hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
第一原理モデルとデータ駆動型モデルの融合による遺伝子回路のロバスト動態予測

本研究は,生体分子を材料とする人工的な分子反応システムのダイナミクスを,数理モデルに基づいて解析および設計するための数理的な枠組みとそのために必要なマイクロ流体実験系の構築を目標とする.特に,既知の反応経路に対してボトムアップで作成する第一原理モデルを,実験データから帰納的なアプローチで作成する数理モデル(機械学習モデル)で補完することで,第一原理モデルでは捉えきれない温度等の「反応場」の影響を考慮したモデル化を行い,方程式ベースの厳密なシステム解析・設計法を利用して,人工分子反応システムの動特性を理論解析的に明らかにするためのツールを構築する.さらに,モデルの学習・同定のために必要なデータを取得するための実験系を構築する.この目的の達成に向けて,本年度は,まず,質量作用の法則に基づく第一原理モデルとそれを補完する反応場のモデルのフィードバック系をモデル化し,閉ループシステムの過渡応答を解析および設計するための代数的な計算法を検討した.具体的には,ガウス過程状態空間モデルと呼ばれるデータ駆動型の数理モデルを用いて反応場をモデル化し,数値シミュレーションにより生成した擬似的なデータを用いてモデルの超パラメタの学習を行った.その後,フィードバック系の過渡出力を信頼区間付きで計算し,出力値を機会制約とする最適化問題を解いて反応系を設計する方法を構築した.検証用の数値例題を用いて提案法の評価を行い,今後の改善点を明らかにした.さらに,モデルの学習・同定のためのデータ生成用の実験系の構築を行った.具体的には,空間連続的に変化する温度場にマイクロ液滴を多数配置して反応温度を制御しながら生体分子反応系のダイナミクスを観察する実験系を完成させた.この系を用いることで,分子反応システムの温度依存的なダイナミクスを短時間で大量に取得し,モデルの学習・同定に活用できるようになる.本年度は,当初の予定通り,第一原理モデルとそれを補完する反応場のモデルを構築し,それらの相互作用をフィードバック系としてモデル化した.また,機械制約計画法を用いて閉ループ系の過渡応答を信頼区間付きで設計する方法を構築し.数値例題を利用して提案アルゴリズムの課題を洗い出すところまでを完了した.さらに,研究の過程で,当初の計画とは異なるアプローチで反応場の不確かさをモデル化する方法を着想し,分子反応システムの不確かさをモーメント方程式を用いて解析するためのアプローチを提案した.実験系の構築に関しては,異なる反応温度場に対する生体分子反応系の応答を大量に並列して計測するための実験系を予定よりも早期に完成させることができた.その結果,小規模の分子反応システム(当初の計画とはやや異なる分子反応システムではあるが検証実証に利用可能な系)を用いて温度依存的なダイナミクスの計測を行うことができ,来年度以降に予定していた実験系の動作検証を年度内にほぼ完了することができた,また,成果の一部を外部発表することができた.今年度定式化した閉ループ系のモデルおよび過渡応答設計法は,モデルの表現力や計算量の点で実用面での課題があるため,今後はガウス過程状態空間モデル以外のデータ駆動型モデルを同様のアプローチで定式化,解析する方法も検討する.また,新たに構築したモーメント方程式に基づく生体分子回路の解析・設計法は,より大規模で実用的な反応システムに応用できるように計算量の削減方法等を検討し,分子回路システムのロバスト設計論として発展させる予定である.これらの理論研究と並行して,今後は,反応温度場を制御する実験系を利用して分子反応システムの温度依存的なダイナミクスの計測を行い,モデルの学習・同定に利用する.そのために,まずは,今年度作成した小規模の反応システムに反応要素を追加し,数理モデルによる最適化が必要となる複雑な人工分子反応システム(概念実証用の系)を設計する予定である.本研究は,生体分子を材料とする人工的な分子反応システムのダイナミクスを,数理モデルに基づいて解析および設計するための数理的な枠組みとそのために必要なマイクロ流体実験系の構築を目標とする.特に,既知の反応経路に対してボトムアップで作成する第一原理モデルを,実験データから帰納的なアプローチで作成する数理モデル(機械学習モデル)で補完することで,第一原理モデルでは捉えきれない温度等の「反応場」の影響を考慮したモデル化を行い,方程式ベースの厳密なシステム解析・設計法を利用して,人工分子反応システムの動特性を理論解析的に明らかにするためのツールを構築する.さらに,モデルの学習・同定のために必要なデータを取得するための実験系を構築する.この目的の達成に向けて,本年度は,まず,質量作用の法則に基づく第一原理モデルとそれを補完する反応場のモデルのフィードバック系をモデル化し,閉ループシステムの過渡応答を解析および設計するための代数的な計算法を検討した.具体的には,ガウス過程状態空間モデルと呼ばれるデータ駆動型の数理モデルを用いて反応場をモデル化し,数値シミュレーションにより生成した擬似的なデータを用いてモデルの超パラメタの学習を行った.その後,フィードバック系の過渡出力を信頼区間付きで計算し,出力値を機会制約とする最適化問題を解いて反応系を設計する方法を構築した.検証用の数値例題を用いて提案法の評価を行い,今後の改善点を明らかにした.さらに,モデルの学習・同定のためのデータ生成用の実験系の構築を行った.具体的には,空間連続的に変化する温度場にマイクロ液滴を多数配置して反応温度を制御しながら生体分子反応系のダイナミクスを観察する実験系を完成させた.

この系を用いることで,分子反応システムの温度依存的なダイナミクスを短時間で大量に取得し,モデルの学習・同定に活用できるようになる.本年度は,当初の予定通り,第一原理モデルとそれを補完する反応場のモデルを構築し,それらの相互作用をフィードバック系としてモデル化した.また,機械制約計画法を用いて閉ループ系の過渡応答を信頼区間付きで設計する方法を構築し.数値例題を利用して提案アルゴリズムの課題を洗い出すところまでを完了した.さらに,研究の過程で,当初の計画とは異なるアプローチで反応場の不確かさをモデル化する方法を着想し,分子反応システムの不確かさをモーメント方程式を用いて解析するためのアプローチを提案した.実験系の構築に関しては,異なる反応温度場に対する生体分子反応系の応答を大量に並列して計測するための実験系を予定よりも早期に完成させることができた.その結果,小規模の分子反応システム(当初の計画とはやや異なる分子反応システムではあるが検証実証に利用可能な系)を用いて温度依存的なダイナミクスの計測を行うことができ,来年度以降に予定していた実験系の動作検証を年度内にほぼ完了することができた,また,成果の一部を外部発表することができた.今年度定式化した閉ループ系のモデルおよび過渡応答設計法は,モデルの表現力や計算量の点で実用面での課題があるため,今後はガウス過程状態空間モデル以外のデータ駆動型モデルを同様のアプローチで定式化,解析する方法も検討する.また,新たに構築したモーメント方程式に基づく生体分子回路の解析・設計法は,より大規模で実用的な反応システムに応用できるように計算量の削減方法等を検討し,分子回路システムのロバスト設計論として発展させる予定である.これらの理論研究と並行して,今後は,反応温度場を制御する実験系を利用して分子反応システムの温度依存的なダイナミクスの計測を行い,モデルの学習・同定に利用する.そのために,まずは,今年度作成した小規模の反応システムに反応要素を追加し,数理モデルによる最適化が必要となる複雑な人工分子反応システム(概念実証用の系)を設計する予定である.
地球温暖化に伴う高夜温による水稲登熱障害の水分生理学的機構解明

