hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
日本酒産業における伝統的事業システムの叡智

前年度の研究成果を踏まえ、中部地方を中心に蔵元へのヒアリング調査を行った。また、丹波杜氏記念館へのヒアリング調査も併せて行った。研究者グループが全員集合した研究会を、神戸大学と大阪府立大学中之島キャンパスで計2回行った。中之島キャンパスの研究会では、静岡県立大学の尹大栄准教授を研究会に招聘し、静岡県における酒造りについて研究発表をお願いした。このような研究活動の結果、まず杜氏と蔵元の関係の地域ごとの違いが明らかになった。桶買いが主な製造方法となった灘においては、主な杜氏供給元であった丹波は徐々に杜氏の数を減らして行き、平均年齢も高くなっていることがわかった。また、蔵元へのヒアリング調査からは、桶売り依存度が高い蔵元は、衰退する傾向があることも明らかになった。一方、蔵元の地域にこだわらない杜氏供給によって、南部杜氏は杜氏の数をあまり減らしておらず、若い杜氏も育ちつつあることがわかった。また、杜氏も、複数の蔵元を経験しつつ、ある蔵元での在籍期間が長い方が品評会で高い評価を受けることが明らかになった。その一方で、独自の酵母や発酵技術の開発により、杜氏を用いない蔵元も出現しつつあることが明らかになった。前述の尹准教授による静岡における酒造産業の研究からは、近年独自の酒造りによって品評会で高い評価を受けたり、国内での売上を伸ばしつつある蔵元には、このような蔵元が多いことも示唆された。このように、日本酒産業全体の衰退の中で、伝統的な事業システムである杜氏と蔵元の関係は、近年変貌を遂げつつあり、このような変化が次世代の酒造りに対しても、杜氏への依存度が低い事業システムへの圧力となりうることが予想される。日本酒および日本酒の事業システムの基礎的な知識、および産地を形成してきた歴史的・社会的背景を整理するため、上村雅洋和歌山大学教授および国税庁の職員の方々にインタビュー調査を行った。その結果、多くの資料をいただくと同時に、近年になって杜氏と蔵元の関係が変化していること、および酒造における杜氏の役割も変化していることが明らかになった。一般的傾向として、酒造における杜氏の重要性は低下しているようである。これは、近年の技術革新の影響も大きい。また、杜氏と蔵元の関係性を調査するため、丹波杜氏へのインタビュー調査も行った。その結果、杜氏と蔵元の関係だけでなく、杜氏同士の関係性、杜氏と酒造仲間との関係の重要性が明らかになった。産地調査の手始めとして、南部杜氏組合へのインタビュー調査も並行して行い、得られた情報を交換するための研究会を2回開催した。その結果、産地と杜氏の関係は近年大きく変化し、かなり広範囲にわたって杜氏の活動領域が広がっている一方で、杜氏の人口は年々減少していることが明らかになった。今年度は、さらに調査対象を広げると同時に、定量研究ならびに麹屋との関係へと調査の幅を広げ、ディスカッション・ペーパーの作成や研究会での発表を始め、これまでの知見を整理していく予定である。
物質科学における融解、凝固、成長現象の数理

物質科学における融解、凝固、成長現象の数理的理解に向けて、実験に基づくモデリング、解析およびそれを相補する計算機解析を用いることから多角的に考察してきた。代表者は2年目から東京大学から広島大学に移ったことから、分担者はかなり変更したが、広島大学にその方面の専門家がいたために、申請した課題遂行には支障がなかった。三村は非線形非平衡系に現れるパターン形成を主な研究としてきたが、特に、自然界に現れる樹枝状成長機構の理解に向けて、生物系、化学系に現れる樹枝状成長パターンの考察をした。太田は高分子の基礎理論として、ミクロ相分離のダイナミクスの研究をした。石川は材料プロセスに現れる結晶成長の実験解析をし、特に、コロイド結晶の成長過程の微小重力効果を解明した。大春は自由境界問題の基礎理論として、発展方程式に対する非線形半群理論を構築した。舟木は界面ダイナミクスを確率論的アプローチから考察した。俣野、柳田、木村は界面を記述する平均曲率方程式の理論解析及び数値解析を行った。山田、草野は球面上での反応拡散系の計算機シミュレーション解析法を開発した。辻川、三村はある生物系に現れる成長過程を特異摂動法を用いることから解析した。坂元は、特異摂動法の研究を進め、高次元内部遷移層理論を構築した。恩田は固体表面の形状をフラクタル化することによって、超撥水、超親水表面が得られることを理論・実験から示した。石村は物質の成長過程にあらわれる螺旋模様の解析を曲率流の理論から解析した。奥園は液滴分散系の二相流のダイナミクスを解析した。上山は反応拡散系に現れる自己複製パターン機構の理論的解釈を計算機解析から与えた。以上の結果は、国内外の研究会で報告されており、その多くは毎年開催される応用数学合同研究集会で発表され、出版物となって刊行されている。本年度の研究は次の3つのテーマにわかれて行った。(1)化学反応系に現われる内部遷移層のダイナミクスの解析のために、特異極限解析によって界面の動きに関する自由境界問題煮木着することに成功した。その一例として、ある反応過程は凝固問題でよく知られているいるステファン問題に帰着されることが示され、特異極限解析から、生物学と工学に現われる自由境界問題に関して新しい展望が開かれた。(2)非平衡開放系の最も単純なシステムとして2次元発熱反応系を取り上げ、そこに現われる燃焼パターンの多様性を計算機シミュレーションとその動画化寄り考察した。その結果、Lewis数が大きいときには、自己複製による生成と過剰集合による消滅を繰り返す複雑な時間空間パターンが出現することが示された。この結果は非平衡化学反応系に現われる自己複製パターンと密接な関係があることが、特異摂動解析から明らかになった。(3)過冷却凝固に現われる樹枝状成長と非常に類似性を持つバクテリアのコロニー形成においてそのコロニーパターンの多様性の考察のために、凝固および燃焼過程のモデリングの経験から、実験者との共同研究によって数理モデルを導出した。その数理解析からコロニーパターンの多様性の基本的な要因は環境条件の変化による相転移現象であることが示された。このほかにも、分担者によって、フラクタル表面の濡れ現象、コロイド結晶成長等応用的視点から、界面の高次元解析等理論的視点からの研究が進められた。1融解、凝固現象に出現する界面の動きを記述する自由境界問題の解析手法を非線形半群理論から発展させた(大春)。同時にこれまで困難であった高次元平衡界面の安定性解析を特異極限解析から可能とした(坂元)。

