hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光機能性分子組織体の構築と界面物性制御材料への展開

光機能界面の学理は、光エネルギー変換や光触媒の新展開を促進するとともに新しい機能性材料を創生する上で重要である。特に、異なる物質間に形成される界面では、ナノメートルスケールでの構造制御が物性と機能の発現に本質的重要性をもつ。本研究では、界面物性制御材料のひとつとして秩序配列したナノ構造をもつ分子系に着目し、光機能や電子的機能を発現する新しい分子組織体を構築しデバイスへと展開することを目的として、(1)ポルフィリンJ会合体のナノ構造制御による励起子制御材料の設計、(2)ポルフィリンアレイπラジカルのナノ構造制御によるスピン整列、(3)酸化チタン表面におけるJ会合体の形成と界面電子移動を利用したスピン機能材料の開発、(4)エネルギー貯蔵型色素増感太陽電池の開発、を行なった。まず、プロトン化した非水溶性ポルフィリン誘導体が界面で自己組織化しJ会合体を生じることを見出し、その会合構造や励起子相互作用の大きさに様々な変調を加えることを可能とした。また、J会合体ナノシートヘテロ積層膜を構築し、高効率励起エネルギー移動を観測した。一方、直結型ポルフィリンアレイのπラジカルを生成させ、多重項状態を実現した。これはナノ構造制御によるスピン間相互作用の変調が可能であることを示しており、分子磁性やスピン間相互作用を利用する機能材料を構築する上で重要である。さらに本研究では、エネルギー貯蔵型色素増感太陽電池の基本構造を開発した。出力安定性と低コストを実現する上で重要なブレークスルーであり、今後太陽電池の普及に寄与すると期待される。本研究では、ナノ構造を持つ分子組織体に着目し、これらの電子遷移過程のダイナミクスを研究するとともに、界面機能材料への展開を試みる。今年度は、ポルフィリン誘導体を配列した分子組織体のうち、ポルフィリンJ会合体の構造と機能、ならびに、メソ位直結型ポルフィリンアレイπラジカルのスピン整列を中心に研究を行った。まず、水溶性置換基を持たない多数の非水溶性ポルフィリンが、硫酸水溶液とポルフィリン非水溶液との液液界面や気液界面でプロトン化したのち自己組織化し、J会合体ナノクリスタルを生じることを明らかにした。このJ会合体のS_1励起子のエネギーレベルは系統的に制御できることを明らかにした。また、これらのJ会合体を用いた界面修飾の目的でポルフィリンJ会合体LB膜の作成に成功した。プロトン化した水溶性ポルフィリンは、大きな疎水平面をもつ双性イオンであり、疎水性相互作用と静電的相互作用のバランスが整えばJ会合体を生じる。われわれは、高分解能電子顕微鏡でその構造を明らかにするとともに、光導電性と電子伝導性について検討した。一方、ポルフィリン金属錯体やπラジカルを配列した分子系は、スピン機能材料として有望である。メソ位直結型ポルフィリンアレイは、隣接するポルフィリン環が直交配向しπラジカル軌道の直交性の観点で大変興味深い。われわれは、これらの24量体のπラジカルが、多重項ESRを与えることを明らかにした。また、これらの特異な温度依存性を明らかにした。本研究では、界面物性制御材料として多様なナノ構造を持つ分子組織体に着目し、光機能や電子的機能を発現する新しい分子組織体の構築とデバイスへの展開を行っている。今年度は、ポルフィリンや導電性高分子などを用い、(1)高効率光エネルギー変換系とエネルギー貯蔵型色素増感太陽電池、(2)ポルフィリンJ会合体のナノ構造制御と機能、(3)ポルフィリンアレイπラジカルのスピン整列と電子移動制御材料に関する研究を進めた。(1)については、色素増感太陽電池と二次電池を一体化した三極式のエネルギー貯蔵型色素増感太陽電池(ES-DSSC)を開発した。ES-DSSCは、光エネルギー変換を行う部分と電荷蓄積電極をイオン交換膜を介して組み合わせた3極式セル構造をもつ。電荷蓄積電極には、導電性高分子であるポリピロールを用いた。

負荷をかけずに50分光充電した後、セルの開回路電圧は15分後でも600mV程度に保持されることがわかった。(2)については、プロトン化した非水溶性テトラアリルポルフィリンJ会合体を気-液界面で作成し、その吸収スペクトルが液-液界面で形成したJ会合体より先鋭になり不均一な相互作用が少ない高秩序会合体となることを明らかにした。また、気-液界面で生じたJ会合体のAFMからナノファイバー構造があることを確認した。さらに、ポルフィリンJ会合体単分子膜を構築し、他の両親媒性分子の助けなしに、ガラス基板上に容易。に累積できることを明らかにした。(3)については、今年度は、ダイマー以上のメソ位直結型ポルフィリンアレイならびにポリマーの高酸化状態について検討し、ダイマー同様に多重項ESRシグナルを与えることを明らかにした。また、メソ位ベータ位直結型ダイマージラジカルでは、キュリー則にほぼ従う三重項の確認に成功した。本研究では、界面物性制御材料として多様なナノ構造を持つ分子組織体に着目し、光機能や電子的機能を発現する新しい分子組織体の構築とデバイスへの展開を行っている。今年度は、ポルフィリンや導電性高分子などを用い、(1)高効率光エネルギー変換系とエネルギー貯蔵型色素増感太陽電池、(2)ポルフィリンJ会合体のナノ構造制御と機能、(3)ポルフィリンアレイπラジカルのスピン整列と電子移動制御材料に関する研究を進めた。(1)については、色素増感太陽電池と二次電池を一体化した三極式のエネルギー貯蔵型色素増感太陽電池(ES-DSSC)の充放電容量増大に成功した。今年度開発したES-DSSCは、電荷蓄積電極にステンレスメッシュを用い、これに導電性高分子であるポリピロールを重合したものである。(2)については、プロトン化した非水溶性テトラアリルポルフィリンJ会合体のLB膜を作成し、その偏光吸収スペクトルからJ会合体内部のポルフィリンの配向を決定し、高秩序配列会合体であることを明らかにした。また、これらを用いた励起エネルギー移動の研究を行った。(3)については、今年度は、メソ位直結型ポルフィリンアレイの還元型πラジカルについて検討し、酸化型と同様に多重項ESRシグナルを与えることを明らかにした。本研究では、界面を構成する要素としてさまざまな「分子組織体」をとりあげ、その光物理化学的挙動を解明するとともに界面物性制御材料への展開を試みた。具体的には、光エネルギー変換機能を担うポルフィリン類に代表されるπ共役系分子や、単分子膜などを材料として用い、生物の光合成系に匹敵する高効率光エネルギー変換系や、将来のナノデバイスへの展開を視野に入れた界面物性制御材料の創製をめざした。ポルフィリンJ会合体の構築と光電子機能ポルフィリンJ会合体の励起エネルギー移動と光誘起電子移動については、分子配列構造の異なるポルフィリンJ会合体の励起エネルギー移動と光誘起電子移動の機能について検討した。また、種々のポルフィリンを用いて、ポルフィリンJ会合体LB膜を作成した。透明トラフを用いて方向性を持った励起エネルギー移動と光誘起電子移動を計測した。
Ru錯体における電子移動と配位子の配位様式変換を伴う物性発現に関する理論的研究

