hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
イメージ衛星リモートセンシング撮像データに基づく太陽風・磁気圏相互作用の研究

磁気圏のカスプ領域に流入する磁気シースのイオンがジオコロナと電荷交換を起こし中性水素粒子を生成する時,イメージ衛星の低エネルギー中性粒子撮像観測器(LENA)により,そのカスプ領域のリモートセンシングが可能になる.研究代表者によって本研究期間の前年になされたこの提案に基づき,本研究ではまず,観測に期待されるプロファイルを準定量的なモデルを用いて求め,実際のLENAデータと比較した.その結果,高緯度シース方向を向いているLENAのスピンアングル数10度に広がるエミッションがカスプを観測していることがわかった.次に,この結果を,電離圏カスプを観測する地上のスーパーダーンレーダーとイメージ衛星との同時観測イベントの解析によって裏付けた.また,「その場」観測の衛星であるポーラー衛星とイメージ衛星との貴重な同時観測イベントを見出して,詳細な解析を行った.その解析から,LENAによって観測されるエミッションには,カスプの窪みからと考えられる安定したエミッションに加え,その低緯度側に点滅するように現れるエミッションも含まれていることがわかった.後者のエミッションは,カスプから磁気圏の中に入って電離圏へと向かうイオンが電荷交換して作られた中性粒子によるものであると解釈した.さらに,太陽風の磁場が北向きになると,通常よりも高緯度側からエミッションが到来することも見出した.地上のレーダーとの同時観測により,このエミッシヨンはカスプの極側境界で生じているリコネクションによるイオンの流入が原因であり,従ってLENAはリコネクション領域をリモートセンシングできることが明らかになった.カスプのリコネクション領域の場所が数分のスケールで揺らいでいること,また8地球半径の球面で見積もるとその動きが10分間にX軸方向で1地球半径程度になることもわかった.磁気圏のカスプ領域に流入する磁気シースのイオンがジオコロナと電荷交換を起こし中性水素粒子を生成する時,イメージ衛星の低エネルギー中性粒子撮像観測器(LENA)により,そのカスプ領域のリモートセンシングが可能になる.研究代表者によって本研究期間の前年になされたこの提案に基づき,本研究ではまず,観測に期待されるプロファイルを準定量的なモデルを用いて求め,実際のLENAデータと比較した.その結果,高緯度シース方向を向いているLENAのスピンアングル数10度に広がるエミッションがカスプを観測していることがわかった.次に,この結果を,電離圏カスプを観測する地上のスーパーダーンレーダーとイメージ衛星との同時観測イベントの解析によって裏付けた.また,「その場」観測の衛星であるポーラー衛星とイメージ衛星との貴重な同時観測イベントを見出して,詳細な解析を行った.その解析から,LENAによって観測されるエミッションには,カスプの窪みからと考えられる安定したエミッションに加え,その低緯度側に点滅するように現れるエミッションも含まれていることがわかった.後者のエミッションは,カスプから磁気圏の中に入って電離圏へと向かうイオンが電荷交換して作られた中性粒子によるものであると解釈した.さらに,太陽風の磁場が北向きになると,通常よりも高緯度側からエミッションが到来することも見出した.地上のレーダーとの同時観測により,このエミッシヨンはカスプの極側境界で生じているリコネクションによるイオンの流入が原因であり,従ってLENAはリコネクション領域をリモートセンシングできることが明らかになった.カスプのリコネクション領域の場所が数分のスケールで揺らいでいること,また8地球半径の球面で見積もるとその動きが10分間にX軸方向で1地球半径程度になることもわかった.太陽風からの直接のエネルギーの流入が生じているカスプ領域は,磁気圏・電離圏における重要な領域の一つである.このカスプ領域にて磁気シースプラズマがジオコロナと電荷交換を起こし中性水素粒子を生成する時,IMAGE衛星の低エネルギー中性粒子観測器(LENA)により,そのカスプ領域のリモートセンシングが可能になる.本年度はLENAの大量データの処理が可能な効率の良いコンピュータ解析システムを立ち上げ,それによりIMAGE衛星と他の観測との貴重な同時観測イベントの同定と解析,さらにIMAGE/LENAの多数のカスプイベントを用いた統計解析を進めた.前者の同時観測の一つは,IMAGE衛星とPOLAR衛星によるものであり,もう一つは電離圏のカスプ領域をリモートセンシングする地上のHFレーダーとの同時観測である.前者では,LENAで得られるエミッションの方向の動きが太陽風磁場Z成分と良い相関を示すと同時に,POLAR衛星のカスプでのプラズマ観測とも明確な対応があることを明らかにした.後者のレーダーとの同時観測においては,IMAGE衛星から推論される磁気圏カスプの動きが電離圏高度におけるカスプ領域の動きと相関を持つことがわかった.これらの結果は,磁気圏から電離圏に広がる3次元的な領域としてカスプのダイナミックスを今後論じることができることを意味している.統計解析による研究では,LENAのエミッションの強度について,太陽風の種々の変数との関係を調べた.その結果,太陽風の密度と速度がその強度の主たる要因であり,磁場のZ成分が2次的な要因になることがわかった.また,この後者の要因は磁気圏カスプの形状の変形を示唆していることもわかった.さらに,この解析から,観測器のエネルギーレスポンスにかかわる検討すべき課題も明らかになった.以上の結果を2本の論文としてまとめた.磁気圏・電離圏における重要な領域であるカスプ領域は,イメージ衛星の低エネルギー中性粒子撮像観測器(LENA)によってリモートセンシングが可能である.本年度は,カスプ領域のプラズマダイナミクスの特性を明らかにするため,LENAのデータの統計解析を進めるとともに,他の種々観測手段との同時観測イベントの詳細な解析を行った.

