hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
神経軸索におけるABCA1の役割と活性制御機構の解明

本研究では、マウス神経芽細胞種、初代培養ラット神経細胞を用いて、神経突起伸長及び退縮と膜トランスポーターABCA1の発現との関係について検討した。RNAiによりABCA1発現を抑制したラット脊髄後根神経節細胞において、神経突起伸長はコントロールと差は無かった。しかし、突起切断後の細胞において、ABCA1発現抑制細胞で回復が遅れることが明らかになった。このことは神経細胞の修復反応に、ABCA1が重要な役割を果たしていることを示唆している。本研究では、膜トランスポーターABCA1の神経細胞の軸索または成長円錐近辺における役割と活性制御機構の解明を目的とする。本年度は、マウス神経芽細胞種Neuro-2a、ラット初代培養胎児脳海馬ニューロン細胞、及び、脊髄後根神経節(dorsal root ganelion (DRG))ニューロン細胞を用いて、実験系の構築とABCA1タンパク質の発現について解析した。Neuro-2a細胞において、核内受容体LXR/RXRのリガンドで処理したところ、極めて高レベルのABCA1発現が確認された。また、Neuro-2aはcAMPで刺激することにより、神経突起を形成した。さらに、リゾフォスファチジン酸(LPA)で処理することによって、数分以内に突起の退縮とともに、細胞体の収縮が観察された。このことにより、Neuro-2aが突起伸長・退縮を観察する上で、良いモデルとなる可能性が示唆された。さらに、免疫沈降したABCA1を解析したところ、グアニンヌクレオチド交換因子PDZ-RhoGEFの結合が明らかとなり、ABCA1がPDZ-RhoGEFのエフェクターであるRhoAによって制御されている可能性を示唆した。脳海馬細胞、及びDRG細胞を培養し、ABCA1のモノクローナル抗体によって細胞染色したが、アストロサイトやグリア細胞のみが染色され、神経細胞はほとんど染まらなかった。このことにより、定常状態において、初代培養ニューロンにおけるABCA1の発現レベルは低いことが予想された。本年度は、ラット脊髄後根神経節(dorsalroot ganglion (DRG))細胞を用いて、神経突起伸長とABCA1の発現との関係について検討した。DRG細胞のABCA1発現量をコントロールする目的で、ABCA1に対するsiRNAを各種トランスフェクション試薬で細胞に導入し、ABCA1タンパク質発現量を調べをところ、Lipofectamine RNAiMAXを使用した際に、良好なノックダウン効率が得られることが明らかになった。DRGの神経突起伸長は、細胞を固定した後、神経細胞のマーカーてある抗β3-tubulin抗体と二次抗体Alexa555を用いて細胞を染色し、観察した。ABCA1をノックダウンした細胞とコントロールの細胞において、細胞を撒種してから6日後及び9日後の突起伸長を比較したところ、ほとんど差は認められなかった。このことから、突起伸長反応にABCA1は関与しないことが示唆された。次に、DRGを突起伸長させた後、メスにより物理的に神経突起を切断して、さらに4時間後から3日後の細胞の状態を観察した。切断により神経突起の退縮から、一部修復が起こると考えられ、ABCA1をノックダウンしたDRGにおいては、コントロールと比較して、修復が遅れているか、ほとんど起きていないことが分かった。この結果は、神経の修復にABCA1が重要な役割を果たしている可能性を示唆している。
直下地震に対する部材、架構の耐震性能向上に関する研究

研究成果の概要は、以下の通りである。・直下地震に代表される激地震動に対して,構造物の地震応答の低減,損傷制御を目標とした設計,改修の手法を研究,検討し,有効かつ具体的な成果を提示した。また,中間層免震構造の地震応答の内容を構造的,理論的に分析し,その設計に当たっての指針,基本事項を明らかにした。・木質パネル構造の実大建物の水平耐力・剛性の挙動を、建物サイズの有開口耐力壁の水平耐力・剛性を基に精度良く推定することが可能であることを実験及びFEM解析により明らかにした。木質構造耐力壁の水平剛性・耐力が変形速度(荷重速度)により変動することを速度を変動させた水平加力実験により明らかにし、木質建物の地震応答性状に変形速度が深く影響を及ぼすことが明らかとなった。・静的・動的加力を受ける鉄筋コンクリート部材のせん断強度に関する一連の実験及びFEM解析を行った。せん断強度の推定には、塑性理論を適用し検討した。検討内容は、はり・柱部材の動的加力の影響、柱部材の軸応力度(圧縮から引張)の影響、立体耐震壁の3軸加力の影響である。これらの問題に対し、塑性式を用いた推定法を提案した。・非構造部材としてALCパネルを取り上げ,この種の帳壁の大地震時に対する面内変形追従性について実験・検討を行った。その結果,変形追従性に及ぼす構法,開口部の影響等を明らかにした。また,この種の部材に張り付けられたタイルの剥落の危険性について部材実験ならびに引き抜き試験等から検討し,適切な施工方法の提案を試みた。・中低層既存鉄骨コンクリート造建物を鋼板内蔵型部材で耐震補強する一連の実験を行い、既存建物を面的に補強する基礎的及び応用的研究で、強度及び靭性の改善が可能であることを示した。又、線的に補強した斜材をアンボンド化し制振構造とした部材が既存建物の形状の相違から生ずる靭性に与える影響を明らかにした。・耐震性に優れた新しい鉄筋コンクリート構造の開発の試みとして、梁成とほとんど同じ長さの鋼製のスリーブを用いてはり端部の主筋の付着を切った新しい鉄筋コンクリート梁の開発を行った。試験体は、従来の梁では困難な梁の端部に開口を設けたものを主とした。本構造による梁は大変形にいたってもほとんど損傷が生じず極めて安定したエネルギー吸収性能を示した。本年度の研究実績の概要は、以下の通りである。(1)鉄骨のパネル補強工法による補強架構の静的学実験を行い、吸収エネルギー、履歴減衰、損傷変位等に関するデータを集積、検討した。また、各種補強材を付加したRC架構の地震応答結果を目標とする損傷(塑性変位)以内にコントロールする応答解析、設計手法の開発で有益な成果に至りつつある。(2)衝撃加力(100kine程度)による逆対称曲げせん断加力実験から損傷したPCはり部材について、ひび割れをエポキシ樹脂およびせん断補強としてカーボンシート巻き付けによる補強を行い、再度衝撃加力を行いその補強効果を検討した。