第二周期遷移金属イオンは第一周期遷移金属イオンに比べて共有結合性が高く、化学的に興味深い物性を顕著に発現する。本研究では鉄と等原子価原子Ruを中心金属とする錯体Ru(III)L_5NOおよびORu_3(CH_3CO_2)_6L_2COを主な研究対象とする。これらの物質は錯体化学の分野で注目される物質で、基礎的研究はもちろん、生体、エレクトロニクスへの応用研究が盛んに行われている。ここで取り上げようとする物質は、電子移動と配位子の配位様式の変換が介在することにより、特異な性質を発現すると予測される点で共通する。Ru(III):L_5NO(L=CN^-);この物質は長寿命の光誘起準安定状態を持ち、スイッチング素子を作り得る有望物質である。Ruだけでなく、同原子価電子系[Fe(CN)_5NO]^<2->に対して2つのNOの配位の仕方が異なる準安定状態がある。本研究では[Fe(CN)_5NO]^<2->と[Ru(CN)_5NO]^<2->の電子的基底状態の構造、ならびに準安定状態の構造の決定、長寿命の要因、更には、低い励起状態のポテンシャル面を計算して励起状態の電子構造、励起状態を通して起こる無輻射遷移による準安定状態への遷移の過程を説明した。Ruの方がFeより共有結合性が高いゆえに長寿寿命準安定状態のポテンシャル障壁が高くFeに比べて寿命が長くなる。Ru_3O(CH_3CO_2)_6L_2CO(L=bzpy:ベンゾイルピリディン);oxo中心の酢酸架橋Ru三核錯体は4段階の還元が観測され、特に2電子還元体では、金属骨格側と配位子側の還元のされ方が異なる原子価互変異性体の存在を予測した。金属骨格に対して2つのbzpyが垂直に配位する場合と水平に配位する、異性体の存在を見出している。2電子還元体ではこの二つの異性体の全エネルギーが殆ど同じで、そのために示す物性が異なる2電子還元体が観測される理由を説明した。電子付着の部位の解析を行った。[Ru(CN)_5NO]^<2->、[Fe(CN)_5NO]^<2->および[Mn(CN)_5NO]^<3->における、光誘起準安定状態と光遷移過程:光誘起準安定状態の寿命が長く、スイッチング素子、記憶素子の候補として研究される物質である。拡張基底関数系を用い、CASSCF、MRSDCI+Q計算により次のことがわかった。1)基底状態の構造は3物質ともにNOは金属に対してNからon topに配位する。2)準安定状態は3物質とも電子的基底状態において、NOがside on及びOの側からon topに配位する構造のlocal minimaである。3)Ru錯体の準安定状態の寿命がFeより長い理由はRuとNO間の共有結合性がFeの場合より強く、その結果、前者のポテンシャル障壁が高くなることによる。4)Fe、Ru錯体では低い励起状態のポテンシャル面が擬交差、円錐交差をを多数含み、これらが準安定状態への失活経路となる。5)Mnでは準安定状態が観測されないが、これは準安定状態への失活を導く経路が無いことによる。

[Ru_3O(CH_3CO_2)_6(bzpy)_2CO]^<n->(n=0,1,2)の安定構造ならびに電子構造についての理論的研究:H以外の全原子にモデルコア-ポテンシャルを用い、Ru,中心のO、COにはDZ+P基底、他には最小基底を用いた。n=0の中性体からn=1,2の還元体の安定構造を求めた。この際、Ru_3O(CH_3CO_2)_6部分はmbpy錯体での構造を仮定し、bzpyの中心部に対する相対的構造(bzpyのNとRu結合におけるbzpy分子面とRu_3とのなす角)を調べた。n=0,1ではbzpyが90度で配位する構造が安定で、n=2の場合は90度、0度がほぼ同じエネルギーで安定となり、実験から二つの構造が予想されたことを支持する。n=1では主にコアー部分に付着するが、n=2では主にbzpyが負に帯電することになる。第二周期遷移金属イオンは第一周期遷移金属イオンに比べて共有結合性が高く、化学的に興味深い物性を顕著に発現する。本研究では鉄と等原子価原子のRuを中心金属とする錯体Ru(III)L_5NOおよびORu_3(CH_3CO_2)_6L_2COを主な研究対象とする。これらの物質は錯体化学の分野で注目される物質であり、基礎的研究はもちろん、生体、エレクトロニクスへの応用研究が盛んに行われている。これらの物質は、電子移動と配位子の配位様式の変換が介在することにより、特異な性質を発現すると予測される点で共通する。Ru(III)L_5NO (L=CN^-):この物質は長寿命の光誘起準安定状態を持ち、スイッチング素子の有望物質である。Ruだけでなく、同原子価電子系[Fe(CN)_5NO]^<2->に対して2つのNOの配位の仕方が異なる準安定状態がある。本研究では[Fe(CN)_5NO]^<2->と[Ru(CN)_5NO]^<2->の電子的基底状態の構造、ならびに準安定状態の構造の決定、長寿命の要因、更には、低い励起状態のポテンシャル面を計算して励起状態の電子構造、励起状態を通して起こる無輻射遷移による準安定状態への遷移の過程を説明した。Ruの方がFeより共有結合性が高いゆえに長寿寿命準安定状態のポテンシャル障壁が高くFeに比べて寿命が長くなる。Ru_3O(CH_3CO_2)_6L_2CO (L=bzpy:ベンゾイルピリディン):oxo中心の酢酸架橋Ru三核錯体は4段階の還元が観測され、特に2電子還元体では、金属骨格側と配位子側の還元のされ方が異なる原子価互変異性体の存在を予測した。金属骨格に対して2つのbzpyが垂直に配位する場合と水平に配位する、異性体の存在を見出している。2電子還元体ではこの二つの異性体の全エネルギーが殆ど同じで、そのために示す物性が異なる2電子還元体が観測される理由を説明した。さらに電子付着の部位の解析を行った。
結晶模型による半導体/絶縁膜界面物性の評価

