hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
導管水同位体解析から評価した天水田イネの水資源獲得様式

土壌深層に存在する水分の獲得に優れる作物個体・系統を、フィールドレベルで探索する方法論として、作物導管に含まれる水分子の安定同位体比解析の有効性を検証するとともに、深層水分獲得に優れる作物の形態的・生理的特徴の把握を目的とした。ザンビアにおける調査で、地下水と降水の水素同位体自然存在比(δD値)を解析して次の結果を得た。すなわち、深層水δD値は季節変動がなくほぼ一定で推移するのに対して、降水δD値は大きく変動した。さらに、栽培作物から導管水を採取してδD値を解析したところ、降水δD値の変動に伴って導管水δD値も変動することを確認した。しかし、その変動パターンは作物種によって異なり、ある種は常に深層水δD値に近い値で推移した。この結果は、根を同様に深くまで発達させた個体であっても、深層水への依存度が種によって異なることを示唆している。さらに、根の内部形態を調べたところ、深層水依存度の低い種では皮層に細胞間隙が発達するのに対して、依存度の高い種ではそれが発達していないことがわかった。以上の結果から、作物導管水のδD値を解析することで、その個体の降水や深層水の利用能を評価できること、さらに深層水分獲得能が根の内部構造に規定される可能性を明らかにした。また、深根性作物が深層水をくみ上げて、それを隣接する植物に供給する現象(hydraulic lift)を、耕地生態系で初めて確認することにも成功した。さらに、この現象を促進するには遮光処理が有効であることも立証した。この思わぬ成果から、植物を灌概手段として活用する、という全く新しいコンセプトを打ち立てた。すなわち、これまでもっぱら水を与えられる受動的存在としての植物に、ポンプおよびスプリンクラー機能を能動的に付与することを意図するものである。このアイデアは、植物の利用価値を新たに開拓するものと位置づけられる。世界の稲作生産において、天水田は面積で約50%を占めるが収量では約20%にとどまっている。天水田稲作の低収量・不安定要因はほとんどが水の問題に起因する。すなわち、不透水土である硬盤層の存在が下層から作土への連続した水移動にとって大きな抵抗となり、硬盤層の下層土壌が比較的高い水分を保持しているにも関わらず、乾期に作土層が著しく乾燥する。本研究は、このような土壌条件下で、硬盤層下層に存在する水分の獲得能に優れる作物品種・系統をフィールドで探索するための方法論を確立すること、そして下層に存在する水分の獲得能を発揮させるための作物の形態的・生理的基盤に関する知見を得ることを目的とする。本年度は、バングラデッシュ北西部Rajshahiにある天水田稲作地域に赴く予定であったが、アメリカ同時多発テロに端を発した政情不安のため、現地に赴くことができなかった。しかし、現地圃場から硬盤層上層および下層からそれぞれの水サンプルを採取することができ、現在それらサンプルの水素同位体自然存在比(δD値)の解析を進めているところである。この解析を通じて、調査対象圃場における硬盤層を境にした、明確なδD値の違いが存在するかを確認する。また、ザンビアにおける調査では、地下水と降水のδD値を解析した結果、地下水のδD値は季節変動がなくほぼ一定の値で推移したのに対して、降水のδD値は大きな変動を示すことが明らかとなった。

さらに、現地で栽培されている作物からも導管水を採取してδD値を解析したところ、導管水δD値の変動には降水の影響が認められる一方で、作物体が降水だけでなく地下水も吸収していること、しかも個体によって地下水に対する依存度が異なることも確認した。この結果から、作物導管水のδD値を周辺の環境水のδD値と比較することで、その個体の深層水利用能を評価できる可能性が示唆された。天水田に依存した作物生産の低収量・不安定要因は、ほとんどが水の問題に起因する。特に、不透水土である硬盤層の存在が下層から作土への連続した水移動に大きな抵抗を示し、硬盤層の下層土壌が比較的高い水分を保持しているにもかかわらず、乾期に作土層が著しく乾燥する現象が知られている。本研究は、硬盤層下層に存在する水分の獲得能に優れる作物個体・系統をフィールドで探索するための方法論を確立すること、そして下層に存在する水分の獲得能を発揮させるための作物の形態的・生理的基盤に関する知見を得ることを目的とする。ザンビアにおける調査では、地下水と降水の水素同位体自然存在比(δD値)を解析した結果、地下水のδD値は季節変動がなくほぼ一定の値で推移するのに対して、降水のδD値は大きな変動を示すことを確かめた。さらに、栽培作物から導管水を採取してδD値を解析した結果、導管水δD値の変動には降水の影響が認められる一方で、作物体が降水だけでなく地下水も吸収していること、しかも個体によって地下水に対する依存度が異なることを明らかにした。この結果は、作物導管水のδD値を周辺の環境水のδD値と比較することで、その個体の深層水利用能を評価できることを示唆する。バングラデッシュ北西部Rajshahiにある天水田において、硬盤層上層および下層からそれぞれ水サンプルを採取した。各サンプルのδD値を解析したところ、硬盤層上層と下層とではδD値が有意に異なることを初めて確認できた。さらに、乾燥が進行するにつれて、硬盤層上層では土壌含水比が著しく低下するのに対して、硬盤層下層における土壌含水比はほとんど変化していなかった。これらの結果は、土壌中の水移動に対して硬盤層が大きな抵抗因子として作用すること、その抵抗がδD値の変動をもたらすことを意味し、作物導管水のδD値解析を適用可能であることを示唆する。本研究は、土壌深層に存在する水分の獲得能に優れる作物個体・系統をフィールドで探索する方法論として、作物の導管に含まれる水分子の安定同位体比解析の有効性を検証するとともに、深層水分獲得能に優れる作物の形態的・生理的特徴の把握を目的とする。さらに、深根性作物がくみ上げた地下水を隣接する植物に供給する現象(hydraulic lift)を、耕地生態系において初めて確認することに成功した。しかも、深根性作物を遮光することによって、このhydraulic lift現象を著しく促進できることも立証した。
ゼノフリー型セルフフィーダーシステムによるiPS細胞由来血小板製剤の臨床応用実現

