hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
環境ホルモンに対する神経科学、行動科学による包括的アプローチ

環境ホルモンは、末梢の生殖器官等のエストロゲン受容体を介した作用の研究が比較的多く報告されている。一方、生殖行動を含む多くの動物の行動にも深刻な影響を及ぼす可能性が指摘されているが、その"異常な"行動に関し、中枢神経を対象とした包括的なアプローチは、十分になされているとは言えない。本計画は、種々の環境ホルモン様物質を単独、あるいは様々な組み合わせで、血液脳関門の未完成な胎生期、発達期にあるラットに投与し、脳、神経組織に重点を置いて、その組織構築、神経内分泌や行動に対する環境ホルモンの影響について複数の視点からアプローチを試みた。1)環境ホルモンの一つビスフェノールAをハプテンに継きウサギに免疫することにより、ビスフェノールAに対するポリクローナル抗体を作成し、ビスフェノールAに対するenzyme-immuno assey(RIA)系を開発した。これを用いてビスフェノールAを飲水に混入して投与したラットの各種臓器に対してEIAを行い、ビスフェノールAの検出を試みた。EIAにより、間脳、延髄、肝臓、脾臓、腎臓、精巣に有意な増加が認められた。特に肝臓、脾臓での増加率は著しく、組織内への高濃度の蓄積が認められた。2)この抗体を用いて免疫組織化学による組織内でのビスフェノールAの可視化を試み為様々な条件下での組織の固定、免疫賦活、発色を試みたが1)によりビスフェノールAの蓄積が認められたどの組織においても可視化は出来なかった。3)五世代にわたってビスフェノールAを与え続け、外見的な形態以上、顕著な行動異常、新生仔数を検討したが、対照群との間に差異は認められなかった。また脳、脊髄に関してヘマトキシリンエオシン染色を行い、組織構築に関して検討を行ったが、ビスフェノールA投与群と、対照群との間に差異は見出し得なかった。環境ホルモンの一つビスフェノールAをハプテンに継ぎウサギに免疫することにより、ビスフェノールAに対するポリクローナル抗体を作成した。これを用いて、ビスフェノールAを投与したラット臓器に対して、EIA及び免疫組織化学を行い、ビスフェノールAの検出、可視化を試みた。成体ラットに一過的に、或いは持続的にビスフェノールAを投与するも、EIA及び免疫組織化学によって、ビスフェノールAを検出することはできなかった。そこで、妊娠期ラットに持続的にビスフェノールAを与え、さらに授乳期においても母ラットにビスフェノールAを与え続けた。現在こうして産まれた子ラットについて、幼児期、及び成体に達してからサンプリングを行い、解析を進めている。1)環境ホルモンの一つビスフェノールAをハプテンに継ぎウサギに免疫することにより、ビスフェノールAに対するポリクローナル抗体を作成し、ビスフェノールAに対するenzyme-immuno assey(RIA)系を開発した。2)この抗体を用いて免疫組織

化学による組織内でのビスフェノールAの可視化を試みた。様々な条件下での組織の固定、免疫賦活、発色を試みたが1)によりビスフェノールAの蓄積が認められたどの組織においても可視化は出来なかった。3)五世代にわたってビスフェノールAを与え続け、外見的な形態以上、顕著な行動異常、新生仔数を検討したが、対照群との間に差異は認められなかった。また脳、脊髄に関してヘマトキシリンエオシン染色を行い、組織構築に関して検討を行ったが、ビスフェノールA投与群と、対照群との間に差異は見出し得なかった。
ほ場群落における光環境の時空間的不均一性が作物の成長過程に与える影響

昨年度まで主にコムギとダイズを対象作物としてきたが,今年度は,新たに水田ほ場(約40m×12m)において,3品種のイネを対象に観測調査を実施した。移植後から収穫期までの約3.5ヶ月間,2週間毎に,UAV(小型無人飛行機)による対象ほ場の重複画像撮影,分光放射計を用いたイネの分光反射率測定,デジタルカメラによる可視画像撮影,生育調査(草丈,葉面積指数:LAI,SPAD値,器官別乾物重)を実施した。また,3品種・3施肥水準9箇所の群落下部および群落上端に小型メモリ付光量子センサを設置し,群落内外の光合成光量子束密度(PPFD)を測定した。これら観測調査データを基に解析した結果,以下の成果が得られた。UAV空撮画像から復元した3次元モデルを用いて算出したイネの草高と実測による草丈とは非常によい関係を示していた。また,草丈とLAIおよび全乾物重との関係式を用いて,草高からLAIおよび全乾物重を推定するモデルを構築した。さらに,イネ草高の面データからLAIおよび全乾物重の時系列分布マップを作成した。分光反射率およびデジタルカメラ画像から算出可能な各種植生指標と生育調査結果との関係を調べ,生育量モニタリングに有効な植生指標について検討した。従来使用されてきた正規化指標よりもシンプルな比で示した指標のほうがLAIや乾物重を精度よく説明できることが分かった。群落内光環境(群落内外の相対PPFD)と草高の時系列変化を生育段階と併せて明らかにした。さらに,過去の観測データ解析を行い,全天画像から得られる空の状態要素(雲量・太陽出現の有無・相対的明るさ)を用いて全天・散乱PPFDを推定する手法を確立した。以上の成果やこれまでの成果を統合した解析を進めることで,大気・空の状態および作物の3次元構造に起因する群落内外の光環境の時間的・空間的不均一性が成長過程に与える影響を明らかにできると考えられる。今年度はイネの生育調査を定期的に実施できたことによって,UAV空撮画像から算出可能な草高や地上で測定した分光反射率やデジタルカメラ画像から得られる各種植生指標との比較によって,時空間的な生育量のモニタリングが可能となった。今後,光環境の時間的・空間的不均一性が成長過程にあたえる影響を評価し,ほ場群落レベルでの光環境ー成長モデルの構築に向けて,これまでの実測データに加え,継続したデータ観測が必要となる。そのためには,本研究課題終了後も引き続き観測データを蓄積するとともに,播種間隔や株数の異なる栽培をいくつか設定し,モデルの構築や検証を行う予定である。植物群落における光環境の時空間的府均一性を知ることは,環境変動に対する植物のストレス応答や成長過程における影響を把握する上で重要である。研究初年度は,ほ場における光環境および群落構造を体系的に時空間モニタリングする手法の確立に向けて,1.5haほ場にて観測を実施した。光環境は,施肥・耕起・高低差・個体密度の異なる4区画に小型光量子センサを用いたPPFD(光合成光量子束密度)計測と,入射光に直接影響する空の状態および日射・光合成有効放射量観測を行った。また,群落構造の3次元モニタリングでは,数メートルの近距離画像撮影による作物の3次元復元が困難だったため,精密基準点測量と小型無人飛行機(UAV)による30m50m上空からほ場作物の収穫前後に空撮を行い,3次元データおよび正射画像の生成を行った。光量子センサを用いた4区画の計測結果からは,入射光に対する群落最下層の相対PPFD時系列データより,特徴的な違いが見られた。UAVによる3次元データからは,作物収穫前後の差分解析により作物の成長のバラつきを把握することができた。しかし,観測時期と作物栽培時期との調整がうまく合わず,刈り取り法による葉面積,乾物量,収量調査を対象区画で実施できず,モニタリング結果との比較までは至らなかった。条件の異なる作物群落の光環境モニタリング結果と刈り取り調査による比較が実施できなかったため,光環境ー成長モデルに必要となる実測データの蓄積がやや不十分であるため。天気・空の状態および3次元群落構造に起因する光環境の時間的・空間的不均一性が作物成長過程に与える影響を調べることを目的とし,昨年度に引き続き,光環境および3次元計測を,コムギおよびダイズを対象に実施した。コムギについては,1.5haほ場では,施肥の異なる4区画にて小型光量子センサによる群落内外のPPFD測定を栽培期間中に行い,また,UAVよるほ場全域の空撮を播種から収穫までに期間に4回実施した。UAVによる3次元復元モデルから,コムギの草高の時系列変化を解析し,施肥の異なる生育ムラを分析した。また,光量子センサを設置した4箇所については,毎週草高を実測し,草高の変化と光環境の関係についても調べた。ダイズは,施肥条件や品種・播種間隔が同一のほ場において,数m四方の領域を対象にして,光量子センサによるPPFD測定とデジタルカメラを用いた重複撮影画像による3次元復元モデルの生成を行った。また,非破壊で測定可能な葉面積計(LAI-2200)を用いて高さ別に測定を実施し,ダイズの吸光係数を導いた。それを用いて,群落内外のPPFD測定から得られる相対PPFDからLAIの時系列変化を推定した。LAIの時系列変化と3次元復元モデルによる草高の変化との関係性について調べた。

