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セル状固体の動的変形遷移メカニズムに関する研究

近年,微視的内部構造を制御して機能・特性を発現するセル状固体の研究開発が盛んであり,大変形を伴うセル状固体の非線形力学特性を適切に表現できるモデルが必要とされている.本研究課題では,セル状固体の骨格を形成する接合部(節)に着目して,静解析・動解析によってセル状固体の特殊な変形機構(変形遷移メカニズムや負のポアソン比を示す変形膨張特性)の解明に注力する.上記の目的に即して,平成30年度はダッシュポット要素を挿入したBar-joint構造体を提案し,構成部材の慣性項を微小とみなしたラグランジュ運動方程式を導出した.そして,3次項以上を無視して弱い非線形性のみを考慮した動的数理モデルを構築した.本モデルの外力項を時間依存型圧縮荷重に設定したとき,系の2自由度の角度状態パラメータの解軌道を時間積分して予測することで,ある圧縮負荷速度を臨界点とする変形遷移パターンの切り替りを明らかにした.また,機構解析ソフトウェアAdams2018(MSC Software)を用いて開発したマルチボディダイナミクス(MBD)モデルによる数値解析からも同様の変形様式を確認することで,数理モデルで予測した動的変形遷移メカニズムの妥当性を評価することができた.本年度は上記の研究と並行して,負のポアソン比をもつセル状固体の3次元モデルの拡張を行い,特殊な節で構成される四面体ブロック構造体の提案とその定式化を行った.そして,本数理モデルを用いた解析結果より,先行研究で実測・計算した積層セル構造体が示すー4を超える面外ポアソン比と高ひずみ域までその値を維持する非線形力学特性を本モデルがよく表現できることを明らかにした.一方,本構造体のMBDシミュレーションを開発して得られた数値計算の結果が数理モデルの解と一致することを確認し,負のポアソン比に関わる新規力学特性を立証することに成功した.【研究実績の概要】で示したとおり,ダッシュポット要素を挿入したBar-joint構造体の数理モデルを定式化し,導出したラグランジュ運動方程式の時間積分によって変形遷移メカニズムを明らかにした.また,機構解析ソフトウェアを用いた数値解析によってその動的変形挙動の妥当性を検討しており,これらの取り組みは研究調書に記載した計画通りである.また,積層セル構造体の3次元モデルの拡張にも成功しており,その解析結果が単軸引張試験および均質化有限要素法によって計測・計算した負のポアソン比を示す大変形特性と類似することを明らかにした.当該年度の研究期間を通して,上記の研究成果に関連する論文が2編受理されており,また複数の国内外での学会発表を行った実績より,本研究課題の進捗状況を「(2)おおむね順調に進展している」と判断する.2019年度前半では,【研究実績の概要】で述べた研究成果をベースにして,はじめに動的変形遷移メカニズムのより詳細な力学的理解を試みる.具体的には,先行研究で定式化したラグランジュの運動方程式に対して適切な変数変換を行い,時間項を陽に含まない3変数1階常微分方程式を導く.そして,極限解析や摂動法などを応用して解軌道を解析的に求めるアプローチを考える.また,2018年度に機構解析ソフトウェアAdams(MSC Software)を用いたマルチボディダイナミクス(MBD)モデルによって近似無しの解軌道を予測し,理論解の導出を補助する.本圧縮負荷解析に続いて強制振動解析も実施する.2019年度は主にMBDモデルによる数値計算に注力し,ひずみの角周波数に依存した系の動的応答を解析する.そして,ある角周波数を臨界点とした動的な変形遷移メカニズムの存在を調べる.数値解析データが揃い次第,強制振動解析の数理モデルの定式化とその粘弾性特性の解明にも取り組む.2019年度後半からは,上述した負荷速度に依存する圧縮問題と周波数に依存する強制振動問題を実験的に検証するために,試験環境の構築と構造模型の実機開発に取り組む.先行研究より,2次元平面上で試験を行うと面外方向の外乱の影響を強く受けることが分かっている.そのため,試験開発と並行して構造模型の3次元化も検討する必要がある.試験開発では,リニアガイド,ロードセル,振動モータなどの一連の部品選定とそれらを組み合わせた試験装置の開発を実施する.また,構造立体化においては,並行して取り組んでいる負のポアソン比をもつセル状固体の均質化有限要素法の研究と融合させて多面体ブロック要素を用いた設計に従事する.近年,微視的内部構造を制御して機能・特性を発現するセル状固体の研究開発が盛んであり,大変形を伴うセル状固体の非線形力学特性を適切に表現できるモデルが必要とされている.本研究課題では,セル状固体の骨格を形成する接合部(節)に着目して,静解析・動解析によってセル状固体の特殊な変形機構(変形遷移メカニズムや負のポアソン比を示す変形膨張特性)の解明に注力する.上記の目的に即して,平成30年度はダッシュポット要素を挿入したBar-joint構造体を提案し,構成部材の慣性項を微小とみなしたラグランジュ運動方程式を導出した.そして,3次項以上を無視して弱い非線形性のみを考慮した動的数理モデルを構築した.本モデルの外力項を時間依存型圧縮荷重に設定したとき,系の2自由度の角度状態パラメータの解軌道を時間積分して予測することで,ある圧縮負荷速度を臨界点とする変形遷移パターンの切り替りを明らかにした.また,機構解析ソフトウェアAdams2018(MSC Software)を用いて開発したマルチボディダイナミクス(MBD)モデルによる数値解析からも同様の変形様式を確認することで,数理モデルで予測した動的変形遷移メカニズムの妥当性を評価することができた.

