hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ボンベシン様ペプチド受容体機能昂進の影響と受容体分子機能ドメインの解析

ボンベシン様ペプチド受容体ファミリーに属するガストリン放出ペプチド受容体(GRP-R)、ニューロメジンB受容体(NMB-R)は神経系において神経調節物質として社会性行動や肥満などに関与している。またこれらの受容体は細胞の分裂、移動、分化などに関わるという報告もなされている。これらの受容体は脳においても幼若な時期から発現しており、脳の発生においても重要な役割を果たしていると考えられる。そこで我々はGRP-R、NMB-Rの脳の発生における役割や病態生理を明らかにするため、胚操作が簡便なニワトリ胚を用い、組換えレトロウイルスを利用して脳特異的に各受容体を発現させ、形態学的解析を行った。その結果GRP-R過剰発現胚では終脳、視蓋、特に小脳において低形成や層構造の異常が認められた。これらの組織では脳室周囲にあるradial gliaやBergmann gliaの突起の伸長に異常が見られ、細胞移動が影響を受けていることが示唆された。さらに小脳が低形成であったにもかかわらず、PCNA抗体で濃染される細胞やリン酸化ヒストン陽性細胞が増加していた。小脳においてはTUNEL陽性細胞も増加していたことから、異所的に分裂している細胞はアポトーシスに至り、それが小脳の低形成とも関与しているものと思われた。またGFAP陽性細胞がhyperpallium accessoriumや視蓋外層において増加するとともに、終脳においては小さく紡錘型の細胞も増加していた。この形態は未分化な腫瘍細胞の形態にも似ており、ボンベシン様ペプチド受容体は腫瘍の形成において、分化や悪性度の指標となっていることが推定された。一方NMB-R過剰発現胚では層構造は十分に発達しており、脳の大きさも拡大していた。これらのことから、GRP-RとNMB-Rは脳の発生に関与しているが、その作用機序は異なるものと考えられる。ボンベシン様ペプチドは本来平滑筋収縮作用を持つペプチドとして単離され、その後神経系にも存在し神経調節物質として体温調節、肥満、社会性行動などに関与していることが明らかにされている。このペプチドの受容体として、哺乳類ではG蛋白共役型受容体であるGRP-R, NMB-R, BRS-3が見つかっている。本研究ではこのペプチドー受容体系昂進状態での脳神経系における病態生理を明らかにするため、胚操作が簡便なニワトリ胚を用い、組換えレトロウイルス(RCAS)を利用して脳特異的に各受容体を発現させ、E20に脳を摘出し免疫組織化学による解析を行った。その結果GRP-Rの過剰発現胚では小脳全体が小さく、小葉の溝の深さも浅くなっており、低形成が顕著に認められた。Purkinje cell markerであるAnti-Calbindin, Neuronal markerであるAnti-NeuN, immature glial markerであるVimentinの抗体染色により、Purkinje cell layerとgranule cell layerで層構造が乱れ、Bergman Gliaが脱落あるいは突起が退縮しているといった異常が認められた。層構造の異常は視蓋でも認められた。さらに終脳のventral hyperpalliumにおいてGFAP陽性であるastrocyteが増加していた。一方NMB-R過剰発現胚では、終脳、視蓋、小脳などの各組織で組織の増大が観察された。これらのことは、ボンベシン様ペプチド系が脳の初期形成にかかわっていることを示す初めての知見であり、興味深い。今後は、異常を引き起こすメカニズムを明らかにしていくことを念頭におき、発生段階における変化や他の形態形成因子との関連を重点的に解析する予定である。
木質構造の水平構面による力の伝達機構に関する研究

1.木質構造の水平構面による力の伝達を評価するための静的加力試験と振動試験の比較建設段階を追って各種木質実大住宅の振動試験を小型起振器を用い実施した.各段階で建物の固有振動数,減衰定数及び共振点付近での変位,位相モードを求めた.耐力壁の増加,壁量偏在の効果と水平構面の剛性すなわち吹抜けの効果について静的加力試験との比較を行い以下の結果を得た.(1)振動試験の固有振動数から算出されるバネ定数は静的試験からの耐力壁の耐力の総和と相関が高いので,耐力推定に有効である.(2)床構面が比較的剛な場合には力の分担は各壁線に配されている壁量に比例する.耐性が低くなると変位の偏在が生じるようになり,加力付近の変位が大きくなり,水平構面の変形も大きくなる.とくに吹抜け部分で力の分担が区分される傾向にある.(3)振動試験では吹抜けや耐力壁の偏在があると,個々の空間での固有振動数が区分され,平面上の逆位相を容易に生じる.この傾向は建設初期すなわち軸組段階で明瞭である.(4)建物の仕上げが施され一体化してくると,剛性も高まり,耐力壁の量の分布に対応した変位が生じ,全体的に固有振動数のピークがブロードとなる.2.床,屋根構面の開口や形状による力の偏在および伝達機構への影響度床開口が大きいほど剛性低下が生じるが,その低下はある比率をこえると著るしくなる.切妻屋根の場合,合板貼りが千鳥になる桁行加力の方が剛性は高く,平面を保ち,力の伝達に有利に働く.床剛性と耐力壁の剛性から外力の釣り合成が導びかれ,直接影響を及ぼすことが分析できた.最大耐力は耐力壁の量に支配されているが床構面の剛性の低下は力の偏在による局部的な損傷の生じる可能性がある.1.木質構造の水平構面による力の伝達を評価するための静的加力試験と振動試験の比較建設段階を追って各種木質実大住宅の振動試験を小型起振器を用い実施した.各段階で建物の固有振動数,減衰定数及び共振点付近での変位,位相モードを求めた.耐力壁の増加,壁量偏在の効果と水平構面の剛性すなわち吹抜けの効果について静的加力試験との比較を行い以下の結果を得た.(1)振動試験の固有振動数から算出されるバネ定数は静的試験からの耐力壁の耐力の総和と相関が高いので,耐力推定に有効である.(2)床構面が比較的剛な場合には力の分担は各壁線に配されている壁量に比例する.耐性が低くなると変位の偏在が生じるようになり,加力付近の変位が大きくなり,水平構面の変形も大きくなる.とくに吹抜け部分で力の分担が区分される傾向にある.(3)振動試験では吹抜けや耐力壁の偏在があると,個々の空間での固有振動数が区分され,平面上の逆位相を容易に生じる.この傾向は建設初期すなわち軸組段階で明瞭である.(4)建物の仕上げが施され一体化してくると,剛性も高まり,耐力壁の量の分布に対応した変位が生じ,全体的に固有振動数のピークがブロードとなる.2.床,屋根構面の開口や形状による力の偏在および伝達機構への影響度床開口が大きいほど剛性低下が生じるが,その低下はある比率をこえると著るしくなる.切妻屋根の場合,合板貼りが千鳥になる桁行加力の方が剛性は高く,平面を保ち,力の伝達に有利に働く.床剛性と耐力壁の剛性から外力の釣り合成が導びかれ,直接影響を及ぼすことが分析できた.最大耐力は耐力壁の量に支配されているが床構面の剛性の低下は力の偏在による局部的な損傷の生じる可能性がある.
スマートハウスと連系するワイヤレスＶ２Ｈシステム用新形非接触双方向給電装置の開発