天気・空の状態については,全天カメラ画像解析により,直達光の有無を識別する手法を確立し,日照時間の解析が可能になった。また,全天画像から得られる雲量や日照時間などを用いて日射量およびPPFDを推定する手法についても検討した。葉面積指数を刈り取り法によらず,LAI-2200を用いて非破壊で測定できたことにより,光環境測定から葉面積指数の時系列変化を効率的に把握することができた。また,UAVによる空撮は撮影時の天候に左右されることが多いが,今回,ダイズ畑で実施したデジタルカメラによる数10枚の空撮画像から3次元復元モデルの生成は容易に行えることがわかった。昨年度まで主にコムギとダイズを対象作物としてきたが,今年度は,新たに水田ほ場(約40m×12m)において,3品種のイネを対象に観測調査を実施した。移植後から収穫期までの約3.5ヶ月間,2週間毎に,UAV(小型無人飛行機)による対象ほ場の重複画像撮影,分光放射計を用いたイネの分光反射率測定,デジタルカメラによる可視画像撮影,生育調査(草丈,葉面積指数:LAI,SPAD値,器官別乾物重)を実施した。また,3品種・3施肥水準9箇所の群落下部および群落上端に小型メモリ付光量子センサを設置し,群落内外の光合成光量子束密度(PPFD)を測定した。これら観測調査データを基に解析した結果,以下の成果が得られた。UAV空撮画像から復元した3次元モデルを用いて算出したイネの草高と実測による草丈とは非常によい関係を示していた。また,草丈とLAIおよび全乾物重との関係式を用いて,草高からLAIおよび全乾物重を推定するモデルを構築した。さらに,イネ草高の面データからLAIおよび全乾物重の時系列分布マップを作成した。分光反射率およびデジタルカメラ画像から算出可能な各種植生指標と生育調査結果との関係を調べ,生育量モニタリングに有効な植生指標について検討した。従来使用されてきた正規化指標よりもシンプルな比で示した指標のほうがLAIや乾物重を精度よく説明できることが分かった。群落内光環境(群落内外の相対PPFD)と草高の時系列変化を生育段階と併せて明らかにした。さらに,過去の観測データ解析を行い,全天画像から得られる空の状態要素(雲量・太陽出現の有無・相対的明るさ)を用いて全天・散乱PPFDを推定する手法を確立した。以上の成果やこれまでの成果を統合した解析を進めることで,大気・空の状態および作物の3次元構造に起因する群落内外の光環境の時間的・空間的不均一性が成長過程に与える影響を明らかにできると考えられる。今年度はイネの生育調査を定期的に実施できたことによって,UAV空撮画像から算出可能な草高や地上で測定した分光反射率やデジタルカメラ画像から得られる各種植生指標との比較によって,時空間的な生育量のモニタリングが可能となった。引き続き計測・モニタリングを実施し,実測データに基づく時空間解析を通して,光環境の不均一性と作物成長過程の影響について調べていく。また,刈り取り調査以外にも,定期的な作物草高や個体密度等の実測を並行して行い,光環境(相対PPFD)計測およびUAVによる3次元群落構造との比較によって,モデル構築に必要となるパラメータを増やしていく予定である。ほ場群落レベルでの実測データに基づく光環境ー成長モデルの構築に取り組むべく,引き続き,ほ場でのモニタリング・調査を継続していく。
銀コートCdSナノ微粒子の局在プラズモン特性を利用した非線形光学応答

