hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生体モデル膜における脂質分子の動的配座とドメイン構造

細胞膜に形成される脂質ラフトのモデル系としてスフィンゴミエリン(SM)の膜中での立体構造について、NMR実験およびMDによって詳細に解析した。特に、ラフト形成時のSMの構造的特徴として重要なアシル鎖の配座・配向を解析するために、2Hと13Cで標識したSMを化学合成し、固体NMR(REDOR法)測定に供した。その結果、アルキル鎖の立体配座として知られるアンチとゴーシュ形を選択的に観測することに成功し、コレステロール(Cho)を含有する脂質ラフト系の二重膜においてSMのアシル鎖の中心付近(C10位)の結合は約90%以上アンチ配座を取っており、また、この部分のゆらぎは極めて低いことを明らかにした。次に、ラフト系における脂質分子の分子間相互作用に関する知見を得るために、モデル脂質二重膜を用いて、SMが形成するナノドメインの性状を調べる実験を行った。すなわち、SMの誘導体を用いて、ChoがなくてもSMナノドメインが形成されること、SM分子間の立体配置が重要な役割を果たすことを明らかした。また、粗視化MDを改良してナノドメインの形成のシミュレーションを行った。これらの成果を3編の論文として発表した。さらに、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)法によってSMの天然体と鏡像体の混合膜を精査することによって、ラフトモデル膜におけるSMナノドメインの大きさを測定することに成功し、平均半径が約6ナノメーターであることを明らかにした。非対称膜を用いた外膜脂質と内膜脂質の相互作用解析については、より生体膜に近づけるために二重膜の内葉と外葉で脂質組成が細胞膜に類似した非対称膜を調製して、重水素NMRとMD計算を行い、ラフト形成時におけるSM分子の挙動を解明した。これら成果についても現在論文を作成している。研究開始後3年間が経過した現時点で、計画した実験については充分な成果を得ることができ、研究目標を達成することに目途が立ったと考える。論文作成などが残っているが、実験面では後1年でほぼ終了できるところまで来ている。また、当初の研究計画調書に記載していなかった実験手法を試みたところ、予想外の好結果を得ることができた。例えば、SMの鏡像体を用いた研究では、ラフト構成脂質として重要なSM同士の相互作用を精査するために、それぞれのSM分子を区別しなければならない。天然体と鏡像体の蛍光プローブを用いてFRET実験を行った結果、従来法より高精度でナノドメインのサイズを推定することができた。また、通常のアシル鎖の配向を正確に知るために行った古細菌の膜脂質(PGPMe)に関する研究では、メチル分岐した炭化水素鎖との比較を通じて、新規な配向を明らかにすることができた。その結果、PGPMeは単純アシル鎖に対して想定されていた膜面に垂直な平均配向とは異なり、特定の角度に傾いた平均配向を取ることが分かってきた。今後は、この配向が通常脂質の単純アシル鎖においてどの程度出現するかを調べる予定であり、今まで手が付けられなかったアシル鎖の配向と膜物性の関係に光を当てることができると期待している。このように、本基盤研究は順調に研究が進展しており、期限以前に目標を充分に達成できると考えている。また、上述のような当初の想定を超える成果も上がりつつあり、これらを踏まえて新たな研究指針に基づく展開を図る必要が生じている。上記に様に、大部分の研究課題については当初計画の方法に従って予定を上回るスピードで進捗している。一方、膜タンパク質との相互作用における周辺脂質の立体配座と水和構造の研究については問題点が見つかったので、以下のように研究計画を変更することによって目的を早期に達成する。固体NMRおよびMD計算によってタンパク質再構成膜においてタンパク質と脂質の界面に存在する水分子を見積もったところ、当初予定していた中性子回折を含めた回折実験では定量的評価が困難であることが示唆された。そこで、実験手法の再検討を行った結果、水和状態依存的に蛍光波長が変化する膜結合性蛍光プローブ(laurdan)を用いて水の浸入を評価する実験を採用することにした。すでに、膜の水和状態を変化させる界面活性分子を用いて予備的な実験を始めている。SMとChoを含むラフトモデル膜中への水の浸入を評価した結果、蛍光プローブの波長変化で評価できることが分かったので、膜タンパク質を含む系でも定量的な解析が可能であると考えている。また、エントロピーを含めた熱力学パラメターによって水分子の位置から水和状態を予測する専用ソフトウェア(WaterMap)を、MDシミュレーションと組み合わせて用いることによってタンパク質-脂質相互作用に与える水の影響を詳しく調べる予定である。a)ラフト系におけるスフィンゴミエリン(SM)分子の立体:脂質二重膜中のSMの分子間相互作用研究において確立した合成手法と固体NMR法を用いて、SMアシル鎖の立体配座とコレステロール(Cho)の配向を系統的に解析した。その過程で、SM末端付近が興味ある挙動を示していたので、当初の予定を変更して赤外分光による解析を試みた。その結果、固体NMRだけでは不明であった末端付近のアシル鎖の特徴的配座がコレステロールの存在下に認められた。これは、対照として用いたフォスファチジルコリン(PC)と異なり、SM膜中でのコレステロールの深度がPCよりも深いことを示唆する結果と考えられる。b)原子分解能におけるラフト系における脂質分子の分子間相互作用と運動速度:位置特異的な同位体標識体を用いて固体NMRを用いて、膜中の脂質分子の運動を直接観測する手法の開発を進めている。

