hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
「各教科等の学習に機能する読解力」育成カリキュラム及び授業実践モデルの開発

前年度に重点的に開発した情報活用能力を育成する授業モデルをさらに精緻なものにし、情報を検索したり、集めた情報を整理したりするために必要な知識や技能を明らかにし、知識や技能と読むことの過程に即した思考力・判断力・表現力等を有機的に組み合わせて単元で育成を目指す資質・能力を明らかにすることができるようにした。また、主に教科書教材と組み合わせて用いる多様な並行読書材についても、単元に応じて開発を行った。モデルの開発過程において、授業実践の協力者が単元を構想する際に、具体的にどのような本を選べばよいのかが分かりにくいといった評価をいただいたところである。そこで、代表的な教材を取り上げて、具体的にどのような作品や資料等を準備すればよいのかについて、イメージを持ちやすいようにしたものである。平成27年度までの成果を踏まえ、多様な授業実践モデルを開発することができた。具体的には、単元を構想する際のステップを明らかにし、そのステップを踏まえて構想した授業実践を蓄積しているところである。また、開発途中の段階ではあるが、複数の地域の授業実践者の協力を得て実践を行った結果、大きな効果があることも検証されている。なお、この成果をさらに精査し、公表するところまでには至らなかった。この点については今後の課題とするところである。本研究の目的は、国語科を中心とした各教科等の学習において機能する読解力を育成するためのカリキュラムと授業実践モデルを開発することである。最終年度の成果として、これまでの読解力育成上の課題を克服する国語科の授業構想のステップと授業実践のモデルを作成した。具体的には、1「各教科等の学習に機能する読解力」の観点から、当該単元で付けたい読む能力を明確にすること、2その能力を育成するための言語活動と必要となるテキストを選定し、3子供にとっての課題解決の過程となる単元の学習過程を構想するという授業構想のステップにより、教材を目的なく読み取らせてしまいがちであるという課題を克服できることを解明した。またその実践モデルについては、型にはまった実践のためのモデルではないかという誤解を避けるため、事例そのものを普及させることを目的とするのではなく、そのモデルがもつ意味や効果を具体的に解説し理解を広げることに留意した。研究全体を通した成果としては、大きく次の3点があげられる。まず、ベルリン・ブランデンブルグ州立学校・メディア研究所において聞き取り調査を行い、ベルリン市が展開する各教科等との連携を図る読解力育成カリキュラムの特徴を我が国で初めて明らかにした。このカリキュラムは大きく授業での読書推進、学校全体での読書推進、地域や保護者等との連携協力体制づくりの観点から構成されており、我が国の教育課程の改善にも資するものと考える。次に、優れた国語授業実践者等からなるワーキンググループを組織し、実践事例の集積と課題把握、改善を図る実践の試行とその整理を行った。ワーキンググループにおいては、現在の学校の実情を十分に把握し、その実情を踏まえたカリキュラムや実践モデルを提示すべく継続的に検討を行った。更に上述のようなカリキュラムと実践モデルにまとめた。全国的な調査の結果から、子供たちの読解力に課題があることが明らかになっている。指定された箇所を読み取ることはできるが、様々な情報から目的に応じて必要な情報を見付けることなどができないことが指摘されている。
ガス壊疽菌の病原性に関与する調節RNA分子の探索と機能解析

大震災などの自然災害において多くのガス壊疽患者を発生させるウェルシュ菌は、複雑な遺伝子発現調節機構により多種の病原因子の発現を調節している。本研究では、ウェルシュ菌において発現されている新規のsRNA分子を多数同定し、その中には本菌のグローバル調節系によって発現調節を受けているRNAが存在することを明らかにした。さらに既知の調節RNAであるvirXの機能解析を行い、virXが毒素産生調節のみならず、ウェルシュ菌食中毒の原因となる腸管毒素の産生に関与する芽胞形成をも制御していることを明らかにした。平成22年度は144のIGRにおける低分子RNAの探索を行った。まず144のすべてのIGRを増幅するPCR用のプライマーを設計し、委託合成を行った。これらの144のプライマーセットを用いて、ウェルシュ菌染色体DNAを鋳型としたPCRによりIGR DNAの増幅を行い、それらのDNAをアルカリフォスファターゼにより標識し、DNAプローブを作製した。ウェルシュ菌野生株から培養2, 3, 4時間後の全RNAを調製し、作製したIGRプローブによりノザンハイブリダイゼーションを行い、RNAの転写の有無を確認していったところ、144のIGR領域の中で明らかに転写産物が認められたのは53領域であることが明らかになった。このハイブリダイゼーション実験を計二回行ったところ、すべての結果が一致していた。転写されているRNAのサイズを計測すると、約50 baseから500 baseの長さを持つ低分子RNAであることが判明した。これらのRNAサイズはすべてIGRの長さより短いことが確認され、明らかにIGRの中から転写されるRNA(IGR-RNA)であることも確認された。このIGR-RNAの転写が見られたIGRのDNA配列を再度解析してみると、該当領域にはタンパク質ヲコードする領域(ORF)が存在しない事も確認され、IGR-RNAはいわゆる低分子RNAとして機能している可能性が高い、と推測された。さらに、培養開始からの時間経過による増減(増殖時期によるIGR-RNA発現量の変化)の解析も行い、IGR-RNAの発現パターンは、培養時間の経過とともに増加していくもの、減少していくもの、増加から減少へと時期により変化するもの、など多様な発現パターンを持つことが示唆された。この実験については23年度も再現性をみる実験を行い、53のIGR-RNAの発現パターンによる分類等を行う予定である。前年度はウェルシュ菌のゲノム配列から比較的長い遺伝子間領域(IGR)の存在を確認して144のIGRを選択し、それぞれの領域のDNAをPCRによって増幅し、このDNAを遺伝子プローブとしてウェルシュ菌野生株より抽出したRNAに対してノザン解析を行い、これにより144のIGRのうち、明らかに転写されている領域が53領域あることが明らかになっている。そこで23年度は、この転写の見られた53のIGRで転写されるRNAの領域の特徴を調べるため、53のすべてのIGR領域について、培養したウェルシュ菌野生株から培養開始後1,2,3,4,5時間のRNAを経時的に抽出し、各培養時期における低分子RNAの発現パターン(量の増減など)分析とRNAの正確なサイズ計測を行い、RNAによって時間的な発現パターンが異なること、そしてほとんどのRNA分子のサイズが150500,baseとIGR領域の長さより短く、明らかにIGR内から転写されていると判断された。引き続いて、IGRから転写される低分子RNAの発現調節パターンを解析するため、これまでに知られている調節システムである二成分制御系VirR/VirSや転写調節RNAであるVR-RNA、virXの変異株を用いて、これらの調節システムとIGR領域の低分子RNA(IGR-sRNA)との関連を野生株と制御遺伝子変異株から調製したRNAを用いるノザン解析により調べた結果、20のIGR-sRNAの発現がVirR/VirS調節系により転写調節されていることが明らかになった。VR-RNAおよびvirXによるIGR-sRNAへの転写調節に関しては、現在実験を行っているところであり、24年度も継続的に行っていき、ウェルシュ菌のグローバル調節系がIGR-sRNAの発現に及ぼす影響について明らかにする予定である。前年度までにウェルシュ菌のゲノムに存在する長いIGR(遺伝子間領域)の144領域中53領域が転写されていることを明らかにし、この53のIGRで転写されるRNAについて、ウェルシュ菌野生株からRNAを経時的に抽出し発現パターン分析とRNAのサイズ計測を行い、RNAがIGR内からの転写であることを確認した。さらにIIGRから転写される低分子RNA (IGR-sRNA)の発現調節パターンを解析し、本菌の病原性調節システムの二成分制御系VirR/VirSに調節されるIGR-sRNAが20個存在することを明らかにした。