半導体/絶縁膜界面評価手段として、結晶模型を作り評価することを提唱した。この結晶模型は原子を表す球と結合を表す棒によって構成されたものである。さらにこのモデルからの座標をコンピュータに入力し、Keatingエネルギーを用いてエネルギー緩和を行う。界面を評価するには、界面部分の模型を作成し、界面を構成する原子のKeatingポテンシャルの大きさから評価を行う。まず(100)(110)(111)などの低指数面を界面とした場合の評価の結果、(111),(110),(100)の順にエネルギーが低くまた安定であることが明らかとなった。また(100)面を界面とする場合何通りかの界面の形状を変化させて評価したところ(111)面で囲まれたピラミッド状の界面が安定であり、XPSでの結果も説明することができることから、この界面形状に近い形をしていることがわかった。次に分子軌道法の一種であるDV-Xa法を用いて界面の評価を行った。それによれば界面を構成する原子の各軌道のエネルギーが求まり、界面の酸化反応を電子論的立場から考察することができる。この結果、酸化反応は界面からではなく結晶内部から起こることがわかった。最後に横方向固相成長法によるSOI構造では絶縁膜上に半導体結晶を形勢するため、酸化による界面とは違った性質の界面となる。成長先端ではc-Si,a-Si,a-SiO_2の三相境界となるが、ここでの各原子のひずみポテンシャルから、微小双晶の発生が説明できる。また界面に微小双晶が発生することも(111)面が安定であることから説明できる。さらに、絶縁膜としてSiNを用いたい為である。これは結晶模型からの評価と一致する結論である。以上のように結晶模型による解析と実際観測される結果が一致することから、モデルによる解析の妥当性が示された。基板面方位の違いによるSi/Si【O_2】界面の構造的性質の変化を調べるために、平坦な(100),(110),(111)面を界面として持つような界面構造のモデルを作成し、界面に生じる歪エネルギーの基板面方位依存性を調べた。歪エネルギーの大きさは、(100)→(110)→(111)面の順に小さくなった。これは、結晶Si表面から出ている未結合手の数と方向が、各面方位によって異なることに起因している。この結果は、HRTEM写真において、(111)界面が比較的平坦であるのに対し、(100)界面には凹凸が多く見られることに良く一致した結果である。歪エネルギーの大きな(100)界面では、急峻で平坦な構造をとりにくいものと思われる。そこで、上の結果をもとに、(111)ファセットで囲まれた、数原子層の高さを持つ結晶Siの凹凸のある界面構造のモデルを作成した。界面に生じる歪エネルギーは、平坦な(100)面の場合に比べて大きく減少する。又、HRTEMのシミュレーションでは、実際の界面を観察したときに見られる界面の凹凸が再現される。アトム・プローブで観察されたSiO遷移領域もこの凹凸によって再現出来た。界面に【Si^(nt)】原子が存在することは、XPS等の実験で数多く報告されているが、以上のような急峻な界面構造では、実験で報告されているような【Si^(nt)】原子の比が実現出来ないので、界面に【Si^(nt)】原子を含んだ界面構造のモデルを作成した。(100)界面の歪エネルギーは、この構造によっても低下させることが出来る。

しかし、界面の凹凸やSiO領域は再現することが出来ない。以上の事から、Si/Si【O_2】界面の構造について以下の事が予想される。界面の形状は、面方位によって異なり、(111)界面は平坦であり、(100)界面は2種類の界面構造の混成状態となっているものと思われる。今後は、プロセスによって異なる界面の形状の、もっと詳細な解析を行なっていくことが必要である。基板面方位の違いによるSi/SiN界面の構造的性質の変化を調べるために,平担な(100),(110),(111)面を界面として持つような界面構造のモデルを作成し,界面に生ずる歪エネルギーの基板面方位依存性を調べた.歪エネルギーの大きさは(100)→(110)→(111)面の順に小さくなった.これは,絶縁膜にSiO_2膜を用いた時と同様であり,この理由としては結晶Si表面から出ている未結合手の数と方向が,各面方位によって異なることに起因している.しかしながら,その歪エネルギーの絶対的な値はSi/SiO_2界面が高々百数十meV程度であったのに対して,Si/SiN界面では数百meVにまで達している.これはSiO_2腰においてSi原子は4配位,O原子は2配位で,O原子には歪に対してかなりフレキシブルな性質が存在し,SiO_2膜全体としてもやわらかいという性質があるのに対して,SiN膜ではSi原子は同じく4配位であるが,N原子は3配位であり,歪に対してかなり固く,SiN膜全体としても強固な性質をもつことに寄因している.また高分解能電子顕微鏡を用いたSi/SiN界面の断面格子像観察を行なった結果より,Si/SiN界面には遷移領域が存在し,さらに界面の形状も数十nm程度の周期で,1nm程度の振幅の凹凸があることがわかった.遷移領域を導入したSi/SiN界面構造モデルの解析より,遷移領域の存在によって歪エネルギー半分程度に下がるという結果が得られ,以上の電子顕微鏡観察の結果と一致することがわかった.Si/SiO_2界面での酸化の素過程を理解する為に、分子軌道法を用いて電子論的に反応を考察した。近年のデバイスの微細化に伴いこの界面物性評価は重要性を増している。我々は分子軌道法の中でも計算量が少なく精度の高いDV-Xαクラスタ法を用い、一般の分子軌道計算で扱う事が困難である上記の界面での計算を行った。Siの酸化機構は酸化種がSiO_2中を拡散しSi/SiO_2界面でSiの酸化が起こると現在考えられている。酸化反応の素過程の詳細を探るためには、Si/SiO_2界面においてどの結合が切れて酸化種と反応をしやすいかを調べる事が必要である。DV-Xαクラスタ法の計算結果から最高被占軌道(HOMO)を求めること、界面Siの背面結合のさらに一段基板側にあるSi-Si結合がこれに当たることがわかる。このことからSi/SiO_2界面近傍の結晶Si中におけるSi-Si結合は、界面Siの背面結合よりもそれより一段基板側にあるSi-Si結合のほうがエネルギーが高い、すなわち結合が弱く反応性が高い軌道であることがわかった。つまり、酸化種が界面近くまで拡散してきた時に、今まで考えてきたように界面Siの背面結合が切れて酸化が順に進むのではなく、比較的奥のSiとの反応が先に進む可能性があることがわかった。酸化反応が一層ごとに進のではなく上記の結果のように奥の方が先に酸化するような機構があると仮定すると形成されたSi/SiO_2界面は相当乱雑になると考えられる。
メカニズム・デザインの理論・実験とその応用

