hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ナノ・バイオ物質の反応場の量子論的解析

酵素の反応場は優れた触媒特異性を持ち、より一層の活用には反応場の制御が重要となる。本研究では、タンパク質とナノ物質の反応場が駆動する反応機構を量子論的シミュレーションにより解析し、反応場の構造と機能の相関関係を電子論的観点から原子レベルで解明ことを目指した。その結果、タンパク質の反応場では生理的な立体構造と電子状態の協調が重要であること、ナノ物質の反応場では電荷注入と熱供給により機能発現を制御でき得ることが示唆された。産業・製薬分野での応用がはじまっている酵素タンパク質は、その反応場に優れた触媒特異性を持つが、より一層の活用には使用目的に応じた反応場の制御が重要な課題である。本研究では、タンパク質の反応場が駆動する反応機構を量子論的シミュレーションにより解析し、反応場の構造と機能の相関関係を電子論的観点から原子レベルで解明する。さらに、生体分子以外のナノ物質の反応場も同アプローチで解析することで、タンパク質がつくる反応場とナノ物質の反応場の共通項と相違点を解明すると同時に、ナノ・バイオ物質群がつくるナノ反応場を統一的に理解するためのフレームワークを提唱することが、本研究の目的である。本年度は、ナノ物質中の反応場の重要な例として、次世代パワーデバイスの候補の1つであるSiC-SiO2を取り上げた。SiC/SiO2系において、水素アニーリングは欠陥を抑制する効果があるが、これによりデバイス特性を悪化させる何らかの可動性の陽イオンが生じる欠点があった。一方、SiC/SiO2系の界面付近には、CO3様の欠陥が生じていることが我々の過去の研究から予想されていた。タンパク質の反応場と比較すると、CO3は周囲の環境に応じて水素イオンの授受を行なう可能性がある。そこで、SiC/SiO2系の可動性イオンが水素イオンであるかどうかを、量子論的シミュレーションの手法により解析した。その結果、可動性イオンは水素イオンであり、電圧を加えることで、CO3様の欠陥からSiO2中のバルク中へ水素イオンが移動してデバイス劣化を引き起こすことがわかった。今年度予定していた計算機を導入してテスト計算を行なうところまで進んでいるが、計算機のセットアップに多くの時間を費やしてしまった。本年度は、タンパク質の反応場の例として、ウリジン-シチジンキナーゼを取り上げた。ウリジン-シチジンキナーゼは、ウリジンとシチジンのリン酸化を触媒し、核酸の分解によって生じた塩基などがヌクレオチド合成に再利用されるサルベージ経路において重要な酵素である。この酵素の反応場における基質特異性の研究を進めた。注目したのは好熱菌由来の酵素である。この酵素はウリジンに対する活性を持たず、その反応場にはチロシン残基が存在している。この反応場を分子シミュレーションの手法により解析した結果、当該チロシン残基を含めた3つのアミノ酸残基が基質に対して特異な水素結合を形成していることがわかった。この計算結果は、チロシン残基をヒスチジン残基やグルタミン残基に置換するとウリジン活性が出るという実験結果と良く整合することが明らかになった。さらに、ナイロン副生成物分解酵素も取り上げた。本酵素の反応場が持つアミド合成能は、反応場を構成するアミノ酸残基をいくつか置換することで大きく変化することがわかっている。この反応場の構造と機能の相関関係を分子シミュレーションの手法と実験手法により解明した。今年度予定していた計算機を導入してテスト計算を行なうところまで進んでいるが、計算機のセットアップやモデリングに多くの時間を費やしてしまった。本年度は、生体分子以外のナノ物質の反応場の例として、長寿命で保存可能なメモリデバイスの候補の1つであるMetal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor(MONOS)メモリを取り上げた。このメモリは1000年単位でデータを保存可能であることが提案されている。MONOSメモリは原子レベルの格子欠陥に電荷を注入することでデータを記憶する。この電荷注入は欠陥周囲の原子構造の変化を引き起こす。そこで、本研究では、MONOSメモリ中のSi3N4層に存在する酸素置換型欠陥に着目し、その電荷注入による構造変化を量子論的シミュレーションの手法で調べた。その結果、Si3N4中の酸素置換型欠陥では、電荷注入により不可逆的な構造変化を引き起こすことがわかった。上記現象の本質は、「ナノ物質に電荷が注入されることで、電子状態の変化により断熱ポテンシャルが変化し、外部からの熱供給により構造変化が起こる」という現象である。これはナノ物質がつくる反応場とタンパク質がつくる反応場の共通項の可能性がある。すなわち、タンパク質反応場では、アミノ酸のプロトン化状態の変化(電子状態の変化)と立体構造の熱揺らぎの協調が反応場の動的変化を引き起こし、その結果として機能が発現する可能性がある。プロトン化がタンパク質の動的変化を引き起こす現象は、最近、水素原子を利用したタンデム質量分析技術で注目されている。

この分析法では、タンパク質にプロトンと電子(水素原子)を付加することでペプチドをフラグメントに切断する。そこで本年度は、プロトンと電子をそれぞれ1つずつ付加したペプチドの分解反応を量子論的シミュレーションにより検討することで、電荷注入をトリガーとする反応場の動的変化について調べた。その結果、500K程度で1ps以内に分解反応が生じることがわかった。酵素の反応場は優れた触媒特異性を持ち、より一層の活用には反応場の制御が重要となる。本研究では、タンパク質とナノ物質の反応場が駆動する反応機構を量子論的シミュレーションにより解析し、反応場の構造と機能の相関関係を電子論的観点から原子レベルで解明ことを目指した。その結果、タンパク質の反応場では生理的な立体構造と電子状態の協調が重要であること、ナノ物質の反応場では電荷注入と熱供給により機能発現を制御でき得ることが示唆された。タンパク質の反応場の例として、ウリジン-シチジンキナーゼを取り上げる。この酵素は、ウリジンとシチジンのリン酸化を触媒し、核酸の分解によって生じた塩基などがヌクレオチド合成に再利用されるサルベージ経路において重要な酵素である。この酵素の反応場における基質特異性の研究を進める。さらに、ナイロン副生成物分解酵素によるナイロン副生成物やエステルの分解/合成反応において、異なる反応場における種々の反応活性種や中間体の同定も行う。本酵素の特徴である反応場の動的変化と、種々の基質分子に対する分解/合成反応との相関関係を、第一原理分子動力学法により解明する。ナイロン副生成物やエステルなどの様々な基質に対する当該酵素の反応機構を、異なる反応場中でそれぞれシミュレートして種々の中間体を同定する。得られる自由エネルギー活性化障壁を実験値と比較し、計算結果の妥当性を検討する予定である。さらに、上記以外のナノ・バイオ系の反応場に対する解析も進めていく予定である。また、タンパク質とナノ物質が相互作用する反応場として、不凍タンパク質を取り上げる予定である。不凍タンパク質は氷の結晶成長を抑制するタンパク質である。その生物学的な意義は、寒冷地に棲息する多くの生物が不凍タンパク質を体内に持っていることによる。さらに、近年では冷凍食品の加工や保存への応用も始まっているため、産業面でも意義深い。本研究では、この不凍タンパク質と氷の表面との相互作用を、量子論的シミュレーションの手法により解析する。計算物性物理学、生物物理学物品購入時に端数が発生した。物品購入時に端数が発生した。次年度の物品購入に充てる。次年度の消耗品の購入に充てる。
ジェット識別測定によるクォーク・グルーオンプラズマ物性の研究