スマートハウスは自然エネ大量導入に対し電力系統安定を維持するシステムとして期待されている。蓄電池が高コストであることが課題であるが,電気自動車を家庭に接続するV2H(Vehicle to Home)が有力な解として注目されている。これを非接触給電で実現できれば幅広い利用者が容易に扱え,普及拡大が期待できる。しかし、従来の双方向非接触給電装置は8つのパワースイッチング素子を必要とし,構成が複雑で高価なため,家庭用であるV2Hには適していなかった。そこでシンプルかつ低コストで性能のよいワイヤレスV2Hを提供するべく,わずか2つのパワースイッチング素子で動作する新しい双方向非接触給電装置を開発した。スマートハウスは自然エネ大量導入に対して電力系統の安定性を維持するシステムとして期待されている。蓄電池が高コストであることが課題であるが,電気自動車(EV)を家庭に接続するV2H(Vehicle to Home)が有力な解として注目されている。従来の双方向非接触給電装置は8つのパワースイッチング素子を必要とし,構成が複雑で高価なため,家庭用であるV2Hには適していなかった。そこでわずか2つのパワースイッチング素子で動作する新しい双方向非接触給電装置を実現し,シンプルかつ低コストで性能のよいワイヤレスV2Hを提供することで,EVの付加価値向上による普及加速と,スマートハウスの拡大によって電力供給の安定性確保と低炭素化に貢献する。平成25年度は,最近開発した非接触EV充電装置を基礎に,わずか2つの素子で動作するシンプルかつ低コストの双方向非接触給電装置の基本回路開発を行った。スイッチング素子の逆方向電流が電源に回生することを利用して受電電力を取り出し,また受電コイル回路を共振回路構成として伝送性能の向上を図ると同時に給電時にはその共振を利用してソフトスイッチング動作をさせることによって,シングルエンデッドインバータの双方向化を実現する回路構成を考案した。また、漏れインダクタンスを利用した共振で給電時のソフトスイッチング動作を安定に確保する発振制御回路を検討して,制御システムの基本部分を完成した。そして,これらインバータ基本構成,磁気結合と双方向給電動作について試作検証を行った。さらに、実用化に関わる基本課題の一つである給電/受電コイルからの漏洩磁界を検討し、国際安全基準を十分に満たし、かつ伝送効率も向上させる対策として磁路形成と渦電流遮蔽を併用する手法を開発した。本研究では,従来と異なる動作原理の新しい双方向非接触給電方式を確立し,シンプルかつ低コストで性能のよいワイヤレスV2Hシステムを提供する。平成25年度は,シングルエンデッドインバータファミリーから最適回路を抽出し,わずか2つの素子で動作するシンプルかつ低コストの双方向非接触給電装置の原型を開発した。平成26年度は,給電時のソフトスイッチング動作を安定に確保する同期発振制御回路やパワー半導体の信頼性を確保して電力を制御する回路、電力の潮流を制御する回路など非接触双方向電力伝送装置の制御システムを完成させた。また双方向インバータの設計手法を確立し目標の伝送電力を確保する双方向非接触給電回路を得た。さらにインバータ回路および制御回路の試作品により,パワースイッチング素子の動作信頼性やスイッチング損失,給電/受電コイル間からの漏洩磁界や電磁ノイズなど実用化に関わる基本課題を検証、新形パワー半導体による損失低減の検討や渦電流遮蔽を応用した新しい漏洩磁界遮蔽技術の実証を行い基本システムを完成させた。そこで,シンプルかつ低コストで性能のよいワイヤレスV2Hを提供して,EVの付加価値向上による普及加速と,スマートハウスの拡大によって電力供給の安定性確保と低炭素化に貢献するべく,わずか2つのパワースイッチング素子で動作する新しい双方向非接触給電装置を開発した。スイッチング素子の逆方向電流が電源に回生することを利用して受電電力を取り出し,また受電コイル回路を共振回路構成としてその共振を利用してソフトスイッチング動作をさせることによって,シングルエンデッドインバータの双方向化を実現した。そして,これらインバータ基本構成,磁気結合と双方向給電動作について基本的な試作検証を行い,設計手法を確立した。

また共振のためスイッチング素子の励振電圧が高くなるので,所定の伝送電力や伝送距離を確保するため,SiCデバイスをはじめ種々のパワースイッチング素子を検討した。インバータ回路および制御回路の試作品により,パワースイッチング素子の動作信頼性やスイッチング損失,給電/受電コイル間からの漏洩磁界など,実用化に関わる基本課題の抽出・対策を行い基本システムを完成した。さらに、ワイヤレスV2Hシステムとしてスマートハウスシステムに組み込んで,発電平準化や負荷平準化のピークシフト運用や充放電動作の整合など応用上の課題を検討した。スマートハウスは自然エネ大量導入に対し電力系統安定を維持するシステムとして期待されている。蓄電池が高コストであることが課題であるが,電気自動車を家庭に接続するV2H(Vehicle to Home)が有力な解として注目されている。これを非接触給電で実現できれば幅広い利用者が容易に扱え,普及拡大が期待できる。しかし、従来の双方向非接触給電装置は8つのパワースイッチング素子を必要とし,構成が複雑で高価なため,家庭用であるV2Hには適していなかった。そこでシンプルかつ低コストで性能のよいワイヤレスV2Hを提供するべく,わずか2つのパワースイッチング素子で動作する新しい双方向非接触給電装置を開発した。当初の平成26年度計画の,発振制御回路や電力制御回路,また電力伝送方向の潮流制御回路などを検討による制御システムを考案を行い、給電時のソフトスイッチング動作を安定に確保する同期発振制御回路やパワー半導体の信頼性を確保して電力を制御する回路、電力の潮流を制御する回路など非接触双方向電力伝送装置の制御システムを完成させた。また双方向インバータの設計手法を確立し目標の伝送電力を確保する双方向非接触給電回路を得た。さらに当初計画の通りインバータ回路および制御回路の試作品により,パワースイッチング素子の動作信頼性やスイッチング損失,給電/受電コイル間からの漏洩磁界や電磁ノイズなど実用化に関わる基本課題を検証、新形パワー半導体による損失低減の検討や渦電流遮蔽を応用した新しい漏洩磁界遮蔽技術の実証を行い基本システムを完成させた。パワーエレクトロニクス平成27年度はワイヤレスV2Hシステムとしての製作を行い,スマートハウスシステムに組み込んで発電平準化や負荷平準化のピークシフト運用,また充放電動作の整合など応用上の課題を検証する。以上の研究で,従来の双方向インバータと異なる新しい動作原理の双方向非接触給電方式を確立することができ,シンプルかつ低コストで性能のよいワイヤレスV2Hシステムを提供することができる。その結果,環境性に優れた電気自動車の付加価値や利便性を向上してその普及を加速し,スマートハウスによる自然エネ発電の平準化や家庭電力の負荷率改善を拡大して,低炭素化と電力供給の安定性確保や電力コストの抑制に貢献することが期待できる。
TGF-βスーパーファミリー受容体を介するシグナル伝達機構の解析