公共選択モデル(社会の全てのメンバーに影響を与える選択肢の中から、一つの選択肢を選ぶモデル)、私的財の配分モデル、マッチング・モデルなど、さまざまなモデルで「耐戦略性」をもつルールについて、研究した。ただし、「耐戦略性」とは、ルールがメンバーに自発的に真の情報を反映させる誘因を備えているという条件である。特に、私的財の配分モデルにおいて、貨幣移転をともなう私的非分割財配分ルールを重点的に研究し、i)最小価格ワルラス・ルールが、耐戦略性、効率性、個人合理性、支払の非負性を満たす唯一のルールであり、またii)同時せり上げオークションの結果が最小価格ワルラス・ルールによる配分と一致することを示した。この研究プロジェクトでは、いろいろなモデルにおいて、耐戦略性を有するメカニズムや人々の戦略的行動の帰結を理論的に分析し、その結果を経済実験によって検証する。以下、平成22年度の進捗状況を、サブプロジェクトごとに説明する。ただし、サブプロジュクトDは、23年度に繰り越して成果をあげた。サブプロジェクトA(私的財配分モデルにおけるUniform Ruleの特徴づけ)Sprumont(1991)とChing(1994)によるUniform Ruleの特徴づけの多数財への拡張、すなわち耐戦略性、弱い効率性(Same Sideness)、対称性と非介入性(Nonbossiness)を備えているのは、Uniform Ruleだけであることを、理論的に示す研究を進めた。サブプロジュクトC(動学的トーナメントの情報Feedback効果の分析)動学的トーナメントにおいて、PrincipalがAgentsのEffortを最適にするために、情報Feedbackを行うべき場合と行うべきではない場合を特定した。この研究結果を、Games and Economic Behaviorから公刊した。また、来年度から行う経済実験のための予備実験も、行った。サブプロジュクトD(貨幣を導入したマッチング・モデルの理論的分析)耐戦略性、効率性、個人合理性などを満たす配分ルールが、同時せり上げオークションと一致することを示した。以下、平成23年度の進捗状況を、サブプロジェクトごとに説明する。サブプロジェクトA(私的財配分モデルにおけるUniform Ruleの特徴づけ)Uniform Ruleだけが、同じpeakの耐戦略性、効率性と対称性を持つことを、示した。さらに、三つの条件を備えるルールが存在しえる最大定義域を求めた。サブプロジュクトB(非分割財市場の理論的分析)Nash均衡と支配戦略均衡で、同時遂行可能なルールを分析し、1)個人合理的で同時遂行可能なルールは、非交換ルールだけである、2)中立的な同時遂行可能なルールは、非交換ルールだけである順次独裁制だけである、3)効率的な同時遂行可能なルールは、非交換ルールだけである逐次独裁制だけである、ことを示した。サブプロジュクトC(貨幣を導入したマッチング・モデルの理論的分析)貨幣を導入したマッチング・モデルは、非分割財を配分するオークションのモデルとしても解釈できる。平成22年度の繰り越し計画として、耐戦略性、効率性、個人合理性などを満たす配分ルールが、同時せり上げオークションと一致することを示した。さらに、平成23年度の成果として、同時せり上げオークションの結果が、最低価格ワルラス均衡価格ルールと一致することも、示した。また、平成22年度の研究成果であるオークション・モデルの研究成果を、学術誌に公刊した。本年度研究実績を、サブプロジェクトごとに説明する。サブプロジェクト1(非準線形な選好を伴うオークションモデル):単一需要オークションモデルで、ワルラス均衡価格はLattice構造をもつ。その中で、最小均衡価格に対応する配分を選ぶ社会選択関数を、「最小均衡価格ルール」と呼ぶ。前年度までに、i)耐戦略性、効率性、個人合理性を満たし、かつ補助金なし配分ルールが最低価格ワルラス均衡価格ルールのみであること、ii)同時せり上げオークションの結果が、最低価格ワルラス均衡価格ルールと一致することを示していた。平成24年度にはさらに、補助金なしという条件を、入札敗者への補助金なしというより弱い条件に置き換えて、i)と同様な結論を導くことに成功した。同時せり上げオークションは多くの国の政府で採用されているので、強い政策的含意がある。この結果を、多くの学会セミナーなどで発表しながら改定し、論文の完成度を高めた。サブプロジェクト2(耐戦略性の経済実験による検証):耐戦略性のあるメカニズムは、強い誘因両立性を備えていることになるが、既存の経済実験による検証では必ずしもよい性能を示しているわけではない。その原因として、被験者がメカニズムを理解していないといことが考えられる。その仮説を検証するために、耐戦略性を被験者に説明した上で経済実験を行った。

サブプロジェクト3(貨幣の移転なしの非分割財配分モデルの理論的分析):匿名性とは、人々の選好の置換に伴い配分される財も置換されるという条件であるが、人々の名前によらず配分を決めるという点で、公平性の条件と考えられる。しかし、非分割財の再配分モデルにおいて、非常に強い条件となっている。前年度までに、様々な形の弱めた匿名性の条件と耐戦略性を満たす社会選択関数を研究した。平成24年度にはそれらをまとめ、学術誌に投稿した。どのような社会でも、社会として意思決定を行う際に、メンバーの意見や好みといった情報を明示的また暗黙のうちに集約したり、反映したりするかたちをとる。メカニズム・デザインでは、メンバーの情報を集約または反映して社会的意思決定する方法を、「社会選択関数」と呼ぶ。多くの場合、意見、好み、必要性といった情報は、メンバー自身しか知り得ないか、立証できないので、メンバーが自発的に真の情報を反映させようという動機がない限り、社会的に好ましくない選択をしてしまう危険性がある。これを避けるためには、社会選択関数が、メンバーに自発的に真の情報を反映さる誘因を備えていなければならない。その誘因として、本研究では、社会選択関数の「耐戦略性」という性質を研究した。耐戦略性を備える社会選択関数を理論的に研究し、さらに経済実験によって検証した。以前から、非準線形な選好を伴うオークション・モデルを重点的に研究しており、Unit Demandの仮定のもとで、最小均衡価格ルールの特徴づけ行った。26年度は、その研究成果をまとめた論文を、世界各国の研究者からのコメントをもとに改善した。その結果、世界的な学術誌であるTheoretical Economicsから、論文通知を受けた。さらにこの研究成果を発展させて、入札者が非分割財に先験的なランキングを持つ場合や、複数の非分割財を受け取り可能な場合について拡張した。貨幣移転を伴わない非分割財の配分問題についても研究を進め、Discussion Paperとしてまとめた。また、メカニズム・デザインの世界的な研究者であるボストンカレッジのTayfun Sonmez教授とUtku Unver教授を招聘し、Market Design Workshopを開催した。
メタ認知に働きかけて科学的探究能力を育成する研究

