2処理の実用化には,種(品種)によって好適条件を設定する必要がある。本研究では短期のCA処理とエチレン阻害剤(1-MCP)がカーネーション、ユーストマ、キク切り花の品質に及ぼす影響について検討した。切り花を5°Cの部屋において、CO2濃度10%, 15%または20%で2時間処理し、1μL•L-1 1-MCP処理を行った後に、23°Cの部屋で鮮度・品質を評価した。対照区のエチレン生成量は最大で13.1 nL·g-1·h-1を示したが、15% or 20%CO2のCA処理と1-MCP処理はエチレン生成を低下させ、切り花の日持ちをカーネーションでは10日から13日に、ユーストマでは8日から10日間にそれぞれ延長した。しかし、キクの場合は、対照区でも14日間の日持ちを示し、これらの処理はキク切り花には影響しなかった。これは、キクの花はエチレン感受性が低いことによると考えられた。更に高濃度の50% CO2処理を行う簡易装置を作成して、実験を行った。50% CO2、5°Cの予冷処理、0.2 ppmエチレン処理がカーネーション`Pink Montezuma' andカトレア“Lc. Spring Clima ×Christina"に及ぼす影響について調査した。カーネーションとカトレアの切り花に5°Cの予冷下で、50% CO2を12時間および24時間処理したところ、切り花のエチレン生成量と呼吸を低下させ、日持ちを6日から8日間、7日から12日間へそれぞれ延長した。23°C室温下での50 % CO2を24時間処理したところ、花弁の褐変などの生理障害が誘導された。しかし、生理障害は5°Cでは抑えられた。これらの結果から、短期高CO2処理は切り花のエチレン生成を抑え、老化を抑制する方法として有効であることが示唆されたカーネーションを20%CO2で12時間処理すると鮮度保持効果が認められたが。初年度は実験的スケールとして、CO2インキュベーターを使用して切り花および鉢花に対するCA処理を行った。温度を525°C、CO2濃度を0.110%、O2濃度を520%の範囲で設定し、切り花と鉢花への影響を評価した。CO2インキュベターを活用し、予冷とあわせて、切り花へ2時間から48時間の短期間、様々な濃度の高CO2+低O2処理、いわゆるCA処理を行い、切り花の鮮度への影響について検討した。ナデシコ属ソネット'マリア'の小花に、2、6および24時間のCA処理を行った。インキュベーター内は温度5°C、CO2濃度20%、O2濃度5%と設定した。処理区はCA区と、温度条件のみを同じにした予冷区、無処理区の3区を設けた。小花の日持ちは対照区1.8日、予冷区2.0日に対して、2時間のCA処理で約4日に延長された。6時間および24時間の処理では有意な効果は認められなかった。ダリア'黒蝶'切り花では、12時間のCA処理をCO2 5%+O2 10%,CO2 10%+O2 5%,CO2 7.5%+O2 7.5%で行った。いずれの処理も切り花の新鮮重の低下を遅延し、花持ちを2日程度延長する傾向がみられたが、有意な効果は認められなかった。花茎における糖含量は,対照区に比べ、予冷区・CO2 7.5%+O2 7.5%CA処理区では高まる傾向が認められた。カーネーションおよびユーストマ切り花ではエチレン生成の抑制と日持ち延長における効果が認められたが、キク切り花では効果は認められなかった。また、カーネーションをCO2 20%で12時間処理すると鮮度保持効果が認められたが、48時間処理した場合、小花の褐変など障害が認められ。これらのことから、短期CA処理の効果は花の種によって効果が異なることや適切な処理濃度と時間を設定することの重要性が示唆された。本研究では出荷前の高CO2,低O2および低温の組合せによる短期間のCA処理により花きの鮮度を保持する方法を試み,その作用機作を生理学的に解明することを目的とした。実験1では小規模スケールとして,CO2マルチインキュベーターを使用してカーネーションをCO2 20%で12時間処理すると鮮度保持効果が認められたが,48時間処理した場合に小花の褐変などの障害が発生した。ナデシコ属のソネット`マリア'において,CO2 50%または60%の短期高濃度処理を行ったところ,全ての処理区で対照区よりも花持ちが延長される傾向にあり,60%CA区において有意な差がみられた。

最終年度は50% CO2 ,予冷処理,0.2 ppmエチレン処理がカーネーション`Pink Montezuma'に及ぼす影響について調査し,RNAseqを行い,遺伝子の変動を調査した。短期高CO2処理によりカーネーション切り花のエチレン生成量と呼吸を低下させ,日持ちを延長した。一方,23°Cでの50% CO2処理での日持ちは8.4日であり,高CO2処理は低温下でのみ効果が認められた。RNAseqのために22のライブラリーを作成し,次世代シーケンサーにより56,382 contigsが得られた。処理間の遺伝子発現量を対比すると,23°Cでの高CO2処理が他の区に対して遺伝子発現の変動が大きかった。特にペルオキダーゼやデヒドロゲナーゼのような酸化還元に関する遺伝子群の発現促進や抑制が認められた。以上のことから,高CO2処理はエチレン生成を抑制するとともに,呼吸を抑制し,酸化還元に関する遺伝子発現を変化させて花弁の品質に影響することが示唆された。短期CA処理の効果は花の種によって効果が異なること,適切な処理濃度と時間を設定することの重要性および処理中の空中湿度を高く保つことの重要性が示唆された。園芸学遺伝子発現の解析において、サンプルのRNAの抽出は行っているが、RNAseqの方が準備中である。装置のセッティングなどが遅れたためである。現在は実験に入れる体制が整ってきた。CO2インキュベーターを利用したCA処理を行ったが、スペースやCO2濃度の調節に限界があったため、十分にCA処理の影響を明らかにすることができなかった。切り花の呼吸速度やエチレン生成量は花卉の栽培時期の温度の影響を受けており、処理前の条件を揃える必要があった。