2チタンと炭素の高温合成のモデルとして発熱反応系を取りあげ、特異摂動法と計算機シミュレーションをハイブリッドに用いることから合成面の成長過程を明らかにした(坂元、三村)。3融解、凝固過程に微少擾乱がどのような影響を与えるかの理論的考察として、相分離方程式に擾乱を考慮した確率モデルを提案し、その解析に成功した(舟木)。4不安定凝固系の界面、複雑表面の物性的性質を工学の視点から考察した(石川、恩田)。5高次元の融解、凝固現象の数理モデルに有効な計算機解法として、ステファン問題に焦点を絞り、有限要素アルゴリズムを開発し(木村)、その動画システムを構築した(上山)。6任意形状の容器内の科学反応の計算機解析からの接近のための一例として、球面上の反応拡散系の計算アルゴリズムを開発した(三村、山田)。研究課題を1.モデリング、2.理論、3.数値解析の3点から得られた成果を順を追って述べる。1.融解、凝固の成長過程において複雑な樹枝状パターンが観察される。このようなパターンはバクテリアコロニー、自己触媒反応系、微少重力場での燃焼系等自然科学の広い分野で普遍的に現われることを数理モデル解析から理論的に明らかにした(三村)。複雑液体を記述する物質系に現われる相分離はメゾスケールで停止し、そこにおいて多様な空間構造が形成される。その機構解析に数理モデルを提出し、界面ダイナミクス法により、その構造の定量的理論を構成した(太田)。液滴分散系の2相流の界面ダイナミクスを取り上げ、そのモデルシミュレーション解析から、液滴の合体・分裂過程を明らかにした(奥薗)。2.融解、凝固成長に現われる相分離ダイナミクスを捉えるためには界面の運動方程式を確率モデルの特異極限解析の視点から考察し、確率反応拡散方程式の対する基礎理論を確立した(舟木)。反応拡散系に対する界面方程式の漸近展開を行い、パターン形式の遷移過程として現われる階層的な空間構造を特異摂動法から明らかにした(坂元)。結晶成長を異なる視点から接近するために、その類似現象として、微生物の増殖系を考え、その数理モデルの基礎理論を非線形半群理論から構築した(大春)。3.混じり合わない2相粘性流体のダイナミクスを記述するヘレーショウモデルの数値アルゴリズムを提案し、その誤差解析を行った。更に、符号不距離関数を用いたレベルセット法から自由境界問題の数値解法の開発を行った(木村)。上記の(三村)が提案したいくつかの成長系に対して、それらに現われるパターンの普遍性を数値シミュレーションから確証するために、3次元数値計算結果の動画システムを提案した。いくつかの結果はビデオに記録されている(草野、上山)。以上の成果は報告書に詳しく述べられている。
黄砂の簡易トレーサーとしてのリチウム同位体の有効性評価

アジア内陸の黄砂の発生源や輸送経路を解明するためには、発生源に特有な化学トレーサーを利用する方法が有効である。本研究では、自然界で同位体比が大きく変動するLi同位体に着目し、黄砂の輸送量が増大する春季に、九州西部で捕集したエアロゾル試料中のLi濃度とδ7Liの日間変動を測定した結果、1%HNO3で試料から溶出したLiのδ7Liは、その溶出率の増加と共に上昇することを見出した。このことから、1%HNO3可溶性Liのδ7Liは黄砂発生地域における土壌特性の違いを反映している可能性が示唆される。δ7Liは通常の四重極型ICP-MSで容易に測定可能であることから、黄砂の簡易トレーサーとして期待できる。本研究では、黄砂の簡易トレーサーとしてのリチウム同位体(δ7Li)の有効性を評価するため、まず日本の大気エアロゾルの主要な構成成分である人為発生源からの各種粉じん(石炭灰、ごみ焼却灰、自動車粉じん、日本の表層土壌、中国黄土)について、Li濃度、Li濃縮係数およびδ7Liを測定することにより、それらの発生源データを取得した。その結果、Li濃度は、石炭灰試料だけが著しく高い値を示したが、それ以外の試料は地殻の平均濃度に近い値であった。また、Li濃縮係数は、ごみ焼却灰、日本の表層土壌および自動車粉じん試料は約1であり、石炭灰および自動車粉じん試料は23の値であった。一方、δ7Liは石炭灰および日本の表層土壌試料の多くは、中国の黄土試料とともに負の値を示したが、ごみ焼却灰および自動車粉じん試料はいずれも正の値であった。次に、長崎県松浦市で採取された大気エアロゾル試料(約2週間連続捕集)のLi、Al濃度およびδ7Liを測定し、それらの変動要因を解析した。その結果、大気中のLi濃度とAl濃度は類似した月別変化を示し(r2=0.85, p<0.001)、黄砂の出現により3、4月に著しく増大した。また、冬季のエアロゾルには高いLi濃縮係数と高い正のδ7Liが観測された。後方流跡線解析により、冬季における大気エアロゾルはほぼ全て中国北部(北緯30度以北)から輸送されてきたことがわかった。これらの結果は、冬季における高いLi濃縮係数と高い正のδ7Liの原因が、中国大陸から輸送された土壌粒子、すなわち黄砂にあることを示唆している。このことから、黄砂発生地域である中国大陸内部の乾燥地域では、岩石風化により地下水中に7Liが6Liよりも優先的に溶出し、大気の乾燥化に伴う地下水上昇により土壌表層にLiを含む塩(炭酸塩や岩塩)が析出した可能性が考えられる。平成26年度は、本仮説の妥当性について検証を行う。平成25年度に測定を行った大気エアロゾルは、約2週間連続捕集されたものであり、その間に黄砂粒子がアジア大陸の広い地域から輸送されてくるため、試料中の黄砂粒子とその発生地域を個別に対応させることは困難である。そこで、平成26年度は、両者の対応が可能かどうかを判断するため、長崎県平戸市の観測地点(連携研究者が設置・管理)において、黄砂粒子の輸送量が増大する2012年3月7日から3月21日に24時間捕集された試料を用いて、存在形態別Li濃度(1%HNO3可溶性およびHF可溶性Li濃度)とそのLi同位体比(δ7Li)を測定した。その結果、1%HNO3可溶性Li濃度と総Li濃度には、大きな日間変動が存在し、総Li濃度に対する1%HNO3可溶性Li濃度の割合は、840%の範囲内で変動していることがわかった。また、1%HNO3可溶性LiとCa濃度間には正の相関(r2=0.40, P=0.016)があることから、Liはエアロゾル中の炭酸カルシウム相に存在していることが示唆された。一方、HF可溶性Liは、ケイ酸塩鉱物の主要元素であるFe(r2=0.95, P<0.001)やAl(r2=0.92, P<0.001)との濃度間に高い正の相関が認められた。このように、大気中のLiは、濃度だけでなくその存在形態も日間で大きく変動していることがわかった。現在、1%HNO3可溶性およびHF可溶性Liのδ7Liの測定を行っており、その結果を基に両者の値に明確な違いがあるのかどうかを明らかにする。また、後方流跡線解析の結果(実施済み)と併せて、それらのδ7Liの日間変動が黄砂粒子の発生源や輸送経路に関係付けられるのかどうかを調べる。その他、平成26年度には黄砂トレーサーとしての有効性が報告されているSr同位体について、MC-ICP-MSによる精密測定(平成27年度に実施)に必要な分離条件を検討した。[平成26年度に実施した研究の成果]黄砂の輸送量が増大する春季(2012年3月720日)に、長崎県平戸市で24時間捕集されたエアロゾル試料を対象にしてLi濃度とδ7Liの日間変動を調べた。エアロゾル試料のCa/Al濃度比とSr同位体比(87Sr/86Sr)は、アジア内陸部の土壌の値に類似していることから、本エアロゾルはそこを起源とする黄砂粒子が主体であることを確認した。大気中のLi濃度は日間で大きく変動していることがわかった。