その結果として,まず統計解析から,カスプのリモートセンシングが可能となる太陽風条件は13ナノパスカル以上であるという結果を得た.このような動圧が比較的高い状況では電離圏カスプに光るプロトンオーロラの同定が容易である.このオーロラ現象との同時観測イベントにおいて,LENAのエミッション分布の動きがオーロラの動きと高い相関をもつことを見出した.また,この相関が一時的に低くなるのは,太陽風の衝撃波が磁気圏に衝突した直後,すなわち地磁気に見られるSCの直後であり,その状況の理解にはカスプの低緯度側のマグネトポーズに起因する別の要因を考える必要があることもわかった.これにより来年度に向けた研究の発展のための重要な視点を得た.さらに,地上のスーパーダーンレーダーによる同時観測からは,カスプの極側のマグネットポーズで生じているリコネクションによるプラズマフローもLENAによってモニター可能であることを明らかにした.さらに,この妥当性について,3次元MHDシミュレーションコードを開発している研究者から受けたシミュレーションデータをもとに中性粒子のフラックスを計算することにより定量的に確認した.これらの結果に加えて,マグネトポーズの様々な場所で発生し移動していくフラックス・トランスファー・イベントがLENAで観測できる可能性があることなども明らかになった.本年度は,IMAGE衛星の低エネルギー中性粒子撮像観測装置(LENA)のデータに見られるカスプ方向からのエミッションの2例のイベント解析と統計解析を進めた.イベント解析の1つは,IMAGE衛星とPolar衛星との貴重な同時観測である.これにより,マグネトシースのフローが流れ込んでいるカスプの窪み領域だけでなく,窪みの低緯度側境界で磁気圏内に侵入しているイオンのフローをもLENAはモニターできることを明らかにした.イオンのフローは,マグネトポーズで間欠的に生じているリコネクションによるものと考えられる.もう1つの同時観測は,地上のスーパーダーンレーダーとによるものである.太陽風磁場が北向き時にカスプの極側境界方向からのエミッションが発生していることを見出し,そのエミッションの発生が,レーダーで観測される電離圏の逆転型プラズマ対流の増大と一致していることを示した.このことから,カスプの極側境界で生じているリコネクションによるプラズマの流入をLENAはリモートセンシングしていることが明らかになった.そして,カスプのリコネクション領域の場所が数分のスケールで揺らいでいること,また8地球半径の球面で見積もるとその動きが10分間にX軸方向で1地球半径程度になることを示した.統計解析からは,カスプのリモートセンシングが可能となる太陽風条件とマグネトポーズでのリコネクションの位置についての新たな知見を得た.すなわち,太陽風磁場の東西成分が相対的に大きい状況においては,これまで太陽風磁場の南向きまたは北向き時に対して理解されてきたものよりも広い条件でカスプからのエミッションが観測できることがわかった.
下小脳脚障害の探知に関する実験的検討

近年、脳幹部周辺の後頭蓋窩病変に対しても積極的に手術が行われるようになり、脳神経や脳幹の形態さらに機能面での温存が重要な課題になってきている。我々はこれまで、各種脳神経のモニタリング方法を開発し報告してきたが、現在も小脳や小脳脚の障害を評価し得る有効なモニタリング方法は開発されていない。今回の研究の目的は、小脳の誘発電位記録によりヒト後頭蓋窩手術における小脳脚の機能をモニタリングする方法を開発することであった。実験にはラットを使用した。一側の大腿四頭筋を電気刺激し、刺激同側の小脳上で誘発電位(脊髄小脳誘発電位:以下SCEP)の記録を試みた。得られた波形を体性感覚誘発電位(SEP)と区別するため、ラット大脳一次感覚領野の下肢領域でSEPを同時に記録し、小脳上の記録電極で得られるSCEPと比較を行った。その後、破壊実験を行い、刺激同側の下小脳脚破壊、同側の後索破壊によるSCEPやSEPの電位変化についても検討した。刺激同側の小脳半球から頂点潜時が11.7±0.3msec(mean±SE)のSCEPが再現性よく記録できた。刺激同側の後索破壊後にSEPは消失したが、SCEPに変化を認めなかった。刺激同側の下小脳脚を破壊すると、SCEPは消失もしくは著減したがSSEPには変化を認めなかった。SCEPはSEPとは異なり下小脳脚を通過し小脳に投射する電位であると思われ、後頭蓋窩手術時に本電位を測定することで術中モニタリングとして応用できる可能性が示唆された。ウィスターラット52匹を用いた。一側の大腿四頭筋を頻度2Hz、持続時間0.2msecの矩形波を用いて電気刺激し、刺激同側の小脳半球表面に設置した電極から誘発電位(spinocerebellar evoked potential:以下SCEPと呼称する)の記録を試みた。また、刺激対側の一次感覚領野から短潜時体性感覚誘発電位(short latency somatosensory evoked potential:以下SSEP)を同時に記録し、同側の後索、同側の下小脳脚破壊によるSCEPおよびSSEPの変化についても検討した。刺激同側の小脳半球から頂点潜時が11.7±0.3msec(mean±SE)の陰性波(これをN_<11>と呼称することとする)が再現性よく記録できた。N_<11>が安定して得られる至適刺激強度は3mAであった。刺激対側の頭頂葉から頂点潜時が19.1±0.6msec(mean±SE)のSSEPが再現性よく記録された。刺激同側の後索破壊後にSSEPは消失したが、N_<11>に変化を認めなかった。刺激同側の下小脳脚を破壊すると、N_<11>は消失もしくは著減したがSSEPには変化を認めなかった。大腿四頭筋の電気刺激により、同側の小脳半球上に誘発された電位(SCEP)を記録することが可能であった。後脊髄小脳路は同側の下小脳脚を通り同側小脳半球上に投射し、SSEPは後索を通過して大脳皮質一次感覚領野に至る。刺激同側の後索の破壊によりSSEPは消失したが、SCEPには変化を認めなかったことから、SCEPは後索を上行するSSEPとは異なる電位であることが示された。刺激同側の下小脳脚の破壊によりSCEPが消失もしくは著減したことから、SCEPは刺激同側の下小脳脚を経由して小脳に達したものと考えられた。

我々はこれまで、各種脳神経のモニタリング方法を開発し報告してきたが、現在も小脳や小脳脚の障害を評価し得る有効なモニタリング方法は開発されていない。今回の研究の目的は、小脳の誘発電位記録によりヒト後頭蓋窩手術における小脳脚の機能をモニタリングする方法を開発することであった。実験にはラットを使用した。一側の大腿四頭筋を電気刺激し、刺激同側の小脳上で誘発電位(脊髄小脳誘発電位:以下SCEP)の記録を試みた。得られた波形を体性感覚誘発電位(SEP)と区別するため、ラット大脳一次感覚領野の下肢領域でSEPを同時に記録し、小脳上の記録電極で得られるSCEPと比較を行った。その後、破壊実験を行い、刺激同側の下小脳脚破壊、同側の後索破壊によるSCEPやSEPの電位変化についても検討した。刺激同側の小脳半球から頂点潜時が11.7土0.3msec(mean±SE)のSCEPが再現性よく記録できた。刺激同側の後索破壊後にSEPは消失したが、SCEPに変化を認めなかった。刺激同側の下小脳脚を破壊すると、SCEPは消失もしくは著減したがSSEPには変化を認めなかった。SCEPはSEPとは異なり下小脳脚を通過し小脳に投射する電位であると思われ、後頭蓋窩手術時に本電位を測定することで術中モニタリングとして応用できる可能性が示唆された。
サイトカインレセプターによる情報伝達の分子メカニズムの解明とバイオプローブの創製