また、予冷下でのCO2の供給時に、ガスボンベの温度が下がりすぎて、液化炭酸の出口でドライアイスが生成し、CO2の供給が滞る現象もみられるなど、均一な実験系を設定することができなかった。・高CO2処理後の花組織からRNAを抽出し、ライブラリーを作成して、次世代シーケンサーを用いたRNAseqを行い、高CO2処理により特異的に発現の多い遺伝子群を特定し、花の中で起きる代謝変化について明らかにする。・特異的に発現する遺伝子を抽出し、リアルタイムPCRを行い、相対的な発現量を求める。・主要品目における高CO2濃度と時間など条件の最適化を目指す。CO2インキュベーターを利用したが、CO2の濃度を最大でも20%までしか設定できなかった。また、インキュベーターの性能上、酸素濃度が低くなりすぎるという問題点があった。そこで、さらに高いCO2濃度を達成するために、装置を作成することとする。ガス透過性の低いフィルムをガゼット折りにして簡易テントを作成し、下部は水で囲って密封し、CO2インキュベーターでは達することができなかった20%以上から60%のCO2濃度で短期CA処理を行い、花持ち、エチレン生成、呼吸速度への影響を調べる。消耗品の使用がやや遅れたため。次年度に消耗品として速やかに使用する。1)CA処理装置の製作費:ガス透過性の低いフィルム、ヒーター付きのCO2ガス調整器、テントの骨組み資材など簡易CA処理を作成するために使用したい。2)上記のCA処理装置内の数十%にのぼる高いCO2濃度を測定するための検出器を購入したい。3)昨年度同様に契約した花生産者から切り花を購入したい。4)エチレン関連酵素の遺伝子、呼吸関連酵素の遺伝子の発現を調べるための試薬・キットやその他のプラスチック器具などを購入したい。
侵襲時生体反応におけるオートファジーの役割とその制御：エネルギー供給の観点から

LPSを高容量投与することで生存率50%の敗血症モデルマウスを作成し下記を明らかにした。1.敗血症モデルマウスのおける代謝動態を関節熱量測定、体温測定、血液検査にて評価した。LPS投与マウスではLPS投与後に高度の低体温、低血糖を呈し、それに伴い酸素消費量、二酸化炭素排泄量の低下を認めた。2.敗血症モデルマウスにおいて、白色脂肪(皮下脂肪)、褐色脂肪におけるオートファジー活性を、LC-3II、p62、Ruiconを用いて評価した。LPS投与後、1、3、6、24時間後に脂肪組織を摘出しwestern blotにて上記タンパク質量を評価した。時間とともにLC-3IIの増加を認めたが、p62の蓄積を伴うことや阻害薬を用いたAutophagy flux assayからオートファジーが阻害されているためLC-3IIの蓄積によるものと考えられた。3.敗血症モデルマウスにおける脂肪組織の形態学的変化を明らかにした。LPS投与にて脂肪滴の縮小を認めた。4.オートファジーの阻害薬であるクロロキンが敗血症モデルマウスに与える影響を評価した。LPS投与、敗血症モデルマウスにおいてクロロキン投与の有無は死亡率との関連は認めなかった。一方クロロキン投与にて脂肪滴の縮小は阻害されることが組織の評価で示された。LPS投与による敗血症モデルマウスにおいて脂肪組織ではオートファジーが阻害されているという知見が得られた。脂肪組織におけるタンパク質量の評価に難渋したため。LPS投与敗血症モデルマウスにおける脂肪組織のオートファジーが果たす役割を明らかにするため脂肪組織特異的にオートファジーをノックアウトしたマウスならびに、オートファジーの負の制御因子であるRubiconをノックアウトしたマウスを用いて研究を進めていく予定である。
コヒーレント領域における量子輸送現象

量子ホール効果状態の2次元電子系に生ずる端状態の位相干渉性を、端状態で結ばれた二つの空間的に隔たった領域のアンダーソン局在を調べることにより探究し、端状態の位相干渉性が200ミクロンを遙かに越えた巨視的距離に及ぶ事を明らかにした。(小宮山)従来研究の進んでいなかったInAa系の単一量子井戸構造及び量子細線にて磁気フォノン共鳴の観測を行い、擬一次元閉じこめされた電子系と光学フォノンとの相互作用について検討した。(浜口)本研究により作製した高移動度GaAs/AlGaAsヘテロ構造を元に量子ポイントコンタクト試料を作製し、分数量子ホール効果状態における端状態を、共鳴ピーク幅の温度依存性および非共鳴域での透過率の温度依存性を通して調べた。(家)スプリットゲート型GaAs/AlGaAs量子細線中の電子状態を遠赤外光応答を通して調べた。また、結合量子井戸構造中の電子準位の交差に伴う電子状態の変化を、遠赤外光領域のサイクロトロン共鳴の観測を通して調べた。(平川)単純スプリットゲート型量子細線、片側のみに意図的に散乱体を配した片側コルゲーションゲート型量子細線、両側に散乱体を配した両側コルゲーションゲート型量子細線の低温磁気抵抗測定により、量子細線中の電子波の干渉性や散乱機構に対する側壁の影響を明らかにした。(落合)端状態の位相干渉性を調べるための基礎として、GaAs系ヘテロ構造中2次元電子系の端状態間非平衡分布の緩和長を温度・磁場の関数として測定し、端状態の分散関係について知見を得た。また量子ホール効果状態の崩壊現象につき、その試料長依存性の測定から、エネルギー緩和長が10μm程度以上であることを明らかにした(小宮山)。超格子構造での高電界輸送現象に及ぼすStark-laddarの影響を調べるため、GaAs/AlAs超格子を真性層にもつp-i-n構造にてZenner電流を測定し、電流-電圧特性に小さな振動が現れることを見出した(浜口)。GaAs系ヘテロ構造中2次元電子系に微細加工した強磁性金属(Ni)ゲートを付けた試料の低温での磁気抵抗を測定し、空間的に変調されたベクトルポテンシャルによる幾何学的共鳴に基因する磁気抵抗振動を初めて実験的に見出した(家)。