また、1%HNO3可溶性Li(主として炭酸塩や硫酸塩の形態)のδ7Liは、Li溶出率(総Li濃度に対する1%HNO3可溶性Li濃度の割合)の増加とともに上昇する傾向を示した。このことから、そのδ7Liは、黄砂発生地域の土壌特性(乾燥化に伴う地下水上昇と土壌表層での塩の析出)の違いを反映している可能性が示唆される。[研究期間全体を通じて実施した研究の成果]本研究では、平成2425年度に大気エアロゾルの起源となる主要な粉じん(石炭灰、ごみ焼却灰、自動車粉塵、日本表層土壌、中国黄土)について、Li濃度とδ7Liを明らかにした。また、長崎県松浦市で2年間にわたって捕集されたエアロゾル試料の形態別(上記参照)のLi濃度とδ7Liを測定することにより、それらの季節変化を調べた。その結果、冬季のエアロゾル中にLiを著しく濃縮し、かつ大きなδ7Liを有する土壌粒子の存在が示唆された。この粒子は、石炭灰のLi濃度とδ7Liから石炭燃焼起源ではないと判断された。平成26年度には、上述したように黄砂の輸送量が増大する春季に、長崎県平戸市で24時間捕集されたエアロゾル試料を対象にしてLi濃度とδ7Liの日間変動を調べた結果、1%HNO3可溶性Liのδ7Liは、黄砂発生地域の土壌特性を反映している可能性があることから、黄砂の簡易トレーサーとしての利用が期待できる。アジア内陸の黄砂の発生源や輸送経路を解明するためには、発生源に特有な化学トレーサーを利用する方法が有効である。本研究では、自然界で同位体比が大きく変動するLi同位体に着目し、黄砂の輸送量が増大する春季に、九州西部で捕集したエアロゾル試料中のLi濃度とδ7Liの日間変動を測定した結果、1%HNO3で試料から溶出したLiのδ7Liは、その溶出率の増加と共に上昇することを見出した。このことから、1%HNO3可溶性Liのδ7Liは黄砂発生地域における土壌特性の違いを反映している可能性が示唆される。δ7Liは通常の四重極型ICP-MSで容易に測定可能であることから、黄砂の簡易トレーサーとして期待できる。大気エアロゾルのLi同位体比の測定精度を向上させるためには、陽イオン交換樹脂を用いて、分析溶液(試料分解溶液)中の共存成分(特にNa)からLiをほぼ完全に100%分離する必要がある。また、MC-ICP-MSによるSr同位体比の精密測定においても、Srを陽イオン交換樹脂で分離後、さらにSr分離用樹脂(Srレジン)を用いて精製しなければならない。これらの分離条件の最適化に予想以上の時間を要した。環境化学平成27年度は、研究を加速し、当初の計画通りに研究を実施する。まず長崎県平戸市の24時間捕集試料(2012年3月7日から3月21日)について、1%HNO3可溶性およびHF可溶性Li濃度とそのδ7Liとの関係を調べる。次に、後方流跡線解析およびSr同位体比測定の結果を用いて、δ7Liの日間変動が黄砂粒子の発生源や輸送経路に関係付けられるのかどうかを調べる。以上の結果を基に、黄砂の簡易トレーサーとしてのδ7Liの有効性とその限界について総合的に評価する。平成25年度の研究計画に沿って実施することができ、当初に期待された成果を得ることができた。陽イオン交換樹脂およびSr分離用樹脂によりSr同位体を分離する際に、条件の最適化に予想以上の時間を要したため、当該年度中にその分析までには至らなかった。これにより、Sr同位体の測定に関わる消耗品等の費用が掛からなかった。平成25年度に測定を行った大気エアロゾルは、約2週間連続捕集されたものであり、その間にエアロゾルはアジア大陸の広い地域から輸送されてくるため、試料中の黄砂粒子とその発生地域を個別に対応させることは困難である。
カルシウムイオンをキャリアとするポスト・リチウムイオン電池の研究

本研究において,カルシウムイオン電池用材料候補として数多くの1D,2D,3D構造化合物を合成・評価した。これら材料の物理化学特性ならびに電気化学特性評価により,Ca0.5CoO2およびNiFe-PBAはともに,Ca2+イオンの挿入・脱離反応を伴って充放電可能であることが初めて明らかとなり,カルシウムイオン電池用正極材料として有望であることがわかった。今年度は、ポスト・リチウムイオン電池として期待されるカルシウムイオン電池実現に必須な新規電極材料の探索・検討を行った。具体的には、当初の研究実施計画に従って、下記に示す正極材料,負極材料の合成手法の検討ならびにそれらの物理化学特性・電気化学特性の評価を行った。またこれに加えて、Ca/Ca^<2+>系可逆参照極の作製を目的とした新規電極の構成/基礎評価を行った。1.正極材料の検討正極材料として、結晶骨格の次元性が異なる各種カルシウムイオン含有無機化合物を検討した。これらの材料の中で特に、これまで報告例のない2次元層状構造を有するCa_xCoO_2をNaCoO_2のNa+/Ca2+イオン交換により合成するプロセスの検討に注力した。その結果、Ca_xCoO_2(x≒0.5)の合成に成功し、X線回折・XPSによって単一相が得られたことを確認したうえで行った電気化学特性評価により、充放電に伴ってCa2+イオンが予想通り脱離/挿入していることが明らかになった。2.負極材料の検討負極材料に要求される低電位が期待できる材料として、3次元骨格構造中にCa2+イオンを格納し得るチタン系複合酸化物を合成した。また、層間距離が広くかつ構造中にナノボアが存在するハードカーボンについては、予想に反して高電位で還元反応が観測されたため、その反応の詳細について今後解析を進める必要がある。3.参照極の検討Na-β"アルミナのNa^+/Ca^<2+>イオン交換反応により、目的物であるCa^<2+>イオン伝導性Ca-β"アルミナを得ることに成功した。この粉末をペレット化したディスク片面に集電体としてPtをスパッタした新規電極により、当初の狙い通り、電解液中のCa^<2+>イオンがCa-β"アルミナディスクを通過してPt面に到達していることがXPSによって確認された。この結果より、Ca/Ca^<2+>可逆参照極の実現可能性が示唆された。今年度は、年度当初の研究実施計画に従って、カルシウムイオン電池実現に必須な新規電極材料の探索、改良/合成手法検討、電気化学特性評価ならびに単一粒子電気化学特性評価系の構築/基礎評価を行った。1.電極の改良/合成手法検討:昨年度の研究により、Ca0.45CoO2が充放電可能であることを明らかにした。今年度はその発展研究として、Ca組成を0.5に増やした層構造配列の異なるCa0.5CoO2をイオン交換反応および錯体重合法により合成した。また新たな電極材料候補として、MoO2, MoO3の検討を開始した。一方、新規参照極としてのCa-β"アルミナ薄膜被覆電極を作製すべく、エアロゾルデポジション装置を導入し成膜条件の検討を行ったが、緻密な成膜にはなお条件最適化が必要であることがわかった。2.各電極材料の電気化学特性基礎評価:上記の2種類の方法で合成したCa0.5CoO2の充放電特性を評価した結果、いずれも充放電可能であることが明らかとなった。両者を比べると、粒径が細かい錯体重合法試料の過電圧が低減していることから、固相内イオン拡散が特性に大きな影響を及ぼしている可能性が示唆された。また、層状MoO3がCa2+イオンの挿入/脱離特性に優れていることがXRD測定により判明した。3.単一粒子の電気化学特性評価:当初は、合成した電極材料粉末粒子1個の電気化学特性を評価するために顕微鏡下マイクロマニピュレーション電気化学特性評価系の検討から開始したが、顕微鏡下での単一粒子の電気的接触確立が再現性に乏しいことが判明した。そこで新たに、FIB装置内で電極プローブ先端にPtデポジションで単一粒子を固着する「粒子/集電体一体型電極作製法」を考案し、この新規微小電極作製法をLi-ion電池用電極材料(Li4Ti5O12)に適用して、その機能検証実験に成功した。1.2D層状MoO3の微粒子化による電極材料特性向上昨年度の検討によりCaイオン電池用正極材料として充放電可能であることを明らかにしたMoO3の容量増大を図るため、遊星型ボールミルによる微粒子化(平均粒径: 3.9μm →0.67μm)を行った。その結果、固相内Caイオン拡散パスが短縮化され、過電圧低減・容量増大が可能となった。2電子反応を狙った充放電試験では、電解液分解副反応に由来するクーロン効率低下が認められたものの、1電子反応容量(186mAh/g)を超える205mAh/gの初回充電容量が得られた。2.3Dフレームワーク構造電極材料の探索