BMP受容体会合分子BRAM2を培養細胞系に導入し、BMPやTGF-β受容体との会合特異性を検討したところ、BMPR-IA特異的に会合する分子であると考えられた。BRAM2はTAK1活性化因子TAB1とも結合しうることも明らかとなり、その結合領域はやはりBRAM2のC末側約100アミノ酸の領域であった。これらのことから、BRAM2はBMP受容体とTAK1を介したシグナル伝達系とを結ぶアンカー的役割を果たしているBMPシグナル分子であると考えられた。BMP受容体会合分子BRAM2がTAB1とも会合し、アンカー的な役割を果たしていることが予想されたが、その機能的な役割は明らかとなっていない。今後は果たしてBRAM2がシグナルをポジティブにもしくはネガティブに伝えているのかを検討していく必要がある。Differential display法を用いることにより、BMP刺激により誘導される遺伝子を探索し、マウスDlx-5を得た。マウスDlx-5mRNAは骨組織特異的に発現されており、他の組織では脳でわずかに見られるだけであった。またBMP刺激により速やかに発現誘導され、その転写誘導には新たなタンパク合成を必要としないことも明らかとなった。さらに骨折モデルマウスを用い、骨折部位の組織における骨再生過程でDlx-5が発現誘導されていることも明らかとした。Dlx-5発現細胞を骨芽細胞株MC3T3-E1で樹立した。得られた発現細胞のうちDlx-5高発現細胞株はBMP刺激することなく、骨分化マーカーの発現を誘導し、明らかな骨分化誘導が確認された。またこのとき骨分化に必要な転写因子であるCbfa-1の発現誘導は起こっていないことからDlx-5が骨分化誘導に必須な役割を果たしている新たな転写因子であることを明らかとした。BMPシグナルに呼応する標的遺伝子をDifferential display法を用いることにより、単離、同定し、Dlx-5が骨分化誘導能を有することを示した。このDlx-5がBMPの初期応答遺伝子であると考えられることから、シグナル分子TAK1やSmadの下流遺伝子である可能性も考えられ、この点を明らかにすることは興味あるところである。
中学校家庭科における持続可能な開発のための教育の展開-食と環境をテーマとして-

国連は、2005年から2014年までの10年間を「持続可能な開発のための教育の10年」と位置づけ、さまざまな取り組みを行っている。また,平成24年度に完全実施となった中学校家庭科の学習指導要領では、少子高齢化や食育、持続可能な社会の構築など、社会の変化に対応する視点から内容が再構成され、「環境」の内容を他の学習内容と相互に関連を図りながら総合的に展開することが明示された。本研究は、「食と環境」をテーマに,「持続可能な社会」を他者と共に築こうとする市民性を持った生活者を育成するために,地域や企業と連携した家庭科教育の授業の題材及び教材を開発・実践することを目的とした。研究では、ドイツのバイエルン州ユネスコ環境保護区レーン地方でのフィールド調査で得られた情報(地元の企業や農家と共に行った「地産地消」や「気候変動と朝食」の授業や教材)を参考に題材開発を行った。その際,食育に携わっているニチレイのCSRグループや安心・安全にこだわる地域の企業,静岡大学の教員との連携を研究代表者がコーディネイトした。社会資源を活用して完成させた新題材は,本校研究発表会や日本家庭科教育学会東海地区研究助成W・G,浜松市教育共同研修会や浜松市中学校家庭科サークルで報告・発信した。また,新たに開発した題材を公立学校の教師に当該校の生徒の実態に合わせて実践してもらい,本校の研究発表会でその成果を報告してもらった。今後の課題は二つある。一つには,実践後の生徒の変容について明らかにすることである。もう一つには,このような教育展開のための人的条件(教員の資質向上・確保と外部人材との協働)や、管理運営(コミュニティにおける参画・協働を促す学校マネージメントや、教育行政の支援体制、教育の質保証を図るための仕組みなど)といった教育の諸条件について、国内外の現状を把握して課題を明らかにし、カリキュラム構築に具体化することである。今後も研究を重ねていきたい。
自己組織化ペプチドハイドロゲルを用いた効率的な肝再生細胞療法開発のための基盤研究

