hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細胞壁多糖のインビトロ合成とそのキャラクタリゼーション

数種のセルロース生産性生物を使ってセルロースの試験管内合成を行わせた。植物培養細胞からは既報の通り、β1→3-グルカンが合成された。緑藻チリモを用いた場合も植物と同様にβ1→3-グルカンが主に合成されることが本研究で初めて明らかとなった。酢酸菌では既報の通りセルロースがII型結晶として合成されることを電子回折、X線回折、FTIRにより再確認した。またこの試験管内合成されたセルロースは、人工合成セルロースの多くで見られるようなオリゴマーではなく、おそらくポリマーであることが初めてMALDI-ToF MSにより示され、界面活性剤による可溶化は合成酵素活性に深刻な機能不全をもたらしていないことが明らかとなった。バイオマスの多くを占めるセルロースの生合成に関して、遺伝子を軸にした研究は多くあるが、膜タンパク質であるセルロース合成酵素の作用機序に関する報告はほとんどない。その正確な理解のためには、古典的だが生合成の様子を直接観察できるセルロース試験管内合成系の確立が不可欠である。そこで研究の最上流に位置する出発材料の選定を行った。すなわちセルロースを生産する様々な生物から膜タンパク質を単離し、それを用いてセルロース試験管内合成系の確立を目指した。(1)植物を用いて成功した例はいくつか報告されているが、その実験系が引き続き解析に用いられた例は一つもない。そこでより完成された、将来的にも引き続き使用できるような実験系構築を目的として、培養が簡単で安定した試料供給が望めるタバコの培養細胞BY-2を使って実験を行った。スクリーニングを繰り返し、可能性ある条件をある程度まで絞り込んだ。(2)ホヤにおいてセルロース合成酵素遺伝子の発現(転写)レベルが最も上昇する幼生を集め、遠心分画法により集めた膜中のセルロース合成活性を評価した。放射性同位元素(RI)ラベルの取り込みにより評価したところ、エタノール不溶性の固体を合成する活性を明らかにした。しかしこれを可溶化することはできなかった(京都大学大学院理学研究科の中島啓介博士との共同研究)。(3)その他、酢酸菌やミズカビを用いて試験管内合成を行ったが、明らかな合成活性を得ることはできなかった。(4)酢酸菌のセルロース合成酵素の触媒サブユニットであるBcsAの大腸菌発現系を用いて、組み換え体を準備し、その合成活性を評価した。RIラベルの取り込みが若干ながら見られた。昨年度までの様々な試料によるセルロースの試験管内合成系の取り組みを、対象を絞って進めた。すなわち植物や藻類で試験管内合成を行うとともに((1)、(2))、発現系で得られる酢酸菌のセルロース合成酵素による試験管内合成系を目指した実験を開始した((3)、(4))。(1)タバコ培養細胞(BY-2)を用いる実験を引き続き行うとともに、セルロース試験管内合成の報告のあるブラックベリーの培養細胞の樹立を試みている。(2)植物により近縁で、細胞壁にβ1→3-グルカンを持たない藻類Micrasteriasを試料として、その細胞膜画分を用いた試験管内合成を試みた。その結果、電子顕微鏡観察で幅約10nmの繊維が形成されることが明らかとなった。この産物のキャラクタリゼーションを現在進めている。(3)酢酸菌のセルロース合成酵素は複数のタンパク質からなる複合体であり、特にそのうちBcsAとBcsBが試験管内合成には必要であると考えられている。そこでBcsAとBcsBの大腸菌による共発現系構築を試み、膜タンパク質にキチンとフォールドした形で発現させることに成功した。なお我々の知る限り、このBcsABの大腸菌発現系は世界で唯一の大腸菌発現系である。(4)酢酸菌でのセルロース試験管内合成系を構築するために必要な、セルロース合成活性の促進因子であるc-di-GMP(環状二グアニル-リン酸)の酵素合成系を確立した。酢酸菌あるいはチリモ(緑藻)を実験材料として使用し、細胞破砕・遠心分画・界面活性剤処理により膜タンパク質を可溶化し、UDP-グルコースを加えてセルロースの合成をおこなわせた。前者を利用したセルロースのin vitro合成系はすでに報告されているが、その合成されたセルロースの構造解析は、X線回折によりセルロースIIであることが報告されているのみで、詳細な解析はなされていない。そこで赤外スペクトル、電子顕微鏡、電子回折、MALDI-TOF-MSによる総合的な構造解析を行い、合成されたセルロースはセルロースIIであること、セルラーゼの逆反応で作られるような板晶と異なり不規則な形態であること、オリゴマーではないことを明らかとした。また、デシルマルトシドなど、近年膜タンパク質研究で使用されている非イオン性界面活性剤が使用可能であることを初めて示した。

またこの研究の過程で、酢酸菌のセルロース合成活性の促進因子であるc-diGMP(環状二グアニル一リン酸)の酵素合成系を開発した。植物を材料としたセルロースin vitro合成系の問題点は、膜タンパク質抽出の過程で傷害応答性多糖であるβ1→3-グルカンの合成が活性化されてしまい、セルロース合成活性を凌駕し隠してしまうことが一つに挙げられる。チリモの細胞壁にはβ1→3-グルカンが存在することは報告されていないことから、本材料はセルロースin vitro合成系の材料として適当だと考え、実験を行った。しかしながら、チリモを用いて実験を行った場合でもβ1→3-グルカン合成活性が優勢であった。ただし、電子顕微鏡下でセルロースと思われるような長繊維が観察され、赤外スペクトルでも微弱ながらセルロース由来の吸収が現れたことから、さらなる条件最適化でセルロース合成活性を単離できる可能性が存在すると考えられた。
多元物質における結晶異方性および原子異種性を考慮した新しい電子状態計算手法の開発