・特性評価結晶構造的に高い可逆性が期待できる材料として、構造内に大きなボトルネックを有するオープンフレームワーク構造材料に着目し、その中でも、シアノ架橋ペロブスカイト型フレームワーク構造を有するプルシアンブルー類似体(PBA;AxM[M'(CN)6]・nH2O、以下MM'-PBAと表記)を検討対象とした。沈殿法によって合成した各種MFe-PBA(M: Ni, Mn, Co)試料の予備試験を通してNiFe-PBAに絞り込み、Caイオン電池用正極材料としての特性詳細評価ならびにその特性改善を行った。その結果、脱水処理を施すとともに、導電助剤として高電子伝導性KBを用いることで、容量・サイクル性などの電極性能を改善することに成功した。また、10回以上繰り返し充放電を行っても容量劣化が見られないことから、これまでになく良好なサイクル特性を示す材料であることが明らかとなった。3.反応機構解明XRD,EDX,XPS等の分析援用により反応機構解明を進めた。特に、オープンフレームワーク構造材料として新たに検討したNiFe-PBAの場合、主にFe3+/2+のレドックス反応によってCa2+イオンの挿入/脱離反応が可逆的に進んでいることがわかった。26年度が最終年度であるため、記入しない。電気化学エネルギーデバイス26年度が最終年度であるため、記入しない。研究の目的であるカルシウムイオン電池実現に必要な正極,負極,参照極それぞれの材料合成・評価が、研究実施計画に従っておおむね順調に進展している。研究の目的であるカルシウムイオン電池実現に必要な電極それぞれの材料合成・評価が、研究実施計画に従っておおむね順調に進展している。今年度の研究により各種電極の新規材料を見出すことができたが、反応機構解析・特性改良など今後さらに検討を深める必要がある。また参照極の検討において、電極抵抗低減を図るために固体電解質の薄膜化が必要であることが明らかとなったため、次年度は新たにエアロゾルデポジション法による成膜装置(AI)装置)の導入/実験を進める予定である。今年度の研究により新規電極材料を見出すことができたが、今後は最適粒径決定等条件最適化を図って特性向上を図る必要がある。また、単一粒子特性評価等の実験を通して反応機構を解明しつつ、総合評価を進める予定である。当初購入を予定していた特注電解液が試薬メーカーの事情で入手不可能となり次年度使用の助成金が生じたが、一方で、今後の推進方策の項で記載したAI)装置整備の必要性が浮上したため、来年度の研究費と合わせてこのAD装置購入費用に充当する計画である。当初購入を予定していた特注電解液が試薬メーカーの事情で入手不可能となり、次年度に購入して検討を行うこととした。H25年度に入手できなかった電解液は次年度購入できる見通しであり、入手でき次第検討を進める予定である。
コリメータ法によるポジトロン核種SPECTのペネトレーション補正

