hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ヘテロジニアスな計算機を用いた大規模群衆避難シミュレーションの高速化に関する研究

その結果、ノード内並列のOpenMP並列では並列効果が確認され、具体的にはエージェント規模が大きくなった1512名の場合には32スレッドに対して21.7倍の高速化を確認することができた。一方、MPI化については、実行時の使用メモリサイズの分割を目的としたMPI化の検討を実施した。プログラム内で用いる配列データをMPIプロセスに分散させることで、ノード当たりの使用メモリサイズを分散させることができる。検討した結果、MPI並列化を阻害する要因(エスカレータのモデル内)があることがわかった。その対処方法について調査・検討した結果、この問題に対処するには現在人エージェントに対してシミュレーション空間を割り当てているが、これをシミュレーション空間に対して人エージェントを割り振るアルゴリズムに変更する必要があることが分かった。しかし、このコード改変はプログラム全体に影響を与える大作業のため、本研究費内では実施しないことにする。ただし、ノード内並列については大規模化により十分な効果が予測されるため、現状のシミュレーション課題には影響しない。本研究では全研究期間内に、下記の3項目を明らかにする予定である。1)大規模シミュレーションモデルの特徴解析2)高速化された大規模シミュレーションモデルの構築3)現実の都市空間データを用いた妥当性検証現在、1)については解析は終わった。2)についてはシミュレーションコードのリファクタリングが終了した。また、ノード内並列については十分な性能を示すことができるコードとし、ノード間並列については本研究では対応できないものの阻害要因とプログラムの改修方針を確定することができた。3)については2019年度注力するが、既に都市空間の精緻なデータの提供を受けて、具体的なシミュレーションの実施と実課題の妥当性検証も開始されており、順調に研究は進展している。FY29年度に実施した、シミュレーションコードの解析により、並列化の障害になる箇所が明らかになってきた。今年度は、これを解決すべきコードの改修を行い、高速化された大規模シミュレーションモデルの構築を行っていく予定である。今年度に実施した、シミュレーションコードの改修により、ノード内並列化の阻害要因になる箇所は対応することができた。2019年度は、高速化された大規模シミュレーションモデルを用いて現実の都市空間データを用いた妥当性を検討する。具体的には、横浜市のみなとみらいにある大規模イベント施設の"パシフィコ横浜"と"ぴあMMアリーナ"のCADデータを用いて、施設管理者と協働して妥当性検証を行う。予定した人工知能学会全国大会での発表を行わなかったため、国内旅費に未使用額が生じた。シミュレーションデータ構築用PCを購入予定である。
カルコーゲン元素の再生法の開発

本研究は,セレンとテルルの化学的反応性の差異を利用する新しい分離精製法の開発を目的とするものであるが,その推進にあたっては実用化を考慮し,使用する試薬を,水素,一酸化炭素,水,およびアルコール,アミノ等,安価で多量に供給できるものに限定した.現在既に,一酸化炭素に対する反応性において,セレンとテルルに大きな差異があることを見い出し,今までに得られている予備的知見を組み合わせて,以下二つの可能性のある新分離系を設計した. 1.CO/アミン反応系単体セレンは,常温,常圧の温和な条件下,一酸化炭素,アミン類と容易に反応し,セレノールカルバミン酸となり,均一溶液を与える.一方,テルルはこの条件では全く反応せず,未反応で回収された.また,セレノールカルバミン酸をアミン共存下加熱することにより,尿素と共にセレン化水素を生成することを見い出した.セレン化水素は,空気で処理することにより容易に酸化され,定量的にセレンを回収する事ができた.2.CO/H_2O反応系水を溶媒として用いることにより,一酸化炭素加圧下,単体セレンが容易に反応し,一段階でセレン化水素を与えるが,同条件下テルルは全く反応せず,定量的に回収されることを明らかにした.以上,一酸化炭素との反応において,セレンとテルルの反応性に大きな差異が見られることを明らかにした.これを利用することにより,セレンを液相に,テルルを固相に選択的に集積することが可能になると考えられる.今後の研究は次の実験計画に沿って進める. 1.微量のセレンおよびテルルの簡便な分析法を確立する.2.一酸化炭素に対する反応性の差異を利用する本系に改良を加え,一酸化炭素および,アミンを回収,再利用する反応系を創出する.3.最適反応系を設計するため,セレンおよびテルルの基礎的反応特性の解明を継続する.本研究は,セレンとテルルの化学的反応性の差異を利用する新しい分離精製法の開発を目的とするものであるが,その推進にあたっては実用化を考慮し,使用する試薬を,水素,一酸化炭素,水,およびアルコール,アミノ等,安価で多量に供給できるものに限定した.現在既に,一酸化炭素に対する反応性において,セレンとテルルに大きな差異があることを見い出し,今までに得られている予備的知見を組み合わせて,以下二つの可能性のある新分離系を設計した. 1.CO/アミン反応系単体セレンは,常温,常圧の温和な条件下,一酸化炭素,アミン類と容易に反応し,セレノールカルバミン酸となり,均一溶液を与える.一方,テルルはこの条件では全く反応せず,未反応で回収された.また,セレノールカルバミン酸をアミン共存下加熱することにより,尿素と共にセレン化水素を生成することを見い出した.セレン化水素は,空気で処理することにより容易に酸化され,定量的にセレンを回収する事ができた.2.CO/H_2O反応系水を溶媒として用いることにより,一酸化炭素加圧下,単体セレンが容易に反応し,一段階でセレン化水素を与えるが,同条件下テルルは全く反応せず,定量的に回収されることを明らかにした.以上,一酸化炭素との反応において,セレンとテルルの反応性に大きな差異が見られることを明らかにした.これを利用することにより,セレンを液相に,テルルを固相に選択的に集積することが可能になると考えられる.今後の研究は次の実験計画に沿って進める. 1.微量のセレンおよびテルルの簡便な分析法を確立する.2.一酸化炭素に対する反応性の差異を利用する本系に改良を加え,一酸化炭素および,アミンを回収,再利用する反応系を創出する.3.最適反応系を設計するため,セレンおよびテルルの基礎的反応特性の解明を継続する.
集中定数素子内蔵多機能アンテナの研究