半導体2重量子井戸構造中の2次元-2次元トンネル現象における電子波コヒーレンス性解明の基礎として、GaAs/AlGaAs多重量子井戸構造中のシークエンシャル共鳴トンネル現象に対する磁場印加の効果を調べた。ランダウ準位幅が実験的に決定できること、またその幅が占有率に依存するスクリーニング効果により、大きく振動的に変化することを明らかにした(平川)。量子細線の準バリスティック伝導域における電子波干渉効果を明らかにするためにGaAs系ヘテロ構造による量子細線の低温電気伝導を測定し、伝導度ゆらぎの普遍性が磁場印加により破られることを確認し、かつ電子散乱機構に関する知見を得た(落合)。端状態の位相干渉性を探求するための基礎として、量子ホール効果プラトー間の遷移領域幅の試料サイズ依存性を測定し、強磁場下でのバルク状態の位相干渉長について情報を得た。量子ホール効果ブレークダウン現象の顕著な非局所性を見出し、エネルギー緩和機構について手がかりを得た。(小宮山)。GaAs/AlGaAs系のHEMTおよび量子井戸構造を用いた量子細線の実験から、量子井戸構造では幅の減少によって電子移動度が増大する事を見出した。半導体超格子の中のStark準位について、(GaAs)_5/(AlAs)_2を試料としてトンネル電流によるWannier-Stark振動を初めて実験的に観測した(浜口)。ヘテロ構造試料中2次元電子系に空間変調された磁場作り、通常のワイス振動とは逆位相の磁気抵抗振動を実験的に見いだし、かつその理論的説明を行った。分子線エピタキシ法により4.2Kにて2×10^6cm^2/Vsの高移動度GaAs/AlGaAsヘテロ構造試料を作成した(家)。電子波のコヒーレントなトンネルを利用した電子波方向性結合器について、電子波の伝搬特性を理論的に明らかにするとともに、コヒーレントな伝導現象のフェムト秒領域でのダイナミスを明らかにするコヒーレント・テラヘルツ分光法の要素技術確立の基礎実験を行った(平川)。GaAs系のスプリット・ゲート型量子細線を用いて準バリスティック伝導域での磁気抵抗ゆらぎの詳細な観察を行った。零磁場付近の不純物散乱的な伝導から比較的高磁場の細線境界面での散乱によるバリスティック伝導への移行が観測され、伝導緩和時間が強い磁場依存性を持つことが明らかになった(落合)。(家)スプリットゲート型GaAs/AlGaAs

量子細線中の電子状態を遠赤外光応答を通して調べた。また、結合量子井戸構造中の電子準位の交差に伴う電子状態の変化を、遠赤外光領域のサイクロトロン共鳴の観測を通して調べた。(平川)単純スプリットゲート型量子細線、片側のみに意図的に散乱体を配した片側コルゲーションゲート型量子細線、両側に散乱体を配した両側コルゲーションゲート型量子細線の低温磁気抵抗測定により、量子細線中の電子波の干渉性や散乱機構に対する側壁の影響を明らかにした。(落合)
"土着"天敵とは何か?遺伝子交流からのアプローチ

農業害虫防除における土着天敵の保護利用の影響範囲をあきらかにするために、土着天敵のマイクロサテライトマーカーを開発し、野外個体群の遺伝的構造を解析することによって移動分散範囲を推定した。アブラムシの捕食性天敵ショクガタマバエにおいては、空間的自己相関がほとんど認められず、また、ミトコンドリアハプロタイプの解析とあわせると、広範囲の移動分散を行っていると考えられた。一方チャ園におけるハダニの天敵ケナガカブリダニにおいては、距離と血縁度の負の相関が認められ、半径50m程度の範囲で交配集団を形成していることが示唆された。土着天敵とは何かを遺伝子交流の観点から解明するために、重要農業害虫アブラムシ類の捕食性天敵であるショクガタマバエをモデルケースとして、DNAマーカーの開発と、それを利用した野外における個体群構造の解明を行い、増殖系統の放飼による害虫防除と野外天敵個体群の遺伝的保全の両立を目指す土着天敵利用の指針を得る。本年度は、種内多型検出用DNAマーカーとして一般的に用いられるイクロサテライトマーカーの開発を行った。京都府内で採集され室内継代飼育している個体群から得られた幼虫1個体からDNAを抽出し、マイクロサテライト濃縮ライブラリーを作成、39クローンの塩基配列を決定したところ、29のクローンにおいてマイクロサテライト配列が検出された。これらの領域にプライマーを作成、PCRによる増幅確認を行ったところ、最終的に21遺伝子座のマーカーが得られた。また、野外個体群における遺伝的多様性の検証、距離と遺伝的分化の関係を明らかにするために、2009年6月に鹿児島県内で18個体群の幼虫を採集し、室内飼育により羽化させた後、雌雄個体別にDNAを抽出した。これらの個体を用いて479個体のミトコンドリアCOI遺伝子部分配列723bpのシークエンスを行ったところ27のハプロタイプが得られた。ただし、72%の個体は単一のハプロタイプを示した。また、鹿児島個体群の一つを累代飼育系統として確立し、すでに飼育している京都個体群とともに交配実験への供試を開始した。本年度は、昨年度に引き続き、種内多型検出用DNAマーカーとして一般的に用いられるイクロサテライトマーカーの開発を行った。昨年度得られた21遺伝子座のマーカーの遺伝的多様性を検証したところ、1遺伝子座あたり最大17の対立遺伝子が得られた。8遺伝子座では雌では多型が検出されたが、雄では全くヘテロ接合体がみられず、これらの遺伝子座は性染色体上もしくはE染色体上にあると考えられた。これらの遺伝子座を除いて、今後、昨年度採集した個体群の遺伝的構造を精査する必要がある。また、土着天敵の個体群構造について一般化を図るために、他の天敵種についても調査した。ケナガカブリダニのマイクロサテライトマーカーを10遺伝子座開発した。これを用いて、チャ園におけるケナガカブリダニの個体群構造を調査したところ、採集された地点が50m以下の場合は個体間の血縁度が高く、距離が離れるにつれ低下した。このことから、本種は半径100m程度の範囲に土着していると考えられた。