24年度は転写調節RNAであるVR-RNAとvirXの変異株を用いて、野生株と変異株から調製したRNAをノザン解析し、野生株と変異株における転写量の比較を行ない、少なくとも10数個のIGR-sRNAの発現がこれらの調節系により転写調節されていることが判明した。これらより、ウェルシュ菌のグローバル調節系はさらに多数のIGR-sRNA発現を制御することにより、大きな転写調節ネットワークを構築していることが推測された(論文作成中)。また、ウェルシュ菌の転写調節sRNAの1つであるvirXに関しては、本菌の芽胞形成を制御する可能性が考えられたため、芽胞形成可能で、かつウェルシュ菌食中毒の原因となる腸管毒素を産生するSM101株でvirX遺伝子変異株を作製しその芽胞形成性を解析した。その結果、ウェルシュ菌の芽胞形成に対してvirX-sRNAは負に調節を行ない、芽胞形成に重要であるシグマ因子、SigFの発現を転写レベルで抑制することが判明した。さらにvirXは芽胞形成時に産生される腸管毒素の発現も抑制しており、通常の培養においてはウェルシュ菌の芽胞形成を抑制しつつ急激な増殖と毒素産生を促進し、ガス壊疽の形成に寄与するものと考えられた(論文印刷中)。昨年度交付申請書に記載した目的に関してはほぼ達成され、53個のIGR-sRNAの発現パターンはすべて解析が終了し、VirR/VirS制御系によるIGR-sRNA発現調節の全貌も明らかになった。ただ、他の調節系、VR-RNAとvirXによる発現調節は現在解析中であり、次年度に繰り越しとなった。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、VR-RNAとvirX系によるIGR-sRNAの転写に対する影響の解析を続けていくとともに、ウェルシュ菌の病原性に関与する可能性の強いIGR-sRNAをいくつかピックアップして、それらの変異株、過剰発現株等を用いてIGR-sRNAがウェルシュ菌の病原遺伝子発現にどう関与するかを明らかにし、ウェルシュ菌における様々な調節RNAがガス壊疽の病原性発現に必須であることを証明していく。
動物における乾燥耐性・極限環境耐性機構のプロテオーム解析

ヨコヅナクマムシの持つ高い乾燥耐性・極限環境耐性を支えるタンパク質の候補として、加熱しても凝集しないクマムシ固有のタンパク質群を初めて同定しこれらのタンパク質群が乾燥前から大量に発現していることを明らかにした。また、同様の性質を持つタンパク質が乾燥耐性の弱いクマムシにおいても存在することを見出し、その凝集温度と乾燥耐性との間に一部相関関係が見られることを明らかにした。また、放射線耐性に関わるタンパク質の候補として、クマムシのクロマチン分画を分離し、中に含まれるタンパク質群を同定した。乾燥耐性・極限環境耐性を持つクマムシについて、その耐性能力に関与する候補タンパク質を探索した。まず発現プロテオミクス解析を行った結果、乾燥時に再現性良く顕著に発現変動するタンパク質は見いだされず、耐性に関与するタンパク質は乾燥ストレスの有無に関わらず常に発現して準備されている可能性が示唆された。そこで、次に機能プロテオミクスを行った。まず、乾燥時に変性凝集しないタンパク質の候補として、100°Cという変性ストレス条件下で凝集しない抗凝集性タンパク質を検索した。その結果、SDS-PAGE上3本のバンドを候補として見いだし、これらがクマムシ体内で常時大量に発現していることを明らかにした。これらのバンドを質量分析した結果、構造上3つのファミリーに分類される5種の新規タンパク質を同定した。高次構造を予測したところ、これらはいずれも高親水性で決まった構造をとらないタンパク質(intrinsically unstructured proteins)であり、大量に存在することを考えると乾燥時に他のタンパク質などの周囲をフレキシブルに覆うことで変性ストレスからの保護に寄与する可能性が示唆された。一次構造から細胞内局在を予測したところ、ファミリーごとにそれぞれ分泌・細胞質・ミトコンドリアと異なる局在を示すことが示唆され、細胞内の様々な場所で同様の機能を分担している可能性が考えられた。クマムシゲノムに対する相同性検索の結果、3つのファミリーに属する遺伝子(パラログ)は今回同定した5種のタンパク質以外に数多く存在することが分かった。これらクマムシ固有の遺伝子は、クマムシの進化の過程で重複を起こしたと考えられることから、耐性などクマムシ特有の性質に重要な役割を担う可能性がある。本研究では、クマムシの耐性に関与する候補タンパク質を機能プロテオミクスにより同定し、解析を進めている。本年度は、昨年度ヨコヅナクマムシより同定した新規な抗凝集性タンパク質のうち3種について円偏光二色性スペクトル解析により、これらのタンパク質が持つ2次構造の含量を測定した。これらのスペクトルは熱処理によって変化しなかったが、界面活性剤・有機溶媒添加により大きく変化し、構造が変化することが分かった。また、こうした抗凝集性タンパク質を、乾燥耐性能力が弱い、もしくは無い別のクマムシ種から探索した結果、ヨコヅナクマムシと同じ目に属する種については高温における抗凝集性と乾燥耐性との間に相関関係が見られることが分かった。また、クマムシは活動状態においても高い放射線耐性を持つことから、放射線の主要な障害標的であるDNAを保護・修復する能力が高いことが想定された。この能力に関わる候補タンパク質を同定する目的で、クマムシからDNAを含むクロマチン分画を分離し、この分画に選択的なバンドについて質量分析により候補タンパク質群を同定した。これらの候補群から、gfp融合タンパク質として培養細胞に発現させた時にDNAと共局在するタンパク質を1つ見出した。このタンパク質は既知のドメインを持たず、相同な配列を持つ既知タンパク質も見出されなかったことから、クマムシ固有のタンパク質と考えられた。クマムシの放射線耐性に関わる良い候補タンパク質を同定できた可能性がある。
コムギ・エギロプス属における装胞質オルガネラの機能解析