本研究の最終目標はiPS細胞由来血小板製剤の臨床応用推進であり、今回はその基盤的培養システムとして「骨髄間葉系細胞の血小板・巨核球造血制御機能を応用した、高効率血小板産生法『ゼノフリー型セルフフィーダーシステム』の構築」を目的とする。平成30年度はヒトiPS細胞からの巨核球分化誘導の方法論確立に着手し、現在オンフィーダーとフィーダーフリーそれぞれの分化培養条件を検討している。また、iPS細胞からの巨核球の分化誘導の条件検討と並行してこれまで我々が検討してきたポドプラニン陽性間葉系細胞のフィーダー細胞としての有用性をマウス由来細胞で検討を進めた。その結果、ポドプラニン陽性間葉系細胞は培養条件下においても巨核球造血を促進することが明らかになったが、巨核球から産生される血小板がポドプラニン陽性間葉系細胞に非特異的に接着することが明らかになった。当初の予定ではiPS細胞から巨核球と間葉系細胞それぞれを分化誘導して共培養する計画を考えていたが、フィーダー細胞上での巨核球・血小板産生は回収血小板数に影響するため、新たな培養系の開発に向けた代替案を模索している。平成30年度の研究によって、ポドプラニン陽性間葉系細胞は培養条件下においても巨核球造血を促進することが明らかになったが、巨核球から産生される血小板がポドプラニン陽性間葉系細胞に非特異的に接着することが明らかになった。当初のフィーダー細胞存在下での巨核球・血小板産生の実験系に代わる代替案を模索する必要があるため、進捗はやや遅れているとした。当初計画していたiPS細胞から巨核球と間葉系細胞それぞれを分化誘導して共培養する実験系はフィーダー細胞上での巨核球・血小板産生は回収血小板数に影響することがわかり、新たな培養系の開発に向けた代替案の考案が必要である。ポドプラニンが巨核球造血を支持することは間違いないため、細胞ベースの巨核球培養系に代わる非細胞バースの巨核球・血小板産生技術を目指し、現在1つのアイディアの有用性の検討を進めている(現在検討中のアイディアについては研究の独自性を保つため、結果がまとまるまで非開示とする)。当初予定していたフィーダー細胞と巨核球の共培養系では産生された血小板の回収が難しいことが判明し、iPS細胞からフィーダー細胞(間葉系細胞)への分化誘導系実験に変更が生じたため。翌年度に繰り越した分は、新たな培養系開発のための細胞培養用消耗品として使用する。
ガスタービン用超高温耐熱材料の表面修飾とレーザー分光法による基礎解析

本一連の研究では、C/Cコンポジット材料のメタン・空気燃焼場における高温劣化特性に関する実験的研究、パックセメンテーション法を用いたSiC/ガラス質・二層被覆による高温耐熱性の改善に関する研究、ならびに高速分光カメラの手法を用いた材料劣化のその場観察による劣化機構の解明について実験的検討を実施した。1.パックセメンテーション法を用いたSiC/ガラス質・二層被覆によるC/Cコンポジットの耐熱特性の改善効果について実験的検討を行うとともに、クラックシール材であるガラス質の材料最適化の検討を併せて行い、次の結論を得た。(1)温度1573Kの条件下では、第二次層のガラス質中にB_4Cを添加することで耐熱性を大きく向上させれことができる。(2)温度1773KではB_4C添加は有効ではないが、第二次層のガラス質にシリサイドとしてZrSi_2あるいはHfSi_2を添加することで耐熱性を大きく向上させることができる。(3)温度1773Kでは第二次層のガラス質にAl_2O_3添加すると耐熱性が大きく低下する。2.炭素繊維強化炭素複合材料を高温化学炎(予混合の平面空気/アセナレン炎)中に吊して、その炎中に存在しているOH、CHおよびC_2バンドの発光を分光ビデオカメラ(分光器とビデオカメラを組み合わせた装置)用いて撮影し、これらの撮影した画像を解析することで、材料が劣化していく過程を検討した結果、次の知見を得た。(1)OHやC_2バンドの発光の画像を撮影することで、C/Cコンポジットなどの耐熱材料の劣化の過程と、また、その場における劣化を観察することができた。(2)炎中に水が存在すると試料の劣化が速くなることが確認された。以上のように、C/Cコンポジットの複合材料特有の高温劣化特性および還元性雰囲気による劣化抑制効果を明らかにするとともに、高温耐熱性の向上のためにはSiCおよびZrSi_2またはHfSi_2を含むガラス質の2層被覆が有効であることを示した。また、本材料の劣化は主としてH_2Oから発生するOHラジカルの攻撃によるものであることが推測された。発電技術のうち近年主要技術となりつつあるガスタービンは、基本的に作動ガスの温度を上昇させることによりその発電効率を向上させることができるため、作動温度の上限といわれている1500°Cを越えるガスタービン用耐熱材料を開発することが重要である。そこで、本研究では、不活性雰囲気下に於いて2000°C以上でも優れた材料強度を有する炭素繊維強化炭素複合材料(以下C/Cコンポジット)を用いた耐熱材料を開発することを目的とし、C/Cコンポジット表面を耐熱および耐活性化学種機能を有する表面修飾の材料および化学形態を探索することを目的としている。本研究は、平成7年度および8年度の2年間で実施する計画であり、平成7年度では以下の項目を実施し、有用な知見を得た。1.パックセメンテーション法によりSiCを主成分とするセラミックをC/Cコンポジット表面にコーティングする技術を開発した。2.メタン-空気燃焼を用いて、雰囲気を制御した1500°C以上の高温雰囲気におけるC/Cコンポジット基材、上記コーティングを施したC/Cコンポジット、さらにガラス質を用いて2重コーティングしたC/Cコンポジットの劣化実験を行い、コーティング材料の違いによる劣化特性の相違を検討した。その結果、SiCを表面コーティングすることにより、劣化速度を大きく抑制することができることがわかった。さらにガラス質による2重コーティングによって、1500°Cの高温条件下においても10時間の曝露による重量減少は認められなかった。3.顕微ラマン測定装置を用いて材料表面の化学的劣化特性の違いを分光学的に検討した結果、C-C結合の特性スペクトル波長(1360cm^<-1>:1555cm^<-1>)のピーク強度比が劣化の進行状況に依存する傾向を得た。