サイトカインは、主に免疫細胞等から分泌される可溶性タンパク質であり、標的細胞上に発現した特異的な受容体との結合を介して細胞内の複雑なシグナル伝達経路を活性化する。炎症性サイトカインは、炎症、免疫、細胞生存、細胞死などの多くの生体反応を制御し、自己免疫疾患や発がん等に関与していることが明らかになってきている。本研究では、炎症性サイトカインによって誘導されるシグナル伝達経路やその遺伝子発現を抑制する低分子生理活性物質(バイオプローブ)を同定し、その作用メカニズムを解明した。夾竹桃より単離したオドロシドA(odoroside A)は、ヒト肺がん由来A549細胞において、炎症性サイトカイン(TNF-α、IL-1)による細胞接着因子ICAM-1(intercellular adhesion molecule-1)の細胞表面の発現誘導を阻害した。オドロシドAは、TNF-αによるIκBαの分解誘導、転写因子NF-kBの核への移行、ICAM-1遺伝子のmRNAには影響しなかったが、TNF-αによるNF-κB応答性遺伝子(ICAM-1、Cox-2、c-FLP)のタンパク質合成を抑制した。しかしながら、オドロシドAは、タンパク質合成を阻害する濃度で、ウサギ網状赤血球ライゼートを用いた無細胞タンパク質合成にまったく影響しなかった。そこで、A549細胞をオドロシドAで前処理した後、数種類の[3H]アミノ酸で短時間標識し、細胞膜上のアミノ酸輸送に対するオドロシドAの影響を検討した。その結果、オドロシドAは、Na^+非依存性のアミノ酸輸送には影響せず、Na^+依存性のアミノ酸輸送を選択的に阻害した。さらに、オドロシドAがNa^+/K^+-ATPaseの酵素活性を抑制することを見出した。以上の結果から、オドロシドAはNa^+/K^+-ATPase標的分子として、Na^+依存性のアミノ酸輸送を選択的に阻害し、NF-κB応答性遺伝子の発現誘導を翻訳レベルで阻害することが明らかになった。ペペロミア属植物Peperomia dindygulensisより単離したペペロミンE(peperomin E)が、炎症性サイトカイン(TNF-α、IL-1)によるICAM-1の細胞表面の発現誘導、ならびにICAM-1タンパク質の発現を抑制することを見出した。ペペロミア属植物より単離したペペロミンA(peperomin A)、ペペロミンB、ペペロミンE、並びにペペロミンBより合成したジデヒドロペペロミンBの4種類のペペロミン誘導体を用いて、ヒト肺がん腫A549細胞における炎症性サイトカイン(TNF-α、IL-1)による細胞接着因子ICAM-1(intercellular adhesion molecule-1)の細胞表面の発現誘導に対する影響を検討した。α-メチレン-γ-ラクトン構造を有するペペロミンEおよびジデヒドロペペロミンBはTNF-αおよびIL-1によるICAM-1の発現を抑制したが、α-メチル-γ-ラクトン構造を有するペペロミンAおよびペペロミンBには抑制効果が観察されなかった。したがって、α-メチレン-γ-ラクトン構造がペペロミン誘導体の阻害活性に必須であることが示唆された。さらに、ペペロミンEは、TNF-αによって誘導されるIκBαのリン酸化とそれに続く分解、ならびにIκBキナーゼの活性化を阻害した。一方、ペペロミンEは、IκBキナーゼβの酵素活性を直接的に阻害しなかった。以上の結果から、ペペロミンEはIκBキナーゼの活性化の上流を阻害していることが示唆された。グラミシジンA(gramicidin A)は、直鎖状ペンタデカペプチドであり、一価カチオンを選択的に輸送するチャネル形成型イオノフォアである。グラミシジンAが、ブタ大脳皮質、もしくはブタ腎より精製されたNa^+/K^+-ATPaseのATPase活性を直接的に阻害すること、並びにその阻害様式が混合阻害であることを見出した。N末端のホルミル化およびC末端のエタノールアミンを欠いたグラミシジンAアナログでは、Na^+/K^+-ATPaseに対する阻害活性が弱かったことから、これらの末端修飾がNa^+/K^+-ATPaseの阻害活性に重要であることが示唆された。また、グラミシジンAは、A549細胞において、細胞生存率には影響しない濃度で、TNF-αやIL-1によるICAM-1の発現を抑制した。炎症性サイトカインは、転写因子NF-κB(nuclear factor-κB)の活性化を介して、細胞接着因子ICAM-1(intercellular adhesion molecule-1)の発現を誘導する。ウルソール酸(ursolic acid)は植物の代謝産物の一つであり、多くの化粧品の成分として利用されている。我々は、Cell ELISA法を用いたスクリーニングによって、ウルソール酸が炎症性サイトカイン(TNF-α、IL 1)による細胞表面のICAM-1の発現誘導を抑制することを見出した。ウルソール酸はTNF-

αによって誘導されるIκBαのリン酸化や分解、及びICAM-1 mRNAの発現を抑制しなかったが、ICAM-1タンパク質の発現を強く阻害した。さらに、ウルソール酸は、[^3H]アミノ酸の酸不溶性画分への取り込みを阻害することが観察された。一方、ウルソール酸は網状赤血球ライゼートを用いた無細胞タンパク質合成を部分的にしか阻害しなかったことから、ウルソール酸は生細胞においてタンパク質合成を阻害していることが示唆された。我々は、強心配糖体であるウアバイン(ouabain)やオドロシドA(odoroside A)が、Na^+/K^+-ATPaseに作用することによって、Na^+依存性のアミノ酸輸送を阻害し、ICAM-1をはじめとするNF-κB誘導性遺伝子の発現誘導を翻訳レベルで抑制することを明らかにした。ウルソール酸は、これらの強心配糖体に比べて有効濃度が高いが、ブタ腎より精製されたNa^+/K^+-ATPaseの酵素活性を直接的に阻害することが観察された。以上の結果から、ウルソール酸は、少なくてもその生理活性の一つとして、強心配糖体と類似した作用メカニズムによって、炎症性サイトカインによって誘導されるNF-κB応答性の遺伝子発現を翻訳レベルで阻害している可能性が示唆された。
粉じん爆発現象の科学的解明