内部に集中定数素子を配置し多周波化したアンテナに関して、解析モデルを導出し、所望の多周波で使用できるアンテナを高精度かつ短期間に設計できる設計手法を示した。実際に試作を行い、2.5/5GHz帯・0.86/2GHz帯の小型多周波アンテナ、周波数可変2周波アンテナを開発した。さらに放射パターンの制御のため、アンテナ間干渉の回路モデルを作成した。それに基づき、単方向性放射パターンを有するアンテナを開発し、このアンテナを背中合わせに配置したアレイでは、受信信号間の相関が低減されることを示した。この相関低減は、MIMO用アレイアンテナでは、伝送容量増大に有効なことを示した。第1にアンテナ等価回路を用いた、所望の多周波で使用できる小型多周波アンテナの研究を行う。昨年度開発したシリーズ容量、シャントインダクタをアンテナ内に内蔵した2.5GHz/5GHz帯2周波アンテナの等価回路を用いて、0.86/2GHz帯の小型2周波設計・試作した。等価回路の解析から、シャントインダクタの損失が放射効率に最大の影響を及ぼすことを明らかにし、インダクタの線路幅最適並びにスパイアラル化を行い2周波とも実測総合効率50%以上を達成した。また2.5GHz/5GHz帯2周波アンテナの集中定数素子値をバラクタで制御することで、周波数可変の2周波アンテナを開発し、信学会で発表した。上記の等価回路は空間との結合回路・導体回路を独立にフィティングして求めたものであったが、集中定数素子内蔵の導体特性から空間との結合回路を導出する手法を導出し、導体特性のみからアンテナ特性を解析的に表現する手法の研究を行い、解決の目処を得た。第2に、放射パターンの制御方法を明らかにし、その応用としてアンテナ間の受信信号相関を放射パターン制御により低減しMIMO用アンテナアレイの伝送効率向上を図ることを目標とする。線路のみで構成されるアンテナ導体に関して、導体で導波される電磁界と放射電磁界の関係から昨年度導出したアンテナ入力インピーダンスの解析解の検証として、試作パターンを評価した。得られた実測値と解析式を数値計算したものと比較し、解析解は良い近似となっていることを実証した。さらに放射パターンの解析解も導出し、実測値と良く合うことを検証し、信学会及びAPMCで発表した。また2周波アンテナを2素子並べたアンテナのシミュレーション結果から、単方向性の放射パターンが得られ0.5以下の相関係数を得た。この相関係数の低下は伝送容量向上に有効であることを確認した。本研究では第1にアンテナ等価回路を用いた、所望の多周波で使用できる小型多周波アンテナの研究を行う。アンテナ導体のサイズのみ指定した場合でも、入力インピーダンスへの空間の寄与は、波動方程式の固有モードの1次結合で表現でき、小型アンテナでは一意に近似できる。これに着目し、今年度はアンテナ導体に集中定数素子を内蔵することで、所望の周波数で使用できるアンテナの実現を図った。集中定数素子の導体内への配置を工夫することで、2.5GHz/5GHz帯2周波アンテナを設計し、またその集中定数素子値を変化せることで、両帯域の共振周波数も制御できることをシミュレーション並びに実測値で実証した。また、放射を主に受け持つ中空に配置されたアンテナ導体の特性を詳細に調べるため、中空の結合線路の解析を行い、その応用として超広帯域バランが中空の結合線路で実現できることを理論・実験で実証し、信学会及びAPMCで発表した。今年度は、導体間の空間の分布定数回路を線状アンテナが放射するTM波について解析し、その等価回路を抽出した。また放射パターンはモードの励起比率制御であることに着目し、モード励起比率と導体上の電流分布の関係を解析した。放射電磁界は電流分布で定まるが、電流分布は放射電磁界により影響を受けるために相互に影響を及ぼしあい単純には求められない。そのため多重極展開で得られる高次モードを含む放射電磁界と電流分布の関係を与える式と、高次モードを含む放射電磁界のインピーダンスと線状導体の特性で定まる電流分布の関係を連立することで、解を導出した。またこの関係を確認する試作パターンを設計・製作した。今後この評価を行う。本研究では第1にアンテナ等価回路を用いた、所望の多周波で使用できる小型多周波アンテナの研究を行った。今年度は、内蔵集中定数素子と放射現象に関係する空間との結合回路とが相互に影響し合う関係を解析的に導出した。これを用いて、導体上の電流分布と放射現象を無矛盾に解くことで、集中定数素子によりどのようなメカニズムでアンテナが2周波で動作させることができるのかを理論的に解明した。また試作した2.5/5GHz帯の2周波アンテナで実験的にも実証した。

またその結果を国際会議IEEE-AWMCで発表した。さらに、動作周波数が、内蔵集中定数素子の素子値にどのように依存するかを明らかにし、2つの動作周波数を制御する方法も解明した。さらに、上記は比較的狭帯域のアンテナにしか適用できないため、広帯域アンテナにも適用できる、電磁界の高次モードを含む理論解析を行い、自己補対アンテナ・ボウタイアンテナ等の導体のなす角度が大きくなった場合広帯域になる現象を理論的・実験的に検証し、信学会で発表した。第2に、放射パターンの制御方法に関しては、昨年度放射パターンを制御することでMIMO用アンテナアレイの伝送効率向上が可能なことを確認したので、高次モードを含めた放射パターンの解析を理論・実験の両面で進めた。導体のなす角度を10°から120°の範囲で振った場合の、入力インピーダンス・放射パターンの変化を、モード展開を用いた理論解析、シミュレーション、試作評価で確認し、導体のなす角度が大きくなるほど反射損失が良い帯域幅が広くなり広帯域化が可能なこと、その理由は放射パターンの解析から、角度が大きくなると高次モードが抑制されることを示し、信学会で発表した。マイクロ波工学第1の所望の多周波で使用できる小型アンテナに関しては、2周波アンテナを実現する集中定数配置を改善し、小型でも高い放射効率が実現できる構成を開発した。また、内蔵素子値をバラクタで制御することで可変2周波アンテナを開発した。さらに集中定数素子内蔵導体の場合に関しても、アンテナ特性の解析式導出の目処を得た。第2の寄生素子を含む多体アンテナを用いた、MIMO用アンテナの研究で目標に挙げた近接した寄生素子を有するアンテナの等価回路モデルの実験的な検証を行い、実測値と解析値がよく合うことを示した。またこの放射パターンシミュレーション値で、伝送容量が改善できることを示した。第1の所望の多周波で使用できる小型アンテナに関しては、2周波アンテナを実現する集中定数配置を決定し、シミュレーション、実測で実際に良好な2周波アンテナが実現できることを実証し計画通りに達成した。さらに、集中定数素子値を変更して等価回路の振る舞いとよく一致することも確認した。第2の寄生素子を含む多体アンテナを用いた、MIMO用アンテナの研究で目標に挙げた有限距離の導体間の空間結合を解析し、線状アンテナ等のTM波アンテナの導体間の空間結合の等価回路を抽出した。また線状導体における電流分布、放射電磁界を解析的に抽出し、概ね予定通りである。概ね計画通りに進捗しており、次年度も当初計画通りに研究を進める。今年度は理論解析を中心にしたため使用予定額を下回った。この金額を来年度に回し、試作を増やして実験的検証を加速し当初目標を確実に達成する。物品費、旅費、その他いずれも有効に使用しわずかに使用予定額を下回った。この金額を来年度に回し、予定使用額以外に測定に必須なプローブを1個追加して発注する予定。
エマルジョンサイズ剤による表面処理シートの撥水性発現メカニズムの解明

