hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
近接場光を利用したナノスケール熱物性計測法の研究

2,周期的に変調された近接場光を励起するシステムを構築した.本システムにより,最大で100MHzまでの加熱光強度変調が可能となり,ナノメートルサイズの試料を近接場光によって周期的に加熱することが可能となった.3,微弱な近接場信号の中から熱物性情報のみを抽出する新しい理論を提案した.提案したプローブ励振法により、高感度に近接場光を検出することが可能となり,100nmの空間分解能を達成した.4,厚さ125nmのAl薄膜ならびに単層カーボンナノチューブの測定を行った.得られた近接場信号は,明らかにナノスケールの結晶構造を反映した結果であり,ナノメートルオーダーの非常に高い空間分解能で熱物性情報を光学的に抽出することに初めて成功した.以上得られた知見より,近接場光を用いてナノスケール熱物性計測が十分可能であることが明らかとなった.
新生ラット摘出標本における呼息性運動ニューロン活動の制御機構

新生ラットの脳幹-脊髄-胸郭摘出標本において灌流液のpHを7.4から7.1まで減少させると横隔神経活動と交互の協調した呼息性活動が第9-10肋間の内肋間筋に出現する。本年度は第3から第11肋間より筋活動を記録し、低pH灌流液により誘発される内肋間筋呼息性活動の分布を調べた。記録したすべての肋間隙の内肋間筋に呼息性バーストが認められた。しかし、濯流液のpHを7.1に保持しているにもかかわらず、より吻側の肋間隙に位置する内肋間筋ほど呼息性活動が早く消失した。また第5-第11内肋間筋の呼息性活動は、第3、4内肋間筋と比較して出現率が高かった。この結果は内肋間筋の呼息性運動出力の大きさに尾側から吻側への勾配があることを示唆する。次に脊髄節の異なる内肋間筋間の呼息性バーストの開始時間差について検討した。10組中6組で、吻側に位置する内肋間筋の活動が遅れて開始した。残りの4組では差が認められなかったが、吻側の内肋間筋の呼息性バーストが先行する組み合わせは無かった。以上の結果は、麻酔下の哺乳動物で報告されている結果と同様であり、適切な呼息性運動出力パターンを形成する神経機構が摘出標本内に保持されていることを初めて明らかにした。
アルゴリズム的ランダムネスによる量子力学の再構成

量子力学では確率概念が本質的な役割を果たす。この確率概念は波動関数の確率解釈(ボルン則)により量子力学に導入される。しかしながら、量子力学を記述する現代数学において、確率論とは測度論のことであり、確率概念の操作的特徴付けは未だ確立されていない。その意味で、現在の形の量子力学は、本来操作主義的であるべき物理理論としては、不完全であると考えられる。本研究の目的は、アルゴリズム的ランダムネスの概念装置(Martin-Loefランダム性)に基いて、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を提示し、量子力学の完全化を達成することである。私は、本研究の先行研究により、測定結果が有限個の場合については、既にこの代替規則を確立している。本研究の主たる目的は次の2つである:(A)測定結果が可算無限個の場合において、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立する。(B)量子力学の多世界解釈では、ボルン則の導出が主たる課題となっているが、多世界解釈の立場から(A)で提示した代替規則の導出を行う。(A)については、平成27年度中の研究で達成した。(B)について、この導出の出発点として要請する公理が“典型性原理"である。これは先行研究において私が導入した物理原理(公理)であり、典型性原理を要請することにより、測定結果が有限個の場合において、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を多世界解釈の観点から導出することに成功している。平成28年度中の研究で、私は、典型性原理を測定結果が可算無限個の場合に拡張することに成功し、その上で、平成27年度中に確立したボルン則の代替規則をこの典型性原理から導出することに成功した。更に、本研究では、典型性原理に基づく計算量理論における脱ランダム化や、ベルの不等式対量子力学論争の典型性原理による精密化などにも成功し、典型性原理の有効性と妥当性を確証した。この確率概念は、波動関数の確率解釈(ボルン則)により量子力学に導入される。