1.新しい電子状態計算の定式化密度汎関数理論におけるエネルギー変分原理を利用した「変分Augmented Plane Wave(VAPW)法」を定式化した.この新しい方法は,従来のAPW法に比べ,構成原子の非異種性や結晶異方性の取り扱いに大きな改良を与えると期待される.2.VAPW計算コードの開発バンド計算技法に関する資源を再活用しながら,VAPW計算コードを開発した.特にmuffin-fin(MT)ポテンシャルを数種のパラメターで特徴付け,変分計算の効率化を行った.3.VAPW法の有効性の確認VAPW法をアルカリ・テルル化物に適用した.MT半径を変分的に取り扱うことにより,非対称な多元物質に対する電子物性(凝集エネルギー,格子定数,体積弾性率など)の計算精度が大きく高められることを確かめた.また,共有結合のために異方的効果が大きいダイヤモンド構造をとるSiにVAPW手法を適用し,MT近似の範囲内でもセルフ・コシン,ステント計算による基底エネルギーを下げることができることを示した.4.超イオン導電体の電子状態逆蛍石構造を基盤構造としてもつ超イオン導電体,α-Ag_2Teに対してVAPW法に基づく電子状態の計算を広範囲に行い,超イオン導電性発現要因を電子論的に明らかにした.5.今後の課題(1)結晶異方性を考慮したクーロン積分の高精度計算コードの開発,(2)計算機特性(ベクトル,並列)に合わせたプログラムの高速化(特に行列対角化部分について).1.新しい電子状態計算の定式化密度汎関数理論におけるエネルギー変分原理を利用した「変分Augmented Plane Wave(VAPW)法」を定式化した.この新しい方法は,従来のAPW法に比べ,構成原子の非異種性や結晶異方性の取り扱いに大きな改良を与えると期待される.2.VAPW計算コードの開発バンド計算技法に関する資源を再活用しながら,VAPW計算コードを開発した.特にmuffin-fin(MT)ポテンシャルを数種のパラメターで特徴付け,変分計算の効率化を行った.3.VAPW法の有効性の確認VAPW法をアルカリ・テルル化物に適用した.MT半径を変分的に取り扱うことにより,非対称な多元物質に対する電子物性(凝集エネルギー,格子定数,体積弾性率など)の計算精度が大きく高められることを確かめた.また,共有結合のために異方的効果が大きいダイヤモンド構造をとるSiにVAPW手法を適用し,MT近似の範囲内でもセルフ・コシン,ステント計算による基底エネルギーを下げることができることを示した.4.超イオン導電体の電子状態逆蛍石構造を基盤構造としてもつ超イオン導電体,α-Ag_2Teに対してVAPW法に基づく電子状態の計算を広範囲に行い,超イオン導電性発現要因を電子論的に明らかにした.5.今後の課題(1)結晶異方性を考慮したクーロン積分の高精度計算コードの開発,(2)計算機特性(ベクトル,並列)に合わせたプログラムの高速化(特に行列対角化部分について).本研究の遂行にあたって補完的な研究基盤をもつ代表者(密度汎関数理論についての豊富な研究経験)と分担者(固体中電子状態の理論的解析に関する積年の研究成果)は協調して以下の研究を行った.1.新しい電子状態計算の定式化固体中の電子状態を計算する新手法として,密度汎関数理論におけるエネルギー変分原理を利用した「変分Augmented Plane Wave法」を定式化した.この方法はmuffin-fin(MT)半径を変分的に決定する処方箋を与え,またMT近似の範囲内でクーロン積分を正確に実行することを意味づける.その結果,新手法は従来のものに比べ構成異種原子の非対称性や結晶異方性の取り扱いを大きく改良すると期待される.2.バンド計算技法の整備と計算コードの開発バンド計算技法に関する資源を再活用しなら,計算コードを開発した.特にmuffin-fin(MT)ポテンシャルを数種のパラメターを特徴付け,変分計算の効率化を行った.現在,結晶異方性を考慮して高精度にクーロン積分を実行するためのコードを開発中である.さらに次年度では計算機特性(ベクトル,並列)に合わせたプログラムの高速化(特に行列対角化部分について)を図る.3.計算手法の有効性の確認得られた手法をアルカリ・テルル化合物に適用した.MT半径を変分的に取り扱うことにより,非対称的な多元物質に対する電子物性(凝集エネルギー,格子定数,体積弾性率など)の計算精度が大きく高められることを確かめた.現在,共有結合のために異方的効果が大きいダイヤモンド構造をとるSiに新手法を適用中である.昨年度に引き続き,当該研究を以下のように発展させた.1.新しい電子状態計算の定式化密度汎関数理論におけるエネルギー変分原理を利用した「変分Augmented Plane Wave(VAPW)法」の定式化および種々のイオン結晶におけるその有効性についてとりまとめた.このVAPW法は,従来のAPW法に比べ,構成原子の非異種性や結晶異方性の取り扱いに大きな改良を与える.2.シリコン結晶への応用共有結合のために異方的効果が大きいダイヤモンド構造をとるSiにVAPW手法を適用し,muffin-tin(MT)近似の範囲内でもセルフ・コンシステント計算による基底エネルギーを下げることができることを示した.3.超イオン導電体の電子状態バンド計算の容易さから結晶対称性の高い逆蛍石構造を基盤構造としてもつ超イオン導電体,α-Ag_2Te,および対応した銅テルライド,アルカリ・テルライドに対して,電子状態の計算を広範囲に行った.

その結果から,1)従来の予想に反し,価電子帯を構成するAgのd状態とTeのp状態との混合は弱い(dバンドを仮想的にシフトすることにより,状態混合の強弱を評価),2)伝導体帯はAgおよびTeのs状態から構成され,広がった状態にある,3)銀テルライドの半導体的性質を再現するためには,MT球の大きさを変分的に決める(エネルギーを最小化する)ことが重要,などを明らかにした.
有機金属気相成長による原子オーダでの平坦ヘテロ界面形成と電子波共鳴による評価

本研究では、InP/GaInAs共鳴トンネルダイオードを有機金属気相成長法により作製し、実測したデバイスの電流・電圧特性から結晶成長条件とへテロ界面の原子オーダでの平坦化との関係を明らかにすることを目的としている。III族有機金属材料としてトリエチルインジウム、トリエチルガリウムを、IV族材料としてフォスフィン、アルシンを用いた。それら材料ガスの流量を制御し,V族対III族ガスの流量比を他の結晶成長方に比べて1桁以上大きい2000程度にすることにより原子オーダで平坦な成長表面を実現した。成長温度600°Cの場合原子層ステップと均等幅の平坦テラスが形成可能な成長速度の上限はInPで0.5ML/secである。また、InPにジシランをドーパント材料としてデルタドーピングする場合(シートドーピング濃度8×1012cm-2)でも、成長表面が平坦性を保つ成長条件を見いだした。成長表面の観測には原子間力顕微鏡を用い2μm四方での観測でステップの間隔、高さを評価しているが、同時に数十μm四方でステップ形状の同等性も確認している。得られた平坦化成長条件を用いてInP/GaInAs共鳴トンネルダイオード元ウエハを作製した。試作した2重障壁、3重障壁共鳴トンネルダイオードの電流-電圧特性から共鳴エネルギー準位幅を評価し、ステップフロー成長により共鳴準位幅が7meV程度まで狭搾化できることを明らかにした。本研究では、InP/GaInAs共鳴トンネルダイオードを有機金属気相成長法により作製し、実測したデバイスの電流・電圧特性から結晶成長条件とヘテロ界面の原子オーダとの関係を明らかにすることを目的としている。この現有装置では、川続有機金属材料としてトリエチルインジウム、トリエチルガリウムを、V族材料としてフォスフィン、アルシンを用いた。それら材料ガスの流量を制御し、特にV族対川族ガスの流量比を2000程度と大きくすることにより原子オーダで平坦な成長面を実現した。この様な高V/川比の実現は他の結晶成長法と比べて有機金属気相成長法が適している。成長温度600°Cの場合原子層ステップと均等幅の平坦テラスが形成可能な成長速度の上限はInPで0.5ML/secであることがわかった。成長表面の原子オーダでの観測には原子間力顕微鏡を用い基板上のステップ形状の均一性も数十μm四方で確認している。試作した共鳴トンネルダイオードの電流-電圧特性の2階微分特性からInP/GaInAs/InP量子井戸の共鳴エネルギー準位幅を評価し、ステップフロー成長により共鳴準位幅が10meV程度に狭搾化できることを明らかにした。
FANCJ欠損によるゲノム不安定性と細胞癌化への関与