したがって、チャ園で本種を保護する場合は、この半径100mが管理単位の基準となるといえる。土着天敵とは何かを遺伝子交流の観点から解明するために、重要農業害虫アブラムシ類の捕食性天敵であるショクガタマバエとカブリダニをモデルケースとして、DNAマーカーの開発と、それを利用した野外における個体群構造の解明を行い、害虫防除と野外天敵個体群の遺伝的保全の両立を目指す土着天敵利用の指針を得る。本年度は、一昨年度に採集したショクガタマバエ個体群の空間的遺伝的構造を、開発したマイクロサテライトマーカーおよびミトコンドリアハプロタイプで解析した。その結果、鹿児島県薩摩半島には少なくとも17のミトコンドリアハプロタイプが分布するが、大きく2つのクレードに分かれた。片方のクレードには一つのハプロタイプだけが見つかり、生物農薬として市販されているものに近似していたが、塩基配列は異なっていた。どちらのクレードも広く分布しており、土着のものであると考えられた。また、マイクロサテライトによる解析の結果、本種の移動分散範囲は、かなり広いものと推察された。ケナガカブリダニにおいては、露地キク圃場周辺の個体群の遺伝的構造をマイクロサテライトマーカーを用いて明らかにした。昨年度解析した木本性のチャと異なり、攪乱の多いキク圃場では明確な個体群構造が見られず、広範囲にわたって移動分散が起こっている可能性が示唆された。

これら複数種の土着天敵の解析から、直接的・間接的移動分散範囲は圃場を越えて広がっていると考えられ、広範囲での遺伝子交流・均一化が起こっていると示唆された。とくに、ショクガタマバエの低頻度なハプロタイプが広く保存されていることからも、ショクガタマバエではメタ個体群構造による事実上の遺伝子プールは県域にわたる広いものであると推察された。
コンポジットレジン修復歯の歯髄死におけるアポトーシス関与の検討

コンポジットレジン修復歯の予後において、歯髄反応を呈さないまま歯髄が失活し根尖病巣を形成していることがある。臨床的にはネクローシスと診断されているが詳細な報告はほとんどなく病因は明らかにされていない。最近私達はコンポジットレジンが歯髄刺激性を有し、細胞形態には大きな影響を与えないもののその機能に偽害性のあることを明らかにした(1993,日歯保誌,春季特別号)。一方、ネクローシスとは異なる細胞死の一機構としてアポトーシスが近年明らかにされつつあり、様々な原癌遺伝子(c-myc,Bcl-2,c-jun,junB,c-fos)が重要な役割を演じていることも報告されている。今回の研究目的は核原癌遺伝子(junB,c-jun,c-fos)の発現をアポトーシスおよび細胞増殖・分化の指標として用い、コンポジットレジン修復後にみられる歯髄死へのアポトーシス関与の有無を検討することにあった。まず、正常な歯の発生における各遺伝子の発現を定量的に検討するため、比較的細胞調製の容易なウシ歯胚を用いた。歯胚を4種の細胞群に分けRNAを精製しNorthern Blotting法により各遺伝子の発現を比較したところ、細胞分化の程度によって遺伝子発現に差異があることを明らかにした(1995,日歯保誌,春季特別号)。今後はIn situ hybridization法によりウシ歯胚における各遺伝子を発現している細胞を同定し、更にラット正常歯胚,成熟歯を用いた各遺伝子の発現に関する検討を行った後、窩洞形成後および各種修復材充填後の成熟歯髄における各遺伝子の発現状態を比較することで、コンポジットレジン修復後にみられる歯髄死へのアポトーシス関与の有無を検討していく予定である。
多孔性錯体ネットワークを利用したイオン伝導の自在制御

プロトン伝導性配位高分子に高圧を印加し、プロトン伝導度がどのように影響されるかを評価した。また、この配位高分子が示す固液相転移に着目し、液体・ガラス状態の構造についても評価した。高圧下でのプロトン伝導度の評価は、DIA型の油圧プレスに電極を取り付け、in situでインピーダンス測定が行える条件下で行なった。この結果、1 GPaから3 GPaまでの加圧でプロトン伝導度が急速に減少し、常圧に比べおよそ1000倍低くなることが分かった。この現象を解明するため、Spring-8にて高圧下での粉末X線回折測定を行ない、構造評価を行なった。この測定には川井型の圧力発生装置を用い、白色X線を光源として用いた。この結果、配位高分子は1 GPaの加圧で格子の圧縮と同時に結晶性の低下を示すことが明らかとなり、3 GPaでほぼ非晶質化することが分かった。これより、プロトン伝導度の大幅な減少は、圧力による構造の非晶質化と相関があることが分かった。配位高分子の固液相転移に関しては、まず異なる配位高分子の示す相転移挙動の比較を行ない、融解するための必要条件を検討した。その結果、融解する配位高分子に共通してみられる特徴として、構成要素の高いイオン性と、低い配向異方性が液体状態を安定化する鍵であることが見出された。前者は金属イオンと配位子のエンタルピー相互作用、後者は分子配向のエネルギー縮退によってエントロピー安定化を稼いでいる。固液相転移のメカニズムを明らかにするため、液体・ガラス状態の構造についても詳細な解析を行なった。液体状態については融点以上でのNMR測定を行ない、配位結合が動的に交換していることで液体としてのマクロな流動性が現れていることが分かった。ガラス状態についてはPDF解析を行ない、配位子による剛直な架橋構造が存在する、すなわち非晶質な配位高分子構造を保っていることが分かった。26年度が最終年度であるため、記入しない。プロトン伝導体は固体高分子形燃料電池で中心的な材料の一つであり、特に100度以上の無加湿条件で高い性能が求められている。一方、多孔性金属錯体(Porous Coordination Polymer,以降PCPと呼ぶ)はそのような期待に応えうる材料の一つである。PCPとは種々の金属イオン・有機配位子からなる結晶性の多孔性物質であり、細孔の形状、化学特性を金属や有機物適切な配置によって制御できる。