本年度は上記の研究と並行して,負のポアソン比をもつセル状固体の3次元モデルの拡張を行い,特殊な節で構成される四面体ブロック構造体の提案とその定式化を行った.そして,本数理モデルを用いた解析結果より,先行研究で実測・計算した積層セル構造体が示すー4を超える面外ポアソン比と高ひずみ域までその値を維持する非線形力学特性を本モデルがよく表現できることを明らかにした.一方,本構造体のMBDシミュレーションを開発して得られた数値計算の結果が数理モデルの解と一致することを確認し,負のポアソン比に関わる新規力学特性を立証することに成功した.【研究実績の概要】で示したとおり,ダッシュポット要素を挿入したBar-joint構造体の数理モデルを定式化し,導出したラグランジュ運動方程式の時間積分によって変形遷移メカニズムを明らかにした.また,機構解析ソフトウェアを用いた数値解析によってその動的変形挙動の妥当性を検討しており,これらの取り組みは研究調書に記載した計画通りである.また,積層セル構造体の3次元モデルの拡張にも成功しており,その解析結果が単軸引張試験および均質化有限要素法によって計測・計算した負のポアソン比を示す大変形特性と類似することを明らかにした.当該年度の研究期間を通して,上記の研究成果に関連する論文が2編受理されており,また複数の国内外での学会発表を行った実績より,本研究課題の進捗状況を「(2)おおむね順調に進展している」と判断する.2019年度前半では,【研究実績の概要】で述べた研究成果をベースにして,はじめに動的変形遷移メカニズムのより詳細な力学的理解を試みる.具体的には,先行研究で定式化したラグランジュの運動方程式に対して適切な変数変換を行い,時間項を陽に含まない3変数1階常微分方程式を導く.そして,極限解析や摂動法などを応用して解軌道を解析的に求めるアプローチを考える.また,2018年度に機構解析ソフトウェアAdams(MSC Software)を用いたマルチボディダイナミクス(MBD)モデルによって近似無しの解軌道を予測し,理論解の導出を補助する.本圧縮負荷解析に続いて強制振動解析も実施する.2019年度は主にMBDモデルによる数値計算に注力し,ひずみの角周波数に依存した系の動的応答を解析する.そして,ある角周波数を臨界点とした動的な変形遷移メカニズムの存在を調べる.数値解析データが揃い次第,強制振動解析の数理モデルの定式化とその粘弾性特性の解明にも取り組む.2019年度後半からは,上述した負荷速度に依存する圧縮問題と周波数に依存する強制振動問題を実験的に検証するために,試験環境の構築と構造模型の実機開発に取り組む.先行研究より,2次元平面上で試験を行うと面外方向の外乱の影響を強く受けることが分かっている.そのため,試験開発と並行して構造模型の3次元化も検討する必要がある.試験開発では,リニアガイド,ロードセル,振動モータなどの一連の部品選定とそれらを組み合わせた試験装置の開発を実施する.また,構造立体化においては,並行して取り組んでいる負のポアソン比をもつセル状固体の均質化有限要素法の研究と融合させて多面体ブロック要素を用いた設計に従事する.
表面ステップ反応ダイナミクスを利用した新規ナノ複合構造表面の構築

本年度は、昨年度行った有機分子複合パターニング修飾の構造精度を上げることを目的に、ハロゲン修飾メカニズムの再検討と、これらの正確な制御に関する研究を行った。<1-1-2>方向に0.36°傾斜させた微傾斜水素終端化Si(111)面を8.6M HBr水溶液を用いて、Br終端化を行った。この時のBr終端時間(HBr浸漬時間)、を変化させ、摩擦力顕微鏡(LFM)、XPSおよびFTIRで表面修飾の様子を観察した。その結果、LFM像からstep近傍付近が帯状にBr修飾されている様子が直接観察することが出来た。さらに、HBr中の浸漬時間が長くなるにつれて、帯の幅は太くなり、約60secで、テラス幅の半分まで、150secでほぼ全域を覆うことが分かった。また、(111)面の傾斜方向を<1-1-2>だけでなく、反対の<112->方向に傾けたものに対しても同様の実験を行ったところ、<112->方向傾斜のサンプルでは、テラスサイトにおけるBr終端化の速度が極端に遅くなることが分かった。これな、前者のstepサイトが反応性の高いdi-hydrideサイトであるのに対し、後者がmono-hydrideサイトであることに起因するものであると考えられる。つまり、このことからもBr-イオンとstep端との反応性がテラスのBr終端化速度に大きく寄与していることが分かった。これらに対してフェニルLi試薬とメチルLiを用いて、2種有機分子から成るパターニング表面を作成することに成功した。本年度は、以下の内容について研究を行い、成果を得た。<112->方向に0.36°傾斜させた微傾斜水素終端化Si(111)面をHBr水溶液を用いて、Br終端化を行った。この時、HBr水溶液への浸漬時間を調整することによって、おおよそterraceサイトの1/3程度のエリアをBr終端化し、さらにそこをメチルリチウム試薬を用いて、メチル基で置換した。ここで、メチル終端化されていないエリアが-OH終端されていしまっていることがFTIRで確認されたために、NH4F水溶液を用いて、メチル基を残したまま、酸化エリアを再度終端化した。これらの一連の作業によって、たしかに表面の一部がメチル化されていることが、FTIRおよびAFMの観察で明らかになった。また、HBr溶液中への浸漬時間を変化させて、Br終端化エリアの大きさを制御することによって、メチル終端化エリアの大きさも正確に制御できることを、XPSおよびFTIRの測定によって明らかにした。次に、再度HBr水溶液に浸漬させることによって、残りの半分(全体の1/3程度)をBr終端化した。これに続いて、ヘキシルリチウムおよびプロピオール酸試薬を用いて、それぞれヘキシル終端化およびカルボニル終端化を行った。これらの出来上がった表面をFTIR等を用いて、詳しく、観察した結果、それぞれメチル基とヘキシル基およびメチル基とカルボキシル基の複合表面構造が形成されていることが分かった。また、ヘキシル基は2度目にBr終端化したエリアを選択的に置換しているのに対して、カルボキシル基は、メチル基終端エリア以外の全てのエリアを終端化しており、予想される表面パターニングの構造が少し異なることが分かった。
卵割期の細胞配置パターンの定量計測と数理モデルの構築