ポジトロン核種をガンマカメラ装置で撮像する場合コリメータ法がある.このコリメータ法で行う場合必ずペネトレーションが存在する.そのため画像や定量性が著しく劣化してしまう.そこでペネトレーションを画像処理で除去することを試みた.前年度において画像のペネトレーション成分を効率良く再現する5×5カーネルを導き出した.このカーネルを使用し,投影データ画像からペネトレーション画像SCを推定した.そして次式を実行した.ここでIcorreはペネトレーション補正画像,Pは投影データ画像,SCsとPsは同じ3×3スムージングという平滑化フィルタで処理したペネトレーション推定画像と投影データ画像である.この方法を心筋FDG-SPECTに応用した.使用装置は,超高エネルギーコリメータを装着したガンマカメラVertexであった.Oral glucose loading 30分後に555 MBqのFDGを投与し1時間後に撮像した.また単純な投影データ画像からペネトレーション推定画像を減算した場合(減算法)と上式の処理結果(新手法)を比較した.雑音の程度は,投影データにおいて被検者の外に関心領域を取り,その中の変動係数を求めることで行った.補正前は19.0%,減算法は43.9%,新手法は7.9%であり,新手法は雑音を増大していないことが確認できた.次に梗塞部位と正常部位のコントラストを求めた.補正前は0.254,減算法は0.345,新手法は0.345であり,補正することで梗塞部位が明瞭に描出されることを確認できた.このようにペネトレーション成分を補正することで,病変部位を認識しやすくなり,それに加えて新手法では雑音の上昇を抑えることが確認できた.ペネトレーションを推定するため点広がり関数を測定した。使用装置はADAC社製VERTEXガンマカメラシステムであり超高エネルギー用コリメータ(UEGP)を装着した。線源はF-18の点線源であった。測定された画像は、ペネトレーションの影響により視野全体に及んでいた。またその形状は正六角形の対角線のような放射状となっていた。次にペネトレーション画像のシミュレーションを試みた。使用装置は、東芝製スーパーワークステーションS7000 U5/360 PGX24であった。はじめに点像を5X5の2次コンボリューション・カーネルで20回畳み込んだ、使用したカーネルは3種類であり、{0,0,0.2,0,0,0,0,0.2,0,0,0,0,0.2,0,0,0,0,0.2,0,0,0,0,0.2,0,0}と{0,0,0,0,0.04,0,0,0,0.1,0.16,0,0.1,0.2,0.1,0,0.16,0.1,0,0,0,0.04,0,0,0,0}および{0.04,0,0,0,0,0.16,0.1,0,0,0,0,0.1,0.2,0.1,0,0,0,0,0.1,0.16,0,0,0,0,0.04}であった。そして、それぞれで畳み込んだ処理画像を足し合わせた。結果は点像を正六角形の対角線のような放射状に変換することができた。このように今回導き出した2次元コンボリューション・カーネルは、5x5の小さいサイズでありながら視野全体に及ぶペネトレーション画像を効率良く再現することができた。このことは臨床に使用されている装置でも容易に本手法が応用できると考えられた。ポジトロン核種をガンマカメラ装置で撮像する場合コリメータ法がある.このコリメータ法で行う場合必ずペネトレーションが存在する.そのため画像や定量性が著しく劣化してしまう.そこでペネトレーションを画像処理で除去することを試みた.前年度において画像のペネトレーション成分を効率良く再現する5×5カーネルを導き出した.このカーネルを使用し,投影データ画像からペネトレーション画像SCを推定した.そして次式を実行した.ここでIcorreはペネトレーション補正画像,Pは投影データ画像,SCsとPsは同じ3×3スムージングという平滑化フィルタで処理したペネトレーション推定画像と投影データ画像である.この方法を心筋FDG-SPECTに応用した.使用装置は,超高エネルギーコリメータを装着したガンマカメラVertexであった.Oral glucose loading 30分後に555 MBqのFDGを投与し1時間後に撮像した.また単純な投影データ画像からペネトレーション推定画像を減算した場合(減算法)と上式の処理結果(新手法)を比較した.雑音の程度は,投影データにおいて被検者の外に関心領域を取り,その中の変動係数を求めることで行った.補正前は19.0%,減算法は43.9%,新手法は7.9%であり,新手法は雑音を増大していないことが確認できた.次に梗塞部位と正常部位のコントラストを求めた.補正前は0.254,減算法は0.345,新手法は0.345であり,補正することで梗塞部位が明瞭に描出されることを確認できた.このようにペネトレーション成分を補正することで,病変部位を認識しやすくなり,それに加えて新手法では雑音の上昇を抑えることが確認できた.
イネ幼芽期低温抵抗性の分子基盤の解明

イネの低温抵抗性の分子的基盤の理解を目的として、幼芽期低温抵抗性遺伝子qCTP11の解析および単離を行った。幼芽期に08°Cで低温処理を行った結果,qCTP11座の効果は46°C以下で見られることが明らかとなった.また乾燥や塩ストレスには効果を示さなかった。マイクロアレイ解析を行ったところ、低温ストレスに応じて発現が変動した遺伝子数は、感受性系統に比べ、抵抗性系統で少なくなった。qCTP11の候補遺伝子について、「日本晴」由来のBACクローンを用いてプロモーター領域およびコード領域を含む約10 kbpの領域を増幅できた。現在は定量的RT-PCRによる発現解析と形質転換体の作出を進めている。低温はイネの栽培地域や生産性を制限する最大の要因の一つである。これまで幼芽期低温抵抗性遺伝子qCTP11に関してファインマッピングを行い、1つの候補遺伝子を絞り込んだ。抵抗性型対立遺伝子を持つA58と感受性型対立遺伝子を持つW107および「ほしのゆめ」を用いた遺伝解析、および候補遺伝子の塩基配列の比較から、1. qCTP11座による低温抵抗性の発現は劣性の遺伝様式を示すこと、2.ファインマッピングにより絞り込まれた候補遺伝子に関して、A58型(抵抗性型)対立遺伝子は73 bpの欠失により機能欠損型のタンパク質をコードすること、の2点が明らかとなり、候補遺伝子の機能欠損により低温抵抗性が付与される可能性が極めて高いことが示された。本年度は、戻し交雑後代によりA58にW107よりqCTP11領域を導入したA58 qCTP11-W(BC7-8)、および「ほしのゆめ」にA58よりqCTP11領域を導入したおよびHos qCTP11-A(BC3-4)を育成した。「日本晴」ゲノムでは、約950 kbp下流に塩基配列レベルで99%の相同性を持つパラログが存在する。qCTP11候補遺伝子およびパラログについて、低温処理と無処理の条件で発現を比較したところ、両条件とも「ほしのゆめ」よりもA58で強い発現を示した。このことから、A58の示す幼芽期低温抵抗性は、qCTP11候補遺伝子の機能が正常に働かないことに起因する可能性と、qCTP11候補遺伝子の機能欠損によりパラログの発現が上昇したことによる可能性が示された。今後はqCTP11座候補遺伝子の形質転換体作出による相補性検定を行い原因遺伝子を特定する。また、A58と「ほしのゆめ」遺伝背景のNILを用いた発現解析を行うとともに、qCTP11候補遺伝子とパラログそれぞれの過剰発現イネまたはノックダウンイネを作成し、発現解析を行なう。幼芽期低温抵抗性遺伝子qCTP11に関してファインマッピングを行い、候補遺伝子を1つに絞り込んだ。qCTP11座による低温抵抗性の発現は劣性の遺伝様式を示し、抵抗性型品種は73 bpの欠失により機能欠損型のタンパク質をコードすることから、候補遺伝子の機能欠損により低温抵抗性が付与される可能性が極めて高いことが示されている。「日本晴」ゲノムでは、候補遺伝子を含む約11kbの領域において約930 kbp下流に重複領域が存在し、塩基配列レベルで候補遺伝子と99%の相同性を持つパラログが存在する。そのためプロモーター領域を含む遺伝子全長の特異的PCR産物を得ることが極めて困難であった。現在遺伝子全域を複数の領域に分けPCR増幅を進めており、次年度コンストラクトの作成と形質転換体の作出を進める予定である。また本年度はA58(抵抗性型)、A58に野生イネ系統W107(感受性型)よりqCTP11領域を導入した準同質遺伝子系統A58qCTP11-W107および「ほしのゆめ」(感受性型)を用いて、抵抗性型と感受性型の遺伝子発現をマイクロアレイによって比較した。系統ごとに低温処理の前後で発現レベルが異なったプローブ(低温処理後にレベルが2倍以上上昇または減少したもの)の数を調査したところ、低温ストレスに応じて変動したプローブの数は、A58が最も少なく、NILはA58と「ほしのゆめ」の中間だった。また低温処理の前後で発現レベルが顕著な変動を示している遺伝子の中で、A58とA58qCTP11-W107の間で発現パターンが異なるものの中には、DREB遺伝子やZFP遺伝子など低温応答性に関わる既知の転写因子が存在した。これらはqCTP11遺伝子の下流にある低温応答関与遺伝子の候補と考えられた。抵抗性品種A58に感受性型対立遺伝子を導入したNIL(A58qCTP-W),感受性品種「ほしのゆめ」に抵抗性型対立遺伝子を導入したNIL(HOSqCTP-A)を用いて遺伝子作用を調査した.幼芽期に01,2,4,6および8°Cで低温処理を行った結果,qCTP11座の効果は46°C以下で見られることが明らかとなった.また幼芽期に乾燥処理を行った結果,A58は強く,「ほしのゆめ」は弱いという明瞭な差が見られたが,それぞれの系統とNIL間では差がなかった.このことから,qCTP11は乾燥耐性に関与していない可能性が考えられた.A58は「ほしのゆめ」に比べ再分化効率が劣っていたため、HOSqCTP-Aを用いて形質転換体の作出を試みた。

