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ヒト内在性レトロウイルスの発現機構と役割の解明

ヒト内在性レトロウイルス(HERVs)はヒトゲノムの8%を占めている。HERVsは初期胚細胞で発現し、その後発現が制御される。しかし、様々な疾患でHERVsが発現することから病気との関連が注目されている。我々は、HIV-1感染細胞でHERV-KがHIV-1の増殖を抑制することを報告した。HERVsは外来性レトロウイルスの脅威から宿主を守る働きがあるのかもしれない。また、HERVsは転写因子Sox2により活性化され、長期培養によりゲノムを転移することを発見した。このことから、HERVsは発生初期の短期間で重要な役割を担っているが、長期間発現したままだと癌等の疾患につながる可能性が示唆された。本研究は、宿主細胞でヒト内在性レトロウイルスの発現機構を解明し、その発現を増幅させることによりヒト外来性レトロウイルスの増殖が抑制するか明らかにすることを目的としている。本研究はヒト内在性レトロウイルスがヒト外来性レトロウイルスに干渉するか、また内在性レトロウイルスが宿主細胞の多様性に関与するかを知るための重要な知見となることが期待される。以前の研究で、ヒト内在性レトロウイルスを強制発現させた細胞では、ヒト外来性レトロウイルスであるHIV-1の増殖を抑制することがわかっていた。本研究では、その抑制機序と抑制に関与するドメインの同定を行った。その結果、ヒト内在性レトロウイルスのGag蛋白質のCAドメインが、HIV-1 Gag蛋白質と相互作用し、HIV-1の放出を抑制するだけでなく、成熟ウイルスの数を減らす事で、感染性を劇的に低下させることがわかった。これらの現象は2つの別の機序によって起こっている事がわかった。以上のことから、ヒト内在性レトロウイルスは健常人では潜伏しているが、外来性レトロウイルスが感染することによって、その発現が誘導、干渉し、外来性レトロウイルスの増殖を抑制する働きがある可能性が考えられる。この研究は既に完了し、現在論文を投稿段階である。また本研究により、「1HIV-1宿主細胞でのヒト内在性レトロウイルスの発現機構の解明」については、ヒト内在性レトロウイルスの発現機構に関与する重要な因子を同定した。それについてはデータを集めている段階で、5月に国際学会で発表し、本年度中に論文を投稿する計画である。本研究計画では3つのことについて計画していた。1HIV-1宿主細胞でのヒト内在性レトロウイルスの発現機構の解明については、順調に遂行しており、転写に関与する重要な因子を同定した。その因子は、胚細胞で発現するだけでなく、Cancer stem cellsでも発現することから、そのような細胞でヒト内在性レトロウイルスが発現する可能性が示唆された。ここまでの研究については5月の国際学会にて発表を行う。2HIV-1感染細胞に内在するHERV-KがHIV-1の増殖を抑制するか解析することについては、現在論文を申請中である。また、HERV-Kノックダウン細胞でHIV-1の増殖が加速する機構については、現在検討中である。3ヒト内在性レトロウイルスがヒト外来性レトロウイルスにも影響するか検討することについては、まだ研究を行っていない。当初の予定どおり次年度の研究で遂行する予定である。ヒト内在性レトロウイルスは、胚細胞に発現するが、他の細胞での発現機構についてははっきりとしていない。このヒト内在性レトロウイルスは、胎盤形成に重要である一方、様々な疾患にも関与していると考えられている。HIV-1、HTLV-1感染者でヒト内在性レトロウイルスの発現が増幅することから、レトロウイルス間での干渉に注目して研究を行う。本研究では、3つの研究を平行して行った。1HIV-1宿主細胞でのHERVs発現機構を解明する。本研究により、HERV-Kの発現を促進する因子の同定に成功した。この因子はiPS細胞、胚細胞や癌細胞で高発現する因子であり、これらの細胞ではHERV-Kが高発現することが確認できた。現在、これらの細胞におけるHERV-Kの生理的役割について研究を展開している。また、HERV-Kのレトロトランスポゾン能を次世代シークエンスで解析する実験系を確立することに成功した。2HIV-1感染T細胞に内在するHERV-KがHIV-1の増殖を抑制するか解析する。本研究により、HERV-KのGagがHIV-1の放出抑制や感染性低下に関与する機構を詳しく検証でき、論文に報告できた(2017, Retrovirology)。T細胞でのHIV-1複製に対するHERV-Kの干渉については現在検討中であるが論文にするには至っていない。3HERV-K Gagは、ヒト外来性レトロウイルスHTLV-1の増殖にも影響するか検討する。HERV-K GagはHTLV-1の複製に関しては影響しないことがわかり、HERV-Kのヒト外来性レトロウイルスへの干渉には特異性があることがわかった。HERV-KがHIV-1特異的に干渉する機構については今後検証していく予定である。熊本地震の影響により、実験機器や材料が使用不可になり思い通り実験ができない期間が続いたため、当初の予定よりも実験は遅れた。研究計画13に関しては、それぞれ論文投稿までを目標にしていたが、まだそこまでは至っていないため計画よりも遅れている。研究計画2に関しては論文を投稿できたため、当初の予定は達成できた。ヒト内在性レトロウイルスは、胎盤形成や生体防御に重要な役割を担っている。一方で、癌や神経疾患など様々な疾患に関与することで注目されている。

ヒト内在性レトロウイルスは、発生初期に発現することはわかっているが、その発現機構についてははっきりとしていない。HIV-1、HTLV-1感染者でヒト内在性レトロウイルスの発現が増幅することから、レトロウイルス間での干渉に注目して研究を行う。そこで、本研究では3つの研究を遂行した。1HIV-1宿主細胞でのHERVs発現機構を解明する。本研究により、HERV-Kの発現にSOX2が必須であることがわかった。SOX2を発現するiPS細胞で高発現する因子でありHERV-Kが高発現することがわかった。次世代シークエンス解析により、iPS細胞で、HERV-Kはレトロトランスポジションによりゲノムを転移することがわかった(論文作成中)。2HIV-1感染T細胞に内在するHERV-KがHIV-1の増殖を抑制するか解析する。HERV-K GagがHIV-1の放出抑制や感染性低下に関与する機構を解明した(2017, Retrovirology)。3HERV-K Gagは、ヒト外来性レトロウイルスHTLV-1の増殖にも影響するか検討する。HERV-K GagはHTLV-1の複製に関しては影響しないことがわかり、HERV-Kのヒト外来性レトロウイルスへの干渉には特異性があることがわかった。2の研究より、内在性レトロウイルスの干渉にはHERV-K Gag CAドメインとHIV-1Gag CAドメインが相互作用する必要があり、そこで特異性を決めている可能性が示唆された。ヒト内在性レトロウイルス(HERVs)はヒトゲノムの8%を占めている。HERVsは初期胚細胞で発現し、その後発現が制御される。しかし、様々な疾患でHERVsが発現することから病気との関連が注目されている。我々は、HIV-1感染細胞でHERV-KがHIV-1の増殖を抑制することを報告した。HERVsは外来性レトロウイルスの脅威から宿主を守る働きがあるのかもしれない。また、HERVsは転写因子Sox2により活性化され、長期培養によりゲノムを転移することを発見した。このことから、HERVsは発生初期の短期間で重要な役割を担っているが、長期間発現したままだと癌等の疾患につながる可能性が示唆された。1HIV-1宿主細胞でのヒト内在性レトロウイルスの発現機構の解明については、今年度中に、この因子が発現することで、ヒト内在性レトロウイルスが活性化し、レトロトランスポゾンによりゲノムを編集するかどうかについて検討を行う。この研究結果は、本研究計画の中でインパクトが高いことが期待されるため、場合によっては、本研究に焦点を絞り、研究を遂行することを考えている。今年度内には研究成果をまとめて、論文を申請する予定である。2HIV-1感染細胞に内在するHERV-KがHIV-1の増殖を抑制するか解析することについては、HERV-Kノックダウン細胞を用いて研究を遂行する。論文を申請することを視野に研究結果を集める予定である。3ヒト内在性レトロウイルスがヒト外来性レトロウイルスにも影響するか検討することについては、まだ検討を行っていない。
クエン酸回路酵素のリン酸化共有修飾による活性制御とATP産生応答の遺伝子調節

