hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
地盤震動解析に用いる表層地盤の減衰パラメータ設定における指標の構築

防災科学技術研究所のKiK-netにおいては,全国の約700箇所の地点で,地表および地中の地盤震動の同時観測が実施されており,その記録は地盤の動特性の同定などに用いられている.しかしそれらデータを地盤同定に用いる際,データの読み込み,埋設方位ずれの補正,震央直角方向成分の合成,地盤データの読み込み等,前もって準備することが多くある.また,初期値の設定の仕方も重要でありそのための工夫も必要となる.これらの準備は煩雑であり,種々の条件で多くの解析を行う妨げになる.そこで,一連の作業をExcel Macroを用いてシステム化し,簡単な操作ですべての計算がなされるようなシステムを構築した.また,同システムにおいては,感度の低い周波数帯の減衰パラメータを掃き出し,有意な感度を持つ周波数帯について,これを同定するための新たなアプローチを導入している.独立行政法人防災科学技術研究所の地震計ネットワーク(KiK-net)を用いて,最深部のセンサーの設置深さが115m以下で地表最大加速度が100gal以下かつ,観測点に比較的近い震央をもちM6.0以上の6地震,35地点の合計61ケースついて解析した.その結果,一部を除き,異なる地震による同じ地点の同定結果の対応性がよいことを示した,また,推定されたQ値(減衰パラメータ)の90%以上が15以下の値で85%以上が10以下の値となっており,KiK-netは比較的硬質な地盤に地震計が設置されているにもかかわらず,沖積平野等,比較的軟弱な表層地盤のQ値とそれほど大きな違いがないという結果になった.防災科学技術研究所のKiK-netにおいては,全国の約700箇所の地点で,地表および地中の地盤震動の同時観測が実施されており,その記録は地盤の動特性の同定などに用いられている.しかしそれらデータを地盤同定に用いる際,データの読み込み,埋設方位ずれの補正,震央直角方向成分の合成,地盤データの読み込み等,前もって準備することが多くある.また,初期値の設定の仕方も重要でありそのための工夫も必要となる.これらの準備は煩雑であり,種々の条件で多くの解析を行う妨げになる.そこで,一連の作業をExcel Macroを用いてシステム化し,簡単な操作ですべての計算がなされるようなシステムを構築した.また,同システムにおいては,感度の低い周波数帯の減衰パラメータを掃き出し,有意な感度を持つ周波数帯について,これを同定するための新たなアプローチを導入している.独立行政法人防災科学技術研究所の地震計ネットワーク(KiK-net)を用いて,最深部のセンサーの設置深さが115m以下で地表最大加速度が100gal以下かつ,観測点に比較的近い震央をもちM6.0以上の6地震,35地点の合計61ケースついて解析した.その結果,一部を除き,異なる地震による同じ地点の同定結果の対応性がよいことを示した,また,推定されたQ値(減衰パラメータ)の90%以上が15以下の値で85%以上が10以下の値となっており,KiK-netは比較的硬質な地盤に地震計が設置されているにもかかわらず,沖積平野等,比較的軟弱な表層地盤のQ値とそれほど大きな違いがないという結果になった.1.従来の研究のレビューおよび地盤の同定問題がもつ特徴の解明と新たな同定法の提案地盤震動の鉛直アレー観測記録を用いて水平成層地盤のS波速度とQ値を同定する問題において,これを最適化問題として解く際,いくつかの評価関数が用いられている.本研究では,周波数領域で新たな評価関数を提案し,従来用いられている評価関数も含め,それらを用いたときに期待できる同定の精度を,モンテカルロシミュレーションを行って比較すると共に,評価関数の形状の可視化,初期値の影響の検討をとおして,それぞれの評価関数の特徴等を考察した.そして,周波数領域の解析でも,時間領域の解析と同等の精度が期待できる評価関数を示し,モンテカルロシミュレーションと評価関数の形状から検証した.また,従来から用いられてきたスペクトルの平滑化を伴う評価関数について,同定問題における平滑化の意味を考察した.スペクトルの平滑化によって評価関数の断面の形状が全体的に滑らかになり,未知変数の変化に鈍感になるため,同定の精度を低下させる反面,初期値による解の発散や局所解への収束のしやすさの問題を軽減する効果が期待できることを示した.独立行政法人防災科学技術研究所の地震計ネットワーク(KiK-net)を用いて,最深部のセンサーの設置深さが115m以下で地表最大加速度が100gal以下かつ,観測点に比較的近い震央をもちM6.0以上の6地震,35地点の合計61ケースついて解析した.その結果,一部を除き,異なる地震による同じ地点の同定結果の対応性がよいことを示した.また,推定されたQ値の90%以上が15以下の値で85%以上が10以下の値となっており,KiK-netは比較的硬質な地盤に地震計が設置されているにもかかわらず,沖積平野等,比較的軟弱な表層地盤のQ値とそれほど大きな違いがないという結果になった.1)地盤の減衰を表すQ値の周波数依存性を同定するためには、本来周波数点ごとの値を推定するのがよい。しかし、ノイズなどの問題があり、このような方法はあまり採用されない。本研究では、Q値の感度を利用し、感度の低い周波数帯については、設定した範囲の外に掃き出してしまうことで、周波数点ごとの同定を可能にするスイープ法を開発した。

これは、S波速度が適切に同定されているにもかかわらず、Q値の感度の低い周波数点で観測記録のフーリエスペクトルと解析モデルのそれに残差がある場合、感度が極端に小さいため、Q値が更新されても残差にほとんど変化がなく、繰り返し計算の後、Q値は設定された範囲を超えてしまうという考えに基づいている。このような作業をそれぞれの周波数点について行えぱ、設定された範囲内で推定されたQ値は信頼度が高いと考えられる。2)KiK-netは全国の合計六百数十の観測点で構成されている。ボアホールのボトムと地表の地震動の同時観測記録をWebからダウンロードして用いることができる。しかし、それらデータを地盤同定に用いる際、データの読み込み、埋設方位ずれの補正、震央直角方向成分の合成、地盤データの読み込み等、前もって準備することが多くある。また、初期値の設定の仕方も重要でありそのための工夫も必要となる。これらの準備は煩雑であり、種々の条件で多くの解析を行う妨げになる。そこで、一連の作業をExcel Macroを用いてシステム化し、簡単な操作ですべての計算がなされるようなシステムを構築した。3)上記1)および2)で述べた地盤同定システムを、複数の地震による地盤震動記録が得られているいくつかのKiK-net観測点に適用した。異なった地震を用いた同一地点の地盤の減衰パラメータを同定し比較したところ、矛盾のない結果が得られ、また明確なQ値の周波数依存性が確認できるサイトも多くあることがわかった。独立行政法人防災科学研究所は基盤強震観測網KiK-netを全国に展開しており,約700の観測サイトにおいて地表と地下の地盤震動を同時観測し,データをオンラインで集約している.これらのデータはウェブサイトからダウンロ一ドでき,地盤動特性の同定など種々の用途に利用されている.地下に設置された地震計については,設置方位の調整が困難なことから,その埋設方位がずれている場合があり,同研究所によって設置誤差が推定され公開されている.しかし,地下の地震計のみならず,地表地震計についても設置方位に誤差があるケースが指摘されている.本年度は,東北5県と近畿南部のKiK-net地表地震計の設置方位を推定した.東北地方における地表地震計の設置方位の推定に用いたKiK-net観測点は91地点で,そのうち10°未満のずれが全体の約80%,20°未満のずれが全体の約92%を占めている.残りの7地点は20°以上ずれて設置されていて,中でもAKTH01では地表地震計は反時計回りに53.1°回転して設置されているという結果が得られた.近畿地方南部および徳島県における地表地震計の設置方位の推定に用いたKiK-net観測点は33地点で,そのうち10°未満のずれが全体の約72%,20°未満のずれが全体の82%を占めている.20°以上ずれて設置されているのは,1地点でMIEH4では反時計回りに32.8°回転して設置されているという結果が得られた.地盤同定システムを,複数の地震による地盤震動記録が得られているいくつかのKiK-net観測点に適用した.異なった地震を用いた同一地点の地盤の減衰パラメータを同定し比較したところ,より整合性の高い結果が得られ,Q値の指標の構築に向けて大きな成果が得られた.
Exome解析を用いた副腎白質ジストロフィーの表現型規定因子の解析研究