本研究は,中学校学習指導要領理科や21世紀型スキルに代表される次世代型教育において重要視されている「科学的探究能力」に関して,学習力を支える高次認知機能である“メタ認知(metacognition)"に働きかけることによって中学生の科学的探究能力を育成することを目的としている。この目的を達成するために,昨年度は科学的探究の理論的検討と先行研究の文献調査を実施し,科学的探究のプロセスを仮説の形成と評価,観察・実験の計画,結果の解釈と枠組みを定めた。また,中学生が自己の科学的探究能力に対して,適切にメタ認知的モニタリングを働かせることができるのか調査を実施した。本年度は,昨年度の調査結果をまとめ,2件の学会発表(日本理科教育学会第65回全国大会,日本教育心理学会第57回総会)を実施した。また,中学生の教育プログラムを開発する上で,大学生の科学的探究や科学的思考に対する認知について検討する必要性を感じ,国立大学に通う大学生105名を対象に自由記述による調査を実施した。計量テキスト分析を用いてコーディングスキーマを生成し評価を行った結果,18カテゴリーの記述内容が示されたが具体性に欠ける認知も一定数以上見受けられた。さらに,科学的探究能力の育成を掲げる理科教育学研究においてメタ認知に直接的,間接的に教育介入を施した研究を収集して分析を実施した。その結果,教材教具や教師の発問の工夫によってメタ認知的活動を促進させる実践的な取り組みが数多くされている一方,科学的探究能力の育成に必要なメタ認知的知識について論及している研究は少ないことが示された。これらの研究成果は,1件の学術論文(査読付き)と1件の学会発表(日本科学教育学会第39回年会)で報告した。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は,中学校学習指導要領理科の目標にも掲げられている「科学的探究能力」に関して,学習力を支える高次認知機能であるメタ認知に働きかけることによって中学生の科学的探究能力を育成することを目的として,学習教材とその教材を活用した学習プログラムを開発しようとするものである。科学的探究のプロセスは,仮説の形成や評価,観察・実験の計画,結果の解釈など様々な活動や要素を含み複雑であるため,学習者はメタ認知を十分に働かせ,適切なモニタリングを通して自己の探究活動をコントロールする必要がある。しかし,中学生が自己の科学的探究能力やそのプロセスに対して,適切にメタ認知的モニタリングを働かせることができるかに関しては十分に検討がなされていない。そこで,本年度は科学的探究能力を測定する評価問題と質問紙を作成し,評価問題の成績と質問紙への回答結果を比較することによって中学生のモニタリングの正確さについて検討した。中学生112名(1年生41名,2年生40名,3年生31名)を対象に調査を実施した結果,中学1年生は科学的探究能力に対して適切なモニタリングを働かせることが困難であるが,認知発達がさらに進んだ中学2年生と3年生では評価問題の成績と質問紙への回答に統計的に有意な正の相関が見られたことから,ある一定水準以上のモニタリング能力を有していることが示された。したがって,次年度では科学的探究能力の育成に向けて教育的な介入実験を試みる計画であるが,その対象を適切なメタ認知的モニタリング能力を有している中学2・3年生にすることによって,科学的探究プロセスに対する適切なモニタリング結果を探究活動のコントロールへと誘導することが可能になるのではないかとの示唆を得ることができた。本年度,科学的探究能力の育成を図る学習教材の開発や教育介入の試行を計画していたが,教育効果の測定(評価)における信頼性や妥当性をより高めるため,中学生の自己評価やメタ認知的モニタリングの能力に関する調査を実施したことによって,当初の計画通りに遂行することができなかった。

今後は,科学的探究能力の育成を図る学習教材や学習プログラムの開発に着手し,試行と評価を繰り返すことによって修正・精緻化し,効果的な学習環境のデザインと構築を行う。27年度が最終年度であるため、記入しない。
心筋細胞内アセチルコリン産生系のエネルギー代謝調節と病態への関与の可能性

我々は、これまで古典的な心臓に対する副交感神経系の生理学的機能に対して、我々は生化学的・分子生物学的・細胞生物学的に解析を進め、副交感神経系の神経終末から放出されるAChに、抗不整脈作用・抗アポトーシス作用・虚血耐性獲得機構活性化・血管新生促進作用という新規機能を見出し、さらに心筋細胞がAChを産生してこれらの作用を担っていることも世界で初めて報告した。本研究では、この心筋細胞ACh産生系にはエネルギー代謝を抑制し細胞を余分なエネルギー消費から守り、細胞を保護すること、またこの心筋細胞ACh産生系を活性化させることで病態改善、病態進行抑制の可能性が示唆された。1.従来の副交感神経系終末から放出される神経由来のACh以外で、近年解明されつつある非神経性ACh産生系を、今度は心筋細胞自身が持っているかを検討してきたが、この系がどのような調節メカニズムをもつのか、その生物学的意義は何であるかを検討した。そして、これまでに報告されてこなかった、心筋細胞内ACh産生系の存在の可能性についてはじめて明らかにした。2.心筋細胞内ACh産生系は、AChやpilocarpineなどmuscarinic receptorを介して、positive feedback機構により活性化されることが明らかとなった。すなわち、ACh合成酵素の遺伝子発現・蛋白発現・心筋内産生ACh量のいずれもが、AChやpilocarpineによって増加し、一方、atropineによって減少することが判明した。3.心筋細胞内ACh産生系の生物学的意義は、ミトコンドリア機能を一部抑制し、結果として心筋細胞の酸素消費量に対して恒常的にブレーキをかける役割を担っていることが明らかとなった。VHL蛋白欠失細胞とコントロール細胞の両者を用いたcDNAサブトラクション法により、HIF-1α蛋白レベルが恒常的に増加しているVHL欠失細胞においては、ミトコンドリアまたはエネルギー代謝を修飾する遺伝子群が高発現していることが明らかとなり、その中で我々は、核で発現する新規の遺伝子を同定した。この遺伝子は、ミトコンドリアDNAの転写因子mitochondrial transcription factor A (TFAM)自体の転写を抑制し、酸素消費量を抑制するという機構を持つことが明らかになった。1.研究成果内容:心筋細胞内アセチルコリン合成系(cardiac non-neuronal cholinergic system)は心筋細胞内に従来の副交感神経系とは独立して存在し、その生理学的機能はミトコンドリア転写因子(TFAM)自身の転写を抑制し、結果として細胞エネルギー代謝を負に調節することを解明した。すなわち活性酸素・酸化ストレスの発生源であるミトコンドリアを常に抑制することがこの心筋細胞内アセチルコリン合成系の主要な役割と考えられる。なぜならばこの合成経路をsiRNAで抑制した細胞では、明らかに細胞酸素消費量がより増加したからである。この系は、ミトコンドリアが豊富な心筋細胞にとって、その異常機能亢進を起こさないようにするための分子ブレーキとしての役割をもつことが明らかとなった。また、この系を賦活化させる薬剤としては、アセチルコリンエステラーゼ阻害薬の中のdonepezilが候補として考えられ、eserineなどの一般的なエステラーゼ阻害薬と異なり、アセチルコリン合成経路を転写レベルで亢進させるという特異的な作用をもつことが明らかとなった。2.現在、合成系促進効果をもつ他の薬剤を検討するとともに、薬剤を用いずに体内に本来備わっているストレス応答反応を逆に利用することで、このACh合成系を促進させると想定される理学的方法について検討している。方法自体は間違いなくこの合成系構成因子の発現を亢進させたが、この方法によって心臓内でのACh含量が実際に増加するか否かについて検討を加えている。今後これを用いて、疾患モデルに対して、ACh合成系を亢進させることで臓器保護作用を発揮するかどうかについて検討を加える予定である。心筋細胞内アセチルコリン産生系は、その細胞内産生系をsiRNAでノックダウンさせる細胞を作製することにより酸素消費量が増加したことから、逆にその機能はミトコンドリアを恒常的に(constitutiveに)負に調節していることを明らかにした。このことから、この細胞内アセチルコリン産生系をノックダウンさせた細胞が、いかに非生理学的環境下におかれると細胞死を起こしやすくなるか、つまり病的状態にこのノックダウン細胞を置くことで、よりその細胞機能が破綻しやすいか否かを検討した。1.ノックダウン細胞では、細胞間コミュニケーションが非常に抑制され、細胞内色素(LY色素)注入によっても色素の細胞間移動がコントロールと比べて著しく抑制された。また細胞間結合に関わる各種分子の蛋白発現も抑制された。2.ノックダウン細胞では、その細胞内エネルギー基質が減少しており、細胞酸素消費量は逆に亢進することから、この細胞においてはエネルギー基質の産生よりもむしろ消費が亢進していると考えられた。