ミトコンドリア局存のクエン酸回路は,その回転により生ずる水素を電子伝達系におくり,酸化的リン酸化系と共役してATPを生産する.この反応は,関連酵素活性の迅速な調節によって制御されていると推察されていたが,近年リン酸化共有修飾によってもATP産出応答制御がみられることが示唆された.そこで,本回路の入口を占有するピルビン酸脱水素酵素(PDH)を標的にして,回路の回転制御-ATP産出応答機序を, PDH遺伝子の構造と発現面から解明する事を目標に,本研究を計画した.ブタ心筋ミトコンドリアのPDH複合体を分離し,成分であるPDHを解離・精製した.さらにPDHはα, βサブユニット(鎖)の四量体(α_2β_2)であるので,両鎖に分画した後,抗家兎両鎖抗血清を調製した.抗ブタ両鎖抗体がヒト酵素両鎖と交さすることを発見したので, HeLa細胞由来λgt11cDNAライブラリーから遺伝子産物を指標にする免疫学的スクリーニング法で, α, βcDNA断片をクローン化した.つぎにこれらの放射性標識化断片をプローブして,ヒト培養繊維芽細胞由来のプラスミドcDNAライブラリーからハイブリダイゼーション法で,完全長のヒトα, βcDNA(1.8kb, 1.9kb)のクローン化に成功した. αcDNAは1,076bpで,アミノ酸29個のリーダーシークエンスを含む392個のアミノ酸組成のα鎖前駆体の合成を,またβcDNAは1,077bpで, 30個のリーダーシークエンスを含む395個のアミノ酸組成のβ鎖前駆体の合成をコードすることを実証した. α鎖上に動物酵素のα鎖上で発見されている3個のSer残基を含むリン酸化部位が存在することも確認した.そこでこリン酸化部位の点突然変異プライマーを合成し,部位特異的突然変異を誘発したαcDNAの調製とα, βcDNAの培養細胞並びに原核細胞での発現条件の確立を試みている.ミトコンドリア局存のクエン酸回路は,その回転により生ずる水素を電子伝達系におくり,酸化的リン酸化系と共役してATPを生産する.この反応は,関連酵素活性の迅速な調節によって制御されていると推察されていたが,近年リン酸化共有修飾によってもATP産出応答制御がみられることが示唆された.そこで,本回路の入口を占有するピルビン酸脱水素酵素(PDH)を標的にして,回路の回転制御-ATP産出応答機序を, PDH遺伝子の構造と発現面から解明する事を目標に,本研究を計画した.ブタ心筋ミトコンドリアのPDH複合体を分離し,成分であるPDHを解離・精製した.さらにPDHはα, βサブユニット(鎖)の四量体(α_2β_2)であるので,両鎖に分画した後,抗家兎両鎖抗血清を調製した.抗ブタ両鎖抗体がヒト酵素両鎖と交さすることを発見したので, HeLa細胞由来λgt11cDNAライブラリーから遺伝子産物を指標にする免疫学的スクリーニング法で, α, βcDNA断片をクローン化した.つぎにこれらの放射性標識化断片をプローブして,ヒト培養繊維芽細胞由来のプラスミドcDNAライブラリーからハイブリダイゼーション法で,完全長のヒトα, βcDNA(1.8kb, 1.9kb)のクローン化に成功した. αcDNAは1,076bpで,アミノ酸29個のリーダーシークエンスを含む392個のアミノ酸組成のα鎖前駆体の合成を,またβcDNAは1,077bpで, 30個のリーダーシークエンスを含む395個のアミノ酸組成のβ鎖前駆体の合成をコードすることを実証した. α鎖上に動物酵素のα鎖上で発見されている3個のSer残基を含むリン酸化部位が存在することも確認した.そこでこリン酸化部位の点突然変異プライマーを合成し,部位特異的突然変異を誘発したαcDNAの調製とα, βcDNAの培養細胞並びに原核細胞での発現条件の確立を試みている.
光生成安定ラジカルの特異的相互作用の分子制御と超高速ダイナミクス