銀膜コートCdSナノ微粒子の非線形光学応答シミュレーションMie散乱理論に光カー効果を考慮した拡張Mie理論計算手法を用いて、銀膜コートCdSナノ微粒子の非線形光学応答に対する計算機シミュレーションプログラムを作成した。これを用いた計算結果から、直径40nmのCdSに、膜厚30nmの銀膜をコートした微粒子において、500kW/mm^2以上の入射光強度で、散乱光強度が光スイッチ現象や光双安定現象等の非線形応答を示すことが明らかになった。銀膜コートCdSナノ微粒子の作製銀と硫黄が反応してAg_2Sを形成することのないように、Amineを表面修飾したCdS微粒子とカルボン酸チオールを表面修飾した銀を逆ミセル法で個別に合成し、混合することで、銀コートCdSナノ微粒子の作製を試みた。マイクロエマルジョン状態では、局在プラズモンによる吸光度のピークの半値幅が大きいことがわかり、微粒子サイズのばらつきが大きいことが示唆された。構築した顕微分光システムを用いて、1個あたりの散乱スペクトルを観察し、Mie理論計算と比較することで微粒子のサイズを測定した。その結果、直径40nmのCdSに、膜厚30nmの銀膜をコートした構造に相当する微粒子が存在することがわかった。1個の微粒子における非線形光学特性評価波長可変パルスレーザ(パルス幅3nsec,繰り返し周波数10Hz)を用いて、個々の微粒子散乱光強度測定実験を行ったが、非線形光学応答が発生する入射光強度に達する前に、微粒子の破壊がおきていることがわかった。CdSコート銀ナノ微粒子に変えて同様の実験を行ったところ、波長510nmにおいて瞬時入射光強度3.3kW/mmのときに、非線形な散乱光強度の増加がみられることがわかった。しかし、この構造においても、光照射による微粒子サイズの変化などがおきやすく、微粒子の耐光損傷が課題となることが明らかになった。1.銀膜コートCdSナノ微粒子の作製40nm程度のCdSナノ微粒子に約10nmの銀膜をコートした構造を目指して、逆ミセル法で微粒子の作製を行った。そのままではCdS表面で硫化銀が形成されやすいことがわかったため、アミンでCdS表面を修飾した微粒子と、チオールで表面修飾した粒径の小さな銀微粒子を含むマイクロエマルジョンをそれぞれ個別に作り、混合することで、銀膜コートCdSナノ微粒子を作製することにした。作製した微粒子の電子顕微鏡観察によると、ばらつきはあるが約100nmの微粒子が多く作製されていた。また、この微粒子を含むマイクロエマルジョンの吸光度スペクトル観測を行い、実験値とMie理論による数値計算結果を比較した結果、統計的に粒径100nm以下のCdSに数10nm厚の銀がコートされていると推測され、ほぼ目指す微粒子の構造を作ることができるようになった。2.線形光学特性評価技術の確立1個の銀膜コートCdSナノ微粒子の線形光学応答を評価するための装置として、暗視野光学顕微鏡にファイバマルチチャネル分光器を取り付けた顕微分光システムを構築した。コア径が100μmの光ファイバ、100倍の対物レンズを使用することで、観測領域はφ1μm程度にでき、ガラス基板上に分散させた微粒子1個毎の散乱スペクトルが観測できるようになった。この装置を用いて作製した微粒子の1個の散乱光スペクトルを観測し、Mie理論計算と比較した結果、CdSコア径40nm,銀膜厚30nmの微粒子が作製されていることがわかった。
極紫外自由電子レーザーによる角度分解光電子分光

極紫外自由電子レーザーという全く新しい高強度短波長光源を用いた気相原子・分子の角度分解光電子分光法を確立し、希ガス原子と希ガスクラスターの多光子イオン化過程を明らかにした。光学レーザーと組み合わせたポンプ・プローブ計測による時間分解光電子分光法を確立した。本研究では、極紫外自由電子レーザーという全く新しい高強度短波長光源を用いた気相原子・分子の角度分解光電子分光法を確立し、希ガス原子の段階的多重イオン化の機構と経路を明らかにするとともに、光学レーザーによって解離性状態へ励起が可能な分子を標的とし、光学レーザーと組み合わせたポンプ・プローブ計測による"時間分解"光電子分光法を確立する。光電子放出角度分布を測定する手法としては、観測する電子放出角度が小さい電子分光器を複数個組み合わせる方法と、位置敏感検出器に電場を用いて全立体角に放出される電子を一度に検出する速度画像型の方法がある。本研究では後者を採用し、極紫外自由電子レーザー利用実験に最適化した速度画像型電子分光器を設計・製作した。制作した電子分光器を、東北大学所有のフェムト秒レーザーを用いて動作試験を行った。また、EUV-FEL照射によるイオン化により生成する電子を観測する上で大きな障害となる迷光・散乱光を除去するための光子バッフルユニットを設計・製作した。製作した電子分光器とバッフルユニットを理研播磨研究所の極紫外自由電子レーザー実験施設に持ち込み、希ガス原子の段階的多重イオン化実験を行い、その際に放出される光電子放出角度分布の測定に成功した。さらに標的を希ガスクラスターとした測定では、標的が原子の場合には見られない低エネルギー電子が観測され、このことからイオン化の抑制が起きていることが示唆された。また、実験施設に常設のIRレーザーでも集光位置が確認することができ、ポンプ・プローブ計測を行う目処がたった。本研究では、極紫外自由電子レーザーという全く新しい高強度短波長光源を用いた気相原子・分子の角度分解光電子分光法を確立し、希ガス原子の段階的多重イオン化の機構と経路を明らかにするとともに、光学レーザーによって解離性状態へ励起が可能な分子を標的とし、光学レーザーと組み合わせたポンプ・プローブ計測による"時間分解"光電子分光法を確立することを目的とした。本研究では前者を採用し、極紫外自由電子レーザー利用実験に最適化した速度画像型電子分光器を使用した。極紫外自由電子レーザーとIRレーザーを空間的・時間的に重ねて照射する手法を確立し、ヘリウム原子を標的としたポンプ・プローブ計測を実施した。極紫外自由電子レーザーの光エネルギーをヘリウム原子のイオン化しきい値よりも少し低く設定すると、1光子吸収ではイオン化が起こらないが、極紫外自由電子レーザーとIRレーザーを重ねて照射すると極紫外自由電子レーザー照射によりリドベルグ状態に励起されたヘリウム原子がIRレーザーのよってイオン化され、光電子を放出する。このような極紫外自由電子レーザーのみ照射、IRレーザーのみ照射のときには得られない光電子分布を、両方を照射したときに観測し、ポンプ・プローブ計測に成功した。
bcc-hcp変態の組織形成過程のボンドオーダーポテンシャルによる理解