紙の重要な表面特性である機水性(サイズ性)の機能発現メカニズムについて、エマルジョンサイズ剤による表面処理シート表層のX線光電子分光分析(XPS分析)を中心に以下の知見を得た。1.シート中のカチオン成分がサイズ性発現に重要な役割を担っており、ロジン系サイズ処理であってもアラム(紙の劣化成分)を使用する二となく、ポリアミドアミンニピクロロヒドリン樹脂やポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドのような4級カチオン性高分子で代替することが可能であった。2.サイズ処理後に気相Brラベル化することによって、2D-XPS分析によるマッピングが可能となった。この新規な手法により、従来提唱されていたサイズ成分の均一な分布に加えて、水の浸透に対するサイズ成分の分布安定性の重要性が明らかとなった。3.ロジン成分のモデル化合物としてアルキル直鎖とカルボキシル基を有する脂肪酸を適用することによって、より詳細なサイズ紙表層のXPS元素分析が可能となった。その結果、シート中のサイズ成分量が同じであっても、繊維表面のサイズ成分由来のXPS光電子検出量と紙のサイズ性との間に極めて高い相関関係が確認された。4.XPSと熱分解GCを組み合わせることによって、シート表面のサイズ成分の微小な凝集挙動を評価することが可能となった。これは、これまでのSEMによる客観性にやや疑問の残る手法と比較して、信頼性が非常に高い。この手法を利用して、極少量のサイズ成分が紙のマクロな撥水性に効率的に寄与するサイズ性発現メカニズムの最重要課題であるサイズ応答性(サイズ性発現効率)について、アルキル鎖の異なるサイズ成分の混合とシート中のカチオン成分の存在が、どちらもサイズ分子の凝集抑制効果となって現れ、シート表面のサイズ分布をより均一にし、紙のサイズ性を決定していることが明らかとなった。紙の塗工効率・印刷適性・筆記性の向上等を目的としてほとんどの紙・板紙に適用されているサイズ処理(親水性の紙に相反する性質である撥水性を付与する処理)の中でも、抄紙環境に影響されず、排水処理負荷がほとんどない表面サイズ処理システムおよび表面サイズ紙のサイズ性発現機構について検討を行った。1.表面サイズ処理用原紙の特性表面サイズ効率は原紙のサイズ性に大きく左右されることが知られており、未サイズ紙に表面処理だけでサイズ性を付与することは非常に困難であるが、その要因の1つとして、シート中のカチオン成分の関与が示唆された。さらに、ロジン系サイズ剤を使用する場合に必要不可欠であると考えられていたアラム(硫酸アルミニウム・紙劣化の原因物質)を全く使用することなく、4級のカチオン性高分子のみを内添処理したシートにおいても、アラム内添シートと同等以上の非常に良好なサイズ性発現効率が得られ、抄紙工程の中性化に対応しつつ、安価なロジン系エマルジョンサイズ剤を利用可能な表面処理システムの優位性が示された。2.紙中サイズ成分の分布状態とサイズ性との相関紙中のエマルジョンロジンサイズ成分を気相で臭素ラベル化した表面サイズ処理シートにX線光電子分光分析を適用し、シートの0.2mm×0.2mmの範囲を1024分割してBr3dピークとC1sピークの面積比から定量的分布評価を行った結果、シート中のサイズ成分量が同じで、その初期分布状態(サイズ成分の局在化の度合い)が同様であっても、シートのサイズ性には明らかに違いがあり、特に水の浸透に対する分布の安定性がシート中のカチオン成分量と高い相関を示し、最終的なサイズ性発現効率の向上に寄与することが示唆された。また、その他にもアラム内添抄紙系の繊維荷電特性に関して、系内のアルカリを利用したAl成分の繊維表面への優先的な吸着挙動との相関が明らかとなった。

この手法を利用して、極少量のサイズ成分が紙のマクロな撥水性に効率的に寄与するサイズ性発現メカニズムの最重要課題であるサイズ応答性(サイズ性発現効率)について、アルキル鎖の異なるサイズ成分の混合とシート中のカチオン成分の存在が、どちらもサイズ分子の凝集抑制効果となって現れ、シート表面のサイズ分布をより均一にし、紙のサイズ性を決定していることが明らかとなった。
細胞内カルシウムイオンの変動を指標とした新しい制癌剤感受性試験

悪性腫瘍に対する化学療法の有効性を高めることを目的としていろいろな制癌剤感受性試験が開発され、臨床応用が試みられている。個々の癌組織の制癌剤感受性に基づいて投与薬剤を決定することは、今後の治療の進むべき方向であるが、現時点では万人が認める制癌剤感受性判定手段はない。本研究では、従来の制癌剤感受性試験よりさらに有用な制癌剤感受性試験を新たに開発することを目的とした。制癌剤感受性の指標として、新たに細胞内カルシウムイオンCa^<2+>濃度の変動に着目し、制癌剤感受性試験としての有用性をin vitroおよびin vivoの実験系で評価した。今までわれわれが行なってきた、in vitroのsuccinate dehydrogenase in hibitiontest(SDI法)、ATP法やin vivoのsubrenalcapsule assay(SRC法)と比較を行なった。さらに臨床応用に向けて、迅速、簡便、確実な試験方法を確立することを試みた。細胞内カルシウムイオンの変動が制癌剤による癌細胞の殺細胞効果とよく相関するという新知見を得て、細胞内カルシウムイオン濃度の変動が制癌剤感受性を判定する新しい指標として有用であることが明らかとなり、今後、有用な制癌剤感受性試験として応用できると考えられた。現在、胃癌を中心とした消化器癌組織による制癌剤感受性を細胞内カルシウムイオンの変動を指標とした試験により判定し、臨床効果との相関を検討中である。個々の癌組織の制癌剤感受性に基づいて投与薬剤を決定することは、今後の治療の進むべき方向であるが、現時点では万人が認める制癌剤感受性判定手段ではない。制癌剤感受性の指標として、新たに細胞内カルシウムイオンCa^<2+>濃度の変動に着目し、制癌剤感受性試験としての有用性をin vitroおよびin vivoの実験系で評価する。さらに臨床応用に向けて、迅速、簡便、確実な試験方法を確立する。細胞内Ca^<2+>変動が制癌剤による癌細胞の殺細胞効果とよく相関するという新知見を得て、細胞内Ca^<2+>濃度の変動が制癌剤感受性を判定する新しい指標として有用であることが明らかとなった。個々の癌組織の制癌剤感受性に基づいて投与薬剤を決定することは、今後の治療の進むべき方向であるが、現時点では万人が認める制癌剤感受性判定手段でない。しかし、本研究担当者はこれ迄制癌剤感受性試験の研究、開発および臨床応用に従事しており、新しい制癌剤感受性試験を開発する際に、既に得られた制癌剤感受性試験に関する知識と技術が有用な基礎となる。Ca^<2+>が細胞機能発現のためのセカンドメッセンジャーとして重要な役割を担っていることは衆知の事実である。細胞ないしCa^<2+>濃度に関しては、放射線や温熱による細胞に対するダメージは細胞内カルシウムのホメオスタシスに破綻を来たす事が報告されており、細胞の死にCa^<2+>が大きく関わっている事が知らされている。細胞内Ca^<2+>の変動が制癌剤による癌細胞の殺細胞効果とよく相関するという新知見を得て、細胞内Ca^<2+>濃度の変動が制癌剤感受性を判定する新しい指標として有用であることが明らかとなった。