FANCJはファンコニ貧血の原因遺伝子であるだけでなく、BRCA1, MLH1などのがん抑制遺伝子産物に結合し、機能する。申請者は、FANCJ欠損細胞において特徴的なゲノム不安定性が誘起されることを見いだした。さらにFANCJが大腸癌患者において抗がん剤5-FUの抗腫瘍効果に影響を及ぼすことを示唆する結果を得ることができた。ファンコニ貧血(Fanconi Anemia, FA)はまれな小児遺伝性疾患で、骨髄不全、骨格異常、高発がん性が主な臨床症状である。細胞レベルでは、マイトマイシンC(MMC)やシスプラチンなどのDNA架橋剤にきわめて高感受性で、MMC処理後多数の染色体断裂を認めることが特徴的である。FAは単一の遺伝子欠損で引き起こされる疾患ではなく、少なくとも13の相補群が存在し、そのすべての原因遺伝子(FA-A, -B, -C, -D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N)が同定されている。FA-A, -B, -C, -E, -F, -G, -L, -Mは核内で巨大なFAコア複合体を形成しており、この複合体依存的にFA-D2, FA-Iによって形成されるID複合体が活性化されモノユビキチン化される。FA-D2のモノユビキチン化は細胞のDNA架橋剤に対する耐性に必須である。2005年に同定されたFA-Jは以前に家族性乳がん原因遺伝子BRCA1と会合するDNAヘリケースとして同定されたBACH1/BRIP1と同一であった。FA-J細胞でFA-D2のモノユビキチン化は阻害されない。FA-JがDNA損傷部位においてFAコア複合体やID複合体などと協調して修復機能を発揮していることが示唆された。FA-Jは遺伝性非ポリポーシス大腸がん原因遺伝子MLH1とも会合していることが報告されており(Peng, etal, EMBO J 26 : 3238-49(2007))、家族性乳がんにとどまらず、家族性大腸がん、さらには他の散発性がん発症抑制にも深く関わっている可能性がある。本年度は、FA-J機能不全によるゲノム不安定性についてモデル細胞系を用いて解析し、臨床検体を用いてFA-J発現解析を行い、がんにおけるFA-J発現についての検証を行った。ファンコニ貧血(Fanconi Anemia,FA)はまれな小児遺伝性疾患で、骨髄不全、骨格異常、高発がん性が主な臨床症状である。FAは単一の遺伝子欠損で引き起こされる疾患ではなく、現在15の相補群が見出されており、そのすべての原因遺伝子が同定されている。FA-A,-B,-C,-E,-F,-G,-L,-Mは核内で巨大なFAコア複合体を形成しており、この複合体依存的にFA-D2,FA-Iによって形成されるID複合体が活性化されモノユビキチン化される。FA-Jは遺伝性非ポリポーシス大腸がん原因遺伝子MLH1とも会合していることが報告されており(Peng etal,EMBO J 26:3238-49(2007))、家族性乳がんにとどまらず、大腸がん、さらには他の散発性がん発症抑制にも深く関わっている可能性がある。本年度は、FA-J機能不全によるゲノム不安定性についてモデル細胞系を用いて解析し、さらに大腸癌、乳癌患者より得られた臨床検体を用いてFA-J発現解析を行い、がんにおけるFA-J発現と予後、抗がん剤治療効果との関連について検証を行った。

FA-D2のモノユビキチン化は細胞のDNA架橋剤に対する耐性に必須である。2005年に同定されたFA-Jは以前に家族性乳がん原因遺伝子BRCA1と会合するDNAヘリケースとして同定されたBACH1/BRIP1と同一であった。FA-J細胞でFA-D2のモノユビキチン化は阻害されない。FA-JがDNA損傷部位においてFAコア複合体やID複合体などと協調して修復機能を発揮していることが示唆された。FA-Jは遺伝性非ポリポーシス大腸がん原因遺伝子MLH1とも会合していることが報告されており(Peng etal, EMBO J 26:3238-49(2007))、家族性乳がんにとどまらず、大腸がん、さらには他の散発性がん発症抑制にも深く関わっている可能性がある。本年度は、FA-J機能不全によるゲノム不安定性のメカニズムについてモデル細胞系による解析結果を論文として発表した(Kitao et al.Genes Cells 16:714-27(2011))。さらに大腸癌患者より得られた臨床検体を用いてFA-」発現解析を行い、がんにおけるFA-J発現と予後、5-FUによる術後化学療法の治療効果との関連についても論文として発表した(Nakanishi et al.Ann Surg Oncol in press)。また、5-FUの作用メカニズムについて、モデル細胞を用いた解析結果についても、論文として報告した(Fujinaka et al.DNArepair 11:247-58(2012))。
「リユース」に着目した自動車中古部品産業の地域展開に関する日米比較研究