今年度報告した材料は亜鉛(Zn2+)とリン酸からなる配位結合ネットワークを形成している。このネットワークとイミダゾールを組み合わせて錯体ポリマーを合成し、150度・無加湿で10・410-3Scm-1の伝導度を錯体単一相で実現した。実際燃料電池システムに組み込むことで、約0.8Vの安定した起電力が得られることも確認した。単結晶X線構造解析によると、一次元錯体ポリマー中でイミダゾールが高密度かつ規則的に配列し、それらが相補的にプロトンをやり取りすることでホッピングによる伝導が可能である。また伝導度は70度付近で急峻に上昇する。このイオン伝導の相転移挙動もX線解析によって捉えられており、錯体ポリマー中のイミダゾールの面内回転運動がディスオーダーとして観測された。つまり温度を挙げることでイミダゾールの回転運動が急激に促進され、プロトンの輸送を活性化していることがわかった。さらに温度を上げるとこの材料は160度付近で融解し、錯体ポリマー構造が分解することなく、粘性の高い液体となる。この固液相転移は錯体ポリマーとイミダゾールの高いイオン性によって可能になったと考えられる。一度融解すると、過冷却により常温でも可塑性を有し、他の固体材料との複合化や成形が可能である。現在はこの性質を利用した薄膜化も検討中である。この特徴は、燃料電池を始めとした様々な複合システムに組み入れる際の大きな利点となることが期待される。本研究では外部刺激に応答するイオン伝導体の開発を目指し、錯体集積体の持つ高い分子設計性を活かし、構造内に外場との相互作用空間を持たせることに成功した。これにより外部刺激によるプロトン伝導度の人為的な制御が可能となった。応答型プロトン伝導体は亜鉛イオン、リン酸、ベンゾイミダゾールから成る錯体集積体であり、乳鉢を用いた固相反応によって簡単に合成できる。X線による構造解析の結果、構造中にかさ高い分子であるベンゾイミダゾールを持つことで、プロトン伝導能と同時に相互作用空間を保持していることが明らかとなった。この錯体のプロトン伝導能は構造中のリン酸部位とベンゾイミダゾールによって発現しており、低温領域ではリン酸、高温領域ではベンゾイミダゾールが主要なプロトン伝導経路であることが固体NMRによって明らかになった。構造中に存在する相互作用空間は外部から特定の分子を取り込むことができ、気体のメタノールを選択的に内包する。メタノールの吸着量は外圧によって制御でき、これによってプロトン伝導度を最大で24倍まで変化させることに成功した。2次元NMRによる詳細な解析の結果、メタノールは構造中のリン酸基と相互作用していることが分かり、リン酸基上の伝導経路に対して余剰なプロトン供与、受容サイトとして働くことが分かった。現在は錯体の持つ相互作用空間により極性の高い分子を導入することで、外部電場の印加による伝導度のスイッチングを検討中である。

また、メタノールなどの分子の吸着を電場印加下で行うことで、伝導度に電場のメモリー効果が現れることを期待している。この錯体は亜鉛イオン以外にもコバルト、ニッケル、マグネシウムを用いて合成できる上、ベンゾイミダゾールに種々の置換基を導入しても同型の構造が得られるため、金属イオンや置換基の効果を系統的に検討していくことで新たな現象を発見できると考えている。プロトン伝導性配位高分子に高圧を印加し、プロトン伝導度がどのように影響されるかを評価した。また、この配位高分子が示す固液相転移に着目し、液体・ガラス状態の構造についても評価した。高圧下でのプロトン伝導度の評価は、DIA型の油圧プレスに電極を取り付け、in situでインピーダンス測定が行える条件下で行なった。この結果、1 GPaから3 GPaまでの加圧でプロトン伝導度が急速に減少し、常圧に比べおよそ1000倍低くなることが分かった。この現象を解明するため、Spring-8にて高圧下での粉末X線回折測定を行ない、構造評価を行なった。この測定には川井型の圧力発生装置を用い、白色X線を光源として用いた。この結果、配位高分子は1 GPaの加圧で格子の圧縮と同時に結晶性の低下を示すことが明らかとなり、3 GPaでほぼ非晶質化することが分かった。これより、プロトン伝導度の大幅な減少は、圧力による構造の非晶質化と相関があることが分かった。配位高分子の固液相転移に関しては、まず異なる配位高分子の示す相転移挙動の比較を行ない、融解するための必要条件を検討した。その結果、融解する配位高分子に共通してみられる特徴として、構成要素の高いイオン性と、低い配向異方性が液体状態を安定化する鍵であることが見出された。前者は金属イオンと配位子のエンタルピー相互作用、後者は分子配向のエネルギー縮退によってエントロピー安定化を稼いでいる。固液相転移のメカニズムを明らかにするため、液体・ガラス状態の構造についても詳細な解析を行なった。液体状態については融点以上でのNMR測定を行ない、配位結合が動的に交換していることで液体としてのマクロな流動性が現れていることが分かった。ガラス状態についてはPDF解析を行ない、配位子による剛直な架橋構造が存在する、すなわち非晶質な配位高分子構造を保っていることが分かった。26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画とは異なる方向に打開策が見出されたものの、それをきっかけに多くの論文を発表できたため。当初の計画通り、ガス吸看に応答するイオン伝導体を開発できた上、多孔性錯体の相転移現象を見出したため。これまでに報告した錯体の水素結合ネットワークは複雑であり、X線回折によって得られた構造から一意にプロトンの伝導パスを決めるのは困難である。今後は単結晶の中性子回折測定によってプロトンの平衡位置・温度因子の厳密な決定も試み、高くても10^<-3>S/cm程度にとどまっている伝導度の底上げを図る。多孔性錯体によるイオン伝導を追求していく過程で見出された固液相転移現象は、今まで研究されてきた古典的な多孔性錯体には見られなかった画期的な新現象であり、プロセス性の向上など多くの利点が見込まれるため、今後一層注力して研究を進めていく。