ビッグバン直後の宇宙の姿であるクォーク・グルーオンプラズマ(QGP)状態の物性研究のために、QGP中を突き抜ける高エネルギーパートン(ジェット)の影響を調べることが重要である。世界最高エネルギーの重イオン衝突実験において衝撃波状の二粒子相関を観測し、その詳細なデータを収集した。ジェットの高精度測定のためにDijet Calorimeterを5カ国共同プロジェクトとして提案し、その建設を行った。ジェット識別測定には、ジェットの全エネルギー測定の測定精度(分解能)が重要である。全エネルギー測定には、1)ハドロンシャワー型カロリメーターを用いる測定方法と、2)電磁シヤワー型カロリメータと磁気スペクトロメーターを組み合わせる測定方法がありうる。両者について、詳細な計算機シミュレーションを実施した。その結果、100GeV以下のエネルギーのジェットの場合は、2)の方が良好なエネルギー分解能が得られることが判明した。LHC加速器で本研究計画期間内に期待されるルミノシティでは100GeV以下のジェットであるので、2)の測定方法を選択することとした第2回アジア3力国重イオン国際会議を2008.10.13-15に筑波大学で開催し、国内55名、海外35名の参加を得た。ジェットの物理を推進すべく、国際協力を三明が提案し、これを受けて中国・武漢において「Workshop on Photon and Jet with ALICE」が2009.12.4-6に開催された。両会議においてジェットの物理の推進を議論すると共に、本研究計画の周知を図り、理論家の意見を収集した。実機製作に向けて、読み出し素子の選定を行つた。また、カロリメーター組立の注意点を学ぶためにWayne State大学に中條講師らを派遣し方法収集を行つた。読み出し回路についてはALICE実験独自の回路を採用することとし、必要な回路素子等の購入を欧州共同原子核研究機構(CERN)で実行した。これらの検討成果を得て、平成21年度に288モジュールのカロリメータ製作を開始する。ビッグバン直後の宇宙の姿、クォーク・グルーオンプラズマ(QGP)状態の研究は自然科学の重要な課題である。QGP状態を実験室で生成し、その性質を研究しようという実験的研究が米国ブルックヘブン国立研究所(BNL)RHIC加速器と欧州共同原子核研究機構(CERN)LHC加速器において進められている。RHICにおいてQGP生成が確認され、より高エネルギー衝突実験が行われるLHCにおいてQGP物性の研究へと新たなフェーズに移りつつある。QGP物性にはジェットの研究が効果的である.高運動量パートンがQGP中で作る衝撃波の角度からは「音速」を測定できる。また高運動量パートンがQGP相を通過する際のエネルギー損失量からグルーオン密度など物性を知ることが出来る。ジェット識別測定が今後の研究の主流となる。そのため、ジェット、特にDi-Jetの測定と反応平面に対する方位角異方性(v2)の相関測定が極めて有効かつ重要である。RHIC実験からQGP生成の確証を掴み、QGP物性の理解のフェーズに移りつつある。QGP物性の理解に最も直接的な測定は、JetのModificationの観測である。我々はRHICのデータ解析を推進すると共に、LHC-ALICE共同実験でのジェット識別測定を強化するカロリメータを提案し、本経費によって推進している。我々が提案した新たな電磁カロリメータ(Di-jet Calorimeter)は、日本、米国、フランス、イタリア、中国の各研究機関よりなる、国際協力研究である。この国際協力の実現によって、本経費当初計画でカバーしうる4倍の立体角の検出器が建設可能となり、測定可能なジェットのエネルギー範囲を拡大することができることとなった。平成21年度22年度には、各国の研究者と協力して電磁カロリメータの建設を進めた。平成22年度では、我々が製作を分担している検出器分の部品購入を完了した。平成22年10月からは筑波大学において部品の組立てを開始し、平成23年2月に全数の1/3をフランス・ナントに輸送した。また同時に1/3の部品をイタリアに送り、現地に2名(博士研究員1名、院生1名)を派遣し、組み立てを完了した。残り1/3については平成23年4月中に完成する予定であったが、東日本大震災の影響により遅延した(部品の一部損壊)。来年度では残り1/3の検出器の製作を完了し、フランスに輸送し、全数をインストール可能な状態する予定である。またLHC-ALICE実験では、鉛衝突や陽子衝突の実データが順調に取得されている。これらのデータを使ったジェットの解析を推進しつつ、新たなカロリメータによるジェット測定に備える。QGP物性の理解に最も直接的な測定は、ジェット変調効果の観測である。我々が提案した新たな電磁カロリメータ(Diーjet Calorimeter;DCal)は、日本、