個々の癌組織の制癌剤感受性に基づいて投与薬剤を決定することは、今後の治療の進むべき方向であるが、現時点では万人が認める制癌剤感受性判定手段はない。本研究では、従来の制癌剤感受性試験よりさらに有用な制癌剤感受性試験を新たに開発することを目的とした。制癌剤感受性の指標として、新たに細胞内カルシウムイオンCa^<2+>濃度の変動に着目し、制癌剤感受性試験としての有用性をin vitroおよびinvivoの実験系で評価した。今までわれわれが行なってきた、in vitroのsuccinate dehydrogenase in hibitiontest(SDI法)、ATP法やin vivoのsubrenalcapsule assay(SRC法)と比較を行なった。さらに臨床応用に向けて、迅速、簡便、確実な試験方法を確立することを試みた。細胞内カルシウムイオンの変動が制癌剤による癌細胞の殺細胞効果とよく相関するという新知見を得て、細胞内カルシウムイオン濃度の変動が制癌剤感受性を判定する新しい指標として有用であることが明らかとなり、今後、有用な制癌剤感受性試験として応用できると考えられた。
膵臓幹細胞の細胞生物学の確立

まず膵幹細胞が存在すると考えられている膵導管細胞におけるアクチビンの発現について検討を行った。アクチビンは膵幹細胞の分化、とくに内分泌細胞への分化誘導を促進することが明らかになっている因子である。マウス膵導管にはアクチビンAおよびBが発現していた。ストレプトゾトシンや部分膵切除によりβ細胞量の減少を惹起すると、導管細胞中のアクチビンのmRNA発現が誘導された。同時に蛋白レベルでも発現増加が認められた。アクチビンが膵幹細胞のオートクリン因子であること、β細胞量の減少により分化誘導因子の発現が誘導されることが明らかになった。次に腺房中心細胞の培養系を確立し、この細胞を分化誘導させる因子などについて検討を行った。腺房細胞をFGFの存在下に培養すると、PDX-1陽性、PGP9.5陽性の細胞がコロニーを形成した。この細胞はアクチビンの添加によりnerugenin3陽性、GLUT2陽性細胞に分化し、さらにベータセルリンの添加によりインスリン陽性細胞へと分化した。インスリン産生細胞へと分化したのは約20%であった。これらの細胞は電子顕微鏡を用いた観察により膵β細胞に類似した分泌顆粒を有し、またグルコースだけでなく、アセチルコリン、GLP-1などに反応してインスリン分泌が増加し、形態学的・機能的に膵β細胞に相当する性質を示した。1)膵導管におけるアクチビンの発現の検討膵幹細胞の存在すると思われる膵導管細胞における分化誘導因子アクチビンの発現を検討した。アクチビンβAサブユニットおよびβBサブユニットは膵導管に発現していた。その発現は膵部分切除やストレプトゾトシン投与後に増加し、膵再生と密接な関係にあるものと考えられた。アクチビンは膵腺房内に存在する介在部導管細胞にも発現していた。2)膵内分泌前駆細胞の培養つぎに膵腺房を採取し、それを低濃度血清存在下に培養した。やがて腺房細胞は死滅し、わずかではあるが小型の形態学的に上皮細胞と思われる細胞群が得られた。これらの細胞は膵導管細胞のマーカーであるサイトケラチン陽性で、またアクチビンのβAサブユニットおよびβBサブユニットのmRNAを発現していた。これらの結果から、この小型細胞は膵腺房内に存在する介在部導管細胞であると考えられた。この介在部導管細胞は膵内分泌腺のマーカーとなる蛋白を発現してはいなかった。しかし分化誘導因子アクチビンとベータセルリンの存在下に培養を行うと、インスリンを産生する細胞へと分化した。したがってこの系を用いることによって導管細胞からインスリン産生細胞への分化過程を解析することが可能であると思われる。
体育科教育における課題解決学習と課題解決能力の形成-教材・共同的な学習システム・課題解決行為のダイナミックな関係性-

本研究の目的は、体育科教育における課題解決学習の過程、構造、実践的な成り立ちを解明することである。課題解決学習について解明することは、単にふさわしい学習方法や学習形態を提示することではない。より重要な研究課題は、人間の共同的かつ主体的な学習行為についての本質的な認識に基づいて、教授-学習過程における教師と学習者の相互行為や教材の構成のダイナミックな関係を明らかにすることであると考える。本研究の成果は次の通りである。(1)体育科教育における課題解決学習に関する研究方法に新しい方法論的な観点を提起した。それは、課題解決学習の複合的な性質に応じた複合的なアプローチである。(2)体育科教育における課題追求と課題解決の総合性を示した。スポーツ実践における課題追求は、共同性をともなう技術的な追求、組織的な追求、社会的かつ個性的な追求が三位一体となった総合性を特徴としている。(3)問題状況から課題を組織的に創出するダイナミックな過程について、理論的な検討を加えて概念モデルを導いた。それは問題状況から主体が得た意味的な情報を組織的な情報の統合によって明示的な課題に変換する過程である。その過程は多様な位相をともなう螺旋的な展開である。(4)授業-実践についての事例的研究から、問題状況から課題を組織的に創出する過程においては、教師の実践的な問題意識や教材解釈や学習者との相互行為が重要な役割を果たすことが明らかになった。(5)教授学習の相互行為が構成する場面をミクロに分析した結果、循環的な課題解決行為が繰り返し生成されていた。それは、教授のねらいにそって創出され構成される場面、具体的な場や状況が客観的に要求することがら、場や状況から意味ある情報を主体的また共同的にピックアップする教授学習行為、そうした行為によって再構成される場や状況からなる螺旋的な展開である。今年度は「課題解決行為」と「共同的な学習システム」の二つを考察対象として両者の関係、その相互創出的なダイナミックスに迫ることが課題であった。その場合、教師の指導や教科内容がこのダイナミックスにどう関与するのかも含めて探求しようと考えた。かかる研究課題に対して、日本体育科教育学会第4回大会では上述の相互創出的関係の仮説モデルを構成し提起した。そこで「構造」・「機能」・「意味」という「共同的な学習システム」の三側面と、それを反映(内面化)した「習慣的行為」・「合理的行為」・「自省的行為」という三つの性格をもつ課題解決行為による相互創出的なダイナミックスを示し、水泳の実践事例を手がかりとしたイメージモデルを提起した。そして共同的な学習システムにおける教師の指導的役割の問題、そして課題解決の対象・内容をどう捉えるのかという問題が投げかけられた。これについてはその後の研究討議において検討された。前者については、教師・子どもの相互主体関係における指導性は、基礎的な教科内容の想定・見通しづくりとそのもとでの具体的な学習対象の共同決定という二つのレベルで捉えた。後者については、課題解決の対象・内容は合目的的な課題解決のための技術学的内容、スポーツ組織問題における規範やルールの合意形成、これら二つの社会文化的意味づけや問い直しによるつくりかえという三つの領域で捉えた。今年度は主に概念システム、仮説モデルの検討が中心となり、事例研究や授業観察・研究に踏み込むに至らなかった。そのため現在、授業観察の対象の絞り込みと対象間の関係を記述するための指標づくりを検討している。平成12年度の研究課題は、(a)「共同的な学習システム」における教師の指導的役割の位置づけ、および課題解決の対象領域の構造を理論的に明らかにし、(b)教授-学習という相互主体的活動における課題の共同的な探究と課題内容の創造的な決定プロセスを明らかにすることであった。