(1)OHやC_2バンドの発光の画像を撮影することで、C/Cコンポジットなどの耐熱材料の劣化の過程と、また、その場における劣化を観察することができた。(2)炎中に水が存在すると試料の劣化が速くなることが確認された。以上のように、C/Cコンポジットの複合材料特有の高温劣化特性および還元性雰囲気による劣化抑制効果を明らかにするとともに、高温耐熱性の向上のためにはSiCおよびZrSi_2またはHfSi_2を含むガラス質の2層被覆が有効であることを示した。また、本材料の劣化は主としてH_2Oから発生するOHラジカルの攻撃によるものであることが推測された。発電技術のうち近年主要技術となりつつあるガスタービンは、基本的に作動ガスの温度を上昇させることによりその発電効率を向上させることができるため、作動温度の上限といわれている1500°Cを越えるガスタービン用耐熱材料を開発することが重要である。そこで、本研究では、不活性雰囲気下に於いて2000°C以上でも優れた材料強度を有する炭素繊維強化炭素複合材料(以下C/Cコンポジット)を用いた耐熱材料を開発することを目的とし、C/Cコンポジット表面を耐熱および耐活性化学種機能を有する表面修飾の材料および化学形態を探索することを目的としている。本研究は、平成7年度および8年度の2年間で実施し、平成8年度では以下の項目を実施し、有用な知見を得た。1.メタン-空気燃焼を用いて、雰囲気を制御した1500°C以上の高温雰囲気におけるC/Cコンポジット基材、上記コーティングを施したC/Cコンポジット、さらにガラス質を用いて2種コーティングしたC/Cコンポジットの劣化実験を行い、コーティング材料の違いによる劣化特性の相違を検討した。その結果、ZrSi_2,HfSi_2を含むガラス質による2重コーティングによって、1500°Cの高温条件下においても10時間の曝露による重量減少は認められなかった。2.C/Cコンポジットを高温化学炎(予混合の平面空気/アセチレン炎)中に吊して、その炎中に存在しているOH、CHおよびC_2バンドの発光を分光ビデオカメラ(分光器とビデオカメラを組み合わせた装置)を用いて撮影し、これらの撮影した画像を解析することで、材料が劣化していく過程を検討した結果、OHやC_2バンドの発光の画像を撮影することで、C/Cコンポジットなどの耐熱材料の劣化の過程と、その場における劣化を観察することができたこと、および、炎中に水が存在すると試料の劣化が速くなることが確認された。
脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクアセスメントツールの開発

せん妄に対する看護においては「看護師のせん妄に対するアセスメント・マネジメント力の向上」が重要である。特に医療施設、特に急性期治療を担う病院ではリスクアセスメントツールを活用し、せん妄発症の高リスク患者をいち早く見出してケアにあたることが有用ではないかと考えたが、より実践で使用可能なリスクアセスメントツールを開発をするためには、信頼性の担保が重要であると考えた。そのため、高度な実践者のせん妄に対する観察やアセスメントの実態を調査を進めることとした。そこで、平成30年度は、脳血管疾患患者の看護経験豊富な看護師が脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクを見極めるために行っている観察を明らかにするとともに実践において重要かつ優先される情報を抽出するための調査に着手した。第1段階として、老人看護専門看護師や脳卒中リハビリテーション看護認定看護師などの脳血管疾患患者の看護または高齢者看護の高度実践者が持つ、せん妄のリスクアセスメントとして有用な観察点を明らかにする調査を実施した。対象者は老人看護専門看護師、脳卒中リハビリテーション看護認定看護師、認知症看護認定看護師および脳血管疾患患者への看護経験が豊富な看護師、計6名であった。6名の看護師としての実践期間は平均224.0ヶ月(約18年8ヶ月)である。6名のうち5名は専門看護師または認定看護師であり、その活動期間の平均は58.8ヶ月(約4年11ヶ月)であった。インタビューの平均時間は43分であった。現時点での結果の概略として、観察点については、脳梗塞症状に関するものの他に加齢による身体状況の変化、入院以前との生活の差などに着目していた。平成30年度中に熟練看護師からのせん妄をアセスメントするための観察に関する調査を終える予定であったが、調査協力を得るまでに時間を要し、30年度はデータ収集を終えるまでとなった。平成31年度の前期にデータ分析を実施し、同時にこの第1段調査を基盤とした第2段調査(量的調査)の実施に向けた準備を行う。また、第2段調査の実施中に、リスクアセスメントツールの信頼性、妥当性調査の準備を行う。急性期治療を担う医療施設(以下、急性期病院)では高齢患者に対するせん妄対策が課題となっている。特に脳梗塞の高齢患者のせん妄は、急性期の治療やケアの妨げとなるだけではなく、高齢患者の身体損傷、リハビリテーションへの支障など回復過程を阻害する可能性が高い。申請者による急性期治療を受ける高齢脳梗塞患者のせん妄に関する研究では、せん妄状態の出現は入院初日から入院3日目に多く、せん妄状態出現に関与する3因子があった。また、せん妄状態出現の好発時期においてせん妄評価尺度の得点に影響する因子の存在もみとめられた。本研究は、これまでの研究で得た知見と高齢者および脳卒中患者の看護に精通した看護師の意見をもとに脳梗塞治療のため入院した高齢患者のせん妄予防のケアに有用なせん妄リスクアセスメントツールを開発することを目的としている。平成28年度の第1の目標は脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクに関する先行研究から申請者がリスクアセスメントツールの初案を作成することであった。リスクアセスメントツールを作成するうえで、看護実践上におけるアセスメントのプロセスと融合するという点も課題である。アセスメントツールの視点は「患者特性」「心身のリスク因子」「予測される身体内部および環境の変化」と考えられた。しかし、せん妄発生の特徴から、入院時の情報収集と並行して使用するアセスメントとなるため、ツールに使用する項目は厳選していく必要があると考えられた。第2の目標は、平成30年以降に実施する本アセスメントツールの妥当性、信頼性を検証する施設のリクルートである。これに関しては、研究活動等を通じてせん妄ケアに関心ある病院、専門看護師、認定看護師の雇用状況等の多様性のある協力病院が得られるよう情報収集と交渉を進めているところである。研究者の所属機関異動に伴い、研究環境の整備に時間を要した。また、臨床で使用する状況と妥当性の検証を実施する転を考慮すると、リスクアセスメントツールの項目は厳選していく必要性があると考えられた。このため、当初予定していた高度実践者からのヒアリングに加え、広く脳卒中看護実践者の意見を取り入れる方策が必要と考えられた。このような状況のため、進捗状況に遅れが生じている。せん妄に対する看護は、せん妄に関連する因子の知見が基盤にあり、看護が実際にどのようなケアを行うのかという「実践的ケアプロトコールの充実化」と個別性の強い高齢者の複雑な発症関連因子をコンロトールするために必要な「看護師のせん妄に対するアセスメント・マネジメント力の向上」、そして、より専門的な介入を行うために「他職種との連携を可能にするシステム構築」により成り立つと考えた。医療施設、特に急性期治療を担う病院ではリスクアセスメントツールを活用し、せん妄発症の高リスク患者をいち早く見出してケアにあたることが有用ではないかと考えたが、より実践で使用可能なリスクアセスメントツールを開発をするためには、信頼性の担保が重要であると考えた。そこで、平成29年度は、脳血管疾患患者の看護経験豊富な看護師が脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクを見極めるために行っている観察を明らかにするとともに実践において重要かつ優先される情報を抽出するための調査に着手した。本調査は2段階で行うこととした。