今年度は、主に分子内電荷共鳴相互作用と固体膜系について調べた。二つのニトロスチリルピリジニウム基をプロパン、ブタン、ヘキサンの両端に導入した化合物のアセトニトリル中での光照射で、ラジカル生成はほぼ同様に観測された。プロパン架橋のみ948nmにピークをもつ近赤外域の吸収が非常に強くなり、さらに照射直後には1742nmにピークをもつ新しい吸収も観測された。この吸収ピークは、照射後暗所で次第に短波長にシフトし、3時間後には1505nmになった。このような電荷共鳴吸収は、分子内相互作用に基づくことが確認された。これらは二つのクロモフォアが、サンドイッチ型および部分重なり型で相互作用していると考えられる。このような系で連結部の立体規制の効果を調べるために、さらにmeso-2,4-ジ置換ペンタン型で二つのニトロスチリルピリジニウム基を導入した。この定常光反応で、プロパン連結系とほぼ同様な二種類の分子内相互作用による電荷共鳴吸収スペクトルが観測されたが、その強度がかなり増加することがわかった。ダイマーラジカルカチオン形成に立体的制御効果があるといえる。トリシアノビニル基をパラ位にもつヘキサデシルスチリルピリジニウムイオンのテトラフェニルホウ酸塩とアラキジン酸との混合系(1:1-1:4)で良好なLB膜が得られた。それに光照射すると、可視部の吸収変化に加えて、1000nmにブロードなピークが観測された。これはベンゼン溶液中で観測された882nmの電荷共鳴吸収に対応している。LB膜中でも光生成ラジカルと元のスチリルピリジニウムカチオンが相互作用していることが確認された。本系は新しい近赤外応答分子膜として期待される。このような結果は、比較的簡単な構造の分子により、光通信波長域において大きな吸収・屈折率変化を数ピコ秒の超高速で実現できることを示すものであり、今後の分子フォトニクスへの大きな寄与が期待される。本年度は主に、光誘起電子移動反応によるラジカルおよびそのラジカルとカチオンとの分子間相互作用によるダイマーラジカルカチオンについて、生成と減衰の超高速ダイナミクスをフェムト秒レーザー励起により検討した。ジシアノビニル基あるいはニトロ基をもつスチリルピリジニウム・テトラフェニルホウ酸(TPB^-)塩についてフェムト秒レーザーにより励起するとスチリルピリジニルラジカルとダイマーラジカルカチオンの過渡吸収が可視および近赤外域に観測された。生成はいずれも1ピコ秒(ps)以内でおこった。このことからイオン対間の光誘起電子移動反応、および光生成ラジカルと親分子のスチリルピリジニウム誘導体との相互作用が極めて速いことが示された。特に近赤外域の電荷共鳴吸収の立ち上がりは分子間相互作用として驚異的に速い応答である。二つのスチリルピリジニウム分子は対イオンのTPB^-を介してかなり近接しており光電子移動すると同時に、一電子還元された方がドナー、未反応の方がアクセプターとして働き極めて速くダイマーラジカルカチオンが形成されると考えられる。減衰挙動は、可視と近赤外でかなり異なった。近赤外の吸収が約3psの寿命をもつ単一指数関数減衰を示すのに対し、可視域の吸収はそれとほぼ同じ寿命および約17psの2成分であった。近赤外の吸収はダイマーラジカルカチオンのみに起因するが、可視域の吸収はモノマーおよびダイマーラジカルカチオンのいずれも寄与する。

寿命の違いはスチリルピリジニルラジカルモノマーおよびダイマーラジカルカチオンからTPB^-酸化体への逆電子移動反応の自由エネルギー変化の違いと電子移動のマーカス反転領域で説明された。本年度は主に、光誘起電子移動反応によるラジカルおよびそのラジカルとカチオンとの分子間相互作用によるダイマーラジカルカチオンについて、置換基による安定化と分子制御を検討した。昨年まで用いたニトロ基などに比べさらに強力な電子吸引基であるトリシアノビニル基をもつスチリルピリジニウム・テトラフェニルホウ酸(TPB)塩を新たに合成した。この化合物は、1,2-ジントキシエタン(DME)、アセトニトリル(ACN)に加えてこれまで用いたスチリルピリジニウム塩がとけない低極性のベンゼンにも可溶であった。これらの溶液中で可視光を照射すると、黄色から青色に変色し、610-618nmに強い吸収、880-928nmの近赤外域ややブロードな吸収を示した(前者がベンゼン中、後者がACN中)。それらの波長は溶媒の極性増加に伴って少し長波長シフトした。また、光照射後に暗所で長時間保存あるいは未照射との混合により明確な超微細構造をもつ電子スピン共鳴信号が観測された。これらの結果から光電子移動によるラジカルおよびダイマーラジカルカチオンの生成が確認された。特にベンゼンおよびDME中での寿命は、100-150時間以上とこれまでに比べ2桁大きい安定化が実現された。また、電荷共鳴吸収から評価されたダイマーラジカルカチオンの安定化エネルギーはジシアノ誘導体に比べて、8-10kj/mol大きくなり、強力な電子吸引基による不対電子の非局在効果が、ラジカルおよびダイマーラジカルカチオンの安定化に寄与していることが示された。新しい安定な近赤外応答材料として注目される。今年度は、主に分子内電荷共鳴相互作用と固体膜系について調べた。二つのニトロスチリルピリジニウム基をプロパン、ブタン、ヘキサンの両端に導入した化合物のアセトニトリル中での光照射で、ラジカル生成はほぼ同様に観測された。プロパン架橋のみ948nmにピークをもつ近赤外域の吸収が非常に強くなり、さらに照射直後には1742nmにピークをもつ新しい吸収も観測された。この吸収ピークは、照射後暗所で次第に短波長にシフトし、3時間後には1505nmになった。このような電荷共鳴吸収は、分子内相互作用に基づくことが確認された。これらは二つのクロモフォアが、サンドイッチ型および部分重なり型で相互作用していると考えられる。このような系で連結部の立体規制の効果を調べるために、さらにmeso-2,4-ジ置換ペンタン型で二つのニトロスチリルピリジニウム基を導入した。この定常光反応で、プロパン連結系とほぼ同様な二種類の分子内相互作用による電荷共鳴吸収スペクトルが観測されたが、その強度がかなり増加することがわかった。ダイマーラジカルカチオン形成に立体的制御効果があるといえる。トリシアノビニル基をパラ位にもつヘキサデシルスチリルピリジニウムイオンのテトラフェニルホウ酸塩とアラキジン酸との混合系(1:1-1:4)で良好なLB膜が得られた。それに光照射すると、可視部の吸収変化に加えて、1000nmにブロードなピークが観測された。これはベンゼン溶液中で観測された882nmの電荷共鳴吸収に対応している。
細胞核の力学刺激応答計測を実現するバイオプラットフォーム