本研究は自己組織化ペプチドハイドロゲル(PuraMatrix)を用いた肝再生治療の臨床応用を目指した基礎的研究である。組織工学に必要な足場材料として3次元的環境を初めて可能にしたPuraMatrixにヒトiPS細胞より分化誘導させた肝細胞あるいは血管内皮細胞を混和させ、肝硬変モデルマウスの肝臓に脾臓を経由して投与し治療効果を検証した。PuraMatrixにiPS細胞より分化誘導させた肝細胞あるいは血管内皮細胞を混和させたものを移植した群において対照群と比較し、アザン染色及びαSMA染色による肝線維化の程度は有意に改善し肝再生は促進していた。【方法】Wistarラット正常肝及び四塩化炭素誘導硬変肝に対しペプチドハイドロゲル(PuraMatrix)を肝組織内に注入する。その際、PuraMatrix濃度(0.252.5%)と投与量(0.21.0ml)を振り分け、生体への安全性と有効性を検討する。検討項目は、肝線維化抑制効果と肝再生促進効果の両者を検討する。前者に対しAzan染色及び抗I型コラーゲン、抗αSMA抗体、抗TGFβ1抗体を用いた免疫組織化学染色による免疫局在の観察、後者に対し抗PCNA抗体を用いた免疫組織化学染色による免疫局在を観察し対照群と比較する。【結果】1)PuraMatrix濃度が濃い場合、血管内への誤流入が高率に発生し、肺塞栓等を引き起こし死亡させてしまうことが分かった。安全性を考慮すると、投与濃度は1.0%以下の濃度にすべきと判断した。投与量については一葉当たり0.2ml程度が限界と判明。0.5ml以上投与した場合は、前述同様、血管内への誤流入が高率に発生し、肺塞栓等を引き起こし死亡させてしまうことが分かった。以上より、投与濃度0.25%,投与量0.2mlと設定し、in vivo実験を行った。2)治療的意義を考え、四塩化炭素誘導硬変肝(四塩化炭素を週2回6週間投与し、肝線維症モデルラットを作製)に対しPuraMatrixを投与したところ、肝線維化の程度は若干の増悪を認めた。対照群と比較し、その程度に有意差を生じない程度だったことから、今度は正常肝に対し同様の実験を行なったところ、PuraMatrixを注入した部位を中心に過剰の線維沈着を認めた。以上の結果から、PuraMatrix単独(iPS由来の細胞なし)での治療効果は乏しいことが分かった。さらに、現在の投与方法(肝臓への直接投与)では十分な安全性を確保できない(PuraMatrix投与24時間以内の生存率が100%ではない点)と考え、投与方法の再検討を行う考えである。平成27年度に計画した動物実験を行ったところ、PuraMatrix単独(iPS由来の細胞なし)での治療効果に乏しかった、現在の投与方法(肝臓への直接投与)では十分な安全性が確保できなかったという問題点が生じた。以上の結果より、PuraMatrixの投与方法から再考する必要性が生じたため。1)ヒトiPS細胞より血管内皮細胞への分化誘導について、既報の論文を参考にActivin A,BMP4,bFGF,希釈マトリゲル添加にて中胚葉系へ分化誘導させ、VE-Cadherin陽性細胞をFACSにて純化させ内皮細胞を作製した。分化誘導9日目にCD31+細胞は35%前後となり、VEGF添加培養液でさらに培養することで内皮細胞を得た。得られた内皮細胞は再培養、増幅は可能であったが約2.5倍ほどにしか増幅できず、若干課題が残されていると考える。2)ヒトiPS細胞より間葉系幹細胞(MSC)への分化誘導について、既報の論文を参考にHuman Cell Conditioned Medium(h-CCM)で1週間培養し胚様体を形成させた。その後ゼラチンコーティング培養皿へまき直し、bFGF,NEAA,Gulta MAX等添加培養液で接着分化させMSCを作製した。得られたMSCをFACS解析したところ、CD44+,CD73+,CD90+,CD105+,CD24-,CD31-,CD34-,CD45-であり、MSCであることを確認できた。再培養、増幅は十分可能であることも確認できた。3)ヒトiPS細胞より肝細胞への分化誘導について、既報の論文を参考に成熟肝細胞を作製した。得られた肝細胞を機能評価(PAS染色、E-cadherin染色等)したが十分満足いく結果を得ることができなかったため、最終的にリプロセル社より販売されている「ReproHepatoヒトiPS細胞由来肝細胞」を購入し研究に用いることとした。4)NOD-SCIDマウスを用いた四塩化炭素誘導肝硬変モデルマウスの作製を行った。免疫不全マウスであるため通常用いる四塩化炭素の投与量ではうまく作製できなかったが、最終的には四塩化炭素の投与量と希釈倍率を工夫することによりモデルマウスを作製することに成功した。移植として用いるiPS細胞由来の3種類の細胞準備が整い、動物実験モデルマウスも作製できたことから、次年度はin vivo実験に専念できる状況になったと判断できるため。【方法】ペプチドハイドロゲル(PuraMatrix)にヒトiPS細胞より分化誘導させた肝細胞(iHep)、血管内皮細胞(iEC)を単一あるいは両者を同数で混和したもの(iMix)を四塩化炭素誘発免疫不全肝硬変マウスに脾臓を経由し、硬変肝へ投与した。対照群として生理食塩水あるいはペプチドハイドロゲルを投与した。検討項目は、肝線維化

抑制効果と肝再生促進効果の両者を検討した。前者に対しAzan染色およびハイドロキシプロリンによる定量評価を行い、抗I型コラーゲン、抗alpha-SMA抗体を用いた免疫染色による免疫局在も観察した。また細胞投与後の肝組織でのmRNA発現(Col1a1, Acta2, Timp1)についても対照群と比較した。後者に対し抗PCNA抗体を用いた免疫染色による免疫局在を観察し、血液生化学データについても対照群と比較した。【結果】Azan染色による肝線維化率およびハイドロキシプロリン量は対照群と比較し、iHep、iEC単一投与群およびiMix投与群いずれの群でも肝線維化は改善した。iHepあるいはiEC単一投与群とiMix投与群間での有意差はなく、上乗せ効果はなかった。mRNA発現レベルにおいても対照群と比較し、iHep、iEC単一投与群およびiMix投与群いずれの群でもCol1a1, Acta2, Timp1発現量は有意に低く、免疫染色においても同様の結果だった。抗PCNA抗体に対する免疫染色において対照群と比較し、iHep、iEC単一投与群およびiMix投与群いずれの群でもPCNA陽性肝細胞数は増加しており、肝再生促進効果を確認できた。iHepあるいはiEC単一投与群とiMix投与群間での有意差はなかった。血液生化学データにおいて対照群と比較し、iHep、iEC単一投与群およびiMix投与群いずれの群でもAST,ALT値は有意に低く、肝障害程度は改善されていた。本研究は自己組織化ペプチドハイドロゲル(PuraMatrix)を用いた肝再生治療の臨床応用を目指した基礎的研究である。組織工学に必要な足場材料として3次元的環境を初めて可能にしたPuraMatrixにヒトiPS細胞より分化誘導させた肝細胞あるいは血管内皮細胞を混和させ、肝硬変モデルマウスの肝臓に脾臓を経由して投与し治療効果を検証した。PuraMatrixにiPS細胞より分化誘導させた肝細胞あるいは血管内皮細胞を混和させたものを移植した群において対照群と比較し、アザン染色及びαSMA染色による肝線維化の程度は有意に改善し肝再生は促進していた。【in vivo実験方法の変更と新たな動物実験モデル作製の確立】ヒトiPS由来細胞を10%スクロースで混和させた後にPuraMatrixを混和させ、生体内へ注入する前にゲル化させる。その後30Gy針を通じてゲルを細分化させ、脾臓内へ注入し(脾臓を経由して)肝臓内へ生着させることとする。移植する肝臓についてはこれまで同様、正常肝及び四塩化炭素誘導硬変肝に対し投与する。ただし使用細胞がヒト由来細胞であるため、用いる動物をNOD-SCIDマウス(免疫不全マウス)へ変更する必要性が生じた。H28年度はNOD-SCIDマウスを用いた四塩化炭素誘導肝硬変マウスモデル作製の確立を目指す。並行して下記のin vitro実験をH28年以降の計画通りに実施する。【in vitro実験(H28年以降の計画通り)】ヒトiPS細胞より間葉系幹細胞、血管内皮細胞へ分化誘導させる。分化誘導後の細胞はFACS解析などでその特性を確認する。ヒトiPS細胞由来肝細胞は市販(リプロセル社)されているものを用いる予定である。
C-fos 遺伝子と歯周病病態との関わりに関する基礎的および臨床的研究