副腎白質ジストロフィー(Adrenoleukodystrophy:ALD)はABCD1を原因遺伝子とするX連鎖性劣性の神経変性疾患である。ABCD1の遺伝子検査を行い、症例の蓄積を行うとともに、多彩な表現型を呈するALDの表現型を規定する因子の探索をexome解析を用いて行った。81症例という全国でも有数の症例のDNA検体の蓄積を行うとともに、表現型修飾因子としてABCD1の発現産物と同様にペルオキシソームに局在する遺伝子群に着目して解析を行った。多くの新規のvariantsを有する症例が多数存在することが分かり、今後の表現型を規定する因子の解明に向けての足がかりとなる成果であると考える。副腎白質ジストロフィー(Adrenoleukodystrophy:ALD)は、ABCD1を原因遺伝子とするX染色体劣性遺伝性の神経変性疾患であり、中枢神経障害(炎症性脱髄)を認める疾患であり、時に副腎不全を来す。多彩な臨床病型を呈するが、遺伝子表現型連関は明らかではない。本研究では特に原因遺伝子ABCD1の発現産物が局在するペルオキシソーム機能の多様性が関与する可能性を考慮し、ペルオキシソーム機能に影響を与え得る遺伝子群に着目し、ALD症例のExome解析で得られた解析データを用いて、表現型と関連した遺伝的因子の解明を目指すことを目的とした。日本人ALD症例79例、in-houseコントロール503例のExomeデータを用いて、ペルオキシソームで機能する98の遺伝子群の中で、既知の病因変異, nonsense, frameshift, splice sites mutations, dbSNP 135に登録のない新規non-synonymous variants (SNV)の数は、ALD症例において79例中38例において認められた。また、コントロール503例中279例に認められた。新規variantsにおいては、サンガーシーケンスでもvarinatsが存在することを確認した。このような機能に影響を与え得るvariantsは多くの症例に認められることが今回の解析で判明した。今後表現型毎にvariantsを有する症例の数に差があるかを検討していくことが重要と考える。今年度は、ALD症例及び、コントロール症例のexomeデータの解析を、特にペルオキシソームで機能する遺伝子群に注目して、精力的に行うことができた。またexome解析で検出されたvariantsの中には、false postiiveも含まれると考え、サンガーシーケンスによる確認も行うことができた。今後は、表現型毎に差があるvariantsの有無を精力的に探索していく。副腎白質ジストロフィー(Adrenoleukodystrophy:ALD)は、ABCD1を原因遺伝子とするX連鎖性劣性遺伝性疾患であり、時に副腎不全を認める。多彩な表現型を認めることが特徴であり、複数の症例を有する家系内でも異なった表現型を呈することがあり、遺伝子表現型連関を認めない。予後不良な大脳型においては造血幹細胞移植が症状の進行停止に有効であることから表現型を規定する因子を同定することは臨床上も重要となる。ABCD1の遺伝子発現産物はペルオキシソームで機能することから、表現型を規定する修飾因子としてペルオキシソームに局在する遺伝子群に着目した。ALD81症例、コントロール503例のexome解析結果から、ペルオキシソームに局在する98の遺伝子群の中で既知の病因遺伝子変異、dbSNP134/135に登録のない新規のナンセンス変異、スプライスサイト変異、フレームシフト変異、ミスセンス変異を抽出して、サンガーシークエンスにて偽陽性の変異を除外の上表現型毎に比較を行った。予後不良である大脳型においては48症例中22症例(45.8%)で上記変異を認めた。下肢の痙性のみを認めるAdrenomyeloneuropathy症例では23症例中12症例(52.2%)で上記変異を認めた。コントロールでは503例中279例で上記変異を認めた。今回の解析結果から、ペルオキシソームの機能に影響を与え得る変異が多く抽出されることが判明した。今回の解析では表現型毎に明らかな差を認めていないものの、大部分はミスセンス変異であることから、予測機能アルゴリズムや得られた変異の機能解析を加味して検討を行うことも、今後重要であると考える。今後はペルオキシソームで機能する遺伝す群で検出されたvariantsが表現毎に差があるかを検出していく。パスウェイ解析として、エーテルリン脂質の生合成に関わる遺伝子群、コレステロールの生合成に関わる遺伝子群にも着目していく予定である。また、表現型が異なる複数の発症者が存在するALD家系が存在するため、これらの家系にも着目し、例えば同一家系内の症例で、予後不良である大脳型で有するが、緩徐進行性のAMNでは有さないといった表現型毎に差のあるvariantsの検出を検討する。さらに、ALD症例の症例数、コントロール症例が多いほど、表現型修飾を規定する因子を同定するための検出力が上がることから、さらなる症例の収集を目指す。
スパイラルモータを用いた人に優しい運動支援システムの基盤技術開発