本研究課題では以下の計画を実施した.1対象細胞への局所刺激を行うための高性能マイクロハンドの構築(H28-H29).2高精度長期計測を行うマイクロ・ナノ計測系の構築(H29-H30). 3超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発(H28-H29 ).4細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明(H28-H30).平成30年度は下記に取り組んだ.(1)高精度長期計測を行うマイクロ・ナノ計測系の構築:モデル生物への局所刺激応答計測を行うため,29年度の成果を発展させ高速に運動する線虫を視野中央に捕捉するシステムを実現した(電通大).複数の画像取得系を応用した高精度かつ広作業領域を持つシステムを構築し,計測対象物の高速操作を実現した.(大阪大).(2)超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発:口径100nm未満のナノピペットを試作し,ゲート電圧制御でナノ粒子の吐出を実現した(電通大).板状エンドエフェクタを用いた力学刺激計測系と明視野・蛍光同時観察系を組み合わせ,細胞・細胞核への刺激とその応答の可視化に成功した(大阪大).(3)細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明:連続変形刺激を印加する流路を用い,正常細胞とがん細胞を用いた実験を行い,両者の変形能に有意な差があることを見出した.また,2ないし3細胞を固定する流路を用い,カルセインの細胞間伝達の観測を行い,細胞間インタラクションの可視化に成功した(電通大).板状エンドエフェクタを用いた細胞・細胞核への力学刺激応答計測により,細胞核の剛性が高く,複数の細胞内骨格の存在を示唆する結果を得た.また,細胞核刺激用マイクロ流路チップを用いた解析から,核刺激の強弱にともない遺伝子の発現パターンが変化することを明らかにした(大阪大).平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題では以下4つの計画を遂行する.1対象細胞への局所刺激を行うための高性能マイクロハンドの構築(H28-H29).2高精度長期計測のためのマイクロ・ナノ計測系の構築(H29-H30 ). 3超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発(H28-H29 ).4細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明(H28-H30).平成28年度は下記に取り組んだ.1対象細胞への局所刺激を行うための高性能マイクロハンドの構築:パラレルリンク機構を採用した,新たな小型・高剛性・高精度・高設置自由度を実現するマイクロハンドの設計を行い,試作した.試作したマイクロハンドは容易に顕微鏡に設置可能であり,動作の精度も細胞の操作に十分であることを確認した.(大阪大)3超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発:力学刺激を局所で印加・応答計測可能なエンドツールの設計・評価を行った.エンドエフェクタ形状の変更により計測感度が向上し,単一細胞の剛性計測が可能であることを確認した.また,局所温度刺激可能なMEMSマイクロヒータを設計・作製し,評価のための基礎実験を行った(大阪大).4細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明:エンドツールを用いて,細胞の計測・刺激応答計測を行った.細胞及び界面活性剤を用いて細胞から分画した細胞核の剛性計測を行い,特性を比較した.その結果,細胞核の剛性が高いことが確認された(大阪大).また,刺激した細胞の遺伝子発現の変化を明らかにするためには解析に十分な量の細胞を刺激する必要が生じたため,この課題を解決可能なマイクロ流路デバイスを設計し基礎実験を行った(電通大).年度当初計画の通りに進捗している.本研究課題では以下4つの計画を遂行する.1対象細胞への局所刺激を行うための高性能マイクロハンドの構築(H28-H29).2高精度長期計測のためのマイクロ・ナノ計測系の構築(H29-H30 ). 3超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発(H28-H29 ).4細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明(H28-H30).平成29年度は下記に取り組んだ.1対象細胞への局所刺激を行うための高性能マイクロハンドの構築:北京理工大学との共同研究により,制御演算処理部の小型・軽量化を図るとともに,必要なソフトウェアの開発を行い,ピックアンドプレースの検証実験を行った(電通大).2高精度長期計測のためのマイクロ・ナノ計測系の構築:様々な形状を持つ細胞等の自動認識を行うため,蓄積画像を学習して対象物を同定するアルゴリズムを作成し,評価検証を行った.また,現状では並進移動の追尾が行えるが,対象物の回転も追尾することが今後重要との認識に至り,次年度の新たな課題とすることとした(電通大).また,対象物を高速にピックアンドプレースするシステムを構築した(大阪大).3超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発:細胞や核内の局所に微量の薬液や物質を注入して刺激を与えるため,イオンFETの原理を用いたナノピペットの基礎実験を行った.

ナノワイヤを応用した多自由度力センサの概念設計を行った(電通大).4細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明:入出力ポートにポンプを接続し,プッシュプルで送液し安定な流速を得るとともに,刺激を5回以上与えることが可能な流路を設計した.流路内で15個程度の細胞を同時に多数捕捉する流路の設計と試作を行った.(電通大).また,並列して多数細胞に刺激付加可能な流路を構築し,評価を行った(大阪大).年度当初計画の通りに進捗している.本研究課題では以下の計画を実施した.1対象細胞への局所刺激を行うための高性能マイクロハンドの構築(H28-H29).2高精度長期計測を行うマイクロ・ナノ計測系の構築(H29-H30). 3超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発(H28-H29 ).4細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明(H28-H30).平成30年度は下記に取り組んだ.(1)高精度長期計測を行うマイクロ・ナノ計測系の構築:モデル生物への局所刺激応答計測を行うため,29年度の成果を発展させ高速に運動する線虫を視野中央に捕捉するシステムを実現した(電通大).複数の画像取得系を応用した高精度かつ広作業領域を持つシステムを構築し,計測対象物の高速操作を実現した.(大阪大).(2)超高精度力学刺激を印可・計測可能なエンドツールの開発:口径100nm未満のナノピペットを試作し,ゲート電圧制御でナノ粒子の吐出を実現した(電通大).板状エンドエフェクタを用いた力学刺激計測系と明視野・蛍光同時観察系を組み合わせ,細胞・細胞核への刺激とその応答の可視化に成功した(大阪大).(3)細胞・細胞核へのエンドツールを用いた計測・刺激・応答計測と現象解明:連続変形刺激を印加する流路を用い,正常細胞とがん細胞を用いた実験を行い,両者の変形能に有意な差があることを見出した.また,2ないし3細胞を固定する流路を用い,カルセインの細胞間伝達の観測を行い,細胞間インタラクションの可視化に成功した(電通大).板状エンドエフェクタを用いた細胞・細胞核への力学刺激応答計測により,細胞核の剛性が高く,複数の細胞内骨格の存在を示唆する結果を得た.また,細胞核刺激用マイクロ流路チップを用いた解析から,核刺激の強弱にともない遺伝子の発現パターンが変化することを明らかにした(大阪大).当初計画を発展させ,エンドツールとマイクロ流路デバイスの双方を用いたプラットフォームの構築を推進する.新たな原理に基づいたエンドツール用のセンサ開発を行い,センサ機能の拡張に取り組むと共に,実装する自働計測系の拡張も進める.また,プラットフォームを細胞核の特性解析に用い,疾病との関係性など現象の解明に取り組む.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
自己増殖機能を有する反応場の分子設計と反応制御