第1段階は、老人看護専門看護師や脳卒中リハビリテーション看護認定看護師などの脳血管疾患患者の看護または高齢者看護の高度実践者が持つ、せん妄のリスクアセスメントとして有用な観察点を明らかにする。第2段階は得られた観察点からより臨床上において実用性の高い観察点を抽出するための調査を実施する。現在、第1段階の調査を進めているところである。29年度は脳血管疾患患者の看護師が脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクを見極めるための有効な観察を明らかにすることに着手したが、進捗が遅れた原因は、本務先の急な欠員により研究遂行に影響があった点と調査方法の検討に時間を要した点にある。せん妄に対する看護においては「看護師のせん妄に対するアセスメント・マネジメント力の向上」が重要である。特に医療施設、特に急性期治療を担う病院ではリスクアセスメントツールを活用し、せん妄発症の高リスク患者をいち早く見出してケアにあたることが有用ではないかと考えたが、より実践で使用可能なリスクアセスメントツールを開発をするためには、信頼性の担保が重要であると考えた。そのため、高度な実践者のせん妄に対する観察やアセスメントの実態を調査を進めることとした。そこで、平成30年度は、脳血管疾患患者の看護経験豊富な看護師が脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクを見極めるために行っている観察を明らかにするとともに実践において重要かつ優先される情報を抽出するための調査に着手した。第1段階として、老人看護専門看護師や脳卒中リハビリテーション看護認定看護師などの脳血管疾患患者の看護または高齢者看護の高度実践者が持つ、せん妄のリスクアセスメントとして有用な観察点を明らかにする調査を実施した。対象者は老人看護専門看護師、脳卒中リハビリテーション看護認定看護師、認知症看護認定看護師および脳血管疾患患者への看護経験が豊富な看護師、計6名であった。6名の看護師としての実践期間は平均224.0ヶ月(約18年8ヶ月)である。6名のうち5名は専門看護師または認定看護師であり、その活動期間の平均は58.8ヶ月(約4年11ヶ月)であった。インタビューの平均時間は43分であった。現時点での結果の概略として、観察点については、脳梗塞症状に関するものの他に加齢による身体状況の変化、入院以前との生活の差などに着目していた。平成30年度中に熟練看護師からのせん妄をアセスメントするための観察に関する調査を終える予定であったが、調査協力を得るまでに時間を要し、30年度はデータ収集を終えるまでとなった。平成29年度は、高度実践者のヒアリング結果と脳卒中看護実践者の意見をアセスメントツールへ効果的取り入れるための調査方法を取り入れて進める予定である。また、今年度は研究活動の充実化を図るため、新たに研究分担者を迎えた。さらに、平成30年度以降の調査を見据えて、協力病院のリクルートも進めていく予定である。平成30年度は脳血管疾患患者の看護師が脳梗塞の急性期治療を受ける高齢患者のせん妄リスクを見極めるための有効な観察を明らかにする調査の第2段階の着手までを目標として進める。また本研究の最終的な目標であるせん妄のリスクアセスメントツールの臨床における適用に関する調査を下準備に着手していく。
トポロジカル光波生成のための計算機ホログラム設計法の開発

再生像の位相に対して相互作用の概念を導入することにより自己組織化機構に基づいたCGH設計法を開発した。任意パターンに対しても位相の連続性を実現し、スペックルノイズの完全な除去に成功した。空間光変調器を用いて収差補正された位相型CGHを実現し、再生像のノイズが十分に抑制されることを示した。光渦は,ビーム面内において光軸を周回する方向に連続的に位相が変化して光軸を周回すると2mπ(m:整数)だけ変化するような位相分布によって発生し,光の新しい制御パラメータとして注目されている。本研究では光渦を有する光波(トポロジカル光波)生成のための自己組織化による秩序機構を導入したCGH設計法を新たに提案する。再生像の位相形状の連続性を相互作用源として考え,これを利用した自己組織化に基づいた反復フーリエ変換方式のCGH設計ソフトウェアを作成した。まず不必要なスペックルノイズを除去する機能を実装した。設計した位相型CGHからの再生像とその位相分布を調べたところ,ほぼ一定の強度と空間的に連続かっランダムな位相分布をもつ再生像が得られた。さらに再生強度パターンの依存性と回折効率に対する影響を調べた。次に必要な光渦を必要な位置に発生させる機能を実装した。これは再生像の拘束条件として連続するランダム位相にらせん位相を埋め込むことにより実現される。実際に得られた再生像では,らせん位相の大きさがある程度必要であり,ベースにあるランダム位相パターンとの相互作用により光渦の発生条件が異なることが明らかになった。実際のトポロジカル光波観察のためにデジタルホログラフィ光学系による光波測定システムを構築した。数値的な光波操作による位相補正機能を導入し,本計測システムにより光波の位相計測が十分行えることを確認した。また空間光変調器をこのシステムに組み込みCGHの再生系を実現した。さらに新たに間接型デジタルホログラフィ記録再生方式を考案した。この手法において参照光にランダムな位相分布がのっていても正確なホログラフィ記録再生が実現できることを示した。光渦は、ビーム面内において光軸を周回する方向に連続的に位相が変化して光軸を周回すると2mπ(m:整数)だけ変化するような位相分布によって発生し、光の新しい制御パラメータとして注目されている。本研究では光渦を有する光波(トポロジカル光波)生成のための自己組織化機構を導入した計算機ホログラム(CGH)設計法を提案する。一般にランダム位相をもつCGHからの再生像には多くのスペックルノイズ(ランダムに分布した光渦)が含まれており、除去することも制御することも簡単にはできない。本研究ではこのスペックルノイズの完全な除去と人工的な発生と制御を目的としている。スペックルノイズの完全な除去のためには、再生像の位相分布が連続であればよいが、そのスペクトルは低周波成分に集中するため、CGHとしてつくることができない。そこで、位相分布は局所的に連続であり、大局的にはランダム性を持つ位相分布を発生するようなCGH設計法を考案した。具体的には、再生像の位相形状の連続性を相互作用源として考え、これを利用した自己組織化に基づいた反復フーリエ変換法である。位相の相互作用として、位相をそのまま平滑化する位相平滑化法と複素振幅を平滑化してその偏角を平均値とする複素振幅平滑化法を提案した。いずれの方法もスペックルノイズの除去が可能であり、局所的に連続かつ大局的にランダムな位相分布をもつ再生像が得られた。位相平滑化法では1.5波長以内に、複素振幅平滑化法は4波長以上に位相が連続的に分布することがわかった。空間光変調器を用いてCGHの再生系を実現した。実際の光波観察のためにデジタルホログラフィ光学系による光波測定システムを構築した。またさらに新しいデジタルホログラフネ間接合成法を考案した。スペックルノイズ抑制CGHからの再生像において、斑点状のノイズは抑制されたが、線状のパターンが発生した。これは再生光学系における収差が大きく影響していると考えられる。球面収差を付加することにより線状ノイズが低減することを確認した。
セカンド・ベスト下での環境・経済統合勘定体系の開発に関する基礎的研究