こうした研究課題について、平成12年11月17日の日本スポーツ教育学会第20回記念国際大会において「体育の教授-学習活動における共同的な課題の追求過程」と題する研究発表を行い、本発表を日本スポーツ教育学会第20回記念国際大会プロシーディング論文としてまとめた(査読審査も完了している)。そこでは、第一に教師の指導的役割の位置づけとして、(1)主体-主体関係論の積極的意味、(2)教科の文化・科学の真理認識と主体-主体関係の原理的つながり、(3)教科内容・教材の共同決定における教師の指導、(4)「対話的他者」としての教師の役割について論及した。第二に、体育における課題追求の総合性について、(1)プレイの学習の多面的な位置づけ、(2)スポーツ実践の全体像と体育の学習課題の領域構成を示した。第三に課題の創造的・共同的な探究過程について実践事例にそって考察し、(1)教授-学習において提起される「問い」の意義、(2)「問題状況」から「課題」が創出される四つの局面(「問題状況」の実践的文脈の共有、「問題状況」、の意味づけ、「課題」の定式化、課題解決行為の実施、(3)教師の教科内容や実践テーマについての問題意識の役割、(4)異質共同・協働のグループ学習の意義が明らかにされた。
細胞内酸性小胞からの毒素タンパク質の細胞内遊離機構の解析

本研究は、ジフテリア毒素を材料に、プロトンATPaseによるエンドソームの酸性化機構と酸性化を引金とするタンパク質の膜通過機構の解明を目指すものである。今年度は、cell-permealizationによる実験系の構築を行い、ジフテリア毒素のエンドソーム膜通過機構の解析を行った。Clostridium perfringensのtheta毒素は、細胞膜のコレステロールに結合子、細胞膜にタンパク質が通過できるような穴を開ける。そこで、ジフテリア毒素を取り込んだ細胞に、theta毒素を作用させて細胞膜に選択的に穴を開け(cell permealization)、細胞質に遊離したジフテリア毒素フラグメントA分子を回収する実験系を開発した。得られた系を用いて、種々の条件下での毒素の通過の効率を測定し、1)リセプターに結合しているジフテリア毒素は約20分で細胞質に到達する、2)この過程でジフテリア毒素のAフラグメントとBフラグメントの間に蛋白分解酵素(おそらくfurin)によるニッキングが起こる、3)V-ATPaseの阻害剤であるbafilomycin A1は毒素分子のエンドソーム膜通過を完全に抑えるが、4)ニッキングは阻害しない、ことを明らかにした。次に、毒素分子Bフラグメント内の疎水性領域に変異がある毒素について膜通過効率を調べた。その結果、毒素分子のE349,D352は膜通過過程に非常に重要であることが明らかになった。また、フラグメントAのADPリボシル化活性は、膜通過には影響しないことが明らかになった。
光誘起超高速機造変化の研究

昭和60年度には研究課題に関連する分野の現状と問題点を把握し、研究者間の研究課題の相互理解を深めるため、那須野荘において60年10月5日、6日の両日研究会を開催した。そこではアルカリハライド結晶中の励起子の緩和とそれに伴う構造変化(色中心生成)、Cdハライド結晶,アルカリ銀ハライド結晶,芳香族結晶,層状結晶の励起状態,半導体混晶,カルコゲナイドガラス,アモルファス半導体の発光等につき討論され、今後2年間の研究方針が検討された。昭和61年度には2年間の研究成果のまとめのため、冨士教育研修所において、62年1月12日14日の3日間研究会を開催した。対象となった物質はアルカリハライド結晶,その混晶,【InI_2】等の層状結晶,銀ハライド結晶,アモルファス半導体,カルコゲナイド半導体,ZnTe等化合物半導体,ピレン結晶等有機物結晶,色素等多くの物質に及び、それら物質中での、自由励起子,緩和励起子,その間の緩和過程,緩和励起子からの欠陥生成,色中心及び不純物中心中での励起状態の緩和過程,発光準位過程,電子・正孔再結合,光誘起欠陥,無輻射緩和,欠陥と電子格子相互作用,光誘起結晶化,2次放出光,コヒーレント光による緩和励起等多彩な現象の研究が行われた。その結果、研究目的とした物質中での光誘起に伴う緩和過程とそれに続く構造変化について多くの成果ないしは知見を得ることが出来た。これらの成果は今後光誘起超高速構造変化に関する研究の基礎となり、更に研究が広く、深く展開し、基礎・応用の両面に寄与するものと考える。
新しく発見されたマウス劣性白内障の原因遺伝子のクローニング