カテプシンB阻害によるインムノグロブリン産生抑生とクラススイッチに関する研究

勝沼らはE-64の誘導体を出発物質としてCathepsin Bに特異的な阻害剤CA-074並びにCA-030を開発した。更にCA-030とCathepsin Bの混合結晶X線回析に成功した。我々は外来抗原のプロセッシングがLysosomeのCathepsin Bにより行われてMHC class IIに提示されることを提案した。即ち、B型肝炎ウイルスと狂犬病ウイルスのワクチン並びに卵アルブミン抗原に対する免疫応答はCathepsin Bの特異的阻害剤CA-074で抑制されることを示した。CA-074による抗原のプロセッシングを抑制してIgE及びIgG_1産生を抑制した場合の治療効果をPCA反応、肝移植の拒絶反応の抑制等で実験した。BALB/cマウスに卵アルブミン抗原を感作した場合のIgE産生及びIgG_1産生の抑制がCA-074やE-64で起こる、またPCA反応も抑制された。卵アルブミンを抗原としての抗体産生をカテプシンB阻害剤で抑制した場合に、カテプシンB阻害剤、CA-074やビタミンB_6によりサイトカイン類のIL-4、IFNγ、IL-2、IL-10等の産生にどのような変化が起こるか、その変化が、いかにして抗体産生の抑制とクラススイッチに関与しているかを追求した。更にビタミンB_6の助酵素型ピリドキサール燐酸(PALP)がカテプシンBを阻害することを発見した。助酵素型でないPALやPINには直接の阻害作用はない。然しin vivoではPALとPINに強い阻害作用がある。此等がIgE,IgG_1産生を抑制すること、PCA反応を抑制することを明らかにした。我々は、CA-074やPALPによる抗原プロセッシングの抑制が免疫グロブリン産生を抑制し、更にサイトカイニン産生の変換を介して抗体産生のクラススイッチに関与していることを明らかにした。
炎症性免疫応答の制御を介する新規NFκB阻害剤による泌尿器系癌の治療戦略の確立

新しいNFκB阻害剤は当初アポトーシス誘導能は弱かったがその後の合成薬は膀胱癌(BC)や腎細胞癌(RCC)、前立腺癌(PC)培養細胞株に対して著明な殺細胞効果を示した。免疫・炎症に関与するとされるlegumainはPC細胞において発現しており、その存在様式が前立腺癌の悪性度や再発率と関連することが示された。低酸素状態等ではlegumainの発現に変化がなかった。進行性BCや去勢抵抗性前立腺癌、転移性RCCではNLRやサルコペニア、CRPなど炎症マーカーが予後因子であり、表在性BCでは膿尿が膀胱内再発の予測因子であり、泌尿器系癌の増殖、進展に炎症性免疫応答の関与の重要性が示唆された。本研究では泌尿器系癌における免疫・炎症性応答の重要性とその治療への応用を検討した。これまで開発してきたNFkappaB阻害剤がin vitroにて48時間後にPC3細胞に対して12.5 μg/ml以上の濃度で90%以上の殺細胞効果を示したが、新たに開発した誘導体12.5, 25, 50 μg/mlの殺細胞効果はそれぞれ25%, 50%, 50%であり更に強力な誘導体の開発の必要性が示唆された。Legumainは免疫・炎症に関与するプロテアーゼと考えられており、前立腺癌培養細胞においてlegumainが発現していることが示された。手術摘出後の前立腺癌においても免疫組織化学的にlegumainの局在が示され、vesicular patternを示す症例ではdiffuse patternを示す症例に比べて病理学的病期、Gleason score、腫瘍径などが進行しており、5年非再発率は有意に低く、免疫炎症応答への関与が示唆されるlegumainの存在様式が前立腺癌のaggressivenessに関与していることが示された。一方、PSAなど術前因子とlegumainの発現patternとの間に関連性は認められなかった。低酸素などの刺激下でlegumainの発現増強は認められず、TNF, LPSなどの刺激ならびに低酸素条件を変えての実験が望まれる。Docetaxel治療が施行された去勢抵抗性前立腺癌患者においてPSAが50%以上低下する(PSA反応)症例は予後が良好であり、PSA反応を示す症例は有意にCRPが低値であった。さらには転移性腎細胞癌においてもneutrophil-to-lymphocyte ratio (NLR)が予後因子であることが示され、泌尿器系癌においてCRPやNLRなどの炎症性マーカーが予後と有意に関連し、炎症性免疫応答の重要性が示唆された。NFκBなどの活性を阻害する目的で新規薬剤を開発し、泌尿器系癌に対する抗腫瘍効果などの検討を継続中であり、これまでの薬剤に改良を加えた新規阻害剤の50 μg/ml以下でのPC3細胞に対する抗腫瘍効果は50%以下であり、APO-BRDU Kitを用いたアポトーシス検出も5%と低値であった。さらに4番目ならびに5番目、6番目に改良を加えた新規阻害剤を6.25, 12.5, 25, 50μg/ml濃度でJCA1に作用させたところ、生存率はそれぞれ111%, 97%, 67%, 89%ならびに112%, 99%, 86%, 105%、そして92%, 93%, 71%, 19%であり後者に有意な殺細胞効果が認められた。我々は以前より泌尿器系癌において悪液質が炎症性免疫応答と関連し、予後不良と直結する症候であることを見出しているが、骨格筋の著明な減少を示すサルコペニアは癌悪液質の中でも重要な症候であると考えている。進行性膀胱癌において、CT scanにてskeletal muscle index (SMI)をより正確に客観的に測定したところ、サルコペニア群では約41%死亡したのに対して非サルコペニア群では20%であり、前者で有意に癌特異的生存期間が短かった。既存の予後因子を含めた多変量解析にてサルコペニアは臨床病期、neutrophil-lymphocyte ratio (NLR)とともに有意な予後因子であり、それらを用いて術前の予後予測ノモグラムを構築した。去勢抵抗性前立腺癌は予後不良であり、ドセタキセルが施行された症例の生存期間は中央値で21ヶ月であった。多変量解析において、疼痛、CRP、貧血、PS不良とともにNLRが有意な予後因子であり、それらを駆使して予後の層別化が可能であった。これらの結果は進行性泌尿器系癌において炎症性反応が予後と深く関連していることを示すものである。医学、泌尿器科学最近泌尿器系悪性腫瘍においてサイトカインや炎症性免疫応答がその病態生理に深く関与していることが示唆されている。