生体触媒である酵素反応の大きな特徴として、自己と同型のものをくりかえしくりかえし生産する機能、すなわち鋳型増殖能がある。こうした自己増殖反応場を無機材料に構築するには、反応分子に対して高度の分子認識性を有する局所構造を有する反応場を原子レベルで精密設計することが必要である。本年度は自己増殖機能を有する反応場としてY型及びX型ゼオライト(12A細孔径)細孔内にピケットフェンス型金属フタロシアニン及びモリブデン複核錯体を内部合成しその構造特性とアルカン末端ヒドロキシル化反応及びオレフィンメタセシス及びホモロゲジョン反応に対する分子形状触媒選択性に及ぼす分子認識度を調べ検討した。まずNaYゼオライト細孔内にHFe_3(CO)_<11>ーカルボニルクラスタ-を内部合成し、これを酸化遷元処理を行ってゼオライト細孔内にFe超微粒子を作成した。これを鋳型にしてフタロニトリルあるいはtーブチルフタロニトル加え反応させそれぞれザオライト細孔内にFeフタロシアニソ(FePc)あるいはtーブチル置換Feフタロシアニン(FePc(tーBu)_4)を内部合成することが出来た。細孔内捕捉FePc及びFePc(tーBu)_4の構造的性質に関して、Kー吸収端EXAFS、XANES、^<57>Feメスバウア-分光法、赤外分光及び可視紫外部吸収解析を行った。その結果ゼオライト細孔内のFeフタロシアニンにはフタロシアニン環の平面に歪が見られ、特にtーブチル基置換フタロシアニンではFeーN結合が伸び又配位数の低下が観察された。tーブチル置換のFeフタロシアニンでは分子のカサ高さのためヘキサンのヨ-ドソベンゼンによる酸化反応ではゼオライト細孔内tーブチル置換FePcにおいて末端ヒドロキシル化選択率が極めて高いことが見いだされた。シリカ上にMo_2(NMe_2)_4及びMo_2(OAc)_4担持固定した触媒についてEXAFS及びESRの観察を行ったところシリカ上に複核Mo構造を保持して固定されることが見いだされた。これを用いたエチレン、プロピレンの反応に対し二量化触媒特性と高活性なメタセシス反応が見いだされた。立体規制誘引因子及び反応分子取り込みに対する反応機構との関連を検討し、さらに高度な自己増殖性の分子反応場の設計を試みる。
非線形確率力学系の対称性とその応力

本研究では、不確定要因を内包する系の数学モデルとして様々な分野で扱われる、確率微分方程式で記述される力学系、すなわち「確率力学系」における対称性理論を構築すると共に、その非線形確率系解析への応用を試みた。また確率系や非線形系が関連する話題として数理ファイナンス理論や転移点をもつ特異摂動問題を取り上げ、その各分野における確率論的対称性理論の展開の可能性を探った。具体的な成果は以下の通りである。(1)確率力学系が許容する対称性作用素の概念を定式化し、作用素の係数関数が満たす微分方程式とその随伴方程式を用いて系の保存量が構成できることを示した。また、具体的な非線形確率系に適用することで、その結果が系の力学構造の解明に役立つことを確認した。(2)対称性概念の重要な応用である、系の「次元(自由度)低減化」法を確率系にも拡張し、「確率系の簡約化法」を定式化した。さらに具体的な非線形確率系に適用し、その方法が系の構造や解の発見に有効に働くことを検証した。(3)Kaldor型景気循環モデルを題材に、系の非線形性と確率的外乱(ノイズ)との相互作用に関する数値実験による考察を行った。その結果、時としてそれが系に周期運動という対称性をもった秩序運動をもたらしうることを見いだした。(4)非線形系を含むより一般の確率力学系が扱われる、オプション等の制約条件付き債券の価格付け問題においては、意味のあるマルチンゲ-ル測度の存在と定め方が重要となる。本研究ではそれを見いだす方法として相対エントロピーを最小にするマルチンゲ-ル測度を考察し、その存在定理や得られる測度の型についていくつかの結果を得た。(5)確率系の時系列分析でもよく扱われるウェーブレット解析を用いて、流体力学や量子力学で現れる、転移点を持つ特異摂動問題の数値解法を開発し、その有効性も検証した。(2)対称性概念の重要な応用として系の「次元(自由度)低減化」がある。これを確率系にも拡張し、「確率系の簡約化法」を定式化した。さらに具体的な非線形確率系に適用することで、その方法が非線形確率系の構造や解の発見に有効に働くことを検証した。(3) Kaldor型景気循環モデルを題材に、系の非線形性と確率的外乱(ノイズ)との相互作用に関する数値実験による考察を行った。その結果、時としてそれが系に周期運動という対称性をもった秩序運動を引き起こしうることを見いだした。

本研究ではそれを見いだす方法として相対エントロピーを最小にするマルチンゲ-ル測度を考察し、その存在定理や得られる測度の型についていくつかの結果を得た。(5)確率系の時系列分析でもよく扱われるウェーブレット解析を用いて、流体力学や量子力学で現れる、転移点を持つ特異摂動問題の数値解法を開発し、その有効性も検証した。
免疫担当細胞におけるプリオン蛋白質の作用機構に関する研究

[プリオン蛋白(PrP)の機能とアポトーシスの抑制に関する解析]また、Zn-1型PrP遺伝子欠損マウス、Rikn型PrP遺伝子欠損マウスおよび野生型マウスより得られた脾細胞を用いて無刺激および刺激後の細胞の増殖能について比較検討を行った結果、PMA、イオノマイシン刺激後において野生型マウス由来脾細胞と比較してZn-1型PrP遺伝子欠損マウスおよびRikn型PrP遺伝子欠損マウス由来脾細胞において増殖能が低い結果が得られた。ConA、リポ多糖刺激においては野生型マウス由来脾細胞とPrP遺伝子欠損マウス由来脾細胞間で有為な差は認められなかった。アポトーシス細胞についても解析を行ったが有為な差は認められなかった。[ウイルス感染時におけるプリオン蛋白の機能解析]Zn-1型、Rikn型PrP遺伝子欠損マウスおよび野生型マウスを用いて、脳心筋炎ウイルス-B株感染について解析した結果、アポトーシス細胞の出現頻度においてPrP遺伝子欠損マウスのほうが、野生型マウスと比較して高頻度であった。プリオン蛋白質(PrP)遺伝子ノックアウトマウスとPrP野生型マウスを用いて活性化T細胞およびB細胞におけるPrPの発現をフローサイトメトリーによって解析を行ったところ、ConAによって刺激されたCD4およびCD8陽性T細胞において細胞膜表面のPrPの発現が増加した。しかし、PMAおよびIonomycin共刺激、抗CD3抗体刺激については変化が認められなかった。またLPS刺激によるB細胞のPrPは刺激前後で確認されなかったことから、B細胞表面のPrPは極めて発現が低いか発現していないと考えられた。ConA刺激によって活性化されたT細胞の増殖についてPrP遺伝子ノックアウトマウスとPrP野生型マウスそれぞれの脾臓および胸腺から調製したT細胞を用いて解析を行った。PrPノックアウトマウス由来T細胞はPrP野生型マウス由来T細胞と比較して活性化増殖能が低かった。また、アポトーシス細胞の出現率についてもPrPノックアウトマウス由来T細胞はPrP野生型マウス由来T細胞と比較して高い結果が得られた。以前PrP欠損神経細胞株は、無血清培養下においてアポトーシスを起こすが、PrPの再発現化によりアポトーシスが抑制されることを報告した。今回得られて結果はT細胞が活性化にともなって、増殖を継続させるためにPrPを発現しアポトーシス抵抗性をsことが示唆された。また、ヒト奇形がん腫細胞株NT2において、PrP遺伝子発現が熱ショックにより誘導されるため、PrP遺伝子発現はストレスにより制御されることが示唆された。本年度新たにプリシナー博士より分与されたプリオン蛋白質(PrP)遺伝子ノックアウトマウス(Zn-1型)と従来本研究にて使用してきたPrP遺伝子ノックアウトマウス(Rikn型)を用いてPrPの正常機能について研究を行なった。PrP野生型マウスより得られた腹腔浸出マクロファージとの比較において両PrP遺伝子ノックアウトマウスより得られた腹腔浸出マクロファージは貧食能が低下している傾向にあった。また、無血清培地下での培養によってPrP野生型マウス由来腹腔浸出マクロファージと比較してPrP遺伝子ノックアウトマウス由来腹腔浸出マクロファージは生存能が低下していた。両PrP遺伝子ノックアウトマウスとPrP野生型マウスそれぞれの脾臓から調製した脾細胞を用いて、ConA、LPS、PMA刺激による細胞の活性化について解析を行なったところ、PrP遺伝子ノックアウトマウス由来脾細胞はPrP野生型マウス由来脾細胞と比較して活性化増殖能が低かった。また、アポトーシス細胞の出現率についてもPrP遺伝子ノックアウトマウス由来脾細胞はPrP野生型マウス由来脾細胞と比較して高い結果が得られた。今回得られて結果はマクロファージや脾細胞が活性化にともなって、生存維持のためにPrPを発現しアポトーシス抵抗性を獲得していることが示唆された。
色素分子の3次元的自己集積化によるX^<(3)>の向上