3.このノックダウン細胞に対するエピネフリンの細胞毒性試験を行ったところ、コントロール細胞と比較して低濃度で毒性、すなわち細胞死が惹起された。この時の各種細胞死関連シグナルを評価したところ、明らかにノックダウン細胞ではより低濃度エピネフリンによって容易に細胞死が誘導されており、このことはコントロール細胞よりもノックダウン細胞ではより細胞死を起こしやすくなっていた。4.細胞内アセチルコリン産生系を、逆に薬理学的介入により亢進させることが可能かどうか検討したところ、一酸化窒素(NO)関連薬物によりその亢進の可能性が示唆された。現在、NOに依存しない別の経路を介した亢進方法について検討をしており、小動物を用いた系では明らかにその亢進効果が認められた。そこでヒトでも同様であるかをさらに確認するため、検討しているところである。
光増感によるエンドソーム脱出の分子科学

細胞内への物質導入において細胞のエンドソーム内に溜まってしまう物質を細胞質に移行させる方法として、光増感剤の利用に基づく光依存的エンドソーム脱出法が知られている。本研究では、この方法において利用可能な光増感剤の探索に基づいて、緑色光、赤色光、および近赤外光による効率的な光依存的エンドソーム脱出を可能にした。さらには、本手法で利用可能な光増感剤に求められる性質として、光照射時の一重項酸素(1O2)生成の効率が関係していることを、(再現性を調べるため)平成24年度に引き続き1O2生成量子収率の測定を行って明らかにした。加えて、本年度は、1O2生成の阻害剤を用いた細胞実験により、エンドソーム破壊に1O2生成が強く相関していることを明らかにした。さらには、平成24年度に設計した、「細胞内に入りエンドソーム内に蓄積しやすいアポトーシス誘導蛋白質」に対して、1O2生成効率が高い光増感剤を付加するという設計指針により、光応答アポトーシス誘導分子を作製した。ここでも赤色光、緑色光、青色光に応答する光応答アポトーシス誘導分子をそれぞれ設計・作製した。作製した光応答アポトーシス誘導分子を細胞培養液に加えてエンドソームに蓄積するまでインキュベートし、励起光照射した際のエンドソーム脱出(細胞質移行)効率、およびその後のアポトーシス効率の評価を行い、目的とする光誘導アポトーシス誘導分子を得ることができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。細胞のエンドソーム内に溜まっている物質を細胞質に移行させる方法として、光増感剤と光を用いる方法が知られている。この方法において利用可能な光増感剤を、蛋白質SH基に結合させることのできるマレイミド基をもつ色素の中から選抜した。ここでは、光増感剤を付加したRNAキャリア蛋白質による「光誘導RNA導入法」をベースに選抜を行い、赤色光(波長590-645 nm)により励起できる8種類の光増感剤候補物質を用いた。その結果、赤色域の色素の中からそれぞれ3種類ずつ有効な光増感剤を見つけることができた。また、光増感剤と光を用いて細胞質内物質輸送をするためのもう1つの例として、光応答アポトーシス誘導分子を設計した。また、光増感剤のどのような性質がエンドソーム破壊と相関が高いかを調べるために、赤色光により励起できる光増感剤候補物質に、赤色励起光をあてたときの蛍光量子収率(Φ)、一重項酸素生成量子収率(ΦΔ)、を水溶液および疎水溶液条件のもとで測定した。およその熱生成に関係するパラメータ(1ーΦーΦΔ)についても計算により求めた。光増感剤候補物質を付加したRNAキャリアを用い、RNAのエンドソーム内導入操作の後、光照射によるRNAの細胞質内拡散(エンドソーム脱出)の度合を調べた。これらの結果とパラメータ測定の結果とを照らし合わせて、エンドソーム脱出の度合と最も相関の高いパラメータを探し出した。結果として、エンドソーム破壊と相関が高いのは一重項酸素生成量子収率であることが見いだされた。ただし、次年度において実験結果の再現性の確認および傍証の追加が必要である。当初の計画に従い、RNAキャリア蛋白質の作製、光応答パラメータの測定、エンドソーム脱出との相関と高いパラメータの調査、光応答誘導分子の設計を全て行うことができた。以上のことから、おおむね順調に研究が進んでいると判断した。緑色光および青色光で励起可能な光増感剤候補物質について、一重項酸素生成量子収率を測定する。その結果からエンドソーム脱出能が高いと予想される候補物質を用いて「細胞質内RNA導入実験」と「RNAi実験」を行い、期待通り励起光に応じてRNAの細胞質内導入と活性が見られるかどうかを検証する。また、24年度に設計した「細胞内に入りエンドソーム内に蓄積しやすいアポトーシス誘導分子」に対して、光増感剤候補物質を結合させて、光応答アポトーシス誘導分子を作製する。
単一遺伝子の異常によってもたらされる自己免疫疾患の病態解析