しかしながら、量子力学を記述する今日の数学において、確率論とは測度論のことであり、確率概念の操作的特徴付けは未だ確立されていない。本研究の目標の一つは、この有限個の場合の成果を拡張し、測定結果が可算無限個の場合について、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立することである。この目標を達成するためには、標本空間が可算無限集合となる一般の確率空間において、確率概念の操作的特徴付けを与える数学的枠組みを構築する必要がある。一方、標本空間が有限集合となる一般の確率空間においては、そのような数学的枠組みの構築は、私の先行研究により既に成功している。これが上述の測定結果が有限個の場合におけるボルン則の代替規則の確立に繋がったのである。平成27年度は、はじめに、Martin-Loefランダム性の理論を、可算アルファベット上の一般の測度空間に拡張することに取り組んだ。するとこれが成功を収め、それにより、標本空間が可算無限集合の場合において、確率概念の操作的特徴付けを与えることに成功した。この成果に基いて、本研究の目標の一つである、測定結果が可算無限個の場合においてボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立することに成功した。測定結果が可算無限個の場合について、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立することは、交付申請書に記載した「研究実施計画」においては、平成28年度末までに達成するべきことであった。これを、本研究の初年度である平成27年度において達成したのである。すなわち、本研究は当初の計画以上に進展している。本研究の主たる目的は次の2つである:(A)測定結果が可算無限個の場合においてボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立する。(A)については、平成27年度中の研究で既に達成している。(B)について、この導出の議論で出発点として要請する公理が“典型性原理"である。

これは、本研究の先行研究において私が導入した物理原理(公理)であり、典型性原理を要請することにより、測定結果が有限個の場合において、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を、多世界解釈の観点から導出することに成功している。平成28年度の研究で、私は典型性原理を測定結果が可算無限個の場合に拡張することに成功した。そして、平成27年度中に確立した測定結果が可算無限個の場合のボルン則の代替規則を、典型性原理から導出することに成功した。更に平成28年度は、典型性原理に基いて、量子暗号の理論(BB84量子鍵共有プロトコル)を再構成し、典型性原理の有効性を確証した。本研究の主たる目的は次の(A)及び(B)である:(A)測定結果が可算無限個の場合においてボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立する。(B)量子力学の多世界解釈では、ボルン則の導出が主たる課題となっているが、多世界解釈の立場から(A)で提示した代替規則の導出を行う。(A)については、平成27年度中の研究で既に達成している。そして、(B)については、平成28年度中の研究で既に達成している。更に、平成28年度は、典型性原理の有効性を確証するため、量子情報処理技術の典型的具体例である量子暗号(BB84量子鍵共有プロトコル)を取り上げ、典型性原理に基いてこれを再構成し、精密化を行うことに成功している。これにより、典型性原理の妥当性の確度が一段と高まった。以上のように、交付申請書に記載した「研究実施計画」において平成28年度末までに達成するべきことは全て達成し、更に、平成29年度中に行うべき研究である典型性原理の妥当性の確証作業に着手して、既にかなりの成果を挙げている。このように、本研究は当初の計画以上に進展している。量子力学では確率概念が本質的な役割を果たす。この確率概念は、波動関数の確率解釈(ボルン則)により量子力学に導入される。しかしながら、量子力学を記述する現代数学において、確率論とは測度論のことであり、確率概念の操作的特徴付けは未だ確立されていない。その意味で、現在の形の量子力学は、本来操作主義的であるべき物理理論としては、不完全であると考えられる。本研究の目的は、アルゴリズム的ランダムネスの概念装置(Martin-Loefランダム性)に基いて、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を提示し、量子力学の完全化を達成することである。