本研究は、1993年に国際連合統計委員会が、SNA(国民勘定体系)のサテライト勘定として提案した「環境・経済統合勘定」(SEEAと略称)の1)理論的枠組の解明、およびSEEAの改良に関して、2)実物面だけでなく、金融、国際連関等の側面を整合的かつ網羅的に表示することの出来る新勘定方式の開発、3)環境資源利用に係わる制度的枠組みを取り込んだ形の勘定方式の可能性の検討、4)SEEAを補完しうるような規範性志向型勘定方式の開発を行うこと、を目的としている。本年度において、これら4目的の全ては一応の達成をみたので最終報告書を作成した。1)については、SEEAとSNA中枢体系との関連性をはじめ、エコ国内生産をはじめとする各種グリーンGNP指標の経済統計的解釈を明らかにした。2)については、SEEAの拡張版であるSEEA完全体系を開発すると共に、SEEAでは扱えなかった国際的環境問題への適用例を示した。3)については、現実の資源・環境問題にみられる実物・金融・制度連関構造を環境資源概念を用いて把握しうることを示すと共に、実物・金融連関構造を扱うSEEA完全体系に制度変数を取り込むことの意義を明らかにすると共に、SEEA方式にかわるより現実的な環境費用表示方法を提案した。4)については、環境資源利用が各種の公的関与のもと市場経済外でなされている現状の評価方策として、環境資源管理主体といった特定の経済主体の立場にたつミクロ会計方式として、「環境資源管理会計」の提案を行い、新会計方式の基本概念や利用法を、数値シミュレーションを用いて説明した。国民経済計算体系(SNA)のサテライト勘定として国連統計局によって公表された「環境・経済統合勘定体系」(SEEA)にみられる課題点の克服をめざして、本年度は以下の2つの課題について研究を行った。第1にSEEAに適切な修正・拡張を施すことによって、実物面だけでなく、金融、国際連関等の側面を整合的かつ網羅的に表示することの出来るSEEA完全体系の作成を行うと共に、国際的環境問題と国内経済との関係を例示的に明らかにしうるような関連資料の収集を行うことである。第2に、地域環境資源利用の貨幣評価と厚生評価との係わりを明らかにしうるような理論モデルの構築・分析を行うと共に、地域環境資源評価の理論的基礎を明らかにすることである。第1に関しては、実物的フローだけを扱う現行SEEAに適切な修正・拡張をほどこすことによって、実物面だけでなく、金融、所得分配、国際連関等のあらゆる側面を整合的かつ網羅的に表示することの出来るSEEA完全体系の作成を行った。そして、このSEEA完全体系の適用例として、近年、発展途上国における環境破壊との関連が注目されている海外経済協力および自然保護債務スワップを取り上げ、完全体系による把握を通じて、これらの活動の真の姿、とりわけ国際的マネーフローと環境問題との関係を明らかにした。第2に関しては、2地域における環境資源のセカンド・ベスト利用モデルを構築し、その理論的特質の解明と数値シミュレーション及び数値解の勘定体系表示を行った。その結果、環境資源のセカンド・ベスト利用は地域における総人口が最適に設定された時に達成されること、環境サービスの和として表される環境資源の評価額は2地域間における効用分布に依存して変化すること、厚生評価と貨幣評価の対応条件等を明らかにした。

1)については、SEEAとSNA中枢体系との関連性をはじめ、エコ国内生産をはじめとする各種グリーンGNP指標の経済統計的解釈を明らかにした。2)については、SEEAの拡張版であるSEEA完全体系を開発すると共に、SEEAでは扱えなかった国際的環境問題への適用例を示した。3)については、現実の資源・環境問題にみられる実物・金融・制度連関構造を環境資源概念を用いて把握しうることを示すと共に、実物・金融連関構造を扱うSEEA完全体系に制度変数を取り込むことの意義を明らかにすると共に、SEEA方式にかわるより現実的な環境費用表示方法を提案した。4)については、環境資源利用が各種の公的関与のもと市場経済外でなされている現状の評価方策として、環境資源管理主体といった特定の経済主体の立場にたつミクロ会計方式として、「環境資源管理会計」の提案を行い、新会計方式の基本概念や利用法を、数値シミュレーションを用いて説明した。
形態の種間差を創出する多様化機構の解明 : 四足動物の指形態形成機構をモデルとして