1.コムギとその近縁属の細胞質間には、光合成能力と呼吸特性に関して大幅な遺伝的変異が存在した。核細胞質雑種の最大光合成能力には細胞間で30%以上もの差異があったが、高い光合成能力はこれらの細胞質とパンコムギ核との不親和性を伴い、雑種の成育力はむしろ低下した。呼吸活性のうち、チトクロ-ム鎖の活性、チトクロ-ムCオキシダ-ゼの活性とシアン耐性鎖の活性が細胞質間で有意に異なっていたが、成育力の低下を引き起こす細胞質ではチトクロ-ムCオキシダ-ゼの活性が異常に高かった。2.Agropyron2種の細胞質はパンコムギ雑種に成育力の大幅な低下と雄性不稔をもたらしたが、Agropyron由来のテロ染色体は雑種の成育力と稔性を回復させた。一方、Haynaldia villosaの細胞質はパンコムギ核と親和の関係にあり、雑種は正常であった。Agropyron細胞質とパンコムギ核との不親和性は、雑種のミトコンドリア機能の異常として現れた。3.葉緑体DNAとミトコンドリアDNAの構造解析の結果は、Agropyron2種とHaynaldia villosaの細胞質ゲノムがパンコムギのそれとほぼ同程度の遺伝的距離にあることを示した。Agropyron2種間の遺伝的距離はそれらに比べて近かったが、2種の細胞質ゲノムは互いに異なっていた。4.Agropyron2種とHaynaldia villosaの葉緑体DNAについて物理地図を作成し、パンコムギのそれと比較した。加えて、物理地図上の光合関連遺伝子群をマッピングした。5.雑種の成育力に関与するミトコンドリア遺伝子を探索する目的で現在、核胞質雑種におけるミトコンドリアの転写活性を調査中である。1.コムギ・エギロプス属細胞質の光合成系と呼吸系における遺伝的変異パンコムギの一品種チャイニ-ズスプリング(CS)を核親にコムギ・エギロプス属17種を細胞質親にした核細胞質雑種の光合成活性と呼吸活性を安定同位体^<13>Cを用いた赤外分光光度形により測定した。(1)固体当たりの乾物重と炭素量は細胞質問で有意に異なったが、単位乾物重当りの炭素量には有意差がなかった。(2)単位乾物重・時間当りの新規光合成量は全ての細胞質で核親のCS細胞質より高く、固体当りの乾物重との間に負の相関が認められた(r=-0.58)。(3)呼吸による新規固定炭素の単位乾物重・時間当りの消費量も全ての細胞質でCS細胞質より高く、郷土の雄性不稔を引き起こす4種の細胞質(A,C,Mt^2,M型)で特に高かった。以上の結果は、コムギ・エギロプス属の細胞質間に光合成系と呼吸系に関わる有意な遺伝的変異が存在するとを示す。2.パンコムギ・アグロパイロン核細胞質雑種の光合成と呼吸に及ぼすアグロパイロン由来テロ染色体の効果パンコムギ核とアグロパイロン細胞質を持つ核細胞質雑種は郷土の成育阻害と雄性不稔を示すが。アグロパイロン由来のテロ染色体は雑種の成育阻害を補償し雄性稔性を回復する。光合成と呼吸に及ぼすテロ染色体の効果を調べた。(1)細胞質親由来のテロ染色体は核細胞質雑種の固体当りおよび乾物重当りの光合成量を大幅に増加させた。(2)呼吸による新規固定炭素の乾物重当り消費量はテロ染色体により有意に減少した。(3)テロ染色体は緑葉の呼吸を減少させ、根の呼吸を増加させた。

以上の結果は、細胞質親由来のテロ染色体が雑種の光合成系と呼吸系に見られる核細胞質間の不調和を回復する機能を持つことを示唆する。パンコムギ(Triticum aestivum)3品種を核親とし、その細胞質をTriticum,Aegilops,Agropyron属の19の細胞質で置き替えた核細胞質置換雑種21系統を用いて、光合成能力と呼吸活性・容量を測定し、光合成と呼吸に基ずき細胞質の遺伝的変異を解析した。特に、(Agropyron)ーTriticumaestivum核細胞質置換雑種では、雑種に見られる強度の成育不良と雄性不稔性が細胞質親由来のテロ染色体により補償されるが、ここで見られる特徴的な核細胞質間相互作用を光合成と呼吸に基ずき解析した。I)パンコムギCSを核親としTriticumとAegilops属を細胞質親とした核細胞質雑種17系統の光合成と呼吸1)全ての異種細胞質は核親であるCSに比べて雑種の最大光合成能力を向上させた。特に、一粒系コムギのA型細胞質は雑種の最大光合成能力を30%以上も向上させた。2)雑種の生育量と最大光合成能力の間には有意な負の相関が見いだされた。3)H型のRuBPCase大サブユニットを持つ細胞質はL型サブユニットを持つ細胞質よりも最大光合成能力が有意に低かった。4)雑種の呼吸能力・活性は生育時期や組識により大きく変動したが、チトクロ-ム鎖の容量、チトクロ-ム酸化酵素の活性とシアン耐性鎖の容量には、生育時期と組織を通じて系統間で有意な差が見つかった。5)雑種では、一般にシアン耐性鎖の容量が上昇し、チトクロ-ム鎖の容量とチトクロ-ム酸化酵素の活性が雑種幼植物の根と葉で上昇した。6)特に、雑種の生育を著しく抑制するA型細胞質で上記の傾向が顕著に見られた。II)パンコムギ2品種を核親としAgropyron2種を細胞質親とした核細胞質雑種4系統の光合成と呼吸1)雑種の最大光合成能力は核親品種に比べて有意に低下した。2)雑種の初期光合成産物に依存する呼吸の割合は核親品種に比べて低かった。3)雑種の呼吸容量と活性は生育時期と組織により大きく変動したが、雑種のシアン耐性鎖の容量とチトクロ-ム酸化酵素の活性は、特に根と葉で、核親品種に比べて有意に高かった。4)雑種の示した上記の特徴は、細胞質親由来のテロ染色体により核親レベルに回復した。III)パンコムギ2品種を核親としAgropyron2種を細胞質親とした核細胞質雑種4系統におけるテロ染色体効果1)異種細胞質親由来のテロ染色体を導入した雑種では、雑種の生育不良の回復が見られず、テロ染色体の効果は種特異的であった。2)葉緑体DNAの制限酵素分析によりAgropyron2種は遺伝的に近縁であると結論された。1.Agropyron2種(Ag.glaucumとAg.trichophorum)の細胞質はこれらを持つパンコムギ核細胞質置換雑種の成育力を低下させ雄性不稔をもたらす。一方、雑種の核ゲノムに細胞質親由来のテロ染色体が加わると雑種の成育と雄性稔性は正常に回復する。Agropyron2種のテロ染色体について染色体対合と機能的補償性を調査し、両者が相同であること、および第一同祖群に属することを確認した。2.Haynaldia villosaの細胞質はパンコムギ核と親和の関係にあり、両者が共存した雑種の成育と稔性は正常である。
高速移動する自動運転車の安全性を向上するためのネットワーク制御方式の研究