Ti元素の結晶構造hcpとbccとを再現するボンドオーダーポテンシャルを作り,hcp-bcc変態で観察される界面の構造とエネルギーを求めることを本研究の最終的な目標としている.本年度は,精度の高い第一原理計算と,研究の見通しがつけやすいボンドオーダーポテンシャルを初めとする原子間ポテンシャルとをもちいて,フォノンを化学結合カから議論するための計算法の確立と実際の計算をおこなった.ターゲットとした系は,すでに第一原理計算でanharmonic effectがbccの安定性を支配するという結果が知られているZr[1]と同じIV族遷移金属の1である.(1)第一原理計算による断熱ポテンシャル曲面第一原理フルポテンシャルLMTO法プログラムを用いてHarris-Foulkes近似により,bcc-hcp達続変形に対するエネルギー平面上での断熱ポテンシャル曲面を計算した22種類の変形λ1:bcc構造の(110)面をhcp基底面に変形するshear,λ2:bcc構造の(110)面をbcc[1-10]方向にスライドさせる(N点横フォノンモードに相当)を加えた.bcc構造はslideに対して強く不安定で,shearに対してもわずかに不安定なlocal maximumになっている.しかし,この結果はZrに対する計算結果と異なり,λ2軸方向では大きな変形に対してエネルギーが立ち上がっておらず,Zrとは違った変態機構を示唆している.(2)有限温度効果を入れたシミュレーション結果前述の第一原理計算で得られたポテンシャル曲面ではQuasi-harmonic近似が適用できないが,近似的なフォノン状態密度をリカージョン法で求めた.計算には第一原理計算で求められたポテンシャル曲面をbcc近傍で再現する経験的な原子挿入ポテンシャル(EAM)を用いている.この結果,振動に起因するエネルギーは変態温度でbcc相(-0.366eV/atom)がhcp相(-0.287eV/atom)に比べて極めて負に大きい.これはソフトブランチによる低周波でのピークに起因している.この大きな振動エネルギー項が高温でのbcc相の安定化を担っていると考えられる.Tiのbcc-hcp連続変形に対する基底状態での断熱ポテンシャル曲面は,Zrと決定的に異なっていることが第一原理計算で初めて明らかとなった.このポテンシャルを再現する原子間ポテンシャルは,強結合ポテンシャルに環境依存効果を入れる必要がある.また,基底状態の結果に基づいたQuasi-harmonic近似では有限温度でのフォノン分散を再現できないことが明らかとなった.Ti元素の結晶構造hcpとbccとを再現するボンドオーダーポテンシャルを作り,hcp-bcc変態で観察される界面の構造とエネルギーを求めることを本研究の最終的な目標としている.本年度は,精度の高い第一原理計算と,研究の見通しがつけやすいボンドオーダーポテンシャルを初めとする原子間ポテンシャルとをもちいて,フォノンを化学結合カから議論するための計算法の確立と実際の計算をおこなった.ターゲットとした系は,すでに第一原理計算でanharmonic effectがbccの安定性を支配するという結果が知られているZr[1]と同じIV族遷移金属の1である.(1)第一原理計算による断熱ポテンシャル曲面第一原理フルポテンシャルLMTO法プログラムを用いてHarris-Foulkes近似により,bcc-hcp達続変形に対するエネルギー平面上での断熱ポテンシャル曲面を計算した22種類の変形λ1:bcc構造の(110)面をhcp基底面に変形するshear,λ2:bcc構造の(110)面をbcc[1-10]方向にスライドさせる(N点横フォノンモードに相当)を加えた.bcc構造はslideに対して強く不安定で,shearに対してもわずかに不安定なlocal maximumになっている.しかし,この結果はZrに対する計算結果と異なり,λ2軸方向では大きな変形に対してエネルギーが立ち上がっておらず,Zrとは違った変態機構を示唆している.(2)有限温度効果を入れたシミュレーション結果前述の第一原理計算で得られたポテンシャル曲面ではQuasi-harmonic近似が適用できないが,近似的なフォノン状態密度をリカージョン法で求めた.計算には第一原理計算で求められたポテンシャル曲面をbcc近傍で再現する経験的な原子挿入ポテンシャル(EAM)を用いている.この結果,振動に起因するエネルギーは変態温度でbcc相(-0.366eV/atom)がhcp相(-0.287eV/atom)に比べて極めて負に大きい.これはソフトブランチによる低周波でのピークに起因している.この大きな振動エネルギー項が高温でのbcc相の安定化を担っていると考えられる.Tiのbcc-hcp連続変形に対する基底状態での断熱ポテンシャル曲面は,Zrと決定的に異なっていることが第一原理計算で初めて明らかとなった.このポテンシャルを再現する原子間ポテンシャルは,強結合ポテンシャルに環境依存効果を入れる必要がある.また,基底状態の結果に基づいたQuasi-harmonic近似では有限温度でのフォノン分散を再現できないことが明らかとなった.
ルーメン微生物の発酵調節の機構

競合PCR法によって見積もったルーメン内における硝酸還元菌の存在数主要なルーメン菌の中で硝酸・亜硝酸還元能をもつことが知られているSelenomonas ruminantium、Veillonella parvula、およびWolinella succinogenesがヤギのルーメン内にどれ位の数で存在するかを調べた。これらの3菌の中でS.ruminantiumが最も多数存在し、V.parvula、およびW.succinogenesの数は非常に少なかった。しかし、後者の2菌の数は高濃厚飼料(低硝酸含量)を給与した場合よりも、高粗飼料(高硝酸含量)を給与した場合の方が多い傾向があった。そこで、高濃厚飼料に硝酸を添加したところ、両菌の数は明らかに増加した。従って、これら2菌の数は硝酸の増加によって増加すると考えられた。これらの硝酸還元菌の数を更に増やすことができれば、硝酸還元反応が増加し、発酵を抑制せずにメタン生成を抑制できると考えられた。ルーメンアシドーシスの進行に大きく関与するS.bovisにおける乳酸生成の制御について検討した。本菌の乳酸生成はピルビン酸・ギ酸開裂酵素(PFL)の活性の影響を受けるので、PFLを活性化するPFL活性化酵素(PFL-AE)について解析した。PFL-AE遺伝子の塩基配列を決定し、本酵素の合成が転写レベルで調節されていることを示した。また、精製したPFL-AEを用いてその特性を調べ、Fe^<2+>を補因子として要求することを示した。S.bovisにPFL-AEの遺伝子を導入して過剰発現させて、乳酸とギ酸の生成割合は親株の場合と違いがなく、また活性型PFLの量にも違いがなかったので、S.bovisの菌体内にはPFLの活性化に十分な量のPFL-AEが常に存在すると考えられた。つまり、PFL活性はPFLの量と電子の供与速度によって左右されると考えられた。
タンパク質の二面角系弾性ネットワークモデルによる基準振動解析