本研究の目的は、形態の種間差の創出メカニズムを明らかにすることである。これまでに、特にAP-2βという転写因子が指の形態形成に及ぼす影響に着目し、解析をおこなってきた。本年度は、AP-2βの発現制御機構に着目し、ニワトリ胚を用いた微細操作実験により解析をおこなった。その結果、AP-2βの発現の誘導にはShhとFgfが、維持にはFgfがそれぞれ中心的な役割を果たすことが明らかとなった。昨年度までの研究結果と合わせると、AP-2βはAERという肢芽先端部の特殊な上皮から分泌されるFGFに応答し、指の伸長時にその発現が維持されている可能性が示された。一方で、恒常活性型AP-2βを導入した場合は、指の過剰な伸長は見られず、むしろ短縮が見られた。したがって、AP-2β単独のはたらきでは指は伸長せず、むしろ他の因子(群)が存在しない状況下ではAP-2βは指の形成不全を引き起こすのかもしれない。上記の内容を含む3年間の研究成果をまとめて論文を執筆し、現在投稿準備中である。・鳥類特異的に保存されたゲノム配列の解析前年度は、鳥類特異的に高度に保存されたゲノム配列の直近にある100個の遺伝子の発現解析を、ニワトリ胚を用いておζなった。本年度は、これらの遺伝子の中から鳥類特異的な発現を示すものを探し出すため、マウス胚・ヤキリ胚を用いて同様な発現解析をおこなった。結果的に、鳥類特異的な発現パターンを示す数個の遺伝子を特定することができた。中でも、Simlが風切り羽の形成位置に特異的に発現することは特に興味深い点であった。鳥類に特徴的な形質の要因が、ゲノム上の遺伝子発現制御領域にある可能性を示した本研究内容を論文としてまとめ、国際誌に投稿した。(抄録なし)これまでに私は、AP-2βという遺伝子について「指形成領域における発現期間の長さが、指の長さと相関すること」および「AP-2βの機能阻害によって指の長さが短縮すること」を報告している(学会発表等で報告済)。これらの結果は、AP-2βが指の形態形成に関与することを強く示唆するものである。そこで、本年度はこの遺伝子の機能亢進実験をニワトリ胚に対しておこなった。複数の遺伝子導入法を用いて検証したが、指の過伸長を含む骨格形態の変化は見られなかった。この結果は、AP-2βが単独で機能するだけでは指の伸長には不十分であることを示唆する重要なデータである。また、AP-2βを機能阻害した際に、四肢形成に重要な役割を果たす遺伝子群のうち、発現状態が変化するものがあるかどうかをin sirtu hybridization法や免疫染色法を用いて検証した。その結果、肢芽の伸長に中心的な役割を果たす遺伝子の発現状態が変化している可能性を示唆するデータが得られた。また、AP-2αという遺伝子に着目し、発現解析をおこなった。この遺伝子はAP-2βと同じ遺伝子ファミリーに属し、かつAP-2βとヘテロダイマーを形成することが知られている。そこで、AP-2αが指の形成過程においてどのような発現パターンを示すのかを、ニワトリ胚およびマウス胚を用いて検証した。その結果、どちらの動物胚の四肢原基においても指形成領域内に発現が確認された。より詳細な解析が必要となるが、指形態によって、あるいは動物種によって、その発現状態が異なっている様子が観察されており、この遺伝子が担う機能の重要性が予想される。今後、指の形態形成に対してAP-2αがどのような機能をもつのかを明らかにするため、AP-2βの場合と同様な強制発現実験をおこなうことを計画している。これまでに私は、AP-2βの機能阻害時に指骨格が短縮することを示していたことから、この遺伝子が四肢発生時に重要な役割を果たしていると予想した。そこで前年度に引き続き、AP-2x9の機能解析をニワトリ胚を用いておこなった。優性不活性型AP-2βをニワトリ胚の肢芽に過剰発現させた上で、四肢発生に重要な遺伝子群の発現状態と細胞増殖・細胞死の割合が変化するかを調べた。しかしながら、現在のところいずれにおいても顕著な変化は見出されていない。逆に、機能亢進実験として正常型のAP-2βとAP-2αを同時に過剰発現させる実験をおこなった(AP-2β単独では四肢形態に変化は現れないことは報告済)。その結果、過剰な指の伸長は見られず、むしろ短縮した。また、恒常活性型AP-2β(Vp16-AP-2β)による機能亢進実験もおこなったが、現在のところ過剰な指の伸長を示す個体は得られていない。2.鳥類特異的な遺伝子発現をもたらすゲノム領域の探索鳥類は、ヒトやマウスに比べ、個々の指の長さの違いが大きい。また、前肢(翼)は他の種には見られない特徴的な形態を示す。しかし、指形成の制御には同じ遺伝子セットが使われているはずである。したがって、鳥類特徴的な指の形態形成には、遺伝子そのものではなく、鳥類のみに存在するゲノム上の調節領域が重要な役割を果たしている可能性がある。そこで、鳥類のみに存在するゲノム領域を、ゲノムの種間比較により抽出し(他の研究グループとの共同研究)、それらの直近にある遺伝子の発現解析をニワトリ胚を用いておこなった。その結果、肢芽内で興味深い発現パターンを示す遺伝子をいくつか特定した。

今後は、まずこの発現パターンが鳥類特異的かどうかをマウス胚との比較により検証し、さらにこの発現が鳥類特異的保存配列によるものかどうかをレポーターアッセイにより調査する。本研究の目的は、形態の種間差の創出メカニズムを明らかにすることである。これまでに、特にAP-2βという転写因子が指の形態形成に及ぼす影響に着目し、解析をおこなってきた。本年度は、AP-2βの発現制御機構に着目し、ニワトリ胚を用いた微細操作実験により解析をおこなった。その結果、AP-2βの発現の誘導にはShhとFgfが、維持にはFgfがそれぞれ中心的な役割を果たすことが明らかとなった。昨年度までの研究結果と合わせると、AP-2βはAERという肢芽先端部の特殊な上皮から分泌されるFGFに応答し、指の伸長時にその発現が維持されている可能性が示された。一方で、恒常活性型AP-2βを導入した場合は、指の過剰な伸長は見られず、むしろ短縮が見られた。したがって、AP-2β単独のはたらきでは指は伸長せず、むしろ他の因子(群)が存在しない状況下ではAP-2βは指の形成不全を引き起こすのかもしれない。上記の内容を含む3年間の研究成果をまとめて論文を執筆し、現在投稿準備中である。・鳥類特異的に保存されたゲノム配列の解析前年度は、鳥類特異的に高度に保存されたゲノム配列の直近にある100個の遺伝子の発現解析を、ニワトリ胚を用いておζなった。本年度は、これらの遺伝子の中から鳥類特異的な発現を示すものを探し出すため、マウス胚・ヤキリ胚を用いて同様な発現解析をおこなった。結果的に、鳥類特異的な発現パターンを示す数個の遺伝子を特定することができた。中でも、Simlが風切り羽の形成位置に特異的に発現することは特に興味深い点であった。鳥類に特徴的な形質の要因が、ゲノム上の遺伝子発現制御領域にある可能性を示した本研究内容を論文としてまとめ、国際誌に投稿した。東日本大震災の影響により34ヶ月間の実験の中断を強いられたが、学会発表を複数回おこなえるほどの成果を上げることができた。また、現在投稿中の論文もあることからも、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断している。本年度中にAP-2βの機能の解明には至らなかったものの、今後おこなうべき解析が明確になったことから、一定の成果はあったと評価している。また、ゲノム配列からのアプローチにより、四肢の形態形成に重要と思われる遺伝子をいくつか見出すことができた。筆頭著者の1人として総説を発表したことからも、本研究課題がおおむね順調に遂行されていると考えている。ニワトリ胚を用いてAP-2αの機能解析実験を優先的におこない、指の形態形成との関連を検証する。また、AP-2αとAP-2βを同時に強制発現させ、これら2つの遺伝子の量的なバランスが指の形態形成に重要な役割を果たしているかどうかを検証する。一方で、ニワトリやマウスとは異なる指形態を示す動物種(ヤモリやカエルなど)におけるAP-2αの発現解析の観点からも指形態との関連を調べる。以上の結果から指形態との関連が示唆されれば、これらの遺伝子の発現を制御するゲノム上の調節配列に注目し、この配列の特定を試みる。逆に、指形態との関連が見られないような場合は、FGFなどの増殖因子の作用の仕方の観点から、解析を進める予定である。遺伝子の機能解析については、機能阻害による影響を検出しやすくするために解析方法を見直す。
気道上皮および気道腺細胞の電解質輸送における細胞内シグナル伝達機構