本研究では、人との接触動作において高速応答性と安全性を実現するため、小型スパイラルモータによるコンプライアンス制御と衝突力制御を提案した。ロボットの手先が環境に接触した際に発生する衝撃力に対して、ギャップ仕事率を用いた衝突検知法および衝突時の運動量からブレーキ時間を算出する衝突力緩和法を提案し、高い安定性と衝突力の低減を実現した。また、モータの加工精度に起因するギャップ変動の問題に対してゼロパワー制御を提案し、200Nのセンサレス力制御およびフルストロークの位置制御に成功した。この制御により極めて小さい電流で制御帯域以下の負荷力に拮抗させることができ、高精度かつ省エネルギーな制御が実現できた。平成25年度は、4つの研究目標:1スパイラルモータの高推力密度設計法、2スパイラルモータの高効率駆動回路開発、3スパイラルモータの高精度運動制御、4スパイラルモータを用いた機械ー人間系の力の諸特性の解明、のうち1スパイラルモータの高推力密度設計法、2高効率駆動回路開発、3高精度運動制御に取り組んだ。〔1ー2高推力密度設計法〕平成24年度に行った推力密度・損失のモデル化およびパラメータ化について、検証および精緻化を行った。また、平成24年度に試作した薄型ヨーク、薄型コイル、薄型磁石に改良を加え、短リード長スパイラルモータの試作を進めた。〔2ー2高効率駆動回路開発〕平成24年度に基本設計を行ったスパイラルモータ駆動用高効率インバータ回路の検討を行った。〔3ー2高精度運動制御〕スパイラルモータの機械損を低減し、高精度運動制御を実現するために必要不可欠な磁気浮上制御の実装と改良を行った。本モータは、機械的な接触をなくすために、電磁力によって可動子を固定子のギャップ間に浮上させる。理論上はギャップ中心に磁石吸引力の不安定平衡点が存在するのだが、製作精度などの問題から、実際の平衡点は中心からずれており、かつ、その平衡点の位置は容易には知ることができない。そこで、前年度3ー1で取り組んだ製作精度向上と併せて、新しい制御則を開発することで、この目標を達成した。具体的には、ギャップ変位を自動的に力学的平衡点に移動させるゼロパワー制御の改良を行った。この制御により力学的平衡点を移動させ、極めて小さい電流で制御帯域以下の負荷力に拮抗させることができ、高精度かつ省エネルギーな制御が実現できた。これらの成果に関して、IEEE IECON, IEEE ISIE, IEEE HTC, IEEE AMC,日本ロボット学会学術講演会、電気学会産業応用部門大会、電気学会メカトロニクス制御研究会において、研究発表を行った。初年度は、運動支援システムに必要となる小型高出力スパイラルモータの設計・製作を行った。具体的には以下の項目に重点を置いて研究を進めた。スパイラルモータをより高推力密度化するためには、3次元高磁束密度設計、および、損失の低減とその熱設計が重要である。まず、リード長22mm、コア直径Φ60mm、長さ168mm(有効長110mm、ストローク44mm)の実機A、および、リード長20mm、コア直径Φ50mm、長さ122.5(有効長60mm、ストローク60mm)の実機Bにおいて、パラメータ同定実験を行い、推力定数、トルク定数、磁気吸引力定数を求め、FEAによる同定結果と誤差数%以内で一致することを確認した。次に、ヨークおよびティースの磁気飽和と電機子電流による銅損を考慮しつつ推力を最大にするモータ設計を行い、リード長3mm、コア直径Φ42mm、長さ129.5mm(有効長84mm、ストローク45mm)の超多層薄型ヨークのスパイラルモータについてFEAによりモータ特性を明らかにした。その結果、従来モデルBと比べて体積当たりの推力で約3.8倍(有効体積当たりの推力で2.2倍)の性能が得られることが分かった。その結果を踏まえて、厚さ0.45mm、43層の薄型固定子ヨーク、厚さ0.45mm、27層の薄型可動子ヨーク、厚さ0.45mmの薄型ネオジム磁石、および、厚さ0.3mmの薄型巻線の試作を行った。特にヨークと磁石は寸法精度が悪化しない加工方法を開発した。また、実機Bにおいて、寸法精度が十分でないためギャップ長が変動する問題に対してゼロパワー制御を提案し、200Nのセンサレス力制御およびフルストロークの位置制御に成功した。これらの成果に関して、IEEE IECON、IEEE ICM、日本ロボット学会学術講演会、電気学会産業応用部門大会、電気学会産業計測制御研究会において研究発表を行った。平成26年度は、短リード長スパイラルモータの開発を行い、基礎特性の測定を行った。測定したインダクタンスは解析値とほぼ一致することが確かめられた。また、推力密度向上のためクローポール型スパイラルモータを提案し、電流密度・巻線占積率の条件が等しい場合、従来のスパイラルモータと比較して40%の推力向上が可能であることを有限要素解析により明らかにした。また、スパイラルモータの特性を活かした人との接触を前提とした機械ー人間系の制御システムとして、スパイラルモータを用いたマニピュレータの試作を行った。この装置を用いてセンサレス力制御系を構築し、外力に対するバックドライブ実験に成功した。また、スパイラルモータの制御の要となるギャップ制御系において、応答を改善する新しいゼロパワー制御を提案し、シミュレーションと実験により有効性を示した。これらの成果に関して、IEEE IECON-2014、IEEJ SAMCON-2015、電気学会メカトロニクス制御研究会、電気学会産業応用部門大会、日本ロボット学会学術講演会にて発表した。

平成27年度は、最終目標である機械ー人間系の力の諸特性の解明、評価、および改良に取り組んだ。前年度に引き続き、スパイラルモータの特性を活かした人との接触を前提とした機械ー人間系の制御システムの研究開発を行った。スパイラルモータを用いたコンプライアンス制御と、スパイラルモータの広帯域力制御による能動的な衝撃力緩和制御の改良を行った。具体的には、ロボットの手先が環境に接触した際に発生する衝撃力を抑制する手法について新しい制御法の提案と検証を行った。従来の反力推定オブザーバを用いた衝突検知法は、推定誤差やフィルタの遅れの影響で誤検知や未検知が生じる恐れがある。そこで、本研究では、ギャップ仕事率を用いた衝突検知法を提案し、ノイズに強く正確な検出が可能であることを実験により示した。さらに、衝突時の運動量からブレーキ時間を算出する衝突力緩和法を提案し、実験により高い安定性と衝突力ピークの低減を実現した。本研究では、人との接触動作において高速応答性と安全性を実現するため、小型スパイラルモータによるコンプライアンス制御と衝突力制御を提案した。ロボットの手先が環境に接触した際に発生する衝撃力に対して、ギャップ仕事率を用いた衝突検知法および衝突時の運動量からブレーキ時間を算出する衝突力緩和法を提案し、高い安定性と衝突力の低減を実現した。また、モータの加工精度に起因するギャップ変動の問題に対してゼロパワー制御を提案し、200Nのセンサレス力制御およびフルストロークの位置制御に成功した。この制御により極めて小さい電流で制御帯域以下の負荷力に拮抗させることができ、高精度かつ省エネルギーな制御が実現できた。本研究課題では、将来の少子高齢化社会における作業支援および介護支援を可能にする、小型高推力スパイラルモータを用いた安全な運動支援システムの開発を目的としている。具体的には、人との接触を伴う機械システムにおける人との衝突時の衝撃力の低減、および、パワーアシスト制御における微小力制御の実現を目指している。3年目である2014年度は、前年度に引き続き運動支援システムに適用可能な小型スパイラルモータの開発とその高精度運動制御に注力しており、おおむね計画通りの進捗が見られた。特に、高密度のスパイラルモータの設計・解析・実機開発について、従来機よりも大幅な推力密度の向上に目途がついた点は重要である。また、スパイラルモータの磁気浮上制御、ゼロパワー制御、位置制御、力制御の性能向上に成功した。以上から、当初の計画通りに研究が進捗している。27年度が最終年度であるため、記入しない。モーションコントロール最終目標である、スパイラルモータの特性を活かした人との接触を前提とした機械ー人間系の制御システムの研究開発を行う。スパイラルモータを筋駆動用アクチュエータとして組み込んだロボットアームを用いて、人間系との協調制御系の構築を行う。さらに人との衝突時の衝撃力の低減法について引き続き検討を行う。スパイラルモータの力制御系の広帯域化に基づき、能動的な衝撃力緩和制御を実現する。
人工ヌクレアーゼ（TALEN）を用いた遺伝子改変マウス作製法の超簡便化