我が国の超高齢化と労働人口の減少が進む中で、自動車の自動運転技術を実現することは極めて重要である。本研究では、コネクテッドカーが高速道路を80km/h以上で走行する際に大規模計算機基盤との接続が不安定になるという課題に対し、高速移動時の自動運転制御の安定性を向上するためのネットワーク制御方式の研究を行う。携帯電話基地局のエリア切り替え(ハンドオフ)時に通信品質が劣化しやすいため、複数の通信事業者のネットワーク帯域を合成させる工夫と、電波強度や位置情報からハンドオフのタイミングを予測する工夫により、高速移動時の通信遅延時間を200%以上高速化する技術を確立する。
二重標識光顕・電顕法の開発と神経変性病変への応用

免疫標識した同一対象の蛍光像と免疫電顕像を直接比較する新技術:Quantum Dot(QD)はセレン(Se)とカドミウム(Cd)からなるnanocrystalで電子密度が高くhaloをもつ粒子として電顕で確認できる一方、蛍光を発するため通常の蛍光顕微鏡でも局在を確認できる。このQDを免疫標識に用いると病変の蛍光像が観察でき、同一標本の同一部位をそのまま電顕標本として再包埋・薄切すれば、同一病変の免疫電顕像としても直接比較できるという画期的な技法を我々は開発した。しかし、これまで免疫電顕に用いられてきた金コロイド標識に比してQDは電子密度が低く、コントラストに乏しい点が弱点であった。Energy-dispersive Xray analysis (EDX)は電顕超薄切片に電子ビームをあて、対象元素のエネルギー順位に対応したピークに対応する原子を質的に同定できる。我々は免疫標識に用いたQDを標本上でEDX解析し(Am J Pathol 2012; 180:4:1394-7, 2012年日本神経病理学会ポスター賞)、その成分であるSe/Cdを同定する新たな方法を発展させ、その分布を画像化するEDX mappingを世界に先駆けて完成させた(Acta Neuropathol Comm 2014;2:161- 2014年日本神経病理学会ポスター賞)。Grayscaleと相場が決まっている免疫電顕像から標識QDのみをhighlightできるこの手法は、蛍光像と対比することで、光顕レベルから分子レベルまでseamlessに連続したscaleで対象を観察できる画期的な手法となる。ヒト脳ホルマリン固定標本から作製した浮遊切片fluoronanogold粒子で標識し、その蛍光像でとらえた対象をトリミングして、免疫電顕としてもとらえなおして比較する新たな方法を昨年度開発した。本年度は1マウス脳の血管内皮に発現し、血液脳関門の機能に関連するglucosetransporter 1に注目した。glut 1は生理的な機能タンパクで正常構造中に局在する分子で、光顕で同定した血管の三次元構造のどの深さにglut1が位置するかを正確に同定するには光顕と電顕双方の三次元的な比較が必要となる。透過電顕像は切片のXYの解像度は高いが、Z軸方向の解像度についての情報は得られない。今回免疫電顕の連続切片像と同一部位免疫蛍光三次元像を比較し、その内皮細胞内の局在を明確に示すことができた。2Quantum dotはその大きさと形に依存する波長の蛍光を発するnanocrystalで、免疫標識として用いればその蛍光像と免疫電顕像を直接比較できる。異なる種類のQDで異なる抗原を免疫標識できれば二重染色が理論的に成立するが、QDの電子密度は両者の大きさや形を区別できる程には高くない。本年度は免疫標識したQDを電顕切片上で塩化金で増感した。増感により沈着した金は一様に沈着するのではなく、元のQDの形に依存して偏った金結晶を形成することを見出した。これを用いて、視認性の高い免疫電顕二重染色が、光顕と直接比較できる形で実現できた。以上の成果の一部を2019年3月にリスボンで開催されたパーキンソン病・アルツハイマー病国際会議で発表した。QDの塩化金による増感は元のQDの形に依存して異なるパタンを呈するという2018年度の成果を踏まえ、異なる種類のQDやfluoronanogoldを組み合わせ、光顕・電顕像の直接比較が可能な多重染色法を完成する。当初の目的であるアルツハイマー病の神経原線維変化の3リピート(3R)タウ、4リピート(4R)タウの2重染色による両者の関係、glut1に関連する分子とglut1の関係などが当面の対象となるが、応用範囲は広くあらゆる領域で利用可能な新技術となることが期待される。進行性核上性麻痺のタウは4Rのみ、アルツハイマー病のタウは3Rおよび4Rの2種類からなることが知られている。アルツハイマー病の4Rタウは279番目のアスパラギンが脱アミド化されアスパラギン酸に翻訳後不可逆的に修飾をうけることが知られている。この修飾をうけた4Rタウを特異的に検出する抗体分画を得ることに我々は世界で初めて成功し、最近論文発表した。アルツハイマー病脳では経時的にこの脱アミド化がおこると考えられ、それにつれてタウの局在や超微形態がどのように変化するかは神経原線維変化の形成過程の本質に迫る可能性がある。より力価の強い抗体を確保して、本課題で開発中の多重免疫光顕・電顕法に応用する予定である。しかし、これまで免疫電顕にもちいられてきた金コロイド標識に比してQDは電子密度が低く、コントラストに乏しい点が弱点であった。Energy-dispersive X-ray analysis (EDX)は電顕超薄切片に電子ビームをあて、対象元素のエネルギー順位に対応したピークに対応する原子を質的に同定できる。

我々は免疫標識にもちいたQDを標本上でEDX解析し(Am J Pathol 2012; 180:4:1394-7, 2012年日本神経病理学会ポスター賞)、その成分であるSe/Cdを同定する新たな方法を発展させ、その分布を画像化するEDX mappingを世界に先駆けて我々は完成した(Acta Neuropathol Comm 2014;2:161- 2014年日本神経病理学会ポスター賞)。Gray scaleと相場が決まっている免疫電顕像から標識QDのみをhighlightできるこの手法は、蛍光像と対比することで、光顕レベルから分子レベルまでseamlessに連続したscaleで対象を観察できる画期的な手法となる。EDX mappingによるdiaminobenzidine (DAB)+Ni標識をとらえる新技術:現在でもヒト疾患脳の免疫電顕の多くはDAB標識によるものが多いが、免疫標識と背景構造の区別は容易でない。DABにNiを加えることで、標識の感度は上昇する。このNiの分布を電顕標本上でとらえる為に、EDX mappingを行うと、背景構造からDAB標識のみを操作的に抽出できる。この手法を高齢カニクイザル脳のタウ病変に応用し、その超微形態は進行性核上性麻痺に類似することを初めて明らかにした(Acta Neuropathol Comm 2016;4:118-)。簡便で自由度や信頼性も高いこの方法はヒト脳から実験動物まで広汎に応用可能である。二重免疫電顕の試み:大きさの異なるQDは発する蛍光の波長と粒子の大きさが異なり、理論的には光顕、電顕の両者で区別が可能である。さまざまな組み合わせを試みているが、QDの大きさや形の区別は相対的で、差があっても峻別可能な程に明らかでない場合も多い。より差の明らかな、金コロイド標識とQDの二重染色等を現在試行中で、同一電顕標本内での複数のエピトープと超微構造との関係を明らかにする技術を完成させる。免疫標識した同一対象の蛍光像と免疫電顕像を直接比較する新技術:Quantum Dot(QD)はセレン(Se)とカドミウム(Cd)からなるnanocrystalで電子密度が高くhaloをもつ粒子として電顕で確認できる一方、蛍光を発するため通常の蛍光顕微鏡でも局在を確認できる。このQDを免疫標識に用いると病変の蛍光像が観察でき、同一標本の同一部位をそのまま電顕標本として再包埋・薄切すれば、同一病変の免疫電顕像としても直接比較できるという画期的な技法を我々は開発した。しかし、これまで免疫電顕に用いられてきた金コロイド標識に比してQDは電子密度が低く、コントラストに乏しい点が弱点であった。Energy-dispersive X-ray analysis (EDX)は電顕超薄切片に電子ビームをあて、対象元素のエネルギー順位に対応したピークに対応する原子を質的に同定できる。我々は免疫標識に用いたQDを標本上でEDX解析し(Am J Pathol 2012; 180:4:1394-7, 2012年日本神経病理学会ポスター賞)、その成分であるSe/Cdを同定する新たな方法を発展させ、その分布を画像化するEDX mappingを世界に先駆けて完成させた(Acta Neuropathol Comm 2014;2:161- 2014年日本神経病理学会ポスター賞)。
高圧水噴射,ウオータージェット手術装置の開発