1.気道上皮、および腺細胞におけるNa^+輸送の制御(Cl^-輸送との関連)経上皮的Na^+吸収には2段階の過程が不可欠である。即ち、粘膜側からのNa^+流入と血管側Na^+/K^+ポンプによるNa^+排出である。粘膜側のCFTR(cyclicAMP依存性チャネル)は粘膜側のNa^+チャネルを制御することは報告されてきたが、本年度の研究の成果により、ヒト培養気道腺細胞において、Na^+/K^+ポンプへも影響を与えていることが明らかとなった(CFTRを通る陰イオンの透過性がNa^+/K^+ポンプの活性を律速している)。Na^+/K^+ポンプはCl^-輸送の流入段階(Na^+/K^+/Cl^-共輸送体)も制御していることから、CFTRが気道上皮、腺細胞のイオン輸送全般に対し、調節機能を持つものと考えられる。また、培養肺胞上皮細胞においては、(1)cyclicAMPによるCFTPからのCl^-放出(2)細胞の収縮(細胞形状の変化)(3)チロシンキナーゼの活性化、という3段階の反応経路によって、Na^+透過性チャネル(非選択性陽イオンチャネル)の開口確率の増大、および粘膜上皮へのチャネル蛋白のトラフィッキングを誘導することを証明した。また、CFTRを通る陰イオンの透過度がNa^+吸収を制御することを示した。2.イオントランスポートに影響を与える物質に関する新しい知見1)テトラサイクリン:テトラサイクリン系抗生物質(ミノサイクリン、テトラサイクリン、デメクロサイクリン)は抗菌作用以外に、2価の陽イオン(Mg^<2+>、Ca^<2+>)に対するキレート作用により様々な酵素活性に影響を与えることが示唆されている。培養気道腺細胞に対しては、この抗生物質は粘膜側細胞膜を透過するが、血管側の細胞膜は透過しない。粘膜側細胞膜を透過したテトラサイクリン抗生物質はそのキレート作用によりNa^+/K^+-Mg^<2+>-ATPaseを抑制する。その結果、Na^+輸送は阻害される。2)また、大豆由来のフラボノイド誘導体のうちイソフラボン構造を持つものはCl^-チャネルを活性化し、フラボン構造を持つものはNa^+/K^+/Cl^-共輸送体を活性化することが証明された。3)ヒト肺組織に高親和性結合部位を有する三環系抗うつ剤は、自殺時などの過剰服薬により急性呼吸窮迫症候群を引き起こすことが知られているが、その機序としてβアドレナリン受容体と結合するGTP結合蛋白の選択的障害がもっとも考えられた。粘膜側のCFTR(cycli cAMP依存性チャネル)は粘膜側のNa^+チャネルを制御することは報告されてきたが、本年度の研究の成果により、ヒト培養気道腺細胞において、Na^+/K^+ポンプへも影響を与えていることが明らかとなった(CFTRを通る陰イオンの透過性がNa^+/K^+ポンプの活性を律速している)。また、培養肺胞上皮細胞においては、(1)cyclicAMPによるCFTRからのCl^-放出(2)細胞の収縮(細胞形状の変化)(3)チロシンキナーゼの活性化、という3段階の反応経路によって、Na^+透過性チャネル(非選択性陽イオンチャネル)の開口確立の増大、および粘膜上皮へのチャネル蛋白のトラフィッキングを誘導することを証明した。2.イオントランスポートに影響を与える物質に関する新しい知見テトラサイクリン抗生物質(ミノサイクリン、テトラサイクリン、デメクロサイクリン)は抗菌作用以外に、2価の陽イオン(Mg^<2+>、Ca^<2+>)に対するキレート作用により様々な酵素活性に影響を与えることが示唆されている。粘膜側細胞を透過したテトラサイクリン抗生物質はそのキレート作用により、Na^+/K^+-Mg^<2+>-ATPaseを抑制する。また、大豆由来のフラボノイド誘導体のうちイソフラボン構造を持つものはCl^-チャネルを活性化し、フラボン構造を持つものはNa^+/K^+/Cl^-共輸送体を活性化することが証明された。

Na^+/K^+ポンプはCl^-輸送の流入段階(Na^+/K^+/Cl^-共輸送体)も制御していることから、CFTRが気道上皮、腺細胞のイオン輸送全般に対し、調節機能を持つものと考えられる。また、培養肺胞上皮細胞においては、(1)cyclicAMPによるCFTPからのCl^-放出(2)細胞の収縮(細胞形状の変化)(3)チロシンキナーゼの活性化、という3段階の反応経路によって、Na^+透過性チャネル(非選択性陽イオンチャネル)の開口確率の増大、および粘膜上皮へのチャネル蛋白のトラフィッキングを誘導することを証明した。また、CFTRを通る陰イオンの透過度がNa^+吸収を制御することを示した。2.イオントランスポートに影響を与える物質に関する新しい知見1)テトラサイクリン:テトラサイクリン系抗生物質(ミノサイクリン、テトラサイクリン、デメクロサイクリン)は抗菌作用以外に、2価の陽イオン(Mg^<2+>、Ca^<2+>)に対するキレート作用により様々な酵素活性に影響を与えることが示唆されている。培養気道腺細胞に対しては、この抗生物質は粘膜側細胞膜を透過するが、血管側の細胞膜は透過しない。粘膜側細胞膜を透過したテトラサイクリン抗生物質はそのキレート作用によりNa^+/K^+-Mg^<2+>-ATPaseを抑制する。その結果、Na^+輸送は阻害される。2)また、大豆由来のフラボノイド誘導体のうちイソフラボン構造を持つものはCl^-チャネルを活性化し、フラボン構造を持つものはNa^+/K^+/Cl^-共輸送体を活性化することが証明された。3)ヒト肺組織に高親和性結合部位を有する三環系抗うつ剤は、自殺時などの過剰服薬により急性呼吸窮迫症候群を引き起こすことが知られているが、その機序としてβアドレナリン受容体と結合するGTP結合蛋白の選択的障害がもっとも考えられた。
表面増強ラマン散乱の生体内分子への適用法の開発とそれを用いた微生物代謝機能解明