プロモーター領域およびコード領域を含む約10 kbpの領域についてゲノムDNAからのPCRを試みたが、qCTP11が反復性の高い遺伝子であるため特異的の増幅ができなかった。そこで、qCTP11領域を含むBACクローンを入手しPCRを行ったところ、目的サイズの断片を得ることができた。現在はこの断片のイネ形質転換用ベクターへの導入を進めており、ベクターが得られ次第、形質転換個体の作出を行う予定である。A58、A58qCTP-Wおよび「ほしのゆめ」を用いてqCTP11遺伝子についてRT-PCR解析を行なったところ、すべての系統でqCTP11遺伝子の発現が検出され、発現レベルに顕著な差は認められなかった。さらにqCTP11遺伝子の下流にある遺伝子群を特定するため、マイクロアレイ解析を実施した。系統ごとに低温処理の前後で発現レベルが異なったプローブの数を調査したところ、低温ストレスに応じて変動したプローブの数は、A58が最も少なく、A58qCTP-WはA58と「ほしのゆめ」の中間だった。現在、定量的RT-PCRにより詳細な解析を進めている。イネの低温抵抗性の分子的基盤の理解を目的として、幼芽期低温抵抗性遺伝子qCTP11の解析および単離を行った。幼芽期に08°Cで低温処理を行った結果,qCTP11座の効果は46°C以下で見られることが明らかとなった.また乾燥や塩ストレスには効果を示さなかった。マイクロアレイ解析を行ったところ、低温ストレスに応じて発現が変動した遺伝子数は、感受性系統に比べ、抵抗性系統で少なくなった。qCTP11の候補遺伝子について、「日本晴」由来のBACクローンを用いてプロモーター領域およびコード領域を含む約10 kbpの領域を増幅できた。現在は定量的RT-PCRによる発現解析と形質転換体の作出を進めている。候補遺伝子領域の反復性が障害となり、予想以上に形質転換体の作出が難航している。そのため、遺伝子発現解析については先行してマイクロアレイ解析により行った。植物育種学2015年度は形質転換体の作出を中心に研究を進め、原因遺伝子の証明を行う予定である。また、マイクロアレイ解析での結果から、qCTP11遺伝子の下流にある低温応答関与遺伝子の候補として挙げられた遺伝子については、定量的RT-PCRを行ない、発現レベルの変動について詳細に解析する予定である。準同質遺伝子系統を利用した各種ストレス耐性の評価については継続して実験を進める。材料育成と発現解析については予定通り進行している。qCTP11座候補遺伝子の形質転換体はまだできていないが、次年度以降に予定していた発現解析を本年度先に進めることができた。予定していた形質転換体の作出が遅れ、実験が次年度に持ち越されたため。qCTP11座候補遺伝子の形質転換体作出による相補性検定を行い原因遺伝子を特定する。W107型もしくは日本晴型のqCTP11座候補遺伝子(5'上流域、コード領域および3`下流域を含む)をクローニングしたバイナリーベクターを作製し、これを用いてA58の形質転換を行う。なお、5'上流域については、少なくとも3 kbpの配列を用いる。作出した形質転換体(T0世代)より得られた種子を用いて幼芽期抵抗性試験を行い、導入遺伝子の有無と低温感受性の相関を調査する。A58の形質転換効率が低く、形質転換体が得られない場合には、「ほしのゆめ」にA58からqCTP11領域を導入したNILsを用いて形質転換体の作出を行う。
miRNAが制御する子宮内膜症間質細胞の脱落膜化機構の解明と診断・治療への応用

正常子宮内膜間質細胞および卵巣子宮内膜間質細胞を分離・培養し、dibutyryl cyclic-AMPとdienogestを用いて脱落膜化を誘導した。miRNAmicroarrayおよびgene expression microarrayを用い、脱落膜化正常子宮内膜間質細胞と脱落膜化卵巣子宮内膜間質細胞の遺伝子発現解析およびネットワーク解析を行った。miR-30familyの発現増強は、脱落膜化正常子宮内膜間質細胞と脱落膜化卵巣子宮内膜間質細胞とに共通して認められた。しかし、miR-210の発現増強は、脱落膜化卵巣子宮内膜間質細胞のみに認められた。2miRNA及びmRNAの網羅的発現解析の実施ECSCsと脱落膜化ECSCs、NESCsと脱落膜化NESCs(全てn=4)とを比較したmiRNA microarray及びgene expression microarrayを行った。miRNA microarrayの結果、miR-30a及びmiR-30eの発現増強が脱落膜化NESCsに認められた。一方、miR-210の発現増強が脱落膜化ECSCsに認められた。現在までの研究成果から、miR-30a及びmiR-30eが正常子宮内膜間質細胞の脱落膜化を制御するが、子宮内膜症間質細胞ではこの制御機構が欠落していること、miR-210が子宮内膜症間質細胞の脱落膜化を制御する可能性が示された。また、本研究によって、miRNAを介した脱落膜化調節機能の異常が子宮内膜症の病態形成に関与する可能性も示された。本年度の目標だった上記1から3が達成されたことから、現在までの進捗状況はおおむね順調に進展していると考えられる。特に、miRNAmicroarray解析によって、健常群(NESCs)及び疾患群(ECSCs)でそれぞれひとつずつのmiRNAが抽出された点が大きな成果だった。一方、miRNA microarray及びgene expression microarrayのデータを投入したパスウェイ解析には予想以上の時間を要した。In slico解析のノウハウが乏しかったため、専門技術者と何度も打ち合わせを行いながら、試行錯誤の末、候補ネットワークを抽出した。ジエノゲストは、子宮内膜増殖抑制作用と脱落化誘導能を有し、異所性子宮内膜組織を有する子宮内膜症患者の内分泌療法に用いられる。脱落膜化機構ネットワーク経路は、mRNA及びタンパク質発現レベルで解明されつつあるが、転写後修飾に関しては未解明である。そこで本研究では、マイクロRNA(miRNA)によって制御されるジエノゲストの脱落膜化機構の解明を試みた。昨年度までに、脱落膜化実験モデルの構築、脱落膜化刺激下のmRNA及びmiRNAの発現解析を終了した。最終年度は、得られた発現解析データを用いてパスウェイ解析を行い、miRNA-mRNA相互作用を介した脱落膜化機構のネットワーク経路を検索・抽出した。以上から、miR-30a及びmiR-30eが正常子宮内膜間質細胞の脱落膜化を制御するが、子宮内膜症間質細胞ではこの制御機構が欠落していること、miR-210が子宮内膜症間質細胞の脱落膜化を制御することが明らかとなった。1遺伝子発現における再現性を検証するために、抽出されたネットワーク上のシグナル伝達分子について、脱落膜化刺激による発現変化をreal time RT-PCR法を用いて定量する。2培養細胞における再現性を検証するために、培養細胞上で、抽出されたmiRNA及び脱落膜化の指標となる分子(IGFBP1とPRL)に関してin situハイブリダイゼーションを行い可視化する。研究計画書では、脱落膜化マーカー遺伝子2種(IGFBP1とPRL)と発現変動を示したmiRNAを指標にしたパスウェイが抽出されない場合は、他の報告者からの脱落膜化マーカー遺伝子と発現変動を示したmiRNAとを指標に再解析を行う予定であった。しかし、miR-30、miR-210が抽出されたことから、再解析は不要になった。産婦人科学
森林の群落構造・生理的特性の流域スケールでの時空間分布解析