去勢抵抗性前立腺癌における抗癌化学療法の反応性とCRPの関連性や進行性腎細胞癌におけるNLRの予後因子としての意義が示され、進行性泌尿器系癌の病態生理における炎症性応答の重要性が示唆された。近年炎症・免疫と関連付けられるlegumainの前立腺癌のaggressivenessへの関与が示され、前立腺癌の病態生理におけるlegumainの重要性が示唆された。新規に開発されたNFkappaB阻害剤による前立腺癌培養細胞に対する殺細胞効果が示され、その誘導体の殺細胞効果を検討したが、さらに強力な誘導体の開発を目指したいと考えている。当該年では進行性泌尿器系癌の治療の反応性や予後とC-reactive proteinやneutrophil-to-lymphocyte ratioなどの炎症性マーカーとの関連性が示唆された。CRPの産生や炎症応答と深く関連し、泌尿器系癌のparacrineやautocrinegrowthfactorとも考えられているIL-6や腫瘍随伴症候群とも関連するTNFなどの炎症性サイトカインの転写に関係しているNFkappaBの阻害剤の開発と治療への応用の可能性が示唆され、新規に開発されたNFkappaB阻害剤の抗がん剤としての可能性が示唆されたが、次年度以降はその誘導体の開発や各種泌尿器系癌に対するそれらのスクリーニング実験、さらには動物を用いてin vivoにおける抗腫瘍効果の検討などの実験をおこなうよていであり、次年度以降に支出が見込まれ、予算配分を次年度以降に多く配分せざるを得ない状況である。当初、NFκB活性の阻害を目指して新たに合成した新規薬剤の前立腺癌細胞株であるDU145,JCA-1,LNCAP,PC-3などの泌尿器系癌に対する抗癌治療実験として増殖・進展ならびに転移の抑制効果をin vitroおよびin vivoにおいて検討する予定であったが、新規に合成した阻害薬のこれら細胞に対する抗腫瘍効果が十分な効果を発揮しなかったために、当初予定していた転写因子への作用やその作用機序の解明、in vivoの実験などを翌年以降に計画することとした。さらに新たに合成した阻害薬のなかで前立腺癌細胞株であるDU145,JCA-1,LNCAP,PC-3などの泌尿器系癌に対する強力な抗癌作用を有する薬剤をスクリーニングしており、その中でもっとも強力な阻害剤に焦点をあて、in vitroの実験においてその薬剤のNFκB活性に及ぼす影響や他の転写因子などに及ぼす作用など新規薬剤の作用機序の解明ならびにin vivoで担癌ヌードマウスを用いた抗癌治療実験で新規薬剤のin vivoにおける抗腫瘍効果を検討する予定である。
自己組織化レドックスネットワークによる脳型デバイスの創成

脳型情報処理を行う分子ネットワークを目指して、要素機能に必要な分子を探索した。長距離電気伝導を示す分子配線として自己ドープ型ポリアニリンに着目した。単分子内自由電子の存在、極低温(10K)オーミック伝導、300nmのコヒーレンス長が明らかになった。また、記憶に対応する多段階酸化還元が可能な金属ポリ酸を調べた。極低温(10K)での有限コンダクタンスや低い電荷エネルギー(0.03 meV)が明らかにした。さらに、低電圧動作可能な閾値素子として、金属タンパク質の単一分子伝導について調べ、電極と分子準位が疎結合、フローティング井戸が存在、電極間距離が3nm以上であることなどの必要条件が明らかになった。確率共鳴を示す酸化還元ネットワークのテンプレートとしてDNAを用いている。本研究の主題のひとつは、このネットワークの中に金微粒子を導入して、静電容量を組み込み、系に積分機能(時定数)を与えることである。そこで、初年度は、金微粒子のDNAネットワークへの組み込みについて研究を行なった。DNAネットワーク中に特定の間隔で金微粒子を導入するために、DNA折り紙を利用した。DNA折り紙を用いると、容易にきまったシーケンス部位を持つDNAの一次元鎖を形成することができる。しかし、この一次元鎖からなるDNAを水溶液から展開すると、ネットワークの網目の大きさは大きな分布を持ち、また水の表面張力により、大きな網目しかできない。このようなネットワークでは、トンネリングを主な伝導メカニズムとするデバイスを構成することはできない。ナノメートルサイズの均一な大きさの網目を持つネットワークが必要である。このような要求を満たす手法として、二成分溶媒系を用いた脱濡れ現象を用いれば、ナノサイズの網目を構造を均一に形成できることを発見した。1次元鎖を形成するDNAおりがみの一部に一重鎖となるタグを組み込み、この部分と相補的なシーケンスを持ち、末端がチオールであるDNAオリゴマーを反応させて、そのあと、金の微粒子を導入した。その結果、約17nm間隔で金の微粒子がネックレス状態に配置したネットワーク構造を得ることに成功した。この金微粒子の配列は決まった間隔を持っているため、金微粒子の間に適切な長さの分子を架橋することができる。本研究では、分子レドックスネットワークを用いた脳型デバイスの創成を目指している。これまでの研究で、確率共鳴現象が観測されたが、脳類似機能を実現するためには、和差演算機能が求められる。