粉じん爆発事故の潜在危険性は、近年の技術の高度化、多様化にともない、増加している。新技術等に対応するためには、現状の実地試験に基づく粉じん爆発防御技術から、応用性のある科学的で系統的な手法への転換が望まれる。そこで、本研究では実験およびモデル化を主体として、現象の科学的解明(火炎構造、燃焼機構の解明)をおこない、粉じん爆発現象の科学的現象解明と粉じん爆発に対する安全管理手法の高度化に資する以下の成果を得た。(1)粉じん爆発時の火炎伝ぱ現象を詳細に解析するのに適した実験手法を確立した。沸点の比較的低い可燃性固体試料について、加熱液化し液体状でノズルから噴霧し空気中で急速冷却することにより浮遊可燃性浮遊粉じん雲を形成するシステムを構築した。粉じんサイズや濃度を広範囲に自由に調整でき、粉じんサイズ・濃度条件の詳細な影響評価が可能となった。(2)実験で撮影した粉じん爆発時の火炎伝ぱの高速度画像の解析により、火炎先端の伝ぱは、空間中に局在する浮遊可燃性粉じん中を不連続的に燃え移る現象では無く、火炎先端が連続的に拡がってゆくことにより伝ぱが達成されることを明らかにした。(3)燃焼帯からの化学発光(火炎帯に存在するOH、CHラジカルからの発光)の観察により、火炎の先端である燃焼反応の開始位置について解析し、燃焼反応の開始位置は、可視域の観察で発光部として認識される火炎先端よりも、数mm前方にあることを明らかにした。(4)粒径分布を変化させた実験において、燃焼限界が小さな粒子の数密度に強く依存するという結果より、火炎の先端の燃焼帯が小さな粉じん粒子の燃焼によって支えられていることを明らかにした。(5)(2)(4)の知見を熱移動、気化、物質輸送などの点から総合的に解析し、粉じん爆発時の火炎伝ぱ機構について、理論的モデル化をおこなった。上記成果は、粉じん爆発の防御という安全工学的意義のみならず、不均質な系における火炎伝ぱ現象という、燃焼学の学術的意義も有する。本研究では、粉じん爆発現象の科学的現象解明をおこない、粉じん爆発に対する安全管理手法の高度化に資する情報を得ることを目的として、実験およびモデル化を主体とした研究を3年計画でおこなっている。初年度の平成14年度は、実験装置制作・測定準備、および可燃性粉じんとしてステアリン酸を用いて実験・結果解析をおこなった。実験装置制作、測定準備:実験装置(浮遊粉じん発生・爆発観察装置)を設計し製作した。沸点の比較的低い可燃性固体試料について、加熱液化し液体状でノズルから噴霧し空気中で急速冷却することにより浮遊可燃性浮遊粉じん雲を形成するシステムを製作した。噴霧条件を変化させることにより粉じんサイズや濃度を調整できる。ネオントランスを用いた放電により粉じん雲に着火をおこない、高速度ビデオを用いて粉じん爆発現象を記録することができる。実験実施:比較的沸点の低い(70°C)ステアリン酸を可燃性固体試料として用い、その粉じん雲中での粉じん爆発現象を解析した。粉じんのサイズ(粒径分布)および濃度は、サンプリングした粉じんを当該研究費で購入した拡大観察装置を用いて拡大観察することで計測した。実験結果解析:撮影した粉じん爆発の高速度画像より、粉じん爆発挙動について解析した。

特に、粉じん雲中での火炎の伝ぱ機構について考察し、火炎先端の伝ぱは、空間中に局在する浮遊可燃性粉じん中を不連続的に燃え移る現象では無く、火炎先端が連続的に拡がってゆくことにより伝ぱが達成されるという興味深い結果を得ることができた。次年度以降、さらに種々の条件における実験、解析、モデル化をおこなってゆく。本研究では、粉じん爆発現象の科学的現象解明をおこない、粉じん爆発に対する安全管理手法の高度化に資する情報を得ることを目的として、実験およびモデル化を主体とした研究を3年計画でおこなっている。2年目の平成15年度は、平成14年度に制作した実験システムを用いて、浮遊粉じん中を伝ぱする火炎の構造および火炎伝ぱ機構について詳細な解析をおこなった。先年度に引き続き、可燃性粉じんとしてステアリン酸を用いて実験・結果解析をおこなった。今年度は可視域でのムービー画像の撮影のみでなく、温度測定を同時におこなった。測定した温度分布より、燃焼反応の開始点を決めることができ、火炎構造が明確になる。さらに温度測定から求めた火炎構造と可視域のムービー画像との対応をとることもできる。結果として、火炎の先端である燃焼反応の開始位置は、可視域の観察で発光部として認識される火炎先端よりも、数mm前方にあることがわかった。可視域で発光が認められる部分よりさらに前方で燃焼反応が開始されていることを示唆している。これは、火炎構造を知る上で重要な知見であるとともに、このような火炎の構造を解析するためには、今回用いた程度の感度の可視域の観察のみでは不十分であることを示している。火炎が連続的に伝ぱしているという先年度の結果と考え合わせると、今回の可視域の観察系で認識される火炎の前方に本当の火炎先端があり、それが連続的に伝ぱしているものと考えられる。この火炎先端は、小さな燃料粒子が高速にガス化して空気と混合してできた可燃性予混合気中を、予混合火炎が伝ぱしていると推定できる。以上、今年度は火炎構造や火炎伝ぱ機構を解明する上で有用な結果を得ることができた。次年度は、詳細な観察および粉じんの条件を変化させた実験などを実施し、火炎構造および火炎伝ぱ機構の解明をおこない、粉じん爆発時の火炎伝ぱのモデル化を進める予定である。本研究では、粉じん爆発現象の科学的現象解明をおこない、粉じん爆発に対する安全管理手法の高度化に資する情報を得ることを目的として、実験およびモデル化を主体とした研究を3年計画でおこなってきた。最終年の平成16年度は、平成14,15年度に製作調整した実験装置・測定システムをf削、て、浮遊粉じん中を伝ぱする火炎の構造および火炎伝ぱ機構について詳細な解析をおこなうとともに、実験解析結果をもとに粉じん爆発現象のモデル化をおこなった。平成16年度は、平成14,15年度の実験を拡張して系統的にデータを取るため、粉じんの粒径分布や濃度をさらに変化させた実験をおこない、火炎構造や伝ぱ挙動との関係をより詳しく調べた。また測定では、可視域でのビデオによる観察、および紫外波長での火炎の観察(燃焼反応帯からの化学発光の検出)を同時におこない、火炎構造および火炎伝ぱ機構を詳細に解明した。結果として、火炎の先端である燃焼化学反応の開始位置は、可視域の観察で発光部として認識される火炎先端よりも、数mm前方にあることを、可視域と紫外域の同時観察により確認した。この紫外域で観察される燃焼化学反応の開始位置は、火炎の実質的な先端であり、この部分の燃焼化学反応は小さな粉じん粒子の燃焼によって支えられていると考えられる。
リボヌクレアーゼを基本骨格とする細胞増殖抑制活性蛋白質の蛋白質工学による創出