その結果、破壊性状において補強後は、弾性剛性の回復には至らなかったが、耐力、靭性ともに優れた挙動を示した。(3)平成11年度に行った実大実験(2階建4間X6間)の各壁面と同型の開口を有する耐力壁単体(4間3間で実大建物壁面と同じ開口配置を有する)について水平加力実験を実施した。この結果をもとに実大建物の挙動をより深く解明できるものと考えている。(4)木質耐力壁の剛性が変形速度に依存することについての実験的研究を行った。その結果、ある特定の速度での剛性の増大が顕著であることが判明した。(5)プレキャストカーテンウォールを中心に,非構造部材(壁)の種類,施工方法・実績,既往設計法などについて文献調査を行った。これらから,非構造部材の耐震性に関し,問題点の抽出・検討を行った。また,プレキャストカーテンウォールの主要材料である各種軽量コンクリートを用いた壁部材を作製し,せん断加力実験を行った。これにより,コンクリートの単位容積質量と強度および破壊特性について検討した。本年度の研究実績の概要は、以下の通りである。1.中間層免震構造の耐震性能評価:既に実施されている中間層免震構造について、その振動性状、地震応答特性を総合的に検討し、耐震性能を免震位置、ダンパー量その他をパラメータとして評価し、基礎免震構造と同様に近い十分な性能期待できることを立証した。2.制震プレース・ダンパーによる建築物の耐震性能の向上化:激地震動に対する耐震補強設計において、柱・はりからなる主体構造・架構の損傷を軽減し、地震後の機能保持、改修をも考慮して、制震部材、ダンパーによる耐震性能の向上化の手法を、エネルギー理論をもとに追求、検討した。特に、動力学的性状、地震応答特性の検討を踏まえて制震部材、ダンパーの最適な量、配置について有用な知見を得た。3.木質構造の有開口耐力壁の耐力・変形性状:各種の開口を有する耐力壁を作製し、水平せん断試験を実施した。7m強の壁長さを有する壁体であったため、開口の種類を多く採れ有用なデータとなった。過去の研究でも整合性が認められた。開口係数に対しての剛性比は、これまでの結果を外挿した線に極めて良く一致することが認められ、この種の耐力壁の設計に開口係数を有効に用いられることを示した。4.木質系耐力壁のせん断性状に及ぼす荷重速度の影響:本年度の研究では、木質接着パネル構法耐力壁及び枠組壁工法高倍率耐力壁について実験を行った。枠組壁工法耐力壁については荷重速度の影響が認められ、静的な剛性に対して1.01.7倍の剛性の向上が、最大荷重では1.3倍の増大が認められた。接着パネルでは影響は認められなかった。5.非構造ALCパネル部材の静的・動的実験:実験は、ALCパネルを鉄骨骨組みに取り付ける構法の違いによる影響を中心に、加力速度による影響、骨組みの変形角に対する変形追従性、ひび割れ等の破壊性状の検討を行い、ロッキング構法の採用によって激震動時にも安全性が確保されることを確認した。6.鉄筋コンクリート構造の耐震性向上に供するオイルダンパーの冶具の開発:鉄筋コンクリート造部材に取り付けるための本治具は、スチールプレートとジベルからなり、施工が容易でかつ経済性においても優れている.構造性能に関する本治具の有効性については有限要素法などの解析の他、実際にこの治具を設けた鉄筋コンクリート造の柱及び高層ラーメンを想定したフレームの構造実験により確認した.7.RC柱部材の静的加力実験:軸力(圧縮-引張)
変形性膝関節症患者の関節運動連動性を向上させる理学療法プログラムの開発

本年度はこれまで測定した変形性膝関節症患者の動作計測データを元に力学的な解析を行い、有効なトレーニング法の検討を行った。運動と力発揮の力学的関係性を明らかにできる筋骨格シミュレーションモデルを用いて歩行速度を制限する要素を検討した結果、大腿四頭筋の筋力不足を大殿筋によって代償し、膝を伸展させる患者では歩行速度が維持されていることがわかった。また、立脚後期には下肢を後方に残すことができる患者ほど足部での蹴り出し効率が高まることも明らかとなった。これまでに得られた力学的知見は理学療法に大きな意味を持っている。膝関節に疾患を有する患者であっても、他の関節(股関節や足関節)を鍛えることでパフォーマンスが向上することが明確となった。これまで慣習的に行われていた患部外トレーニングは疾患を有する関節の機能を補うのに有効であるといった理学療法治療における科学的根拠を証明することができた。これまでに得られた知見を元に股関節筋・足関節筋を中心とした患部外の筋力トレーニング効果を検証中である。変形性膝関節症患者を対象として、股関節と足関節の筋力トレーニング群と従来の膝関節筋中心の筋力トレーニング群に被験者をランダムに割り付け、2ヶ月間のトレーニングを実施している最中である。今後はデータ数が集まり次第、公表を予定している。当該年度の研究では変形性膝関節症患者の関節運動連動性を調べることである。つまり、どの程度「固く」「こわばった」動きをしているかを評価する。さらに、関節運動連動性に関与する身体パラメータを特定することで新たな治療法を模索することが当該年度の研究目的であった。これまでに、関西医科大学附属病院にて変形性膝関節症患者および健常高齢者それぞれ約30名に協力をいただき、歩行時の運動力学データを取得している。被験者数は研究当初に予定していた数まで達することができた。膝の機能評価や筋力測定、関節可動域測定なども同様に測定しており、群間で比較するデータはそろっている。関節運動連動性の解析の大部分は終わっており、これまでのデータからは変形性膝関節症患者は同年代の健常高齢者と比べて、膝関節と股関節の連動性が低下していることが分かってきている。また、膝関節と股関節の関節運動連動性が低下している方は膝関節の痛みが強く、変形性膝関節症がより重度であることに加えて、股関節筋の筋力が低下していることが分かってきた。股関節筋の筋力が低下している患者ほど連動性が低下する。つまり、変形性膝関節症であっても股関節をトレーニングする必要性があるとわかってきた。また、筋骨格シミュレーション解析を用いて歩行データの解析を始めており、現在まで数例ではあるがデータ解析が終了している。このシミュレーション解析によって、歩行中のエネルギーの流れや関節運動連動性を低下させる筋を特定できると考えている。変形性膝関節症患者および健常高齢者の動作解析を行うことができた。予定した対象者数のデータが取れており研究は計画通りに進んでいる。当該年度(2年目)の研究は変形性膝関節症患者の関節運動を阻害する要因を検討することにある。このために、患者を対象として運動の力学測定を行い、シミュレーション解析によって動作を阻害する筋や運動を特定することが必要であった。この目標を達成するために、関西医科大学付属病院で40名近くの変形性膝関節症患者に協力をいただき、動作解析を実施した。被験者数は当初の目標を上回っており、十分な解析データは得られている。また、患者の身体特性データを元にして、筋骨格シミュレーション解析モデルを新たに構築することも実現している。これらによって筋単位で歩行に生じるエネルギーの流れ(エネルギーフロー)を解析することができており、運動を阻害する筋を特定するための検証を行っているところである。これまでの解析から、股関節の内転筋や足関節のヒラメ筋などが過剰または異なるタイミングで働くことにより、歩行中のエネルギー伝達を阻害することが分かってきた。十分なデータ計測ができている。また、解析も順調に進んでおり、結果の一部はすでに国際論文に掲載されている本年度はこれまで測定した変形性膝関節症患者の動作計測データを元に力学的な解析を行い、有効なトレーニング法の検討を行った。今後は筋骨格シミュレーション解析を行い、歩行中のエネルギー移動を検討する。また問題となる筋を特定する。同時に運動介入施設を募り、予備的なトレーニング効果の検証実験を進めていく。