色素材料を中心とした有機非線形光学材料(2次と3次)のMO法による分子設計と合成,それらの非線形性と化学構造の関係について基礎的研究を行った。そして、色素固体の光物性は集合体での機能であるため、色素集合体の高次構造によって物性が大きく異なることを見い出した。すなわち、色素単結晶のX線構造解析から集合体レベルでの分子のスタッキングを解析し、分子構造と光物性との相関性を確立することを試みた。そして、色素分子間でのπ-π相互作用によって分子が3次元的に自己集積化するキノン系色素を新規に見い出した。これらの色素は分子内CT型発色系をもつナフトキノンおよびベンゾキノン誘導体であり、これらの色素は薄膜上で吸収スペクトルが溶液中に比べ100nm以上も長波長シフトすること、3次の非線形感受率X^<(3)>が、薄膜上で通常の対応する色素に比べ2桁以上も大きくなることを見い出した。すなわち、色素分子が3次元的なスタッキング構造をとり、色素の分子間距離が3.3-3.4Åになるとπ-平面間で強いπ-π相互作用がおこり、結果的にX^<(3)>が大幅に向上するとの知見を得た。このように、単一色素分子間での3次元的なπ-π相互作用を利用して材料を構築すると、有機非線形光学材料に最も有効な全π電子系で分子から材料を構築することができ、目的とする大きなX^<(3)>の材料が得られるとの知見を得た。この種の方法論による研究成果は国内外を通じて知られていない。現代までの研究成果をフランスと日本の関連学会で発表し、原著論文(5報)として公表した。さらにこの方法論を展開するため、分子内CT型発色系をもつピラジン系蛍光色素をすでに合成しており、それらの蒸着膜について2次NLO材料としての評価を試みる予定である。また、合成した色素材料を希望に応じて広く提供しており、本領域メンバー(3グループ)との間で物性評価の共同研究を開始した。
化学エネルギーで駆動される物質輸送界面の創成

生体は化学エネルギーで駆動する機械の集合体である。その中で、本研究では生体内の物質輸送機構である化学波を模倣することで、微小空間での物質輸送も可能となる全く新奇な化学エネルギー駆動型の微小場分子輸送原理を提案する。その目標へ向け、非平衡場で駆動する化学波の伝搬機構の明確化および流体力学的流動現象との時空間的融合を目指した基礎研究的課題の達成を目指した。マイクロ流路を用いた様々な研究により、非平衡空間に特有の反応拡散現象と、マイクロ流路に特有の流体力学的現象を同時に発現させるとともに、その融合による新しい物質輸送機構を提案することに成功した。その中で、本研究では生体内の物質輸送機構である化学波を模倣することで、カーボンナノチューブなど極微小細線上での分子輸送も可能となる全く新奇な化学エネルギー駆動型の微小場分子輸送原理を提案する。その目標へ向け、(1)微小空間での化学波の伝搬機構の明確化、(2)化学波の界面電荷波への変換、(3)界面電荷波に捕捉した物質の空間輸送現象の発現・解析、の三つの段階を経て課題の達成を目指す。これにより、生体機能模倣、化学エネルギー変換、単分子操作などの境界領域における新たな現象論を提案し基礎研究としての成果を挙げるとともに、ナノ分子デバイスなどへの応用可能性も開拓する。また、本系はあらゆる界面にて誘起可能であり、カーボンナノチューブ(CNT)表面での単分子輸送も可能となる。CNTには電気回路デバイスとしての先行研究があり、これを分子輸送と融合することで究極の単分子輸送回路とも言える物質輸送回路が提唱され、ナノ分子デバイス研究分野において非常に大きなインパクトならびに独創性を有する研究成果として期待できる。平成26年度は、化学波の伝播特性の自在制御へ向け、反応拡散波と単純拡散波との両者の実験的比較に基づいた考察を行った。その結果として、反応拡散波においては反応過程の速度制御が非常に顕著に系全体のダイナミクス制御へ関与していることを明確化することに成功した。更に、飯能拡散波の発生に伴う反応熱が溶液膨張をもたらし、その力学的エネルギーを利用した物質の空間輸送現象の発現が可能であることを見出した。本成果は、平成27年度にて継続的に検討することとした。更に、反応拡散波の発生に伴う反応熱が溶液膨張をもたらし、その力学的エネルギーを利用した物質の空間輸送現象の発現が可能であることを見出した。化学エネルギー駆動型システムの開発は、外部駆動源が必須の物理エネルギー駆動型の制約を取り除くのみならず、特異現象発現の可能性を有しており学術的関心が高い。例えば、マイクロ流路内での物質輸送では外部駆動源のポンプや電極などがシステムの微細化を妨げ、また、更なる微細化には流路内壁への分子吸着が輸送効率を低下させるため、既存の原理に依らない新奇な微小流路特有の方法論への転換が求められている。特に本年度は、微小空間における化学波伝播による物質の輸送を担う流動現象の可視化ならびに駆動原理の明確化を行った。具体的には、PDMS製マイクロ流路に流動現象を可視化するためのトレーサー粒子を添加した混合溶液を入れ、inletへ硫酸を滴下してpH波(化学波の一種)を発生させpH波および流動現象を観察した。pH波速度は、すべての流路幅において一定であり、流路幅依存性がないことが確認され、pH波は物質の反応速度および拡散係数により規定される反応拡散現象に起因していると示唆される。一方、流動速度は流路幅増大に伴い低下し、流動現象は流体の形状に依存した流体力学的効果に起因していると示唆された。