リボヌクレアーゼ(RNase)はその構造がよく研究されているにもかかわらず生理的意義についてはまだ十分に理解されているとは言えない。RNaseスーパーファミリーとして見つかった蛋白質は数も多く、最近ではウシ精液中のBS-RNaseやカエル胚由来のP-30のように抗癌作用や免疫抑制活性をもつものも報告されている。ところが、ヒトの蛋白質でこれらの蛋白質に相当するものはまだ見つかっておらず、その医療への応用段階で抗原性が必ず問題となる。そこで、本研究ではヒトRNaseAのアミノ酸配列から予想されるオリゴヌクレチド配列をプライマーとしてPCRを用いてcDNA断片をヒト膵臓由来cDNAライブラリーより増幅し、これをプローブとしてRNaseAをコードするヒトcDNAを単離した。ヒトRNaseA cDNAの単離は世界的に初めての試みであり、本研究で解析した核酸塩基配列はDNAデータベース(DDBJ、EMBL、NCBI)に登録した。この塩基配列の解析によりヒトRNaseAは分泌シグナル28アミノ酸残基と成熟蛋白128アミノ酸残基で構成されていることがわかった。さらに、このcDNAをT7プロモーターの支配下において大腸菌で発現させると組み換え型ヒトRNaseAはインクルージョンボディを形成することがわかったため、現在は可溶化および巻戻しの条件を検討している。この条件検討により活性を有する組み換え型ヒトRNaseAを大量に調製する系が確立できる。さらにこの蛋白質を用いて培養細胞に対する増殖阻害効果を調べるとともに、既に入手したヒトアンギオゲニンcDNAとの融合によるハイブリッド蛋白質やミュータント蛋白質の構築などの蛋白質工学的手法によって改良を施しBS-RNaseやP-30に比べて抗原性の低い抗癌剤やRNAウイルスの感染予防薬として応用できる可能性を探るリボヌクレアーゼ(RNase)はその構造がよく研究されているにもかかわらず生理的意義についてはまだ十分に理解されているとは言えない。さらにこの蛋白質を用いて培養細胞に対する増殖阻害効果を調べるとともに、既に入手したヒトアンギオゲニンcDNAとの融合によるハイブリッド蛋白質やミュータント蛋白質の構築などの蛋白質工学的手法によって改良を施しBS-RNaseやP-30に比べて抗原性の低い抗癌剤やRNAウイルスの感染予防薬として応用できる可能性を探る
位置や時刻を表す語句の時空間関連に基づくテキスト検索システムの開発

本年度は、以下の項目について研究を行った。(1)プロトタイプシステムの構築と評価前年度までに行ってきたプロトタイプシステムの構築を引き続き行った。本年度は特に、多次元インデックスの構築と改良を中心に行った。本研究においては、位置や時刻は数値化された座標として表現されている。よって、データベースに蓄積されたテキストは、それぞれが含む位置や時刻を表す語句を数値化して表現された多次元空間の座標値によって参照される。そのため、テキスト集合に対して時間的、あるいは位置的な検索を行う際には、数値化された多次元空間の座標値に関する多次元インデックスの効率化が重要である。このような観点から、多次元インデックスの構築法について研究を行った。ツリー型のインデックスを想定して、ツリーのノードの持つデータの種類と個数に関して検討を行い、1ノードあたりのデータ量を圧縮することによって、検索に要するデータアクセスの回数と時間に関する効率化を図ることができた。また、この考えをさらに発展させて、より次元の高い多次元インデックスを用いる画像の検索にも応用を試みた。(2)位置や時刻に関する知識の発見テキストに含まれる位置や時刻を数値化するためには、これらの情報を数値に変換するための規則が必要である。しかし、初見の位置や時刻については、そのような規則による変換を行うことができない。そのため、文脈情報を利用してそのような規則を推定しなくてはならない。そこで、テキスト中に出現する初見の位置や時刻とその他の位置や時刻の共起関係を基にして初見の位置や時刻を推定する方法について検討を試みた。しかし、これについてはあまりよい結果が得られなかったので、今後引き続き検討を行いたいと考えている。本年度は以下の項目について研究を行った。それぞれについて得られた成果を述べる。1.時空間語辞書の構築利用者が検索語として入力する時刻や位置およびテキストデータベースに格納された文書の中に現れる時刻や位置の意味を緯度、経度および西暦で記述するための辞書を構築した。この辞書には地名として住居表示や公共施設名、駅を、時刻名として祝日や記念日を登録し、それらの位置や時刻を緯度と経度の組または西暦表示によって表示した。2.辞書の検索プログラムの実装地名と時刻名からそれらの緯度、経度と西暦表示を調べるためのプログラムを実装した。地名を検索するときに表記の省略が多く見られることから、検索語を表す文字列との完全一致だけでなく部分一致も許すようにパターンマッチングを行うプログラムを実装した。これにより検索語とマッチする可能性のある地名を列挙できるようになった。3.地名と時刻の自動抽出プログラムの実装日本語テキストの形態素解析ソフトウェアを用いて文書中の名詞を抽出し、それを時空間語辞書から探すことにより辞書に登録された地名あるいは時刻名を抽出するプログラムを実装した。抽出された地名と時刻名は文書のメタデータとして記憶するようにした。4.複数の時空間語の突合せによる絞込み省略された地名の場合、地名の表す緯度と経度の組として複数の候補が考えられる、そのような候補から可能性を絞るために、文書に現れた地名のレイアウト上の位置関係を利用して可能な位置の組を絞るプログラムを実装した。同一の文、同一の段落というレイアウト上の関係を用いて文章中において近い地名は実空間においても近いという仮説の元に実装している。このプログラムについては今後とも改良が必要であり、次年度以降も継続して取り組みたい。本年度は、文書検索システムの開発を中心に、以下の項目について研究を行った。1.テキストの自動収集と形態素解析に基づく位置情報と時刻情報の自動切り出しインターネット上のウェブサイトからHTML文書を自動的に収集するプログラムを作成した。収集した文書に含まれるテキストを形態素解析し、地名候補と時刻候補を切り出すプログラムを作成した。2.位置と時刻を表す語句とその数値化上記1で作成した地名・時刻候補抽出プログラムによって抽出された地名候補と時刻候補を地名辞書、時刻辞書とつき合わせて、それぞれを緯度、経度、日時に変換するプログラムを作成した。緯度、経度、日時をHTML文書に関するメタデータとして記憶できるようにした。3.数値化された位置と時刻に関するインデクシング数値化された位置と時刻を座標と考えて、時空間ハッシュ表を用いてインデクシングを行った。これにより、ハッシュ表のセル番号の計算と、セルに記憶された文書の検索の2回の操作により、時空間的な意味での点位置質問に答えることができる。4.数値化された位置と時刻に関する近傍検索問い合わせとして与えられた位置や時刻に関する近傍検索を行うプログラムを実装した。近傍検索を行うためには、問い合わせとして与えられた時刻や位置の含まれるセルを探し、その近傍のセルを順次探索すればよい。そのため、近傍のセルごとに並列処理を行うことができれば検索効率が向上する。そのような並列検索プログラムを作成した。5.検索結果のランキングと時空間的な関係を反映した表示地理的な近さと時間的な近さを基にして、文書のランキングを行った。また、地図やカレンダーを用いた整理と表示も行った。