今後は変形性膝関節症患者を対象とした運動トレーニング効果の検証を行う。研究の協力施設が必要であるが、所属先変更のため研究計画立案時に予定していた研究施設では困難となっている。このため、研究協力施設を新たに募る予定である。ほぼ予定通り予算を消化した。本年度の使用は予定通り行われていた。次年度への繰り越しはわずかである。次年度に書面および口頭発表で予算の使用を検討している。残額は少ないため予定変更はない
知覚されない盲点への光照射とメラノプシンの働きが視知覚に及ぼす影響の検討

メラノプシンはヒトの網膜にあるipRGC細胞に発現する視物質である。ipRGC細胞は、初期視覚野や中脳への投射経路を持っているが、メラノプシンの視覚への働きは未だ解明されたとは言い難い。このメラノプシンは、ヒトの網膜の盲点領域に多く発現していることが分かっている。ここから本研究では、盲点に光刺激を与えて眼球運動や知覚が変化するかどうかを確認し、メラノプシンの視覚的な機能に対する影響を検討する。本研究は、盲点領域という、直接照射をしても意識的な気付きにつながらない、網膜における特殊な場所に注目して実験を行い、メラノプシンの働きや特質を理解することを目的としている。
カーボンナノチューブの細胞膜透過特性を利用した抗癌治療の応用開発

抗癌剤を長間使用すると多剤耐性が発現し、次第に抗癌剤の薬効が減衰する。抗癌剤の作用を保持し癌化学療法の治療効果を上げるには、この多剤耐性を抑制する必要がある。本研究では、代表的なナノマテリアルであるカーボンナノチューブ(CNT)の糖鎖・蛋白質吸着性、細胞膜透過性というユニークな特性に着目し、多剤耐性原因因子の吸着・制御による抗癌治療の高効率化を目的とした。今年度は、2種類のナノカーボン、(1)CNTと(2)ナノダイアモンド(ND)について抗癌薬剤への応用研究を行い、それぞれ新しい進展が得られた。(1)CNTの多剤耐性抑制効果:癌細胞から薬剤を細胞外へ早期に排出させ、抗癌剤の細胞内滞留時間を低減し薬効を減じ、多剤耐性の原因となる因子として細胞膜のポンピング作用を司る蛋白質P-グリコプロテイン(PGP)や多剤耐性関連蛋白質(MRP)がある。CNTを投与すると透過型電子顕微鏡(TEM)観察から細胞内取込が確認され、投与量とともに、m-RNA, PGP総蛋白量、免疫染色のいずれのレベルでもこれらの蛋白量の低下が認められた。これはCNTの抗癌剤の多剤耐性抑制効果のメカニズムの直接的な解明である。(2)NDのDDS応用のためのステルス性付与:現在、開発中のドラッグデリバリーシステム(DDS)においてはターゲット癌組織に至る前に、マクロファージ等の免疫細胞により異物と見なされ捕捉貧食されてれしまうという問題点がある。この問題をいかに回避するかというのは現時点における課題であるが、今回薬剤担体として用いたナノダイアモンドについて表面をポリグリセロール(PG)でコーティングすることにより、異物と認識されず貪食を回避できるステルス性を獲得することが示された。これはDDSの臨床応用にきわめて重要である。(抄録なし)[目的]代表的なナノマテリアルのカーボンナノチューブ(CNT)はナノレベルで生体反応を制御できる物質として医・歯・薬領域共通に応用が期待される。CNTのバイオ応用のターゲットは大きく組織再生と癌治療の二つであるが、癌治療への応用は本格的には手掛けられていない。本研究では化学療法による癌治療の問題点である多剤耐性発現による抗癌効果の低下を抑制するために、癌細胞(ヒト大腸癌細胞caco-2)にCNTを投与し、細胞膜に存在し細胞内から薬剤の透過ポンプ排出作用のあるP-糖蛋白質(PGP)発現に及ぼす影響を調べた。[結果]まず蛋白質(アルブミンBSA)吸着によりCNTの分散・溶解性を改善し、細胞増殖、細胞活性には影響しないことを確認した。次にローダミン123を用いて細胞内からの排出速度を調べCNT投与量が高いほどPGP輸送機能は低下した。またPGP発現を調べると、転写レベルのRT-PCRによるmRNA、翻訳レベルのWestern blottingによるPGP全蛋白質量total protein、細胞膜レベルの蛍光免疫染色による発現観察のいずれにおいても、CNT投与量に依存して低下した。また癌病態の進展に影響を与える活性酸素の産生もCNTとともに増加し、フローサイトメトリーにより細胞膜脂質の酸化が検出された。SEM観察では細胞膜上に多数のCNTが認められ、TEM観察では細胞内へのCNTの取込が観察された。ヒト膠芽細胞腫、ラット星状細胞でも同様な結果が見られた。[結論]本研究により、CNTのPGP輸送機能の抑制効果が明らかとなり、その原因として酸化ストレス、細胞膜脂質の損傷が示唆された。PGPが抑制されれば細胞からの薬剤流出が低減し、癌細胞内の抗癌剤濃度レベルが細胞死レベルまで上昇することが可能になり、多剤耐性を抑制し癌化学療法の効率的な応用にCNTが寄与すると考えられる。(1)研究結果

1様々な手法を用いてカーボンナノチューブの多剤耐性抑制効果を確認する結果を得た。(2)学会発表:国際学会を含む数件の学会発表を行った。(3)論文:論文を作成中である。(1)指導体制=亘理文夫特任教授は定年退職のため、平成25年度以降、研究代表者は赤坂司准教授に変更になるが、引続き非常勤講師及び学術研究員として同教室及び北海道大学他研究科で教育・研究に従事するため、外国人特別研究員の指導体制は従来と全く変わりなく継続する。(2)論文投稿:学術雑誌への投稿論文作成中で、今後とも共同研究の進展も含め、論文の作成・投稿を進めていく予定である。(抄録なし)
光駆動ナトリウムポンプの構造研究