2011年現在の日米自動車補修部品市場における共通点としては、(1)より品質の高い補修部品需要の拡大、(2)安全性への需要拡大、(3)車齢が増加してきたこと、(4)モデルチェンジの速度が速まり補修部品の種類も増加したこと、(5)次世代自動車(HV車、電気自動車)増加への対応等が挙げられる。また両国の違いとして、補修部品市場におけるに海外製(とくに台湾、中国製)の低価格部品の使用割合が、アメリカでは一定のシェアを占めつつある一方で、日本のフォーマル市場ではその存在感はアメリカに比して小さい。リサイクル部品の使用割合は依然として米国の方が高い一方で、日本でも徐々にリサイクル部品の普及が進みつつある。ただし米国ではリビルト部品や解体部品がそのマーケットの中心であると考えられる一方、日本では品質保証されたリユース部品が一定の存在感を示しており、また政策的にもその普及が図られている。日本の自動車リサイクル部品関連業者の業界資料調査ならびにヒアリング調査を精力的に行った。その際の分析視角として自動車解体業者を大まかに(1)素材リサイクルをそのビジネスとしてするものと、(2)国内市場向け中古部品の生産・流通をそのビジネスとするものの2つに大別し、2つの業種の業態比較と最近5年間の経営状態・日本における地域的差異に関する考察を進めた。この分析には商業統計表を積極的活用した。分析の結果、経済のグローバリゼーションの流れの中、リサイクル素材の相場急騰が主因となり(1)素材リサイクルをそのビジネスとしてする解体業者は、事業所数・従業員数・年間販売額いずれもが増加しているのに対し、(2)国内市場向け中古部品の生産・流通をそのビジネスとする解体業者の企業経営は縮小傾向にあることが判明した。また、後者=(2)国内市場向け中古部品の生産・流通をそのビジネスとする解体業者の業界団体の1つである「日本自動車リサイクル部品販売団体協議会」所蔵の一次資料を中心に、2000年ころのアメリカにおける中古部品流通の実態とその時点での展望に関する資料整理・収集を行い、22年度もしくは23年度に予定している現地調査の準備を進めた。自動車リサイクル法によるシステムよって新たに課せられたフロン回収・エアバッグの適正処理・リサイクルに関する自動車解体業者での取り組みに関して、資料収集・意見交換を行うとともに、適正処理の推進による安定した経営環境の整備の重要性を再認識できた。さらに大型車・ハイブリッド車等車種別のリサイクルの状況とその中古部品流通の特質について、主として日本をフィールドに資料収集・現地調査を進めた。前年度に引き続き、日本および米国の自動車リサイクル部品関連業者の業界資料調査ならびにビアリング調査を行った。(1)昨年度同様に国内市場向け中古部品の生産・流通をそのビジネスとする解体業者の業界団体の1つである「日本自動車リサイクル部品販売団体協議会」所蔵の一次資料の分析を進めた。(2)補修部品全般に占めるリサイクル部品の位置づけという観点から、自動車補修部品流通業界全般にターゲットを広げ、純正部品・優良部品流通業界団体資料の収集と分析を進めた。(3)「次世代自動劇の普及に伴う、バッテリー・電装部品等のメンテナンス、リユース等のアフタービジネスの成立メカニズムについて検討を始めた。自動車補修部品市場においては、日米共にその品質保証と迅速な供給、さらにはいわゆるブランドという面で、純正部品が優位性を持つ。しかしながら経済性の面から中古・リビルト・リユース部品への根強い需要がある。補修部品業界の顧客は日本の場合は同業者間や整備業者が多い一方、米国の場合はDIY(Do it yourself)思想も手伝って、実際の使用者(エンドユーザー)であることも多い。このようなマーケットの事情を考慮に入れながら、日米両国における補修部品供給体制の地域的特質について検討を進めている。一方次世代自動車の普及に伴い、電送部品を中心とした補修部品の使用の際には、様々なスキャンツールを使用したより高度な整備技術が必要となっている。また特に日本では循環型経済推進政策における「3R」の一環として、自動車の「リユース部品」の普及に関して取り組みが始まっているが、その社会経済メカニズムについて検討を進めている。2012年現在の日米自動車補修部品市場における共通点として、1より品質の高い補修部品需要の拡大、2安全性への需要拡大、3車齢の増加、4モデルチェンジの速度が速まり補修部品の種類も増加してきたこと、5次世代自動車(HV車、電気自動車)増加への対応等が挙げられる。また両国の違いとして、補修部品市場におけるに海外製(とくに台湾、中国製)の低価格部品の使用割合が、アメリカでは一定のシェアを占めている一方で、日本のフォーマル市場ではその存在感はアメリカに比して小さいようである。

また、補修部品市場に占めるリサイクル部品の使用割合は、依然として米国の方が高い一方、日本でもリサイクル部品に一定の品質保証を設る等の業界での努力や、1985年頃から各地で成立したリサイクル部品在庫ネットワークが徐々に統一され、業界でのリサイクル部品の共通在庫管理が進むことにより、徐々にではあるが、リサイクル部品の普及が進みつつある。米国ではリビルト部品や「解体部品」がそのマーケットの中心であると考えられる一方、日本では、上記に示したように「品質保証されたリユース部品」が一定の存在感を示しており、また政策的にもその普及が図られている。24年度が最終年度であるため、記入しない。
小天体表面における電波を用いた自己位置同定の研究

大きさ数km以下の太陽系小天体表面での絶対自己位置同定として,小天体近傍に滞在する探査機からの電波を用いる手法の検討をシミュレーションとGPSによる模擬実験により実施した.大きさ数km以下の太陽系小天体表面での絶対自己位置同定として,小天体近傍に滞在する探査機からの電波を用いる手法の検討をシミュレーションとGPSによる模擬実験により実施した.本研究の目的は,太陽系に存在する小天体(小惑星、彗星)表面における探査ロボットの自己位置同定の技術を確立することにある。小天体はその多くが,いびつな形状をしている。また,1つの天体がラブルパイルと呼ばれる複数の岩盤の集合体である場合,その内部には多くの空隙層を含むため,密度が一様でない。このため,天体の重心を基準とした地心経緯度とローカルな重力加速度方向を基準とした測地経緯度では,その値が大きく異なる。小天体表面の興味深い地形は,小天体に接近した探査機(例えば,日本のハヤブサ探査機)がその外部から撮影した画像をもとに選択される。このため,その地点を座標として与える場合,地心経緯度が使われる。一方,小天体表面のロボット単独で,カメラや重力計,太陽センサを用いてその座標を求めることが原理上可能である。しかし,そこで求めた座標は測地経緯度で表現される。以上の理由から,興味のある目的地を地球から指示した場合,地心経緯度と測地経緯度が大きく異なるため,ロボットを意図した目的地に収束させることができない。そこで,本研究では,ロボットを小天体表面まで運搬した母船が電波による支援を行なって,ロボットの小天体表面における地心経緯度を準リアルタイムに求めるシステムの検討を行なう。本研究で具体的に実施する項目は,・シミュレーションによる数値解析・地球上でのGPS衛星からの電波を使用した摸擬実験の2点である。研究初年度にあたる平成19年度は,以下の作業を実施した。・母船が周回軌道運動している場合の定式化簡単なケースとして,母船が小天体を周回している場合における定式化を行なった。システムの状態方程式と観測方程式を導出し,カルマンフィルタとバッチフィルタから位置同定を行なうための定式化を行なった。・シミュレーションによる数値解析定式化をもとに,イトカワ級の大きさの小惑星や,火星の衛星フォボスなど実際に探査ミッションが検討されている小天体パラメータにおける数値シミュレーションを実施した。母船の軌道と測定距離に白色雑音があると仮定して,距離測定時間と得られる自己位置同定誤差の関係を求めた.・次年度以降の実験の準備次年度の実験のため,納期が長期間かかる高精度のGPS受信機の手配を行なった。本研究の目的は,太陽系に存在する小天体(小惑星・彗星)表面における探査ロボットの自己位置同定の技術を確立することにある.小天体はその多くが,いびつな形状をしている.また,1つの天体がラブルパイルと呼ばれる複数の岩の集合体である場合,その内部には多くの空隙層を含むため,密度が一様でない.このため,天体の重心を基準とした地心経緯度とローカルな重力加速度方向を基準とした測地経緯度では,その値が大きく異なる.小天体表面の興昧深い地形は,小天体に接近した探査機(例えば,日本のハヤブサ探査機)がその外部から撮影した画像をもとに選択される.このため,その地点を座標として与える場合,地心経緯度が使わる.一方,小天体表面のロボット単独で,カメラや重力計,太陽センサを用いてその座標を求めることか原可能である.しかし,そこで求めた座標は測地経緯度で表現される.以上の理由から,興味のある目的地を地球から指示した場合,地心経緯度と廁地経緯度が大きく異なるため,ロボットを意図した目的地に収束させることができない.そこで,本研究では,ロボットを小天体表面まで運搬した母船が電波による支援を行なって,ロボットの小天体表面における地心経緯度を準リアルタイムに求めるシステムの検討を行なう.本研究で具体的に実施する項目は,・シミュレーションによる数値解析・地球上でのGPS衛星からの電波を使用した摸擬実験の2点である.平成20年度は,以下の作業を実施した.・シミュレーション実験装置の製作実験システムとして,GPS受信機からの生情報を継続的に記録する装置を製作した.製作した装置の構成は,GPS受信機をインクフェースボードを介してパソコンにつないだものであり,パソコン搭載のソフトウェアでGPS受信機からの出力データを定期的に記録させる.インタフェースボードは専用品を製作した.・GPS衛星を用いた実験製作した装置を用いてGPS衛星からデータを取得し,地球上で位置同定を行なう実験を実施した.・小天体表面での期待できる位置誤差の導出以下の2点により,小天体表面で期待できる位置誤差を導出した.(1)地球上の位置誤差を,小天体と地球のスケールファクタを用いて変換する.(2)測定システムで得られた生データから,GPS衛星システムにおける測定距離の誤差分布を求める.本研究の目的は,太陽系に存在する小天体(小惑星・彗星)表面における探査ロポットの自己位置同定の技術を確立することにある.小天体はその多くが,いびつな形状をしている.また,1つの天体がラブルパイルと呼ばれる複数の岩盤の集合体である場合,その内部には多くの空隙層を含むため,密度が一様でない.このため,天体の重心を基準とした地心経緯度とローカルな重力加速度方向を基準とした測地経緯度では,その値が大きく異なる.小天体表面の興味深い地形は,小天体に接近した探査機(例えば,日本のハヤブサ探査機)がその外部から撮影した画像をもとに選択される.