以上より、本系は非平衡環境下の反応拡散場と流体力学的流動場が時空間的に組み合わさった特異的な場であることが明らかとなり、マイクロ流路内化学波による物質輸送現象の発現機構が流体力学的効果に起因することを明確化した。生体は化学エネルギーで駆動する機械の集合体である。その中で、本研究では生体内の物質輸送機構である化学波を模倣することで、微小空間での物質輸送も可能となる全く新奇な化学エネルギー駆動型の微小場分子輸送原理を提案する。その目標へ向け、非平衡場で駆動する化学波の伝搬機構の明確化および流体力学的流動現象との時空間的融合を目指した基礎研究的課題の達成を目指した。マイクロ流路を用いた様々な研究により、非平衡空間に特有の反応拡散現象と、マイクロ流路に特有の流体力学的現象を同時に発現させるとともに、その融合による新しい物質輸送機構を提案することに成功した。化学波のダイナミクス制御へ向け、単純拡散波との比較により想定を上回る知見を得ることに成功した。つまり、当初は、反応拡散波においては反応活性種の拡散係数および化学反応の反応速度定数で規定された伝播速度が得られることを想定していた。この想定からは、両係数・定数の制御による伝播ダイナミクスの制御のみが可能であることが予想される。しかしながら、反応拡散波と単純拡散波との比較により、化学波である反応拡散波においては輸送空間の変動に対して非常に敏感に依存することを明確化することに成功した。つまり、化学波の伝播ダイナミクスはマイクロ流路の形状等にて制御することが可能であることを実験的に示した。以上の成果は、反応速度や反応活性種の拡散性を規定する化学的条件のみならず、流路形状などの物理的条件からも化学波の伝播ダイナミクスを制御することが可能であることを提案する。これにより、化学波およびそれにより誘起される界面電荷波による物質輸送現象に対し、より柔軟な輸送速度の制御が可能となると期待される。更に、反応拡散波発現時に、マイクロ流路の中の特定の局所領域に反応熱が集中し、これによる反応溶液の体積膨張が発言することも明らかとなった。この体積膨張は界面での物質輸送における力学的駆動力として利用できると期待できるため、平成27年度も引き続き検討することとした。本結果は、化学波の伝播ダイナミクスはマイクロ流路の形状等にて制御することが可能であることを実験的に示したものである。
簡便かつ非侵襲的な神経活動修飾による運動機能改善の試み

今年度は、静磁場刺激が力調節課題に与える影響についての実験で得た結果をまとめ、英文科学雑誌に投稿した。その査読過程において、被験者数を増やすことを指摘されたため、追加実験を行い、被験者数を20まで増やした。その結果、それまでのバージョンと傾向は変わらなかったため、結果の信頼性が増大した。最終的に、静磁場刺激がヒトの運動パフォーマンスを変調させた最初の報告として、Neuromodulation誌に掲載受理された。さらに、脊髄神経回路機能を修飾する非侵襲的刺激法を提案するため、末梢神経電気刺激によってIa感覚神経を発火させ、同時に筋腹刺激を行い、両者を組み合わせることで、脊髄反射弓のシナプス結合を修飾させることを目的とした実験系の構築を行った。刺激装置が二台必要なため、末梢神経刺激用の電気刺激装置を作成し、反射を誘発するのに十分な刺激強度で刺激できることを確認した。また、二つの信号が運動ニューロンに到達する時間差を計算するため、末梢神経刺激によるH反射の潜時、筋腹刺激によるM波、F波の潜時を調べ、末梢神経刺激による反射信号が脊髄運動ニューロンに到達する時間および筋腹刺激による逆行性信号が運動ニューロンに到達する時間を算出することが可能となった。昨年度の実験結果をもとに論文を執筆し、査読・追加実験を経て、国際科学雑誌に掲載受理されたため。また、脊髄神経回路を修飾するための実験についても、先行研究レビューや予備実験を行い、問題点等を抽出できた。今年度の予備実験・実験系構築準備をもとに、プロトコルを確定させ、健常者対象とした本実験を行っていく。非侵襲的な脳刺激の一種として近年用いられている静磁場刺激は皮質興奮性や感覚機能を変調させることが報告されているが、運動行動を変調させたという報告はない。本年度は静磁場刺激が運動行動に与える影響について検討する実験を行った。実験は両手での把持力調節課題である。最大筋力の20%の力を目標として、視覚フィードバックなしで、左右の手交互に力発揮を行ってもらった。その最中に、介入を行い、力調節課題の成績の変化を調べた。介入は、左右の一次運動野上に同サイズのネオジム磁石あるいはシャム刺激としてのステンレスを15分間置いた。左右どちらに磁石あるいはステンレスを置くかは被験者によってランダマイズした。発揮した力の平均値は条件間で差が見られなかった。しかしながら、目標値からの絶対誤差を計算すると、介入中、介入後において静磁場をかけた側のほうがシャム側よりも誤差が大きくなった。また、静磁場側の絶対誤差は、介入前よりも有意に大きくなった。この結果は、一次運動野への静磁場刺激によって、力調節の正確性が阻害されたことを示唆している。静磁場刺激がヒトの運動機能に及ぼす影響について実験を行い、一次運動野に静磁場刺激を与えることで、最大下の力調節機能を変調させることに成功した。力発揮の強さそのものではなく、正確性が低下したことから、出力機能よりも、知覚や運動指令を作る機能に作用したものと思われ、静磁場刺激の効果について新たな知見を提供することができた。また、静磁場刺激を脊髄に与えることで脊髄神経回路の興奮性を低下させる可能性についてまとめた論文が掲載された。得られたデータから論文掲載を目指す。また、今年度得られた静磁場刺激が運動課題に与える影響について、課題特異的なのかどうかを調べる。また、静磁場刺激が神経障害患者の症状を緩和させるためのツールとなりうるかどうかを調べる予備実験も行っていく予定である。フォースセンサーの選定・セットアップに予想以上に時間がかかり、実験実施が遅れたことにより、年度内に論文化のための英文校正費・掲載費を必要としなかった。次年度で論文化させることで繰越分を使用させる予定である。

脊髄神経回路修飾のための実験について、予備実験や実験準備に時間を要し、本実験開始に到達しなかったため、謝金や消耗品、論文の英文校正・掲載等にかかる費用を必要としなかったため。
MBE法による3C-SiCの作成とそのミリ波デバイスへの応用