私は、本研究の先行研究により、測定結果が有限個の場合については、既にこの代替規則を確立している。本研究の目的は次の2つである:(A)測定結果が可算無限個の場合においてボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を確立する。(A)については、平成27年度中の研究で達成した。(B)について、この導出の出発点として要請する公理が“典型性原理"である。これは先行研究において私が導入した物理原理(公理)であり、典型性原理を要請することにより、測定結果が有限個の場合において、ボルン則を操作主義的に明確化した代替規則を、多世界解釈の観点から導出することに成功している。
CMOSプロセスを用いた超高速シリコンモノリシック光レシーバの開発

SOI-PIN光検出器を提案した。この素子は電極間隔、受光部面積、パッド面積を最適化することで、20 GHz超での動作が期待できる。ファウンドリーサービスを用いて光検出器を作製し、波長0.8 um帯における特性を評価した。電極間隔0.6 um、受光部面積20×20 um2、パッド面積30×30 um2の素子において、最大帯域13 GHzを得た。また、Si/SiO2方向性結合器による導波路型偏波スプリッタを作製した。FDTD解析により、結合長の組み合わせを1:2とすることで実現し、ファウンドリーサービスを用いて作製した。偏波スプリッタとして動作し、消光比20dB以上を得た。次世代ネットワーク用超高速・小型光集積回路の開発が急がれている。この課題に対し、申請者は波長0.8 um帯を用いるシリコン光電子集積回路を提案する。この波長帯を用いることで、結晶シリコンを光検出器として用いることが可能となり、LSIとの集積が容易になる。本申請では、薄膜シリコン(SOI:Silicon on Insulator)を用いた光検出器をCMOS互換プロセスで作製し、電極パッドサイズおよび電極間隔を最適化することで、動作速度40 GHz超、動作電圧2 V以下の超高速・低電圧動作実現を目標とする。さらに、トランスインピーダンスアンプを集積し超高速モノリシック光レシーバの開発を目的とする。(1) CMOS互換プロセスによるSOI-PIN光検出器の設計及び高速動作電極パッドサイズや電極間隔を最適化し、動作帯域30GHz超で動作可能な光検出器を設計し、試作した。測定結果は帯域周波数13GHzが得られた。(2)光レシーバの試作(波長無依存光導波路の実現)上記光検出器との集積化に向けて、光導波路とくに波長無依存光合分波器の設計し測定した。通信波長帯域で波長無依存化を実現した。「(1) CMOS互換プロセスによるSOI-PIN光検出器の設計及び高速動作」に関しては、構造の最適化、試作、動特性の評価を実施し、試作は実現した。応答速度に関しては目標は達成していないが、シミュレーションにより高速化への指針は把握している。「(2)光レシーバの試作」に関しては、光検出器との集積化に向けた光導波路は実現している。今後はTIAの設計および試作であるが、こちらも回路シミュレータにより高利得・高速化が達成する設計は完了し、試作中である。以上より、全体としては順調に進展していると考えている。この課題に対し、申請者は波長0.8um帯を用いるシリコン光電子集積回路を提案する。本申請では、薄膜シリコン(SOI:Silicon on Insulator)を用いた光検出器をCMOS互換プロセスで作製し、電極パッドサイズおよび電極間隔を最適化することで、動作速度40GHz長、動作電圧2V以下の超高速・低電圧動作実現を目標とする。さらにトランスインピーダンスアンプを集積し、超高速モノリシック光レシーバの開発を目的とする。(1)CMOS互換プロセスによるSOI-PIN光検出器の設計及び高速動作電極パッドサイズや電極間隔を最適化し、動作帯域40GHz超で動作可能な光検出器を設計し、試作した。測定結果は帯域周波数13GHz程度であった。動作帯域が制限されいている理由が不明であるため、パッド電極などのサイズを変更し、構造依存性により高速動作を目指す。(2)光レシーバの試作(波長無依存、偏波合分波)上記光検出器との集積化に向け、波長無依存合分波器、偏波合分波器の設計をした。波長無依存化は曲線方向性結合器を用いて実現可能であり、またTE/TM合分波器は従来報告されているサイズの半分のサイズで実現可能であることを見出した。今後はこれを作製し評価する。(1)CMOS互換プロセスによるSOI-PIN光検出器の設計及び高速動作に関しては、設計指針は完了しシミュレーションでも高速動作の目処はたっている。測定において達成していないが、測定系の改善により目標は達成できる。(2)光集積回路に関しては、波長無依存や偏波無依存の光集積回路設計を完了しており、今年度作製・測定を実施する。動作帯域が制限されいている理由が不明であるため、パッド電極などのサイズを変更し試作したころ、帯域周波数の向上は得られなかった。