このため,その地点を座標として与える場合,地心経緯度が使われる.一方,小天体表面のロボット単独で,カメラや重力計,太陽センサを用いてその座標を求めることが原理上可能である.しかし,そこで求めた座標は測地経緯度で表現される.以上の理由から,興味のある目的地を地球から指示した場合,地心経緯度と測地経緯度が大きく異なるため,ロボットを意図した目的地に収束させることができない.そこで,本研究では,ロボットを小天体表面まで運搬した母船が電波による支援を行なって,ロボットの小天体表面における地心経緯度を準リアルタイムに求めるシステムの検討を行なう.本研究で具体的に実施する項目は・シミュレーションによる数値解析・地球上でのGPS衛星からの電波を使用した摸擬実験の2点である.平成21年度は,異なる母船の運動を仮定したシミュレーションと,GPS衛星を利用した実験を行なった.・異なる母船の運動に関するシミュレーション検討平成20年度までの検討は,母船が小天体を周回運動している場合に関するシミュレーションと実験によるものであった.GPS衛星は地球を周回しているため,本方式における位置同定精度を論じるためには,シミュレーションと比較するためには,母船が小天体を周回運動している場合のみ考慮せざるを得ないためである.平成21年度は,母船と小天体が太陽の回りをほぼ同じ公転運動をしている場合や,母船が小天体回りをガスジェットを用いて軌道変換している場合におけるシミュレーションを行なった.・実験平成20年度に製作した装置による実験を再び行ない,ターゲットとしている大きさ1kmの小天体表面での期待できる位置誤差の導出を行なった.この導出は.(1)地球上の位置誤差を,小天体と地球のスケールファクタを用いて変換する.(2)測定システムで得られた生データから,GPS衛星システムにおける測定距離の誤差分布を求める.という処理で行なっている.
可視光領域の高精度偏光スペクトルの詳細解析による太陽コロナ加熱源の解明

本課題最終年度に当たる本年度は、「ひので」衛星により取得された高精度偏光スペクトルデータの解析に注力、太陽外層大気の基本構造である磁場強度の大きい磁束管の形成過程を観測的に初めて明らかにした。この「強い磁束管」は、温度約6000度の太陽表面上で直径約200km、磁場強度約2kGを持ち、100万度以上の温度にある外層の超高温大気のコロナを形作る、大気の基本要素である。強い磁束管は太陽表面の流体運動のエネルギー密度よりも高い磁場エネルギーを有するため、流体が磁場になす仕事のみではその形成は説明できない。米国等の研究者により、流体のなす仕事により磁束管の磁場強度がある閾値に達すると、放射冷却によるエネルギー損失が流体運動によるエネルギー供給を上回り、対流不安定性を引き起こして管内部の物質が落下するために、希薄化した磁束管が収縮し、結果として磁場強度が強くなるという仮説が30年以上前に提出された。しかし、地上からの観測では、地球大気のシーイングの影響により検証出来なかった。研究代表者らは、「ひので」衛星により、太陽表面上で形成される6302Aにある鉄吸収線の高精度偏光スペクトルの時間変動を観測し、そのデータ解析から、数百ガウスの磁場強度の磁束管が、6km/sに達する下降流の発生に伴って、その磁場強度が2kGにまで上昇する現象をとらえることに成功した。また、下降流が磁束管下部で反射したと見られる上昇流も検出した。これは、対流不安定性により磁束管の強度が高められるとする理論予測と極めてよく整合し、磁束管の動的性質の解明に大きく貢献したと言える。また、表面での磁束管の動的性質とそれに対応する上空の加熱現象を関係を探る上で重要な発見である。太陽の表面温度は6000度だが、その上空には100万度以上の高温大気のコロナが存在している。これまでの観測から、コロナは太陽表面から突き出た磁力線に高温プラズマが閉じ込めらた磁気ループを基本構造であることが分かっている。このためコロナプラズマ生成には、構造を支配する磁場が本質的であると考えられている。従って、エネルギー供給源である表面での磁気ループの構造と運動の解明が、コロナ加熱機構特定つながると予測されている。しかしながら刻々と変動する地球大気の影響を受ける地上の観測条件下では、空間サイズ100km程度の磁力線の観測は達成が極めて困難である。本研究では、2006年9月に打ち上げられた「ひので」衛星が取得する高精度偏光スペクトルの精密解析を実施し、加熱機構解明を目指すものである。18年度は、打ち上げ直後の「ひので」衛星の望遠鏡のデータの校正から取り組む一方で、偏光スペクトルデータの解析手法の解析に取り組んだ。その上で、太陽表面での磁力線構造の時間変動の詳細観測を実施し、データの解析に取り組んだ。本観測と解析により、これまでの観測では分からなかった表面での強い磁束管の生成過程を同定することができた。上空に突き出る磁力線は、電磁流体力学の理論的研究により、表面では磁場強度1kG、半径150kmの磁束管であると考えられているが、その生成過程は観測的には検証されていない。本研究では、理論から予測される、強い磁場の磁束管が出来る際に発達する熱不安定性起因の高速下降流の急激な時間発展と考えられる現象を多数見出した。今後、磁場構造の時間変動を調べることにより、強い磁束管形成シナリオの検証につながると期待される。さらに、磁束管基本構造の解明で構築した手法を適用することにより、コロナプラズマ生成に寄与する電磁流体現象の特定につながると期待される。
細胞凝集塊(スフェロイド)の歯周組織再生医療への応用