本研究は、(1)MBE法により高品質の3C-SiC単結晶を成長させる方法を確立すること。(2)SiCを用いた高性能デバイス特に最終的にはミリ波帯の発振素子を開発することの二つの主要目的をもつものである。そして初年度、次年度までの計画は大体予定通りに推進することができた。すなわち初年度には当時保有していたMBE装置を交付研究費により性能向上させ、電子ビ-ム加熱法を用いた固体ソ-スMBE法でノンド-プでかなり高品質なSiCを成長させるための条件を見出し、次年度にはP,n両伝導型のSiCの成長を試みた。n型の3C-SiCの成長には再現性に稍問題が残ったが、硼素をド-プしたP型3C-SiCの成長法は確立でき、さらにn型6H-SiC基板上にP型3C-SiCを格子不整合なく成長させてPn接合素子を作成し、その電圧-電流特性、アバランシ特性などの測定をおこなうことができた。これらにより上記(1)の目的はほぼ達成することができた。その後マイクロ波帯用のIMPATT素子の試作をおこなったが、これらはかなり高電界下での動作となるためパルス動作で測定をおこなったが破壊が相次ぎ、結晶成長法や素子作成法などをかなり根本的に見直す必要にせまられた。これらに対する対策や、その後の実験経過は62年度実績報告書に詳細に記したが、それらの要点は、成長法をガスソ-スMBE法に変更し、基板も良質な結晶が得られるSiに炭化法により薄いSiC層を成長させたものを用いることにし、その上に所望のSiC層を成長させる方法をとることにした。装置の改装後62年7月頃より実験が再開でき、先ずSi,C各分子線源用ガスの組合せに対する基礎実験をおこないSiHCl_3,C_2H_4の組合せが良好な結果を与えることを見出した。C_2H_4による炭化は750°C程度で、通常の結晶成長は1000°C程度で可能で、いずれも従来法より大幅に低温化成長ができ良質な結晶がえられることを見出している。本研究は, (1)MBE法により高品質の3C-SiC軍結晶を成長させる方法を確立すること. (2)SiCを用いた高性能デバイス特に最終的にはミリ波帯の発振素子を開発することの二つの主要目的をもつものである.そして初年度,次年度までの計画は大半予定通りに推進することができた.すなわち初年度には当時保有していたMBE装置を交付研究費により性能向上させ,電子ビーム加熱法を用いた団体ソースMBE法でノンドープでかなり高品質なSiCを成長させるための条件を見出し,次年度にはP,n雨伝導型のSiCの成長を試みた. n型の3C-SiCの成長には再現性に稍問題が残ったが,硼素をドープしたP型3C-SiCの成長法は確立でき,さらにn型6H-SiC基板上にP型3C-SiCを格子不整合なく成長させきPn接合素子を作成し,その電圧-電流特性,アバランシ特性などの測定をおこなうことができた.これらにより上記(1)の目的はほぼ達成することができた.その後マイクロ波帯用のIMPATT素子の試作をおこなったが,これらはかなり高電界下での動作となるためパルス動作で測定をおこなったが破壊が相次ぎ,結晶成長法や素子作成法などをかなり根本的に見直す必要にせまられた.これらに対する対策や,その後の実験経過は62年度実績報告書に詳細に記したが,それらの要点は,成長法をガスソースMBE法に変更し,基板も良質な結晶が得られるSiに炭化法により薄いSlC層を成長させたものを用いることにし,その上に所望のSiC層を成長させる方法をとることにした.装置の改装後62年7月頃より実験が再開でき,先ずSi, C各分子線源用ガスの組合せに対する基礎実験をおこないSiHCl3, C2H4の組合せが良好な結果を与えることを見出した. C2H4による炭化は750°C程度で,通常の結晶成長は1000°C程度で可能で,いずれも従来法より大幅に低温化成長ができ良質な結晶がえられることを見出している.本研究は、(1)MBE法により高品質の3C-SiC単結晶を成長させる方法を確立すること。

これらに対する対策や、その後の実験経過は62年度実績報告書に詳細に記したが、それらの要点は、成長法をガスソ-スMBE法に変更し、基板も良質な結晶が得られるSiに炭化法により薄いSiC層を成長させたものを用いることにし、その上に所望のSiC層を成長させる方法をとることにした。装置の改装後62年7月頃より実験が再開でき、先ずSi,C各分子線源用ガスの組合せに対する基礎実験をおこないSiHCl_3,C_2H_4の組合せが良好な結果を与えることを見出した。C_2H_4による炭化は750°C程度で、通常の結晶成長は1000°C程度で可能で、いずれも従来法より大幅に低温化成長ができ良質な結晶がえられることを見出している。本年度も実施計画に従い、ほゞ計画通り研究を推進することができたが、一部に二三の新しい問題点も起ってきた。以下に研究実績を箇条書に記す。(1)SiCのMBE成長について今までおこなってきた理論的,実験的研究をもとにして成長法の指導的原理をほゞ確立した。(2)P-3C・SiCの作成については前年度に試行的に行なった結果をもとにしてかなり再現性のよい成長条件を見出した。(3)n-3C・SiCの成長に対しても実験をおこなったがドープ用材料の性質上、現有装置のまゝでは系統的なデータを得るのは稍困難であることがわかった。(4)6H・SiC基板の表面の処理法は一応解決し、P-3C・SiC/n-6H・SiCのpn接合素子のMBE成長をおこない【I】-【V】特性をはじめ種々の電気的特性の測定をおこなった。その際最終目的のミリ波デバイス実現のための基礎データをとるため特にパルス動作におけるブレークダウン特性の測定に主眼をおいた。そして二三の素子においては、かなり満足すべき特性が得られたが、高電界印加時において破壊するものが多く、安定な素子の実現のためには界面状態の改善、不純物ドープ結晶の一層の高品質化などが必要と考えられる。(5)上記(4)の問題に関連してP-SiCの作成を硼素ドープの場合に限定し、その結晶自体の高温および低温特性,電気的特性を実験的に詳細に調べた。(6)以上の研究で得られた結果により今後の問題点として、(a)成長時における真空度の一層の向上による清浄雰囲気の実現ならびに成長時の基板温度の低減化がはかれるような成長法の開発(b)SiCに対する電極材料,電極形成法の確立,(c)結晶性質のより確実なデータを得るために必要な厚膜形成法およびその為の原料特に炭素の分子線供給法の改善等が必要である。最後に述べた問題点の一部については既に改善もおこなってきている。なお研究発表の最後の二つの論文は本研究に関連しておこなったSi-MBEを応用したデバイスに関するものである。研究期間の第2年度末より最終年度初め(61年11月62年4月)におけてマイクロ波用デバイスの試作をはじめたが,それらは基礎特性の測定段階でしばしば破壊することがわかった.その原因として, (1)基板用6HーSiC結晶の均貭性が必ずしも良好でない.(2)現用の固体ソースMBE法では長時間の結晶成長ならびに不純物を導入した成長の際の制御性が不充分であることなどによると考えられ,これらの改善をはかる必要があることがわかった.そこで成長法を一部改善することにした.その要点は, (1)基板に良貭でしかも結晶面やオフアングルが確実に出せるSiを用い,炭化法で先ず良貭な3CーSiC薄膜を形成し,その上にデバイスを作成する.(2)固体ソースより制御性よくしかも成長温度をさらに低温にすることが可能と思われるガスソース