H29年度は、これまでに得られた実験結果をまとめて論文を作成し、海外の学術雑誌への掲載を目指した。特別研究員が筆頭著者として受け入れ研究者と共に論文を執筆した。Development誌においてリバイスを受け、追加の実験を行ない論文掲載に至った。追加の実験では、2細胞期から4細胞期にかけての細胞の分裂方向のパターンが野生型とは異なる場合に卵殻形状の違いとともに細胞がどのように配置するのかを調べた。そして、構築した数理モデルが分裂方向のパターンが異なる場合においても有用かどうか検討した。本研究で提唱された数理モデルは細胞の分裂パターンが異なる条件でも実際の観察結果を再現することがある程度できているため、他線虫種を含めた様々な細胞配置パターンを再現・予測することができると考えられた。これまでは胚発生の初期段階における多様な細胞配置パターン形成の力学的な機構はほとんど分かっていなかったが、本研究により、細胞の周囲を覆う空間的な制約の形状と細胞間力(細胞同士の押し合う力や引き合う力)の二つの要素の違いによって線虫胚における多様な細胞配置形成が決まることが明らかとなった。次の課題として、数理モデルで仮定した細胞間力が実際のC. elegans初期胚でどう働いているのかは明らかではなかった。そのため、細胞間力の大きさと細胞間距離の関係を実際に測定することを目的として、Atomic Force Microscopy(AFM)を用いた実験を新たに計画した。JSPSとERCとの協力による特別研究員の海外渡航支援事業を利用してCell mechanicsが専門のUniversity College London(UCL)のGuillaume Charras教授にコンタクトをとった。5ヶ月間の滞在でAFMの使い方を習得し、細胞表層のアクトミオシンの細胞間力への寄与について知見を得ることもできた。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、卵の形に応じて細胞がどう配置するのかを実験と力学モデルを用いて明らかにすることを目的としている。これまで主にC. elegansの胚を覆う卵殻の形状を変化させて、そのときに細胞配置パターンがどのように変化するのかを解析した。さらに、細胞の配置パターンが変化するのは細胞に働く力が原因なのではないかと仮説を立て、力学モデルの構築を通してその仮説の正否について検討した。1.卵の形の細胞配置に対する影響を調べるため、卵の形が異なる胚の4細胞期の細胞配置を顕微鏡で観察した。卵形状を定量化して指標を作り、その指標に対してどのように異なる細胞配置が出現するのかを調べ、その出現頻度データを取得した。細胞は卵殻形状という周囲の物理的な環境に応じて多様な配置をとること、さらに、その一部の配置は変形に対する頑健性を備えていることの2点が明らかとなった。2.1で得られた出現頻度データを再現する力学モデルの構築に取り組んだ。まず、これまでに報告されている既存のモデルで再現できるか検討した。しかしながら、既存のモデルでは卵殻形状に対する異なる細胞配置の出現傾向を正確に再現することができないことが分かった。そこで、細胞間の引力とその異方性を加えた新たなモデルを考案した。改良したモデルでは、実際の胚の細胞配置の出現頻度の傾向をより正確に再現することに成功した。3.細胞間の引力とその異方性を生み出す分子機構を探索した。細胞接着分子であるカドヘリンの局在パターンを調べ、さらに発現阻害実験を行った。そして、カドヘリンが細胞間引力を生み出す原動力であることを示した。以上の結果をまとめると、線虫C. elegansの胚を用いて卵殻形状の変形に対する細胞配置の多様性と頑健性を実験によって検証し、さらにその2つの性質を説明する新たな理論的な枠組みを構築した。変形に対する細胞配置の多様性と頑健性という、生物が備えている一見相反する2つの性質を胚の細胞配置が備えていることを、C. elegans胚をモデルとして実験と力学モデルの両方から示すことができた。実験結果を論文としてまとめて、雑誌への投稿作業も進めている。当初は、細胞の位置と時間変化を定量化することを目標としていたが、4細胞期の細胞の最終的な細胞配置パターンに着目することによって、C. elegansだけでなく他種線虫やその他動物種の細胞配置も説明可能な力学モデルを構築することができた。4細胞期以降の細胞配置パターンが形状に応じてどのように変化するのかを定量的に調べることは今後の課題として残る。しかしながら、C. elegansだけでなく様々な生物種の細胞配置を説明する理論的な枠組みを構築することに成功しており、さらにモデルに新たに加えた細胞間引力を生み出す機構についても明らかにすることができた。したがって、当初の計画以上に研究は進捗している。

これまでは胚発生の初期段階における多様な細胞配置パターン形成の力学的な機構はほとんど分かっていなかったが、本研究により、細胞の周囲を覆う空間的な制約の形状と細胞間力(細胞同士の押し合う力や引き合う力)の二つの要素の違いによって線虫胚における多様な細胞配置形成が決まることが明らかとなった。次の課題として、数理モデルで仮定した細胞間力が実際のC. elegans初期胚でどう働いているのかは明らかではなかった。そのため、細胞間力の大きさと細胞間距離の関係を実際に測定することを目的として、Atomic Force Microscopy(AFM)を用いた実験を新たに計画した。JSPSとERCとの協力による特別研究員の海外渡航支援事業を利用してCell mechanicsが専門のUniversity College London(UCL)のGuillaume Charras教授にコンタクトをとった。5ヶ月間の滞在でAFMの使い方を習得し、細胞表層のアクトミオシンの細胞間力への寄与について知見を得ることもできた。今後はまず投稿論文の雑誌への掲載を目指す。さらに、卵の形を決めるメカニズムの解明を行うことを計画している。本研究を推進する過程でC. elegansの変異体を用いて卵の形を変えることに成功している。しかしながら、卵の形を変えることができた直接の要因については明らかにされていない。そこで、卵の形を決める要因について仮説を立て、それを検証するための実験計画を練っている段階である。この仮説はC. elegansに限らず鳥や魚、または恐竜の卵の形の多様性も説明することができる可能性がある。C. elegansをモデルにして異なる生物種間に共通する卵の形の決定機構の解明につながる可能性があることから、今後の研究の進展が期待される。29年度が最終年度であるため、記入しない。
加圧煙制御時における火災室からの噴出火炎性状に関する研究

近年の建築物の高層化,大規模な複合化などにより,建築火災時の煙制御の重要性がますます増加している。それに伴い,盛期火災時においても最終的に保護すべき空間を想定し,当該部分に新鮮空気を供給して圧力を隣接空間よりも相対的に上昇させて煙の侵入を防止する,加圧煙制御法が登場してきた。この方法は,盛期火災時においても消防救助活動の安全な拠点確保の立場からは有効な手法であるが,新鮮空気が建物内を経由して外気に流れていく方法であるため,火災室に流入した場合の火勢助長の問題がある。本研究は,加圧煙制御に伴う空気の強制的な供給による火災室の火災性状を明らかにするとともに,火災室の窓から噴出する火炎の性状を明確にすることを目的として,火災室給気時の模型実験を行い,以下の結果を得た。(1)高温の状態に耐えうる模型を製作し,火災室の開口からの噴出火炎の性状を多点同時の高速温度測定し,また火災室内でのアルコール減少速度の計測から燃焼速度を求めた結果,空気が火災室に流入する位置や送風量の違いにより,給気がない場合より火災室の火災性状が激しくなり,噴出火炎性状が給気がない場合と異なることを示した。また,外壁の庇の有無及びその設置位置の違いにより,上階延焼及び隣棟延焼の恐れが増加することを示した。特に,給気に伴う横長開口における壁面上の温度上昇や,縦長開口における噴出水平距離の増加による隣棟延焼の危険性を示す定量的な結果は重要である。(2)従来の給気なしの場合に成立するとされていた無次元化式を用いて,本研究の実験結果を無次元化するとともに,両者の比較を行った。その結果,給気による噴出火炎性状及び中心軸上の温度変化が従来の無次元化式では予測できないことを示すとともに,給気量や開口形状の情報を元に,加圧給気時における噴出火炎性状を予測する新たな無次元化式の提案を行った。本研究は,加圧煙制御に伴う空気の強制的な供給による火災室の火災性状を明らかにするとともに,火災室の窓から噴出する火炎の性状を明確にすることを目的とする。本年度は,以下の内容について検討した。(1)空気が火災室に流入する位置や送風量の違いにより,火災室の火災性状がどのように変化するかを明らかにするために,高温の状態に耐えうる模型を制作した。(2)高速の多点の温度測定が可能な装置を購入し,火災室の開口からの噴出火炎の性状を,多点同時の高速温度測定を行った。また,電子天秤及びガス濃度計を購入し,火災室内でのアルコール減少速度を計測して燃焼速度を推定するとともに,燃焼性状を調べた。この装置を用いて,外壁の庇の有無及びその設置位置の違いによる結果への影響についても検討した。