RCT(Rinshoken Cataract)マウスはSJL/Jマウス由来の自然発症の突然変異で、先天性白内障を発症する。このマウスがヒト白内障の成因メカニズムの解明に有効なモデルマウスとなると考え、遺伝解析を行い、以下の結果を得た。1.RCTマウスの特徴白内障は生後約3.5ヶ月で肉眼によって容易にみとめられ、小眼球症を伴う。水晶体皮質部では繊維構造が消失し、上皮細胞は膨張して、空包を多数含む。白内障の発症には雌雄の差はなく、F_1マウスを用いた解析のから表現型は劣性で、原因遺伝子は常染色体上にあることが示唆された。2.原因遺伝子の同定日本産野生マウス由来の近交系、MSM/Ms,を用いて作成した4-5ヶ月齢の亜種間戻し交配マウスはその表現型から3つのグループに1:1:2の割合で分離された。即ち、(1)肉眼で容易に白内障を観察できる(Early onset)、(2)白内障の発症が遅く、肉眼では正常に見える(Late onset)、(3)正常の水晶体を持つ。連鎖解析の結果、第4染色体上の劣性の原因遺伝子(rct)と第5染色体上の劣性の修飾遺伝子(mrct : modifier of rct)が同定された。3.原因遺伝子のクローニングrct遺伝はD4Mit74とD4Mit122の間の約1.5cMの領域に存在する。この領域を狭めるために、約1OOO頭の亜種間交雑系を新たに作成し、連鎖解析を行なうとともに、BACcontigの構築をおこなった。その結果、rct遺伝子が存在する領域は約600kbp長までせばまり、その領域のBAC contigをほぼ構築した。この領域には6個のESTが存在しており、これらがrctの候補遺伝子である可能性は非常に高い。mrct遺伝子についてはその存在可能領域はまだ約21cMの長さがあるので、この領域を縮小するために連鎖解析を進めている。われわれは新しいヒト先天性白内障モデルマウスとしてSJL/J由来の突然変異マウス、RCT(Rinshoken Cataract)を発見した。白内障は生後3-3.5ヶ月のマウスに肉眼で容易に認められ、小眼球を伴う。病理組織学的解析によると、透明性を失われた水晶体レンズでは皮質部の水晶体繊維の微細構造が消失し、上皮細胞は膨張し大きさの異なる多数の空砲が含まれていた。わずかな変化は生後2日目のレンズにも認められた。遺伝解析には日本産野生マウス由来の近交系マウス、MSM/Msを使用した。RCTマウスの白内障の発症は雌雄による差がなく、F1マウスでは白内障の発症が認められなかった。このことはRCT白内障ガ劣性の表現型であり、その原因遺伝子は常染色体上にあることを示している。原因遺伝子のマッピングのために作成された413頭の生後4-5ヶ月RCTx(RCTxMSM)F1戻し交配分離固体は表現型によっては3つのグループに分離された。すなわち、1)RCTマウスと同様に肉眼で容易に白内障を観察できる(Early-onset),2)肉眼では正常にみえるが、病理解析では白内障を発症している(Late-onset),3)正常レンズをもつ。

104のマイクロサテライトマーカーを用いてPCR-SSLP法により連鎖解析を行ったところ、第4染色体のD4Mit278の近傍にあるrct遺伝子(no recombination)と第5染色体のD5Mit239近傍にある修飾遺伝子、mrct(a modifier of rct,P<<0.00001)の2つの遺伝子の相互反応によって白内障の表現型が決定されることが明らかになった。現在、positional candidate cloning法およびpositional cloning法により、遺伝子の単離を進めている。先天性、老人性を含めてヒト白内障はその症例数も多く、眼科における重要な疾病の一つとなっている。けれども、その成因メカニズムについてはまだ十分に解明されていない。RCT(Rinshoken Cataract)マウスはSJL/J近交系マウス由来の自然発症の突然変異で、先天性白内障を発症する。我々はRCTマウスがヒト先天性白内障のモデル動物になると考え、遺伝解析を開始した。昨年度までの遺伝解析の結果、第4染色体上の劣性の原因遺伝子(rct)と第5染色体上の劣性の修飾遺伝子(mrct : modifier of rct)が同定され、RCTマウスは2つ遺伝子の相互反応によって発症が規定される新しいタイプの白内障モデルマウスであることが明らかになった。今年度はこれらの原因遺伝子の単離がヒト白内障の成因メカニズムの解明に貴重な情報を提供できると考え、原因遺伝子のクローニングを進めた。rct遺伝子は表現型と遺伝型が完全に一致するD4Mit278マイクロサテライトマーカーをはさんでD4Mit74とD4Mit122の間の約1.5cMの領域に存在する。この領域をさらに狭めるために、日本産野生マウス由来の近交系のMSM/MsやJF1マウスを用いて亜種間交雑系を新たに作成し、PCR-SSLP法、PCR-SSCP法を用いて連鎖解析を行なった。またこれと平行してBACを用いた解析を開始した。その結果、rct遺伝子が存在する領域は約600kbp長までせばまり、その間のBAC contigをほぼ構築した。この領域には6個のESTが存在しており、これらがrctの候補遺伝子である可能性は非常に高い。現在、候補遺伝子の解析を行なうとともに、BAC transgenesisによるレスキュー実験を開始した。mrct遺伝子についてはその存在可能領域はまだ約21cMの長さがあるので、この領域を縮小するために連鎖解析を進めている。
光駆動の分子機械を創成するための基盤研究

合成分子系とモータータンパク系の分子機械について光駆動または制御の仕組みを導入することを試みた。合成分子系では、光異性化反応を示すアゾベンゼンと芳香環からなるローター部位をスペーサーを介して環状に結合した化合物を合成し、スペーサー長及びローター部の嵩高さを調整することで、分子内回転運動を完全に光ON-OFF制御する分子を実現した。モータータンパク系では、キネシン/微小管系を用い、基板表面や阻害剤やATP分子内にアゾベンゼン部位を導入する手法で運動の速度を可逆的に光制御できることを明らかにした。動植物のマクロな動きや細胞内の物質移動は分子レベルで生体分子機械によって精緻に制御されている。その最も基本的なメカニカル作用である単一分子内の運動制御と1次元分子移動を人工化合物で実現することは、単に自然をより深く理解するばかりでなく、人類にとって有用な分子メカニカル機能の創出へとつながる。本研究課題では、フォトクロミズムの特徴である光による可逆的な構造変化を利用して、光駆動できる分子機械の実現を目的としている。具体的には、(1)分子内の回転運動の光制御、(2)高分子または分子組織体のブラウン運動の光制御が本研究の目標である。分子内回転運動の可逆的光制御を可能とする化合物としてアゾベンゼンと1,5-ジオキシナフタレンを環状に結合した化合物1を合成し、トランス体とシス体でのナフタレン環の回転速度をNMR測定によって見積もった。その結果、366mm光と436mm光を用いた可逆的な光異性化反応により、回転速度を可逆的に制御できることが明らかとなった。また、光で1次構造や集合状態を変化させることで運動機能を達成することを目指して光応答性オリゴマーの研究を行った。アゾベンゼンを含有する開始剤を用い、ATRP法によってN-イソプロピルアクリルアミドの重合を行い、末端に光応答性部位を有する分子量のそろったオリゴマーを得た。本オリゴマーは、水溶液中で光により凝集サイズを急峻に約100mmから1μmへ変化させ、白濁、透明状態を可逆的に変換することが可能であった。さらに、生体分子モーターの光反応による駆動を目指してATPアゾベンゼンATP部位を分子内に導入したアゾベンゼンを合成し、その水溶液中での光異性化反応を確認した。また、生体分子モーターであるキネシンとの相互作用や光異性化反応による相互作用変化を明らかにするための、光反応とモーティリティー実験(キネシンを施した基盤上で蛍光標識したキネシンの運動を顕微鏡観察する)を同時に行うための実験系を構築した。面不斉を有するアゾベンゼンを3種類合成し、ネマティック液晶を媒体とする光駆動分子機械のエンジン分子としての特性を調べた。ネマティック液晶に上記アゾベンゼンを添加することでキラルネマティック相を誘起し、配向膜を施した基板上で液晶薄膜はプラナー-ホメオトロピックのハイブリッド配向を示した。空気との界面に現れるホメオトロピック配向に基づく縞模様はアゾベンゼンの光異性化反応によって可逆的に回転した。回転量はアゾベンゼンの異性化反応に伴うねじり力変化の大きさに依存した。μmサイズの物体を液晶薄膜上に添加して同様の光反応を行うと液晶の縞模様の回転に伴って物体が可逆的に回転した。同様の現象は、ヘリカル不斉や軸不斉を有するフォトクロミックエンジン分子でもすでに観察されていたが、その現象が面不斉を有する添加剤でも現れる一般的な現象であることが確認できた。光応答性高分子による分子機械の構築に関しては、アゾベンゼン部位を末端に2つもつオリゴーN-イソプロピルアクリルアミドを新たに合成し、その相転移挙動について調べた。オリゴマーの水溶液における雲点を、365nm光および530nm光を照射した場合それぞれについて600nm光の透過率変化から求めた。その結果、従来型とは逆に365nm光に射時に転移温度の低温側へのシフトが起こることがわかった。アゾベンゼン分子の吸収スペクトルからは、希薄条件下であってもアゾベンゼン部位が会合した状態で分散しており、その会合は温度上昇にともなってほどけていく変化がみられた。このことから連結アゾベンゼン部位の特異な会合特性が、これまでとは異なる相転移挙動を引き起こした可能性が考えられる。今後、この特性を利用して光に集まる、もしくは光から逃げる高分子の特性を明らかにしていく予定である。モータータンパクを光で駆動する非加水分解性ATPアゾベンゼンの合成に関しては分子設計を終え、合成を進めている。光駆動分子機械のひとつとして、分子内回転を完全にかつ可逆的に紫外線と青色光でON-OFFできる分子ブレーキを世界で初めて合成することに成功した。ブレーキは、マクロな世界での自動車においてアクセルと同様に重要な機械であるのと同様に分子の世界でも重要である。