本研究によって得られた成果として特記すべきことは次の3点である。(1)年々の気象条件の違いは森林構成樹種の葉の形成に影響をもたらし,それが年間の光合成活動期間を変化させるために森林全体の炭素吸収量が年変動を示すことが明らかになった。(2)地形や微気象条件,植生分布が空間的に複雑である山岳地域では高解像度なシミュレーションモデルが必須であり,従来のモデルでは生態系炭素吸収量を大きく過大評価してしまうことが明らかになった。(3)個葉スケールでの光合成および反射・透過光スペクトル特性と葉群構造を考慮した放射伝達モデルと群落光合成モデルを組み合わせることにより,森林の光合成能力を表す衛星データ解析手法を新たに開発することができた。植物生理生態学的アプローチは,樹木の成長量のように時間的に統合された情報の解釈やシミュレーションモデルによる時空間的スケーリングに要するパラメータを提供することによって,生態系構成要素と微気象学的要素との関係についてメカニスティックな理解を導く。本研究では,森林生態系の炭素吸収過程の衛星リモートセンシング観測精度向上を目的として,(1)林冠木の個葉光合成・呼吸特性,(2)分光反射・吸収特性,(3)森林葉面積指数,(4)レーザースキャナによる林冠3次元構造の観測を行った。(1)と(2)の観測結果をあわせて解析した結果,個葉光合成特性やクロロフィル含量は,分光反射・吸収特性と高い相関を持つことが示された。これは,リモートセンシングにより植物群落の光合成パラメータを推定できる可能性を示唆している。また森林葉面積指数を,全天写真撮影,光合成有効放射量観測,リター(落葉)量計測などの複数の手法で検討し,季節変化パターンを明らかにするとともに年間の最大値が衛星リモートセンシングデータによって導かれる可能性を見いだした。レーザースキャナによって20mx20m程度の範囲の森林の地上部3次元構造を計測し,葉群密度の季節変化と空間分布を見いだすことができた。以上の基礎的な観測と解析により,衛星リモートセンシングによる森林生態系観測の精度向上のための方向性が明らかとなった。19年度には引き続き現場での生態系パラメータ観測を行うとともに,シミュレーションモデルによる統合的解析を進める。平成19年度は,昨年度と同様に,(1)落葉広葉樹林林冠木の個葉光合成,分光特性,生化学(クロロフィル,窒素含量)の測定,(2)林冠の葉面積指数の測定(光の透過率観測,全天写真撮影,落葉量による推定)を継続した。加えて,(3)生態系炭素収支モデルによる森林全体の光合成量GPPのモデルシミュレーション実験,(4)平成18年度に地上レーザープロファイラにより観測した林冠の3次元構造のモデルへの導入実験,(5)衛星リモートセンシングデータ(MODISの生態系総光合成生産,葉面積指数プロダクト)の取得と解析,(6)重点研究サイト(約50km^2)を対象とした流域スケールへのモデルの展開,を遂行した。これまでに観測した林冠木の光合成特性および葉面積指数の季節変化を生態系モデルに導入したところ,森林全体のGPPは,計算実施期間4年間のうちで約10%変動することが示された。また個葉光合成特性の季節変化を考慮しなければ,Gppは20%近く過大評価されることが明らかとなった。またこの結果をMODISのGPPプロダクトと比較した結果,MODISデータは山岳地帯での雲ノイズや地形の複雑性のために十分な精度でモニタリングができていないことが確認された。現地での植物生理生態学的観測と衛星データの地上検証に基づいた流域スケールモデル(空間解像度100mメッシュ)の開発により,山岳地の森林生態系の構造・機能の時空間分布解析が可能となり始めた。平成20年度は本研究課題の総括として特に次の研究を推進した。(1)冷温帯落葉広葉樹林における個葉光合成特性,葉面積指数,微気象条件(日射,気温,湿度など)などを生態系シミュレーションモデルNCAR-LSMにて結合して,落葉広葉樹林の炭素吸収(光合成)と放出(呼吸)量の季節性(フェノロジー)と年変動が気象や森林構成樹種の特性により受ける影響の定量的検討を4年分のデータについて行った。(2)衛星リモートセンシングによって観測した流域スケールでの生態系タイプおよび葉面積指数を,高解像度数値気象モデルおよび上記(1)の生態系モデルと結合して,流域スケールでの炭素・熱・水収支を解析するモデルを開発した。これらの研究によって得られた成果として特記すべきことは次の2点である。

(1)年々の気象条件の違いは森林構成樹種の葉の形成に影響をもたらし,それが年間の光合成活動期間を変化させるために森林全体の炭素吸収量が年変動を示すこと。(2)地形や微気象条件,植生分布が空間的に複雑である山岳地域では高解像度なシミュレーションモデルが必須であり,本研究により従来のモデルでは生態系炭素吸収量を大きく過大評価(50%以上)してしまうことが明らかになった。これらの研究に加えて,リモートセンシングによる森林葉群構造の季節性のモニタリング手法の再検証を進めた。それにより,従来の植生指標であるNDVIは展葉期の観測には適するが落葉期の観測には適さないことが明らかとなった。
繊維状ウイルスからなる液晶性分離膜の構築と特性評価