本研究の目的は、ウォータージェットを利用した手術法を臨床の場において応用可能にすること、即ち手術装置として不可欠な消毒減菌法に留意し、手術操作性が良く安価で安全性の高いシステムを開発することにある。これらを解決するため、次の項目について設計,試作検討を加えた。1.加圧装置は種々検討の後、従来用いていたプランジャーポンプ方式をやめ、代りに人工心肺などに多く使用されているローラーポンプ方式とした。開発されたローラーポンプのスリーブやローラーは約15kg/【cm^2】の圧に耐え、回転数は毎分60回まで安定に動作した。2.ローラーによって加圧されるチューブは医学的に安全な各種のチューブを検討し、最終的に内外2チューブ方式とし耐圧、耐摩耗性を高めた。3.ハンドピースは、1)始め金属性のノズルを検討したが、これは高価で消毒が難しくさびやすいことから、ノズルとして硬質プラスチック材を選び、多種の径を持つノズルを試作しハンドピース本体にねじこむ方式とした。2)ウォータージェットのスイッチ操作はハンドピース内にてチューブを圧迫するレバー方式とし、簡便で操作性と安全性を向上せしめた。4.手術による感染の危険性を低下させるため、給水バッグ,加圧チューブ,連結チューブ,ハンドピースの全コンポーネントはあらかじめ個別に滅菌し互いに耐圧ルアーコネクターで接続可能として、安全性を高めた。5.このようにして試作された最終モデルのシステムは、連続波、パルス発振レーザー光によりジェット流の性状がチェックされた。操作性、手術能については家兎を用いた動物実験により検討された。その結果、本方式は、切開洗浄能力共に従来のプランジャー方式をしのぎ、ハンドピースのプラスチック化、連結チューブの細径軽量化と相まって非常に使い易いものとなった。そして、本方式のジェット流は脈動流であり、病理組織学的な所見では血管の剥離残存効果も従来の定常流に対し向上した。
形状記憶合金を利用した乗用車

これは形状記憶合金ワイヤの直線に記憶されたものを大小のプーリに架けて、小プーリを真横から加熱したときに生ずる直線への回復力を利用した新しい動力装置である。これは形状記憶合金熱エンジンと称され、原理はすでに一般に既知であるが、本研究のように加熱に高温熱蒸気を利用したものは外にない。蒸気を利用すれば、携帯の加熱装置と組み合わせて車に搭載できるというところが発想の発端である。これまでにSMAC1号として完成させたものはトルクが十分ではなかった。これを改造してワイヤ本数増、機構改良により、成人を乗せられる2号の完成が目的である。この形状記憶合金利用の駆動方式は研究代表者が開発した独自の画期的なもので、すでにTV,新聞でもそれぞれ2度ずつ紹介された。平成18度は前年度が各諸条件下でのワイヤの特性(回転速度、トルクなど)で多くのデータを収集し発表もしたが、さらに改造し、出力アップのためのさまざまな工夫を考案した。例を挙げると、自動可逆回転装置、ワイヤの二重巻き、出力ノズルロでのノズル加熱で蒸気を120°Cにすることによるトルク増加、プーリからのワイヤはずれ防止策、本来、溶接できないNiTiワイヤの効果的な機械的接合法などである。これらのいくつかはさらに検討を加えることにより、特許申請の可能性もあろう。さらに、この原理を利用した動くオブジェを作製した。平成18年度、「うすき竹宵」という大分県臼杵市で11月に行われる観光イベントへ出品演示した。これは竹と明かりがメインテーマで、このオブジェは闇の中で多くのろうそくが華麗に回転、逆回転して幻想的な雰囲気であたりを包み、多くのカメラマンのフラッシュの的となった。研究成果としては3件、雑誌に掲載され、口頭発表は2件である。当然であるが継続していくにつれ新しい知見が得られ、それによる加速が研究の励みとなった。雑誌論文は工業高等専門学校の高専教育を扱った雑誌、「高専教育」29号2006年3月号に"専攻科プロジェクト実験:形状記憶合金を使った動力装置"を発表し、また、日本AEM学会誌13巻3号に2005年9月、"形状記憶合金を使った乗用カー"が掲載された。この分野はこれまで着目されていなかったが形状記憶合金の力で車が動くというユニークさで注目され、ここ数年、発表や掲載の機会が増えた。これらの実績のほかに以前、TVでの取材、NHKとFBSの2件、また地元の大分合同新聞や読売新聞にもそれぞれ取り上げられた。技術教育、ものつくりという高専本来の使命にこれらの研究で貢献できたと自負している。研究内容についてはこれまでにSMAC1号として完成させたものはトルクが十分ではなかった。これを改造してワイヤ本数増、機構改良により、成人を乗せられる2号の完成が目的であった。例を挙げると、自動可逆回転装置、ワイヤの二重巻き、出力ノズル口でのノズル加熱で蒸気を120°Cにすることによるトルク増加、プーリからのワイヤはずれ防止策、本来、溶接できないNiTiワイヤの効果的な機械的接合法などである。
In vitroイメージングを用いた吸入麻酔薬セボフルランの標的分子の探索