光駆動ポンプとして機能する微生物型ロドプシンとしては、プロトン以外の陽イオンポンプは存在しないと長年、考えられてきたが、我々は2013年に海洋性細菌から光駆動ナトリウムポンプを発見した。本研究では、この新規ロドプシンのメカニズムを明らかにするため構造解析を試み、東大・濡木研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの結晶構造を決定した。我々の研究室で行った機能解析の実験と組合せることでナトリウムイオンの輸送モデルを提唱した論文をNature誌にArticleとして発表した。また低温法、時間分解法、全反射法を駆使した赤外分光による構造解析でナトリウム結合や詳細な水素結合構造を明らかにした。本研究では、この新規ロドプシンのメカニズムを明らかにするための構造解析を行う。X線結晶構造解析を用いて立体構造を決定するとともに、我々が世界をリードする赤外差スペクトル分光法を用いて光反応中間体の構造解析を行い、なぜナトリウムイオンが一方向に輸送されるのか明らかにすることを目指している。初年度は以下の成果が得られた。東大・濡木研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの結晶構造を決定することに成功した。我々の研究室で行った機能解析の実験と組合せることで、一方向へのナトリウムイオンの輸送モデルを提唱することができ、Nature誌にArticleとして掲載された。結晶構造ではナトリウムイオンが観測されていなかったため、本論文中では全反射赤外分光解析を用いてナトリウムイオンの結合を調べている。さらに得られた構造基盤をもとに、カリウムイオンやセシウムイオンをポンプする変異タンパク質の創成にも成功したが、これらは光遺伝学や放射性セシウムの回収といった応用面でも注目されている。赤外分光法を用いた中間体の構造解析に関しては低温法、時間分解法を用いて行っているが、平成27年度には、可視吸収の分光法を用いてダイナミクス解析を行った結果を論文発表することができた。理研・田原研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの異性化ダイナミクスを測定し、他のロドプシンよりも高速の異性化反応を明らかにした。また陽イオンの取込ダイナミクスを測定し、光駆動ナトリウムポンプにおいてはナトリウムイオンと水素イオンが競合的に取り込まれること、同濃度であればプロトンポンプとしてはたらくことを明らかにした。光駆動ナトリウムポンプの構造決定は世界中の競争であったが、幸い我々日本のグループが酸性と中性の二状態で構造を決定することができ、これをもとに輸送モデルを提唱することができた。きわめて幸先のよいスタートであり、Nature誌のArticleに掲載された事実も合わせて、当初の計画以上の進展と言うことができる。我々は初年度に、東大・濡木研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの結晶構造を決定することに成功した。我々の研究室で行った機能解析の実験と組合せることで、ナトリウムイオンの輸送モデルを提唱することができ、Nature誌にArticleとして掲載された。今年度は赤外分光を用いた解析、具体的には低温法、時間分解法、全反射法を用いた解析を進めた。その結果、いずれも差スペクトルを得ることに成功しており、本研究課題の期間内に論文発表することが可能であると考えている。平成28年度には、ラマン散乱法を用いてダイナミクス解析を行った結果を論文発表することができた。また赤外分光法に関しては、我々が海洋細菌から発見した内向きのプロトンポンプのメカニズムを明らかにするため、低温赤外分光法を用いた解析を行い、プロトン輸送経路を解明することができた。さらに光駆動ナトリウムポンプを含むイオンポンプの機能転換に成功した結果、興味深いことに機能転換と進化との相関が明らかになった。具体的には、進化を遡る方向の機能転換は限られた変異で達成された一方、進化に沿った方向の機能転換は変異数を増やしても実現しなかったのである。計画は順調に進んでいる。本研究では、この新規ロドプシンのメカニズムを明らかにするための構造解析を行うことを計画した。X線結晶構造解析を用いて立体構造を決定するとともに、我々が世界をリードする赤外差スペクトル分光法を用いて光反応中間体の構造解析を行い、なぜナトリウムイオンが一方向に輸送されるのか明らかにすることを目指した。我々は平成27年度に、東大・濡木研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの結晶構造を決定することに成功した。

平成28年度には、ラマン散乱法を用いてダイナミクス解析を行った結果を論文発表することができた。さらに光駆動ナトリウムポンプを含むイオンポンプの機能転換を試みたところ、進化を遡る方向の機能転換は限られた変異で達成された一方、進化に沿った方向の機能転換は変異数を増やしても実現しなかった。最終年度となる平成29年度には、進化と関係した非対称な機能転換について、系統的な赤外分光解析により、ロドプシンの活性中心に存在する強い水素結合を形成した水分子との相関を明らかにした。このような水分子はプロトンポンプ機能に必須であることを明らかにしてきたが、クロライドポンプやナトリウムポンプといった新たな機能を獲得しても水分子の水素結合は保存されていたのである。さらに光駆動ナトリウムポンプに対して全反射法を用いた論文を発表し、時間分解法による解析の結果は論文を投稿中である。このように、本研究課題の期間内に結晶構造解析から種々の赤外分光解析を達成することができた。光駆動ポンプとして機能する微生物型ロドプシンとしては、プロトン以外の陽イオンポンプは存在しないと長年、考えられてきたが、我々は2013年に海洋性細菌から光駆動ナトリウムポンプを発見した。本研究では、この新規ロドプシンのメカニズムを明らかにするため構造解析を試み、東大・濡木研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの結晶構造を決定した。我々の研究室で行った機能解析の実験と組合せることでナトリウムイオンの輸送モデルを提唱した論文をNature誌にArticleとして発表した。また低温法、時間分解法、全反射法を駆使した赤外分光による構造解析でナトリウム結合や詳細な水素結合構造を明らかにした。計画は順調に進んでおり、この方向での研究を進める。今後は赤外分光解析を駆使することで、機能発現メカニズムの解明に取り組む。29年度が最終年度であるため、記入しない。生物物理学29年度が最終年度であるため、記入しない。
ウイルスに対する自然免疫応答におけるノンコーディングRNAと新規因子の機能解析

本研究では、ウイルス感染時の自然免疫応答で、各受容体からのシグナルを集約し自然免疫応答を誘導する重要な役割を担うTBK1分子に特に焦点をあて、このTBK1と結合する新規因子を同定し、その機能と役割を明らかにすることで、ウイルスに対する自然免疫応答の新たな分子機構を解明することを目的とする。我々が独自に実施したスクリーニングによりTBK1と相互作用する分子群を新たに同定した。本研究では、新規分子群とTBK1の相互作用について詳細に解析する。
WTO体制下での自由貿易と地球環境保護の法的調整

昨今、地球レベルでの環境保護政策を策定する多国間環境条約(MEA)が締結されるが、これらの一部が政策手段として多用する通商制限が、GATT/WTOに代表される国際的な自由貿易規範と法的緊張関係にある。モントリオール議定書(オゾン層保護)に代表されるMEAにおける通商制限は、条約加盟国拡大を意図して非加盟国にのみ差別的に適用されたり、製品としてはでなくその製造工程が有害な物質を規制するなど、間接的に環境上の政策目標を達成するために用いられる。この点は、それ以前の環境保護目的の通商制限が、専ら環境価値財/有害物質の国際移動の規制により直接的に政策目標に達成したのとは大きく異なる。また、従来の通商制限は専ら制限実施国領域内の環境保護のために適用されるが、グローバルな存在を保護対象とするMEAにおいては、通商制限による保護対象は必ずしも領域内にあるとは限らない。一方、無差別かつ自由な貿易の実現を標榜するGATT/WTOは、一律に通商制限を禁じている。また、最恵国待遇、内国民待遇の供与に際して、最終製品として同種であるものの平等な取り扱いを既定している。とすれば、上記MEAの通商規定はGATT/WTOに抵触することは否めない。もっともGATT20条は、人体・動植物の保護に必要かあるいは有限天然資源の保存に関する通商制限を、例外として認めている。しかるにこれまでの紛争事案において同条項は非常に狭く解釈されており、MEA上の通常措置の包括的な例外化に資するものではない。96年の米ガソリン精製基準に関するWTO上級委員会報告は、若干環境に配慮した柔軟な20条の解釈を提示した点で注目されるが、MEAとGATT/WTOの矛盾を解消するには至っていない。現行法の解釈による解決に限界が見られる現在、NAFTAにおける前例などを参照しつつ、立法的解決によって「持続可能な社会」における通商法の在り方を模索することが望まれる。
表面濡れ性の制御による高性能伝熱面の開発