タンパク質立体構造の動的特性を明らかにするために、二面角を独立変数とし、弾性ネットワーク近似を取り入れた基準振動解析プログラムPDBηを開発した。これまでわれわれが行ってきた精密モデルによる計算結果やProtein Data Bank(PDB)の温度因子と比較し、評価したところ、この近似計算の妥当性が確認された。このプログラムは、これまでのわれわれの計算では扱えなかったDNAやリガンドなども計算対象とすることが可能であり、しかも、すべての構成原子を考慮しても、その計算時間は比較的短くて済むため、PDBのほとんどのデータに対応することができる。したがってPDBのデータに対して網羅的な計算が可能であり、今後、タンパク質立体構造ダイナミクスのデータベース構築やさまざまなタンパク質間の比較研究に役立つものと期待できる。タンパク質の二面角系の弾性ネットワークモデルによる基準振動解析を行うため、本年度は以下のことを行った。(1)弾性ネットワークモデルは、Protein Data Bank (PDB)から自動的に、しかも高速に基準振動解析を行うことを目指しており、通常の分子力学で採用されるポテンシャル関数とは異なる近似的なポテンシャルが用いられる。そのため、得られた結果の評価システムを整備しておくことが必要である。評価のためには、これまでわれわれが行ってきた通常の分子力学で取り扱われるポテンシャル関数を用いた二面角系モデル(高精度モデル)による基準振動解析の結果と対照することを考えている。そこで、われわれが構築してきたデータベースProModeの管理システムを改良、整備し、評価のための準備を行った。(2)弾性ネットワークモデルのプログラムを開発していく上で重要なポイントの一つは、PDBに含まれる分子構造データの二面角系ネットワークモデルで計算できるデータ様式への変換(具体的には、分子構造をグラフ理論のツリー構造として表現する)を自動的に行えるようにすることである。しかし、一つのサブユニットだけを対象としたものはすでに開発されていたが、リガンドを含むデータ、あるいはオリゴマーや、構造不定領域を含む多様なPDBデータすべてについて、自動的にそうしたデータを生成できるプログラムはなかった。そこで、そのためのアルゴリズムを考え、実行するためのプログラムを開発し々これにより、高精度モデルの基準振動解析モデルでは扱ってこなかったDNAおよび、それと結合するタンパク質といった系も扱うことが可能となった。こうした成果を踏まえ、来年度は、この分子構造データを用いた弾性ネットワークモデルによる基準振動解析計算本体の開発を行う予定である。タンパク質立体構造の動的特性を理解する上で、基準振動解析は有力な計算手法の一つである。われわれは、二面角を独立変数として、ECEPPのエネルギー・パラメータを利用した全原子モデルでの基準振動解析を行い、その結果をWeb上にProModeという名で公開してきた。しかし、その計算過程のほとんどが立体構造エネルギーの最小化に費やされるため、大きなタンパク質の計算が困難であり、また、ECEPPにはアミノ酸以外の分子のエネルギー・パラメータがないことから、リガンドやDNAなどを含んだ系についての計算ができないなどの問題があった。そこで、エネルギー関数の精度はある程度犠牲にしながらも、できるだけ多くのPDBデータに対応できるように、弾性ネットワークモデルでの基準振動解析計算を行うプログラムを開発するのが本研究の目的である。すでに、各アミノ酸残基をCα原子で代表させ、デカルト座標系で行う計算は一般化しているが、本研究では、PDBに現れるすべての原子(ただし、水素原子は除く)を考慮し、二面角を独立変数とするプログラムを開発している。二面角を独立変数とするとき、分子は、回転可能な化学結合をedgeとし、隣り合うedge間の部分構造をvertexするツリー状グラフで表現する必要あるが、PDBデータから自動的に分子のツリー構造を解析、グラフ表現するアルゴリズムを昨年度開発した。そこで本年度は、それを入力データとして、弾性体近似の基準振動解析計算を行うプログラムを開発した。原子間を単純なバネで近似するが、原子間の距離への依存性、1-4、1-5相互作用による区別等、試行錯誤しながら、パラメータの調整を行った。リガンドやDNAを含むいくつかのPDBデータについて計算を行ったが、十分満足のいく結果はまだ得られていない。この点については、来年度さらに検討する予定である。Protein Data Bankに登録されたタンパク質の立体構造データからその動的特性を抽出するため、我々はこれまで基準振動解析(NMA)による研究を行ってきた。しかし、我々が行ってきたNMA計算では、タンパク質に結合するDNAやリガンドなどは、その方法論的制約から、除外せざるを得なかった。また、分子動力学などに比べれば短いとはいえ、長時間の計算を必要として、そのことが、数多くのPDBデータについて計算を行い、その結果をデータベース化しようという我々の目的のためには障害となっていた。こうした状況を踏まえ、本研究課題では、弾性ネットワークモデルによるNMA計算手法の開発を行った。

すでにこうした手法はデカルト座標系では開発されているが、必要な独立変数の数が多くなることから、各アミノ酸を1つの原子で代表するなど更なる近似を必要とし、DNAなどを含む系にまでそれを拡張することはあまり意味がない、などの問題があった。そこでわれわれは、二面角系で解析を行うことによって、全原子を考慮した計算を可能とし、その結果、DNAなどタンパク質以外のいかなる分子を含んだ系も扱うことのできる方法論を開発することに成功した。また、弾性ネットワークモデルという近似を採用したおかげで、計算時間も大幅に短縮することができた。計算に必要なパラメータの値を決定するため、これまで我々が行ってきた精密なモデルでのNMA計算との比較や、PDBの温度因子との比較を行ったが、こうした計算がよい近似となっていることが示された。むしろ、タンパク質に結合するDNAなどの分子を無視したこれまでの精密計算より、それらを考慮した本近似計算の方が、よりよい結果を与えてくれるものも多々あった。今後、PDBに登録されたデータを網羅的に解析し、その結果をデータベース化することをめざして、本研究課題での成果を発展させていく予定である。
空間的分割グリッド法を用いた放射線治療による悪性神経膠腫に対する新規治療戦略