米国、フランス、イタリア、中国の各研究機関よりなる国際協力研究である。この国際協力の実現によって、本経費当初計画でカバーしうる4倍の立体角の検出器が建設可能となり、測定可能なジェットのエネルギー範囲を拡大することができることとなった。平成21年度22年度には、各国の研究者と協力して電磁カロリメータの建設を進めた。平成22年度では、我々が製作を分担している検出器分の部品購入を完了し、平成22年10月からは筑波大学において部品の組立てを開始した。平成23年2月には全数の1/3をフランス・ナントに輸送した。また同時に1/3の部品をイタリアに送り、現地に2名を派遣し、組み立てを完了した。平成23年7月には、残り1/3の検出器組み立てを完了し、フランスに輸送した。これによって筑波大分担の検出器製作が完了した。平成23年8月9月では、筑波大から4名(スタッフ2名、大学院生2名)をフランス(Subatech Nantes,及びLPSC Grenoble)に派遣し、検出器スーパーモジュールの組み上げを行った。組上げた検出器は、2012年末から2014年にかけて、ALICE実験エリアに全数インストールする予定である。またALICE実験では、鉛衝突や陽子衝突の実データが順調に取得されている。これらのデータを使ったジェットの解析を推進しつつ、新たなカロリメータによるジェット測定に備える。RHIC実験からQGP生成の確証を掴み、QGP物性の理解のフェーズに移りつつある。QGP物性の理解に最も直接的な測定は、ジェット変貌効果の観測である。我々はRHICのデータ解析を推進すると共に、LHC-ALICE共同実験でのジェット識別測定を強化するカロリメータを提案し、本経費によって推進している。我々が提案した新たな電磁カロリメータ(Di-jet Calorimeter; DCal)は、日本、米国、フランス、イタリア、中国の各研究機関よりなる国際協力研究である。この国際協力の実現によって、本経費当初計画でカバーしうる4倍の立体角の検出器が建設可能となり、測定可能なジェットのエネルギー範囲を大幅に拡大することができることとなった。平成22年度では、我々が検出器製作を分担している部品の購入を終え、平成23年7月には筑波大が分担している検出器の製作がすべて完了した。平成23年8月9月では、筑波大から4名(スタッフ2名、大学院生2名)をフランス(Subatech Nantes,及びLPSC Grenoble)に派遣し、DCal検出器スーパーモジュールを完成させた。平成24年度では、既存のALICE実験で取得したデータを使って、ジェットを基軸としたデータ解析を推進し、国内外の学会で成果を報告した。またDCal検出器に新たに導入されるデータ読み出し系(SRU)のテストを、CERN,及び筑波大の双方で実施した。LHC加速器長期シャットダウン期間中(H25年2月H26年12月)に本検出器はALICE実験エリアに搬入されて、平成27年より物理運転を開始する予定である。
開眼状態を指標とする自動車運転中の居眠り検出に関する基礎研究

近年の車の普及に伴い、長距離運転や夜間走行による疲れからの居眠りによる交通事故が頻発しており、脳波等を指標とした居眠りの検出法が考案されているがそれぞれ一長一短である。本研究では個人差が少なく電極等を装着する必要がない測定対象として眼に関する情報を指標とし、居眠りの検出に役立てる方法を開発する基礎的な研究を行うことを目的とした。開瞼状態、瞬目、眼球運動量、脳波、主観的眠気度(KSSテスト)等のパラメータについてその時間変動とお互いの関連を解析した。被検者はビデオ撮影したテレビ映像をみることにより自動車運転を模擬した。1520分で1セッションとして4セッションの測定を行い(セッション間には10分の休憩が入る)、開瞼状態、瞬目回数、眼球運動、脳波(C3-Cz)を記録した。またセッションの初めと終わりにKSSテストを行った。データは62.5HzでA/D変換し解析に供した。実験は被検者が寝不足の状態で行い、別の日に覚醒時における測定を行った。その結果、眠い場合では眼瞼は閉じぎみになり、毎分、覚醒時の眼瞼間隔の2,3%数%の割合で徐々に閉じ、眠気が増すほどその割合は大きかった。瞬目回数は覚醒時の回数に比べ各セッションでの回数は平均的に少なかったが、セッション間どうし比較するとある程度眠気が増すと回数が増え、更に眠気が増すと減る傾向にあった。瞬目の仕方は眠気が増すとゆっくりした閉眼の後に13回の早い瞬目が続く特徴的なものであった。眼球運動量は眠気が増すにつれて少なくまた緩慢になる傾向がみられた。こうした結果から、開眼状態は居眠り検出の指標として役立つこてが分かった。また、脳波、特にα波は眠気をよく反映し、生理的パラメータとして有用であることも確認された。
病態時の脈管ダイナミックスを制御する血管内皮細胞増殖因子1型受容体シグナルの役割

病態時には脈管構造の劇的な変化、再構築がおこる。本研究では、血管・リンパ管新生を制御するVEGF 1型受容体シグナリングの役割を、VEGFR-1の細胞内ドメインのtyrosine kinase部分を選択的に欠損したノックアウトマウス(TKKO)を作出し、血管・リンパ管等の脈管新生が病態の発症・進展に役割を持つ病態モデルで解明することができた。Gene targetingや特異的中和抗体などの治療応用への基礎的検討を加えることができた。さらにVEGFR-1を発現する骨髄由来の細胞が脈管新生、脈管構造の改変に役割を持つことを明らかにできた。血管内皮細胞増殖因子1型受容体のtyrosin kinase細胞内ドメイン部分を欠失するノックアウトマウスの作出に成功し、実験に供することが可能となった。同ノックアウトマウスは、外見上では野生型マウスのそれと差はなく、litter sizeも野生型マウスのそれと差がなかった。同マウスでは、血管新生が抑制されることが期待され、今年度は、予備実験を、これまでに我々が血管新生が病態の進展に重要な役割をもつことを証明してきたモデル、すなわち1)マウス後肢虚血モデル、2)マウス創傷治癒モデル、3)マウス酢酸潰瘍モデルで行うことができた。1)のマウス後肢虚血モデルでは、レーザードップラーで虚血後肢の血流量を経時的に計測したところ、ノックアウトマウスで有意に血流の回復が遅延していることが観察できた。2)マウス創傷治癒モデルおよび3)マウス酢酸潰瘍モデルでも、ノックアウトマウスで有意に潰瘍、創傷の治癒が遅延していることが観察できた。これらでは上皮、皮膚欠損部分に生成される肉芽組織の生成が強く抑制され、同時に肉芽内の新生血管密度が低下していることが確認できた。血中のstemcell factorやmatrix metaroproteinase-9のレベルが血管内皮細胞増殖因子1型受容体tyrosin kinaseノックアウトマウスでは、低値を示し、骨髄機能(反応性)の低下が推定された。今後は、血管内皮細胞増殖因子1型受容体の骨髄細胞の血管新生巣への動員のメカニズムを検討することを予定している。血管内皮増殖因子(VEGF)はVEGF受容体(VEGFR)に結合することにより,血管新生や組織再生に関与することが知られている。VEGFRはR1からR3まで同定されている。VEGFR1は血管内皮細胞に加え,マクロファージにも発現することが明らかになっているが,その機能は不明な点が多く,また,肝障害後の再生への関与について実証的なデータは乏しい。VEGFR1 tyrosine kinase欠損マウス(Vegfr1 tk-/-)にVEGF受容体を誘発したところ,著しい生存率低下および肝障害増悪がみられ,肝臓において様々な増殖因子発現が低下していることを報告した。今年度は,APAP肝障害後の肝細胞増殖や類洞壁再構築と増殖因子発現の関連性をまとめると共に,その過程に関与する細胞を明らかにするために,VEGFR1陽性マクロファージの障害部位における分布について検討した。野生型マウス群(WT)およびVegfr1 tk-/-群にAPAPを単回投与(300mg/kg, ip)した。投与後24または48時間に肝臓を採取し,肝組織におけるmRNA発現の検討,電子顕微鏡観察および免疫組織化学的検討を行った。Vegfr1 tk-/-において,再生因子として知られるHGFおよびTNFαのmRNA発現減少を伴う有意な肝細胞増殖抑制が認められた。また,血管新生因子として知られるbFGFおよびTGFβのmRNA発現減少を伴う顕著な類洞構造破壊がみられた。免疫組織化学的検討により,WTにおいては肝壊死領域にVEGFR1陽性遊走マクロファージの集積が確認されたが,Vegfr1 tk-/-ではほとんど認められなかった。Vegfr1 tk-/-のAPAP肝障害増悪の原因として,肝再生因子や肝血管新生因子の発現低下による類洞壁再構築および肝修復能低下が考えられ,VEGFR1陽性マクロファージの遊走減少を伴っていた。したがって,VEGFR1シグナリングはAPAP誘発性肝障害後に肝血管新生因子や肝再生因子を増強することで,類洞壁再構築や肝修復を促進することが示唆され,VEGFR1陽性マクロファージがその過程に関与する可能性が考えられた。