麻酔薬による時計遺伝子Per2発現抑制を麻酔効果の指標として、吸入麻酔薬の作用メカニズムの解明を目的としている。1)発光タンパク質ルシフェラーゼを発現するトランスジェニックラットから視交叉上核スライス培養を作成し、sevoflurane投与下でルシフェラーゼ発光のイメージングを行い、領域による応答性の差異、時刻による応答性の差異を検討した。更に薬理学的な実験から麻酔薬への応答にはGABA受容体の活性が必要であることを明らかにした。2)麻酔により誘起される生化学的イベントの詳細な解析を進めるため、株細胞GT1-7を用いた麻酔応答系を確立した。本プロジェクトは麻酔薬による時計遺伝子Per2発現抑制を麻酔効果の指標として、吸入麻酔薬の作用メカニズムの解明を最終的な目標としている。(1)本研究では、Per2プロモーター制御下で発光タンパク質ルシフェラーゼを発現するラットから視交叉上核(Suprachiasmatic nucleus: SCN)スライス培養を作成し、吸入麻酔薬sevofluraneをスライス培養に投与する中で、発光リズムのリアルタイムイメージングを可能とする測定システムの構築に成功した。これを用いて、SCNが麻酔薬に応答して概日リズムをphase-shiftさせる条件の検討を進め、薬理学的な実験により、sevofluraneによるSCNのphase-shiftにはGABA受容体の活性が必要であることを明らかにしつつある。(2)我々の研究グループは既にsevofluraneによって、SCNにおいてPer2転写が抑制される際に生じるエピジェネティカルなメカニズムを解明してきた。しかし、さらに麻酔により誘起される生化学的イベントの詳細な解析を進めるためには、SCNは領域が小さく、大量に集めて分析するには不向きであると考えた。麻酔薬で誘起される特定タンパクのリン酸化状態の変化、セカンドメッセンジャーの増減などの解析には、より均一で大量に準備できる株細胞系の確立が必要である。そこで本研究では、上記の条件を満たす株細胞の探索を試み、視床下部由来の株細胞GT1-7細胞ではPer2プロモーター制御下で発光が麻酔により可逆的に抑制されるころを見出した。つまりGT1-7細胞は“麻酔に応答する株細胞"であり、本研究は株細胞を用いた麻酔メカニズム解析実験系を確立しつつあることになる。本プロジェクトは麻酔薬による時計遺伝子Per2発現抑制を麻酔効果の指標として、吸入麻酔薬の作用メカニズムの解析を最終的な目標としている。1)Per2プロモーター制御下で発光タンパク質ルシフェラーゼを発現するラットから視交叉上核スライス培養を作成し、吸入麻酔薬sevofluraneをスライス培養に投与する中で、発光リズムのリアルタイムイメージングを可能とする測定システムの構築に成功し、これを用いて麻酔への応答の解析を試みた。2)SCNは領域が小さく多種類の細胞を含むため、麻酔薬で誘起される特定タンパクのリン酸化状態の変化、セカンドメッセンジャーの増減などの解析には、より均一で大量に準備できる株細胞系の確立が必要であると考えた。そこで、Per2プロモーター制御下でルシフェラーゼ発光が概日リズムを示し、かつ麻酔により可逆的に抑制される株細胞の探索を試みた。結果として1)SCN切片培養、株細胞ともに、安定した培養システム、ルシフェラーゼ発光リズムの検出・評価法が確立した。麻酔効果の指標としてPer2発現抑制を観察した結果、SCNに関してはSCN内のすべての領域で麻酔薬に応答すること、さらに麻酔薬は概日リズムに対し時刻に依存したPhase-shiftを誘導すること、阻害剤を用いた実験より、麻酔薬へのSCNの応答にはGABA受容体が必要であることが明らかとなった。以上の結果より麻酔薬は細胞膜上のGABA受容体の活性を介して、何らかの細胞内情報伝達系に変化を与え、それが転写因子CLOCKの活性低下を引き起こすと推測できる。2)株細胞では視床下部由来のGT1-7が麻酔薬に応答可能な細胞であることを明らかにした。GT1-7細胞は血清飢餓により晨鶏細胞に分化させた条件でのみ麻酔に応答し、血清培地中では麻酔への応答は認められなかった。これはGT1-7細胞が神経細胞の性質を示す条件下でのみ麻酔に応答するための装置を発現することを示唆している。麻酔薬によるPer2抑制を麻酔効果の指標として、SCN、GT1-7が麻酔薬に応答可能な細胞であることが明らかとなった。これは麻酔が細胞へ及ぼす影響を検出・解析する有用な系を2つ確立したことを意味する。上記結論に到達する過程で以下の結果を得てきた。1SCN切片、GT1-7細胞から麻酔薬によるPer2プロモーター活性の影響をモニターするシステムをそれぞれ開発した(GT1-7用のシステムは現在、大学から特許出願中)。2SCN切片内においては性質の異なる神経細胞が偏在することが知られているが、麻酔薬への応答性に差はなかった。つまりSCN内の全ての細胞が麻酔薬に応答すると考えられる。3麻酔薬はSCNの概日リズムに対して、時刻依存したphase-shiftを誘起した。

この結果は、麻酔薬は光刺激、覚せい剤等の薬物で報告されているのと同様にSCNの概日時計のモジュレーターとして働くことを示唆する。1, 2, 3により、SCNを用いて麻酔薬の応答を解析する際の条件が整ったと判断することが出来る。4阻害剤を用いた薬理学的実験により、麻酔薬へのSCNの応答には、GABA受容体が必要であることが明らかになった。現在までに得られた結果から、麻酔薬は細胞膜上のGABA受容体の活性を介して、何らかの細胞内情報伝達系に変更を与え、その変更が転写因子CLOCKの活性低下に反映されると推測される。今後は細胞内情報伝達系への麻酔薬の影響に解析を進めていきたいと考えている。この研究には、今回見出したGT1-7の適用が期待される。麻酔科学(1) SCN, GT1-7がsevofluraneに応答することが明らかとなったが、他の吸入麻酔薬、静脈麻酔薬に関しての応答性を検討する必要性がある。(2)我々は、麻酔薬により転写因子CLOCKの活性が低下することを既に報告しているが、麻酔薬により誘起されるCLCOK活性に影響する細胞内情報伝達系については解明が必要である。2-1細胞内カルシウムは神経細胞の活性をモニターするうえで有用な指標である。麻酔薬に応じた細胞内カルシウムの動態を解析するために、タンパク質性カルシウムセンサーGCaMPを安定発現するGT1-7細胞の作製と、SCN切片にGCaMP発現ベクターを導入する方法の開発を進める。2-2均一な株細胞はアレイを用いた網羅解析に適します。GT1-7細胞を用いて、細胞内情報伝達にかかわるリン酸化酵素、リン酸化タンパク質に対する抗体アレイを行い、麻酔薬により誘起されるリン酸化カスケードのスクリーニングを試みる。7080年代のがん、細胞周期の基礎研究、90年代の概日リズムの研究はいずれも均一な株細胞を駆使することで大きな進展を示した。“麻酔に応答する株細胞"を見出したことは、今後の麻酔メカニズムの研究を進める上で極めて有効なモデル系の確立であると確信する。
子宮内幹細胞移植を用いたウールリッヒ型筋ジストロフィーの胎児治療法の開発