近年温暖化で顕在化している水稲の高温登熟障害の症状の一つである玄米充実不足に関して、高夜温が胚乳細胞の成長を阻害するメカニズムを水分生理・糖代謝の観点から解析した。その結果、高温時間帯の糖供給不足や細胞壁の弛緩阻害が関与していることが強く示唆され、従来の呼吸昂進説と異なるメカニズムが提起された。また、プレッシャープローブ法による水稲の胚乳細胞の膨圧測定は世界で初めての試みであり、胚乳内の膨圧の基礎情報が得られた。水稲登熟期の高夜温によって発生する玄米1粒重の低下のメカニズムを水分生理の視点から解明するために,高夜温で成長が抑制される胚乳細胞の水ポテンシャルをプレッシャープローブ法で測定した.イネの胚乳細胞の膨圧をプレッシャープローブ法で測定した例はこれまで報告されていなかったが,本研究で測定可能であることを確認できた.なお,測定では穎の一部を切除して玄米を露出させる必要があるが,玄米表面が乾燥するのを防ぐために少量の水を玄米上部から継続的に滴下するなどの工夫をして測定条件をほぼ確立した.得られた主な結果は以下のとおりである.1.開花後約1週間の玄米(生重15mg前後)の,表層から中心に向かって50500μmの領域からマイクロキャピラリー内に細胞溶液を吸引し,オイルに圧力をかけることでメニスカス(シリコンオイルとの境界)をキャピラリー挿入直前の位置に戻すことができ,そのときの圧力を読みとることで膨圧を測定できた.2.膨圧は玄米表層で高く中心に近いほど低下し,玄米先端と基部で低い傾向となった.3.高夜温区の昼(22°C)では高昼温区の昼(34°C)より膨圧が高かった。この結果は仮説と逆であったが,昼間と夜間で膨圧が逆転し,昼夜を積算すると高夜温区で膨圧が低い可能性も残されている.19年度は夜間(高夜温区では34°C,高昼温区では22°C)に測定する予定である.4.サイクロメータ法で測定した膨圧はプレッシャープローブ法での測定値より大きかった.なお,サイクロメータで測定した水ポテンシャル,浸透ポテンシャル,膨圧のいずれについても高昼温区と高夜温区との間で差は認められなかった.これらの点については19年度もデータを蓄積し,プレッシャープローブによる測定値の違いの要因を検討する必要がある.水稲登熟期の高夜温によって発生する玄米1粒重の低下のメカニズムを水分生理の視点から解明するために、高夜温で成長が抑制される胚乳細泡の水ポテンシャルを昨年度に引き続きプレッシャープローブ法で測定した。測定は昼夜のさまざまな時刻に行った。得られた主な結果は以下のとおりである。1.高夜温区、高昼温区いずれでも玄米乾物重が4mg付近を越える(玄米含水率で70%付近を下回る時期)と急激に胚乳細胞の膨圧が上昇した。過去に行った実験(Morita et. al.2005)における両試験区の乾物重増加推移の違いから、横軸を開花後日数に変換して図を作成すると、膨圧が急上昇する開花後日数は高夜温区が9日目、高昼温区が8日目と、明らかに高夜温区で遅く、同じ開花後8日目で比較すると高夜温区では高昼温区より明らかに膨圧が低かった。なお、これらの試験区間差は、いずれの測定時刻においても認められた。2.高夜温区で膨圧が低くなるメカニズムの仮説としては、高夜温区では夜の光合成していない時間帯に玄米でデンプン台成を行っているために、胚乳細胞内の糖濃渡が低下し、浸透ポテンシャルの上昇を介して膨圧が低下することが挙げられる。そして、この高夜温条件での膨圧の低下が胚乳細胞の成長抑制をもたらしたと考えられた。このため、この仮説の証明の第一歩として、穂の培養実験を行い、高夜温時に培養液の糖濃度を高めることで穂重の上昇が認められるかを検討した。その結果、この条件で穂重増加速度が上昇することを認め、仮説が正しい可能性が瘤まった。本年度は、浸透ポテンシャルの測定に至らなかったため、来年度に実施する計画としている。水稲登熟期の高夜温によって発生する玄米1粒重の低下のメカニズムを水分生理の視点から解明するために、高夜温で成長が抑制される胚乳細胞の圧ポテンシャルを昨年度に引き続きプレッシャープローブ法で測定した。測定は出穂後8-12日の10-13時、13-17時、22-24時の各時間帯に行った。また、出穂後10日目頃の玄米を用いて、サイクロメータ法で水ポテンシャル、浸透ポテンシャルを測定し、圧ポテンシャルを算出した。

1.プレッシャープローブ法により、高夜温区、高昼温区いずれでも出穂後日数が進むほど胚乳細胞の圧ポテンシャルが上昇し、特に9日目を過ぎる頃(含水率で75%を下回る頃)から急激に上昇した。この結果は、これまでの2ヵ年の結果と同様であった。2.サイクロメータ法でも、3ヵ年を総合すると、玄米含水率が75%から65%にかけて下がるほど圧ポテンシャルが上昇する傾向が認められた。3.プレッシャープローブ法で、夕方、高夜温区では高昼温区より、圧ポテンシャルが高いことが認められた。サイクロメータ法でも同様の結果が得られ、データの信憑性が高まった。4.サイクロメータ法の測定結果から、高夜温区の夕方の圧ポテンシャルの上昇には浸透ポテンシャルの低下が伴っていることが認められた。このことは、高夜温区では、昼の低温で胚乳でのデンプン合成速度や呼吸速度が低下して、糖濃度が高まったことを示唆しているが、夜間、高温になっても圧ポテンシャルが高いことから、胚乳細胞の伸長が滞っている可能性が示唆された。5.これらの結果は、高夜温区で浸透ポテンシャルの低下(糖濃度の上昇)により細胞伸長が誘導される条件にあっても、何らかの要因で細胞壁の弛緩が阻害されている可能性を示唆しており、今後の検討が必要である。
北太平洋西部混合海域における密度アノマリー比の分布と二重拡散対流の役割