このような機能を導くために、ネットワーク中にヒステリシス特性を導入する必要がある。2012年度は金微粒子の導入によって、静電容量を導入することを試みたが、現在のところ、ヒステリシス特性は得られていない。そこで、酸化還元サイトを4つ含み、酸化時と還元時で電子の出し入れの順番が異なることがしられているシトクロムc3分子に着目した。本年度は、このシトクロムc3の単分子電気特性の計測を行った。金表面上に形成したピリジンチオール自己組織化膜の上にシトクロムc3分子を吸着しした。伝導度は、ピリジンチオール自己組織化膜で修飾した金コートカンチレバーを用いて伝導性原子間力顕微鏡により計測を行った。負荷力が20nN以下では、電流は得られなかったが、負荷力50nNでは安定な電流ー電圧特性を得ることができた。ゼロバイアスではコンダクタンスを持たず、およそ±1.5V程度から立ち上がりを示した。しかし、電流ー電圧特性は正負対称で、かつヒステリシス現象は見つかっていない。負荷力80nN以上では、電流は著しく減少するが、ゼロバイアスでコンダクタンスが現れる。このことから、高い付加力下では、シトクロムc3の構造が壊れてしまって、タンパク質内の酸化還元中心が機能しなくなるり、基板ー探針間の直接トンネリングが始まっていると考えらえる。以上の結果から、シトクロムc3の酸化還元中心は二重トンネリングの中継点として働いていると結論した。巨大ポリオキシメタレート(POM)であるMo154-ring単一分子の電気特性を電気伝導性原子間力顕微鏡を用いて計測し、電流ー電圧特性の取得に成功した。POM分子はドーナツ型構造を持つが、金電極表面上では、ドーナツが寝た形で吸着し、0.5Vに立ち上がりを持つことが分かった。DFT計算との比較から、電流の立ち上がりはMo原子のd軌道に由来するものであると結論づけた。さらにMo154-ringは基板上で2次元ネットワークを形成すること、またこのネットワークは室温でも極低温でも電流ー電圧特性が規格化可能な同じ線形を示し、強い非線形性を有することが明らかになった。一方、分子ネットワークの電気伝導を支える分子として、自己ドープ型ポリアニリンに着目した。ポリアニリンは、一般にポリマー集合体の間隙に酸をドープすることで、窒素原子がプロトン化する。ところが、自己ドープ型では、分子内にスルホン酸基を有するため、ポリアニリン単一分子鎖でも本質的なドーピングが可能であるため、ナノスケールネットワークにおける単一あるいは少数分子バンドル部位でも、十分な電気伝導性が期待される。単分子層レベルの非常に薄いポリアニリンネットワークを形成し、ナノギャップ電極を用いた電気特性計測を行った。しかし、結果は、単一分子レベルでは電気伝導性を示さず、ナノスケールの太さを持つバンドルが形成されて、はじめて電気伝導性を示した。活性化エネルギーはきわめて低いにも関わらず、厚膜に比べて導電率がきわめて低いことがわかった。

導電率の低い理由が、低いキャリア密度のためか、あるいはナノバンドル間の電子ホッピングの効率が低いのかを明らかにするため、分光エリプソメトリを組み合わせた研究を進めている。これまで、タンパク質/DNAネットワークを用いて、分子系ナノ電気伝導計測において確率共鳴現象を見出してきた。確率共鳴現象は、神経細胞の発火現象と関係が深く、神経ネットワーク様の情報処理の第一歩として重要である。しかし、基本的にセンシングに関わる現象であり、確率共鳴現象だけで論理演算が行えるわけではない。論理演算を行うためには、積和機能が必要であり、情報の重ね合わせを行うことが必要である。そこで、2014年度から、積和機能を担う分子として、多段階の酸化還元が可能な分子系の探索を開始した。その中でも、取り扱いが行いやすく、安定な分子として、ポリオキソメタレート(POM)に注目した。POMは電子受容体として、電極表面修飾や触媒に広く使われているが、ナノスケールにおける電気伝導特性は明らかではない。サイズが大きく取り扱いの容易なドーンナツ型のPOMであるMo154-ringの単分子層ナノネットワークを形成し、100nm程度のギャップ幅を持つナノ電極による電気特性計測を行った。POMは水溶性であり、プロトン伝導も報告されていることから、試料に残留した水による影響があると考えられる。実際、試料形成後に高真空チャンバーに入れたところ、はじめの3-4日間は電気伝導特性が大きく変化することがわかった。時間の経過とともに、電流の絶対値が減少するとがわかった。この変化は、インピーダンス測定にも顕著に反映され、コールコールプロットは、初期は2成分の伝導を示すが、高真空中に放置することで、1成分に変化することがわかった。初期には、プロトン伝導と電子伝導の両方が観測されるが、高真空中で放置することにより、電子伝導だけが残ることがわかった。電流ー電圧特性にはゼロバイアスコンダクタンスがあり、電流ー電圧特性は電子注入が容易であるPOMの特性をよく反映した電荷制限トンネリングモデルで解析できたが、多段階の酸化還元が関与する特性は得られなかった。脳型情報処理を行う分子ネットワークを目指して、要素機能に必要な分子を探索した。長距離電気伝導を示す分子配線として自己ドープ型ポリアニリンに着目した。単分子内自由電子の存在、極低温(10K)オーミック伝導、300nmのコヒーレンス長が明らかになった。また、記憶に対応する多段階酸化還元が可能な金属ポリ酸を調べた。極低温(10K)での有限コンダクタンスや低い電荷エネルギー(0.03 meV)が明らかにした。さらに、低電圧動作可能な閾値素子として、金属タンパク質の単一分子伝導について調べ、電極と分子準位が疎結合、フローティング井戸が存在、電極間距離が3nm以上であることなどの必要条件が明らかになった。本研究の最大の目的である複数刺激の重ね合わせによる演算に到達するためには、閾値特性を持つ分子をナノスケールのネットワーク上に配置すること、および複数電極間で十分な電気伝導性を確保することが必要である。