これまで分子内の回転運動を光で可逆的に制御することを目指した研究はいくつかあったが、いずれも回転を止めたり動かしたりを完全に制御することはできず、最もうまく止めた場合でも3回転/秒の回転運動を許していた。従来の研究では、化合物の設計にも問題があったが、回転運動の検出にNMRの手法を用いていることから数回/秒以下の遅い回転は検出することが難しく、完全に止まった状態であることを証明することができなかった。今回、完全に回転が止まった状態を「ラセミ化反応が起こらないこと」で証明する方法を新たに提案した。実際に光に応答して構造変化してブレーキとして働くアゾベンゼンと回転部位として働くナフタレンを適当なスペーサー分子鎖で環状に結合した面不斉化合物を新規にデザイン、合成した。本化合物では、アゾベンゼンがトランス構造を有するときには面不斉基づく鏡像異性体が安定に存在し、キラルカラムを用いて光学分割することができた。一方で、シス体へと光異性化反応を起こすとナフタレンが回転することをラセミ化反応が起こることから明らかにした。すなわち、ナフタレン部位の回転が起こる状態と完全に止まった状態を光でスイッチできることを示した。今後、分子自動車の部品として組み込んだり、機械的ねじりや円偏光等の物理的な不斉場を認識するキラル場センサーとして利用することが期待できる。キネシン/微小管系は、ATPの化学エネルギーを使って細胞内での物質移動を行うリニアモーター蛋白の一つである。本系の運動を人為的に望みの場所と時間で繰り返し制御するために、フォトクロミック分子表面の影響を調べた。ガラス基板表面に、末端にリジンを導入したアゾベンゼンの単分子膜を設け、その上にモーター蛋白であるキネシンを吸着してATPによる微小管の移動速度を蛍光顕微鏡観察により調べた。その結果、アゾベンゼンがトランス体の時に比べてシス体リッチの時のほうが、移動速度が約15%速くなった。その変化は、366nm光と>500nm光を照射することにより繰り返された。また、単分子膜表面の接触角測定により、トランス体表面に比べてシス体リッチ表面のほうがより疎水的であり、この接触角変化も上記の光照射により繰り返されることがわかった。さらに、単分子膜表面に対する微小管の親和性を測定したところ、トランス体表面に比べてシス体リッチ表面のほうが親和性が低く、この変化も光照射によりある程度繰り返されることが判明した。以上の結果より、基板表面の性質の変化によるキネシンの活性、もしくは微小管との親和性による微小管をつなぎとめるブレーキ特性の変化の2つの機構の可能性が示唆された。トランス体では分子内回転運動を示さず面性不斉による鏡像異性体が安定で、シス体でのみ分子内回転運動を起こしてラセミ化する新規単環型キラルアゾベンゼン(ベンゼンローター型)を合成した。この化合物を用いることで、円偏光によってラセミ体から一方の鏡像異性体を増やす逆ラセミ化を繰り返し起こすことが可能と考えられた。このラセミ体に、左右の円偏光を照射することより、一方の鏡像異性体を繰り返し増やすことに成功した。解析の結果、トランス体とシス体の両異性体の円偏光二色性が、得られた鏡像異性体過剰に寄与していることが定量的に示された。
資産証券化の価格決定分析

住宅ローン債権証券化に関しては、生存時間分析を利用したプリペイメント関数の推定を行った後、特定のプリペイメント関数(Weibull型ベースライン関数を持つ比例ハザードモデル)及び金利過程(Vasicek型金利過程)の想定の下、パススルー型MBS(住宅ローン担保証券)の価格評価をモンテカルロ・シミュレーションによって行った。但し、利用可能なデータの制約から、推定においては借り手の属性に関する非時間依存共変量しか扱えなかった。一方、シミュレーションにおいては、金利等の時間依存共変量とプリペイメントの関係が利用可能であることを仮定した。両者の乖離を無くし分析を完結させるには時間依存共変量データの取得が必要だが、この問題は将来の研究課題として継続したい。保険リスクの証券化に関しては、投資家の最適化行動と将来の不確実なペイオフの価値との一般的関係を導出した後、保険リスクの評価において伝統的なEsscher変換によるリスクの価値評価がCARA型と呼ばれる特定の効用関数を持つ投資家の最適化によるリスクの価値評価と同値であることを示し、そのような効用関数が含意する投資家の行動と実際の市場で観察される投資家の行動との違いを比較することで、Esscher変換によるリスクの価値評価を経済学的な視点から理論的に検討した。また、天候リスクの証券化(天候デリバティブ)については、天候データの取得と共に、非完備市場における価格決定問題として予備的な分析を行った。これらに加え、証券化市場の拡大によって、必ずしもすべての投資家が均質な情報を持つわけではない様々なリスクが取引されるようになる中、証券化金融商品が取引されるために、発行される証券のペイオフの設計(Security design)として取引されるリスクに課される制約や条件についても考察を行った。MBS等の住宅ローン債権の証券化におけるプリペイメント・リスクの分析については、プリペイメントの記述法の調査を行った。その結果、まず個々の住宅ローンの返済行動に関するデータが利用可能な場合については、生存時間分析の比例ハザードモデルを用いたプリペイメントのモデル化が行われること、パラメトリックな設定ならば利用しやすく実務への応用も容易であること、ノンパラメトリックな推定へも拡張されることが分かった。この方法を用いて分析を行うためのデータの収集は(債務者の個人情報となる可能性があるため)困難であるが、現在、公開可能なデータについて肯定的に交渉中である。分析に必要な統計ソフトウェアの整備は行ったので、来年度はこのデータを用いてプリペイメント・モデルの実証分析を行う予定でいる。一方、個々の住宅ローンの返済行動に関するデータが利用可能でない立場からのプリペイメント分析についても調査を行い幾つかのモデルを整理した。このアプローチは、個々の債務者について詳しい情報を持たない投資家の立場から、MBSへの投資を考えるのに役に立つ。その意味でのMBSへの最適投資問題も分析する予定である。保険リスクの証券化については、ジャンプ・リスクを評価するために利用されている状態価格の選択方法について考察した。その結果、大規模自然災害リスクの価格決定についてしばしば用いられるエッシャー変換法を、市場参加者である保険会社のリスク分担行動の結果と解釈することは、市場で観察される保険供給量の変動と整合的でないことが分かった。この意味で、保険リスクの価値をエッシャー変換を用いて評価することは、少なくとも大規模自然災害リスクについては経済的基盤を持たず、その利用には注意を要する必要があることになる。
嵩高いケージングによるタンパク質の多機能化