北部北太平洋の東北海区から中央部にかけての亜寒帯一亜熱帯境界域で得られた5本のCTD南北断面観測資料を用いて、親潮と黒潮の混合過程を調べた。また、密度アノマリー比をマッピングし、異種水塊の混合過程における二重拡散対流の役割を評価した。主な結果は以下の通り;1.二重拡散対流を示す領域は、144°E断面の57%から、180°断面の26%までに低下する。特に、144°Eから170°Eにかけて急速に減少し、その東の170°Eから180°にかけてはほとんどで一定である。この内とくにソルトフィンガー領域の減少が著しい。2.170゚E以西の亜寒帯一亜熱帯境界域での密度アノマリー比の分布は、親潮や黒潮の起源水に近い西に行くほど1に近い値が多く、活発な二重拡散対流が生じている可能性が示された。170゚E以東では、強い対流が生じていると思われる領域は少なくなる。3.これらの分布に対応してTS図やTSV図上では、170゚E以東の境界域で水温48゚C、塩分33.834.0psuの範囲にその特性値が収束してくる。このことは、特性を異にする親潮と黒潮の2つの起源水が、144゚Eや155゚E付近ではまだ起源水のまま比較的規模の大きい水塊として混合しているにすぎないこと、しかし170゚Eや180゚に達するともはや元の特性を失い、新しい水塊が形成されていることを示唆している。4.実験室のフラックス則を用いてDiffusive層およびSalt Finger層の熱と塩分のフラックスを評価した。その結果最大で熱では1000cal/cm2/day,塩分で0.6g/cm2/dayの値が得られた。この値は、カリブ海の値に比べ数倍大きい。
海岸動物の資源利用と種間相互作用

1.転石群集: 2種のエゾバイ科の巻貝は腐肉食と積極的な捕食を併用していることが明らかとなった.この2種の共存域および単独分布域における個体群特性の違いを明らかにした.転石潮間帯および潮下帯の群集構造調査を実施し,生物分布が明瞭に区分できることを示した.ベントス群集組成と石の大きさや石組み構造との関係を解析した.石サイズの選択性は種ごとに異なり,石サイズが極めて限定される種類から無差別の種類まで見られ,各種の移動能力や生理耐性,食性の違いによると予想された.近縁種の共存機構の問題として,同属の5種のカサガイが潮間帯において主分布域をずらして、共存している現象に注目し、着底から成長に伴う移動分散,乾燥・高温耐性の種類差,種内・種間競争に関する野外調査・実験を行い,垂直分布域の種間の相違は着底期ではなくその後の成長に伴う移動により決定されることを明らかにした.直達発生の巻貝アマガイの隔離個体群における個体群発生の解析を行った.無脊椎動物において初めて観察された,ムラサキクルマナマコにおける双方向性転換について,追跡調査によりその実体を明らかにした.またその個体群動態についても解析した.2.岩盤群集:フジツボの死殻を生息場所として利用する小型生物について,その利用様式について調査を行い,固着生物の遺骸が小型生物の垂直分布域拡大に影響していることを明らかにした.3.潮下帯群集:転石潮下帯でもっとも目立つ肉食生物,イトマキヒトデの食性分析を行い,海藻食が種であることを明らかにした.ウニの集合性に影響する要因として,シェルターの役割を実験的に明らかにした.サンゴの成長・繁殖・加入に対する水深の影響を,移植実験により明らかにした.1.転石群集: 2種のエゾバイ科の巻貝は腐肉食と積極的な捕食を併用していることが明らかとなった.この2種の共存域および単独分布域における個体群特性の違いを明らかにした.転石潮間帯および潮下帯の群集構造調査を実施し,生物分布が明瞭に区分できることを示した.ベントス群集組成と石の大きさや石組み構造との関係を解析した.石サイズの選択性は種ごとに異なり,石サイズが極めて限定される種類から無差別の種類まで見られ,各種の移動能力や生理耐性,食性の違いによると予想された.近縁種の共存機構の問題として,同属の5種のカサガイが潮間帯において主分布域をずらして、共存している現象に注目し、着底から成長に伴う移動分散,乾燥・高温耐性の種類差,種内・種間競争に関する野外調査・実験を行い,垂直分布域の種間の相違は着底期ではなくその後の成長に伴う移動により決定されることを明らかにした.直達発生の巻貝アマガイの隔離個体群における個体群発生の解析を行った.無脊椎動物において初めて観察された,ムラサキクルマナマコにおける双方向性転換について,追跡調査によりその実体を明らかにした.またその個体群動態についても解析した.2.岩盤群集:フジツボの死殻を生息場所として利用する小型生物について,その利用様式について調査を行い,固着生物の遺骸が小型生物の垂直分布域拡大に影響していることを明らかにした.3.潮下帯群集:転石潮下帯でもっとも目立つ肉食生物,イトマキヒトデの食性分析を行い,海藻食が種であることを明らかにした.ウニの集合性に影響する要因として,シェルターの役割を実験的に明らかにした.サンゴの成長・繁殖・加入に対する水深の影響を,移植実験により明らかにした.本研究は、転石海岸生物群集におけるギルド間の相互作用を明らかにし、岩盤の群集との比較を通して、特徴的な群集構造の形成維持機構を明らかにする事を目的としており,研究の初年度に当たり,以下の定量調査,野外・室内実験を実施した.1.転石群集:群集構造の定量調査を季節ごとに実施した.捕食者(底生魚類,ヒトデ,肉食性巻貝,カニ類)の摂餌状況の現場観察・野外実験、室内給餌実験を実施し,藻食性貝類およびヒライソガニが主要な餌となっていることが示された.巻貝5種のマ-キングによる短期(2週間)の移動能力の調査を実施し,種間で行動特性に大きな差が認められた.うち捕食性の2種については半年以上継続して追跡中である(移動,成長).捕食者の排除、付加の野外ケージ実験を予備的に実施し,ケージの改良を行った.2.岩盤群集:波浪程度の異なる2地点で群集構造の定量調査を実施した.固着動物各種(フジツボ,二枚貝)の季節的加入とその後の成長に伴う種内・種間の空間競争と生残率の追跡調査を実施した.フジツボ類は浮遊幼生の出現と潮汐周期との関連を野外調査により検討した.捕食性巻貝(イボニシ、シマレイシダマシ、レイシ)の分布と移動についてデータを整理した.3.比較研究として鹿児島県の桜島溶岩地帯(形成時期が明らか,転石の段組みが深い)の転石および岩礁潮間帯群集の定量調査を実施し,現在データ解析中である.また,転石地と岩礁の群集構造の比較の一般化を行うために,屋久島の海岸線の転石地と岩礁の群集構造について予備調査を実施した.転石地における藻食者の卓越性はここでも見られ,一般性が言えそうである.