初年度は、SMの分子内磁気双極子相互作用の測定において、13C-15N結合が検出可能な緩和を誘発することを見出した。詳細な検討の結果、13C観測ではコントロールに含まれる14N核の緩和に対する影響評価が困難であるので、15Nを観測核として用い、15N-13Cと15N-12Cを比較した。僅かながら、縦緩和時間に差が認められたので現在実験条件の最適化を試みている。c)膜タンパク質との相互作用における周辺脂質の立体配座:われわれは、膜タンパク質と周辺脂質についてはバクテリオロドプシン(bR)をモデルタンパク質として用いて脂質との相互作用の解明を進めた。すなわち、フォスファチジルコリンやフォスファチジルグリセロールについてbRの有無により、リン酸エステルの化学シフト異方性がどのように変化するかを解析し、脂質頭部の電荷によって相互作用の様式が異なることを見出した。初年度は、本基盤研究で用いる同位体標識体の化学合成に注力した。その結果、目的達成に必要な標識脂質を多数合成することに成功した。また、一部については、実際に固体NMR法および赤外分光法による脂質の動態解析を行った。赤外スペクトルの測定を加えたことによって、当初の計画より数か月の遅延となったが、興味ある知見を得ることができたと考えている。また、緩和時間測定では、脂質分子のナノ秒オーダーの動き(主に軸回転運動)を解析する手法の確立に目途をつけることができた。また、タンパク質ー脂質相互作用については、われわれが開発したNMR手法によってバクテリオロドプシンの会合状態と周辺脂質の関係について新知見を得ることができたので、初年度の進捗としては順調であると考える。a)ラフト系におけるスフィンゴミエリン(SM)分子の立体:本年度、重水素標識SMについては、新たな知見を集積することができた。特に、非常に長いアシル鎖を有するSMが指組構造(interdigit構造)を取ることが重水素固体NMRによって求めた脂質運動性から推測することができた。また、従来脂質膜の流動性に対するマーカーとしての性能に問題のあった3位重水素標識コレステロールに代わって、コレステロールの側鎖に標識したものがより高い性能を示すことを明らかにした。昨年度、アシル鎖に特異的に重水素/炭素-13を置換した脂肪酸を化学合成し、リン脂質を調製した。近日中に、この脂肪酸を置換したSMを調製して固体NMRのREDORを測定する予定である。b)原子分解能におけるラフト系における脂質分子の分子間相互作用と運動速度:本年度は、SMの分子内磁気双極子相互作用の測定において、13C-15N結合が検出可能な緩和を誘発することを見出した。一方で、当初予定していた13C観測ではコントロールとして用いる14Nの緩和に対する影響が推定しにくいので、15Nを観測核として用い、15N-13Cと15N-12Cを比較した。僅かながら縦緩和時間に差が認められたが、目的である分子回転速度の見積もりには不十分である可能性があるので、現在、より磁気双極子の大きい水素核との差異を観測するために、部分重水素体を検討している。
弱衝突性ジャイロ運動論に基づくプラズマ乱流の直接数値シミュレーション研究

新たに開発した非線形ジャイロ運動論的ヴラソフ・シミュレーションコードにより、イオン温度勾配(ITG)乱流におけるイオン速度分布関数構造と輸送の関連を調べた。まず、スラブ配位の場合と同等のエントロピー・バランス方程式をトロイダル・フラックス・チューブ配位について導出し、それが弱衝突性ITG乱流のシミュレーションにおいて精度良く成り立っていることを確かめた。その上で、バナナ領域に相当する弱い衝突が存在する定常乱流において、乱流による熱輸送と衝突によるエントロピー散逸が釣り合うことを確認した。異常輸送を分布関数のレベルからこのように高精度でシミュレーションした例は他になく、世界的にもユニークな成果を挙げている。乱流中での速度分布関数構造を見ると、主としてイオン熱輸送を担う長波長モードでは線形固有関数に近い比較的なだらかな速度空間分布が支配的であるが、安定な短波長モードにおいてはより微細な構造が卓越する。このことは、輸送を担う長波長の不安定モードにより生成されたエントロピー揺動が、位相混合によってより微細な構造へと運ばれ、衝突により散逸することで、定常乱流輸送が維持される、というシナリオに合致する。一方、上で述べられた速度分布関数構造の特徴はスラブITG乱流においても見出され、流体方程式の無散逸完結モデルを支持する結果を与えている。この結果は、IAEA会議において口頭発表された。さらに線形ジャイロ運動論的ヴラソフ・シミュレーションコードをヘリカル系に拡張し、ヘリカル型配位におけるゾーナル・フローの振る舞いを調べ、理論解析と良い一致を見た。同時に、ヘリカル系において特有な捕捉粒子の運動を分布関数構造から同定した。磁化プラズマにおける粒子及び熱の乱流輸送機構の解明とその予測は、磁場閉じ込め核融合研究において、当初からの主要な中心課題の一つである。我々は最近、1体速度分布関数を記述するジャイロ運動論方程式を多次元の位相空間中で直接解くシミュレーションを行い、一定の温度勾配によって駆動される無衝突プラズマ乱流においては、位相混合により速度空間内に分布関数の細かな揺動が生成され続け、その生成率と定常的な乱流輸送が釣合う「準定常状態」が実現され得ることを明らかにした。こうした無衝突プラズマ乱流シミュレーションが現実的な意味を持つには、衝突周波数を徐々に小さくしていった場合、その結果が無衝突の場合と一致することが必要である。そこで今年度は、様々な衝突周波数に対して2次元の乱流輸送シミュレーションを行い、輸送係数と分布関数を詳細に調べ、無衝突の結果と比較した。その結果、衝突周波数が小さくなるにつれて、輸送係数は無衝突乱流の場合に漸近することが確かめられた。これは、無衝突プラズマ乱流シミュレーションで得られた「準定常状態」が、衝突周波数0の極限として有意なものであることを支持している。さらに、様々な衝突周波数の場合に得られたイオン速度分布関数の速度空間スペクトルを調べると、無衝突の場合と異なりわずかでも有限の衝突があると、分布関数は「定常状態」に達し得るということ、また、衝突周波数に応じて速度空間波数の高い側の分布が決められる、という点が明らかになった。ここで得られた定常分布関数をさらに詳しく解析すると、速度波数空間において、不安定性により分布関数の揺動が作り出される領域、その揺動が位相混合により小さなスケールに運ばれる一種の「慣性領域」、揺動が衝突により散逸する領域、がそれぞれ存在することが確かめられた。このことは、流体乱流でよく知られた波数空間内でのエネルギー伝達と対応しており興味深い。高温プラズマにおける乱流輸送機構の解明と予測は、磁場閉じ込め核融合研究において長年にわたる中心的研究課題の一つである。本研究では、その問題の解決に向けて、粒子運動論より規定される一体速度分布関数の発展を陽に求める直接数値シミュレーションを行っている。平成15年度前半は、14年度の結果を発展させ、2次元スラブ配位における弱衝突性イオン温度勾配(ITG)駆動乱流における速度分布関数スペクトルの数値的および理論的解析を行った。これにより、乱流輸送と関連したエントロピー変動の生成、そのスペクトル空間における伝達と衝突による散逸過程を統一的に理解することができた。そこで得られた結果を学術雑誌に発表した。これと平行して平成15年度前半より、トカマク配位を対象としたトロイダルITG乱流のジャイロ運動論シミュレーション・コードの開発を進めた。3次元の配位空間について磁力線に沿った小領域を取り扱うことで、曲率の悪い領域に局在した波長の短いドリフト波成分を高精度で計算することができる。さらに、2次元の速度空間を計算格子で分割し、計5次元の相空間における分布関数についての偏微分方程式(ジャイロ運動論方程式)を数値的に解く。これまでにコードのベンチマーク・テストとして、綿形固有関数・周波数、密度揺動の無衝突減衰過程、帯状流とGeodesic Acoustic Mode (GAM)のダイナミクス、等について詳細な検討を行った。特に、帯状流とGAMの減衰過程において、捕捉粒子による新古典分極効果を同定したこと、それと同時に、非捕捉粒子の位相混合効果により分布関数の微細構造が発達し、エントロピーが増大すること、等が新しく示された。これらの結果の一部を学会や国際会議などで発表した。また、無衝突運動論方程式の数値シミュレーション手法についても国際会議等で発表し、学術雑誌に論文を投稿中である。