本研究の目的は、ウールリッヒ型筋ジストロフィー(UCMD)モデルマウスへのヒトiPS由来間葉系間質細胞(iMSCs)移植治療を行い、その全身性治療効果および作用機序を検証することである。UCMDは、6型コラーゲン(COL6)関連筋疾患の最重症型であり、骨格筋において筋再生を制御するCOL6が欠損することが原因で発症する。iMSCがCOL6を細胞外に分泌することから、この実験系ではドナーiMSCsの移植後の動態を組織内におけるCOL6の発現によって追跡できる。先行研究では、骨形成不全症など一部の遺伝性疾患に対する胎児治療としての子宮内間葉系幹細胞移植の治療効果が示されてきたが、ドナー細胞の長期的な組織への生着が十分に示されずその作用機序が明らかにされてこなかった。今研究において、移植後のMSCの動態およびその作用機序を明らかにすることができれば、胎児期および新生児期の細胞移植治療の有効性を支持する根拠となるとともに、筋疾患への胎児治療への道筋をつけることができる。昨年度までに、我々は新生児期に腹腔内投与を行ったiMSCsが、大腿四頭筋などの骨格筋内へ移動し局所にてCOL6を発現すること、および移植治療により骨格筋組織において筋径が太くなり筋再生がより活性化する像をとらえることができた。また長期的効果として、iMSCsの投与を4週ごとにくりかえすとこれらのCOL6の発現が骨格筋組織内で持続的に観察されること、20週時の運動機能試験では移植治療群において一部に運動機能の改善を認めることを明らかにした。腹腔内に投与したMSCが骨格筋に遊走し、骨格筋組織内の局所でCOL6の発現を確認できたことは、MSCが血流を介して組織間を移動したことを意味し(実際に新生児期の静脈投与でも同様の結果を確認した)移植後のiMSCの動態の一部が明らかになった。(成果1)さらに、移植したドナー細胞自体は4週以内にそのほとんどが骨格筋組織からいなくなることを確認し、移植細胞の生着の確認だけでは移植治療効果の作用機序をあきらかにできないことを確信した。そして移植細胞から外分泌される成分からアプローチし作用機序を明らかにしていくという今後の研究方針をもつことができた。(成果2)また腹腔内移植の骨格筋における治療効果についても、骨格筋の筋線維径の増大、(UCMDモデルマウスでは週齢が進むと筋線維数が減少するが)筋線維数減少を軽減するなどといった組織学的改善、運動機能の改善などその概ねを示すことができた。(成果3)今年度は主にiMSC移植治療の作用機序のさらなる解明をめざす。具体的には骨格筋の筋再生の促進や筋線維のアポトーシスを抑制などを考えているが、骨格筋組織に対するiMSCs移植の作用点について明らかにする。さらに、UCMDモデルマウスにおいて治療効果がCOL6の補充により実現されたのかどうかについて、COL6を発現するこれまでの実験に用いてきたiMSCsとCOL6を発現しないCOL6a1KO-iMSC細胞のそれぞれの移植実験を行い、治療効果を比較検討する。UCMDモデルマウスへのiMSCs投与による呼吸筋への治療効果判定として、呼吸機能検査を外部検査機関に受託する形で計画している。さらに、iMSCsがヒト生体検体から分離培養したその他のMSCs(今回は羊水幹細胞)にまさる有用性を有するかどうか、骨格筋組織への遊走能、局所でのCOL6発現量、幹細胞としての増殖能などについて比較検討する。羊水幹細胞との比較実験は、予定より実験がおくれているが、進捗状況としては、ヒト検体の研究使用について必要な倫理委員会での審査が平成31年度の3月に終了したところである。

腹腔内に投与したMSCが骨格筋に遊走し、骨格筋組織内の局所でCOL6の発現を確認できたことは、MSCが血流を介して組織間を移動したことを意味し(実際に新生児期の静脈投与でも同様の結果を確認した)移植後のiMSCの動態の一部が明らかになった。(成果1)さらに、移植したドナー細胞自体は4週以内にそのほとんどが骨格筋組織からいなくなることを確認し、移植細胞の生着の確認だけでは移植治療効果の作用機序をあきらかにできないことを確信した。そして移植細胞から外分泌される成分からアプローチし作用機序を明らかにしていくという今後の研究方針をもつことができた。(成果2)また腹腔内移植の骨格筋における治療効果についても、骨格筋の筋線維径の増大、(UCMDモデルマウスでは週齢が進むと筋線維数が減少するが)筋線維数減少を軽減するなどといった組織学的改善、運動機能の改善などその概ねを示すことができた。(成果3)今年度は主にiMSC移植治療の作用機序のさらなる解明をめざす。具体的には骨格筋の筋再生の促進や筋線維のアポトーシスを抑制などを考えているが、骨格筋組織に対するiMSCs移植の作用点について明らかにする。さらに、UCMDモデルマウスにおいて治療効果がCOL6の補充により実現されたのかどうかについて、COL6を発現するこれまでの実験に用いてきたiMSCsとCOL6を発現しないCOL6a1KO-iMSC細胞のそれぞれの移植実験を行い、治療効果を比較検討する。UCMDモデルマウスへのiMSCs投与による呼吸筋への治療効果判定として、呼吸機能検査を外部検査機関に受託する形で計画している。さらに、iMSCsがヒト生体検体から分離培養したその他のMSCs(今回は羊水幹細胞)にまさる有用性を有するかどうか、骨格筋組織への遊走能、局所でのCOL6発現量、幹細胞としての増殖能などについて比較検討する。羊水幹細胞との比較実験は、予定より実験がおくれているが、進捗状況としては、ヒト検体の研究使用について必要な倫理委員会での審査が平成31年度の3月に終了したところである。
運動による骨格筋ミトコンドリア増加機序における転写補助因子Lipin-1の役割

身体運動、特に持久的な運動を行うことで、骨格筋のミトコンドリアが増加することが古くから知られていたが、その分子メカニズムは不明なままであった。先行研究により、肝臓におけるミトコンドリア増加機序に新規転写補助因子Lipin-1が関与していることが報告されている。そこで、本研究では、運動による骨格筋ミトコンドリア増加機序におけるLipin-1の役割について検討した。まず、運動が骨格筋のLipin-1発現量に及ぼす影響を検討するために、36時間の水泳運動を行ったラットから上腕三頭筋を摘出し、Lipin-1のmRNA発現量をRT-PCR法にて分析した。その結果、一過性の運動により骨格筋のLipin-1 mRNA発現量が約2倍増加することが明らかとなった。運動で増加したLipin-1によって骨格筋のミトコンドリア新生が引き起こされるか否かを検討するために、ラット由来の骨格筋培養細胞(L6 myotube)にHuma Lipin-1遺伝子を導入し、過剰発現させた。その結果、Lipin-1を過剰発現させた細胞では、ミトコンドリアの代表的な酵素であるALASやmCPT-1のmRNAの有意な増加が認められた。次に、運動によるLipin-1発現増加に関与する細胞内情報伝達経路を検討するために、ラットにβ2アドレナリン受容体の活性化剤(Clenbuterol)およびAMP依存性プロテインキナーゼ(AMPK)の活性化剤(AICAR)を投与した。その結果、それぞれの活性化剤の投与6時間後において、上腕三頭筋のLipin-1 mRNA発現量の増加が認められた。以上の結果から、運動による骨格筋ミトコンドリアの増加機序に、β2アドレナリン受容体とAMPK活性化に伴う転写補助因子Lipin-1の発現量の増加が関与している可能性が示唆された。
超広帯域可変波長レ-ザ-分光光源の開発