1.転石群集:天草の調査地点において群集組成と石の大きさや石組み構造との関係や群集構造とイワフジツボパッチとの関係を解析した.石サイズの選択性は種ごとに異なり・石サイズが極めて限定される種類から無差別の種類まで見られ,各種の移動能力や生理耐性,食性の違いによると予想された.フジツボパッチにおいては周辺の群集とは異なり,肉食者のイボニシ,小型巻貝の増加が確認され,群集構造を改変する働きが示された.腐肉食者の役割解明のために,2種の巻貝,棘皮動物のイトマキヒトデを対象に野外・室内において捕食行動・餌選択・給餌量による成長の違いなどを明らかにした.その結果,イトマキヒトデは腐肉食は稀で,海藻を主要な餌としていることがわかった.一方,2種の巻貝は腐肉に対する反応が極めて早く,転石地では分解者として重要な働きをしていることが示された.それと同時にこの2種は積極的な補食も行うことがわかり,2つの食性の使い分けを明らかにする必要が生じた.近縁種の共存機構の問題として,同属の4種のカサガイが潮間帯において主分布域をずらして,共存している現象に注目し,着底から成長に伴う移動分散,乾燥,高温耐性の種類差,種内・種間競争に関する野外調査・実験を継続中である.これまでの各種生物の食性分析を基にして,転石潮間帯における食物連鎖網を構築した.2.岩盤群集:連続写真による固着動物各種(イワフジツボ、クロフジツボ、ケガキ、ムラサキインコガイ)の季節的加入とその後の成長に伴う種内・種間の空間競争と生残率の追跡調査を実施した.これまで蓄積したデータのとりまとめを行っている.本研究場所の群集構造の一般性を明らかにするために,牛深・大矢野・水俣等の環境条件の異なる場所での群集調査を実施した.現在,資料を整理中であ.最終年度の平成9年にはこれらの各種情報をとりまとめ学術雑誌に投稿できる見通しである.1.転石群集:腐肉食者として考えていた2種のエゾバイ科の巻貝は積極的な捕食も行うことがわかり,2つの食性の使い分けを明らかにするために,野外・室内において食性分析を行った.また2種の共存域および単独分布域における個体群特性の違いを明らかにした.ベントス群集組成と石の大きさや石組み構造との関係を解析した.石サイズの選択性は種ごとに異なり,石サイズが極めて限定される種類から無差別の種類まで見られ,各種の移動能力や生理耐性,食性の違いによると予想された.近縁種の共存機構の問題として,同属の5種のカサガイが潮間帯において主分布域をずらして,共存している現象に注目し,着底から成長に伴う移動分散,乾燥・高温耐性の種類差,種内・種間競争に関する野外調査・実験を行い,垂直分布域の種間の相違は着底期ではなくその後の成長に伴う移動により決定されることを明らかにした.直達発生の巻貝アマガイの隔離個体群における個体群特性の解析を行った.無脊椎動物において初めて観察された,ムラサキクルマナマコにおける双方向性転換について,追跡調査によりその実体を明らかにした.これまでの各種生物の食性分析を基にして,転石潮間帯における食物連鎖網を構築した.2.岩盤群集:フジツボの死殻を生息場所として利用する小型生物について,その利用様式について調査を行い,固着生物の遺骸が小型生物の垂直分布域拡大に影響していることを明らかにした.3.潮下帯群集:ウニの集合性に影響する要因として,シェルターの役割を実験的に明らかにした.サンゴの成長・繁殖・加入に対する水深の影響を,移植実験により明らかにした.
複数の神経情報を細胞内で区別・識別するための分子生理機構

線虫C.elegansにおいて、温度情報等の識別に関わるシンプルな局所回路をつかい、温度などの神経情報の区別・識別の分子機構と生理的暗号を解明することをめざした。解析方法としては、分子遺伝学や行動学に加え、神経活動の光イメージングや光操作を導入した。得られた結果としては、複数の温度域の情報を識別するためのグルタミン酸を介した神経回路情報処理の分子と生理的な暗号の解読と、感覚情報の識別の分子機構、そして、軸索内の情報の識別に関わるシナプスの局在機構が明らかとなった。前年度までに線虫の温度受容ニューロンの解析から、感覚情報の識別に関わる生理的な情報処理とその分子機構が、特にシナプスのレベルで見つかってきた。さらなる解析のために、新規の解析系を模索し、温度と化学物質の両者を受容する新しいニューロンを同定した。そのニューロン内において、温度と化学物質の情報がともに共通した、三量体Gタンパク質とcGMP合成酵素や分解酵素そして、cGMP依存性チャネルを介して伝達されることが分かってきた(投稿準備中)。カルシウムイメージング法を用いることで、個体レベルでの表現型だけでなく、細胞レベルでの感覚応答に関しても温度と化学物質の両者を感知していることが明らかとなった。シナプス部位における神経情報の識別の解析のため、異なる役割を持つシナプスの特徴的な局在に異常をもつ変異体の異常を抑圧する変異を個体の行動とシナプスの表現型を指標に単離した。その責任遺伝子を野生株間の塩基多型を利用して染色体上のマッピングと、DNAフラグメントをもちいたレスキュー実験から明らかにした。責任遺伝子は、ホスフォリパーゼベータの線虫ホモログであり、既知のシナプス局在の変異体であるイノシトールモノフォスファターゼの変異体が示すシナプス異常を抑圧することや、他の薬理学的解析から、シナプスの特徴的な局在に必須であることが明らかとなった。シナプス部位のイメージングと遺伝学的解析から、シナプス部位における神経情報の識別に関わる可能性のある遺伝子が他にも複数単離された。温度と匂い物質の識別に関わる分子-チャネルを介したイオン流入の強弱や時系列変化温度と嗅覚情報の伝達に関わる共通分子として、cGMP依存性チャネルであるTAX-2とTAX-4が同定されている。興味深いことに、単離されたtax-2とtax-4変異体のうち、弱い点変異をもつものは、温度応答行動は異常であるが、嗅覚応答行動は正常であることが見つかった。このことから、チャネルを透過するイオンの濃度の強弱や、時系列での開口パターンの違いが、温度と嗅覚情報の識別に関与している可能性が考えられた。そこで、変異型チャネルをもつ変異体に、温度と嗅覚情報を与えたときの神経活動をCa2+や膜電位のイメージングで測定し、温度と嗅覚情報の識別パターンを解析することを行なった。シナプス部位における神経情報の識別温度情報伝達と匂い情報伝達の両方に関わり、シナプス情報の識別に関わるグルタミン酸シグナリングとして、グルタミン酸開口性Cl-チャネルの神経回路上での働きを明らかにした。さらに、複数の温度受容ニューロンからの異なる温度情報が、単一の介在ニューロンAIY内において、バランスをとりせめぎ合うことで、AIYの活動を上下させ、温度に対する行動を逆転させることがみつかった。cGMP依存性チャネルであるTAX-2とTAX-4の変異体のうち、弱い点変異をもつものは、温度応答行動は異常であるが、嗅覚応答行動は正常であることが相関付けられ、このことから、チャネルを透過するイオンの濃度の強弱や、時系列での開口パターンの違いが、温度と嗅覚情報の識別に関与している可能性が考えられるに至ったため。さらに、複数の温度受容ニューロンからの異なる温度情報が、単一の介在ニューロンAIY内において、バランスをとりせめぎ合うことで、AIYの活動を上下させ、温度に対する行動を逆転させることがみつかったため。今後の研究の推進方法として、引き続き情報識別に関わる変異体の単離をおこなう。遺伝子同定後の解析としては、温度と嗅覚情報の識別に関わる遺伝子をクローニングした後は、GFPなどをつかい、遺伝子産物の発現細胞と細胞内局在を解析し、特定のニューロンで責任遺伝子を発現させ、細胞自律性を検証する。同定した遺伝子が新規の分子をコードする場合は、可溶性タンパクと膜タンパクそれぞれに特化したYeast two hybrid法つかい関連分子を同定する。機能細胞の活動を神経活動を細胞内カルシウムインジケーター等をつかい測定する。温度情報と匂い情報は、神経回路上で特定の介在ニューロンに集約しているため、その介在ニューロンにおけるシナプス部位の解析も行なう。また、温度と餌条件の情報処理に関する解析もおこなう。温度と匂い物質の情報の識別に関わる生理学的暗号の解読温度と嗅覚の情報が、局所回路内の個々のニューロンにおいて、どのような生理学的な暗号により識別されているのかを神経活動イメージングにより調べる。