今年度は,APカロリー肝障害後の肝細胞増殖や類洞壁再構築と増殖因子発現の関連性をまとめると共に,その過程に関与する細胞を明らかにするために,VEGFR1陽性マクロファージの障害部位における分布について検討した。野生型マウス群(WT)およびVegfr1 tk-/-群にAPAPを単回投与(300mg/kg,ip)した。投与後24または48時間に肝臓を採取し,肝組織におけるmRNA発現の検討,電子顕微鏡観察および免疫組織化学的検討を行った。Vegfr1 tk-/-において,再生因子として知られるHGFおよびTNFαのmRNA発現減少を伴う有意な肝細胞増殖抑制が認められた。また,血管新生因子として知られるbFGFおよびTGFβのmRNA発現減少を伴う顕著な類洞構造破壊がみられた。免疫組織化学的検討により,WTにおいては肝壊死領域にVEGFR1陽性遊走マクロファージの集積が確認されたが,Vegfr1 tk-/-ではほとんど認められなかった。Vegfr1 tk-/-のAPAP肝障害増悪の原因として,肝再生因子や肝血管新生因子の発現低下による類洞壁再構築および肝修復能低下が考えられ,VEGFR1陽性マクロファージの遊走減少を伴っていた。したがって,VEGFR1シグナリングはAPAP誘発性肝障害後に肝血管新生因子や肝再生因子を増強することで,類洞壁再構築や肝修復を促進することが示唆され,VEGFR1陽性マクロファージがその過程に関与する可能性が考えられた。片肺全摘出モデルでの肺再生におけるVEGFR-1シグナリングの役割を解析した。術後1,2,3,5,7,14,21,28日目に犠牲死させ、残存右肺重量を測定すると、sham手術に比べ明らかな増加を認めた。特に、術後3日目以降で肺重量の急速な増加を認めた。b)左肺全摘出モデルにおいて抗VEGF抗体を投与した群と対象群で、術後7,14日目に残存右肺重量を比較すると、対象群に比べ抗VEGF抗体を投与群では有意な肺重量増加の抑制を認めた。c) VEGFを過剰発現させたtransgenic mice(ATg mice)を用いて左肺全摘モデルを作成し、術後経時的に犠牲死させ、残存右肺重量を測定。ATg miceでは対象群に比べ優位に肺重量の増加を認めた。d) VEGFR1チロシンキナーゼノックアウトマウス(TKKO)を用いて左肺全摘モデル作成し、術後経時的に犠牲死させ、残存右肺重量を測定。TKKO miceでは、Wild typeと比較して14日以降で肺重量の抑制を認めた。e)左肺全摘出後14日目の残存肺組織中のVEGF受容体の発現について検討した。VEGFR1のmRNAの発現は, VEGFR2(P=0.001)及びVEGFR3(P=0.002)と比較し有意に増加した。f)放射線照射後にgreen fluorescent protein (GFP)過剰発現マウスの骨髄細胞を移植し、約8週後に左肺全摘を施行。
予測不能な環境変化に対応する歩行パターンの自律生成

生物における情報処理の特長はその柔軟性とリアルタイム性にある。我々は変化に応じて情報を生成出来るシステムでなければ、予測不可能な環境変化に対応できる運動制御システムは構築できないという立場から、新しい運動制御システムを構成した。システム構成の要素;環境と運動システムが調和的な関係を作るという立場から、神経細胞の機能を数学的に表現でき、しかもよりシンプルな方程式が必要となる。我々は次の新しい非線形方程式(非線形振動子)が適当であることを発見した。d^2X/dt^2+(a_1X^2+b_1X+c_1)dX/dt+(a_2X^2+b_2X+c_2)X+d=0。システムの構造;これらの振動子からなる神経回路網の構造は、昆虫の中枢神経系の生理学的知見から決定した。システムが情報を生成するルール;目的速度を実現するという条件の下で、各肢におけるエネルギー消費を、最適に分配させるという原理を神経回路網の機能とした。これにより、各筋肉が最適効率で働くように、協調的あるいは競合的に相互作用することによって制御情報を生成する。この関係生成ルールを我々は「最大多数の最少不満足」則と呼ぶ。結果は、歩行パターンは速度を挙げていったときにGait2からGait1に変化することである。中肢と前肢あるいは中肢と後肢は逆位相で動く。Gait1とGait2の違いは前肢と後肢の位相関係である。このモデルでは実験とよく合う結果が得られるし、摂動にも非常に強い安定したパターンである。速度を上げていった時と下げていった時ではパターン変化の起きる速度が異なり、一種のヒステリシスを示す。これらの変化が競合と協調によって起きる相転移現象であることを示している。さらにエネルギー変換効率を計算してみると単位距離当りの消費エネルギーは殆ど変わらない。これは馬の歩行実験で得られている実験結果と良く合う。
シデロフォアを介した微生物間相互作用のケミカルバイオロジー