(2)光レシーバの試作(波長無依存、偏波合分波)上記光検出器との集積化に向け、波長無依存合分波器、偏波合分波器の設計をした。波長無依存化は曲線方向性結合器を用いて実現可能であり、またTE/TM合分波器は従来報告されているサイズの半分のサイズで実現可能であることを見出した。試作デバイスにより20dB以上の偏光分岐比を得た。SOI-PIN光検出器を提案した。この素子は電極間隔、受光部面積、パッド面積を最適化することで、20 GHz超での動作が期待できる。ファウンドリーサービスを用いて光検出器を作製し、波長0.8 um帯における特性を評価した。電極間隔0.6 um、受光部面積20×20 um2、パッド面積30×30 um2の素子において、最大帯域13 GHzを得た。また、Si/SiO2方向性結合器による導波路型偏波スプリッタを作製した。FDTD解析により、結合長の組み合わせを1:2とすることで実現し、ファウンドリーサービスを用いて作製した。偏波スプリッタとして動作し、消光比20dB以上を得た。1.光検出器の高速化に関しては、H27年度作製した光検出器の特性評価を元に構造の再設計を行い、まずは20GHz超での応答を目指す。2.光レシーバの試作は回路シミュレータにより実現した回路をファウンドリーで試作し、利得・応答速度などを評価する。(1)光検出器の高速化は、昨年度製作評価したデバイスを元に再設計する。(2)導波路に関しては、設計済みであるため作製評価する。工学物品費で少額残余が発生してしまい、消耗品などで購入予定もなかったため。消耗品を購入予定である。
金属材料の磁気的強化に関する基礎的研究

多結晶材料の性能を支配している結晶粒界の影響の方法および度合が、材料中に含まれる粒界の性格およびその存在頻度に大きく依存することが、最近の研究によって明らかにされてきている。最近、本研究者は粒界設計にもとづく材料開発の考えを提案してきている。本研究はその粒界設計の考えにもとづき、多結晶磁性材料の諸性質のうち、とくに材料開発に際してしばしば障害となっている、粒界破壊に関連した脆性の制御の方策を見出すために行なわれた。まず、粒界破壊に対して大きな抵抗をもつ低エネルギー粒界を人為的に高頻度で多結晶材料中に導入することをめざして、Fe-10%Co合金の真空溶解後、鍛造圧延された板状試料を磁場中焼鈍を行なった。その結果、低エネルギー粒界の一種である低角粒界の頻度が磁場中焼鈍によって磁場の強さに直線的に比例して増加することが見出された。一方、その脆性のために通常の加工法では製造されなかったFe-6.5%Si合金が融体より双ロール法によって急冷凝固され薄帯として成形され、さらに焼鈍されることによって非常に延性に富んだ材料となる。この理由を明らかにするため、粒界の性格および頻度がSEM-ECP法を用いて調査された。その結果驚くべきことに、高延性を示した急冷凝固後十分に焼鈍された薄帯が高頻度(【similar or equal】45%)の低エネルギー粒界を含んでいることが見出された。このことから急冷凝固焼鈍されたFe-6.5mass%Si薄帯の優れた延性は、粒界破壊を起こしがたい低エネルギー粒界が高頻度で存在することによることが明らかにされた。また、低Σ対応粒界の存在頻度とΣ値との間に逆る乗根則が見出され、特定のΣ値をもつ対応粒界の出現頻度を定量的に制御する可能性が明らかにされた。本研究者の提案した粒界設計にもとづく材料開発の考えに従って、望みの性質、性能をもった多結晶材料の開発が可能であることが実強磁性多結晶材料における結晶粒方位と磁区構造,粒界性格構造の粒界と磁壁との相互作用に対する影響を明らかにするための基礎調査として,本年度は急冷凝固および焼鈍されたFe-6.5mass%Si合金の薄帯多結晶試料に対して, SEM-ECP法を用いて粒界性格分布の調査が行なわれた.その結果,急冷したままの薄帯試料では,粒方位がランダム分布を示し,また含まれる粒界は圧倒的に(85%以上)高角度ランダム粒界であることが見出された.