具体的には、温度刺激と匂い物質を同時に与えたときの神経活動を、genetically encodable Ca2+インディケーター(Yellow cameleonなど)や膜電位インディケーター(Mermaid)で測定する。測定装置として、正立顕微鏡下で生きた線虫に温度刺激と匂い物質を同時に定量的にあたえる装置を開発する。具体的には、マイクロ加工技術を使い化学物質を還流させるプレパラート(PDMS製)を作成する。溶液とプレパラートの温度は、電圧で温度を変化させる素材(ペルチェやITO(塩化インジウムスズ))を使い制御する。現在、ITOのガラス管への蒸着を検討中である。初年度において光学機器や研究材料を購入し、研究を遂行できる状況となったため、本年度はより効率的に研究を遂行するためにアルバイトを雇用し研究の遂行に努める。
生理的実験モデルを用いた胎仔発育遅延の出生前治療に関する研究

平成2年度の計画では妊娠ヤギ(妊娠128140日)を用いて胎仔のoxygen consumption量を測定し,胎盤血流量を電磁血流計により測定し,妊娠経過にともなう変動を検討すると同時に胎仔,羊水中のアミノ酸組成を検討することであった。まず妊娠ヤギ3頭について胎仔腹部大動脈に電磁血流プロ-ブを装置し,上腕動・静脈に留置カテ-テルを挿入してさらに下腿動・静脈にも留置カテ-テルを挿入した後,米国AーUOX社製AーV酸素アナライザ-を装置した。術後,電磁血流計による胎仔大動脈血流量と下腿動・静脈のOxygen differenceを連続的に測定した後、Fickの原理から胎仔のOxygen Consumptionは6.2±1.3ml O_2/minであった。しかし、胎仔動脈血pH7.10前後のsererーacidosisが持続し,術後2日目に全仔死亡してしまった。問題点として胎仔腹部大動脈への電磁血流プロ-ブ装置後、プロ-ブによる大動脈血流障害が何らかの原因により生じsever acidosisが改善されなかった点である。そのため,妊娠ヤギ4頭については胎仔Oxygen Consumption測定の代わりに,より手術侵襲を軽減させるために胎仔脳組織のOxygen consumptionに関する妊娠に伴う変動を検討することにした。その結果、胎仔脳組織のOxygen Consumptionは5.6±0.7mlO_2/minであり,妊娠128140日の期間では有意な変動は認められなかった。一方、アミノ酸組成に関しては前年度の成績同様,Asparic acid,Serine,GLycine,Methionin,Tyrosineは胎仔の方が母獣より有意と多く含有していたが,妊娠経過や胎仔発育の影響は認められなかった。しかし、Threonine,Glutamin,Valine,Leucine,Histiaine,Ornthine,Lysineの含有量は低く,胎仔発育の変化が影響する傾向が認められた。妊娠8090日目の妊娠ヤギ6頭を使用したが、胎仔体重が非常に小さく、さらに双胎例が多く、ほとんどが手術侵襲のため、術後12日目に胎仔死亡になった。しかし、生存2例において妊娠経過にともなう胎仔、羊水および母獣のアミノ酸組成や胎盤血流動態については若干の成績がえられた。その後、妊娠128日前後の妊娠ヤギ6頭において、生理的実験モデルを作成した結果、4頭について術後7日まで胎仔、羊水および母獣のアミノ酸組成を脳循環血流や胎盤血流動態についてデータがえられた。すなわち、アミノ酸組成に関してはAsparic acid,Serine,Glycine,Methionine,Tyrosineが母獣より胎仔に有意に多量に含有したが、妊娠経過に伴う変化は認められなかった。しかし、Threonine,Glutamine,Alanine,Valine,Leucine,Histidine,Ornithine,Lysineも胎仔に多量に含有し、妊娠90日目より妊娠経過とともに、徐々に増量する傾向が認められた。したがって、ヤギ胎仔においてThreonine,Glutamine,Alanine,Valine,Leucineなどのアミノ酸動態は発育との関連性が深いことが示唆された。一方、正常発育胎仔において、胎盤血流動態は妊娠130日目頃、980±100ml/kgであったが、妊娠経過に伴う変動はあまり認められなかった。さらに胎仔の脳循環血流動態に関しては妊娠130日目頃、1400±170ml/min/kgであったが、妊娠経過とともに徐々に増加する傾向が認められた。今後、正常発育胎仔および発育遅延胎仔の生理的実験モデルを作成し、両者間のアミノ酸組成の相違点および胎盤血流動態や胎仔循環動態における相違点について検討する計画である。ヤギ胎仔の下大静脈にマイクロヒ-タ-を留置し、胎仔の総熱産生量を測定した結果、49±6Cal/min/kgであった。一方、発育遅延ヤギ胎の作成のためにヤギ胎仔を約15%摘出し、胎盤血流量を減少させる方法で妊娠ヤギ2頭について実験を行った結果、総熱産生量は40±8Cal/min/kgとやや低値であった。さらに胎仔、羊水及び母獣のアミノ酸組成や胎盤血流動態についても検討した結果、アミノ酸組成に関してはまずAsparic acid,Serine,Glycine,Methionine,Tyrosineが母獣より胎仔に有意に多量に含有していたが、正常発育胎仔と比較しても余り変化は認められなかった。しかし、Threonine,Glutamine,Alanine,Valin,Leucine,Histidine,Ornithine,Lysineについては正常発育胎仔に比較し、その含有量は低値であった。また、胎盤血流動態に関してはヤギ胎盤を約15%摘出した場合、電磁血流計による測定では妊娠130日目頃で720±69ml/min/kgで、正常発育ヤギ胎仔の場合の835±82ml/min/kgと比較し、低値であった。しかし、実験期間における胎仔発育に関しては胎仔体重の変化は著しい変化がなく、胎盤血流量の減少と胎仔体重の変動は著しい変化がなく、測定では妊娠胎盤血流量の減少と胎仔発育との相関はあまり相関が認められなかった。一方、胎盤を約15%摘出した場合、総熱産生量がやや減少する傾向があることから胎盤血流量の減少が胎仔への栄養供給のみならず、胎仔組織での熱産生、すなわち酸素消費量に少なからぬ影響を与えているものと推測された。