近年の建築物の高層化,大規模な複合化などにより,建築火災時の煙制御の重要性がますます増加している。それに伴い,盛期火災時においても最終的に保護すべき空間を想定し,当該部分に新鮮空気を供給して圧力を隣接空間よりも相対的に上昇させて煙の侵入を防止する,加圧煙制御法が登場してきた。この方法は,盛期火災時においても消防救助活動の安全な拠点確保の立場からは有効な手法であるが,新鮮空気が建物内を経由して外気に流れていく方法であるため,火災室に流入した場合の火勢助長の問題がある。本研究は,加圧煙制御に伴う空気の強制的な供給による火災室の火災性状を明らかにするとともに,火災室の窓から噴出する火炎の性状を明確にすることを目的とする。本年度は,以下のとおり,模型実験による結果をもとに噴出火炎性状を予測する無次元式を構築した。(1)空気が火災室に流入する位置や送風量の違いや開口部形状の違いにより,火災室の火災性状がどのように変化するかを,模型実験を繰り返して明らかにした。特に,給気に伴う横長開口における壁面上の温度上昇や,縦長開口における噴出水平距離の増加による隣棟延焼の危険性を示す定量的な結果は重要である。(2)従来の給気なしの場合に成立するとされていた無次元化式を用いて,本研究の実験結果を無次元化するとともに,両者の比較を行った。その結果,給気による噴出火炎性状及び中心軸上の温度変化が従来の無次元化式では予測できないことを示した。(3)給気量や開口形状の情報を元に,加圧給気時における噴出火炎性状を予測する新たな無次元化式の提案を行った。
乳腺腫瘍犬の病態とヘルパーT細胞産生サイトカインとの関係についての研究

健常犬と治療前の乳腺腫瘍犬よりに採取分析した末梢血単核球よりtotal RNAを抽出し、RT-PCR法によりγ-IFN、IL-2、IL-4、IL-6およびIL-10のmRNAの発現を検討した。その結果、悪性乳腺混合腫瘍と乳腺癌の症例は双方とも健常犬に比較して、IL-2 mRNAの発現率では優位に低値、IL-10 mRNAの発現率では優位に高値を示した。乳腺癌の症例では、さらに健常犬と比較してIL-6 mRNAの発現率においても優位に高値を示した。また、乳腺腫瘍犬では、エストロジェンの血中濃度が高い傾向にあり、また腫瘍組織においてIL-10やTGF-βmRNAの発現が高率に認められた。これらの結果より、乳腺腫瘍犬では、細胞性免疫応答が抑制されており、その抑制は性ホルモンや腫瘍細胞から産生されるサイトカインによるものと考えられた。次に、外科療法後の再発、転移の有無と末梢血単核球におけるサイトカインmRNAの発現との関係を検討した。その結果、術後においてγ-IFNやIL-2 mRNAの発現が認められるようになった症例では、術後の再発転移が認められない傾向であった。また、摘出した腫瘍組織に浸潤している単核細胞の数、subset、サイトカインmRNAの発現ならびに腫瘍細胞におけるMHC class Iの発現と症例の予後を検討した。その結果、術後において再発転移が認められない症例の腫瘍組織では、腫瘍組織内に多数のCD8陽性細胞が浸潤しており、その様な腫瘍組織では、MHC class Iを発現した腫瘍細胞が多数認められた。これらの結果より、乳腺腫瘍犬の予後は免疫担当細胞による腫瘍細胞の認識と術後における細胞性免疫応答の賦活化に密接に関係しているものと推察された。以上の結果より、乳腺腫瘍犬の病態と予後には、症例の免疫応答、特に細胞性免疫応答が密接に関係していることが推察された。乳腺腫瘍の犬23症例について、治療前における末梢血単核球のヘルパーT細胞産生サイトカインのmRNA発現を検討した。各症例については、TNM分類を行い、乳腺腫瘍の存在する側の片側乳腺全摘出術を施し、病理組織学的診断を行った。病理組織学的診断では、16例が悪性乳腺混合腫瘍、7例が乳腺癌であった。健常犬8頭と術前の各症例よりに血液を採取し、単核球を分離した。分離した単核球よりtotal RNAを抽出し、RT-PCR法によりγ-インターフェロン(γ-IFN)、インターロイキン-2(IL-2)、インターロイキン-4(IL-4)、インターロイキン-6(IL-6)およびインターロイキン-10(IL-10)のmRNAの発現を検討し、健常犬と乳腺腫瘍犬のこれらサイトカインの発現率を比較した。また、悪性乳腺混合腫瘍症例の末梢血単核球のサイトカインmRNAの発現率とTNM分類との関係において、腫瘍の大きさ(T)との関係は認められなかったが、リンパ節転移(N)によりγ-IFNならびにIL-6 mRNAの発現率が減少する傾向が認められた。以上の結果より、悪性乳腺混合腫瘍ならびに乳腺癌の症例では、細胞性免疫応答が低下しているものと推察された。また、悪性乳腺混合腫瘍の症例では、リンパ節転移は免疫応答に影響を与えるものと考えられた。本年度の検討項目である乳腺腫瘍犬のプロジェステロン(PG)、エストロジェン(EG)の血中濃度、腫瘍組織におけるPG、EGレセプターの発現は現在検討中であり、来年度早々には結果が出る予定である。

これらの結果より、乳腺腫瘍犬の予後は免疫担当細胞による腫瘍細胞の認識と術後における細胞性免疫応答の賦活化に密接に関係しているものと推察された。以上の結果より、乳腺腫瘍犬の病態と予後には、症例の免疫応答、特に細胞性免疫応答が密接に関係していることが推察された。
神経終末端における発芽形成の機構の解析