まず、スラブ配位の場合と同等のエントロピー・バランス方程式をトロイダル・フラックス・チューブ配位について導出し、それが弱衝突性ITG乱流のシミュレーションにおいて精度良く成り立っていることを確かめた。その上で、バナナ領域に相当する弱い衝突が存在する定常乱流において、乱流による熱輸送と衝突によるエントロピー散逸が釣り合うことを確認した。異常輸送を分布関数のレベルからこのように高精度でシミュレーションした例は他になく、世界的にもユニークな成果を挙げている。乱流中での速度分布関数構造を見ると、主としてイオン熱輸送を担う長波長モードでは線形固有関数に近い比較的なだらかな速度空間分布が支配的であるが、安定な短波長モードにおいてはより微細な構造が卓越する。このことは、輸送を担う長波長の不安定モードにより生成されたエントロピー揺動が、位相混合によってより微細な構造へと運ばれ、衝突により散逸することで、定常乱流輸送が維持される、というシナリオに合致する。一方、上で述べられた速度分布関数構造の特徴はスラブITG乱流においても見出され、流体方程式の無散逸完結モデルを支持する結果を与えている。この結果は、IAEA会議において口頭発表された。さらに線形ジャイロ運動論的ヴラソフ・シミュレーションコードをヘリカル系に拡張し、ヘリカル型配位におけるゾーナル・フローの振る舞いを調べ、理論解析と良い一致を見た。同時に、ヘリカル系において特有な捕捉粒子の運動を分布関数構造から同定した。
一様磁場中における平行二平板間電磁流体乱流の界面構造とその動力学の解明

一様磁場下における電磁流体チャネル乱流中に、乱流・非乱流界面が存在することを示すため直接数値計算(DNS)を行った。得られたDNSデータの渦度場の可視化によりチャネル中に、乱れの強い壁近傍の境界層領域と乱れの弱いコア領域があることが明らかになった。境界層領域とコア領域の間にあると考えられる界面を定量化するため、条件付き統計解析を行った結果、その解析により定義される界面の近傍で、渦度成分の大きさの条件付き平均がシャープな勾配をもつことが明らかになった。これは、通常の流体シア乱流で過去に観察されたものと類似する。また電磁流体乱流に特徴的なジュール散逸も界面近傍でシャープな勾配をもつことがわかった。一様磁場中における低磁気レイノルズ数の電磁流体(MHD)チャネル乱流の理解は、高速増殖炉における冷却材や連続鋳造などで見られる液体金属の流れの制御に重要である。液体金属は不透明であり腐食性があるため、その流れの理解には、実験では測定が困難な物理量や構造までも得ることのできる直接数値計算(DNS)が有効である。本研究では、低磁気レイノルズ数MHDチャネル乱流のDNSを実施し、チャネル内に界面現象が観察されるか検証を行った。DNSデータの可視化により、チャネル中央の領域では乱流変動が抑制され、壁面近傍に乱れた流れが局在する様子がわかった。このDNSデータの統計解析により、渦度の大きさや主流方向速度などの物理量が、壁近傍の乱流境界層の端で急勾配を持つことが明らかになった。この性質は、乱流後流、乱流噴流、境界層乱流のような非一様流体乱流に対してこれまで報告された乱流・非乱流界面の性質と類似するものである。また、MHD乱流特有の量であるジュール散逸も、境界層の端で急勾配をもつことがわかった。また、境界層の平均的厚さの現象論的な理論予測値と、DNSにより得られた厚さはよい一致を示した。この界面現象は、MHDチャネル乱流における熱輸送や粒子の混合に重要な役割を果たすと考えられるため、今年度に得られた知見は、連続鋳造などの工学的分野にみられる液体金属の乱れた流れの制御や製品の品質向上などに有用と考えられる。高速増殖炉における冷却剤や、鉄鋼製造における鋳造などでみられる液体金属の流動現象の予測や解明は、エネルギー・環境問題の解決に必要不可欠である。これらの流動現象では、電磁流体が乱流状態になっており、流れと非接触な外部磁場による流れの制御が重要である。これまでの本研究業績として、(i)外部磁場下の電磁流体チャネル乱流の直接数値計算を実施し、チャネル内において乱れの強い領域と弱い領域がシャープに変化する界面現象をとらえたこと、および(ii)界面位置の現象論的予測を行ったが、今年度は(i)における直接数値計算の時間発展を、異なるRの値に対して十分時間発展を行うことで統計性の向上を行い、また(ii)の理論予測の向上を行った。ここで、Rはハルトマン数Haとレイノルズ数Reの比Re/Haである。(i)については、渦度やジュール散逸といった物理量の界面近傍での条件付き統計が、ReやHaが異なっても、Rが同一であればよく重なることがわかった。(ii)については、これまで寄与は小さいと仮定していた、壁近傍の粘性底層からの影響を取り入れ、wall unitで規格化された界面位置の現象論的理論予測を行った。その予測値が、R=600と700における直接数値計算の結果とよく合うことが示された。また、その理論式は、Rのみの関数であることが示された。したがって、ReとHaがさまざまに変化しても、Rが同一の値であれば、規格化された界面位置は変化しないと予想される。直接数値計算コードを十分時間発展し、信頼性のある統計性の高い解析結果を得られたこと、ならびに現象論的予測値と直接数値計算の結果がよい一致をみせたため。液体金属は不透明・腐食性があり高温であるため、実験測定が困難な物理量までも得ることのできる数値計算手法は意義が高い。本研究では、壁を有する系として規範的なチャネル乱流を対象とし、壁と垂直な方向に一様磁場が印加された電磁流体の直接数値計算を実施した。研究期間全体を通じての成果として、(i)流れ場の可視化により、上下の壁面近傍には乱流境界層(TBL)が、チャネルの中央領域に乱れの弱い領域が存在することがわかった。(ii)条件付き統計により、渦度や速度にはTBLと中央領域の境目で、他のシア乱流と同様に、物量が急激に変化する狭い領域(界面)が存在することがわかった。また(iii)電磁流体に特徴的な量である電流密度にも界面がみられることがわかった。(iv)これらの条件付き統計は、レイノルズ数Reやハルトマン数Haが異なっても、その比R(=Re/Ha)が同一であればよく重なることがわかった。チャネル内における界面の壁からの平均位置の現象論的予測とその検証をDNSとの比較により行った。(v)