本研究では糸状菌Acremonium persicinumが産生する従来の常識を覆す生合成制御と強力な抗真菌活性を示すシデロフォア型抗真菌抗生物質の作用機序、生合成の分子機構を解明し、微生物における鉄の輸送、貯蔵、利用の実態解明と微生物間相互作用におけるシデロフォアの役割に迫る。さらに鉄欠乏環境における微生物間相互作用の解析や鉄欠乏環境に生息する微生物から新規鉄代謝関連化合物を同定することにより、シデロフォアの「鉄に対する高い親和性」という単純な分子機能から、微生物生息環境における未知の機能の解明に挑む。植物や微生物において鉄イオンの取り込みに働くシデロフォアの新規機能についての研究である。本課題のシデロフォアは糸状菌Acremoniumpersicinum由来のものであり、全く新しい作用機作を持つ強力な抗真菌物質としての機能解明をめざす。他の微生物との相互作用における役割の解明や海洋細菌からの新規シデロフォアの探索も行う。シデロフォアの新規機能を明らかにするという研究課題の核心をなす学術的「問い」は明確であり、学術的独自性や創造性が認められる。本研究の成果は単なる基礎研究だけでなく、より広い学術、科学技術あるいは社会などへの波及効果が期待できる。鉄欠乏環境に生息する海洋細菌からのシデロフォア探索には発展性が期待できる。
古代・中世の北海道における儀礼に関する考古学的研究

平成30年度は擦文文化期・オホーツク文化期・アイヌ文化期の発掘調査報告書や当該期に関する書籍の収集を引き続き行い、当該文化期の人々が動物とどのような精神的つながりを有していたかに関する項目についてまとめた。また合わせて、火を儀礼的行為に用いる事例についても抽出作業を実施した。さらに、オホーツク文化期の動物儀礼や家送り儀礼の実態を把握するため、沼浦海水浴場遺跡(利尻富士町)やモヨロ貝塚(網走市)、弁天島遺跡(根室市)から出土した動物遺体(骨角器含む)の同定作業を行い、このうち、沼浦海水浴場遺跡については、年度内に刊行された報告書の執筆にもたずさわった。同遺跡の発掘調査は令和元年度にも実施されるため、新たな資料を加えた上で検討を進める予定である。モヨロ貝塚については、未報告であった一部の動物遺体を分析し、結果を文書化した(令和元年度中に論文として掲載予定)。弁天島遺跡については、前年度に整理と抽出を行った焼けた動物遺体をふるい・洗浄する作業に取り組んだ。これらの資料は、根室市教育委員会から貸し出しを許可されたため、東海大学に持ち帰り、比較資料となる現生の骨格標本がある状況の中で、現在、分析を進めているところである。持ち帰った資料は、火災住居である4号住居出土資料を中心としたものであり、ヒグマやエゾシカなどが含まれている。根室市での滞在中はトーサムポロ遺跡にも訪れ、発掘調査状況について説明を受けた。同遺跡では、オホーツク文化期に比べて資料が少ないアイヌ文化期の貝塚が複数検出されており、当該期の動物との関わりや精神観を解明するために検討に加える必要がある。同遺跡は令和元年度以降も発掘調査が実施され、出土した動物遺体については分析を担当する予定となっている。平成30年度は、複数の遺跡の出土資料について分析にたずさわることができ、特に、分量の多い弁天島遺跡については、資料を借りられたことにより、東海大学にいながら分析作業を進めることができるようになった点は大きい。動物遺体の同定作業には、現生の骨格標本との比較が精度を高める上で欠かせない。その点でも、資料が借りられ、比較標本がある中で作業できる体制を整えられたことは、当該研究の進展に寄与している。発掘調査報告書や書籍から抽出した家送り儀礼と動物儀礼に関する項目についてまとめるとともに、弁天島遺跡、カモイベツ遺跡、沼浦海水浴場遺跡から出土した動物遺体の同定作業を行い、さらなる資料増加を図る。これらを含めて全体傾向を示し、オホーツク文化期・擦文文化期・アイヌ文化期の精神観についての検討・比較を行う。なお、各文化期の分布域はそれぞれ異なるため、これら3文化期がともに分布した道北部から道東部を中心にまとめていく予定である。擦文文化期とアイヌ文化期の儀礼に関する先行研究の整理を行った。考古学的な先行研究は少ないため、ほぼ収集し終えた。ただし、アイヌ文化期については、文献史料や絵画資料が多くあり、これらについては収集作業が未了である。オホーツク文化期については、未分析であった松法川遺跡(羅臼町)の出土資料の分析作業にあたった(於:国立歴史民俗博物館(千葉県佐倉市))。焼失住居からの出土資料がほとんどであり、全量はまだ分析し終えていない。今回対象とした鳥類と中小型陸獣、アザラシ類、アシカ類では、頭部とともに四肢も確認されている。このことから、全身が住居内に持ち込まれ、家とともに焼けたことが明らかである。焼けたことによる収縮や歪みのため、種の特定に至らないものが少なくないが、基本的には遺跡周辺で捕れる動物が中心のようである。また、研究開始前から分析作業を進めていたトーサムポロ遺跡(根室市)の報告書が、年度末に刊行された。同遺跡では、オホーツク文化期に骨角器とともに魚類も焼けた状態で多量に確認されており、焼かれる対象が魚類にまで及んでいた可能性があることは注目される。さらに、アイヌ文化期では鳥類の多くが焼けていた。焼く手間をわざわざかけていることから、単なる遺棄ではなく、儀礼的行為による可能性が考えられる。オホーツク文化期の儀礼については、北海道考古学会の月例研究会(於:北海道大学)で口頭発表を行った。サハリンでは、サハリン大学とサハリン郷土資料館(ともにユジノサハリンスク市)で、近年著しく進展した考古学調査の状況を確認する作業を行った。動物関係資料はそれほど増えていなかったが、ベラカーメンナヤチャシの出土資料の一部は焼けていたため、調査内容の精査と今後の分析作業が必要である。住居の集成作業については、擦文文化期について取りかかったところで終了した。アイヌ文化期の各種儀礼についての事例を集めるため、関連書籍の収集と記載内容の整理にあたった。アイヌ文化期については、発掘調査で明らかになった内容以外に、これまでに蓄積された古老に対する聞き取り調査や伝承、神謡などからうかがい知れる情報がきわめて膨大なため、今年度は考古学の発掘報告書に掲載された内容については原則取り上げず、考古学以外の分野での情報を網羅的に収集・整理することに努めた。また、オホーツク文化期の儀礼の詳細を明らかにするため、同文化期を代表する遺跡であるにも関わらず、資料調査が不十分な松法川遺跡(北海道羅臼町)から出土した資料(おもに骨角器)について、羅臼町郷土資料館にて観察・分析を行った。その結果、これらの資料も、2014年度に国立歴史民俗博物館(千葉県佐倉市)で観察・分析を行った動物遺体と同様、灰白色に変色し、形状も収縮・変形するなど、熱を受けた痕跡が明らかであった。