そのため、テキスト集合に対して時間的、あるいは位置的な検索を行う際には、数値化された多次元空間の座標値に関する多次元インデックスの効率化が重要である。このような観点から、多次元インデックスの構築法について研究を行った。ツリー型のインデックスを想定して、ツリーのノードの持つデータの種類と個数に関して検討を行い、1ノードあたりのデータ量を圧縮することによって、検索に要するデータアクセスの回数と時間に関する効率化を図ることができた。また、この考えをさらに発展させて、より次元の高い多次元インデックスを用いる画像の検索にも応用を試みた。(2)位置や時刻に関する知識の発見テキストに含まれる位置や時刻を数値化するためには、これらの情報を数値に変換するための規則が必要である。しかし、初見の位置や時刻については、そのような規則による変換を行うことができない。そのため、文脈情報を利用してそのような規則を推定しなくてはならない。そこで、テキスト中に出現する初見の位置や時刻とその他の位置や時刻の共起関係を基にして初見の位置や時刻を推定する方法について検討を試みた。しかし、これについてはあまりよい結果が得られなかったので、今後引き続き検討を行いたいと考えている。
次世代シーケンサーを用いた倍数性シダ類複合体の進化史解明

本年度の研究では、194のシングルコピー遺伝子を次世代シーケンサーMiSeqを用いて46サンプルの塩基配列を決定した。シーケンスキャプチャーの効率(全リードの中に目的の遺伝子がどれくらい含まれているか)は、標本からのサンプルでは4-8%、標本ではない最近のサンプルでは10ー14%となって、過去に報告されたシダ植物を扱った研究(Wolf et al. 2018 Applications in Plant Sciences 6)のおける効率(1-2%)を大幅に上回った。本手法の導入によって、今まで系統解析に含められていなかった重要な種の標本からDNA解析が可能になり、それらの系統樹での位置が初めて明らかになった。たとえば、2種のみから成るとされていたデスモフレビウム科のDesmophlebium longisorum (Baker) Mynssen, A. Vasco, Sylvestre, R.C. Moran & Rouhanは、本研究の結果ではDiplazium(ノコギリシダ属)に所属することが明らかになったことや、東南アジアに分布するDiplazium flavoviride Alstonがアメリカ大陸の東部に分布するHomalosorus pycnocarpus Smallに極めて近縁であるという新知見が得られた。また、ヒメシダ科ハシゴシダ近縁種群の研究においては、標本からのDNA解析に成功したことによって、日本産個体とは別系統に属する中国・韓国産種から成るクレードが発見された。さらに、フィリピンに分布するParathelypteris grammitoides (Christ) Chingがハシゴシダ近縁種群に含まれ、その分布の南限になっていることが明らかになった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、高次倍数性を含むシダ植物の近縁種群の進化的な歴史を明らかにすることである。シダ植物には高次倍数体が非常に多いにもかかわらず、高次倍数化がシダ植物の進化的多様性にどう影響しているのかが明らかになっておらず、大きな課題が残っている状態である。本研究の材料は日本と中国に分布している2倍体から6倍体まであるハシゴシダ近縁種群である。本種群は日本には雑種が多いことに対して2倍体が少なく、雑種の親となる2倍体の種が中国に生育している可能性がある。従来のDNA解析法では、ハシゴシダ近縁種群の系統的関係を十分に解明することが困難であるため、新たなDNA解析技術(次世代シーケンサー)を用いることによって解決できると考えている。新たなDNA解析技術として、本研究では2種類の方法を用いる予定です。一つは数百から千個以上の遺伝子を解読できるシーケンスキャプチャーという方法である。この方法は古い断片化したDNAにも応用できるので、植物標本庫にある標本をDNA解析の材料として用いることができる。もう一つは10個程度の遺伝子を網羅的に長く読むパックバイオ社の次世代シーケンサーを用いた方法である。この方法は質度の高いDNAが条件であるため、植物標本をDNA材料としては使えないが、DNAを一分子ずつ長く解読できるので、微妙に違うDNAコピーを持つ高次倍数体の解析には有力である。昨年度は、実際に次世代シーケンサーを用いる前段階の情報処理と準備段階の実験を行った。ハシゴシダに近縁なシダ植物18種類のトランスクリプトーム(1KPプロジェクトonekp.comのデータを使用)を用いて、シーケンスキャプチャーのために必要な約千個の遺伝子の設計をほぼ完成させることができた。パックバイオの次世代シーケンサーに使う遺伝子の設計については、当初の目標の10個の内、5個を決定することができた。シーケンスキャプチャーに使う遺伝子の設計はほぼ終了したので、2017年5月中にアメリカのMycroArray社に注文し、注文してから4ー6週間以内に届く見込みである。パックバイオ次世代シーケンサーに使うPCRプライマーは目標の10個のうち、5個の設計が終了しており、残りの5個は8月までに設計する予定である。