一方,急冷凝固後さらに焼鈍された薄帯試料では,含まれる結晶粒の表面方位が,ほぼ{100}近くに局在し,いわゆる{100}集合組織が形成されていることが明らかにされた.このような焼鈍試料では低角度粒界およびΣ値の小さい対応粒界が高頻度(【similar or equal】50%)で存在することが見u『sサu]集急冷凝固および焼鈍されたFe-6.5mass%Si合金薄帯中にこのように高頻度で低エネルギー粒界が存在するという事実は,通常の方法ではその脆性のために加工されえないFe-6.5mass%Si合金が,粒界性格分布の制御により,換言すれば高頻度の低エネルギー粒界,すなわち粒界破壊をおこしにくい性格の粒界を導入することによって,その脆性を著るしく改善しうることを明らかにしたものである.今後は,粒界性格およびその分布を予め調査した試料に対して,粒界と磁区,磁壁の相互作用を走査電顕の磁気コントラストを用いて観察し,磁気的強化を含まれる粒界の性格分布との関連に注目して解明してゆく予定である.多結晶材料の性能を支配している結晶粒界の影響の方法および度合が、材料中に含まれる粒界の性格およびその存在頻度に大きく依存することが、最近の研究によって明らかにされてきている。

また、低Σ対応粒界の存在頻度とΣ値との間に逆る乗根則が見出され、特定のΣ値をもつ対応粒界の出現頻度を定量的に制御する可能性が明らかにされた。本研究者の提案した粒界設計にもとづく材料開発の考えに従って、望みの性質、性能をもった多結晶材料の開発が可能であることが実強磁性金属材料の機械的性能の向上をめざして、結晶塑性および結晶粒界が関与する金属学的現象に及ぼす磁気的影響に注目した磁気的強化に関する基礎的研究の初年度として以下の研究結果が得られた。多結晶金属の強度および延性のような機械的性質が、含まれる粒界の性格・および分布に依存することが明らかにされてきていることから、本研究では強磁性のFe-Co合金多結晶体に含まれる粒界の性格およびその分布を制御することを目的として、圧延材を磁場中で焼鈍し、得られた焼鈍多結晶試料に対して、エレクトロン・チャンネリング・パターン(ECP)法を用いて粒界性格分布を調べた。その結果、たとえば70%熱間圧延されたFe-10%Co合金の1073K18Ksの磁場中焼鈍では、磁場の強さが5Koeの範囲において、低角度粒界の頻度が、無磁場焼鈍に対する値2%から(この値は結晶粒方位がランダム分布をとる状況に対する理論的予想値にほぼ一致する)、磁場の強さにほぼ直線的に比例して増加し、5Koeの磁場中焼鈍では4倍の8%まで増加することが見出された。このことは磁場中焼鈍により、粒界破壊をおこしにくい低エネルギーの粒界の1つのタイプである低角粒界の密度が制御しうることが明らかにされた。一般に知られているように強磁性材料は延性に乏しいが、含まれる結晶粒界の性格、およびその分布を制御することにより粒界破壊をおこしにくい延性に富んだ結晶材料の開発が可能であると考えられる。本研究の結果を参考にすると30Koeの磁場中焼鈍により、約40%低角度粒界の導入が予想され、このように高頻度の低角粒界を含む多結晶材料は延性に富み、機械的性能のすぐれた材料と期待される。今後、さらに高磁場での焼鈍処理による高頻度の低エネルギ粒界導入のたれの実験が予定されている。また、粒界と磁壁との相互作用の調査のためのSEMによる磁区観察に対して予備実験がなされた。磁歪がほとんどなく、高い電気抵抗比をもつFe-6.5mass%Si合金は、磁性材料として優れた磁気特性を有することから、これまでこの材料の開発に対して多くの試みがなされてきた。しかしこの合金は非常に脆いために通常の加工法が応用できず開発が遅れていた。ところがこの合金を融体より急冷凝固法によって薄帯とし、さらに焼鈍を行うことによって、非常に延性に富み、優れた磁気特性をもつ材料が開発されうることが最近見出された。そこで本研究は通常、非常に脆ないFe-6.5mass%Si合金が急冷凝固および焼鈍によって延性に富み、優れた磁気特性を生じる原因を明らかにし、多くの磁性材料にみられる脆性の改善のための方法を開発するための基礎的研究として行われた。本研究では、とくに薄帯中に導入される粒界の性格および出現頻度、いわゆる粒界性格分布を実験的に明らかにした。融体より双ロール法によって急冷凝固させた多結晶体薄帯の平均粒径は約10μmであるが、これを1363K以上の温度で十分焼鈍(13.6Ks)すると、平均粒径が600μm以上の粗大粒多結晶体が得られる。薄帯は焼鈍温度によって異なるタイプの集合組織をもつことが明らかにされた。1363Kで焼鈍された{100}集合組織において、非常に高頻度(=25%)の低角、粒界および低Σ対応粒界(=20%)が存在することが走査電顕-エレクトロンチャンネリングパターン(SEM-ECP)法によって明らかにされた。このように高延性を示した{