プロセス内の生物学的反応を理解するためには、その反応を担っている微生物群の機能を解明することが不可欠である。そこで本研究では、安定同位体基質で標識された基質をトレーサーとして用い、微生物代謝に基づいた微生物機能解明に着目した。細胞レベルでの代謝活性の評価には、濃度99.9%の重水により作成した培地で純粋培養した大腸菌と、消化汚泥に重水を12.5-50%添加し培養したものサンプルとして用いた。また、表面増強ラマン散乱効果によるラマン散乱光のシグナル増幅を試みた。濃度99.9%重水により作成した培地で純粋培養した大腸菌のラマンスペクトルを計測したところ、C-D結合由来の良好なピークを検出した。続いて、重水含有培地中で培養した消化汚泥のラマンスペクトルを計測したところ、夾雑物の存在により細胞を計測し辛く、また細胞を計測できてもC-D結合由来のラマンスペクトルが検出されなかった。環境サンプルに本手法を適応する場合、気質の重水濃度は50%程度までが限界であり、微生物は重水よりも軽水(H2O)を優先して代謝する性質をもつ。ゆえに、重水代謝量が少ない場合でもC-D結合由来のラマンスペクトルを検出でき、かつ迅速な計測も可能とするために、SERS効果による高感度化を行った。SERS効果を利用するために、微生物に代謝された重水素の多くは脂質に蓄積されることに着目して、金ナノ粒子を大腸菌細胞内に侵入させ、その粒子に金増感を行ったが、SERS効果と思われるものが見られたのは15計測点のうち一点のみであった。同サンプルを用いたTEM観察画像からは、金ナノ粒子が細胞表面のみに吸着されていることが分かり、この結果は細胞表面を形作るリン脂質、もしくは細胞膜の外側に伸びる糖脂質に対してSERS効果が働いたためであると考えられる。MAR-FISH法やNanoSIMSを用いる方法などが報告されているが、放射性同位体を用いることや非常に高価で機器へのアクセシビリティが低いなどからラボでルーチンとして用いられるには至っていない。そこで本研究では安定同位体が取り込まれた物質のラマン散乱光のピークがシフトすることに着目した。ラマン顕微などの装置は比較的安価であり、安定同位体を用いることから上述した技術の問題点を克服できる可能性がある。しかしながらラマン散乱光は非常に微弱であり、また微生物同定の煩わしさから余り用いられていない。そこで本研究では表面増強ラマンに着目し、ラマン散乱光を増強させる技術を開発することとした。H28年度は表面増強ラマンを生じさせるための核となるNanogold (1.4 nm)とUndecagold (0.8 nm)を菌体内に侵入・定着させ、それを金増感反応により表面増強ラマンが生じるサイズまで巨大化させる方法について検討を行った。まず金基板上に細胞を固定し、そこにNanogoldあるいはUndecagoldを添加後、金増感反応を行う反応系について様々な検討を行ったが、金ナノ粒子の基板への吸着や金増感によるバックグラウンドシグナルの増加などが見られた。そこで反応場を溶液中に変更し、金ナノ粒子の侵入・定着をTEM観察も行いながら検討した。その結果、細胞ごとにばらつきはあるものの、金ナノ粒子を細胞内に侵入・定着させるためのプロトコルのベースを作成することができた。基板上で行う反応系から溶液中で行う反応系への変更はあったものの、金ナノ粒子を細胞内に侵入・定着させるためのプロトコルのベースを作成することができ、研究開発において重要なポイントを押さえることが出来、おおむね順調に進んでいる。本研究では安定同位体が取り込まれた物質のラマン散乱光のピークがシフトすることに着目した。H29年度も引き続き表面増強ラマンを生じさせるための核となるNanogold (1.4 nm)を菌体内に侵入・定着させ、それを金増感反応により表面増強ラマンが生じるサイズまで巨大化させる方法について検討を行った。H28年度に開発した金ナノ粒子を細胞内に侵入・定着させるためのプロトコルのベースに、細胞内に侵入させたnanogoldを金増感反応により巨大化させるプロトコルの最適化を行ってきたが、反応の再現性が悪く、実験系が安定しないことが分かってきた。またTEMによる観察では、細胞内に侵入させ巨大化させた金粒子が表面増強ラマン散乱を生じさせるだけ密に存在している様子が伺えていない。そこで細胞内で金粒子をより密に配置し、また金増感反応の不安定性を除くために、使用する金ナノ粒子の大きさを数十ナノメートルサイズに変更し、それを用いたプロトコルを開発することとした。

再現性の問題を解決するのに時間がかかっており、用いるナノ粒子をNanogoldから数十ナノメートルサイズの金ナノ粒子に変更したが、様々な問題に対し原因を1つずつ消化しており、一歩ずつ前進している。プロセス内の生物学的反応を理解するためには、その反応を担っている微生物群の機能を解明することが不可欠である。そこで本研究では、安定同位体基質で標識された基質をトレーサーとして用い、微生物代謝に基づいた微生物機能解明に着目した。細胞レベルでの代謝活性の評価には、濃度99.9%の重水により作成した培地で純粋培養した大腸菌と、消化汚泥に重水を12.5-50%添加し培養したものサンプルとして用いた。また、表面増強ラマン散乱効果によるラマン散乱光のシグナル増幅を試みた。濃度99.9%重水により作成した培地で純粋培養した大腸菌のラマンスペクトルを計測したところ、C-D結合由来の良好なピークを検出した。続いて、重水含有培地中で培養した消化汚泥のラマンスペクトルを計測したところ、夾雑物の存在により細胞を計測し辛く、また細胞を計測できてもC-D結合由来のラマンスペクトルが検出されなかった。環境サンプルに本手法を適応する場合、気質の重水濃度は50%程度までが限界であり、微生物は重水よりも軽水(H2O)を優先して代謝する性質をもつ。ゆえに、重水代謝量が少ない場合でもC-D結合由来のラマンスペクトルを検出でき、かつ迅速な計測も可能とするために、SERS効果による高感度化を行った。SERS効果を利用するために、微生物に代謝された重水素の多くは脂質に蓄積されることに着目して、金ナノ粒子を大腸菌細胞内に侵入させ、その粒子に金増感を行ったが、SERS効果と思われるものが見られたのは15計測点のうち一点のみであった。同サンプルを用いたTEM観察画像からは、金ナノ粒子が細胞表面のみに吸着されていることが分かり、この結果は細胞表面を形作るリン脂質、もしくは細胞膜の外側に伸びる糖脂質に対してSERS効果が働いたためであると考えられる。溶液中で金ナノ粒子を細胞内に侵入・定着させた細胞に対し、金増感反応を行い、表面増強ラマンが生じるサイズまで金ナノ粒子を巨大化させる方法を確立する。またTEMおよびラマン顕微観察を行いながら、その効果を検証する。表面増強ラマン効果を用いた高感度ラマン散乱光検出技術の開発する。微生物同定にはアルキン標識した遺伝子プローブを用い、アルキンシグナルについても表面増強ラマンによりシグナルを増幅する。微生物機能解明へ展開としてSERS-AISH法を開発、適用する。数十ナノメートルサイズの金ナノ粒子を細胞内に侵入・定着させるプロトコルを開発し、表面増強ラマン効果を用いた高感度検出技術を開発する。TEMによる観察を並行して行い、細胞内での金粒子の振る舞いを観察することで、表面増強ラマン効果との関連性を明らかにする。基板上で研究を行う予定であったため、金基板など基板上での実験のための物品の購入を想定していたが、バックグラウンドシグナルの増加などの問題から溶液中で反応を行うこととなり、その基礎的な検討に時間を要したため、物品購入費が少なくなった。それに伴い、研究連携者との打ち合わせのための出張が減ったため。[理由]