1.研究の目的本研究の目的は、高出力短パルス色素レ-ザ-を励起源とした水素ラマンレ-ザ-の高次のスト-クス・反スト-クス線を利用して、真空紫外域から近赤外域まで広い波長域にわたって連続的に可変波長のコヒ-レント光源を試作、開発しようとするものである。この方法では従来に比べ色素レ-ザ-の可変波長域を広くとらなくとも全体の可変波長域は広くとれる点に特長がある。2.研究の成果(1)ナノ秒域のエキシマ-レ-ザ-励起色素レ-ザ-光(出力2.5MW、パルス幅2ns)を、高圧水素ガスを用いたラマンレ-ザ-の実験を行い、波長209nmより長い波長を連続的にカバ-する可変波長光源を開発した。その際6次までの反スト-クス光を観測することができた。(2)市販のエキシマ-レ-ザ-励起色素レ-ザ-(出力1MW、パルス幅25ns)を用いて同様の実験を行ない、波長域を175nmの真空紫外部(第7次反スト-クス光)まで拡張することができた。(3)さらに可変波長域を拡大するためパルス幅30psの高出力KrFレ-ザ-により、広い波長域でのラマン変換の実験を行ない、ピコ秒域で128nmまでの反スト-クス光を得た。(4)上述の実験を色素レ-ザ-で実験するため、パルス幅50ps。出力100MWのシステムを開発した。今後はこのシステムの出力をさらに一桁増大させるとともに、それを用いたラマン変換の実験を行なってゆくとともに、四波混合法と組合せてさらに極端紫外域へも拡張してゆく予定である。1.研究の目的本研究の目的は、高出力短パルス色素レーザーを励起源とした水素ラマンレーザーの高次のストークス・反ストークス線を利用して、真空紫外域から近赤外域まで広い波長域にわたって連続的に可変波長のコヒーレント光源を試作・開発しようとするものである。この方法では従来に比べ色素レーザーの可変波長域を広くとらなくとも、全体の可変波長域は広くとれる点に特徴がある。2.研究成果本研究において技術的に最も困難が予想されるポイントは、励起用色素レーザーのピークパワーをパルス幅の短縮によってできるだけ高めることにある。そこで本年度はパルス幅3050psの短パルスレーザーシステムを試作し、30MW程度の出力を得た。さらに増幅段を増加することによって、最終的には1GW近くの出力を得る予定であるが、そのための励起用レーザーとして、大口径のX線予備電離XeClエキシマーレーザーを試作した。一方、高次のストークス・反ストークスラマンレーザーの予備的な実験は、これまでにもナノ秒XeClレーザーを使って行ない、広い波長域で効率の良い変換ができることを立証してきた。しかし、短パルス光を用いた場合に生じる「過渡現象」について検討するため本年度は、パルス幅30psの高出力KrFレーザーを用いた誘導ラマン散乱の実験を行なった。その結果、過渡現象によるものと思われる若干のパルス幅と効率の減少が見られたものの、最短128nmに至る広い波長域で高次反ストークス光を得ることができた。次年度は色素レーザーの増幅段を増加して、その出力を上げた後、可変波長での高次誘導ラマンの実験を行ない、当初の目標を達成させたい。1.研究の目的本研究の目的は、高出力短パルス色素レ-ザ-を励起源とした水素ラマンレ-ザ-の高次のスト-クス・反スト-クス線を利用して、真空紫外域から近赤外域まで広い波長域にわたって連続的に可変波長のコヒ-レント光源を試作・開発しようとするものである。この方法では従来に比べ色素レ-ザ-の可変

波長域を広くとらなくとも全体の可変波長域は広くとれる点に特長がある。2.研究の成果(1)ナノ秒域のエキシマ-レ-ザ-励起色素レ-ザ-光(出力2.5MW,パルス幅2ns)を、高圧水素ガスを用いたラマンレ-ザ-の実験を行ない、波長209nmより長い波長を連続的にカバ-する可変波長光源を開発した。その際6次までの反スト-クス光を観測することができた。(2)市販のエキシマ-レ-ザ-励起色素レ-ザ-(出力1MW,パルス幅25ns)を用いて同様の実験を行ない、波長域を175nmの真空紫外部(第7次反スト-クス光)まで拡張することができた。(3)さらに可変波長域を拡大するためパルス幅30psの高出力KrFレ-ザ-により、広い波長域でのラマン変換の実験を行ない、ピコ秒域で128nmまでの反スト-クス光を得た。(4)上述の実験を色素レ-ザ-で実験するめため、パルス幅50ps、出力100mwのシステムを開発した。今後はこのシステムの出力をさらに一桁増大させるとともに、それを用いたラマン変換の実験を行なってゆくとともに、四波混合法と組合せてさらに極端紫外域へも拡張してゆく予定である。
単一分子トランジスタにおける伝導ダイナミクスと高機能デバイスへの展開

本研究期間では、(1)単一分子トランジスタの作製手法の高効率化と(2)単一ボリフィリン分子の回転現象の観測に成功した。(1)に関して、単一分子トランジスタの作製歩留まりは数%と非常に低く、様々な分子に関して統計的にデータをとる場合には、大量の実験を行わなければならないという問題点がある。その問題点に関して、「FPGAを用いた高速制御エレクトロマイグレーションシステム」をFPGAを用いて構築し、単一分子トランジスタ作製プロセスを超効率化することに成功した。また、実験の副産物として、エレクトロマイグレーションに緩和過程が存在することも突き止めた。これらのことに関して、応用物理学会で発表をおこなった。(2)で構築したシステムを用いて、当初の目的である遷移金属錯体分子の物性解明を試みる予定であったが、性質が複雑な遷移金属錯体分子に取り掛かる前に、遷移金属のホスト分子であるポリフィリン分子に関してその物性を明らかにした方がよいと考え、その物性解明を行った。その結果、STMで観測されている回転現象をトランジスタ構造で観測することに成功した。その特性評価から、ポリフィリン分子の持つ異方性分子軌道が微分負性抵抗を生じさせていること、また、金属-分子界面が分子内部の電子構造を決めていることが新たな知見として得られた。さらに、この回転現象が、電子の非弾性課程とジュール熱で生じていることも分かった。この回転現象をより制御よくすることにより、分子メモリーとしての応用が開けるということが示唆される。この結果に関して、国内学会と国際学会にて発表を行った。当初の目的である遷移金属錯体分子の物性解明は本研究期間で行うことはできなかったが、(1)のシステムと(2)で得られた遷移金属錯体分子のホスト分子の物性の知識を用いることにより、今後遷移金属錯体分子の物性解明も容易に行われるものと考えられる。