アスパラギン結合型糖鎖の形質膜上における異化経路の存在の検証

ヒト口腔内上皮細胞形質膜上でのアスパラギン結合糖鎖のエンド-β-N-アセチルグルコサミニダーゼHS(エンドHS)による異化経路の存在の検証のため、エンドHSの作用でアスパラギン結合糖鎖を失いGlcNAcのみを結合している糖タンパクの存在を調べた。ウシ乳由来Gal転移酵素でUDP-Galから[^3H]GalをGlcNAcに転移させ、エンドHSの作用を受けた糖タンパクのみを特異的に標識した。標識タンパクは二次元電気泳動後、フルオログラフィーで検出した。その結果、口腔内上皮細胞の剥離前後にかかわらず分子量(MW)約5万、等電点(Ip)約4.5の最も多量に存在するタンパクが標識された。これ以外に剥離前の細胞ではMW約4,2万でIp5,26,2に分布する8種の、またMW約5万でIp56に分布する15種のさらにMW10万以上でIp4,5前後に分布する15種のタンパクとMW約9,6万でIp約5のタンパク1種ならびにMW約2万、Ip約4,5のタンパク1種が標識された。一方剥離上皮細胞ではMW約4,3万、Ip約4,5のタンパク1種とMW約5万でIp56に分布する5種のタンパクがそしてMW約4,3万でIp56に分布する4種のタンパクが標識された。さらにMW10万以上でIp4,54,9に分布するタンパク10種が標識された。以上の結果からエンドHSによるアスパラギン結合糖鎖の異化経路は存在するものと考えられた。またエンドHSの作用を受ける糖タンパクは上皮細胞の剥離前後で共通のものとそれぞれに特異的に発現しているものとがあることが示唆された。アスパラギン結合糖鎖はミクロ不均一性のため非還元末端にGlcNAcが存在する場合とO-結合型GlcNAcの存在の場合があり標識糖タンパクすべてがエンドHSの作用を受けたものと言い難い。これら標識タンパクそれぞれを単離し、その糖組成、構造を解析することで最終的にエンドHSの作用を受けた糖タンパクが特定できる。今後の研究課題として近い将来解明されるであろう。
サンドリサイクルによる鳥取砂丘海岸の保全に関する研究

鳥取県福部湯山海岸(通称鳥取砂丘海岸)では,土砂供給源である千代川河口の付け替え工事や隣接する鳥取港の整備にともない,海岸侵食が深刻化する一方で,港内の堆砂問題が深刻化している.鳥取県ではこれらの対策として港湾や河口に堆積した土砂を侵食域へ投入し(養浜)海岸保全を行っている.しかし,海岸保全に適切な土砂量や土砂投入位置およびその時期などは不明確であり,検討すべき課題が多いのが現状である.そこで,土砂投入後の地形変化を予測可能な数値モデル(等深線変化モデル)の開発を行ってきた.また,鳥取砂丘海岸は季節変動を繰り返しながら,高波浪による短期間の変動が大きい海岸であり,特に養浜を行った場合,その後の地形変化には高波浪が大きく影響する.このようなことから,高波浪および波浪の季節変動を考慮した.さらに,養浜土砂の粒径の効果についても検討を行った.本研究における成果を以下に示す.・波浪の季節変動を考慮土砂投入後の地形変化を予測可能な等深線変化モデルにさらに波浪特性の変化を考慮しモデルの拡張を行った.土砂投入期間中に高波浪が作用すると,より広い領域へ土砂が拡散し,また土砂の移動速度は速いため,養浜効果は低くなることがわかった.・養浜砂の混合効果の検討養浜土砂の粒径が地形変化に与える影響および,養浜効果についてシミュレーションにより検討を行った結果,粒径の大きなものを投入すると,歩留まりがよく,高波浪作用下においても一定の効果があることが分かった.また,室内実験においても,大きな粒径と小さな粒径が混合することで,地形が安定し,侵食を軽減することを確認した.鳥取砂丘海岸では,社会基盤整備に伴い海岸侵食が深刻化しており,鳥取県ではその対策として,港湾や河口に堆積した土砂を侵食域の投入する(養浜)海岸保全(サンドリサイクル)を行なっている.しかし,保全に適切な土砂投入の量や位置は不明確であり,検討すべき課題が多く残されており,海岸地形変化の予測が必要不可欠である.一方で,直接土砂投入を行った際の地形変化を予測可能な海浜変形モデル(等深線変化モデル)の開発を行ってきた.そこで,本研究では,このモデルを実用レベルに引き上げ,養浜土砂の動きおよび,その後の地形変化を調べるため屋内実験による養浜実験を行った.