その理論式は、Rのみの関数であることが示され、wall unitで規格化された界面位置の理論値が、R=600と700における直接数値計算の結果とよく合うことが示された。最終年度では、国際会議ICTAM 2016で発表を行い、また界面の抽出手法の結果に対する依存性を調べた。一様磁場下における電磁流体チャネル乱流中に、乱流・非乱流界面が存在することを示すため直接数値計算(DNS)を行った。得られたDNSデータの渦度場の可視化によりチャネル中に、乱れの強い壁近傍の境界層領域と乱れの弱いコア領域があることが明らかになった。境界層領域とコア領域の間にあると考えられる界面を定量化するため、条件付き統計解析を行った結果、その解析により定義される界面の近傍で、渦度成分の大きさの条件付き平均がシャープな勾配をもつことが明らかになった。これは、通常の流体シア乱流で過去に観察されたものと類似する。また電磁流体乱流に特徴的なジュール散逸も界面近傍でシャープな勾配をもつことがわかった。一様磁場中における低磁気レイノルズ数の電磁流体チャネル乱流コードを作成・実行し、データ解析を行うことができたため、順調であると考えられる。(磁場の方向は、チャネルの壁と垂直)直接数値計算コードを十分時間発展させて得られたデータに対して、他の解析手法を適用すること、ならびに対流の効果をとりいれたコードの作成を行う予定である。数値流体力学今年度作成したコードには、熱の効果がとりいれらていないため、今後はその効果をコードに加える予定である。26,033円を使いきることよりも、次年度の予算と合算することで、26,033円より大きな金額で、本研究で作成したデータを保存する大容量ハードディスクを効率的に購入できるため、繰り越しを行う。今年度に作成した計算データを保存する大容量ハードディスクを購入する。
ドイツ記号論をベースにした,記号体系におけるコノテーションの機能と作用の研究

入手した記号論およびコノテーション研究関連文献をもとに、コノテーションの性格を検証したが、やはり「コノテーション」そのものを分析対象とした研究は少なく、1970のレスラー以降も、意味のレベルまたはコミュニケーションにおける機能についての分析にとどまったものが多いように思われる。残念ながら、出版社の業務停止により入手できなかった文献(Bochum Publications in Evolutionary Cultural Semiotics)があり、まだまだ記号論と文化に関する文献の検証は不十分ではあるが、これまでの検証結果を踏まえて、「コノテーション」の位置付けおよび性格記述をまずまとめあげる予定である。また、意味のレベルまたはコミュニケーションのレベルにとどまらない「コノテーション」の機能と作用の可能性を探り出すために、「広告」という記号体系の分析も視野に入れてきた。昨年度に比べ、実際の分析例の収集は進んだが、映像編集が捗らず、「コノテーション」の存在を明確にするにはまだ資料が不足している。しかしながら、「広告」において認められる「イメージ機能」が、送り手や受け手の経験および知識をもとに作用していると思われる側面と、「コノテーション」があくまでも「デノテーション」をもとに作用しているという性格との接点から、「広告」という記号体系における「コノテーション」の存在およびその機能と作用の可能性を導きだすヒントを得たので、この点についても上記の「コノテーション」についての記述をもとに一見解をまとめ、最終的にはその二つを柱にして、言語以外の記号体系における「コノテーション」の機能と作用を分析し、「コノテーション」とは何かという問いについての答えを求めてみたいと考えている。本年度は,まずドイツで展開された記号論を検証して記号論の基礎研究を確認するために,Kochが中心となって編纂された資料を入手し,その中でコノテーションに関する記述が行われている文献の整理を行った。その際のポイントは,これまでの意味論におけるコノテーションの記述をさらに発展させた研究がないかどうかということであるが,この先行研究の検証は来年度コノテーションについての性格記述をまとめる上で必要な第一段階である。Kochの資料以外にも随時文献を調査しているが,これまでのところ,コノテーションに関する新しい記述は見つかっていない。つまり,いずれの場合もコノテーションとは「『語』のもつ二次的な意味」として捉えられているだけである場合が多い。これまで整理した文献の量はまだ十分ではないので,引き続き文献の整理および検証を行う必要があるが,やはりコノテーションについての研究で歩を進めるためには,分析の対象を「ことば」以外のものに向ける必要性があると改めて認識した。「ことば」以外のもの,たとえば資料に見られるように,服や絵画や映画などにも「ことばらしき」性格が十分認められ,そこでは何らかのメッセージが発信されている。すでに本研究で分析対象として考え,実際に分析するために収集している「広告」にも多種多様なメッセージがあり,そのメッセージを作り出す種々の記号の一つ一つに,またはその全体に,コノテーションの存在が認められる可能性は十分あると思われる。今年度は雑誌やテレビコマーシャルなどの編集を中心とした広告資料の収集を行ったが,来年度はさらに年鑑などの資料も利用し,なるべく偏りのない全般的な資料収集を行う必要がある。来年度前期には資料の検証および分析対象の選択を終え,後期にはそれらの考察結果をもとに,コノテーションの機能と作用について一見解をまとめる予定である。
赤外半導体レーザー用波長計の製作