神経終末端に形成される発芽はシナプスの伝達機能の可塑的変化の形態的基盤と仮定されている。この仮定を検討するために、成熟ラットの下肢の座骨神経の伝導をテトロドトキシンの局所的投与によって慢性的にブロックし、下肢麻痺筋の運動神経終末端に発芽を形成させ、その神経筋接合部における伝達物質の放出量を終板電位の素量子解析によって定量した。神経伝導を6日間ブロックすると、下肢の長指伸展筋(EDL筋)の約35%の運動神経終末端に発芽が形成された。これらの神経筋接合部において素量子解析を実施した後、その筋線維を蛍光色素でラベルしてその運動神経終末端を形態的に観察した。神経伝導を6日間ブロックすると、その運動神経終末端の発芽形成の有無に関係なく伝達物質の放出量は正常より一様に有意に増加した。発芽形成を示した神経終末端の全長は正常終末端の全長より有意に拡大したが、終末端の全長と伝達物質の放出量の間に相関性は見られなかった。これらの結果から、不動化筋に発現する運動神経終末端の発芽形成と伝達物質の放出促進の間には因果関係が存在しないと結論される。研究代表者らは不動化筋に発現する運動神経終末端の発芽形成はカルシトニン遺伝子関連ペプチド(CGRP)の投与ににって抑制されることを1988年に報告した。これは内因性CGRPが運動ニュ-ロンの細胞体からその終末に輸送され、神経筋接合部において一種の栄養因子的効果を示すことを示唆する。この可能性を検討するために、酵素免疫法によるCGRPの定量法を開発し、このペプチドの軸索輸送の有無と神経・筋における分布を測定した。CGRPは座骨神経に約200pg/2mmの濃度で存在し、また筋に検出されたCGRPの95%は神経由来であることが明らかになった。さらに、CGRPは運動神経においても感覚神経においても1時間に約1mmの速度で細胞体から末梢に輸送されることが観察された。神経終末端における発芽形成はシナプスの機能の可塑的変化の形態的基盤と仮定されている。研究代表者らは先にカルシトニン遺伝子関連ペプチド(CGRP)が運動神経終末端の発芽形成を抑制することを見いだした。しかし、この発芽抑制に伴う伝達物質の放出の低下は観察されなかった。したがって、神経終末端の発芽形成の有無は必ずしもシナプス機能の可塑的変化と相関しないことは明らかである。この実験結果に基ずいて、運動神経終末端に実験的に発芽を誘発した時に、従来仮定されていたような神経筋伝達の亢進が事実伴われるかを検討した。実験には成熟ラットを用い、一側の坐骨神経の伝導をテトロドトキシンの局所投与によって慢性的にブロックした。下肢の不動化した長指伸展筋(EDL)の運動神経終末端の全長及び発芽形成を形態的に測定し、またその神経筋接合部における伝達物質の放出量は終板電位の素量子解析によって測定した。これらの測定は神経伝導をブロックした実験側のEDL筋と反対側の対照EDL筋に関して実施した。神経の伝導ブロックは最小12時間から最大10日間の種々の期間持続した。運動神経終末端の発芽は正常筋では約3%の神経筋接合部において観察されたが、この比率は2日間の伝導ブロックでは変化せず3日間の伝導ブロックで12%に上昇し、10日間のブロックでは86%に増加した。また、神経終末端の全長は伝導ブロックを4日間実施した時に1.07倍に有意に増大し、10間のブロックでは1.7倍に拡大した。

これに対し、伝達物質の放出は12時間の伝導ブロックでは正常筋と有意の差が見られなかったが、24時間の伝導ブロックにより既に正常値の1.5倍に上昇した。したがって、筋の不動化に伴う神経筋伝達の機能的亢進は神経終末端の発芽形成に先行して発現し、終末端の発芽形成とシナプス機能の可塑的変化の間に因果関係は存在しないと結論された。神経終末端に形成される発芽はシナプスの伝達機能の可塑的変化の形態的基盤と仮定されている。この仮定を検討するために、成熟ラットの下肢の座骨神経の伝導をテトロドトキシンの局所的投与によって慢性的にブロックし、下肢麻痺筋の運動神経終末端に発芽を形成させ、その神経筋接合部における伝達物質の放出量を終板電位の素量子解析によって定量した。神経伝導を6日間ブロックすると、下肢の長指伸展筋(EDL筋)の約35%の運動神経終末端に発芽が形成された。これらの神経筋接合部において素量子解析を実施した後、その筋線維を蛍光色素でラベルしてその運動神経終末端を形態的に観察した。神経伝導を6日間でロックすると、その運動神経終末端の発芽形成の有無に関係なく伝達物質の放出量は正常より一様に有意に増加した。発芽形成を示した神経終末端の全長は正常終末端の全長より有意に拡大したが、終末端の全長と伝達物質の放出量の間に相関性は見られなかった。これらの結果から、不動化筋に発現する運動神経終末端の発芽形成と伝達物質の放出促進の間には因果関係が存在しないと結論される。研究代表者らは不動化筋に発現する運動神経終末端の発芽形成はカルシトニン遺伝子関連ペプチド(CGRP)の投与によって抑制されることを1988年に報告した。これは内因性CGRPが運動ニュ-ロンの細胞体からその終末に輸送され、神経筋接合部において一種の栄養因子的効果を示すことを示唆する。この可能性を検討するために、酵素免疫法によるCGRPの定量法を開発し、このペプチドの軸索輸送の有無と神経、筋における分布を測定した。CGRPは座骨神経に約200pg/2mmの濃度で存在し、また筋に検出されたCGRPの95%は神経由来であることが明らかになった。さらに、CGRPは運動神経においても感覚神経においても1時間に約1mmの速度で細胞体から末梢に輸送されることが観察された。
三相共振スナバインバータによる可変速ドライブシステムの高効率化