熱による原状変更のため、器種が不明な資料が多い点は否めないが、同遺跡で住居や動物遺体などの多くが焼けていることを考え合わせれば、これら骨角器を中心とする資料についても、当時の遺跡の担い手が何らかの意図をもって焼いた可能性が高い。その意図については、不要品として遺棄するのにわざわざ火をおこしたとみなすよりも、儀礼的意図によって焼いた可能性が高いと考えられよう。アイヌ文化期に関する書籍(北海道内だけでなく、サハリンや千島列島のアイヌについて記した書籍も含む)がきわめて多く、研究分野も多岐にわたるため、儀礼について触れた情報を網羅的に抽出・整理する作業が終了しきれなかった。さらに、8月に妊娠が判明したことにより、当初計画していた国内での資料調査や成果報告、サハリンでの資料調査が計画通りに実行できなかったことが、研究がやや遅れることに至った主な要因である。2016年度は産前・産後休暇及び育児休暇を取得したため、研究は実施できなかった。2015年度に妊娠が判明し、当初予定していた海外出張や国内出張が実施できず、研究内容を一部変更せざるをえなかった。さらに翌2016年度は産前・産後休暇及び育児休暇の取得により、丸1年間研究を中断したため、研究の進捗は遅れている。平成29年度は擦文文化期・オホーツク文化期・アイヌ文化期の遺跡発掘調査の報告書や、当該期に関する書籍の収集を引き続き行い、骨塚を中心とする動物との精神的つながりに関連する項目や、人の死等に際して意図的に住居に火を放つ事例を抜粋する作業を実施した。さらに、オホーツク文化期の動物儀礼や家送り儀礼の実態を把握するため、能取岬西岸遺跡(網走市)や沼浦海水浴場遺跡(利尻富士町)、弁天島遺跡(根室市)から出土した動物遺体(骨角器含む)の同定作業を行い、出土量がそれほど多くなかった前2者に関しては、年度内に刊行された報告書の執筆にもたずさわった。このうち、能取岬西岸遺跡では、オホーツク文化中期の「竪穴状遺構」の床面直上に炭化材が複数みられたため、火災住居である可能性が高いことが推定されている。これまで収集したデータでも道東部に火災住居が多いことは明らかであったが、中期は例数がまだ少なく、住居に火を放つ行為の起源を探る上で貴重な資料が追加できた。弁天島遺跡は資料が膨大である上に、発掘されたのが今から40年近く前で報告書が未刊行ということもあり、当時の調査日誌の整理及び読み解きから作業を開始した。このため、今後も引き続き分析を続けていく必要があるが、これまでに整理した内容から、4号住居(少なくとも1度の建て替えあり)は火災住居である上に、ヒグマやエゾシカの頭部や四肢の骨を含んだ骨塚が住居内にあることが判明している。同遺跡では、1、2、11号住居にも骨塚があり、当該期の動物儀礼や家送り儀礼の内容や両者の関連性を検討する上で欠かせない遺跡といえる。弁天島遺跡は面積が0.05平方メートルしかない小島に立地するため、このような面積が限られた場所においてさえ、住居に火を放つ行為が高頻度で行われていたことは注目に値する。関連する時期の発掘調査報告書・書籍の収集が順調に進み、火災住居・動物儀礼の痕跡を示す遺跡・資料を分析する機会が得られたため。
ポリリン酸とATPの特異性に関わる酵素ドメインの機能解析