タンパク質表面に、刺激分解性リンカーを介して嵩高い保護基を修飾し、多機能性の刺激応答性ケージドタンパク質を創生する研究を行った。親水性ポリマー鎖を嵩高い保護基として修飾すると、加熱しても変性凝集が妨げられるほどタンパク質が安定化され、また、光照射による活性の大幅な回復が確認された。この成果は、タンパク質性医薬品を保管・運搬する際の安定化技術として有望である。また、嵩高い保護基を介したタンパク質の凝集現象を発見し、光溶解性のタンパク質ナノ凝集体として、タンパク質の制御・デリバリー技術として応用した。これらの成果に加え、還元条件や超音波に応答するリンカーの開発も行い、萌芽的な成果を得た。タンパク質表面に、刺激分解性リンカーを介して嵩高い保護基を修飾し、多機能性の刺激応答性タンパク質(ケージドタンパク質)を創生する研究を行っている。本年度は、嵩高いケージドタンパク質を細胞表層および細胞内で用いることができるのかについて検討を行った。その結果、細胞表層での光刺激に応じて、モデルタンパク質であるトランスフェリンが活性化できることが示された。この成果をもとに、薬剤修飾トランスフェリンを用いて、光照射に応じて薬剤を細胞内に運搬するシステムを開発した。また、嵩高い保護基で保護した毒性タンパク質を、市販の細胞導入試薬を用いて細胞内に導入し、細胞内で光活性化できるかも調べた。その結果、細胞毒性の無い弱い光を用いて、光依存的に細胞死を誘導できることが示された。以上の結果より、細胞内外での応用が可能であることが確認された。自発的に細胞内に移行する細胞透過性のケージドタンパク質の開発にも着手した。まず、光増感剤色素付きのポリアルギニンペプチドを使って、タンパク質を細胞質に送り込む技術の開発を試みた。その結果、色素付きペプチドを3個以上修飾したストレプトアビジンが、光照射をトリガーにして細胞質内に導入されることが示された。そこで、この色素付きペプチドを付けたストレプトアビジンを嵩高い保護基としてモデルタンパク質に修飾し、細胞質内への導入を試みている。また、これまでの光応答性リンカーを用いた光応答性タンパク質に加えて、還元剤分解性のリンカーを用いた還元環境応答性タンパク質の開発にも着手した。メルカプトエタノール二量体をベースとした還元剤応答性リンカーの合成を行い、このリンカーを介してタンパク質表面に嵩高い合成ポリマーを修飾する手法も確立した。当初の計画通り、細胞表層および細胞内で嵩高いケージドタンパク質が機能することを確認することができた。また、計画通りに、細胞質に自発的にケージドタンパク質を導入できるシステムの開発にも成功した。さらに、還元環境下で切断されるリンカーの合成と、リンカーを介した嵩高いポリマーの修飾方法も確立できた。これより、おおむね順調に進行していると判断した。タンパク質表面に、刺激分解性リンカーを介して嵩高い保護基を修飾し、多機能性の刺激応答性タンパク質(ケージドタンパク質)を創生する研究を行った。分子量5000程度のポリエチレングリコール(PEG)鎖を嵩高い保護基として光分解性リンカーを介してタンパク質に修飾すると、加熱しても変性凝集が妨げられるほどタンパク質が安定化され、また、光照射によって嵩高いPEG鎖を切断すると、活性が大幅に回復することが確認された。この成果は、タンパク質性医薬品を保管・運搬する際の安定化技術として有望であり、ベッドサイドまでのコールドチェーン問題(バイオ医薬品の冷蔵保管・運搬のコスト問題)を解決できると期待される。そこで、ベッドサイドで簡便にPEG鎖を光除去する実用化技術として、PEG鎖の末端に回収用のタグを導入することにより、光照射後に取り外されたタグ付きのPEG鎖が樹脂に結合してタンパク質水溶液から除去されることも確認し、これらの一連の成果を国内外に特許出願した。また、嵩高い保護基を介したタンパク質の凝集現象を発見し、光溶解性のタンパク質ナノ凝集体を作成する技術へと応用した。この技術を用い、酵素や鉄イオン運搬タンパク質、毒性タンパク質の光溶解性凝集体を作成し、凝集時にはその活性が抑制され、光溶解後は活性が回復することが示された。これらの凝集体は、生細胞上での光溶解を確認でき、光照射部位のみでの選択的な細胞内薬剤導入や細胞死誘導に応用可能であった。また、マウスの尾静脈から凝集体を注射し、生体内の血管を数時間安定に循環できることも確認された。これらの成果は、全く新しいタンパク質デリバリー法として注目され、新聞掲載や投稿論文によって発表済みである。また、これらの成果に加え、還元条件分解性リンカーや超音波応答性リンカーの開発など、刺激応答性の拡張も行い、萌芽的な成果も得られている。当初の計画通り、H28年度は、合成ポリマーを用いて高い水溶性と安定性を保持した嵩高いケージドタンパク質の開発に着手する。

また、H27年度に始めた刺激応答性の拡張や、細胞透過性の付与についても、開発したシステムの細胞内外での評価を進めたい。H29年度に計画している、実験動物を用いた機能評価に向けて、培養細胞を用いた実験系において土台となる技術をしっかりと確立したい。化学生物工学本年度、細胞内外で機能する嵩高い保護基の合成のための消耗品費を多く計上していたが、従来から用いてきた保護基でも機能することが確認できたため、計画していた合成実験を行う必要がなく、計画を下回る支出となったため。今回繰越す費用は、来年度以降、実験動物や安定性評価実験の結果をもとに、保護基の改良を行う際の消耗品費として使用する予定である。