ES細胞を利用する遺伝子改変マウス作製法は非効率で時間を要する欠点があった。近年開発されたTALENとCRISPR/Casシステムによる遺伝子破壊はこれら諸問題を克服するのみならず、ES細胞の確立されていない生物種の遺伝子配列破壊も可能である。我々は、ノックアウトマウスで四肢欠損を呈するFgf10遺伝子を標的に、マウス受精卵へRNAをマイクロインジェクションすることで、F0世代でその表現型を得ることができた。また、その効率はTALENと比較し、CRISPR/Casシステムにおいて非常に高効率であった。遺伝子機能の解析は生命科学を深く理解する上で重要であることから、これまでにも様々な種において多くの遺伝子改変動物(トランスジェニック・ノックアウトなど)が作製されてきた。しかし、マウスにおいては受精卵前核マイクロインジェクションやES細胞を用いた相同組換えなど、その作製には多大な熟練と労力を要する。近年開発された人工ヌクレアーゼ(ZFN/TALEN)によるゲノム編集は、ES細胞フリーでゲノム配列操作を可能にし、PCR法以来の革命的技術とも謳われている。本研究は、これまで敷居の高かった上記遺伝子改変マウス作製を、ZFN/TALENによるゲノム編集からアプローチすることで、手技の超簡便化、費用・時間の大幅削減を図り、誰でも着手可能なほどのシンプル化を目指した。また、申請時には発表されていなかったCRISPR/Casシステムのマウス胚への応用も行った。Fgf10遺伝子を標的としたTALEN RNAをマウス1細胞期胚にマイクロインジェクションを行ったところ、50%近い確立で標的遺伝子配列の変異を認めた。また、F0マウス同士の交配により、F1への生殖系列移行も示すことが確認された。一方で、CRISPR/Casシステムを同様にマウスFgf10遺伝子で試み、guide RNAならびにCas9 RNAをマウス1細胞期胚にマイクロインジェクションした結果、標的配列破壊効率は最大100%で、四肢欠損胚を認めるF0マウスも多数獲得された。ノックアウトマウスが四肢欠損を示す表現型評価の容易なFgf10を対象遺伝子として、TALENならびにCRISPR/Casシステムを用いた標的配列破壊をマウスの受精卵にて行った。Fgf10遺伝子を標的としたTALEN RNAをin vitroにおいて合成・精製し、マウス1細胞期胚にマイクロインジェクションを行った。一晩培養し、2細胞期に発生したものを偽妊娠マウス卵管に移植した。帝王切開により、胎生13.516.5日で胚を摘出し、その表現型ならびに遺伝子型を解析した結果、濃度によっては、50%近い確立で標的遺伝子配列の変異を認めたが、F0四肢欠損胚の獲得は10%に満たなかった。F0マウス同士の交配により、F1への生殖系列移行も示すことが確認された。一方で、CRISPR/Casシステムを用いた標的配列破壊を、同様にマウスFgf10遺伝子で試みた。TALENで標的とした配列を含む3箇所に領域を設定し、guide RNAならびにCas9 RNAをin vitroにおいて合成・精製後、マウス1細胞期胚にマイクロインジェクションし、翌日、2細胞期に発生したものを偽妊娠マウス卵管に移植した。結果、摘出胚中、最大100%の効率でF0マウスに四肢欠損胚を認めた。CRIPSR/Casシステムによる標的配列破壊を他の遺伝子(Pax6、Msx1)において試みたところ、それぞれ、眼の形成不全、歯の形成不全・口蓋裂の発症が確認された。近年発展の著しいCRISPR/Casシステムを用いたゲノム編集技術であるが、我々はヒト疾患モデル動物作製を目的として、マウス1細胞期におけるマイクロインジェクション法によるCRISPR/Casシステムの適用に加え、エレクトポレーション法による導入、さらにはssODNの共導入によるノックインマウスの作製まで確立した。しかし、配列破壊が極めて高効率なため、ホモ接合体で致死となる遺伝子が対象の場合、F0世代獲得が困難であるといった不都合が生じた。そこで、2細胞期胚のうち、片方の細胞質にのみCRISPR/Casシステムを適用するといった検討を行うことで、その回避を図り、確実な変異体系統確保の手法確立を試みた。対象遺伝子には、生後すぐ致死となるFgf10、ならびにホモ接合体で不稔性を示すHoxA11、HoxD11を選択した。結果として、そのホモ接合体で肺を欠損するFgf10遺伝子を対象とした場合、必ず野性型アレルを含む成体マウスが得られた。その効率は、移植卵数において10%未満であった1細胞期胚での導入による変異体系統獲得率と比較し、60%を超えるに至った。生殖細胞系への伝達は現在確認中である。また、ホモ接合体で不稔性を呈するHoxA11ならびにHoxD11を対象に同様の系を適用したところ、やはり野性型アレルを含むモザイク成体マウスが得られ、野性型マウスと交配した結果、導入された遺伝子配列の変異は全てF1世代に伝達され、ヘテロ接合体が得られたことより、F0世代での不稔性回避の証明となった。