任意の分子を分離・回収できる分離膜を創製することを目指し、繊維状ウイルス(ファージ)を素材として、それらが液晶分子のように配向した液晶性分離膜を構築し、その分離特性の制御と詳細な評価を検討した。前年度までに、三分岐の酸クロリドを溶解させたヘキサンをファージ水溶液に重層することで、界面重合によりファージの集合化を固定化・不溶化した膜を構築でき、さらにそれらが分子量5000程度のタンパク質の通過を阻止できることを明らかにしている。本年度は、構築したファージ膜の分離特性をより詳細に評価し、分離膜としての適用可能性を明らかにすることを目指した。調製するファージ濃度によって同一タンパク質の阻止率が変化することがわかったため、この阻止率の変化が膜厚によるかどうかを評価した。同一のファージ濃度で反応時間を変化させて膜厚の異なるファージ膜を調製し、それぞれ阻止率を測定した結果、膜厚に依存することなく阻止率や透過流束は一定であり、ファージ膜を形成しているファージ分子間のパッキングといった集合状態によってその阻止率が決定されていることがわかった。このことは、固定化する際のファージの集合状態によって分離特性を規定できる可能性を示唆している。実際に、濃度の異なるファージ溶液から調製したファージが液晶配向した膜と無配向膜両者に対して、分子量や電荷、また疎水性の異なる低分子色素化合物の阻止率を定量した結果、ファージが液晶配向した膜では分子量400を境として阻止率が急激に低下したのに対し、無配向膜の場合には分子量800から阻止率は徐々に低下した。すなわち、様々な分離特性をもつ膜をファージから構築できることが明らかとなり、巨大なファージ分子を素材としながら、分子量400程度の分画分子量をもつ緻密な膜を構築できることがわかった。界面重合により構築した繊維状ウイルス(ファージ)からなる膜(ファージ膜)の分離特性を詳細に評価することができ、また集合状態によってその分離特性を制御できることを明らかにした。特に、分画分子量を比較的制御できることを見出したため、表面に機能性ペプチドを導入したファージを用いることで、様々な機能をもつ分離膜を自在に構築できる可能性を明らかにすることができた。ファージ表層に様々な機能性ペプチドを導入することで、機能性分離膜を構築する。特に、集合状態の制御では分画分子量は最小で400程度となることが見出されたため、より小さなイオンを選択的にトラップできる分離膜の構築を検討する。ここでは、過去に獲得してきたレアアースであるネオジムに結合するペプチドや金に結合するペプチドを用い、イオンの選択的なトラップやそれに基づく機能創製を目指す。望みの分子を分離・回収できる分離膜の創製を目指し、繊維状ウイルス(ファージ)を素材とした液晶性分離膜を構築した。繊維状ウイルス集合構造を固定化して不溶化するため、界面重合の利用を検討した。三分岐の酸クロリドをヘキサンに溶解させ、ファージ水溶液に重層した結果、ヘキサンと水の界面に白色の膜が生成する様子が観察され、ファージが界面で酸クロリドと反応していることが示唆され、界面重合によりファージの集合構造を固定化でき、さらに不溶化できることがわかり、本手法によりファージからなる膜を構築できることがわかった。同様の手法で支持膜上にファージからなる膜を構築することにも成功し、取扱いの容易なファージ膜を構築することに成功した。様々なファージ濃度で膜を構築して洗浄後に走査型電子顕微鏡により観察した結果、一定濃度以上で明らかに支持膜よりも密に集合化している構造体が観察され、ファージが不溶化して膜形成していることがわかった。偏光顕微鏡観察の結果、より高濃度条件下では明確な複屈折性が観察され、濃度によって液晶配向状態が異なることもわかった。この膜の強度や集合構造はファージ濃度のみならず酸クロリドの濃度や分岐数によっても制御することができ、様々な特性をもつファージ膜を構築できることがわかった。様々な集合構造をもつファージ膜に対して分子量の異なるタンパク質をフローし、その阻止率を定量した結果、効率良く阻止できるタンパク質の分子量と集合構造には相関があり、高濃度のファージ溶液を用いて調製したファージ膜の方がより小さな分子量のタンパク質の通過を阻止できることがわかった。特に、最も高濃度で調製した膜は分子量5000程度のタンパク質の通過も阻止でき、緻密な膜が形成されていることがわかった。界面重合により繊維状ウイルス(ファージ)の集合構造が固定化されて不溶化した膜を構築できることがわかり、また支持膜を適切に利用することで取扱いの容易な膜を得ることに成功した。また、様々な特性をもつファージ膜を構築する手法を確立することに成功した。さらに、集合構造の異なる膜それぞれが異なる分離特性をもつことがわかり、様々な分子の分離に適用できることを見出し、初年度の目標を達成することができた。

調製するファージ濃度によって同一タンパク質の阻止率が変化することがわかったため、この阻止率の変化が膜厚によるかどうかを評価した。同一のファージ濃度で反応時間を変化させて膜厚の異なるファージ膜を調製し、それぞれ阻止率を測定した結果、膜厚に依存することなく阻止率や透過流束は一定であり、ファージ膜を形成しているファージ分子間のパッキングといった集合状態によってその阻止率が決定されていることがわかった。このことは、固定化する際のファージの集合状態によって分離特性を規定できる可能性を示唆している。実際に、濃度の異なるファージ溶液から調製したファージが液晶配向した膜と無配向膜両者に対して、分子量や電荷、また疎水性の異なる低分子色素化合物の阻止率を定量した結果、ファージが液晶配向した膜では分子量400を境として阻止率が急激に低下したのに対し、無配向膜の場合には分子量800から阻止率は徐々に低下した。すなわち、様々な分離特性をもつ膜をファージから構築できることが明らかとなり、巨大なファージ分子を素材としながら、分子量400程度の分画分子量をもつ緻密な膜を構築できることがわかった。界面重合により構築した繊維状ウイルス(ファージ)からなる膜(ファージ膜)の分離特性を詳細に評価することができ、また集合状態によってその分離特性を制御できることを明らかにした。特に、分画分子量を比較的制御できることを見出したため、表面に機能性ペプチドを導入したファージを用いることで、様々な機能をもつ分離膜を自在に構築できる可能性を明らかにすることができた。構築した液晶性分離膜の構造と分離特性の相関を評価することを目指す。ファージの濃度や酸クロリドの濃度、また反応時間などを変化させて調製したフィルムそれぞれに対し、分子量の異なるタンパク質や金属ナノ粒子を透過させて阻止率を評価する。それらでは十分に阻止率が評価できない場合には、より分子量の小さな低分子化合物を用いて阻止率を評価することも検討する。また、原子間力顕微鏡観察によりファージ分子の集合状態をより詳細に評価することで、ファージ分子の集合状態と分子透過性を比較してファージ膜の分離膜としての利用可能性をより明らかにすることを目指す。ファージ表層に様々な機能性ペプチドを導入することで、機能性分離膜を構築する。特に、集合状態の制御では分画分子量は最小で400程度となることが見出されたため、より小さなイオンを選択的にトラップできる分離膜の構築を検討する。ここでは、過去に獲得してきたレアアースであるネオジムに結合するペプチドや金に結合するペプチドを用い、イオンの選択的なトラップやそれに基づく機能創製を目指す。繊維状ウイルスを素材とした液晶性分離膜を調製する手法が予定より早く構築できたため、条件検討に必要と思われた生化学ならびに化学試薬の使用が予定より少なくなった。次年度は、集合構造の異なる膜に対して様々な分子を用いた分子透過実験を網羅的に実施することにより、分離特性を早々に明らかにすることを目指す。繊維状ウイルスを素材とした液晶性分離膜の分離特性を評価する手法を予定より早く確立できたため、条件検討に必要と思われた生化学試薬や透過させるタンパク質や低分子化合物の使用が予定より少なくなった。次年度は、遺伝子工学により機能性ペプチドをもつファージを様々調製し、有用もしくは有害なイオンの選択的な回収や除去を行う。