ポリリン酸は最も単純な高エネルギーリン酸結合の塊である。ポリリン酸は原始生命が生まれたと考えられている火山の熱水に含まれる。一部の研究者はポリリン酸が原始生命のエネルギー物質ではなかったかと推察している。我々はMicrolunatus phosphovorusという特殊な細菌からポリリン酸のみをリン酸化の基質とするポリリン酸グルコキナーゼを発見した。通常生物はATPをリン酸供与体としてグルコースのリン酸を行う。M.phosphovorusではポリリン酸をリン酸供与体とする。このポリリン酸依存性グルコキナーゼの一次構造を決定し、ATPグルコキナーゼと比べてみると、活性中心付近に位置すると考えられる領域はよく保存されていた。しかし、ATPグルコキナーゼのIIBという領域は、ATPグルコキナーゼだけに存在した。真核生物も含め、多くの生物でみられるATPグルコキナーゼは、このIIB領域を獲得して、ポリリン酸依存性グルコキナーゼから進化したのではないかと考えられた。本研究ではポリリン酸グルコキナーゼの構造を決定し、ATPグルコキナーゼと比較することによって、ポリリン酸からATPへと生命エネルギーがどのようにして変化したかを酵素の構造から議論したいと考えた。そこで大腸菌における発現系を構築し、大量精製を行った。精製したグルコキナーゼを濃縮し、結晶化条件を検討した。その結果、約2年の歳月をかけてようやくポリリン酸グルコキナーゼの結晶化に成功した。その結晶を用いて約2Åの解像度でX線回折像が得られた。その構造の完全解明には至っていないものの、構造を予測することができた。今後、この酵素の構造からポリリン酸利用の分子メカニズムを明らかにするとともに、原始生命エネルギー発生の不思議に迫りたいと考えている。ポリリン酸依存性グルコキナーゼ遺伝子(pgk)をHisタグ融合ベクターであるpET21aに挿入し、大腸菌内に導入した。得られた大腸菌形質転換株を培養したところ、ポリリン酸依存性グルコキナーゼが大量発現していることが確認できた。Hisタグ融合タンパク質を精製するカラムを用いて精製した結果、純度90%の標品が得られた。更にイオン交換クロマトグラフィー等で精製をすすめ、100%純度のものを得た。この高純度精製したポリリン酸依存性グルコキナーゼとクリスタルスクリーニングキットを用いて現在結晶条件を検討している。現在までにいくつか結晶が得られたが、X線解析の結果、すべて塩の結晶であることがわかっている。引き続き結晶化条件を検討する。ポリリン酸依存性グルコキナーゼとATP依存性グルコキナーゼの基質特異性の違いはIIB領域あるいはIIA領域の有無によるものと考えられた。すなわち、ATP依存性グルコキナーゼのIIB領域あるいはIIA領域は、リン酸化の基質をATPに限定するために存在するように考えられた。そこで、大腸菌のATP依存性グルコキナーゼを取得し、そのIIB領域あるいはIIA領域の一部を欠失させたグルコキナーゼを構築した。しかし、現在までに活性を持つ欠失体が得られていない。今後もATP依存性グルコキナーゼの欠失領域を変化させることによって、ポリリン酸を基質とするグルコキナーゼを取得したいと考えている。ポリリン酸依存性グルコキナーゼの結晶を取得するために、1.1mg/mlのタンパク質溶液を限外ろ過により濃縮して得た。これを用いて結晶化条件をスクリーリングをしたところ、ハンギングドロップ蒸気拡散法を使って4°C、30%PEG4000、0.2M酢酸アンモニウム、0.1Mクエン酸ナトリウム(pH5.6)の条件で2mM glucose入りの両錐形の結晶(0.08mm×0.02mm)が析出した。同様の条件でシッティング

ドロップ蒸気拡散法に変えてみると結晶が析出するが、サイズが小さくなった。また、攪拌式セルで濃縮したタンパク質溶液を使い、同様の条件でハンギングドロップ蒸気拡散法により結晶化を行っても結晶は析出しなかった。そのため、限外ろ過により濃縮したタンパク質溶液を使い、ハンギングドロップ蒸気拡散法でより大きい結晶を作るための条件検討を行った。タンパク質濃度を濃縮により2.0mg/mlまで上げ、沈殿剤、緩衝溶液のpHを変えるなど様々な条件で結晶化を繰り返し行った。沈殿剤はPEG1000,1500,6000,8000など試したが結晶の形が悪くなり、測定に十分な結晶は得られなかった。緩衝溶液はクエン酸ナトリウム以外では結晶が出ないことが分かった。またpH5.66.0の範囲で結晶が析出した。そして、30%PEG4000、0.2M酢酸アンモニウム、0.1Mクエン酸ナトリウム(pH6.0)の条件で0.28mm×0.12mmの大きさの結晶が析出した。また、ポリリン酸が酵素にどのように結合しているか調べるため、2mM polyP4(リン酸が4つのポリマー)を入れた複合体結晶の作成を行った。結晶化条件は30%PEG4000、0.2M酢酸アンモニウム、0.1Mクエン酸ナトリウムで行ったところ、二週間での両錐形の結晶(0.12mm×0.04mm)が析出した。
酸化物人工格子による新規磁気材料の創成

レーザーアブレーション法により、原子レベルで磁気相互作用を制御した人工格子酸化物磁性体を創製し、新規な光・磁気・電気特性を発現させるとともに、その興味ある諸物性の発現機構と構造の相関をナノレベルで明らかにすることを目的として研究を推進した。具体的には、自然超格子構造を有するスピネル型フェライト薄膜における1)光磁気特性、および2)磁気抵抗効果の評価を行った。1)では、フェリ磁性体NiFe_2O_4に非磁性イオンZn^<2+>を添加することにより、原子レベルでスピンフラストレーションとスピンランダムネスを導入し、室温付近でスピンが凍結するスピングラス的挙動を発現させ(高温グラス磁性)、スピン凍結温度以下の温度領域において光を照射すると、グラス磁性が融解して磁化が増大することを見出した(高温光誘起磁性)。また、組成、酸素分圧および成膜速度などの各種作製条件を広範に変えて光磁気特性を評価し、またその励起強度および励起波長依存性を詳細に調べた結果、この光誘起磁性の起源が、磁性イオン間の光励起電荷移動と、それに伴う局所的な磁気異方性の変化にあることを見出した。また、2)において、NiFe_2O_4およびCoFe_2O_4スピネル型フェライトにおいて、Zn^<2+>添加による磁気抵抗特性の急激な変化を見出し、この現象が、スピンフラストレーションの増大によるナノレベルでのスピン配向の変化に由来するものであることを突き止めた。以上のように、室温付近の高温領域で多彩な物性を示す新規酸化物磁性体を創出することに成功し、デバイスとしての応用へと発展させていくために必要な基礎的知見を得た。レーザーMBE法による原子層制御の薄膜結晶成長と、走査プローブ顕微鏡を用いた原子スケールでの界面制御・評価により、完全結晶薄膜から構成される電界効果トランジスタ構造および人工格子を形成し、電界あるいは光照射によるキャリア注入によって超伝導や磁性を誘起することを研究目的として研究を推進した。特に、磁性材料にターゲットを絞り、3次元フラストレーション構造(カゴメ格子)を有するスピネル型フェライト化合物(AIRuFeO_4)において、我々が発見した高温スピングラスおよび光誘起磁性について、本年度は極短パルスレーザー光を用いた、時間分解光吸収測定(ポンプープローブ法)により、光励起スピンおよび熱励スピンの識別を試みた。構成イオン(Ru,Fe)間での電荷再配列に起因すると思われる、早い吸収特変化が観測され、光誘起スピンの存在を支持する結果が得られた。このことは、光メモリへの道を開く重要な成果と考えられる。現在、時間分解で直接スピン状態の変化を計測するためのシステム(時間分解Kerrあるいは、時間分解MCD)の構築を実施中である。並行して、評価に耐えうる完全結晶性薄膜結晶成長を実施した。レーザーMBE法により、スピネル型フェライトの無欠陥薄膜結晶成長を行い、さらに走査プローブ顕微鏡(SPM)により、ナノスケールで構造および磁気特性(Magnetic Force Microscope)を評価した。電界誘起スピンの直接評価を目指して、スピントランジスタを形成し、雰囲気制御-MFM技術を駆使し、原子レベルで平坦な界面を有するトランジスタ特性および、磁性特性制御のリアルタイム計測を実施した。
電流励起による有機半導体レーザーの実現