また、その効率はTALENと比較し、CRISPR/Casシステムにおいて非常に高効率であった。当初、計画として掲げていたTALEN RNAの受精卵へのマイクロインジェクションによる導入のみならず、CRISPR/Casシステムも同様の手法による導入で、標的遺伝子破壊を達成できた。一方で、TALENならびにCISPR/Casシステムのエレクトロポレーションによる受精卵へのRNA導入は、現在試行段階であり、安定した結果には至っていない。歯科矯正学ほぼ、当初の計画通りに進行しており、今後はエレクトロポレーションによる受精卵へのRNA導入効率の上昇、ならびにssODNを併用したノックインマウスの作製を試みる。脊椎動物におけるヒト疾患モデル動物の作製にはノックインマウスの迅速作製の確立が必須である。また、レポーター遺伝子といった比較的大きなDNAの導入の試みも併行する予定である。マウスFgf10遺伝子を標的としたTALENプラスミドから、in vitroにおいてRNAを合成・精製し、マウス1細胞期胚にマイクロインジェクションを行った。一晩培養し、2細胞期に発生したものを偽妊娠マウス卵管に移植した。帝王切開により、胎生13.516.5日で胚を摘出し、その表現型ならびに遺伝子型を解析した結果、濃度によっては、50%近い確立で標的遺伝子配列の変異を認めた。F0四肢欠損胚の獲得は10%に満たなかった。F0マウス同士の交配により、F1への生殖系列移行も示すことが確認された。一方で、申請時には発表されていなかったCRISPR/Casシステムを用いた標的配列破壊を、即座にマウス胚へ応用・検討した。TALEN同様と比較検討するため、同じFgf10遺伝子を標的とし、TALENで標的とした配列を含む3箇所に領域を設定、guide RNAならびにCas9 RNAを、マウス1細胞期胚にマイクロインジェクションし、翌日、2細胞期に発生したものを偽妊娠マウス卵管に移植した。その結果、最大100%の効率で変異導入が確認され、またF0で多数の四肢欠損胚を得られた。本実験鋭角を遂行するに当たり、当該年度に購入予定であった発生工学的実験の関連試薬・消耗品が次年度購入予定に変更となったため。当初の計画以上に進展しているため、今後はssODNやレポーター遺伝子のノックインを検討していく。ヒトの遺伝性疾患のほとんどは点突然変異であるが、これら変異の実験動物での再現にはノックイン技術が不可避である。従来のES細胞を用いた手法では、高コストなため、個々の遺伝性疾患の再現は現実的ではなかったが、本プロジェクトで利用したTALENならびにCRISPR/Casシステムをマウス1細胞期に適用により網羅的に処理される現実味を帯びている。本課題ではノックインマウス作製は再来年度の予定であったが、課題達成度が進展しており、同手法のマウス胚での確立も報告されてきているため、早急に対応することとする。また、レポーター遺伝子といったカセットのノックインも併せて並行する予定である。平成27年6月頃に関連試薬・消耗品などを購入予定である。
魚類の低分子結合性タンパク質ーリポカリンの大量発現と静菌活性に関する研究

トリブチルスズ(TBT)が魚類の血液に高濃度で蓄積する原因物質であるTBT結合タンパク質(TBT-bps ; TBT-bp1及び2)をヒラメ(Paralichthys olivaceus)より発見した。本研究では、TBT-bp1および-bp2組換え体(rTBT-bp1, 2)をカイコ血中に発現させ大量精製した。得られたTBT-bp2にリポカリン蛍光プローブ(DAUDA)とTBT-bp2を結合させた後TBTを滴下した結果、蛍光強度が34%まで減少したことからTBTに対するrTBT-bp2の結合能が証明された。しかし、脂肪酸類はrTBT-bp2に対する結合は認められなかった。また魚病細菌Edwardsiella tardaの増殖阻害を検討し、静菌活性が予見される結果を得た。平成20年度は実験計画に従い以下の実験を行い成果を得た1)ヒラメより精製した魚類リポカリンにおける静菌活性の検証・ヒラメから、硫安塩析・ゲル濾過・電気泳動によりリポカリンを精製し、静菌活性試験に用いた。・静菌活性試験の方法はFluckinger,2004に従い、E.coli(XL1-Blue)を用いた。1%の菌培養液を接種したM9最少培地を500μ148穴プレートに添加し、魚類リポカリン(0,0.1,0.3,1,35μM)を加えた後、10,25,36時間後に600nmの吸光を測定し、魚類リポカリンによる細菌の増殖影響阻害を調べた。その結果、得られたリポカリンによる増殖影響阻害は認められなかった。なお測定条件に問題があるので次年度再度諸条件を検討する。トラフグは測定法が確立した後に実験を行う予定である。2)カイコにおけるヒラメリポカリン組換え体の作製と大量発現・精製・ヒスチジンタグ融合ヒラメリポカリン遺伝子をもつトランスファーベクターを作製し、このベクターによりバキュロウイルスのゲノムをもつ大腸菌を形質転換させることにより、Bacmid(バキュロウイルスプラスミド)にヒラメリポカリン遺伝子を導入した。作製したヒラメリポカリン-Bacmidをカイコガの細胞e21にトランスフェクションし、バキュロウイルスを増殖させ、ウイルスを回収してカイコガの腹腔内にインジェクションし、45日飼育後、血液を採取し、アフィニティークロマトグラフィーにより発現ヒラメリポカリンを大量精製に成功した。平成21年度は以下の実験を行い成果を得た1)カイコにおける新規ヒラメリポカリン(TBT-bp2)組換え体の作製と大量発現・精製ヒスチジンタグ融合ヒラメリポカリン遺伝子をもつトランスファーベクターを作製し、このベクターによりバギュロウイルスのゲノムをもつ大腸菌を形質転換させることにより、Bacmid(バギュロウイルスプラスミド)にヒラメリポカリン遺伝子を導入した。作製したヒラメリポカリン-Bacmidをカイコガの細胞e21にトランスフェクションし、バギュロウイルスを増殖させ、ウイルスを回収してカイコガの腹腔内にインジェクションし、45日飼育後、血液を採取し、アフィニティークロマトグラフィーにより発現ヒラメリポカリンを大量精製に成功した。2)組換え体ヒラメリポカリンの細菌に対する静菌活性とシデロフォア結合性の検討表記内容を行うため、鉄欠乏条件下で大腸菌の培養条件を検討した。しかし、鉄のコンタミが起こり、安定した培養系を作製することができなかった。魚病細菌Edmardsiella tardaシデロフォアに対する結合性の検討するため、E.tardaの培養を検討したが、鉄欠乏培地の作製が困難であった。3)組換え体ヒラメリポカリンrTBT-bp1の結合性とその機能の検証得られたrTBT-bp1は分子量約35,000であり、TBT結合能を持つこと、およびリポカリンスーパーファミリーに特徴的な構造を有していることを示した。さらに、ヒブナ(Carassius auratus)鱗骨芽細胞における骨形成の指標であるアルカリホスファターゼ(ALP)活性を指標としてrTBT-bp1によるレスキュー試験を行った。その結果rTBT-bp1を共存させるとTBTによるALP活性阻害が抑制された。よってTBT-bp1はヒラメ体内でTBTと結合することによりその骨形成阻害を防いでいると考察している。平成22年度は以下の実験を行い以下の成果を得た。1)組換え体ヒラメリポカリンの細菌に対する静菌活性とシデロフォア結合性の検討TBT-