なお、平成2年度はこれらの結果を基にして、本研究と最終目的である発育遅延胎仔の出生前治療法としてのアミノ酸輪液療法の効果について慢性実験を行い検討していきたい。平成2年度の計画では妊娠ヤギ(妊娠128140日)を用いて胎仔のoxygen consumption量を測定し,胎盤血流量を電磁血流計により測定し,妊娠経過にともなう変動を検討すると同時に胎仔,羊水中のアミノ酸組成を検討することであった。まず妊娠ヤギ3頭について胎仔腹部大動脈に電磁血流プロ-ブを装置し,上腕動・静脈に留置カテ-テルを挿入してさらに下腿動・静脈にも留置カテ-テルを挿入した後,米国AーUOX社製AーV酸素アナライザ-を装置した。術後,電磁血流計による胎仔大動脈血流量と下腿動・静脈のOxygen differenceを連続的に測定した後、Fickの原理から胎仔のOxygen Consumptionは6.2±1.3ml O_2/minであった。しかし、胎仔動脈血pH7.10前後のsererーacidosisが持続し,術後2日目に全仔死亡してしまった。問題点として胎仔腹部大動脈への電磁血流プロ-ブ装置後、プロ-ブによる大動脈血流障害が何らかの原因により生じsever acidosisが改善されなかった点である。そのため,妊娠ヤギ4頭については胎仔Oxygen Consumption測定の代わりに,より手術侵襲を軽減させるために胎仔脳組織のOxygen consumptionに関する妊娠に伴う変動を検討することにした。その結果、胎仔脳組織のOxygen Consumptionは5.6±0.7mlO_2/minであり,妊娠128140日の期間では有意な変動は認められなかった。一方、アミノ酸組成に関しては前年度の成績同様,Asparic acid,Serine,GLycine,Methionin,Tyrosineは胎仔の方が母獣より有意と多く含有していたが,妊娠経過や胎仔発育の影響は認められなかった。しかし、Threonine,Glutamin,Valine,Leucine,Histiaine,Ornthine,Lysineの含有量は低く,胎仔発育の変化が影響する傾向が認められた。
スムースブラスティングの最適化に関する研究

本研究では,より高度なスムースブラスティングを実現させるための必要条件を理論的・実験的に解明することを目的とし,亀裂進展を考慮したスムースブラスティングのシミュレーションコードを開発するとともに、岩石実験と数値予測により,スムースブラスティングの影響因子を定量的に分析し,その最適設計条件について検討を加えた。得られた成果をまとめると以下のようである。(1)岩石動的破壊の数値解析法を開発するとともに,発破設計における基本定数である岩石動的強度とその発現のメカニズムについて検討を加え,動的強度と静的強度の相違は,応力集中域の寸法と亀裂進展プロセスにあること,両者の強度の比は微視的強度分布の均一性係数に依存することなどを明らかにした。(2)スムースブラスティングにおける亀裂進展プロセスと破断面形成プロセスを解析し,起爆時間精度と破断面平滑性および損傷圏寸法との関係を明らかにした。また,トンネル掘進の試験施工により,起爆時間精度を向上させることにより,岩盤損傷が抑制され,破断面の平滑性が向上することを確認した。(3)スムースブラスティングの効果を定量評価するために,簡易PS検層により,損傷圏寸法を迅速に計測する方法を開発した。また,本手法を実際の発破施工現場に適用し,その有用性を確認した。以上の結果から,高度なスムースブラスティングを実現させるためには,電子遅延式起爆システムなどにより起爆時間精度を向上させるとともに,発破後に損傷圏計測を実施し,その結果を薬量・孔間隔などの発破設計にフィードバックさせることが肝要であると考える。スムースブスティングの最適設計条件を解明するために、亀裂内ガス流速の計測、岩石の動的破壊エネルギーの評価法、スムースブラスティングにおける岩石強度の影響の三つの課題について基礎研究を実施した。本年度の成果をまとめると以下のようである。(1)亀裂内ガス流速の計測福島県の採石場において、ベンチカット発破におけるベンチ面の高速ビデオ撮影を行うとともに、その結果を画像解析して、亀裂発生時刻、ガスの流出時刻および破砕片の運動速度を算定した。亀裂内ガス流動の平均速度は大略200400m/sと推定され、ガスの音速と同程度であることがわかった。(2)岩石の動的破壊エネルギーの評価法岩石のホプキンソン効果に関する数値解析と実験を実施した。数値解析では、応力波の伝播と亀裂進展の関係をとともに、破砕片の運動挙動を分析した。その結果、破壊エネルギーにより、破砕片の飛翔速度が異なることがわかった。そこで、高速画像と変位速度を同時計測するホプキンソン効果実験を実施し、破砕片の寸法とともに飛翔速度を求めた。これらの結果は現在分析中であるが、飛翔速度の時間変化は解析で予測された傾向と一致していることから、破壊エネルギーの影響が確認できたものと考えている。(3)スムースプラスティングにおける岩石強度の影響゙先に開発した亀裂進展を考慮した動的応力解析法を、引張破壊とともに圧縮破壊も表現できるように改良して、岩盤強度と爆薬威力の影響を検討した。そして、比較的強度の低い岩盤においては、通常のSBの設計条件でも、装薬孔周囲に圧縮破壊が生じて、掘削面の平滑性が低下すること、このような岩盤では、爆薬を低比重化して装薬孔内圧を低下させることが有効であること、などを明らかにした。本研究では,より高度なスムースブラスティングを実現させるための必要条件を理論的・実験的に解明することを目的とし,亀裂進展を考慮したスムースブラスティングのシミュレーションコードを開発するとともに,岩石実験と数値予測により,スムースブラスティングの影響因子を定量的に分析し,その最適設計条件について検討を加えた。

(2)スムースブラスティングにおける亀裂進展プロセスと破断面形成プロセスを解析し,起爆時間精度と破断面平滑性および損傷圏寸法との関係を明らかにした。また,トンネル掘進の試験施工により,起爆時間精度を向上させることにより,岩盤損傷が抑制され,破断面の平滑性が向上することを確認した。(3)スムースブラスティングの効果を定量評価するために,簡易PS検層により,損傷圏寸法を迅速に計測する方法を開発した。また,本手法を実際の発破施工現場に適用し,その有用性を確認した。以上の結果から,高度なスムースブラスティングを実現させるためには,電子遅延式起爆システムなどにより起爆時間精度を向上させるとともに,発破後に損傷圏計測を実施し,その結果を薬量・孔間隔などの発破設計にフィードバックさせることが肝要であると考える。
グリシン受容体チャネルの機能修飾因子とそのメカニズムの解明