近年、c-fos遺伝子の、細胞の増殖、分化誘導あるいは骨代謝への関与の可能性が指摘されており、慢性関節リウマチの病態形成への関与も報告されている。そこで今回我々は、c-fos遺伝子発現と歯周病病態形成との関係を名確にすることを目的として実験を行い、以下の結果を得た。1.炎症歯肉組織中におけるc-fos遺伝子発現部位の確認:健常者および高度歯周炎患者から患者の同意を得た上で歯肉を採取し、c-fos遺伝子の発現部位をin situ hybridization法により確認した。健常者から採取した歯肉中においては、血管内皮細胞にわずかにその発現が認められるにすぎなかった。一方、高度歯周炎患者の炎症歯肉組織中においては、上皮直下の炎症性細胞浸潤部の多くの線維芽細胞および血管内皮細胞にc-fos遺伝子の発現が認められた。c-fos遺伝子の、細胞の増殖、分化誘導あるいは骨代謝への関与の可能性が指摘されており、慢性関節リウマチの病態形成への関与も報告されている。そこで我々は、c-fos遺伝子発現と歯周病病態形成との関係を明確にすることを目的として実験を行い、今までに(1).高度歯周炎患者の炎症歯肉組織中において、上皮直下の炎症性細胞浸潤部の多くの細胞にc-fos遺伝子の発現が認められること。(2).ヒト精製lL-1β(rhlL-1β)はヒト歯肉線維芽細胞(HGF)の細胞増殖、matrix metall oproteinase-1,3 (MMP-1,3)、prostaglandin E2(PGE2)の産生およびc-fos、MMP-1,3、COX-2mRNAの発現を促進することを明かにした。そこで今回我々は、さらに研究を進め以下に示す結果を得た。2. rhIL-1βで刺激したHGFにおけるAP-1の活性化とMMP-1,3、PGE2産生に及ぼす抗fos抗体の作用についての検討:HGFを抗fos抗体で前処理後、rhIL-1β(2.5ng/ml)と抗fos抗体でさらに刺激し、AP-1の活性化をgel mobility shiftassayにて、MMP-1,3、およびPGE2の産生をEIA法にて検討した。抗fos抗体はrhIL-1β依存的なAP-1の活性化および、これらのタンパク産生を部分的に抑制した。これらの結果は、c-fosは歯肉線維芽細胞において、AP-1の活性化を介してIL-1β依存的なMMP-1,3、およびPGE2の産生に関与することを示しており、c-fosの歯周病病態形成への関与の可能性を示唆している。
非可食バイオマスの前処理・糖化を最適化する新規な系の構築とその実践応用

EGやCBHは、CBM(セルロース結合領域)と活性中心部位の二つのドメインから構成されており、種々バイオマス中に含まれるセルロースを効率良く前処理・糖化分解するには各々に最適なCBM活性があるセルラーゼの使い分けが必要と考えられる。しかし、種々バイオマスの前処理糖化工程では最適な分解活性を持つセルラーゼの選抜に手間がかかることやセルラーゼの活性部位の変異研究が中心であることなどから、実用的なCBMによる基質認識研究が世界的に低調であり、種々セルロースに対して最適なCBM活性を持つセルラーゼの選抜を目指す本系は今までにない新しい発想となる。種々バイオマスに応じた最適化CBMを持つセルラーゼ提示酵母を選抜後、これを実践レベルで非可食バイオマスに用いることを本研究の目的とした。適切な前処理後、実バイオマスとして「新聞紙」、「稲わら」を用いて本系が選抜系として機能するかを調査した。糖化発酵の活性は酵母によるエタノール発酵を見ることで測定した。選抜の結果、「新聞紙」「稲わら」ともに特徴的な配列のCBM提示酵母群を獲得した。これら選抜されてきた酵母群を各々バイオマスセルロースの次の糖化発酵に用いたところ、ワイルドタイプのCBM提示酵母よりも、特に反応初期段階における糖化発酵効率がおよそ1.5倍向上していることがわかった。EGのCBMが、各々のバイオマスに対して結晶性セルロースのアモルファス化に有用な組み合わせで選抜されてきた可能性が強く示唆された。
地方都市のモビリティ－－人口縮小期における都市間移動の社会学

本年度は、まず昨年東北5県に対して行った調査を分析することで、1県内での定住者はおよそ半数に限られ地方都市でも移動がかなり活発に行われていること、2しかし移動はとくに短期的な場合、所得と強い関係を持ち階層格差が大きいことなどを確認した。こうした結果は、前年度の山形調査と重なるものが多く、東北5県では同様の移動にかかわる生活構造があることが確認された。それに加え、今回の調査からは、3東北では仙台の存在感が大きいことが浮かび上がった。仙台への長期的、短期的な移動は多く、逆に仙台からは就学や就職のため出ていく者が少ないなど、仙台は東北地方のハブ的役割を担っている。のみならず、仙台を頻繁に訪れる者は、居住地域に対する満足度が高い(東京の場合そうではない)など、地域の生活にプラスの影響を与えていることがあきらかになった。ただしこうした調査はネットを通した調査ということで、実態との一定のズレも予想される。それを確認し、できれば修正を加えるために、今年度は、あらたにもう一度山形市のモビリティ状況に対する郵送調査を企画し、実行した。それによってネット調査の信頼性を検証することが目指されたのである。以上の調査によって地方都市の移動状況は一定程度浮かび上がってきたが、ではそれをこれからいかに政策的に動かす可能性があるのか。それを検討し、加えてよりひろく現代都市のモビリティについてあきらかにするために、都市の観光政策に関する研究をとくにオリンピックを中心に行った。都市のモビリティ状況をあきらかにする調査分析は進んでいるが、本年度はそれらの調査の信頼性を検討するために再度、山形市に対する追加調査を行った。だがその回収に予定以上の時間がかかったため、当初の計画を延長し、その詳細な分析と本課題総体のまとめは翌年度に行うことに変更した。本年度行なった山形市に対する追加調査を分析し、先の調査の信頼度を確認するとともに本課題総体のまとめを行う。研究の初年度となる本年度は、まずモビリティの定義を理論的に考察し、住民票の移動にとどまらず、短期的な移動、さらにはそれに加え、観光やショッピングなどを含む地方都市のモビリティを考察する上での課題と問題点を検討した。それをもとに、山形県を対象に呼び予備的なフィールドワークをおこなうとともに、その一環として、山形県庁への観光政策のヒアリングを実施した。さらにそれらの研究を前提として、地方におけるモビリティを明らかにするためにアンケート調査を設計し、ネットを通じ山形県居住者に対して行なうことで、1025人の有効回答を得た。それによって、地方のモビリティの状況を一定程度あきらかにすることができた。おもな発見としては、1地方居住者には、定住者のみならず、Uターン者、Iターン者が数多く含まれ、山形県ではそれぞれ27.4%、31.0%、41.6%と拮抗していること、2こうした分布は、県庁所在地、他市部、郡部などで大きく異なり、たとえば県庁所在地では県外からの移住者、他市部では定住者、郡部では県内移住者が目立つこと、また3県庁所在地では「通学や仕事のため」、他市部では「家屋や土地などの資産を持っているから」、郡部では「結婚のため」などが居住理由として優勢であり、4こうした移動経験や移動移行には学歴や資産保有が一定の影響を与え、5さらにそれは地域のショッピングセンターや東京や仙台への観光やショッピング、帰省のための移動状況にも多大なちがいをもたらしていることなどが確認された。以上より、地方のモビリティが通常想定される以上に活発であるとともに、階層的な分断があることが確認された。研究の初年度として、本年度はモビリティの状況について分析する枠組みを作りだすとともに、それを実際にアンケート調査の形で確認することができた。今年度の研究は山形県を対象としたものであり、それだけで東北、または地方一般の状況をあきらかにするものとはいえないことも事実だが、今後の研究のための土台として、貴重な調査・分析を行うことができたと自己評価する。第一に、昨年度までに集めた山形県のモビリティについてのデータ分析を行い、1既存のデータから確認される長期・長距離の移動の減退が近隣市や東京への買い物や出張といった短期的な移動の活発化によって補われている可能性を確認するとともに、2短期的なモビリティがとくに世帯所得によって左右されている(高所得者は東京への移動が、低所得者では近隣モールへの移動が多いというように)こと、さらに3将来の移動希望も同様に世帯年収によって影響されていることをあきらかにした。このことは、近年、地域を出るような長距離長期間の移動を補うように地域のモビリティが活発化していることと、しかしそれが複雑に格差化されていることを含意する。こうした仮説を確認するために、第二に、福島・宮城・青森・秋田の東北諸県のモビリティに関するデータを収集した。その精密な分析は次年度の作業だが、大まかな結果としてはばらつきをみせながらも、山形県同様の活発な移動が地域内で行われていることが確認された。加えて、そうした問題をより地域の現場に即して考える視点を確保するために、今年度は近年しばしば行われている地域イベントとしての芸術祭をフィールドワークの対象として取り上げた。ゼロダテを中心にアートイベントを継続的に実行してきた秋田県大館市、北アルプス国際芸術祭を開いた長野県信濃大町市を現地調査し、関係者に話を聞くなどして芸術祭が地域の観光やブランドイメージの変化などにいかにかかわっているかについてのデータ収集に努めたのである。こうしたマクロ・ミクロのデータを分析することで、2018年度には、地域におけるモビリティが具体的にいかなる形で展開しているかをあきらかにしたい。