bp1組換え体(rTBT-bp1)を転移したバキュロウイルスプラスミドを作成し、カイコガに感染させ、その体液より大量に分取精製することに成功した。得られたrTBT-bp1を用いて、魚病細菌としてE.tardaの増殖に及ぼす影響を調べた結果、10%トリプトソイブイヨン区で吸光値がコントロールの68%と有意に低下しその増殖が阻害されていた。よってTBT-bp1が静菌活性を持つ可能性があることが示唆された。2)組換え体ヒラメリポカリンrTBT-bp1の結合性とその機能の検証カイコ血中にrTBT-bp2を発現させるため、ヒラメTBT-bp2のコンストラクトを転移したバキュロウィルスを作成し、カイコ5齢幼虫に感染させ、血液中に分泌されたrTBT-bp2を採取しアフィニティークロマトグラフィーとゲルろ過クロマトグラフィーにより精製した。得られたTBT-bp2(4μM in 50mMリン酸ナトリウム、300mM NaCl)にリポカリン蛍光プローブ(11-(5-(dimethylamino)-1-naphthalene-sulfonylamino) undecanoicacid (DAUDA))との結合を調べた。さらに、4μM TBT-bp2にDAUDA(3μM)を結合させた後、競合基質(500μM TBT、lauric acid、palmitic acid、stearic acid in ethanol)を終濃度3μMとなるまで滴下し、蛍光強度の変化を調べた。その結果DAUDAの濃度上昇とともに蛍光強度が増加した。よってrTBT-bp2にDAUDAが結合することが確認された。またDAUDAを結合させたrTBT-bp2にTBTを滴下した結果、蛍光強度が34%まで減少したことからTBTに対するrTBT-bp2の結合能が証明された。しかし同様に脂肪酸類を滴下したが、蛍光強度の減少は認められず、脂肪酸類はrTBT-bp2に対してDAUDAより結合性は弱いと考えられた。
大気－海洋間における難揮発性有機硫黄の相互作用に関する研究

本研究では粒径を7分画して採取した海洋エアロゾル中の難揮発性有機硫黄に関する濃度および化学種に関する分析を行い、海洋における難揮発性有機硫黄の物質循環および気候に与える影響を明確化を目的とした研究を行なう。初年度は、エアロゾル中に含まれる水溶性有機硫黄に関する濃度定量法およびX線吸収微細構造(XAFS)法による硫黄の化学種分析時に生じる有機硫黄のX線損傷の対策法などを含めた分析法のに関する研究を中心に研究を行なった。水溶性有機硫黄の濃度はトリプル四重極誘導結合プラズマ質量分析計(ICP-QQQ-MS)を用いて定量した。ICP-QQQ-MSは硫黄濃度を測定する最適な装置の一つであるが、これまでエアロゾル中の硫黄の分析に応用された例は極めて少ない。しかし、本装置を用いることで簡便かつ迅速にエアゾロル中の水溶性硫黄濃度(無機物+有機物)の濃度定量が可能であることが明らかとなった。ICP-QQQ-MSを用いて定量した水溶性硫黄濃度から無機硫黄濃度(硫酸イオン濃度)を減算することで、エアロゾル中の水溶性有機硫黄濃度の定量が可能となった。本手法を用いて海洋エアロゾル中の水溶性有機硫黄濃度の分析を今後進める。XAFS法による化学種の分析時にエアロゾル中に多く存在すると予想されている脂肪族有機硫酸塩が深刻なダメージ(X線による光還元)を受けることが明らかとなった。また、このX線損傷は(1)照射するX線の光量を減らすこと、(2)低温環境下での実験することにより低減できることも明らかとなった。また、有機硫酸塩は無機硫酸塩よりもX線損傷を受けやすく、試料中の硫酸塩化学種のX線損傷の有無から有機硫酸塩の存在を裏付けられる可能性があるため、今後検討を進める。当初の予定通り、初年度の間にエアロゾル中の有機硫黄成分に関する分析法を確立することができた。試験的につくば市で採取した粒径分画エアロゾルの分析を行った結果、都市域でも水溶性有機硫黄が存在することが明らかになった。有機硫酸塩に関するX線損傷に関する対策法も確立され、実際の海洋エアロゾルの分析においても、これらの対策が効果的であることがわかった。また、硫黄の化学種解析を繰り返し行うと微細粒子中の硫黄のスペクトルが変化することもわかっており、このことからも有機硫酸塩がエアロゾル中に存在することが示された。これらの理由から本年度の進捗状況は「おおむね順調に進展している」とした2年度目は確立した分析法を用いてエアロゾル中の有機硫黄成分の分析に本格的に取り掛かる。ICP-QQQ-MSを用いたエアロゾル中の有機硫黄に関する研究はほとんど行われていないため、海洋エアロゾルのみでなく、これまでに都市域で採取したエアロゾルも合わせて分析を行い、エアロゾル中における有機硫黄の存在量を明らかにする。また、濃度定量と合わせてXAFS法による硫黄化学種の分析や走査型透過X線顕微鏡(STXM)を用いて、単一のエアロゾル中における硫黄や他の元素の化学種の分布から有機硫黄の生成過程などを明らかにすることを目的とした研究を進める。

これらの理由から本年度の進捗状況は「おおむね順調に進展している」とした2年度目は確立した分析法を用いてエアロゾル中の有機硫黄成分の分析に本格的に取り掛かる。ICP-QQQ-MSを用いたエアロゾル中の有機硫黄に関する研究はほとんど行われていないため、海洋エアロゾルのみでなく、これまでに都市域で採取したエアロゾルも合わせて分析を行い、エアロゾル中における有機硫黄の存在量を明らかにする。また、濃度定量と合わせてXAFS法による硫黄化学種の分析や走査型透過X線顕微鏡(STXM)を用いて、単一のエアロゾル中における硫黄や他の元素の化学種の分布から有機硫黄の生成過程などを明らかにすることを目的とした研究を進める。
本研究では、匂い感覚に関連する分子、ニューロン、回路構造、そして個体行動について分子遺伝学的に解析することで、嗅覚感度に関する分子基盤の解明を目指している。具体的には、ショウジョウバエを用いた個体ごとの嗅覚に関わる行動パターン測定、行動結果に基づいた個体選別と系統化、そしてそれぞれの個体における嗅覚神経回路の定量を行っている。現在の進行状況について以下に説明する。1,嗅嗜好性試験、特にビーカー等を用いた「field trap assay」とT-Mazeを用いた「Two-choice assay」を導入し、それらの使用法を習得した。安定的なデータを取得するために、実験時間(朝、夕、夜など)、温度、湿度、明暗など、様々な実験条件を検討した。2,ショウジョウバエの嗅感覚個性を厳密に調べる目的で、遺伝学的背景を均一化したショウジョウバエ系統を作出中である。遺伝的背景を均一にした系統を用いて、様々なGal4系統やUAS系統の遺伝的背景を整える予定である。3,少数個体、可能であれば一匹のショウジョウバエにおける遺伝子発現を厳密に解析するための手法の確立を目指して様々な条件検討を行った。定量PCRなどをもちいて、どの程度の微量RNAで再現性良いデータを得られるか、様々な手法、条件を用いて検討した。その結果、ショウジョウバエ一匹の頭部からのRNAのみで安定的にmRNA量を測定することが可能になった。4,解剖溶液、組織マウント法などを検討することで、ショウジョウバエの嗅覚受容体細胞数を精度よく測定する実験プロトコールを確立した。当初の計画通りのペースで研究は進んでおり、次年度も予定通り研究を実施する方針であるため次年度は、まず以下の研究を行う予定である。1,ショウジョウバエを殺さずに嗅覚受容体細胞数を測定するために、嗅覚受容体遺伝子のプロモーター下にルシフェラーゼ酵素を繋いだトランスジェニックショウジョウバエを作出する。このトランスジェニックショウジョウバエを用いた実験系の構築を行うことで、単一ショウジョウバエからの発光量と実際の嗅覚受容体細胞数に対応があるかを確認する。2,少数個体のショウジョウバエを用いたRNA-seqの精度を確認する実験を行う。ショウジョウバエ一匹から安定的なRNA-seqデータを取得できるか解析する。平成30年度の結果に加え、上記研究を行った後、各ショウジョウバエの嗅覚感度と遺伝子発現、嗅覚受容体細胞数の相関について検討を行う。
ジルコニウムによる炭素炭素結合活性化を利用した合成反応の開発