これまで酸化チタンの光励起超親水性およびめっき加工による超撥水性を施した面を用いて種々の相変化伝熱実験を行ってきた.酸化チタン光励起超親水性伝熱面では,限界熱流束が通常の伝熱面より高くなり,超撥水加工伝熱面では,2K3Kの低過熱で発泡が開始し膜沸騰となる.格子状に超撥水加工を施した伝熱面では、超撥水部より規則的に気泡が発生し低過熱度域において熱伝達が良くなり沸騰開始時のオーバーシュートが見られない.最終的には,種々のパターンで超撥水性表面に超親水性加工を施しプール沸騰においてもっとも熱伝達が良好な超親水,超撥水の組合せパターンを見出すことである.しかし,これまで使用してきた超撥水メッキによる超撥水性表面の作成が,PFOSに関する環境規制物質に抵触する材料使用のため不可能となっている星これに代わる安定した超撥水表面を得るため,ウエンゼルの式により表面に粗さを付与した場合,90。を境にして親水的表面はより親水的となり撥水的な表面はより撥水的となると言う性質を利用する.そこで,表面に粗さを付けるため放電加工,あるいはマシニング加工による種々の微細溝を直行させた表面に接触角130°のテフロン系無電解撥水めっきを施すことで超機水表面を得ることを目的とした.実際に使用しためっき剤は無電解めっきではなく,上村工業の「メタフロン」という複合Ni電解めっき剤である.このめっき剤は扱いやすく平らな面にめっきを施した時でも120°という接触角を持つ.通常の伝熱面では材質は銅が多く使用されるが,良好な加工性を考え真鍮を使用した.当初予定していた放電加工,あるいはマシニング加工による基材の加工には多額の費用がかかるとわかり,精密マシニング加工のみで最小加工寸法として直交溝幅0.3mm,深さ0.6mmとした.サンドブラスト加工で表面粗さをRa=3,Ra=10,Ra=20の3種類の基材面を用意した.これらの基材面に複合めっき剤を筆めっき法で表面に付けた.初期の接触角はRa=3(70°),Ra=10(80°),Ra=20(85°)直交溝幅0.3mm(60°)程だったが,この面に複合めっきを施した場合接触角は120Q130°の範囲で散らばった.これはめっきの不安定性が大きく影響しているものと思われる。めっき方法を確立することでもう少し接触角を高めることができると確信する。
硫化水素の新規生理機能：金属イオン恒常性破綻による神経細胞傷害に対する保護作用

脳内必須微量元素である亜鉛(Zn)や銅(Cu)などの金属イオンの脳内恒常性の破綻は、アルツハイマー病(AD)やパーキンソン病(PD)などの神経変性疾患の発症や病態の進展に関与することから、脳内金属イオンの恒常性の是正を指向した治療法の開発が期待されている。生体内生成される硫化水素(H2S)やシステインポリスルフィドなどの活性イオウ分子種(RSS)が神経細胞に対する保護作用を有していることが報告されているが、RSSがZnやCuの脳内動態に及ぼす影響は十分に解析されておらず、また、これら金属により惹起される神経細胞傷害に対するRSSの保護作用についても不明な点が多い。本年度は、H2SドナーNaHSがCuSO4曝露により惹起される神経細胞傷害に及ぼす影響をヒト神経芽細胞種SH-SY5Y細胞を用いて検討した。その結果、NaHS存在下では、Cuによる神経細胞傷害が増強された。NaHSはCuSO4によるメタロチオネイン遺伝子の発現誘導を著しく亢進した。これらの現象は、Cuキレーターであるbathocuproinedisulfonic acidにより抑制された。CuSO4処理後の細胞内Cu含有量はNaHS存在下で著しく増大したことから、NaHSは細胞へのCu流入を促進させると考えられた。また、Cu取り込みトランスポーターCTR1発現には変化はなく、Cu排出トランスポーターATP7A発現が著しく抑制された。さらに、NaHSとCuSO4を共存させたとき、細胞内活性酸素種(ROS)産生の亢進、ミトコンドリア膜電位の消失および細胞内ATP量の減少が認められた。Bcl2発現も低下したことから、この細胞傷害にはアポトーシスの関与が示唆された。以上の結果から、H2SによるCu毒性の増強は、細胞内のCu含有量が増加し、さらにその排出も抑制されるために、細胞内Cuが過剰となり細胞傷害が増大すると考えられた。本年度は、CuによるSH-SY5Y細胞傷害に対するH2Sの影響について検討した。CuはZnと同様にH2Sと反応し、硫化物(CuS)を形成することから、Cuによる細胞毒性もH2S存在下で軽減されるのではないかと推測していた。しかし、予想に反し、H2S存在下でSH-SY5Y細胞に対するCu毒性は増大した。その機序について解析を行い、Cuの細胞内への流入をH2Sが促進すること、Cuの排出に関与するトランスポーターATP7Aタンパクの発現が著しく減少することが判明した。これらの結果から、H2Sは重金属による細胞傷害に対して曝露する金属の違いにより異なる作用を示すことが明らかとなった。以上の研究推進状況から、申請者は実験計画がおおむね予定通り進行していると判断した。1.ポリスルフィドによるZn毒性の軽減作用SH-SY5Y細胞をポリスルフィド(Na2S3)で前処置したとき、Znにより惹起される細胞傷害が抑制された。Na2S3によりメタロチオネインの発現が亢進し、また、Zn曝露により亢進するROSの産生は抑制された。これら結果から、Na2S3で処理した細胞では、細胞内に流入した過剰なZnをメタロチオネインがトラップすることで細胞保護作用を発揮していると考えられた。本年度は、Na2S3がメタロチオネイン発現を亢進する分子機構の解明に取り組む。2.酸化ストレスにより惹起されるCu恒常性破綻の分子機構本年度、PDのモデル動物の作製に用いる6-hydroxydopamine(6-OHDA)でSH-SY5Y細胞を処理したとき、ATP7Aタンパク発現が著しく低下することを見出した。脳内のCu代謝異常がADやPDなどの神経変性疾患の発症・病態の進展に影響を及ぼすことが報告されているが、十分な解析は行われていない。6-OHDAによるATP7Aタンパクの発現低下はPDにおいてCuの細胞内動態に異常が起きている可能性を示すものである。そこで、次年度は、神経細胞におけるCu動態に着目し解析を行い、PDとCuの関連性の解明に取り組む。硫化水素(H2S)は、近年、一酸化窒素や一酸化炭素に続く第三のガス状シグナル分子として注目されている。H2Sは多彩な薬理作用を有しており、その一つとして、脳梗塞や神経変性疾患における神経細胞傷害に対する保護作用が報告されている。一方、必須微量元素である亜鉛(Zn)や銅(Cu)などの金属イオンの脳内恒常性の破綻が、これら疾患の発症や病態の進展に関与することから、脳内金属イオンの恒常性の是正を指向した治療法の開発が期待されている。H2SはZnやCuイオンと高い反応性を示すことから、H2Sが脳内金属イオンのインバランスの改善を促すことで保護作用を発揮している可能性が考えられるが、詳細は不明である。本年度は、Znによる神経細胞傷害に対するH2Sの効果についてヒト神経芽細胞種SH-SY5Y細胞を用いて検討した。Zn誘導性細胞死はH2S供与体NaHS存在下で抑制された。NaHS添加の最適な時間を検討した結果、Zn曝露と同時にNaHSを添加したとき、最も強いNaHSの細胞保護効果が認められた。Zn誘導性細胞死ではミトコンドリアの機能障害や細胞内エネルギー産生障害が関与している。そこで、Zn曝露後のミトコンドリアにおけるROS産生、細胞内NAD+およびATP量に及ぼす影響を検討したところ、NaHSはZn曝露により引き起こされるミトコンドリアROS産生亢進やNAD+およびATP量の減少を抑制した。