モビリティについてのデータを、山形県に加え、東北諸県で集めることができたことにおいては、研究は順調に進んでいる。ただしそれらを対照する分析がまだ十分に行われていないこと、またさらにより地域を限ったミクロなデータを集める必要があるという意味で、最終年度には着実な研究遂行が必要とされる。本年度は、まず昨年東北5県に対して行った調査を分析することで、1県内での定住者はおよそ半数に限られ地方都市でも移動がかなり活発に行われていること、2しかし移動はとくに短期的な場合、所得と強い関係を持ち階層格差が大きいことなどを確認した。こうした結果は、前年度の山形調査と重なるものが多く、東北5県では同様の移動にかかわる生活構造があることが確認された。それに加え、今回の調査からは、3東北では仙台の存在感が大きいことが浮かび上がった。仙台への長期的、短期的な移動は多く、逆に仙台からは就学や就職のため出ていく者が少ないなど、仙台は東北地方のハブ的役割を担っている。のみならず、仙台を頻繁に訪れる者は、居住地域に対する満足度が高い(東京の場合そうではない)など、地域の生活にプラスの影響を与えていることがあきらかになった。ただしこうした調査はネットを通した調査ということで、実態との一定のズレも予想される。それを確認し、できれば修正を加えるために、今年度は、あらたにもう一度山形市のモビリティ状況に対する郵送調査を企画し、実行した。それによってネット調査の信頼性を検証することが目指されたのである。以上の調査によって地方都市の移動状況は一定程度浮かび上がってきたが、ではそれをこれからいかに政策的に動かす可能性があるのか。それを検討し、加えてよりひろく現代都市のモビリティについてあきらかにするために、都市の観光政策に関する研究をとくにオリンピックを中心に行った。都市のモビリティ状況をあきらかにする調査分析は進んでいるが、本年度はそれらの調査の信頼性を検討するために再度、山形市に対する追加調査を行った。だがその回収に予定以上の時間がかかったため、当初の計画を延長し、その詳細な分析と本課題総体のまとめは翌年度に行うことに変更した。今年度はモビリティ研究の諸課題を検討するとともに、引っ越しや観光などのモビリティの状況を山形県在住者を対象として確認した。しかしこうした調査結果は、1東北、または地方一般に妥当するものかはわからず、また2ネットを通した調査ということで信頼性に一定の疑いが残る。こうした欠点を補うために、来年度以降は、まず1山形以外の東北各県に対し同様の調査を行い、それを通して、地域固有の特徴について比較分析したい。さらに2調査の信頼性を検討するために山形市を対象としたより総合的な調査を企画し、今年度の調査と比較検討したい。以上が来年度以降の研究の予定である。研究の最終年度となる2018年度は、これまで集めたデータを分析し、東北のモビリティについての具体的な見取り図を作り出すことが、まず第一の目標となる。それを補うために、山形市を対象としたよりミクロなインタビューやアンケート調査を計画している。
プロセッサ・アーキテクチャおよびオブジェクト・コード評価用ワークベンチの研究