本研究ではジルコナサイクルの炭素炭素結合活性化を利用して新しい有機合成反応の開発を行なった。ジルコナシクロペンテンはそのbeta,gamma炭素炭素結合が活性化されエチレン部分が外れやすいのでこのエチレン部分の代わりにさまざまな2重結合を作用させると新しい反応が期待できる。そこで容易にアルキン類とエチレンから合成できるジルコナシクロペンテンにアリルエーテルを加えたところエチレンが外れてアリルエーテルが挿入しさらにクロリドアニオンが脱離してアルキン類のアリルジルコネーション生成物を与えた。シリル基を末端に持つアルキン類では反応の位置選択性は非常に高いことが分かった。ジルコナシクロペンテン化合物の代わりにジルコナシクロペンタンを用いた場合、同様の反応が進行し、エチレンのアリル化生成物が得られた。これはさらにエチルグリニャール試薬と反応してエチレン錯体を再生するため、触媒反応への展開が可能であり、実際触媒条件下で反応を行なうと収率よく触媒反応が進行することが分かった。アリルエーテル類の代わりにホモアリルブロミドを用いるとジルコナシクロペンテンはよく反応し、アリルシクロプロパン誘導体を収率よく与えた。この反応も炭素炭素結合活性化によりエチレン部分をはずし、そこへホモアリルブロミドの2重結合部分が入り反応が進行したものと考えられる。
心・血管系における新たな小胞体のカルシウム制御機能の解析

ホスホランバンは心筋小胞体Ca^<2+>ATPase(SERCA2)活性を可逆的に抑制することにより、心筋の収縮力と弛緩速度を調節するとともに、血管平滑筋においても血管トーヌスを調節していると考えられている。この調節は細胞質ドメインと小胞体膜内ヘリックスの少なくとも2箇所の直接蛋白質間相互作用を介してなされている。本研究では、SERCA2とホスホランバンの細胞質ドメインの部分ペブチドによる再構成系を用いて蛋白質間相互作用様式の基礎的検討を行うとともに、両蛋白質間相互作用評価するアッセイ系を開発した。SERCA2の燐酸化部位及びATP結合部位を含む細胞質ドメイン(331-726)の融合蛋白質とホスホランバンの細胞質ドメインの部分ベプチド(1-26)の融合蛋白質を作製した。さらに、ホスホランバンの燐酸化部位のSer, ThrをAspに置換した変異体を作成し、これらホスホランバン融合蛋白質とSERCA2細胞質ドメイン融合蛋白質との結合を検討した。さらに、ELISA plateを用いたアッセイ系を作成した。ホスホランバン融合蛋白質はSERCA2細胞質ドメイン融合蛋白質と特異的に結合し、その親和性(K_D)は0.7μMであった。ホスホランバン燐酸化及び燐酸化部位のAspへの変異及び抗ホスホランバン抗体はこの結合を抑制した。以上より、ホスホランバンとSERCA2の細胞質内相互作用は部分ペプチドによって再構成することができ、この結合には膜内ドメインを必要としないことが明らかとなった。両蛋白質の細胞質ドメイン同士の結合はホスホランバンのSERCA2抑制機能を反映すると考えられる。この相互作用を阻害することにより、心筋収縮力と拡張能を改善し、血管抵抗を低下させる新しい心不全治療薬を開発できる可能性がある。ホスホランバンは心筋小胞体Ca^<2+>-ATPase(SERCA2a)及びその血管平滑筋のisoformであるSERCA2b活性を可逆的に抑制することにより、心筋においては収縮力と弛緩速度を、血管平滑筋においては血管トーヌスを調節していると考えられている。この調節は細胞質ドメインと小胞体膜内へリックスの少なくとも2箇所の直接蛋白質間相互作用を介してなされている。したがって、心血管系の機能調節を理解するにはこの相互作用の解析が必須である。また、この相互作用を阻害することにより、心筋収縮力と拡張能を改善し、血管抵抗を低下させる新しい心不全治療薬を開発できる可能性がある。本年度はまず、SERCA2とホスホランバンの細胞質ドメインの部分ペプチドによる再構成系を用いて蛋白質間相互作用様式の基礎的検討を行うとともに、両蛋白質間相互作用を評価するアッセイ系を開発した。SERCA2の燐酸化部位及びATP結合部位を含む細胞質ドメイン(331-726)の融合蛋白質とホスホランバンの細胞質ドメインの部分ペプチド(1-26)の融合蛋白質を作製した。さらに、ホスホランバンの燐酸化部位のSer,ThrをAspに置換した変異体を作成し、これらホスホランバン融合蛋白質とSERCA2細胞質ドメイン融合蛋白質との結合を検討した。ホスホランバン融合蛋白質はSERCA2細胞質ドメイン融合蛋白質と特異的に結合した。ホスホランバン燐酸化及び燐酸化部位のAspへの変異はこの結合を抑制した。