柔軟性、軽量、プリンタブルや波長可変性といった多くの特性をもつ電流励起による有機半導体レーザーデバイス(OSLD)の実現は有機半導体デバイスにおける一つの課題とされています。しかしながら、OSLDの実現にはいくつかの課題が残されており、その一つとして三重項励起子の生成が挙げられます。これまで、光励起によるASE発振は蛍光分子のみに限られており、蛍光分子は電流励起により生成する全励起子の25%を占める一重項励起子のみを光として利用できますが、残りの75%を占める三重項励起子を利用することはできません。さらに、三重項励起子の蓄積は励起子間相互作用により光損失を引き起こすため、酸素やCyclooctatetraene(COT)などの三重項失活剤を用いて三重項励起子を無輻射失活させる手法がとられてきました。すなわち、三重項励起子を光増幅に利用することができれば、ASE発振に必要な電流密度閾値を4分の1に低減することが可能となります。しかしながら、光励起においてもASE発振を示す燐光材料やTADF材料については報告がありませんでした。そこで、三重項励起子を光増幅に利用するべく、TADF材料として報告されているDABNA2分子に着目しました。DABNA2はこれまでのTADF分子の放射速度値よりも大きな値を有しており、半値幅も小さいために、ASE発振の特性を知る一つのパラメーターである誘導放出断面積も大きく、結果として、光励起におけるASE発振が観測されました。これは三重項励起子を利用可能な分子、つまり燐光特性、もしくはTADF特性を示す分子における初めてのASE発振の観測であり、今後の有機半導体レーザーの実現に向けた研究に大きく貢献し得るものです。28年度が最終年度であるため、記入しない。
高次脳機能研究モデルとしての一卵性多子ニホンザルの作成

一卵性多子ニホンザルの作製を目指し、関連する生殖工学技術について検討した。1卵子採取の効率化の為、卵巣刺激処置におけるホルモン投与量を検討し、既報の半量に減じることでよりクオリティの高い卵子が得られる傾向が確認できた。2精子の凍結保存について検討し、保存液としてテストヨークバッファーを用い、融解後に1mMCaffeineおよび1mM dbcAMPを含むBO液で処理することで、顕微授精等の受精補助を伴わずに体外受精卵を作製できる手法を確立した。3体外受精卵および分割受精卵について、受胚雌に移植試験を実施したが、いずれも妊娠を確認するには至らなかった。サル類はヒトに近縁であることから、ヒトのモデル動物として有用な実験動物である。しかし、遺伝的に均一な集団、いわゆる近交系コロニーが存在しないため、個体によるばらつきが大きいことがウイークポイントとなっている。申請者らの研究の最終目標は、効率的かつ安定的な遺伝的相同サル作製システムを構築することである。本研究課題では、他の実験動物や家畜で実績のある受精卵分割ならびに受精卵クローンの手法をニホンザル用に改良・至適化し、ニホンザル一卵性複数子を作成することを目的としている。我々は、これまでに生殖工学技術を駆使した哺乳類実験動物の作製・開発に取組んできた。研究分担社の外丸は、近年マーモセットおける発生工学技術の開発ならびにクローン技術の応用に取組んでおり、卵子の採取や体外培養等の生殖工学基盤技術を構築するとともに、世界初の受精卵クローンマーモセットの作製に成功している。そこでこの度の研究では、これまでのマーモセットにおける知見をニホンザルに応用し実験を遂行することで、受精卵分割および受精卵クローン技術による一卵性複数子作製の手段を検討し、動物実験に有用な遺伝学的相同ニホンザルの作製を目指している。H25年度は、ホルモン投与により卵巣刺激処置を施した雌ニホンザルより卵胞卵子を採取するため、ホルモンの種類、投与量、投与期間等を検討した。また、採取した卵を体外成熟させるための条件、その後の卵の培養方法等を検討した。遺伝的に均一な霊長類個体を得る為に一卵性多子ニホンザルの作製を目指し、関連する生殖工学技術の検討と受精卵の移植試験を行った。また、受精補助処置として体外受精に先立って卵子の透明帯の一部を切開することで、受精率の向上をはかることができた。3ニホンザルの繁殖期に合わせ、体外受精卵について1頭、分割受精卵について2頭の受胚雌に移植試験を実施したが、いずれも妊娠を確認するには至らなかった。実験動物学ホルモン投与により卵巣刺激処置を施した雌ニホンザルより卵胞卵子を採取するため、ホルモンの種類、投与量、投与期間等を検討した結果、安定して卵を採取できる方法がほぼ確立された。また、体外受精および顕微授精を試み、どちらの方法においても受精卵を得ることに成功した。その後の培養法も、ほぼ確率しており、体外で胚盤胞までの培養が可能となった。受精卵分割においては、ニホンザルの場合4細胞期までの分割が可能であり、分割したそれぞれの卵球細胞から胚盤包まで発生させることができた。H25年度において、4分割卵から胚盤胞まで発生させることができることが確認されている。そこで、H26年度は受精卵分割の手技を確立すると共に、それらの卵をレシピエント雌ニホンザルに移植することにより、一卵性多子の作製を試みる。年度当初は、受精卵操作用の顕微鏡に付属する消耗品の購入が必要と考えていたが、別の予算で購入できたため、次年度の使用が可能となった。また、広島大学と霊長類研究所間の移動の旅費に関して、霊長類研究所の共同利用・共同研究を実施する際に同時に実験を実施したため、当該費用での移動回数が減じたため。

ニホンザルは、季節繁殖動物であるため、H25年度は、繁殖期である冬期に実験を実施した。しかし、実験動物として安定した供給を実施するためには、夏期の採卵と受精卵の凍結保存が必須となる。そこで、今年度は、夏期にも実験を実施する。得られた受精卵については4分割卵からの体外培養をおこない、胚盤胞まで発育したものは、レシピエント雌ニホンザルに移植し、一卵性多子個体の作製を行う。