本研究における成果を以下に記す.・養浜土砂の移動に関する屋内実験2次元造波水槽の一端にスロープを設置し,その上に砂を敷きならし海底地形を形成した.土砂投入後の地形変化を詳細に計測することで,土砂の動きを把握することができ,その移動速度と波浪特性とを関係付けることができた.また,さまざまな波浪および養浜条件のもと,養浜後の地形変化を詳細に追跡することで,養浜位置や量によりその後の効果に差が生じることがわかり,有用な養浜を行うための基本的なデータ収集を行うことができた.・鳥取砂丘海岸調査鳥取砂丘海岸の定期的なモニタリングを実施した.また過去の深浅図を解析し経年的変化を調べた.当該海岸は大きくは季節変化を繰り返しながら侵食傾向にあったが,サンドリサイクル開始以降その速度は緩やかもしくは回復傾向にある.さらに季節的変化だけでなく,暴浪などによる短期間での変化が激しいことがわかった.鳥取県福部湯山海岸(通称鳥取砂丘海岸)では,土砂供給源である千代川河口の付け替え工事や隣接する鳥取港の整備にともない,海岸侵食が深刻化する一方で,港内の堆砂問題が深刻化している.鳥取県ではこれらの対策として港湾や河口に堆積した土砂を侵食域へ投入し(養浜)海岸保全を行っている.しかし,海岸保全に適切な土砂量や土砂投入位置およびその時期などは不明確であり,検討すべき課題が多いのが現状である.そこで,土砂投入後の地形変化を予測可能な数値モデル(等深線変化モデル)の開発を行ってきた.また,鳥取砂丘海岸は季節変動を繰り返しながら,高波浪による短期間の変動が大きい海岸であり,特に養浜を行った場合,その後の地形変化には高波浪が大きく影響する.このようなことから,高波浪および波浪の季節変動を考慮した.さらに,養浜土砂の粒径の効果についても検討を行った.本研究における成果を以下に示す.・波浪の季節変動を考慮土砂投入後の地形変化を予測可能な等深線変化モデルにさらに波浪特性の変化を考慮しモデルの拡張を行った.土砂投入期間中に高波浪が作用すると,より広い領域へ土砂が拡散し,また土砂の移動速度は速いため,養浜効果は低くなることがわかった.・養浜砂の混合効果の検討養浜土砂の粒径が地形変化に与える影響および,養浜効果についてシミュレーションにより検討を行った結果,粒径の大きなものを投入すると,歩留まりがよく,高波浪作用下においても一定の効果があることが分かった.また,室内実験においても,大きな粒径と小さな粒径が混合することで,地形が安定し,侵食を軽減することを確認した.
二次元における高分子ブレンドの凝集構造の測定装置の試作

空気-水界面に展開した高分子ブレンド膜の凝集構造のその場観察をするために、楕円偏光解析、ブレンドした一成分につけた蛍光物質の発光を利用した蛍光顕微鏡観察、および表面圧測定のできる装置の試作をした。1.蛍光顕微鏡観察には、蛍光物質であるフルオレセインをラベルしたジパルミトイルホスファチジルエタノールアミン(L-DPPE)を蛍光の標識物として用いた。この標識物を人工細胞の構築にも広く使用されているジラウロイルホスファチジルコリン(DLPC)に、重量比で0.04の割合で混ぜたものを単分子膜として拡げ、蛍光顕微鏡観察したところ、相転移領域においてアルキル鎖の会合に伴う海島構造(希薄相が黒い円となる)が観察された。また、このDLPCに脂肪酸であるペンタデカン酸をモル比で、1/4,1/2,1/1,及び1/4の割合で混合したものを蛍光顕微鏡観察した。ただし、混合膜中のDLPCの量はほぼ一定になるように展開した。ペンタデカン酸の混合比の増加と共に、ほぼ円形であったDLPCの凝縮相が崩れ、明るい小滴ができさらにそれが成長していくことが分かった。2.表面圧測定から、ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)-ポリグルタミンサンメチル(PMLG)ブレンド膜は相溶性であり、DPPC-ポリ4ビニルn-ヘキシルブロマイド(PVPy)ブレンド膜は非相溶であることが分かった。一方、楕円偏光解析からも表面圧測定の結果、すなわちブレンド膜の相溶性を支持する結果が得られた。また、各々のブレンド膜の厚さは2-3nmであることが分かった。空気-水界面に展開した高分子ブレンド膜の凝集状態をその場観察するために、楕円偏光解析、ブレンドした一成分につけた蛍光物質の発光を利用した蛍光顕微鏡観察、および表面圧測定のできる装置の試作した。1既存の楕円偏光解析装置の試料回りを改良して、表面圧測定、蛍光顕微鏡観察ができるしようにした。しかしながら、試料回りが手狭なので蛍光顕微鏡部分は取り外して観察することにした。