本研究では,可変速ドライブシステムの高効率化に関し,(1)共振スナバインバータのインバータの制御法に関する検討,(2)高速なトルク制御方式の検討を行うことで、システム全体の効率化を目指すものである。今年度は,主として下記の結果が得られた。1.三相共振スナバインバータの補助スイッチ導通期間決定法の実験的考察((1)関連事項)共振スナバインバータは,インバータの効率向上手法の一つであるが,補助スイッチの導通期間を適切に設定し制御を行わないと,導通損失の増加により,かえって効率が悪化してしまう。前年度に提案した導通期間の決定法について,設計パラメータが効率等に与える影響についてCPLD(Complex Programmable Logic Device)とマイコンを用いて構築した実験装置を開発し、この装置で検証した。2.永久磁石同期電動機の直接トルク制御法で,より高速にトルクを制御する手法の実験的検証((2)関連事項)直接トルク制御法で,埋め込み型永久磁石式同期電動機の最大トルク制御を行った場合,トルク及び磁束指令値をコントローラに入力する方法によっては,トルク応答が悪化してしまう。昨年度シミュレーションで検証したトルク応答の悪化を防ぐ制御法を実験により検証した。3.ソフトCPUコアを用いた直接トルク制御装置の開発汎用マイコンで直接トルク制御法を行うと、制御周期を短くするのが困難である問題があった。その対策として、CPLDにソフトCPUコアとVHDL(Very high speed integrated circuit Hardware Description Language)で記述した直接トルク制御用コアを書き込むことで,直接トルク制御装置を開発した。1,3の結果について、FPGA/PLD Design Conferenceにおいても発表した。共振スナバインバータは,インバータの効率向上手法の一つである。近年多くの家電製品で一般的に用いられている永久磁石式同期電動機を用いたドライブシステムの高効率化を図ることは,省エネルギー対策に有効である。しかし,永久磁石式同期電動機の駆動に提案制御法を三相共振スナバインバータにより駆動する場合,負荷変動によるソフトスイッチングの失敗等が生じる可能性がある。本研究では,この問題を解決し可変速ドライブシステムの総合効率向上を図ることを目的とする。本年度の研究では以下のことを行い,得られた結果の一部は学会で発表を行った。1.共振スナバインバータの提案制御法を実現する制御システムをMPU(Micro Processing Unit)とCPLD(Complex Programmable Logic Device)を組み合わせて開発した。「三相共振スナバインバータ用制御システムに関する検討」,電気学会半導体電力変換・産業電力電気応用合同研究会資料,SPC-01-50/IEA-01-8,平成13年6月2.永久磁石式同期電動機の制御法の一つである直接トルク制御で,より高速にトルクを制御する手法の検討をシミュレーションにより行った。「埋込形永久磁石同期電動機の直接トルク制御におけるトルク応答に関する一考察」,電気学会産業応用部門大会講演論文集,II,pp.697-700,平成13年8月3.永久磁石式同期電動機に関する可変速ドライブシステム実験システムの構築を行った。4.共振スナバインバータの補助スイッチ導通期間の決定法に関して、1で構築した実験装置を用いて実験により検証した。次年度は,3で構築した実験装置による実験やシミュレーションにより適切な制御法の検討などを実施する予定である。
数学eラーニングのためのユニバーサルな学習環境の構築と評価

数理・データサイエンス教育が重視されるなか,その土台となる数学の基礎力養成は急務である。基礎力の養成にあたっては,eラーニングの活用が期待されており,誰もが,できるだけ壁を感じることなく,数学教育を享受できる環境が求められる。本研究の目的は,数学eラーニング分野の課題であった数式に対応したコミュニケーションツールと講義動画字幕生成・検索システムを開発し,ユニバーサルな数学eラーニング環境を提供することである。さらに,得られた学習行動データを活用した個別適応型の学習支援手法を確立する。
アジア人における皮膚の機能的形質および細菌叢に関する遺伝人類学研究

集団遺伝学的探索によって、アジア特異的に働いた強い自然選択の痕跡が、汗腺機能と関連があるABCC11およびEDARといった遺伝子の非同義変異に見出されている。本研究では、ABCC11とEDARを中心とした遺伝子型と皮膚形質および皮膚細菌叢の個体差との関連を明らかにすることを目的とする。結果として、両遺伝子のアジア型非同義変異が、顔面のポルフィリンの量と関連していることを示した。二つの変異の効果に相互作用がみられることから、これらの変異がアジアにおいて共進化してきたことが推測される。今後、機能的および集団遺伝学的側面の双方から、両者のエピスタシス効果をさらに解き明かしていく必要がある。集団遺伝学的探索によって、アジア特異的に働いた強い自然選択の痕跡が、ABCC11およびEDARの非同義変異に見出されている。これらの変異は共に汗腺機能との関連が示されていることから、アジア特異的な気候、あるいは、アジアで過去に流行した皮膚感染症などへの適応である可能性が想起される。本研究では、ABCC11とEDARにみられるアジア特異的な変異の利点を知るため、遺伝子型と皮膚形質の個体差との関連を明らかにした上で、更に、それらの条件と皮膚における細菌叢との関連を解き明かすことを目的とする。多検体を用いて皮膚細菌叢と宿主の遺伝要因との関連を解析した研究は未だ少なく、皮膚細菌叢の個体差・集団差を理解する上で本研究は意義がある。本年度は当初の予定を変更し、データおよびサンプル取得方法の整備および皮膚細菌叢のメタ16S解析の系の確立を主に行った。約20名を対象に、顔面および腕の様々な箇所でマルチ皮膚計測値を用いた計測(水分量、水分蒸散量、皮脂量、pH)、ポルフィリン発光の密度計測などを行い、迅速かつ安定した計測方法を確立した。また、額、鼻、腕、腋、胸、趾など様々な部位から細菌叢サンプルを採取した。メタ16S解析のために、イルミナ社の小型次世代シーケンサMiSeqを用いた系の確立を行った。ここでは、少量のサンプルDNAも解析できるようNested PCRを行って、最終的に2種類のアンプリコンができるよう16S rRNA配列内にプライマーを設計した。この系を用いて、同一サンプルの再現性、部位ごとの細菌叢の多様性を検証し、今後のサンプリングおよび実験計画を練り直した。本年度は、新たに90名を対象として皮膚の計測(水分量、油分量、ポルフィリン、皮膚色など)、皮膚細菌叢試料および唾液試料の収集を行い、ABCC11、EDARなどの遺伝子における多型のタイピングをするとともに、皮膚細菌叢のメタ16S解析を行った。解析の結果、このサンプルサイズでは皮膚計測項目と遺伝子多型の有意な関連は見出すことはできなかった。また、メタ16S解析において、各個体の部位ごとの細菌叢パターンを比較すると、同一個体内で部位を比較した場合よりも、同一部位で個体を比較した場合の方が、パターンが類似していることがわかった。初年度に当初予定とは別の新たな実験系の確立を進めたため、研究が後ろ倒しになった。その後の研究は概ね順調に進んでおり、最終年度に帳尻をあわせたい。1)沖縄在住の健常ボランティアを対象に、本年度7月(116名)および2月(46名)にアクネ菌の代謝物であるポルフィリンの量を計測し、皮膚の油分量、水分量、色(メラニン量)などとの関連を調べた。昨年度までに収集したデータと合わせて重回帰分析をおこなった結果、額のポルフィリン強度は、額の油分量が多いほど、また皮膚色が淡いほど有意に大きくなることが示された。鼻のポルフィリン強度に関しては、皮膚色および季節(夏よりも冬で大きい)と強い関連が示された。皮膚色がポルフィリン強度(鼻)と関連するメカニズムについては、1紫外線による殺菌効果あるいは2メラニンの抗菌効果が関与していることが考えられる。今後、更なる研究により、皮膚色とポルフィリン強度およびアクネ菌増殖との因果関係を明らかにする必要がある。2)リアルタイムPCR法を用いて、皮膚細菌叢サンプルにおける細菌由来DNAの定量分析方法を確立した。細菌由来DNA量は、16SrRNA解析の細菌由来配列リード数、Propionibacteriumの割合、ポルフィリン強度と相関することを確認した。3)ABCC11およびEDARの多型と額のポルフィリン強度との関連を調べた結果、両遺伝子のアジア型変異はともに顔面の油分量を抑える働きがあること、ポルフィリン量に関して、EDARの遺伝子型は、ABCC11の遺伝子型によって逆の効果をもつことが判明した。つまり、ABCC11とEDARの多型の間には、皮膚形質において独立した効果だけでなく、共通の効果および交互作用効果が存在し、両遺伝子座でアジア型変異をもつことが有利となる可能性が示された。しかしながら、ABCC11とEDARの多型が皮膚細菌叢の構成に与える効果については、統計的に有意な結果は得られなかった。