AIRE欠損NODマウスは、既に樹立しているAIRE欠損マウスを10代以上にわたりNODマウスに戻し交配して樹立した。AIRE欠損NODマウスではNODマウスにおける本来の標的組織である膵ラ氏島の破壊を認めなくなり、かわって外分泌組織である膵腺房細胞の著明な破壊像を認めた。この病理学的な所見に一致して、AIRE欠損NODマウスは糖尿病の発症に対して抵抗性を獲得していた。AIREを欠損させたNODマウスにおける臓器特異性の変化は、AIREが単に自己免疫病態の発症を規定するのみならず、どの臓器を標的として免疫破壊を行うかという、いわゆる臓器特異性にも関与していることを明確に示した結果である。したがって、AIRE欠損にともなう臓器特異性の変化がどのような分子および細胞学的メカニズムによって起こるかを明らかにすることで、多彩な病状を示す自己免疫疾患の病態理解に貴重な情報が得られるものと思われる。他方、AIRE欠損NODマウスの血中に存在する自己抗体の対応抗原の一つを同定したところ、膵臓腺房細胞に発現するpancreas-specific protein disulfide isomerase (PDIp)であることが判明した。AIRE依存的自己免疫病態の発症機構として、AIREが胸腺上皮細胞内で種々の末梢自己抗原(peripheral tissue-restricted antigen)の発現を転写レベルで制御している可能性が示唆されている。しかしながら、AIRE欠損NODマウス胸腺におけるPDIpの発現は低下しておらず、このことからAIRE依存的自己免疫病態の発症にはAIREによるPDIp転写制御以外のメカニズムの存在が想定された。すなわち、AIREは胸腺上皮細胞内で種々の自己抗原の転写レベルを制御するのみならず、抗原提示過程を制御している可能性がある。胸腺上皮細胞によって提示される自己抗原には、1)class Iに提示される細胞内の内在性自己抗原と、2)循環血流に乗って胸腺に入り、胸腺上皮細胞によって細胞内に取り込まれた後、ペプチドへのプロセッシングを経てclass IIと結合した形で細胞表面に提示される自己抗原の2種類がある。本研究では、AIRE欠損(あるいは変異)にともなう胸腺上皮細胞上に提示される自己抗原の質的な変化をclass I、class II経路の両者について検討を開始した。すなわち、class II経路については野生型、および疾患変異体(E3 ligase欠損変異)のAIRE遺伝子を導入した胸腺上皮細胞株からclass II結合ペプチドを溶出し、プロテオミクスの手法を用いて、そのプロファイリングを作成・比較し、AIREによる自己抗原ペプチド創出機構の存在を明らかにすべく、細胞を大量培養し、class IIに対する抗体を用いて免疫沈降実験を開始している。他方、class I経路を介した内在性自己抗原の表出に対するAIREの効果については、WT1(Wilms'tumor)を自己抗原として細胞表面に表出するヒト肺癌細胞株(LK79:HLA-A24陽性)を用いるべく、準備を進めている。すなわち、野生型、および疾患変異体AIREを発現するLK79細胞株を樹立し、AIRE依存的な細胞表面でのWT1発現状態をHLA-A24拘束性WT1特異的CD8陽性T細胞株への反応性によって評価する予定である。さらに、これらの細胞株について、AIREに依存した自己抗原表出変化のメカニズムを細胞膜分画の2次元電気泳動(differential analysis)によって明らかにすべく、泳動条件についても予備実験を開始した。以上の研究の進展により、AIRE依存性に胸腺上皮細胞上で変動する蛋白が同定できれば、APECED発症機構の解明に有力な手がかりとなるのみならず、negative selectionに関わる分子機構の本態に迫ることができる。AIRE欠損

NODマウスは、既に樹立しているAIRE欠損マウスを10代以上にわたりNODマウスに戻し交配して樹立した。AIRE欠損NODマウスではNODマウスにおける本来の標的組織である膵ラ氏島の破壊を認めなくなり、かわって外分泌組織である膵腺房細胞の著明な破壊像を認めた。この病理学的な所見に一致して、AIRE欠損NODマウスは糖尿病の発症に対して抵抗性を獲得していた。AIREを欠損させたNODマウスにおける臓器特異性の変化は、AIREが単に自己免疫病態の発症を規定するのみならず、どの臓器を標的として免疫破壊を行うかという、いわゆる臓器特異性にも関与していることを明確に示した結果である。したがって、AIRE欠損にともなう臓器特異性の変化がどのような分子および細胞学的メカニズムによって起こるかを明らかにすることで、多彩な病状を示す自己免疫疾患の病態理解に貴重な情報が得られるものと思われる。他方、AIRE欠損NODマウスの血中に存在する自己抗体の対応抗原の一つを同定したところ、膵臓腺房細胞に発現するpancreas-specific protein disulfide isomerase(PDIp)であることが判明した。AIRE依存的自己免疫病態の発症機構として、AIREが胸腺上皮細胞内で種々の末梢自己抗原(peripheral tissue-restricted antigen)の発現を転写レベルで制御している可能性が示唆されている。しかしながら、AIRE欠損NODマウス胸腺におけるPDIpの発現は低下しておらず、このことからAIRE依存的自己免疫病態の発症にはAIREによるPDIp転写制御以外のメカニズムの存在が想定された。すなわち、AIREは胸腺上皮細胞内で種々の自己抗原の転写レベルを制御するのみならず、抗原提示過程を制御している可能性がある。
アトピー性皮膚炎に付随する環境および自己因子によるTSLP誘導とその意義

ヒトケラチノサイトのthymicstromal lymphopoietin (TSLP)発現誘導について解析し新知見を得た。アトピー性皮膚炎患者皮膚での増殖が知られる黄色ブドウ球菌や、ハウスダストに含まれることが知られる微生物鞭毛成分、そしてアレルギー関連サイトカインなどがTSLP誘導を促進することを明らかにした。機能的な遺伝子発現を高感度に検出する方法も見いだした。本研究によって、TSLP発現制御のターゲットとなり得る新規な環境因子および自己由来因子を同定することができた。1.アッセイ系最適化:培地からのステロイド除去のタイミングやケラチノサイトの分化誘導により、TSLP誘導因子in vitroアッセイ系を最適化した。2.黄色ブドウ球菌によるTLR2/TLR6依存的TSLP誘導:黄色ブドウ球菌とADの関連はよく知られているが、その間を何が介在するかについては不明である。黄色ブドウ球菌成分によるTSLP分泌誘導を調べたところ、膜画分に最も強い活性を認めた。TLR2/TLR6リガンドである合成ジアシル化リポペプチドもTSLP分泌を誘導した。膜画分によるTSLP mRNA誘導はTLR2およびTLR6のsiRNA導入によって抑制された。黄色ブドウ球菌が産生するジアシル化リポタンパク質が、TLR2/6リガンドとしてケラチノサイトのTSLP産生を刺激し、アトピー性皮膚炎の発症の起点あるいは増悪化に関与することが示唆された。3.細菌鞭毛構成タンパクFlagellinによるTLR5依存的TSLP誘導:FlagellinはTSLP分泌を誘導し,TSLP mRNA誘導はTLR5のsiRNA導入によって抑制されることを明らかにした。1.ヒトケラチノサイトの2本鎖RNA刺激によるTSLP産生のメカニズム解析:我々は過去に2本鎖RNA刺激によってヒトケラチノサイトがTSLPを分泌することを報告したが(Kinoshita et al.JACI2009)、刺激経路は不明であった。我々の報告の後、他の研究グループが、センサーとしてTLR3(endosome局在)ではなくRIG-lおよびPKR(cytoplasmに存在)の重要性を示すデータと、転写因子としてNF-kBよりIRF3が重要であるとの推察を含む報告を行っている(Seidl et al.JACI2009)。しかし、我々は予備検討で彼らとは相反する実験結果を得ており、今回、検討を進めた。その結果、endosomeの酸性化の阻害剤添加およびRelA(NF-κB構成分子のひとつ)siRNA導入によりTSLP発現が阻害されることを示し、報告した(Vu et al.JID2011)。IRF3 siRNA導入はTSLP発現に影響を与えなかった。TLR3-NF-κB経路の重要性が示唆された。2.In vitroでのTSLP産生の促進・阻害因子について探索・作用機序解明を継続中である。3.In vivoでのTSLP産生の促進.阻害について予備検討を開始している。2.内在性のヒト抗菌ペプチドLL-37がTLR3刺激によるTSLP発現を抑制することを見いだした。興味深いことにLL-37は、Th17サイトカイン刺激によるIL-6およびCXCL8産生を顕著に増強し、TNF/IFN-gamma刺激によるCXCL8産生を増強・CCL5およびCXCL10産生を抑制した。LL-37が、TSLPが関与するTh2型皮膚炎症、およびTh17やIL-6が関与する乾癬に、それぞれ抑制的および促進的に作用する可能性がある(Chen X. et al., BBRC 2013)。3.これまでに同定した因子および新規因子について、In vitroでの作用機序およびIn vivoでの効果について、引き続き検討中である。H22年度にADで重要な黄色ブドウ球菌成分によるTSLP誘導を初めて報告した意義は大きい。他の菌体因子であるフラジェリンの作用についても報告した。これらの菌体成分によるTSLP誘導は自己因子であるサイトカイン群により増強あるいは抑制されることを報告した。H23年度は、ケラチノサイトの2本鎖RNA刺激によるTSLP産生に関与する経路を解析し報告した。in vivo実験の予備検討を開始した。24年度が最終年度であるため、記入しない。実験系の構築について、条件検討に時間を要したものがある。アレルゲンin vitro刺激については予備検討の段階にある。一方、計画にはなかった新知見も得られている。最終年度のH24年度は、3年間の研究成果を最大化すべく、有望な新規課題へのスイッチや追加を行い、一方、結論の出ていない課題については検討を継続する。
植物内生菌のメタゲノム・メタトランスクリプトーム解析と病害防除への展開