本年度の研究は、オリジナルの骨膜細胞の微細構造と骨膜由来細胞スフェロイドの細胞の相違を超微細構造学的検索と免疫組織学的検索を行った。採取した骨膜を光学および電子顕微鏡で観察すると多くのコラーゲン線維が認められ、その間に種々の形状の細胞が散在していた。紡錘形で、細胞小器官が認められる細胞、立方形で核の占める割合が大きく細胞質中に多くの自由リボゾームを有している。この細胞は未分化細胞であると考えられる。スフェロイドを電子顕微鏡で観察すると、3日目では、最表層付近(表層)、スフェロイド中心部(深層)とこれらの間に位置する細胞中間部(中層)に区別される様になった。多くの細胞はこれら3層の部位に塊状となり存在していた。さらに各層間はコラーゲン線維で充満していた。深層部の細胞には多くの取り込み小胞や粗面小胞体、ゴルジ装置がよく発達していた。このことからコラーゲン合成は深層の細胞でもっとも活発であろうと考える。7日目ではスフェロイドは表層、中膚、深層の3層に明瞭に区別できるようになった。深層部の細胞ではミトコンドリアや細胞小器官等の変性像が認められた。これらの細胞は死滅していくものと考えられる。加えて、中眉と深層の間のコラーゲン線維層が3日目より厚くなった。中層の細胞では多くの取り込み小胞や粗面小胞体、ゴルジ装置がよく発達していた。このことはコラーゲン合成が深層の細胞より中層の細胞に移行したと考えられた。また表層の細胞は非常に扁平な細胞となり、細胞小器官の発達も認められなかった。すなわち、表層の細胞はコラーゲン線維を合成していないものと考えられた。免疫組織学的検索においてはオステオカルシン、オステオポンチン供に陰性反応であったが、21日間培養を行った場合では陽性反応が認められた。細胞活性が高い、3日目のスフェロイドを生体内に移植していくことに結論づけ、引き続き検索を行っていく所存である。本年度の研究計画は細胞凝集塊(スフェロイド)の形成条件の決定であった。その検索方法として、三次元培養3日、7日、14日後の細胞凝集塊(スフェロイド)を作製し、免疫組織化学的検索を行った。凍結切片を作製した後、FDA-PIでのスフェロイド中の細胞の生死判定を行ったところ、表層部の細胞のほとんどに活性が認められたが、深層においては活性がなかった。抗ヒト-I、コラーゲン複合抗体は表層から一層内面の細胞に反応が認められ、コラーゲンの存在が示唆された。超微細構造学的には透過型電子顕微鏡をもちいて観察を行った。三次元培養3日目のスフェロイドは表層、深層とも細胞の形態に異常形態やネクローシス様形態は認められなかった。コラーゲンの産生も確認でき、細胞凝集塊(スフェロイド)は自己で再生の足場であるコラーゲンを供給していると推察できた。7日目、14日目の細胞凝集塊(スフェロイド)はコラーゲンが非常に豊富で、細胞数は減少していた。しかし、表層部では細胞は少ないながらも、形態学的に問題はなかった。深層においてはネクローシスを起こした細胞が多数認められ、移植材としては不適当だと推測する。研究の目的は細胞凝集塊(スフェロイド)の生体に移植するためにもっとも良い状態を検索し、決定していくことであるが、免疫組織化学的、超微細構造学的に三次元培養3日後の細胞凝集塊(スフェロイド)中の細胞の状態が生物活性に富み、生体移植に適していると結論づけた。

免疫組織学的検索においてはオステオカルシン、オステオポンチン供に陰性反応であったが、21日間培養を行った場合では陽性反応が認められた。細胞活性が高い、3日目のスフェロイドを生体内に移植していくことに結論づけ、引き続き検索を行っていく所存である。
認知の歪みを定量化する：心理変数を含む状態空間モデルによるアノマリー採餌の解析

採餌局面において,動物はしばしば合理的と呼べない行動をとるが,その背後には認知の歪みがあると考えられる.こうした行動は「異常」として定性的記述で終わることが多いが,より体系的な理解へと繋げるため,認知の歪みを定量化する必要がある.本研究の目的は,直接観測できない認知的要因を定量化するための統計モデルを構築し,生物学的に意義のある仮説を検証するための解析手法を開発することである.実験室内における動物の採餌行動データを解析し,認知の歪みを検出できるような統計モデルを構築する.さらに,定量化した歪みを動物が自ら修正する行動をとることができるか検証する.また,種間比較により進化的背景を考察する.採餌局面において,動物はしばしば合理的と呼べない行動をとるが,その背後には認知の歪みがあると考えられる.こうした行動は「異常」として定性的記述で終わることが多いが,より体系的な理解へと繋げるため,認知の歪みを定量化する必要がある.本研究の目的は,直接観測できない認知的要因を定量化するための統計モデルを構築し,生物学的に意義のある仮説を検証するための解析手法を開発することである.実験室内における動物の採餌行動データを解析し,認知の歪みを検出できるような統計モデルを構築する.さらに,定量化した歪みを動物が自ら修正する行動をとることができるか検証する.また,種間比較により進化的背景を考察する.
コリン作動性遺伝子座の発現制御機構の解明