また、Zn曝露により細胞内で増加したZnは金属応答配列の活性化およびメタロチオネイン(MT)遺伝子の発現を亢進したが、NaHSはこれらの応答も抑制した。以上の結果から、NaHSはZnの細胞内流入を抑制することにより、Zn誘導性細胞死に対する保護作用を発揮しているのではないかと考えられた。本年度は、ZnによるSH-SY5Y細胞傷害に対するH2Sの保護作用について検討し、H2S供与体NaHSがZn誘導性SH-SY5Y細胞傷害に対して保護作用を示すこと、この保護作用はH2S(あるいはHSー)がZnと反応し、細胞内へのZnの取り込みを抑制することにより発揮されることを明らかにした。脳梗塞時に認められる神経細胞傷害には、神経終末から過剰に放出される遊離Znの関与が指摘されている。それゆえ、本研究成果は、脳梗塞による神経細胞傷害に対してH2S投与が有効な治療法となる可能性を示す有益な知見になると考える。本研究成果は、Free Radical Researchに掲載された。以上の研究推進状況から、申請者は実験計画がおおむね予定通り進行していると判断した。脳内必須微量元素である亜鉛(Zn)や銅(Cu)などの金属イオンの脳内恒常性の破綻は、アルツハイマー病(AD)やパーキンソン病(PD)などの神経変性疾患の発症や病態の進展に関与することから、脳内金属イオンの恒常性の是正を指向した治療法の開発が期待されている。生体内生成される硫化水素(H2S)やシステインポリスルフィドなどの活性イオウ分子種(RSS)が神経細胞に対する保護作用を有していることが報告されているが、RSSがZnやCuの脳内動態に及ぼす影響は十分に解析されておらず、また、これら金属により惹起される神経細胞傷害に対するRSSの保護作用についても不明な点が多い。本年度は、H2SドナーNaHSがCuSO4曝露により惹起される神経細胞傷害に及ぼす影響をヒト神経芽細胞種SH-SY5Y細胞を用いて検討した。その結果、NaHS存在下では、Cuによる神経細胞傷害が増強された。NaHSはCuSO4によるメタロチオネイン遺伝子の発現誘導を著しく亢進した。これらの現象は、Cuキレーターであるbathocuproinedisulfonic acidにより抑制された。CuSO4処理後の細胞内Cu含有量はNaHS存在下で著しく増大したことから、NaHSは細胞へのCu流入を促進させると考えられた。また、Cu取り込みトランスポーターCTR1発現には変化はなく、Cu排出トランスポーターATP7A発現が著しく抑制された。さらに、NaHSとCuSO4を共存させたとき、細胞内活性酸素種(ROS)産生の亢進、ミトコンドリア膜電位の消失および細胞内ATP量の減少が認められた。Bcl2発現も低下したことから、この細胞傷害にはアポトーシスの関与が示唆された。以上の結果から、H2SによるCu毒性の増強は、細胞内のCu含有量が増加し、さらにその排出も抑制されるために、細胞内Cuが過剰となり細胞傷害が増大すると考えられた。本年度は、CuによるSH-SY5Y細胞傷害に対するH2Sの影響について検討した。CuはZnと同様にH2Sと反応し、硫化物(CuS)を形成することから、Cuによる細胞毒性もH2S存在下で軽減されるのではないかと推測していた。しかし、予想に反し、H2S存在下でSH-SY5Y細胞に対するCu毒性は増大した。
磁場印加デバイス内の疑似低重力場における月レゴリスの力学試験