前年度の結果に基づく本年度の目標は、(1)赤外レーザー光に対する干渉波形の記録とフーリエ交換、(2)可動鏡駆動部の改良の2点である。このうち(2)については、エアースライドを用い、タコ糸を介したDCモーター駆動を採用することによって機械的な振動を抑えることに成功した。またDCモーターは防震ゴム上に設置し、その振動が干渉計に伝わらないよう配慮した。リニア-エンコーダは、昨年とほぼ同性能のものである。移動距離は5cmで、0.4μmごとに2^<17>点サンプリングした。20μmの基本格子間隔をモアレパターンとして読み取り、2つの正弦波状の信号をえ、これを50分割して0.4μmの位置目盛とした。800cm^<-1>、2000cm^<-1>領域で、フリンジパターンを計数したところ、いずれも0.1cm^<-1>の範囲内で標準スペクトルからえた波数と一致した。今回は前年度と異なって、フリンジのS/N比も良く、赤外半導体レーザーが単一モードで発振している限り、精度、感度ともに問題のない結果がえられた。そこで(1)のフーリエ変換を試みた。サンプリング点が131Kに上り、メモリ容量も2Mバイト必要となるのでFFT専用ボードを使用した。ただしこのボードでは16Kの処理しか行えないので、データの一部を間引きして用いた。フーリエ変換に要した時間は0.5秒である。(16K以上のデータを用いる時はオフラインで計算した。)また必要に応じてスムージングが行えるようにしたが、これに要する時間は131Kのデータに対し2秒程度であった。フーリエ交換の結果は、赤外半導体レーザーの発振波形が良好な場合は満足すべき結果がえられた。しかしレーザーによっては不安定な発振をするものがあり、そのような場合には、フリンジ図形はしばしばFM変調され、フーリエ変換された信号は多くの成分に分裂してしまう。サンプリングにさらに工夫が必要である。当初計画では、He-Neレ-ザ-を波長標準とし、これと測定対象の赤外レ-ザ-光ら平行にマイケルソン干渉計に入射、それぞれのフリンジ数の比から波長を決定する方式を採る予定であった。しかし、具体的に研究を開始する前に、予定の計画を含め可能な方法を詳細に比較検討したところ、所要精度が10^<-5>であれば、最近入手可能になったリニア-スケ-ルを用いる方法が簡便であり、より優れているのではないかという結論に到達した。用いたリニア-スケ-ルは約20μs毎にパルス信号によって可動鏡の位置の変化0.5μmを知らせるので、可動鏡のスピ-ドをこれに応じて設定した。移動距離は全長約8cm、両側約1.2cmは助走部にあてた。5cm/0.5μm=10^5にカウンタ-1をセットし、カウンタ-2で赤外光のフリンジを数える。可動鏡が助走部を過ぎた時点でスタ-トパルスにより計数を始め、カウンタ-1の計数値が100000に達した時カウンタ-2の計数値を表示する。以上の装置を製作し、波数約800cm^<-1>の赤外レ-ザ-光の波長を測定した。フ-リエ分光器によって較正記録されたゲルマンの赤外スペクトルと較べたところ、所期の目的どうり±0.1cm^<-1>の精度で波数を決定することができた。赤外半導体レ-ザ-の出力は決して高くないので、赤外光パワ-依存性も検討したが、実用上問題のないことがわかった。以上で所期の目的は達成されたわけであるが、赤外半導体レ-ザ-はしばしば2個以上のモ-ドで発振し、標準スペクトルによる波数決定を困難にする。実際5μm附近で測定中にこのような困難な状況が起った。すなわち苦心の末に同定した標準スペクトルの波数と1cm^<-1>も異なる結果がえられた。そこで、次年度は赤外光のフリンジを計数するだけでなく、干渉図形を記録し、これをフ-リエ変換することによって赤外半導体レ-ザ-の発振特性そのものを明らかにする計画である。

ただしこのボードでは16Kの処理しか行えないので、データの一部を間引きして用いた。フーリエ変換に要した時間は0.5秒である。(16K以上のデータを用いる時はオフラインで計算した。)また必要に応じてスムージングが行えるようにしたが、これに要する時間は131Kのデータに対し2秒程度であった。フーリエ交換の結果は、赤外半導体レーザーの発振波形が良好な場合は満足すべき結果がえられた。しかしレーザーによっては不安定な発振をするものがあり、そのような場合には、フリンジ図形はしばしばFM変調され、フーリエ変換された信号は多くの成分に分裂してしまう。サンプリングにさらに工夫が必要である。
糖尿病とその合併症に対する新規治療法の開発

糖尿病神経障害は、糖尿病発症後比較的早期に発症し、慢性化すると四肢切断を余儀なくされる糖尿病合併症として知られるが、血糖コントロールを始め、従来報告されている発症要因に対する治療法・治療薬を用いても糖尿病神経障害が完治することはない。我々は、これまでに糖尿病神経障害が骨髄由来細胞と神経細胞との細胞融合によるものであり、その異常な骨髄由来細胞の起源が造血幹/前駆細胞にあることを突き止めた。そこで糖尿病神経障害を引き起こす真の原因の同定を目指して研究を進めた結果、糖尿病マウスの造血幹/前駆細胞にてCD10陽性細胞が非糖尿病マウスと比して増加することを明らかにした。この糖尿病で増加したCD106陽性造血幹/前駆細胞と糖尿病CD106陰性造血幹/前駆細胞を、それぞれ放射線照射した正常マウスに移植した結果、血糖値は正常範囲内であるにも関わらず、糖尿病CD106陽性細胞を移植したマウスでは移植した細胞と神経細胞との細胞融合を認め、さらに感覚神経伝導速度が有意に遅延することが明らかとなった。このことは、糖尿病の造血幹/前駆細胞で増加したCD106陽性細胞が糖尿病神経障害の原因であり、今までにない新規治療標的となりうることが示唆される結果となった。そこで、抗CD106抗体で処理した異常な幹細胞が含まれる糖尿病マウスの細胞分画を放射線照射した正常マウスに移植し、神経障害の発症が抑制されるかどうかを検討したところ、抗体処理した糖尿病の細胞分画を移植した正常マウスの感覚神経伝道速度は、抗体未処理の糖尿病の細胞分画を移植したマウスの感覚神経伝道速度と比べて有意に改善することが明らかとなった。以上の結果から、糖尿病で増加するCD106陽性の造血幹/前駆細胞が糖尿病神経障害の治療標的となることが明らかとなった。糖尿病並びにその合併症は、本国のみならず全世界的に増加傾向にある疾患である一方、糖尿病発症メカニズムが解明されていないため、完治に向けた治療法が確立されていない。糖尿病が全身性の慢性合併症を引き起こす事に着目した申請者は、「高血糖で生じる異常は末梢組織ではなく、全身に運搬される血球系の細胞に組み込まれる」という仮説のもと、糖尿病合併症の原因とされる血球系細胞の起源が骨髄幹細胞であることを同定した。そこで、本研究では骨髄移植モデルを用いて、糖尿病三大合併症の一つである糖尿病性末梢神経障害について、糖尿病に曝露された骨髄幹細胞の異常により糖尿病性末梢神経障害が発症するのか検証を進めた。ストレプトゾトシン投与により糖尿病を発症させたGFP-Tgマウスと対照群のGFP-TgマウスからFACSを用いて分取したそれぞれの骨髄幹細胞を、致死量(9Gy)の放射線照射した非糖尿病野生型マウスへ移植したところ、いずれの移植群も血糖値は正常範囲内であり、糖尿病の発症は認めなかった。そこで糖尿病性末梢神経障害発症の有無を確認するため感覚神経伝導速度を測定したところ、糖尿病マウスの骨髄幹細胞を移植した正常マウスの感覚神経伝導速度が有意に遅延し、糖尿病性末梢神経障害の発症を認めた。次に蛍光免疫染色を用いて、後根神経節での融合細胞の有無を検討したところ、糖尿病の骨髄幹細胞を移植した正常マウスの後根神経節ニューロンと骨髄幹細胞から分化した細胞との細胞融合現象が見られた。これらの結果より、糖尿病性末梢神経障害の新規治療標的は、糖尿病で生じる異常な骨髄幹細胞である事が示された。H28年度の研究計画は、糖尿病にて出現した異常な骨髄幹細胞から分化した細胞が個体を越えて与える影響の検討を進めることであり、これらの検討を進めた結果、非糖尿病マウスの骨髄幹細胞を移植した正常マウスであっても、糖尿病マウスから得た骨髄幹細胞を移植した正常マウスであっても、血糖値は正常範囲内であったにも関わらず、非糖尿病マウスの骨髄幹細胞を移植したマウスと比較して感覚神経伝導速度が遅延し、糖尿病性末梢神経障害が発症すること、また、糖尿病マウスで見られた骨髄由来細胞と後根神経節ニューロンとの細胞融合現象が糖尿病マウスの骨髄幹細胞を移植した正常マウスでも出現し、この融合細胞は糖尿病状態で出現した融合細胞と同様、Insulin陽性またはTnf-alpha陽性であることが明らかとなった。異常な骨髄幹細胞を移植された正常マウスは血糖値が糖尿病で生じた異常な骨髄幹細胞が移植後定着し続けているのかを調べるため、移植後の正常マウスにおけるFACS解析を実施した。その結果、糖尿病マウスから得た骨髄幹細胞を移植した正常マウスの骨髄幹細胞分画に、糖尿病マウスの骨髄幹細胞と同じ性質を持った異常細胞が定着していた。これらのことから、糖尿病で生じる異常な骨髄幹細胞が糖尿病神経障害の新規治療標的となる可能性が示された。糖尿病神経障害は、糖尿病発症後比較的早期に発症し、重症化すると壊疽による四肢切断のためQOL低下を余儀なくされる糖尿病合併症である。発症要因として、高血糖により引き起こされる神経細胞での代謝異常など様々な要因が報告され、それらに対する治療法・治療薬が数多く開発されているが、いずれも完治に至るものは存在しない。そこで本研究では、糖尿病神経障害の治療標的をさらに絞り込むべく、糖尿病の異常な造血幹/前駆細胞に関して詳細な検証を進めた。