集団遺伝学的探索によって、アジア特異的に働いた強い自然選択の痕跡が、汗腺機能と関連があるABCC11およびEDARといった遺伝子の非同義変異に見出されている。本研究では、ABCC11とEDARを中心とした遺伝子型と皮膚形質および皮膚細菌叢の個体差との関連を明らかにすることを目的とする。結果として、両遺伝子のアジア型非同義変異が、顔面のポルフィリンの量と関連していることを示した。二つの変異の効果に相互作用がみられることから、これらの変異がアジアにおいて共進化してきたことが推測される。今後、機能的および集団遺伝学的側面の双方から、両者のエピスタシス効果をさらに解き明かしていく必要がある。大規模なサンプリングを行う前に、安定した実験系を確立する必要性を感じたため、当初の予定を変更し、データおよびサンプルの収集を次年度に行う予定である。MiSeqを用いたメタ16S解析の系を構築するとともに、事前に様々な問題点を洗い出すことができたので、結果的には「急がば廻れ」になったのではないかと思う。今後、更なる計測および試料の収集を行い、サンプルサイズを大きくして統計解析を進める予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。ゲノム人類学【データおよび試料の収集】関東地方および沖縄でボランティアを募り、データおよび試料の収集を行う。ヒト由来DNA調整のために血液あるいは唾液を採取する。質問票において、年齢・出身地の他、皮膚疾患および内臓疾患の罹患歴、普段使用している石鹸や化粧品についての調査を行う。皮膚の形質データとして、マルチ皮膚計測器を用いて水分量、水分蒸散量、皮脂量、pH(腕・額)、皮膚画像装置を用いて、シミ、肌のキメ、毛穴、色ムラ(顔・腕)、シワ、ニキビの原因Propionibacteria acnesの代謝物であるポルフィリン(顔)、汗腺数(腕および手掌)、体毛の密度・太さ(腕)、分光測色計を用いて皮膚色(腕および額)、キャリパーを用いて皮下脂肪量(腕)を計測する。水分量、水分蒸散量、皮脂量、pHを計測する。【ヒト皮膚機能関連遺伝子多型における遺伝子型の決定】解析する皮膚機能関連遺伝子多型として、ABCC11およびEDARにおける非同義多型の他、メラニン色素、ケラチン、フィラグリンの合成などに関わる皮膚機能関連遺伝子の多型およびHLA、TLR、IL遺伝子群など免疫関連遺伝子の多型を含む数十個の多型を予定している。【皮膚細菌叢のメタ16S解析】皮膚細菌叢の16S rRNA遺伝子のシーケンス解析(メタ16S解析)を行う。試料を懸濁したDNA抽出用試薬からDNAを調製し、16S rRNA遺伝子を増幅するためのユニバーサルプライマーを用いてPCRを行う。PCRアンプリコンには、ライゲーション反応にてアダプターを付加して、次世代シーケンサを用いて解析する。初年度に当初予定とは別の新たな実験系の確立を進めたため、サンプリングや本実験が後ろ倒しとなった。その影響により、H27年度に予定されていた実験がH28年度に繰越しされた。H28年度に繰越しとなったヒトのジェノタイピングおよびメタ16S解析の費用(試薬代)に充てる予定である。
韓国語における音調の類型とその歴史的変化のモデル化-全州方言を中心に-

本研究は、韓国語におけるアクセント(音調)変化を理論化するのにその目的がある。そのため、アクセント変化において重要であると思われる地域の方言を調査し、そのデータを分析・比較してきたのである。平成18年度のもっとも大きい成果と言えるものは、中国黒龍江省尚志市で話される朝鮮語のデータ収集とそれの分析結果である。この地域は100年ほど前朝鮮半島の慶尚道からの移住者が集まって村を作ったという。だから、基になる言語はやはり慶尚道方言である。しかし、この地域は朝鮮族だけでなく中国の人も多く、言語的にもその影響を強く受けている。また、この何年は韓国語標準語も直接入ってくるようになり、これまでは知らなかった外来語や新語が増えてきておる。アクセントに関しても中国語や韓国標準語の影響は大きい。結果的には、基になっている慶尚道方言のアクセント変化とはその内容が異なる部分が多く見られる。しかし、韓国語アクセント変化全体から見るとある程度一般化することができる。これだけ離れた地点で、様々な社会的環境の影響の中でもアクセント変化の方向性など全体の変化に関しては共通する部分が見られるからである。これまでやってきた全羅道方言、ソウル方言などの結果と今年度の成果を合わせると、これまではっきりしていなかった韓国語におけるアクセント変化の全体図が見えてくると思われる。本研究は、韓国の各方言を調査することから始め、その結果を分析・比較する。それから比較によって各方言間にどういう相関関係が認められるかを考えるものである。さらに、上代に遡って中期朝鮮語と現代方言がアクセントの面でどういう関係にあるかも本研究の課題である。最終的には韓国語における音調変化を理論的に説明することにその目的がある。平成17年度の成果は以下の通りである。1.全州・光州を中心とする全羅道方言が持つ音調上の特徴が明らかとなった。これまで二つの方言は行政区域上の理由で、全羅道方言という名前で同じ特徴を持つとされてきたが、全羅道方言の中でも様々な音調の形が存在し、特に全州と光州は音調の面では共通点と共に非常に異なる特徴を持つことがわかった。さらに、これらの方言は前者がより変化が進んだ形をしていることが言える。2.ソウル方言の音調変化の輪郭が見えてきた。ソウル方言の音調は、世代別の調査を行い、それらを比較することで若い世代に行くほど分節音の力が語全体の音調に大きく影響することがわかった。つまり、無アクセント方言と言われているソウル方言がまだ完全ではないが、いわゆる一型アクセントに変化していることが分かった。3.中国の朝鮮族が使っている朝鮮語も調査の対象に含めた。朝鮮半島と離れているハルピンの方を調査することで韓国語のアクセント変化においての普遍性を考えることができる。
細菌のD-アミノ酸代謝関連酵素の阻害剤開発を目的とした構造と機能の解析