空間的分割グリッド法を用いた放射線治療(Spatially fractionated GRID radiation therapy[以下,SFGRT])は、難治性癌腫に対して従来では、到底処方できなかった超大線量を処方できる可能性が示された手法の一つである。当研究では、悪性脳神経膠腫を発癌させたマウスに照射実験を行うことで、臨床応用に向けた基礎的検討を行う。本研究で対象とした悪性脳神経膠腫は、完全切除困難かつ解剖学的に高線量の放射線照射が困難であり、血液脳関門の存在により薬剤の到達も困難な極めて難治の癌腫であり、本研究により、SFGRTが脳腫瘍においても低侵襲かつ有効な治療であることが証明されれば、悪性脳神経膠腫の画期的な治療となりうる。昨年度は、S-pring8での照射研究に関てはmachine timeが獲得できず、照射実験は行えなかった。また、ヌードマウスに人の腫瘍を埋め込んだ状態では、外に持ち出すことはできず、今年度脳外科よりマウスの腫瘍を移植した実験マウスを手に入れる予定である。そのため、昨年どはマウスに適切なgridの作成に関して、サイズ、厚さ、穴の個数、素材の検討を行い、設計図を作成した。今年度は実際にgridを作成し、マウスに照射を行う予定である。昨年度の研究の実施状況は正直遅れていると言わざるを得ない。理由としては1)人間サイズのグリッドをマウスに変換する際、思いのほかholeが極端に小さくなり、安定した照射が難しい。またbeamが安定に通過可能なholeとグリッドの厚さのバランスを決定するのも難しい課題である。2)昨年度はS-pring8での照射研究に関てはmachine timeが獲得できず、照射実験は行えなかった。そのため昨年度は適切な設計と情報を仕入れるための研鑽に時間を費やした。そのため少し計画との時間的相違を生じたため、次年度使用額が生じた。今年度の修正計画はまずは実際に試作のグリッドを実際に作成する予定である。それを使いまずこのグリッドを通して安定なbeamがターゲットに照射されているかを確認する予定である。次に安定したbeamが確認できればそのグリッドを用いてマウスに対する照射実験を行う。Spring-8で行えない場合には、大学の研究室にある、研究用の装置を用いて、照射を行う予定である。Spring-8の使用権利が得られず使用料を使用しなかったこと、グリッドの検討に時間がかかり作成までにいたっていないこと、マウス株の腫瘍を移植したマウスが手に入らなかった、以上により計画との時間的相違を生じたため、次年度使用額が生じた。それを使い、まずこのグリッドを通して安定なbeamがターゲットに照射されているかを確認する予定である。

次に安定したbeamが確認できればそのグリッドを用いてマウスに対する照射実験を行う。Spring-8で行えない場合には、大学の研究室にある研究用の装置を用いて、照射を行う予定である。また、ヌードマウスに人の腫瘍を埋め込んだ状態では、外に持ち出すことはできず、今年度脳外科よりマウスの腫瘍を移植した実験マウスを手に入れる予定である。
厳密にカイラル対称性を保つ格子QCDによるイプシロン領域の解析

近年の格子ゲージ理論における、理論面、数値計算の技術面での進展により、厳密にカイラル対称性を保つDirac演算子(オーバラップ演算子)を用いた大規模数値シミュレーションが現実のものとなった。発表論文の最初の3本は、特別研究員採用前からのJLQCD共同研究の成果であり、厳密なカイラル対称性の有効性を最大限に引き出すことで得られた重要な結果である。一方、カイラル極限で相関長が大きくなるパイ中間子による有限体積効果という新たな課題に対し、後半2本の論文で重要な進展を発表できた。カイラル摂動論の有限体積効果を正確に見積もり、格子QCD数値計算から物理量を抽出することへ貢献できるものである。特に、Damgaard氏との論文では、Dirac演算子の固有値分布から、カイラル凝縮だけでなく、QCDのさまざまな情報を抽出できることを明らかにし、さらに、その依存性が低エネルギーで弱くなり普遍的な性質を示す様を、一つの滑らかな公式として導くことができた。この国際共同研究は、ニールスボーア研究所への滞在で、カイラル摂動論の世界的権威であるP.H.Damgaard氏、IFICのP.Hernandez氏らとの共同研究を進めることができた。日本での共同研究(JLQCD collaboration)にも引続き参加し、2本の論文がPhysical ReviewLettersに受理されるなど、大きな成果を挙げた。特に、科研費で海外渡航中の研究発表の機会に恵まれ、バレンシアのグループとの共同研究を効率よく進めることができた。これらの研究成果が認められ名古屋大学特任助教に採用され、学振特別研究員は辞退させて頂くが、任期中の研究成果、共同研究者を大切にし、新しい環境で研究を進めて行きたいと考えている。
公的金融機関と民間金融機関の果たすべき役割に関する産業組織論的研究