我々は糖尿病神経障害の新たな発症要因として既に糖尿病で出現する異常細胞を含む造血幹/前駆細胞分画を同定し、この細胞分画を非糖尿病マウスに移植した結果、感覚神経伝導速度の遅延という末梢神経障害が再現されることを明らかにしている。しかし、糖尿病で出現する異常細胞は、正常な造血幹/前駆細胞分画に含まれているため、この細胞分画を治療標的とするには問題がある。そこで、治療標的を絞り込むため造血幹/前駆細胞をより詳細に検討した結果、糖尿病では、融合に関わるとされ、炎症性血管内皮細胞のマーカーであるCD106(Vcam1)陽性細胞が非糖尿病に比して有意に増加していることが分かった。さらに、糖尿病マウスからCD106陽性造血幹/前駆細胞とCD106陰性造血幹/前駆細胞を致死量の放射線を照射した非糖尿病マウスに移植すると、同じ糖尿病マウスから得た造血幹/前駆細胞にも関わらず、CD106陽性造血幹/前駆細胞を移植したマウスでは、感覚神経伝導速度が有意に遅延し、神経障害の発症を認めた。さらに蛍光免疫染色にて細胞融合の有無を確認したところ、CD106陽性造血幹/前駆細胞移植群では後根神経節での神経細胞との細胞融合所見が見られた。これらの結果より、糖尿病神経障害はCD106陽性造血幹/前駆細胞によって引き起こされ、この細胞が糖尿病神経障害の真の治療標的であることが示された。申請者がこれまで行った検討で、糖尿病では造血幹/前駆細胞分画内に、Proinsulin陽性細胞、Tnf-alpha陽性細胞が出現し、この細胞が骨髄移植によって正常マウスに移植された後、正常血糖下でもこの異常な性質を維持したまま、定着・増殖し、神経障害引き起すことを明らかにした。しかし、糖尿病で出現した異常な造血/前駆細胞分画は正常幹細胞を含んでいることから、新規治療標的とすると正常な幹細胞に対して影響を与える可能性がある。そこで、治療標的をさらに絞り、効果的な治療法とする為に、糖尿病の造血幹/前駆細胞について、より詳細な検討を実施したところ、融合に関する複数の遺伝子発現の増加を認めた。これらの遺伝子のうち、最も糖尿病の造血幹/前駆細胞で発現が増加していたのが、炎症性血管内皮細胞のマーカーであるVascular cell adhesion molecule-1(Vcam1: CD106)であった。そこで、非糖尿病と糖尿病の造血幹/前駆細胞に存在するCD106陽性細胞の割合を調べたところ、糖尿病では約3倍に増加していた。糖尿病で出現するCD106陽性造血幹/前駆細胞が神経障害を引き起こす原因であると考え、糖尿病から得たCD106陰性造血幹/前駆細胞と、CD106陽性造血幹/前駆細胞をそれぞれ致死量の放射線を照射した正常マウスに対して移植したところ、CD106陽性造血幹/前駆細胞移植群で感覚神経伝導速度の遅延を認め、神経障害の発症を認めた。さらに蛍光免疫染色にて、後根神経節ニューロンで細胞融合所見が見られた。これらの結果から、糖尿病神経障害が、造血幹細胞から生じる疾患であり、CD106陽性造血幹/前駆細胞が完治を目指せる有力な新規治療標的となりうることが示唆された。糖尿病神経障害は、糖尿病発症後比較的早期に発症し、慢性化すると四肢切断を余儀なくされる糖尿病合併症として知られるが、血糖コントロールを始め、従来報告されている発症要因に対する治療法・治療薬を用いても糖尿病神経障害が完治することはない。我々は、これまでに糖尿病神経障害が骨髄由来細胞と神経細胞との細胞融合によるものであり、その異常な骨髄由来細胞の起源が造血幹/前駆細胞にあることを突き止めた。
数値シミュレーションにおける高精細表面生成技術の確立