ホスホランバンは心筋小胞体Ca^<2+>-ATPase (SERCA2a)及びその血管平滑筋のisoformであるSERCA2b活性を可逆的に抑制することにより、心筋収縮力と弛緩速度と血管トーヌスを調節していると考えられている。この調節は細胞質ドメインと小胞体膜内ヘリックスの少なくとも2箇所の直接蛋白質間相互作用を介してなされている。本年度は、昨年度に続きSERCA2とホスホランバンの細胞質ドメイン間の蛋白質間相互作用様式を部分ペプチドによる再構成系を用いて検討するとともに、cAMP依存性キナーゼ以外のキナーゼによるホスホランバン燐酸化を介したSERCA制御の可能性について検討した。昨年度作成したSERCA2の細胞質ドメイン(331-726)の融合蛋白質とホスホランバンの細胞質ドメインの部分ペプチド(1-26)の融合蛋白質を用いたアッセイ系によりホスホランバンとSERCA2細胞質ドメイン問の特異的結合の親和性を測定したところ、K_d=0.7μMであった。抗ホスホランバン抗体はこの結合を阻害した。以上より、ホスホランバンとSERCA2の細胞質ドメイン同士の結合はホスホランバンのSERCA2抑制機能を反映すると考えられる。この部分ペプチドによる再構成系を用いて、両蛋白質間の相互作用を阻害することにより、心筋収縮力と拡張能を改善し、血管抵抗を低下させる新たな心不全治療薬のスクリーニングすることができると考える。COS7細胞にホスホランバンを発現させ、細胞外Ca^<2+>を除去した状態でhistamineで刺激、またはcaffeine ionomycin、thapsigargin処理を行うとホスホランバンのSer^<16>が燐酸化された。この結果は、小胞体Ca^<2+>枯渇時のCa^<2+>急速充填機構として蛋白質燐酸化を介した系が機能していること、及びこの機構は非筋肉細胞にも存在することを示唆する。
無機物質のド-ピングによる導電性高分子の高機能化

1.酸性アニリン水溶液に二酸化チタンをけん濁した電解溶を用いることにより、二酸化チタンを含有したポリアニリン膜を調整することに成功した。調整した膜はメタノールなどのアルコールが存在する中性水溶液、もしくは非水のアルコール溶液中でも光照射により、還元されて色変化を起こすこと、および還元された膜は同一溶液中におけるアノード分極により脱プロトン化した酸化状態の膜となり、光照射により再還元されることを見出した。そして、この光還元挙動は光画像形成に利用できることを明らかにした。ポリアニリンに含有させる半導体粉末として二酸化チタンの代わりに硫化カドミウムを用いて光画像形成を試みたが、得られる光画像の解像力は酸化チタン含有のものに比べてあり、半導体のプロトン補捉能光画像の解像力に大きく影響することを明らかにした。3.アルコール溶液中におけるポリアニリン膜の脱プロトン化を電極電位の関数として膜の電導性を調べることから明らかにした。また、光画像形成のメカニズムおよび、それに関係する反応の速度を石英微量天秤法などの計測手法を適用して解明した。4.非水溶媒に溶かしたピロールの溶液に二酸化マンガンをけん濁して電解重合浴に用いることにより、二酸化マンガンを含有したポリピロール膜を合成することに成功するとともに、得られた膜はリチウム二次電池の正極活物質として働くことを見出した。5.酸性のピロール水溶液に二酸化マンガンを添加すると、二酸化マンガンが酸化剤として働き、二酸化マンガンを含有したポリピロールが合成できることを見出した。二酸化マンガンの添加量は調節することにより、二酸化マンガン含有量の異なるポリピロールが合成でき、エネルギー密度の異なる電池活物質として働くことを明らかにした。1.MnO_2粒子を取り込んだポリアニリン膜の電池活物質としての特性β-MnO_2粒子あるいはリチウム化したMnO_2粒子を分散させたピロール水溶液を電解酸化することにより,それらの粒子を取り込んだポリピロール膜(PPy/MnO_2)を調製した。得られた膜をリチウム2次電池の正極活物質として用いたところ,MnO_2とポリピロールの両者のレドックス反応が有効に機能し,単位体積当りの充放電容量は単独のポリピロール膜の約2倍となった。またその反応機構を明らかにした。2.TiO_2を取り込んだポリアニリン膜の光還元反応の解析TiO_2粒子を取り込ませたポリアニリン膜(PAn/TiO_2)を,メタノール溶液に浸漬し,光照射を行うことによりポリアニリンが還元されて光画像が形成される反応について,反応速度を水晶発振子微小重量測定法(QCM法)を用い,光照射を行いながらin-situに膜の重量変化を測定することにより求めた。そしてディジタルシミュレーションによるフィッティングを行うことにより,ポリアニリンのプロトン化反応および,TiO_2粒子内の励起電子によるポリアニリンの還元反応の反応定数を算出し,それらに対する反応条件の影響を明らかにした。3.CdS半導体粉末粒子を取り込んだポリアニリン膜の調製と光還元反応アニリンを溶解した塩酸水溶液に市販のCdS粒子を分散し,溶液を撹拌しながら電解酸化することによって,CdS粒子を取り込んだポリアニリン膜(PAn/WO_3)を調製することができた。膜中に取り込まれたCdS粒子の量は最高で約50wt%にまで達した。調製した膜を,正孔捕捉剤であるエチレンジアミン四酢酸を含む中性水溶液に浸漬して可視光を照射すると,光照射部分のポリアニリンが還元され,光画像が形成されることを見出した。さらに取り込ませるCdS粒子に数wt%の白金を担持することにより、光還元反応の反応速度を大幅に改善できることを明らかにした。酸化チタンを取り込んだポリアニリン複合膜を光照射した際に、酸化チタンに生成する電子と正孔が、膜内を移動して反応に関与する挙動を詳細に調べた。

正孔補化チタンを取込んだポリアニリン膜を浸積し光照射すると、銀はポリアニリン膜上に析出した。このことから、酸化チタンに光誘起生成した電子は、すみやかにポリアニリンに流れることが明らかになった。この知見を基に、複合膜において光酸化反応を酸化チタン粒子表面上で行わせ、いっぽう光還元反応をポリアニリン上で行わせるような反応系が構築する可能性をアルコール存在下におけるフェロセン化合物の光還元挙動を追跡することによって調べた。ポリアニリンが大きい電子伝導性を示す強酸性水溶液中では、フェロセン化合物の還元はすみやかに進行するが、複合膜が浸される溶液の酸性度が低下して、ポリアニリンの伝導性が低下するにつれて、フェロセン化合物の光還元が起こり難くなることが明らかになった。また、ポリアニリン表面での光還元は、溶液中にフェロセン化合物の濃度にも影響され、フェロセン化合物の濃度が小さくなると、ポリアニリンの光還元が起こり易くなることが明らかになった。この事実から、ポリアニリンと酸化チタン複合体膜を光触媒として用いて、ポリアニリンの還元反応に対する電極触媒を生かした反応系を構築するためには、還元反応速度の大きい反応基質を高濃度に用いるような反応系のデザインが必要でいることが明らかになった。いっぽう、二酸化マンガンとポリピロールの複合体の電池活物質としての特性についても研究を進め、スピネル構造を有するリチウム化二酸化マンガンとポリピオールとの複合体ではリチウムイオンのみが関与する活物質として働くことが見い出される。