イネ有機栽培の育苗培土には、苗病害の発生を抑制する効果が存在する。有機育苗培土に含まれる微生物と、苗病害抑制効果との関連を解析するため、複数のイネ有機栽培農家の育苗培土懸濁液から培養法により細菌を単離した。個々の単離菌株培養液を施用した市販の慣行培土には、もみ枯細菌病などを抑制する菌株が存在した。さらに、培土中には難培養性微生物も存在することから、有機培土に含まれる微生物相の解析したところ、有機培土では、微生物種の豊富さと均等性が慣行培土に比べ、有機培土に共通して、明らかに高い傾向が認められた。したがって、有機培土に共通の特徴として、慣行培土よりも高い微生物多様性をもつ可能性が考えられた。植物の葉表面や葉組織、根圏には微生物が生息し、植物や病原微生物と相互作用することによって、植物の生育や様々な環境ストレス・病虫害に対する耐性に関わっているものと推察されている。平成25年度は、前年度に確立した細胞間隙液採取法を用いて、宮城県鳴子町の有機育苗および慣行栽培イネ苗から細胞間隙液を抽出し、(1)16SrDNAのPCR-DGGE解析を行った。その結果、有機栽培と慣行栽培のイネ内生菌の微生物叢は類似しているが、有機栽培に特徴的なバンドも存在した。また、(2)同細胞間隙液を培養し、コロニーの形態から有機栽培イネに特徴的な細菌を単離した。単離菌株の16SrDNA塩基配列に基づくデータベース解析より、3菌株はPseudomonas属細菌であることが明らかになった。Pseudomonas属細菌は、我々のこれまでの研究により、異なる地域の有機栽培イネの細胞間隙液からも度々単離されていることから、本年度の研究でも同様に傾向が確認できたと言える。さらに(3)有機栽培イネの細胞間隙液から単離されたPseudomonas属細菌2菌株について、イネ苗病害の抑制効果を調べたところ、それぞれの菌株を滅菌培土に処理することにより、苗立枯細菌病の発病が抑制された。今後、イネ苗病害抑制効果が認められたPseudomonas属細菌2菌株を混合して滅菌培土に処理することにより、イネ苗病害の抑制効果がさらに増強されるかどうかについて検討を計画している。植物の葉表面や葉組織には微生物が生息し、植物や病原微生物と相互作用することによって、植物の生育や様々な環境ストレス・病虫害に対する耐性に関わっているものと推察されている。しかし、実際の自然環境中において、どのような微生物種が生息し、植物や病原微生物とどのように関わっているのかはほとんど明らかになっていない。本研究では、申請者が考案した、植物組織から内生菌を物理的に回収する手法を用いて、植物葉の細胞間隙に生息する内生菌集団をまるごと単離し、内生菌集団を構成する微生物の多様性をまるごと解析する(メタゲノム解析)。さらに、得られたRNAからcDNAを合成し、内生菌集団中で機能している遺伝子を網羅的に解析する(メタトランスクリプトーム解析)。平成24年度は、細胞間隙液採取の条件検討と、同間隙液に含まれる微生物集団からのDNA・RNAの抽出を行い、同一のサンプルより、高純度のDNA・RNAを同時に精製する実験方法の検討を行った。その結果、(1)これまでイネを用いて確立した細胞間隙液採取法を用いて、トマトなどの葉に適用し、いずれの植物種からも安定的に細胞間隙液を採取できる方法を見出すことができた。(2)同細胞間隙液から微生物集団をフィルター上に回収し、Water RNA/DNA Purification kit (NORGEN Biotek Corp.)を用いて、同一サンプルからまるごとDNAおよびRNAを抽出できる方法を確立した。1回の実験で、DNAは数10μg、RNAは数100μgを精製することができた。(3)得られたDNA・RNA(RNAの場合はcDNA)を鋳型とし、rDNAの可変領域をPCR反応にて増幅することができた。したがって、今年度に確立した手法により、細胞間隙に由来する微生物集団より、DNAとRNAを同時に精製し、メタ解析に供試できると判断された。本年度は、(1)イネ有機栽培育苗土の微生物多様性の解析と同培土から単離された細菌のイネ苗病害抑制活性について検討を行った。(1)独立に有機イネ栽培を行う4農家から分譲された有機栽培育苗土およびコントロールとして2種類の市販の慣行育苗培土からDNAを抽出し、16SrDNAと18SrDNAについて、PCR-DGGE法により、メタゲノム解析を行った。その結果、バンドパターンデータから、慣行培土よりも有機培土において、細菌と糸状菌の種類(Richness)と均一性(Eveness)が高いことが明らかになり、有機培土には多様な微生物がバランスよく生息していることが明らかになった。(2)有機培土から培養法によって細菌を分離し、16S rDNA配列に基づく分類を行い、それぞれの細菌のイネもみ枯細菌病抑制活性の有無を解析した。その結果、59コロニー中46個がPseudomonas sp.と推定され、その中でもメジャーな1菌群とマイナーな5菌群に分けることができた。また、イネもみ枯細菌病抑制活性は、マイナーな2菌群において確認された。