数値シミュレーションとは現実世界の現象を数値計算によりコンピュータ内で再現する技術である.本研究では,従来から重要視されていたものの未だ発展途上であった数値シミュレーション結果の可視化部を技術的に向上させるために,水などの明確な境界(表面)を持つ物体のシミュレーションを対象として,波の先端等の鋭い特徴と滑らかな表面を両立する手法を開発した.さらに粒子法において高精細な表面を生成する際に問題となる粒子の不均一さを解決する手法も開発した.本研究では数値シミュレーション結果の可視化部を技術的に大幅に向上させることを目的とし,液体などの明確な境界を持つ流体のシミュレーションを対象として,流体の詳細な特徴を捉えた表面抽出・追跡手法を開発する.さらにこの取り組みを通じて数値シミュレーションの適用可能な領域を大きく広げることを目的とする.本年は粒子法と呼ばれる数値シミュレーション法に対して,少ない表面粒子を有効に活用するための重複を許した粒子グループ化と陰関数曲面フィッティング手法を開発した.粒子法において陰関数曲面フィッティングによって表面を生成することは世界的にも初めての試みであり,その最初のシステムとして2次元シミュレーションへの適応を行い,その成果を国内の査読付きシンポジウムにおいて発表した.また,3次元シミュレーションへ拡張も試み,その過程において2年目に計画していた高速化のための2次元深さマップの使用が,高速化だけでなく3次元への拡張において有効に働くことが分かり,それにより3次元でも陰関数曲面フィッティングが可能な方法を開発,実験によりその有効性を確認した.その成果については2014年度中に国際会議,国内外の論文誌において発表する予定である.ただし,現在は単に2次元深さ空間内で処理を行うための方法を開発しただけであり,本来の使用目的である高速化に関しては引き続き研究していく必要がある.本研究では数値シミュレーション結果の可視化部を技術的に大幅に向上させることを目的とし,液体などの明確な境界を持つ流体のシミュレーションを対象として,流体の詳細な特徴を捉えた表面抽出・追跡手法を開発する.さらにこの取り組みを通じて数値シミュレーションの適用可能な領域を大きく広げることを目的とする.本年は昨年度開発した粒子法において陰関数曲面フィッティングによって表面を生成する手法を3次元シミュレーションへ拡張するための方法を開発した.3次元化において問題となったのが液体が薄いシート状になる現象である.これまでの方法ではCG分野において最も一般的に用いられているメッシュ生成法であるMarching cubesを用いており,この方法では閉じた曲面が要求される.しかし,陰関数曲面フィッティングでは粒子が1層程度しか存在しないようなシート状の液体形状に対して閉じた曲面を生成することが出来ない.そこで2年目に計画していた高速化のための2次元深さマップを有効活用し,視点から見えている液体表面のみに開いたメッシュを生成する手法を用いることでこの問題を解決し,さらに処理のほとんどを2次元化することで高速化も同時に成し遂げた.その中で効率的な粒子グループ化のアルゴリズム,粒子法線を用いた平滑化法なども開発し,その成果を査読付きの国際会議において発表した.ただし,表面の滑らかさという点ではまだ改良の余地があり,また,既存の手法との比較も十分ではないため,それらの検証を今後進めていく必要がある.さらに高精細な表面生成のためにはベースとなる粒子法シミュレーションにおいて粒子の均一な配置が有効な要素であることが分かり,特に固体境界付近において粒子配置を均一にするための手法も合わせて開発した.本研究では数値シミュレーション結果の可視化部を技術的に大幅に向上させることを目的とし,液体などの明確な境界を持つ流体のシミュレーションを対象として,流体の詳細な特徴を捉えた表面抽出・追跡手法を開発する.さらにこの取り組みを通じて数値シミュレーションの適用可能な領域を大きく広げることを目的とする.最終年度は2年目に問題となった表面の滑らかさを解決するために,ベースとなる粒子法シミュレーションにおける粒子の均一な配置を実現する手法を発展させた.手法自体のアイデアは2年目に立てたものであるが,その際は平面か陰関数曲面で表された単純な境界形状しか扱えなかったものを,コンピュータグラフィックス分野で一般的に用いられている3次元表現手法であるポリゴン表現にも対応できるアルゴリズムを開発することで拡張した.その成果は国際会議でフルペーパーとして採択され(採択率21%),その予稿集はComputer Graphics Forumという英文ジャーナルに特集号として掲載された.研究期間全体としては目標であった少ない粒子での陰関数曲面フィッティングを用いた表面生成法を2次元だけでなく3次元のシーンにおいてもスクリーン空間を用いることで実現し,さらにより高精細な表面を得るためにベースとなる粒子法そのものの改良まで行えたことは,当初の目的であった数値シミュレーションの適用可能な領域を大きく広げることを少なからず達成できたのではないかと考えられる.数値シミュレーションとは現実世界の現象を数値計算によりコンピュータ内で再現する技術である.本研究では,従来から重要視されていたものの未だ発展途上であった数値シミュレーション結果の可視化部を技術的に向上させるために,水などの明確な境界(表面)を持つ物体のシミュレーションを対象として,波の先端等の鋭い特徴と滑らかな表面を両立する手法を開発した.さらに粒子法において高精細な表面を生成する際に問題となる粒子の不均一さを解決する手法も開発した.元々予定してた2年目での2次元深さマップを使用することで,3次元空間での数値シミュレーション結果から滑らかな表面と鋭利な形状特徴という相反する表面形状を1つのフレームワーク上で再現し,高精細な表面形状を復元するための基礎的な技術の開発と高速化を同時に達成し,研究はおおむね順調に進展していると考える.コンピュータグラフィックス

3次元での詳細な表面生成のためのフレームワークの開発は順調に進んでいるものの,まだ表面の滑らかさという点ではまだ改良の余地があり,また,既存の手法との比較も十分ではないため,それらの検証を今後進めていく.陰関数曲面フィッティングによる粒子法からの液体表面生成に成功しただけでなく,2年目に計画していた2次元深さマップの使用も,開発した手法の3次元への拡張の際に同時に達成できており,3次元空間での数値シミュレーション結果から,滑らかな表面と鋭利な形状特徴という相反する表面形状を1つのフレームワーク上で再現し,高精細な表面形状を復元するための基礎的な技術の開発は順調に進んでいると考える.当該年度に購入予定だった機器(評価実験用GPU搭載PC)が在庫不足により購入できなかったため.現在は数値シミュレーション側で得られた粒子の位置情報のみを元のシミュレーションの物理量として用いているが,速度や圧力などの他の物理量も有効に扱うことでより精細な表面形状を生成する方法を模索するとともに,2次元深さマップを利用した超高速レンダリング技術の開発も並行して進めていく.平成26年度に購入予定だった機器の購入に次年度使用額を用いて,問題となっていた表面の滑らかさの検証を行う予定である.また,平成27年度分については当初の予定どおりに高解像度液晶を用いた評価実験に使用する.購入を予定していたディスプレイなどの表示機器の価格下落のため国内出張経費などとして使用する.
電子線誘起電流法によってSrTiO3結晶中の転位の電気特性評価