コリン作動性神経に必須の機能タンパク質であるコリンアセチル転移酵素(ChAT)とシナプス小胞アセチルコリントランスポーター(VAChT)は、同一の遺伝子座に「入れ子」になってコードされるという、他に例を見ない遺伝子構造をしている。我々は以前にマウスChAT遺伝子の上流領域3.4kbの特異性をトランスジェニックマウスを作出して解析したが、コリン作動性ニューロン特異性は認められなかった。そこで、上流領域をVAChTのopenreading frame(ORF)を含む6.4kbに広げてトランスジェニックマウスを作出した。レポーター遺伝子として用いたβ-ガラクトシターゼの発現はCh1-Ch8にグループ分けされる投射ニューロン群、脳幹と脊髄の運動ニューロンおよび新線条体の局所回路ニューロンの細胞体で検出され、大脳皮質、海馬、扁桃体などの投射領域で終末様の構造が認められた。さらに、このトランスジェニックマウスではwild-typeマウスよりも数倍多いVAChTmRNAの発現が検出されるが、この発現はコリン作動性ニューロンが局在する組織に限られ、異所性の発現は認められなかった。以上の結果は、VAChTのORF(もしくはその近傍)にChATとVAChTのコリン作動性ニューロンでの発現を規定するDNA配列が存在することを示している。本研究で同定したcholinergic-specific promoterは、任意の遺伝子をコリン作動性ニューロンで特異的に発現させたり、Cre/loxP systemを用いて任意の遺伝子をコリン作動性ニューロンのみでノックアウトしたマウス(cholinergic-specific knockout mouse)を作出するために有用なtoolになると期待できる。
多核巨細胞形成におけるサイトカイン及び接着分子の役割

2、多核巨細胞で特異的に高発現している遺伝子の同定:多核巨細胞とMφのcDNAをそれぞれprobeとして、上記のライブラリーをスクリーニングした.これまでのところ多核巨細胞のprobeと特異的にハイプリダイズするクローンは検出されなかった。mRNA発現量の差が少なく、検出されなかった可能性も考えられた。多核巨細胞の形成過程でmRNAを抽出し、蛍光ラベルoligo dTprimerで逆転写反応を行い、'5 arbitarilyprimerでPCRを行った。変性アクリルアミドゲル電気泳動し、多核巨細胞形成過程で発現してきたバンドを切り出し、TA cloningを行った。これまでのところシークエンスされたものは、データベースの検索によりIL-6、MMP-9、fusion regulatory protein-1である。Northem blottingで確認すると同時に、さらに新たなバンドを検出、今後もクローニングを進める予定である。2、単球-Mφ系の細胞の融合に関連する接着分子:我々の樹立した骨巨細胞腫細胞株とヒト末梢血単球との共存培養により形成された多核巨細胞及びその過程にあるMφは対照と比較してCD54、CD71、HLA-DRの染色性の増強を認め、融合におけるこれら分子の関与が示唆された。3、抗サイトカイン抗体、抗接着分子抗体による中和実験:抗IL-1β抗体、抗IL-6抗体、抗CD4抗体(anti-Leu-3a)、抗CD14抗体(anti-Leu-M3)により、多核巨細胞形成が阻害された。多核巨細胞形成におけるこれらサイトカインと接着分子の関与が示唆された。4、破骨細胞様細胞の形質:我々の共存培養系において形成される多核巨細胞は破骨細胞の特異的マーカーであるカテプシンKを発現していた(RT-PCR法)。5、骨巨細胞腫培養上清の単球遊走活性:上清は単球遊走活性を示し、これは抗MCP-1抗体処理にて一部抑制された。骨巨細胞腫は宿主の単球をrecruitしている可能性が示唆された。
真空紫外用フッ化物発光材料の光物性研究

本研究では、発光中心となる希土類、遷移金属、Tl型不純物を添加したフッ化物の結晶または非晶質試料を作製し、それら試料の真空紫外領域における吸収およびそれに伴う発光の特性を調べることにより、新規フッ化物発光材料の開発の基礎となる知見を得ることを目的とした。申請研究の初年度である平成15年度では、フッ化物専用結晶作製炉を導入整備し、これを用いていくつかの試料の作製を試み、これらの基本的な光学的評価を行った。第一段階として、フッ化物焼結体試料を、新たに導入した結晶作製炉でもこれまで同様に作製可能かを調べた。これらの作製条件を最適化するために、すでに研究を行っているPrおよびEuを添加したNaGdF_4の焼結体試料を作製してその評価を行った。その結果、これまで得られた実験結果をよく再現し、焼結体試料については、導入した結晶作製電気炉で問題なく行えることを確認した。この結果を基に、TbおよびEuを添加したNaGdF_4の焼結体試料を作製し、分子科学研究所極端紫外光実験施設(シンクロトロン放射光実験施設)において作製した試料についての実験を行った。つぎに、フッ化物の単結晶についてもの作製を試みた。試作した試料は、フッ化物の中でも単純なNaCl型構造をとり融点も低い無添加LiF結晶、および1価のタリウム型不純物であるTlを添加したLiF結晶である。平成15年度に引き続き、平成16、17年度では導入したフッ化物専用結晶作製炉を整備し、改良を加えながら、これを用いてフッ化物試料の作製を試みた。これらの作製試料について、発光・励起スペクトルおよび時間分解蛍光スペクトル、蛍光減衰曲線の測定による光学的な評価を行った。さらに、新たに3価のTl型不純物であるBiに注目し、Biを添加したNaYF_4,LiYF_4の作製も試みた。主に分子科学研究所極端紫外光実験施設における光学実験の結果、この試料が真空紫外領域においてBiによる強い吸収を示すなど、真空紫外用の発光材料として応用できる可能性を示唆する結果を得た。しかしながら、ハロゲン化アルカリ結晶にTlを不純物として添加するためには原料にTlClなどのハロゲン化物を微量混合するのが一般的であるが、Tlのハロゲン化物は蒸気圧が高いためが原因と思われる結晶育成中に容易に飛散してしまう問題点が残った。申請研究の初年度である平成15年度では、フッ化物専用結晶作製炉(小型真空電気炉、ユニオンマテリアル社特注品)を導入・整備し、これを用いていくつかの試料の作製を試み、これらの基本的な光学的評価を行った。第一段階として、フッ化物焼結体試料を、新たに導入した結晶作製炉でもこれまで同様に作製可能かを確認し、さらに作製条件を最適化するため、すでに研究を行っているPrおよびEuを添加したNaGdF_4の焼結体試料を作製してその評価を行った。