公的金融機関と民間の金融機関(銀行やノンバンクなど)の果たすべき役割について分析をおこなった。消費者金融市場において民間のノンバンクに加えて、社会的余剰の最大化を目的とする公的金融機関を1社加えると、ノンバンクだけの場合に比べて消費者に対する貸出総額は多くなり、貸出金利は低くなることが分かった。また、銀行とノンバンクの貸出契約の違い(有担保か無担保か)が借り手の企業の行動を通じて生産物市場の経済厚生に与える影響を調べると、担保を要求する銀行の貸出契約は、企業の行動を通じ財市場に非効率性をもたらす場合があることが分かった。公的金融機関と民間の金融機関の果たすべき役割を明らかにするために、消費者金融市場において民間のノンバンクに加えて、社会的余剰の最大化を目的とする公的金融機関が1社存在するモデルを作成した。これらの金融機関は独占的な資金供給企業から必要な資金を調達し(上流市場)、個人向け貸出市場(下流市場)において、他のノンバンクなどの貸出額を所与として自らの貸出額を決めるクールノー競争をおこなっている。このモデルを使い分析をおこなって得られた結果は以下の通りである。公的金融機関が存在しないケースと比べ、長期均衡では資金供給企業がノンバンクに貸し出す金利は高くなる。これは公的金融機関が下流の市場で積極的な貸出をおこなうために、ノンバンクを含めた上流市場の資金需要が増加するためである。また、公的金融機関の積極的な貸出の結果、消費者に対する貸出総額は多くなり、貸出金利は低くなる。そして、公的金融機関がある場合には、長期均衡において民間ノンバンクが5社以上ならば、民間のノンバンクをさらに1社参入させると社会的余剰は増加することが分かった。また、銀行とノンバンクの貸出契約の違いが、借り手である独占企業の行動を通じて財市場の経済厚生に与える影響を分析した。銀行は融資の際に担保を要求するがノンバンクは担保を求めない代わりに金利が高い。その結果、自己資金が少なく、借入制約に直面する中小企業が銀行融資を受けようとする場合には、過剰な資本財を使用し、生産効率が損なわれる。一方、この企業がノンバンクを利用した場合には高い金利を負担しても利潤を増加させることが可能だが、そのような企業の行動は限界費用を上昇させ、生産量は減り、価格は上昇し、経済厚生を損なう場合がある。ゆえに銀行が担保を要求する貸出契約は、企業の行動を通じ財市場に非効率性をもたらす場合があることが分かった。民間金融機関(特に預金以外で資金調達する金融機関)の果たすべき役割を調べるために、上流の独占的資金供給企業から資金を調達するノンバンクが下流の消費者金融市場で貸出をおこなうモデルを使い分析をおこなった。長期のクールノー均衡では社会的余剰を最大化する次善の均衡に比べてノンバンク数が少なくなる。そこで次善(second-best)の均衡におけるノンバンク数と自由参入均衡における企業数の差によって均衡における歪み(disto rtion)を評価した。そして、市場が継続的寡占である場合と単一の寡占市場の場合について、市場規模が均衡の歪みにどのような影響を与えるのかを調べた。その結果、市場構造の違い(継続的寡占か否か)により、市場規模が均衡の歪みに与える影響が異なる(継続的寡占の場合には市場規模が大きくなると歪みは小さくなる。単一の寡占市場の場合には逆になる)ことが分かった。また、昨年に続き、貸出契約の違い(有担保か無担保か)が借り手の企業の行動を通じて生産物市場の経済厚生に与える影響を分析した。今年度は借り手が独占企業の場合から寡占(2社)の場合にモデルを拡張し分析をおこなった。銀行のように貸出に際して担保を要求する場合に比べてノンバンクのように担保を要求しない場合は金利が高くなる。企業は生産設備を担保に低い金利で借りるか、担保を出さずに高い金利で借りるかの選択に直面する。有担保の借入の場合には限界費用を下げることができるが、生産において資本を過剰に使用する傾向がある。このような状況において借り手の企業2社の戦略的な行動の結果、均衡においてさまざまな有担保と無担保の借入契約が起こりうることを明らかにした。
翻訳分子機械の1分子観察系の構築

当研究は、翻訳過程をを1分子観察系によって解析したものであり、翻訳終結で新たな概念を生み出したものである。1分子観察系の標的を、複合体を構成する成分の脱着の前後関係にして、従来論争になっている翻訳終了時におけるリボソーム50S/30Sサブユニットの解離とmRNAの解離との前後関係の決定に絞り込んだ。つまり、翻訳終了時にmRNAは70Sリボソームから解離するか、30Sとの複合体として50Sから解離するのか次に述べる系をもちいて、検討を進めた。2.固定化リボソームの活性は、固定されたリボソームを、Mg^<2+>イオンを含まない溶液に露出すると、スライドガラスから、50S粒子に固定されたGFPの蛍光が消失したので、固定化されたリボソームは、50S/30S解離のMg^<2+>イオン依存性を保持していた。タンパク質合成活性は、His tag-とLumio-tagをコードしているmRNAとリボソームを含まないS100画分を混ぜることにより、Lumio-tagの蛍光を発する物質が基盤に固定されることから確認できた。3.mRNAは,5'末に蛍光ラベルを導入して、50SのGFPと区別した。その結果、得られた回答はだれも予想していなかったものであった。両方の過程が並列に起こるというものであった。この結果は、当研究室で明らかにされた、転写開始でのBranched pathway mechanismと同質のものであり、合目的に単純に考えられたステップを段階的に並べたものではないことが、翻訳系でも明らかになった。つまり、化学的な反応ステップを直列に並べたものが、生理的な機構ではないことをしめしていた。転写の場合は、この発見は、abortive productsという生理的意義が未知であったものが、実は調節のための副産物であったという発見につながったので、翻訳終結の新展開につながる結果である。1分子観察系は、DNAとタンパク質の結合、転写反応等で顕著な成果を挙げているが、翻訳に対してはほとんど成果がない。そこで、1分子観察系の標的を、複合体を構成する成分の脱着の前後関係にして、翻訳終結に絞り、従来論争になっている翻訳終了時におけるリボソーム50S/30Sサブユニットの解離とmRNAの解離との前後関係の決定に絞り込んだ。つまり、翻訳終了時にmRNAは70Sリボソームから解離するか、30Sとの複合体として50Sから解離するのか検討を進めた。その結果、次の成果を得た。1.リボソームの表面固定:His-tagged GFP融合リボソームを特異的に固定でき、非特異的吸着の少ない基板として、NTA/cysteineコートされたスライドガラスを開発した。固定されたHis-taggged GFP融合リボソームのは、NTAが固定化してある部位に特異的に固定されることが観察された。この固定化リボソームは、予想通り、250mM Imidazoleにより解離した。したがって、固定は、非特異的ではなく、大部分His-tagとNTAとの結合によることが示された。2.固定化リボソームの活性:次に、スライドガラスに固定されたリボソームのまわりの溶液から、Mg^<2+>イオンを除去したところ、スライドガラスから、50S粒子に固定されたGFPの蛍光が消失したので、固定化されたリボソームは、50S/30S解離のMg^<2+>イオン依存性を保持していた。3.1分子固定の証明:スライドガラス上に固定されたリボソームは50SがGFPと融合されているが、このGFPのphotobleachingを行ったところ、蛍光強度は1段階で減少し、中間的な蛍光レベルが観測されず、1分子で固定されていることを示した。4.固定されたリボソームに、リボソーム以外の翻訳成分を持つ100S画分を加えると、さらにルミオタグをコードしているmRNAを加えたときのみ、ルミオタグの翻訳に伴う蛍光が観察された。5.さらに、固定化されたリボソームの活性を、S100にコンタミしている可能性が否定できないリボソーム由来の活性から分離するために、タンパク遺伝子に抗生物質耐性があるものを選ぶことが出来た。