将来の月面探査においては,探査船の着陸,探査ローバーの走行,月面地盤の穿孔・掘削など,レゴリスを対象としたオペレーションが多数見込まれる.このようなオペレーションの技術的ネックポイントの一つに,レゴリスー機械系の接触・摩擦・変形現象の把握が挙げられる.そこで本研究では,レゴリスの接触・摩擦・変形現象に関するパラメータの新しい測定方法として,『低重力環境下を模擬した室内力学試験法』を提案し,その有効性を実証した.具体的には,磁場印加デバイスを摩擦試験装置に組み込むことで,磁性体の性質を利用して疑似的に低重力場を再現した空間を準備し,その場での摩擦せん断試験行う方法である.本研究では,機械工学と電気工学の双方の知見やアプローチ法を組み合わせることで,これまでに無い「月面環境下を模擬した室内力学試験法」を提案するものである.本年度は,磁場印加デバイスのプロトタイプを完成させることを目的として,以下の項目を達成した.1共同研究者(山梨裕希)とともにレゴリスシミュラントや他の供試材料の透磁率を評価した.併せて,試験装置の形状や材質を考慮した地場分布解析を行い,被試験物全体が均一の磁力を受けられるようにコイル型電磁石や試験装置の形状および位置の最適化を行った.2供給電流量に応じた疑似低重力の効果について,キャリブレーションを実施した.3作製した磁場印加デバイスを摩擦試験装置に組み込み,疑似低重力場での摩擦試験を実施した.試験装置は当初の予定通り,回転せん断型を採用した.4現在のところ,10%の低重力効果の下での試験に成功している.将来の月面探査においては,探査船の着陸,探査ローバーの走行,月面地盤の穿孔・掘削など,月面土壌(レゴリス)を対象としたオペレーションが多数見込まれる.このようなオペレーションの技術的ネックポイントの一つに,月レゴリスー機械系の接触・摩擦・変形現象の把握が挙げられる.これは,「超過圧密・軟弱表層」や「低重力・高真空」に代表されるよう,月面は地上とは異なる環境下に置かれており,これらの影響をどのように予測・評価するのかが,月面機器の作業性能などに大きく係るためである.特に,レゴリスー機械系の力学的相互作用に及ぼす高真空環境の影響はある程度明らかになっているが,低重力環境に関しては未解明な点が残されていると考えられる.斯様な状況の下,著者らは昨年度までに数値シミュレーション解析での利用を想定した,粒状体の接触・摩擦・変形現象に関するパラメータの新しい測定方法として,『低重力環境下を模擬した室内力学試験法』を提案している.具体的には,磁場印加デバイスを摩擦試験装置に組み込むことで,重力に抗する磁力を発生させた空間,すなわち磁性体の性質を利用して疑似的に低重力場を再現した空間を準備し,その場での摩擦せん断試験を可能とする方法である.しかしながら,実現できる低重力効果が10%程度であり,有効な結果が得られていないのが現状である.そこで本年度は,まず,より効果的な低重力効果が得られるように,磁場印加デバイスの拡張を行った.次に,拡張した磁場印加デバイスの供給電流量と低重力効果の関係について,キャリブレーションを実施した結果,低重力効果を25%まで増加させることに成功した.また,磁場印加デバイスを回転せん断試験装置に組み込んで回転せん断試験を実施し,低重力効果が粒状体の摩擦相互作用に関するパラメータに及ぼす影響について検証を行った.現在,最終年度に向けて試験データの蓄積に努めている.本研究では,機械工学と電気工学の双方の知見やアプローチ法を組み合わせることで,これまでに無い「月面環境下を模擬した室内力学試験法」を提案するものである.これまでに磁場印加デバイスのプロトタイプを完成させるとともに,供給電流量と疑似低重力の効果についてキャリブレーションを実施した.次に,コーティング鋼球をサンプルとして回転せん断試験を実施できるように,一連の実験手順を整理した.最終年度は,これまでに構築した磁場印加デバイスに液体窒素を利用した冷却効果を組み込めるように改良し,低重力効果を30%アップすることに成功した.本デバイスを用いて系統的な回転せん断試験を実施し,疑似低重力空間内での界面すべり特性および内部せん断特性を測定するための室内力学試験法として確立した.また同時に,個別要素法解析を実施し,月面土壌(レゴリスシミュラント)ー機械系の力学的相互作用に及ぼす低重力場の影響を一部明らかにした.本研究の目的である,『月面環境下におけるレゴリスー機械系の解析では,重力加速度の相似則を単純採用するだけで良いのか否か?に対しての解答を見出す』については以下のようにまとめられる.1摩擦係数などの粒子間の相互作用に関するパラメータには重力影響はほとんどない.2重力加速度の相似則を採用することにより,低重力場の影響は境界値問題の結果として自然に再現される.3ただし,月面環境下においては,別途,高真空や静電気の影響などを考慮する必要がある.将来の月面探査においては,探査船の着陸,探査ローバーの走行,月面地盤の穿孔・掘削など,レゴリスを対象としたオペレーションが多数見込まれる.このようなオペレーションの技術的ネックポイントの一つに,レゴリスー機械系の接触・摩擦・変形現象の把握が挙げられる.

そこで本研究では,レゴリスの接触・摩擦・変形現象に関するパラメータの新しい測定方法として,『低重力環境下を模擬した室内力学試験法』を提案し,その有効性を実証した.具体的には,磁場印加デバイスを摩擦試験装置に組み込むことで,磁性体の性質を利用して疑似的に低重力場を再現した空間を準備し,その場での摩擦せん断試験行う方法である.冷却機構を具備した試験装置の作製に成功しており,実際に疑似低重力下でのせん断摩擦試験装置として完成させた.また,個別要素法に基づく数値シミュレーション解析にも既に着手している.材料力学開発した試験装置を用いた低重力場での粒状体の摩擦試験データの蓄積に努める.これと並行して個別要素法解析を実施し,低重力効果が粒状体の摩擦相互作用に関するパラメータに及ぼす影響について明らかにする.最終的に,数値シミュレーション指針としてまとめる.実際に,疑似的な低重力場での系統的な試験を行えるようになった.ただし,低重力効果をより発揮させるために,冷却機構を試験装置に組み込む必要がある.試験用消耗品(ひずみゲージ,接着剤)が当初の見積よりも安く購入できたため,次年度使用額が生じた.直流電源装置を購入し,より大電流下での試験を行えるように試験装置を改良する.これにより,最大20%程度までの低重力効果が得られると考えられる.また同時に,液体窒素を用いた冷却機構を試験装置に付加する.改良した試験装置を用いて系統的な試験を実施し,パラメータマップとして整理する.さらに,個別要素法を用いた数値シミュレーション解析も並行して実施し,月面機器の設計や開発で利用し得る知見としての抽出を目指す.次年度の消耗品の購入に充当する予定である.直流電源の増加に伴い,試験装置を改良する必要がある.直流電源装置の購入後に設計変更を行う必要があるため,それに必要な費用として本年度は執行できなかった.設計変更に伴う治具購入費用として使用する予定である.
単一ナノ粒子計測可能な顕微過渡吸収計測装置の開発とその応用