そこで新たに、TbおよびEuを添加したNaGdF_4の焼結体試料を作製し、分子科学研究所極端紫外光実験施設(シンクロトロン放射光実験施設)において作製した試料についての実験を行った。その成果については、今年11月に奈良市で行われる国際会議(Rare Earths 2004,Nara,JAPAN)で発表する予定である。つぎに、フッ化物の単結晶試料の作製を試みた。試作した試料は、フッ化物の中でも単純なNaCl型構造をとり融点も低い無添加LiF結晶、および1価のタリウム型不純物であるTl,Ga,Inを添加したLiF結晶である。作製条件の最適化を経て、比較的大きな単結晶(数十ミリ角)の作製に成功した。ただし、その後の評価で、使用した原料に強い発光を示す不純物が混入していることが判明したので、現在、原料粉末を評価してその選定を行っている。また、タリウム型不純物を添加した単結晶については、従来行われている不純物元素のフッ化物を母体材料に加える方法では困難であることがわかり、現在、新たな不純物添加法を検討中である。平成15年度に引き続き、平成16年度では導入したフッ化物専用結晶作製炉を整備し、改良を加えながら、これを用いてフッ化物試料の作製を試みた。これらの作製試料について、発光・励起スペクトル測定を主とした光学的評価を行った。以前より研究を行っているPrおよびEuを添加したNaGdF_4の焼結体試料を、導入した結晶作製炉を用いて作製条件の最適化を行った。これらの試料について分子科学研究所極端紫外光実験施設(シンクロトロン放射光実験施設)で実験を行った。2005年3月に埼玉大学で行われた応用物理学関係連合講演会でその成果を発表した。また、TbおよびEuを添加したNaGdF_4の焼結体も同様に作製し、上記の実験施設で行った実験の結果を昨年11月に奈良市で行われた国際会議(Rare Earths 2004, Nara, JAPAN)において発表した。さらに、新たに3価のTl型不純物であるBiに注目し、Biを添加したNaYF_4の作製も試みた。この試料についても同様な評価を行い、この試料が真空紫外領域においてBiによる強い吸収を示すなど、真空紫外用の発光材料として応用できる可能性を示唆する結果もすでに得ている。この結果は、2005年7月に中国・北京で開催予定の国際会議(14^<th> Int.Conf.on Luminescence)にて発表の予定である。また、フッ化物の単結晶試料の作製にも前年度に引き続き取り組んだ。作製する試料の母体結晶としては単純なNaCl型構造をとり融点が比較的低いNaFを選び、この結晶にTlの添加を試みた。ハロゲン化アルカリ結晶にTlを不純物として添加するためには、原料にTlClなどのハロゲン化物を微量混合するのが一般的であるが、Tlのハロゲン化物は蒸気圧が高く、結晶育成中に容易に飛散してしまうことがわかった。この材料に最適な不純物添加法を現在検討中である。申請研究の最終年度である平成17年度では、整備・改良を加えたフッ化物専用結晶作製炉を用いて各種のフッ化物試料の作製を行い、これら発光・励起スペクトルおよび時間分解蛍光スペクトル、蛍光減衰曲線の測定などにより光学的な評価を行った。希土類のTbおよびEuイオンを添加したNaGdF_4の焼結体を分子科学研究所極端紫外光実験施設(シンクロトロン放射光実験施設)で行った光学実験の結果を、J.Alloy and Compounds誌に発表した。また、今年度新たに3価のTI型不純物であるBi^<3+>
ナノポアを用いた1分子構造解析法の開発

本研究課題では、ナノポアを通過する分子の速度を制御するサラウンドゲート電極と、ナノポアデバイスを融合することで、ナノポアを通過する分子の速度をゲート電圧で減速させることに成功し、さらにイオン電流変化からナノポア通過分子の構造解析に成功した。ゲート電圧によるナノポア通過分子の速度制御、およびナノポアを用いた構造解析はいずれも本研究が世界発である。具体的には、ナノ粒子を最大で240倍ほど減速させ、DNA 1分子の速度は10倍ほど減速させることに成功した。また、それらの粒子の3次元形状や、DNAのナノポア通過時の構造を定量的に解析することに成功した。本研究課題では、ナノポアを通過する分子の速度を制御するサラウンドゲート電極と、低アスペクト比(ポア厚/ポア直径)ナノポアデバイスを融合することで、分子やナノ材料がナノポアを通過する際に生じるイオン電流の変化から、ナノポアを通過した1分子やナノ材料の3次元構造解析法の確立を目的としている。本研究では、分子の速度をゲート電圧によって減速させることに成功し、さらにイオン電流変化からナノポア通過物質の構造解析に成功した。具体的には、直径150 900 nmのナノ粒子を最大で240倍ほど減速させ、DNA 1分子の速度は約10倍ほど減速させることに成功した。また、最大でxy方向で約1 nm、z軸方向で約35 nmの空間分可能で構造解析に成功した。さらに、グラフェンナノポア作製のために、酸化還元グラフェン(RGO)の基礎特性に関する実験を行い、ヒドラジンのみを用いた還元法において、既存のRGOよりも高い導電性を示すRGOの作製に成功した。また、積層グラフェン構造を用いた新しい1分子構造解析ナノポアデバイスを提案し、理論的実証に成功した。さらに、実際の生体材料の構造解析も行い、細胞からの分泌物質であるエクソソームの形状識別に成功した。ナノバイオデバイス
３Ｄプリンタを用いた数学教材作成システムの開発とタブレットを併用した授業の設計

本研究の目的は、教員による数学教材の作成を容易にし、これらを用いた効果的な授業の設計ができるように、その環境を整備することにある。現在、高専や大学においても3Dプリンタによる立体モデル教材、スライドやタブレットを使用した図形描画教材などが利用できるようになってきており、教育効果を高める授業の設計が可能となっている。我々が整備をすすめているKeTCindyを用いることにより、上記のような様々なスタイルの数学教材のための図形データを作成することができる。2変数関数のグラフとなる曲面上に座標平面との交線や等位線等を入れることを試行するなど、これまでは時間のかかる教材研究の作業を行うことも容易となってきた。安価で十分な性能を持つ3Dプリンタも販売されており、KeTCindyの機能を充実させ、整備も進めていくことは、教員自らが数学教材を容易に作成する環境の整備につながるものと考えられる。また、授業において、立体モデル教材と併用して提示するスライドやタブレットの教材については、空間図形を表示するソフトウエアに依存する部分も大きかったが、現在はスマートフォンでの自学自習も視野に入れ、これらの改善に向けた表示方法の検討を行っている。授業のテーマとして上記の併用教材が効果的と考えられるいくつかのテーマについては、他機関の研究者との意見交換を重ねながら、その作成方法や授業設計とともに国内外の学会において発表を行っている。KeTCindyは、新たな可能性を広げながら整備が順調に進んでいる。作成が容易になった図形データを基に、座標平面との交線や等位線などの様々な数学的情報を備えた曲面の立体モデル教材を試作している。効果的ないくつかの授業テーマについては、その教材作成方法とともに国内外の学会において発表している。一方、教材の作成においては、PCの性能により処理速度に差が出るという問題もあり、検討や改良を要する部分もある。スライドやタブレットにおける教材の提示方法とともに今後の課題と考えている。KeTCindyについては、システムの処理速度の向上や、陰関数の処理等の必要な機能を追加し、改良を重ねる。更新により作成が可能となる図形を含め、教育上効果的な教材の検討をさらに進める。スライドやタブレット教材については、スマートフォンでの利用も視野に入れ、教材となる図形の表示方法に関する検討を重ねていく。立体モデル、タブレットおよびスライドを用いて設計した授業について、評価項目を検討しその教育効果を検証する。安価で十分な性能を持つ3Dプリンタの購入により、材料費を含めた金額を抑えることができた。この分を次年度の助成金と合算して、教材として用いるタブレット端末の購入および国内外での発表のための旅費として使用する予定である。