タンパク質合成活性は、His tag-とLumio-tagをコードしているmRNAとリボソームを含まないS100画分を混ぜることにより、Lumio-tagの蛍光を発する物質が基盤に固定されることから確認できた。3.mRNAは,5'末に蛍光ラベルを導入して、50SのGFPと区別した。その結果、得られた回答はだれも予想していなかったものであった。両方の過程が並列に起こるというものであった。この結果は、当研究室で明らかにされた、転写開始でのBranched pathway mechanismと同質のものであり、合目的に単純に考えられたステップを段階的に並べたものではないことが、翻訳系でも明らかになった。つまり、化学的な反応ステップを直列に並べたものが、生理的な機構ではないことをしめしていた。転写の場合は、この発見は、abortive productsという生理的意義が未知であったものが、実は調節のための副産物であったという発見につながったので、翻訳終結の新展開につながる結果である。
グラフェン・フェライト垂直磁化膜を用いた可変波長レーザー発光素子の創出

(1)半透明な保磁力が10 kOe以上と非常に優れた垂直磁化コバルトフェライト薄膜の形成が成功した。(2)対向式スパッタ装置を用いて、薄膜面内磁気異方性の導入により、方向性の制御できる縞状磁区構造の形成方法を確立した。(3)これらのフェライト薄膜を用いて、テープ剥離法を用いて、フェライト薄膜上に、グラフェン膜の形成を成功した。(4)赤外顕微鏡付きマスクレス露光装置を用いて、電極を作製し、素子を形成した。50MHzから20GHzまでのスピン輸送現象を確認したところ、レーザー発光と考えられる縞状磁区構造の周期(150ナノメートル)と対応したスピン輸送共鳴現象を確認した。本研究の目的は加速された電子に対して、その軌道を曲げることによって制動放射によりレーザー励起である。このような目的を達成するために、媒体のグラフェン薄膜の自由電子の平均自由行程(室温ではマイクロオーダー)より遥かに短い範囲に電子軌道を曲げるための周期化垂直磁界の提供が重要である。今年度では、当初計画通り、スパッタ法を用いて、透明度高いフェライト垂直磁化膜を形成した。ここでは、薄膜の表面平坦さを保つと共に、高速成膜可能な対向ターゲット式スパッタ法を用いて、透明度の高いフェライト薄膜を石英グラス基板上に形成した。これまでのフェライト薄膜の場合は、磁気異方性磁界が大きくても10数kOeしかない。しかしながら、本研究のレーザー励起のため、磁界の周期化、つまり垂直磁化膜中の縞状磁区の周期が100ナノ以下にする必要がある。そこで、本研究では、異方性磁界が約50 kOeのコバルトフェライト垂直磁化膜の形成が成功した。このような垂直磁化膜は、約430 emu/ccの高い飽和磁化を示す。磁気力顕微鏡では、約50ナノ程度の縞状磁区構造を確認された。このような超高異方性磁界を持つ薄膜は、理論上に10ナノ程度の周期化磁界の提供ができ、グラフェン薄膜の自由電子の平均自由行程より遥かに短いため、効率なレーザー励起に期待できる。以上の超高磁気異方性を持つコバルトフェライト垂直磁化膜を用いて、周期化した磁束密度分布の形成を行った。平成26年度では、フェライト垂直磁化膜を細線状に微細加工によって、磁性細線の幅を制御し、シンプルの方法で周期化した磁区構造の形成、つまり磁束密度分布の形成を成功した。研究期間中に、スパッタ法を用いて、バリウムフェライト、コバルトフェライト等透明度の高いフェライト垂直磁化薄膜の堆積を行った。特に、特殊な2段階薄膜堆積法や金属性の極薄い(5ナノメートル以下)FeCo下地層を用いて、垂直保磁力が10 kOe以上と非常に優れた垂直磁化コバルトフェライト薄膜の形成が成功した。コバルトフェライト薄膜の結晶構造を分析した結果、本来立方晶であるコバルトフェライトの結晶構造が、薄膜形成時に、薄膜と垂直方向に結晶軸が縮む一方、薄膜面内方向に結晶軸が伸びる現象を確認した。薄膜の形成方法、組成、酸化状態の制御により、コバルトフェライト薄膜の結晶化温度を室温までに低減を成功した。初めてバリウムフェライト薄膜及びコバルトフェライト薄膜をガラス基板上に形成した。これらの薄膜堆積法では、フェライト薄膜の電子デバイスや素子への工業応用に非常に重要である。これらの垂直磁化薄膜の形成方法に関する研究が注目され、2015年6月にシンガポールで行われた材料国際会議で招待講演として研究成果を発表した。大面積ナノスケールの周期化磁界の発生できる縞状磁区構造の形成に関して、対向式スパッタ装置を用いて、薄膜面内磁気異方性の導入により、方向性の制御できる縞状磁区構造の形成方法を確立した。更に、これらのフェライト薄膜を用いて、テープ剥離法を用いて、フェライト薄膜上に、グラフェン膜の形成を成功した。赤外顕微鏡付きマスクレス露光装置を用いて、電極を作製し、素子を形成した。当初計画では、フェライト垂直磁化膜の磁区構造と磁気異方性磁界の関係は注意しなかった。しかしながら、具体的に研究を進めしたところ、磁区構造と磁気異方性磁界の大きさに注目した。そこで、理論検討及び実験を行ったところ、超高磁気異方性磁界を持つコバルトフェライト垂直磁化膜の開発を成功した。

これまでに単結晶基板上に、ヘテロエピタキシャル成長を用いたコバルトフェライト垂直磁化膜報告されたが、本研究では、石英グラスのような非晶質基板上に、垂直磁化コバルトフェライト薄膜の形成を成功し、学術的重要と共に、本研究の目的に応用的重要と言える。その他検討事項、微細加工を用いた電極の形成、グラフェン薄膜の形成、フェライト薄膜の微細加工に関して、当初計画通り順調に進展している。磁気と磁性材料工学平成27年度では、当初計画通り、テープ剥離法を用いて、グラフェン薄膜を26年度に作成したコバルトフェライト薄膜上に形成してから、研究室現有のマスクレース露光装置を用いて、微細加工による電極を作製する。これによって、素子を完成させる。さらに、平成26年度整備した顕微鏡を用いて、レーザー発生時の蛍光、波長を定量的に評価する。これによって、磁界印加周期長、素子電圧、発光波長の関係を明らかにする。