サイズや形状などに依存して有機材料の反応性が大幅に異なるナノ構造体、特に単一有機ナノ粒子の物性評価には、時間と空間の分解能を併せ持つ単一ナノ粒子分光計測手法が最適である。本研究課題の成果として、1蛍光を発しない現象にも適用可能で、かつサブピコ秒の時間分解能を有する顕微過渡吸収測定装置の開発を行った。2開発した装置は、貴金属や有機半導体や単一ナノ粒子の励起状態緩和過程の測定に成功し、3最小で20 nmの金ナノ粒子を観測でき、その感度は従来の装置と比較して20倍以上増大した。4ペリレンナノ粒子においては、サイズ依存してサブピコ秒で起こるエキシマー形成時間が異なることを明らかにした。サイズ、形状などに依存して材料の反応性が大幅に異なるナノ構造体の物性評価には、時間と空間分解能を併せ持つ計測法が最適であり、その代表として単一分子・粒子を対象とした蛍光分光計測がある。しかし、蛍光分光法は背蛍光が少ないために容易に高感度検出を達成できるが、発光を伴わない現象に適用しにくく、時間分解能も高くない。一方で、過渡吸収分光法は、蛍光分光法と比較すると感度は高くないが、観測対象に制限がなく、基本的にあらゆる電子状態を観測可能である上に、サブピコ秒の高い時間分解能を有する。したがって、単一ナノ粒子からの過渡吸収信号を検出可能にするために高感度な測定光学系の開発が望まれる。そこで本研究課題では、1貴金属や有機半導体の単一ナノ粒子(粒径50nm)を測定可能な顕微過渡吸収測定装置を開発し、2開発した装置を用いてナノ粒子を一つ一つ計測し、サイズや形状などに依存した励起状態ダイナミクスを解明することを目的としている。平成25年度は、顕微過渡吸収測定装置の開発を中心に行った。過渡吸収分光と顕微鏡を組み合わせた測定系は既に開発・報告されているが、多くの場合、試料を透過した観測光を利用する。試料がナノ粒子の場合、対物レンズで集光するサイズ(500nm程度)よりも小さくなるので、透過光に加えて迷光も検出されてしまい、高い感度で計測しにくい。そこで本研究では透過光ではなく、試料からの反射(散乱)光に着目し、光学系を構築した。実際に40nmの金ナノ粒子の過渡吸収信号に対して透過光モード及び反射光モードで比較実験を行った。測定は完全同一の金ナノ粒子を用い、励起・観測光の強度や検出器の入出力などの諸条件も揃えた。その結果、反射光モードの過渡吸収信号は透過光モードよりも約100倍程度信号が増した。したがって、開発した光学系は50nm程度のナノ粒子に対して高感度に計測が行えることを証明した。サイズや形状などに依存して材料の反応性が大幅に異なるナノ構造体、特に単一ナノ粒子の物性評価には、時間と空間の分解能を併せ持つ計測手法が最適であり、その代表として単一ナノ粒子からの蛍光を利用した顕微蛍光分光測定がある。この顕微蛍光分光法は背蛍光が少ないために容易に高感度検出を達成できるが、蛍光を発しない現象には適用しにくく、時間分解能も高くない。一方で、過渡吸収分光法は、蛍光分光法と比較すると、感度はさほど高くはないが、観測対象に制限がなく基本的にあらゆる電子励起状態を観測可能である。さらに時間分解能も高く、サブピコ秒の時間領域で起こる現象も観測可能である。したがって、単一ナノ粒子からの微弱な過渡吸収信号を検出可能にするために高感度な測定光学系の開発が望まれる。そこで、本研究課題では、1貴金属や有機半導体の単一ナノ粒子(粒径50nm)を測定可能な顕微過渡吸収測定装置を開発し、2開発した装置を用いてナノ粒子を一つ一つ計測し、サイズや形状などに依存した励起状態ダイナミクスを測定することを目的とした。平成25年度は、従来の透過型の顕微過渡吸収分光測定装置を応用し、ナノ粒子からの反射(散乱)光を利用することで、透過光測定と比較して、感度が100倍向上した。これにより平均粒径40nmの金ナノ粒子を単一で測定することに成功した。平成26年度はより小さい粒径である20nmの金ナノ粒子においても、従来の透過型の測定装置と比較して、20倍の高い感度で測定を行うことが可能であることを証明した。また有機半導体への応用を試みるために高速・高確度のADボードを導入した。これにより平均粒径200nmのペリレンナノ粒子の過渡信号が短時間で高精度に測定可能であることがわかった。一方で異種のナノ粒子同士の複合化も試み、金ナノ粒子と有機ナノ粒子の複合化にも成功した。サイズや形状などに依存して有機材料の反応性が大幅に異なるナノ構造体、特に単一有機ナノ粒子の物性評価には、時間と空間の分解能を併せ持つ単一なの粒子分光計測手法が最適である。ここでは、1蛍光を発しない現象にも適用可能で、かつサブピコ秒の時間分解能を有する顕微過渡吸収測定装置の開発を行い、2開発した装置を用いてナノ粒子を一つ一つ個別に計測し、サイズや形状などに依存した励起状態ダイナミクスを測定することを目的とした。平成25年度は、従来の透過型の顕微過渡吸収分光測定装置を応用し、ナノ粒子からの後方散乱光を利用することで、透過光測定と比較して、感度が100枚以上向上した。これにより平均粒径40nmの金ナノ粒子を単一ナノ粒子測定条件で行うことが可能になった。

平成26年度は、開発した装置が、さらに小さな粒径である20nmの金ナノ粒子においても、従来の透過型の測定装置と比較して、20倍以上高い感度での測定が可能であることを証明した。また有機半導体への応用を試みるために高速・高確度のADボードを導入した。これにより平均粒径200nmのペリレンなの粒子の過渡信号が短時間で高精度に測定が可能であることがわかった。その一方で、測定装置に見合う材料開発も行い、金ナノ粒子と有機半導体ナノ粒子といった異種のナノ粒子同士の複合化にも成功した。平成27年度は、ペリレンナノ粒子のサイズと光励起緩和過程との相関を調べた。その結果、サイズ形状が小さくなるにつれて、光励起緩和過程(モノマー励起状態からエキシマー形成過程)が速くなることを見出した。また複合化したナノ粒子の測定を行い、金ナノ粒子から有機半導体ナノ粒子へ電子移動が起こっていることを示唆する結果を得た。以上の結果より、単一有機ナノ粒子を対象とした顕微過渡吸収測定装置の開発に成功し、今後様々な材料への応用展開が可能になった。サイズや形状などに依存して有機材料の反応性が大幅に異なるナノ構造体、特に単一有機ナノ粒子の物性評価には、時間と空間の分解能を併せ持つ単一ナノ粒子分光計測手法が最適である。本研究課題の成果として、1蛍光を発しない現象にも適用可能で、かつサブピコ秒の時間分解能を有する顕微過渡吸収測定装置の開発を行った。2開発した装置は、貴金属や有機半導体や単一ナノ粒子の励起状態緩和過程の測定に成功し、3最小で20 nmの金ナノ粒子を観測でき、その感度は従来の装置と比較して20倍以上増大した。4ペリレンナノ粒子においては、サイズ依存してサブピコ秒で起こるエキシマー形成時間が異なることを明らかにした。平成26年度は、前年度に構築した単一ナノ粒子の励起状態ダイナミクスを観測可能な顕微過渡吸収測定装置を用いて金ナノ粒子のサイズ依存性の測定を行った。構築した測定装置では、平均粒径20nmまで測定が可能であり、その感度は従来の測定装置と比較して20倍以上向上した。前年度までに単一ナノ粒子が測定可能となっていたために、より高精度に測定が可能な光学系を達成する上で不足している部分をゆとりをもって見極めることができた。平成26年度の開始と同時に高速・高確度のADボードを導入できたために、測定が高速化し、有機半導体の単一ナノ粒子の測定にも成功した。また異種のナノ粒子の複合化にも着手でき、複合化に必要な最適化条件の一つを見つけることができた。以上のことから、本研究の対一目標である単一の有機ナノ粒子に対して、過渡吸収測定が可能な光学系の構築は、十分に達せられたと考えられる。レーザー光化学平成25年度は、単一ナノ粒子の計測可能な顕微過渡吸収測定装置の開発を中心に進め、貴金属ナノ粒子の過渡吸収信号を従来の測定装置と比較するとより高感度に(最大で100倍)測定可能にした。平成26年度は、その装置に改良を加え、単一の有機ナノ粒子に対しても高感度かつ高速に過渡吸収測定を行うことができた。装置開発および改良を進めていく上で、マイクロメートルサイズの有機微結晶系に対しても、従来の光強度増幅装置を利用した測定光学系と比較しても遜色なく、高感度に測定を可能なことを見出した。また構築した装置が、単一有機ナノ粒子系に対してだけでなく、複合有機ナノ粒子系に対しての励起状態ダイナミクスを測定可能であるかを調べるために、その第一歩として有機ナノ粒子の複合化を試みてきた。その結果は比較的順調に複合化ができた。このような段階で、最終年度は、以下の2つの課題を中心に行っていく。