従来のDNA解析法では、ハシゴシダ近縁種群の系統的関係を十分に改名することが困難であるため、新たなDNA解析技術(次世代シーケンサー)を用いることによって解決できると考えている。新たなDNA解析技術として、本研究では2種類の方法を用いる予定です。一つは数百から千個以上の遺伝子を解読できるシーケンスキャプチャーという方法である。この方法は古い断片化したDNAにも応用できるので、植物標本庫にある標本をDNA解析の材料として用いることができる。もう一つは10個程度の遺伝子を網羅的に長く読むパックバイオ社の次世代シーケンサーを用いた方法である。この方法は質度の高いDNAが条件であるため、植物標本をDNA材料としては使えないが、DNAを一分子ずつ長く解読できるので、微妙に違うDNAコピーを持つ高次倍数体の解析には有力である。本年度は、5種2雑種を含む34サンプルについて、長さ約1000bpの4遺伝子領域(COP9, DUF1077, IBR3、PGIC)を増幅し、これらをパックバイオ社の次世代シーケンサーによって配列決定した。25879のCCSリードが得られ、うちクオリティチェックを通過した18751リードを解析に用いた。各サンプル内の配列多型は、概ね既知のゲノム数(倍数性)を上回らないことが確認されたが、IBR3領域については長短2つのコピーが存在し、それらのキメラやPCRエラーが本解析では排除できない結果になった。DUF1077領域についても配列のdepthが十分ではないため、残りのCOP9とPGIC領域についてネットワーク解析を行った。シーケンスキャプチャー法については、次年度のランに使用するためののbait配列の設計を行った。シーケンスキャプチャー用bait配列の設計にあたって、汎用性を高めるために一部年度を繰り越した予算執行を行ったが、結果的には順調に進捗した。今後ハシゴシダ近縁種群の進化的な歴史を明らかにするために重要な課題は、雑種の親になっている2倍体の個体を見つけることである。シダ植物では倍数性に応じて胞子の大きさが変化する傾向があるため、胞子の大きさを測ることによって倍数性の推定が可能と考えられる。したがって、中国産標本の胞子の観察を行うことで、2倍体系統の分布域を解明することを目指す。さらに、2017年7月に中国深センで開催されるInternational Botanical Congressに参加する際に、South China Botanical Garden植物標本庫(IBSC)を訪問し、標本の観察を行う予定である。これらの標本観察から2倍体が見つかった場合、許可を得た上でその2倍体個体のDNA抽出を行い、シーケンスキャプチャーに用いてDNAを解読する。実験の手順としては、日本国内産の生株からDNAライブラリーを作成し、シーケンスキャプチャーを行う。この株のシーケンスキャプチャーの成功が確認でき次第、標本サンプルのDNAライブラリー作成とシーケンスキャプチャーを行う。
多次元ファクト・データベースからの物性予測システムの構築

本研究の目的は、多次元ファクト・データベースが存在する場合に、データが存在しない組成の物性地を存在するデータから近似的に求める手法の開発である。1次元の系に関しては、補間法で簡単に求めることできる。しかし2次元以上の系に対して一般的な解はない。筆者らは微小領域直線補間法を開発して、多次元の系に対する任意の組成の予測値を求めることに成功した。微小領域直線補間法は、データが均一に分布している場合は、極めて良好な結果を与えるが、データの分布に偏りがある場合、分布の粗な部分での精度が低下する。これは、直線補間を用いているせいである。これを改良して、さまざまな系に適用できるように、改良することが本研究の目的である。1年目の平成11年度は、データが粗な領域の予測を改善することを試みた。これを実現するには、データが粗な領域を均質なデータの分布域に変換することである。実際にはデータはないので、擬似的なデータを分布させることで解決した。すなわちスプライン補間法を用いることにより擬似的なデータを生成し、それによって微小頷域直線補間法の近似を向上させ、予測値の精度の向上させることができた。2年目の平成12年度は、データが存在する領域の外側の領域に対する予測を試みた。当然ながらデータが存在する領域から大きく離れた部分は、補外によっても予測はできない。あくまでもデータ領域の近傍の周辺部分である。スプライン補間法は、補外には用いることができないので、Lagrange法を用いた。ファクトデータからある領域のデータを削除し、その部分を補外によって予測し、実際のデータとどの程度一致するかを見ることとした。その結果、データ領域の平均サイズ(予測の計算に用いることができるデータの組成幅で表す)の10%以内にあるデータであれば、平均3%程度の誤差で予測が可能である。データを20%外まで広げると、平均7%程度の誤差となる。以上の研究は、3成分ガラスの熱膨張計数、ガラス転移温度などのデータを用いて行ったが、この方法は、連続的に変化するいかなる物性にも応用可能であり、また更に高次の多成分系にも適用可能である。筆者らは、すでに微少領域直線補間法という方法で多次元ファクト・データベースから物性予測をする方法を開発している。ただこの方法は、微少領域という前提があるので、ファクトデータから大きく離れた座標の物性値を予測する場合は、誤差が大きくなるという欠点がある。これをいかにして克服するかが差し当たりの課題である。本年度は、スプライン補間法を用いる方法を試みた。スプライン補間の場合は、一定の連続曲線に沿った物性変化をしている場合は、直線補間と比し、かなり良い精度での補間が期待できる。ただスプライン補間を行うためには、多次元空間をそれぞれの軸に沿ったメッシュを構成する必要がある。すなわちメッシュの交差点のデータが求まっている必要がある。実際のファクトデータは、必ずしもこれを満たさないので、メッシュの交差点の近傍にファクトデータが存在する場合は、微少空間直線補間法でその交差点の物性値を求め、メッシュを構成した。メッシュの中間の座標の物性予測値は、スプライン補間を用いて計算する。