本年度は,オブジェクト・コード最適化技法評価用のワークベンチの開発,および,オブジェクト・コード最適化技法の評価を行った.オブジェクト・コード最適化技法の性能を評価するために,評価用ワークベンチSparcEmuを開発した.評価用ワークベンチSparcEmuはス-パスカラ・プロセッサのアーキテクチャ構成をさまざまに変化させて,性能評価を行うことができる.また,SparcEmuはX-Windowシステム上で開発され,GUI(Graphical User Interface)による操作観測環境が提供されている.提供されているGUIを活用することで各々のアーキテクチャ構成時にどのように命令が処理されていくかを視覚的に追っていくことができる.このGUIを利用することで,各最適化技法により生成されたオブジェクト・コードの問題点を各アーキテクチャ構成毎に,迅速に評価することが可能となった.オブジェクト・コード最適化技法の研究に関しては,Livermore Fortran Kernelsに対して既存の最適化技法であるリスト・スケジューリング手法,および,ソフトウェア・パイプライニング手法を適用し,それぞれの手法に関して性能評価を行った.また,これらの既存の最適化手法の他に,独自に考案したステージ・バランシング(Stage Balancing)と呼ぶ独自のソフトウェア・パイプライニング・アリゴリズムに関して評価を行った.ステージ・バランシングは適時に変数のコピーを行い,依存関係を解決し,不必要にソフトウェア・パイプライニングのステージ段数が深なるのを防ぐアリゴリズムである.手法により,よりコンパクトなコード・サイズでのソフトウェア・パイプライニングが可能となることがわかった.本年度は,オブジェクト・コード最適化技法評価用のワークベンチの開発,および,オブジェクト・コード最適化技法の評価を行った.オブジェクト・コード最適化技法の性能を評価するために,評価用ワークベンチSparcEmuを開発した.評価用ワークベンチSparcEmuはス-パスカラ・プロセッサのアーキテクチャ構成をさまざまに変化させて,性能評価を行うことができる.また,SparcEmuはX-Windowシステム上で開発され,GUI(Graphical User Interface)による操作観測環境が提供されている.提供されているGUIを活用することで各々のアーキテクチャ構成時にどのように命令が処理されていくかを視覚的に追っていくことができる.このGUIを利用することで,各最適化技法により生成されたオブジェクト・コードの問題点を各アーキテクチャ構成毎に,迅速に評価することが可能となった.オブジェクト・コード最適化技法の研究に関しては,Livermore Fortran Kernelsに対して既存の最適化技法であるリスト・スケジューリング手法,および,ソフトウェア・パイプライニング手法を適用し,それぞれの手法に関して性能評価を行った.また,これらの既存の最適化手法の他に,独自に考案したステージ・バランシング(Stage Balancing)と呼ぶ独自のソフトウェア・パイプライニング・アリゴリズムに関して評価を行った.ステージ・バランシングは適時に変数のコピーを行い,依存関係を解決し,不必要にソフトウェア・パイプライニングのステージ段数が深なるのを防ぐアリゴリズムである.手法により,よりコンパクトなコード・サイズでのソフトウェア・パイプライニングが可能となることがわかった.
電場・磁場を同時に用いた対流高精度制御半導体結晶成長法の創製

情報化社会を担うシリコン単結晶への要求は、年々厳しくなりさらなる高品質化が求められている。シリコン結晶の内部には、原子スケール欠陥である原子空孔が凝集して形成した空洞欠陥が、大きさと密度がそれぞれ約100nmと105cm-3程度で存在している。この空洞欠陥を除去することが、超高密度の電子デバイスを実現させるためには必須である。この空洞欠陥は固液界面付近において原子空孔の凝集により形成されているために、固液界面近傍の温度が高い領域での空孔濃度を精密に制御することが、問題解決には必要である。空孔濃度はほぼ平衡濃度であるために、空孔濃度そのものは温度によって決定される。したがって、空洞欠陥の除去には、結晶育成中の結晶内の温度分布、特に子液界面近傍の温度分布を精密に制御する必要がある。一般に凝固問題を考える場合、融液の対流と固液界面形状は強くリンクしているために、固液界面形状を制御するためには融液の対流を制御する必要がある。本研究では、有限体積法を用いて3次非定常の計算を行い、EMCZの条件下におけるシリコン融液対流現象の3次元構造を明らかにした。本研究では3つの異なったEMCZの配置を取り上げた。印加した磁場は一様な垂直磁場と墓所によって異なるカスプ磁場、さらには、水平磁場の場合も検討を行った。結晶を通して電流を融液に流すために、電極・融液界面と固液界面では電流密度が異なることとなり、非対称なローレンツ力の分布が期待できる。2本の電極の場合は、2回対称に電極を配置した構成であり、結晶には電流が流れず2本の電極に逆方向に等量の電流が流れることとなり、この場合も非対称なローレンツ力の分布が期待できる。同心円上の電極は、電極が結晶の周囲に対象に配置され、結晶中を流れてきた電流は等方的に電流が流れ、対称性のよいローレンツ力の分布が期待できるために、これを用いて新規の結晶育成方法を提案できた。シリコン結晶の内部には、原子スケール欠陥である原子空孔が凝集して形成した空洞欠陥が、大きさと密度がそれぞれ約100nmと10^5cm^<-3>程度で存在している。印加した磁場は一様な垂直磁場とした。単一電極の場合は電極から電流を注入し融液中を通過して結晶へながれる。したがって、電極・融液界面と固液界面では電流密度が異なることとなり、非対称はローレンツ力の分布が期待できる。

2本の電極の場合は、2回対称に電極を配置した構成であり、結晶には電流が流れず2本の電極に逆方向に等量の電流が流れることとなり、この場合も非対称なローレンツ力の分布が期待できる。同心円上の電極は、電極が結晶の周囲に対象に配置され、結晶中を流れてきた電流は等方的に電流が流れ、対称性のよいローレンツ力の分布が期待できる。電磁場印加半導体結晶成長法を用いて結晶育成する場合に必須な、総合伝熱解析モデルの構築、コード開発を行った。従来の研究では、2次元軸対称の炉の構造を仮定したモデルの構築がほとんどであった。本年度は、、氷平磁場印加法の解析が可能な3次元総合伝熱解析モデルの構築に成功した。特に、シリコンの結晶成長を対象としてプログラムコードの開発を行い、実際の実験結果と定量的にある解を得ることが可能となった。具体的には、シミュレーション用の計算機のメモリー使用量を軽減するために、2次元と3次元の輻射問題の練成法に関して新しいアルゴリズムの提案をした。この新しいアルゴリズムを使用すれば、従来の3次元の総合伝熱解析で必要とされていた120ギガバイト以上のメモリー使用量を約30分の1の4ギガバイトの使用量で済むことを確認した。さらには、計算時間の短縮化が可能となった。実際120ギガバイトのメモリーを使用した計算は、スーパーコンピュータを使用した場合、待ち時間の関係から数ヶ月の計算時間が必要である。しかし、本研究で開発したコードを用いれば、数週間で解が得られる。このアルゴリズムの開発のために、従来は、スーパーコンピュータのみでしか計算ができなかった3次元総合伝熱解析モデルが、ワークステーションレベルで取り扱うことが可能となった。本年度の研究の成果より、従来計算がほぼ不可能であった横磁場印加結晶育成法の流動伝熱解析が可能となった。情報化社会を担うシリコン単結晶への要求は、年々厳しくなりさらなる高品質化が求められている。シリコン結晶の内部には、原子スケール欠陥である原子空孔が凝集して形成した空洞欠陥が、大きさと密度がそれぞれ約100nmと105cm-3程度で存在している。この空洞欠陥を除去することが、超高密度の電子デバイスを実現させるためには必須である。この空洞欠陥は固液界面付近において原子空孔の凝集により形成されているために、固液界面近傍の温度が高い領域での空孔濃度を精密に制御することが、問題解決には必要である。空孔濃度はほぼ平衡濃度であるために、空孔濃度そのものは温度によって決定される。したがって、空洞欠陥の除去には、結晶育成中の結晶内の温度分布、特に子液界面近傍の温度分布を精密に制御する必要がある。一般に凝固問題を考える場合、融液の対流と固液界面形状は強くリンクしているために、固液界面形状を制御するためには融液の対流を制御する必要がある。本研究では、有限体積法を用いて3次非定常の計算を行い、EMCZの条件下におけるシリコン融液対流現象の3次元構造を明らかにした。本研究では3つの異なったEMCZの配置を取り上げた。印加した磁場は一様な垂直磁場と墓所によって異なるカスプ磁場、さらには、水平磁場の場合も検討を行った。結晶を通して電流を融液に流すために、電極・融液界面と固液界面では電流密度が異なることとなり、非対称なローレンツ力の分布が期待できる。
大規模生体分子におけるスピン軌道相互作用の解析手法の開発