グリシン受容体・Cl^-チャネルは哺乳動物脊髄ニューロンにおいて、一次知覚ニューロンから伝えられるシグナルを制御的に調節する役割を果たしている。グリシン受容体と同様にCl^-チャネルを形成するGABA_A受容体に対しては、ベンゾジアゼピンやバルビタールなど中枢疾患治療薬として汎用される薬物が作用することが知られているが、グリシン受容体の機能を修飾する薬物の存在はこれまでのところ知られていない。本研究において、グリシン受容体チャネルの機能を修飾する薬物のスクリーニングを行っている過程で、亜鉛イオン(Zn^<2+>)が受容体の活性を増強させることを見出した。グリシン受容体α1サブユニットのhomo-oligomericチャネルを発現している卵母細胞に低濃度のZn^<2+> (0.1-10μM)を適用したところ、グリシン電流は著しく増強された。1μMのZn^<2+>存在下で電流の振幅は平均で3.2倍に増大した。他の2価陽イオン(Co^<2+>, Mn^<2+>, Ni^<2+>, Cd^<2+>およびMg^<2+>)には同様の作用は認められなかった。Zn^<2+>はグリシンの濃度反応曲線を低濃度側に平行移動させた。グリシンとZn^<2+>の同時適用すると膜電流は直ちに増大することから、Zn^<2+>はα1サブユニットの細胞外領域に結合し、グリシンの受容体結合親和性を増大させることによりチャネル活性を増強するものと考えられる。中枢神経系組織において、グリシン作動性シナプス伝達の修飾にZn^<2+>が関与するか否かを確かめることが今後の課題である。
変形性関節症の病態解明と治療法の確立- 内在性インシュリン様成長因子の有効利用

関節軟骨における基質の分解と合成の制御機構を解明することにより、最終的に変形性関節症の治療法を確立することを目的とした。その中でも、骨軟骨組織に豊富に含まれ、オートクライン/パラクライン的に作用する内在性のインシュリン様成長因子(IGF-I)の効果について下記の研究をおこなった。CAMBREX社より購入した正常ヒト関節軟骨細胞を培養し,confluentになった時点で無血清下に軟骨基質の合成促進因子であるIGF-Iを単独または軟骨基質の分解因子であるIL-1やデキサメサゾンと同時に投与した。その後、総RNAを抽出し、RT-PCRおよび定量PCRをおこない、軟骨基質成分や、各種基質分解酵素(MMp)の発現について比較した。また上記薬剤のIGF-I, IGFレセプター(IGF-R)、IGF-結合蛋白(IGFBP)に及ぼす影響についても調べた。IGF-Iは軟骨基質成分であるaggrecanの発現を増加させた。またIL-1やデキサメサゾンはaggrecanの発現を減少させるが、IGF-Iを同時投与することによりその低下の程度は軽度抑制された。IGF-IはMMP-3,-9,13の発現にはほとんど影響をおよぼさなかった。またIL-1はIGF-Iの発現を増加させIGF-Rを減少させた。デキサメサゾンはIGF-Iの発現を抑制したがIGF-Rは増加した。TGF-・1はどちらも増加させた。またIGFBP-16の発現も各因子により異なる発現がみられた。以上より、IGF-Iは軟骨基質の合成を促進することにより軟骨修復に作用し、また軟骨の分解に保護的に作用していることが推測された。今後は実際の病的な状態でIGF-axisがどのようになっているのか解明するのが課題である。変形性関節症では軟骨における基質の分解と合成の制御機構が異常であることが考えられる。そこで、骨軟骨組織に豊富に含まれ、オートクライン/パラクライン的に作用する内在性のインシュリン様成長因子(insulin-like growthfactor-I, IGF-I)の効果をより効率的に軟骨の修復に利用する方法を明らかにするために本研究をおこなった。IGF-Iは軟骨基質の大成分であるアグリカンとII型コラーゲンの発現を亢進したが、軟骨基質の小成分であるCOMPの発現にはほとんど影響をおよぼさなかった。一方TGF-β1はCOMPの発現を著しく促進した。IL-I添加により、アグリカンやII型コラーゲンの産生は低下したがIGF-Iを同時投与することによりその低下の程度は軽減した。IL-IによりMMP-3,-9の発現亢進を認めたが、IGF-Iを同時投与してもその発現は抑制されなかった。またIGF-I,TGF-β1,IL-Iにより種々のIGFBPの発現が抑制または促進され、これらがIGF-Iの局所における作用を調節していることも考えられた。今後は種々の薬剤を組み合わせることによりIGF-Iの軟骨修復への可能性を研究していく予定である。CAMBREX社より購入した正常ヒト関節軟骨細胞を培養し,confluentになった時点で無血清下に軟骨基質の合成促進因子であるIGF-I, bTGF-β1,また軟骨基質の分解因子であるIL-6,IL

-1,デキサメサゾンを単独またはIGF-Iと同時に投与した。その後、総RNAを抽出し、RT-PCRおよび定量PCRをおこない、軟骨基質成分や、各種基質分解酵素(MMP)の発現について比較した。また上記薬剤のIGF-I, IGFレセプター(IGF-R)、IGF-結合蛋白(IGFBP)に及ぼす影響についても調べた。IGF-Iは軟骨基質成分であるaggrecanの発現を増加させた。またIL-1やデキサメサゾンはaggrecanの発現を減少させるが、IGF-Iを同時投与することによりその低下の程度は軽度抑制された。IGF-IはMMP-3,-9,13の発現にはほとんど影響をおよぼさなかった。またIL-1はIGF-Iの発現を増加させIGF-Rを減少させた。デキサメサゾンはIGF-Iの発現を抑制したがIGF-Rは増加した。TGF-β1はどちらも増加させた。またIGFBP-16の発現も各因子により異なる発現がみられた。以上より、IGF-Iは軟骨基質の合成を促進することにより軟骨修復に作用し、また軟骨の分解に保護的に作用していることが推測された。今後は実際の病的な状態でIGF-axisがどのようになっているのか解明するのが課題である。
エタノールによる膵障害の発生機序について

慢性膵炎15例(71検体)、急性膵炎3例(10検体)、膵癌2例(3検体)、胆道疾患20例(23検体)、その他の消化器疾患患者115例(118検体)を対象とし、血中膵アミラーゼ、リパーゼ、エラスターゼI、トリプシン、ホスホリパーゼA_2、pancreatic secretory trypsin inhibitor(PSTI)、CA19-9を測定し、それぞれの関連について検討し、飲酒歴との関係について考察した。膵アミラーゼと、リパーゼ、エラスターゼI、トリプシン、ホスホリパーゼA_2、PSTIとの間には、それぞれ、相関係数が0.95,0.90,0.43,0.70,0.49で、P<0.001で有意な相関関係が認められた。またリパーゼ、エラスターゼI、トリプシン、ホスホリパーゼA_2、PSTIの相互間にも、それぞれ有意な相関関係がめられた。一方、CA19-9との間には、膵アミラーゼ、リパーゼ、エラスターゼI、トリプシン、ホスホリパーゼA_2、PSTIの全てが相関関係を認めなかった。また、飲酒量と血中各膵酵素値の間には、明らかな関連性はみられなかった。以前、我々はラット膵では脂肪酸エチルエステル合成酵素活性が高く、エタノール投与によりラット膵組織中の脂肪酸エチルエステル含有量が増加することから、脂肪酸エチルエステルがアルコール性膵障害に関与している可能性を報告した。今回、ヒトの末梢血液を用いて、脂肪酸エチルエステル合成系についても検討を試みたが、安定した測定結果が得られず、更なる検討を加える必要があるものと思われた。
不飽和結合の特性を活用する多成分連続反応の開発と創薬への展開