D-アミノ酸は、細胞壁ペプチドグリカンの構成成分として細菌には必須であるが、高等動物ではその生理作用は知られていない。そのため、これらD-アミノ酸の生合成に関連するD-アミノ酸アミノトランスフェラーゼ(D-AAT)、アラニンラセマーゼ(AlaR)、グルタミン酸ラセマーゼ(GluR)などの特異的阻害剤は、細菌に特異性の高い新規抗生物質として作用しうる。本研究ではこのような阻害剤開発の基礎として、これら酵素の構造と機能の関係について検討した。まず、部位特異的変異により好熱性枯草菌由来のD-AATの活性中心Arg98の役割について検討し、Arg98が基質結合部位であるとともに、D-AAT反応における基質α-ケト酸の阻害効果に関与することを明らかにした。また細菌のD-アラニン生合成に関与するアラニンラセマーゼの反応機構を明らかにするため、X線結晶解析の結果から基質α-水素の引き抜きの触媒基と予想された、補酵素ピリドキサルリン酸(PLP)結合リジン残基(K39)と、PLPを挟んでこれと反対側に位置するチロシン265(Y265A)をそれぞれアラニンに変換した、K39AおよびY265A変異酵素を作製した。K39Aはメチルアミン存在下でラセミ化反応を触媒するが、この際D-アラニンを基質にした場合にのみ基質アイソトープ効果が観察された。野生型AlaRは、D-およびL-アラニンに対して、弱いアミノ基転移活性を示すが、Y265AはL-アラニンに対してのアミノ基転移活性を失った。以上の結果、AlaR反応はK39とY265による複塩基機構によって進行し、それぞれの残基はD-およびL-アラニンからのα-水素引き抜き、および両アミノ酸が生成する際に水素を付加する触媒基であることを明らかにした。本研究ではまた、E.coli由来のGluRのUDP-N-アセチルムラミルL-アラニンによる活性化の機構や、発現調節などについても検討した。本研究では、細菌のD-アミノ酸代謝関連酵素の特異的阻害剤を設計する基礎として、これら酵素の構造と機能の関係について研究した。そのためまず好熱性枯草菌由来のD-アミノ酸トランスアミナーゼ(D-AAT)の活性中心Arg98の役割について明らかにした。X線結晶解析の結果では、ホモダイマー構造をとるD-AATにおいて、補酵素ピリドキサルリン酸(PLP)のsi面側の水酸基近傍に、別のサブユニットのArg98が存在する。このArg98の部位特異的変異により、Arg98が基質結合部位であるとともに、D-AAT反応における基質a-ケト酸の阻害効果に関与することを明らかにした。さらに、D-AATのArg98をMet、Tyr88をArgに置換した二重変異型酵素Y88R/R98MのArg88が、基質結合において野生型酵素のArg98と同様な役割を果たすことを見い出した。また本研究では、細菌のD-アラニン代謝に関与するアラニンラセマーゼの反応において、基質a-水素の引き抜きが単塩基機構で行われるのか、複塩基機構で行われるのかについての知見を得るため、好熱性枯草菌由来の同酵素において、水素引き抜きの触媒基である可能性が高いPLP結合リジン残基をアラニンに変換した変異酵素、K39Aを構築し、その性質について検討した。K39Aの触媒するラセミ化反応は一級アミンにより活性化されたが、二級アミンは効果がなかった。

一方、両アミンともK39Aが触媒するピリドキサミンリン酸とピルビル酸の間のアミノ基転位反応を活性化した。このような一級アミンと二級アミンの相違はアラニンラセマーゼ反応の律速段階がアルジミン転移反応であり、一級アミンがこの反応を活性化するのに対し、二級アミンは基質a-水素の引き抜きは活性化するものの、アルジミ本研究では、細菌に必須なD-アミノ酸の生合成に関連するD-アミノ酸アミノトランスフェラーゼ(D-AAT)、アラニンラセマーゼ(AlaR)、グルタミン酸ラセマーゼ(GluR)の特異的阻害剤開発を目的として、これら酵素の構造と機能の関係について検討した。まず、部位特異的変異により好熱性枯草菌由来のD-AATの活性中心Arg98の役割について検討し、Arg98が基質結合部位であるとともに、D-AAT反応における基質a-ケト酸の阻害効果に関与することを明らかにした。また細菌のD-アラニン生合成に関与するアラニンラセマーゼの反応機構を明らかにするため、X線結晶解析の結果から基質a-水素の引き抜きの触媒基と予想された、補酵素ピリドキサルリン酸(PLP)結合リジン残基(K39)と、PLPを挟んでこれと反対側に位置するチロシン265(Y265A)をそれぞれアラニンに変換した、K39AおよびY265A変異酵素を作製した。K39Aはメチルアミン存在下でラセミ化反応を触媒するが、この際D-アラニンを基質にした場合にのみ基質アイソトープ効果が観察された。野生型AlaRは、D-およびL-アラニンに対して、弱いアミノ基転移活性を示すが、Y265AはL-アラニンに対してのアミノ基転移活性を失った。以上の結果、AlaR反応はK39とY265による複塩基機構によって進行し、それぞれの残基はD-およびL-アラニンからのa-水素引き抜き、および両アミノ酸が生成する際に水素を付加する触媒基であることを明らかにした。本研究ではまた、E.coli由来のGluRのUDP-N-アセチルムラミルL-アラニンによる活性化の機構や、発現調節などについても検討した。