本研究では、密度汎関数(DFT)法に基づいた大規模第一原理計算により、生体分子のような巨大系におけるスピン軌道相互作用を解析するための手法の開発を目的としている。スピン軌道相互作用を含む計算は通常の計算よりも計算コストが非常に高い。そのため本研究では、大規模計算に特化したDFT計算プログラムCONQUESTに基づき、精度を維持しながら基底関数の数を最小まで減らす手法を開発することで、大幅な計算コストの削減に成功した。本研究課題は、電子相関を効率的に扱うことのできる密度汎関数(DFT)法に基づいた相対論計算を、計算コストを大幅に削減することのできるオーダーN法と組み合わせることで、大規模分子におけるスピン軌道相互作用を解析する手法を開発することを目的としている。スピン軌道相互作用を取り扱うには二成分相対論計算が必要であり、我々の開発しているオーダーN-DFTプログラムCONQUESTに二成分法の導入を行うことにより、より現実に近い大規模モデルに基づくスピン物性のシミュレーションに取り組む計画である。当該年度では全角運動量量子数に依存したノルム保存型擬ポテンシャルをCONQUESTに導入することにより二成分計算を実装する計画であり、現在実装を行っている最中である。その際にベースとなる非制限計算プログラムによる磁性体計算の予備検証も行っている。また当該年度には、CONQUESTにおける更なるコスト削減のために、以前から開発していた精度を維持しながら基底関数の数を大幅に減らす方法に関して効率的に並列化する手法を導入した。この方法により、数千原子を含む生体分子の状態密度図などを高精度に計算することに成功した。この方法は二成分相対論計算にも応用可能であり、通常より計算コストの高い二成分計算を大規模生体系に応用する際にも有効な手段になる。また、軌道エネルギーの計算精度を高めるための手法開発を行った。この方法では、従来のDFT交換汎関数では不十分であった長距離相互作用の取り込みと自己相互作用誤差の補正を行うことで、軌道エネルギーから分子のイオン化ポテンシャルや電子親和力などを高精度に見積もることに成功した。軌道エネルギーの記述精度は励起状態計算において重要であり、また計算コスト的に励起状態計算が困難な場合においても、軌道エネルギーからある程度定性的な議論を可能とすることができる。スピン軌道相互作用を含む計算は通常の計算よりも計算コストが非常に高いため、本研究では大規模計算に特化したDFT計算プログラムCONQUESTに基づき、大幅な計算コスト削減のための手法開発に取り組んだ。今年度は、昨年度から開発を行っているマルチサイト法のスピン非制限計算への応用を行った。マルチサイト法では局所的な分子軌道様に基底関数を作成することで、基底関数の数を最小まで減らすことが可能である。数種類の構造における鉄の計算から、磁性体においても最小基底サイズで構造や磁気モーメントを定量的に計算可能であることが示された。これにより、マルチサイト法をスピン非制限計算に基づいたスピン軌道相互作用計算にも拡張可能となった。また、マルチサイト法で作られる基底関数の数値的な最適化に取り組んだ。最適化を行うことにより変分的な計算が保証され、小さな局所分子軌道からマルチサイト基底関数を作る場合でも安定した構造最適化計算や分子動力学シミュレーションが可能となった。数千原子を含む水溶液中DNAに本手法を適用し、HOMO-LUMOギャップや状態密度図、分子軌道の情報を従来の手法よりはるかに短時間で計算することに成功した。以上により、生体分子などにおける大規模計算の計算コストの大幅な削減に成功し、また、スピン非制限計算への拡張を可能とすることで、大規模生体分子のスピン軌道相互作用計算に向けた基盤が構築された。物理化学当初の予定では非制限計算に基づく二成分相対論計算のCONQUESTへの導入を当該年度に実施する予定だったが、それに先駆けてCONQUESTでの計算コスト削減のための手法開発及びDFT計算での軌道エネルギーの計算精度改善に取り組んだため、遅れが生じてしまった。これらの手法は二成分計算やそれに続く励起状態計算にも応用できるため重要であり、二成分計算の導入よりも先に完了させておく必要があった。次年度では、当該年度で予定していた二成分相対論計算手法のCONQUESTへの導入をまず完了させる。この導入では、二成分型のノルム保存型擬ポテンシャルを導入し、スピン軌道相互作用の取り込みを行う。それに伴い、ノンコリニアな交換相関汎関数の表式をCONQUESTへ導入する。その上で、次年度で予定していた、相対論効果の局所性に関するアセスメントを行う。相対論効果がある程度局所的であった場合には、計算コストを削減するために、取り扱う系において注目する部位にのみ相対論効果を取り込み、周囲の原子に関する非相対論DFT計算と組み合わせる手法の開発に取り組む。また、CONQUESTを用いた励起状態における二成分相対論計算の方法を開発する。CONQUESTには実時間発展TDDFTによる励起状態計算の手法が実装されている。

この実時間発展TDDFTを二成分相対論計算に拡張することにより、励起状態におけるスピン禁制遷移の時間変化を検討することを目指す。励起状態計算の二成分相対論計算への拡張は、基本的には基底状態と同じく、擬ポテンシャルへのスピン軌道相互作用の導入、ノンコリニアな交換汎関数の導入によって行う予定である。また、励起状態計算においても基底状態ほどではないものの、カットオフ領域の導入によって計算コストを減らすことができると考えている。現在の進捗状況がやや遅れているため、励起状態計算に関しては、実時間発展TDDFTの代わりに対角化に基づくTDDFTを用いるなど、計画を変更する必要が生じる可能性があると考えられる。当初ワークステーションの購入を検討していたが、他研究機関スーパーコンピュータの共同利用サービスを利用するほうが効果的と判断したため、ワークステーションは購入せずに、利用負担金を支払いスーパーコンピュータを借用した。その差額により次年度使用額が生じた。次年度も他研究機関スーパーコンピュータの共同利用サービスを継続して利用する予定でいるが、次年度では本年度よりも申請する計算資源量を増加しようと考えているため、次年度使用額を利用負担金の増加分に充てる予定である。