オルトアルキニルアミド,アルデヒド,触媒,超原子価ヨウ素試薬の反応により2,3-ジヒドロキノロンがトランス選択的に生成することを見出した.またアルキニルベンゼン,酢酸,N-ヨードスクシンイミドの反応により,位置および立体選択的にエニルアセテートが得られ,続くワンポットタンデム反応により,多置換フラン誘導体が生成することを見出した.さらに金属触媒を用いることなく,炭素ー炭素三重結合を切断することに初めて成功した.1.アルキニルベンゼンの位置および立体選択的付加反応を利用し,(Z)-および(E)-enynyl acetateをそれぞれ合成した.これを用いてN-ハロスクシンイミドによる環化反応を検討したところ,(Z)-および(E)-enynyl acetateのどちらの異性体からも,共通の中間体としてアレノンを経由して,フランが得られることを見いだした.フラン合成を検討している際,反応時間が長い場合TLC上で中間体と思われるスポットが観察された.そこで異性体である(Z)-および(E)-enynyl acetateの反応を短時間で停止し中間体の単離を試みたところ,どちらからも中間体としてアレノンが得られた.このことから,エニルアセテートを経る多置換フラン誘導体のワンホポットタンデム反応の開発に初めて成功したと考えている.2.炭素-炭素三重結合の切断は大変興味深い反応であり,最近の有機化学の分野では特に報告例が増している.現在までに,金属触媒を利用したいくつかの炭素-炭素三重結合切断反応が報告されているが,金属触媒を用いない三重結合切断反応は,三重結合が強固な強い結合であるため困難と考えられてきた.我々はこれまでに開拓してきた三重結合に対する位置および立体選択的付加反応の研究の一環として,NISとTMSN3による三重結合のコハロゲネーション反応を検討してきた.その過程で,付加反応により生成すると考えられるアルケニルイオドアジド体と,それ由来のアジリン体を経る,炭素-炭素三重結合の切断反応により2種類のニトリル体が得られることを見出すことに初めて成功した.この反応は金属触媒を用いないところがこれまでの報告例と異なり,その点において新規の反応と考えている.炭素ー炭素結合の切断反応は,有機合成において有用な変換反応のひとつである.炭素ー炭素単結合,二重結合の切断反応に関しては多くの報告例があるが,炭素ー炭素三重結合の切断反応は少なく,多くは金属触媒を用いて行われている.我々は,アルキンをトリメチルシリルアジド(TMSN3)およびN-ヨードスクシンイミド(NIS)で処理すると,アルキン三重結合の切断反応が容易に進行し,二分子のニトリル体へと変換されることを見出した.対称アルキンを用いて置換基の電子的影響を検討したところ,三重結合の電子密度が高くなるほど得られるニトリル体の収率が高い傾向が見られた.また非対称アルキンでは,どちらか一方の芳香環に電子供与性基が置換していれば反応は進行するが,アルキル基が置換した基質や末端アルキンではニトリル体の収率が低下することが判明した.オルトアルキニルアミド,アルデヒド,触媒,超原子価ヨウ素試薬の反応により2,3-ジヒドロキノロンがトランス選択的に生成することを見出した.またアルキニルベンゼン,酢酸,N-ヨードスクシンイミドの反応により,位置および立体選択的にエニルアセテートが得られ,続くワンポットタンデム反応により,多置換フラン誘導体が生成することを見出した.さらに金属触媒を用いることなく,炭素ー炭素三重結合を切断することに初めて成功した.1)酸アミドに対する超原子価ヨウ素試薬の反応で,ホフマン型の転位を経てイソシアネートが生成すると同時にアルコールが求核攻撃しカルバメートが定量的に生成することを見出した.続いてこの反応の応用として,カルバメート中間体とアルデヒドとのアルキン-カルボニルメタセシスを組み合わせたワンポットキノロン合成の可能性を検討した.アミドからHofmann型転位によりカルバメートに変換したのち,アルデヒドとルイス酸であるBF3・Et2Oを加えて反応させると,アルキン-カルボニルメタセシスによりエノンが生成し,次いで窒素原子の分子内1,4-付加が起こり,2,3-ジヒドロキノロンがtrans選択的に得られることを見出した.2)炭素-炭素不飽和結合への,ハロゲン原子と求核剤の付加反応であるcohalogenationは隣接位にハロゲン原子を含む二つの官能基化を同時に行うことができる有用な反応である.生成するハロアルケンを触媒的カップリング反応に付すことで,アルキンから短工程で多置換アルケンを合成することができる.パラ位に電子供与基を持つアルキニルベンゼンを酢酸存在下,N-iodosuccinimide (NIS)と反応させると,アルキンのcohalogenationが位置および立体選択的に進行することがわかった.反応の立体選択性はアルキン上の置換基に依存し,置換基がアリール基のときはZ体が,アルキル基のときはE体が選択的に得られた.続いてヨードアルケンとアルキンの薗頭カップリングにより,(Z)-および(E)-enynyl acetateをそれぞれ立体選択的に合成することに成功した.研究は予定通りには進行しているわけではないが,可能な限り計画に沿った研究になるように修正を加えている.そのため達成度としては順調と考えている.研究は予定通りには進行しているわけではないが,可能な限り計画に沿った研究になるように修正を加えている.そのため達成度としては順調と考えている.我々が見出した炭素ー炭素三重結合の切断反応は金属触媒が存在しない条件下で進行する,極めて興味が持たれる反応である.

三重結合の置換基として芳香族が両方についている化合物では切断反応が円滑に進行するが,芳香族と脂肪族が置換基としてつくと切断反応が鈍くなり,別の反応が優先してくる傾向が見られる.これらに関して詳細に検討する予定である.我々が開発した合成方法により立体選択的に合成することが可能となった(Z)-および(E)-enynyl acetateに対し,炭素-炭素不飽和結合を活性化する試薬の存在下,各種反応を試みる予定である.特に(E)-enynyl acetateはどのような反応性を示すのかに興味が持たれる.研究室内の実験環境は未だ整っているとは言い難い状況のため,その整備が急務である.卒業研究生の人数が多いため,研究室で使用する精密オイルバス,不均一系反応に威力を発揮するスーパースターラー等の備品が不足しているので購入を検討する.オゾン発生装置も必要なため購入を検討している.研究室内の実験環境は未だ整っているとは言い難い状況のため,その整備が急務である.卒業研究生の人数が多いため,研究室で使用する電子天秤,精密オイルバス,不均一系反応に威力を発揮するスーパースターラー等の備品が不足しているので購入を検討する.またガラス器具類,試薬類等も不足しているためそれらの購入も検討したい.