このようにして約20種の多成分系の熱膨張係数とガラス転移温度を計算したところ、微少直線補間法のみを用いた場合より、1025%精度が向上した。特にデータ密度が低い領域において、精度の向上が著しかった。ただこの方法の欠点は、ファクトデータ集合の外側の座標の物性値を予測することができないことである。これは、ある程度の補外も可能な補間法を用いることにより克服できると考えられるので、来年度はこうした方法で、さらに精度を上げることを試みる予定である。本研究の目的は、筆者らが開発した微小領域直線補間法を改良して、さまざまな実際データに適用できるようにすることである。微小領域直線補間法は、データが均一に分布している場合は、極めて良好な結果を与えるが、データの分布に偏りがある場合、分布の粗な部分での精度が低下する。これは、直線補間を用いているせいである。1年目の平成11年度は、このようにデータが粗な部分の補間にスプライン補間法を用いることによって、かなりの精度の向上を達成することができた。2年目の平成12年度は、データが存在する領域の外側の領域に対する予測を試みた。当然ながらデータが存在する領域から大きく離れた部分は、補外によっても予測はできない。あくまでもデータ領域の近傍の周辺部分である。スプライン補間法は、補外には用いることができないので、Lagrange法を用いた。まずデータ領域内で、スプライン補間法と微小領域直線補間法によって、Lagrange法に用いるための計算値(疑似データ)を作成し、それを用いてLagrange法で補外する方法である。予測の精度を確認するために、ファクトデータからある領域のデータを削除し、その部分を補外によって計算し、実際のデータとの一致度を見ることとした。その結果、データ領域の平均サイズ(予測の計算に用いることができるデータの組成幅で表す)の10%以内にあるデータであれば、平均3%程度の誤差で予測が可能である。データを20%外まで広げると、平均7%程度の誤差となる。以上の研究は、3成分ガラスの熱膨張計数、ガラス転移温度などのデータを用いて行ったが、この方法は、連続的に変化するいかなる物性にも応用可能であり、また更に高次の多成分系にも適用可能である。
C型肝炎ウイルス複製に関与する新規宿主因子の網羅的同定と機能解析

HCV感染者に対しての、唯一有効な抗HCV薬としてインターフェロン(IFN)が用いられているが、30%の患者に対してしか効果がなく、副作用も強く、より安全で有効な薬剤の開発が必要とされている。我々は、IFNとシクロスポリンAとを併用することにより、その著効率を2倍以上に高められることを見いだした。そこで、HCVの複製機構とシクロスポリンAの作用機序について解析した。シクロスポリンAを感染培養系およびHCVレプリコン系に添加し、ウイルスの複製および成熟に関して検討した。さらに同様の免疫抑制剤であるFK506およびHCVの遺伝子複製に抑制効果があると報告されているリバビリンについても検討を行った。シクロスポリンAを感染培養系に添加し、抗ウイルス効果を検討したところ100ng-1000ng/mlで50-90%の感染複製抑制効果を示した。レプリコンに対してIC50は0.5uMと非常に低濃度で遺伝子複製阻害が認められた。しかし、FK506およびリバビリンではこのような複製阻害効果は認められなかった。シクロスポリンAでHCV遺伝子複製が抑制され、FK506では抑制されなかったことからカルシニューリンを介さない経路で作用している可能性が考えられた。そこで、シクロスポリンAにより抑制されるシクロフィリンA,B,FとHcv遺伝子複製の関係を検討した。シクロフィリンAをsiRNAでノックダウンすると顕著にHCV遺伝子複製効率が抑制された。さらに、シクロスポリンAによるHCV複製阻害機序について検討し、ウイルス複製を担うウイルス側および細胞側因子の同定、ウイルスゲノムとウイルス蛋白質および細胞側因子との相互作用を明らかにすべく研究を進めている。C型肝炎ウイルス(HCV)感染者は感染後8090%の高率で持続感染し、慢性肝炎から肝癌にいたるが、この病態進行の機構についてはほとんど解明されていない。HCVの複製過程の解析は1999年にsub-genomic repliconが樹立されて以来急速に明らかになりつつある。本研究者らはHCVのin vivoでの感染複製がシクロスポリンA(CsA)により抑制されることを報告してきた(Inoue et al.J.Gastro.2003)。その結果、シクロスポリンAを感染培養系に添加し、抗ウイルス効果を検討したところ100ng-1000ng/mlで50-90%の感染複製抑制効果を示した。しかし、FK506およびリバビリンではこの、ような複製阻害効果は認められなかった。そこで、代表的なPPIaseに対してsiRNAを合成し、HCVレプリコン細胞でのノックアウトを行うことによりHCV遺伝子複製に必須なPPIaseの同定を行った。この結果、CyclophilinBが大きな機能をになっている可能性がしめされた。

我々は、IFNとシクロスポリンAとを併用することにより、その著効率を2倍以上に高められることを見いだした。そこで、HCVの複製機構とシクロスポリンAの作用機序について解析した。シクロスポリンAを感染培養系およびHCVレプリコン系に添加し、ウイルスの複製および成熟に関して検討した。さらに同様の免疫抑制剤であるFK506およびHCVの遺伝子複製に抑制効果があると報告されているリバビリンについても検討を行った。シクロスポリンAを感染培養系に添加し、抗ウイルス効果を検討したところ100ng-1000ng/mlで50-90%の感染複製抑制効果を示した。レプリコンに対してIC50は0.5uMと非常に低濃度で遺伝子複製阻害が認められた。しかし、FK506およびリバビリンではこのような複製阻害効果は認められなかった。シクロスポリンAでHCV遺伝子複製が抑制され、FK506では抑制されなかったことからカルシニューリンを介さない経路で作用している可能性が考えられた。そこで、シクロスポリンAにより抑制されるシクロフィリンA,B,FとHCV遺伝子複製の関係を検討した。シクロフィリンAをsiRNAでノックダウンすると顕著にHCV遺伝子複製効率が抑制された。さらに、シクロスポリンAによるHCV複製阻害機序について検討し、ウイルス複製を担うウイルス側および細胞側因子の同定、ウイルスゲノムとウイルス蛋白質および細胞側因子との相互作用を明らかにすべく研究を進めている。