電子材料の開発では、新規材料の導入で、従来素子の高性能化や新たな動作特性の探求がなされている。抵抗変化型メモリの材料として、チタン酸ストロンチウム(STO)が注目され。STOは、シリコンに比べて欠陥が多く、期待していた物性値が得られていないのが現状である。一方で、結晶欠陥が機能に大きく関与しているという報告がある。本研究では、STO中の拡張欠陥が、どのように電気的性質に関与しているかを研究する。電子線誘起電流(EBIC)法によって試料内の転位密度と電気特性を調べ、メモリ作用との関連を明らかにする。更に、電子顕微鏡観察によって転位の性格を決定する。半導体材料・電子顕微鏡
水及び水溶液における動的相互作用

主にピコ秒・フェムト秒の時間分解能を持つ超短パルスレーザー分光を用いて、水及び水溶液中の溶質(イオンや蛋白質)の動的挙動に関する研究を行う。特に、動的揺らぎや集団運動の検出とその解析、それが反応や蛋白質の動的構造に及ぼす影響を明らかにする。本年度は以下の成果を得た。1.赤外非線形分光による水及び水溶液のダイナミクス:既存のものに加えて、2台目の光パラメトリック発生/増幅および差周波発生装置を製作した。赤外パルス光のスペクトルを測定し、2800cm^<-1>において非線形分光を行うのに十分なスペクトル幅とエネルギーを持たせることができた。これによりある特定の振動モードを励起しその後どのように振動緩和が起こるかを、二波長時間分解分光測定を行うことにより、追跡が可能である。水素結合性液体中における振動ダイナミクスの理解を深めるために、非水素結合性で極性の高い溶媒中における振動緩和の測定を行った。現有の測定系を用いて、様々な有機溶媒中でのSCN^-の反対称伸縮振動モードの振動エネルギー緩和過程や回転緩和過程を調べた。非水素結合性溶媒中での振動エネルギー緩和時間は水素結合性溶媒中よりも2倍以上長いことがわかった。また、振動エネルギー緩和時間と赤外吸収スペクトルの線幅に良い相関関係が見出された。さらに、生体膜と水の相互作用を調べるモデル系として、逆ミセル中における溶質分子の回転緩和、溶媒和ダイナミクスの測定を行い、界面近傍の水はバルクの水と異なり、界面に強く束縛されており、数十倍粘度が高くなっていることがわかった。2.ピコ秒時間分解ラマン分光による蛋白質と水の動的相関:ミオグロビン(Mb)中で、ヘムはプロピオン酸基によって周囲のアミノ酸残基と水素結合ネットワークを作っている。本研究では、Mbの振動エネルギー緩和におけるプロピオン酸基の影響について調べた。ヘムの側鎖にプロピオン酸基をもたない再構成ミオグロビン(rMb)を調製し、ピコ秒時間分解共鳴ラマンスペクトルを測定した。アンチストークスラマンバンド強度の時間変化を解析することにより、Mbとの振動エネルギー緩和速度を求めた。その結果、rMbではMbに比べて、緩和速度は遅いということが明らかになった。このことは、Mbのヘムの振動エネルギー緩和経路に、プロピオン酸基が関わっていることが示している。超短パルスレーザー分光を用いて、水及び水溶液中のイオンやタンパク質の動的挙動に関する研究を行う。特に、動的揺らぎや集団運動の検出とその解析、それらが反応やタンパク質の動的構造に及ぼす影響を明らかにする。1.赤外短パルスによる非線形分光を用いて水溶液中における溶質の振動状態のダイナミクスを調べることを目的とする。本年度は、フェムト秒赤外レーザーの改良を行い、2000-3000cm^<-1>付近の赤外パルスを1μJ/pulse以上のエネルギーで得ることに成功した。パルスーパルスの安定性は1%rms以下で、従来のレーザーより格段に安定性が改善された。これを用いて水溶液中のOCN^-の反対称伸縮振動の過渡吸収信号を得た。2.時間分解紫外共鳴ラマン分光法は、タンパク質の芳香族アミノ酸側鎖や主鎖の振動を観測することにより部位特異的な構造変化の情報を与え、活性部位での反応に応答したタンパク質の動的構造を研究する上で有効な手法である。本研究では、連続波長可変(204-243nm)なピコ秒紫外光源と高感度の検出系とを組み合わせたピコ秒時間分解共鳴ラマン分光装置を新たに製作した。これを用いて、リガンド脱離に誘起されたミオグロビンの高次構造ダイナミクスの観測に成功した。トリプトファン残基のラマンバンドの変化から、ピコ秒領域でA-Eヘリックス間に構造変化が起きることが示唆された。3.偏光制御ポンプ-プローブ分光装置を開発し、水溶液中における遷移金属イオンのアクア錯体の励起状態ダイナミクスを観測する。この電子遷移は禁制遷移であるため、信号は極めて弱いと予測され、そのため過渡二色性や過渡複屈折性を測定することにより、励起状態ダイナミクスに関する知見を得る。Cu^<2+>錯体からの信号を検出することができ、1ps程度の時定数を持つことを見出した。この成分は錯体の励起電子状態における振動緩和によるものであると同定した。

現有の測定系を用いて、様々な有機溶媒中でのSCN^-の反対称伸縮振動モードの振動エネルギー緩和過程や回転緩和過程を調べた。非水素結合性溶媒中での振動エネルギー緩和時間は水素結合性溶媒中よりも2倍以上長いことがわかった。また、振動エネルギー緩和時間と赤外吸収スペクトルの線幅に良い相関関係が見出された。さらに、生体膜と水の相互作用を調べるモデル系として、逆ミセル中における溶質分子の回転緩和、溶媒和ダイナミクスの測定を行い、界面近傍の水はバルクの水と異なり、界面に強く束縛されており、数十倍粘度が高くなっていることがわかった。2.ピコ秒時間分解ラマン分光による蛋白質と水の動的相関:ミオグロビン(Mb)中で、ヘムはプロピオン酸基によって周囲のアミノ酸残基と水素結合ネットワークを作っている。本研究では、Mbの振動エネルギー緩和におけるプロピオン酸基の影響について調べた。ヘムの側鎖にプロピオン酸基をもたない再構成ミオグロビン(rMb)を調製し、ピコ秒時間分解共鳴ラマンスペクトルを測定した。アンチストークスラマンバンド強度の時間変化を解析することにより、Mbとの振動エネルギー緩和速度を求めた。その結果、rMbではMbに比べて、緩和速度は遅いということが明らかになった。このことは、Mbのヘムの振動エネルギー緩和経路に、プロピオン酸基が関わっていることが示している。