これによって、より迅速な測定ができることが分かった。2蛍光顕微鏡観察には、人工細胞の構築にも広く使用されているリン脂質の一種であるジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)に蛍光物質である4-ニトロベンゾ-2-オキト-1、3-ジアゾール(NBD)をラベルしたものを試料に用いた。DPPC単分子膜の特徴である相転移領域においてアルキル鎖の会合に伴う海島構造が表面圧の変化と共に観察された。よって、本蛍光顕微鏡でもって既に報告されているDPPCのデータを比較的良く再現できることが分かったのでDPPCとポリペプチド(ポリメチルグルタメート、PMLG)あるいは高分子電解質(ポリ-N-nアルキル-4-ビニルピリジニュームブロマイド、PVPy)とのブレンド膜について検討を行っている。3表面圧測定から、DPPC-PMLGブレンド膜は相溶性であり、DPPC-PVPyブレンド膜は非相溶であることが分かった。また、DPPC-PMLGブレンド膜の厚さは2-3nmであることが分かった。しかしながら、DPPC-PVPyブレンド膜では、その膜厚が薄いことを意味する定性的な結果しか得られなかった。1)蛍光顕微鏡観察には、蛍光物質であるフルオレセインをラベルしたジラウロイルホスファチジルコリン(DLPC)を蛍光の標識物として用いた。

この標識物を人工細胞の構築にも広く使用されているジパルミトイルホスファチジルエタノールアミン(DPPE)に、重量比で0.04の割合で混ぜたものを単分子膜として拡げ、蛍光顕微鏡観察したところ、相転移領域においてアルキル鎖の会合に伴う海島構造(凝集相が黒い円となる)が観察された。また、このDPPEに脂肪酸であるペンタデカン酸をモル比で1/4,1/2,1/1,及び1/4の割合で混合したものを蛍光顕微鏡観察した。ただし、混合膜中のDPPEの量はほぼ一定になるように展開した。ペンタデカン酸の混合比の増加と共に、ほぼ円形であったDPPEの凝縮が崩れ、明るい小滴ができさらにそれが成長していくことが分かった。2)32°C付近に下限臨界共溶温度を有する、ポリ-N-イソプロピルアクリルアミド((PNIPAM)単分子膜の表面圧測定、及び楕円偏光解析を温度を変化させ検討した。表面圧-面積曲線の形は膨張膜の場合に似ており、その平衡表面圧は温度と共にわずかに高くなることが分かった。楕円偏光解析からPNIPAMの吸着層厚さは5-7nmと得られ、この吸着層厚さと吸着層の屈折率から求めた吸着量は、親水性表面のシリカ表面への吸着量とほぼ一致することが分かった。
ヒト型の神経筋骨格システムを有する２足歩行ロボットの開発

本年度は,股関節に存在する平面筋が歩行中に与える影響について構成論的に理解し,ロボットに再現する手法を検証するために,筋骨格ロボットによる歩行実験と解析を行った.具体的には,平面筋構造のうち歩行時の安定性に大きく寄与していると考えられる中臀筋について着目し,歩行運動における筋の影響をシミュレーションにより解析することで,遊脚期や支持脚期のそれぞれに適した関節の剛性を中臀筋が受動的に切り替えているということが分かった.3次元的な筋骨格構造を有するロボットによる歩行実験では,平面筋構造を複数のアクチュエータで再現することで,それらの機能を実現できる設計手法を示した.さらに本年度は,ヒトの歩容の特徴を再現でき,柔軟な身体構造を有する筋骨格ロボットに適用することのできる歩行制御手法に関する研究も行った.具体的には,ヒトの走行と歩行の共通性に着目し,両者を同時に説明することのできるモデルを提案した.実際の脚に加えて仮想的な脚を考慮することで同一の説明をすることができるモデルを用い,同一の制御ルールを適用することで,目標速度を変更するだけで歩容速度に適した歩容が発現するモデルを提案した.実際にシミュレーションを行うことで,目標速度によって歩容が変化し,それぞれの目標速度において定常状態を示すことを確認した.この結果によって,速度によって走行歩行が遷移するという生物学的洞察が,単一モデルとルールで再現できるということが示唆された.平面筋のうち特に歩行に影響している中臀筋に関する構成論的理解と再現手法を提案することができた.また,ヒト歩行の特徴を再現できる歩行制御手法に関して,定常性を示すだけではなく,歩容遷移できるモデルをシミュレーションによって検証することができ,ヒトの身体構造をうまく利用する歩行制御手法の実現に向け大きな進展があったため.ヒトの平面筋構造を利用したロボットの設計とヒト歩行の特徴に倣った歩行制御に関して新たな手法を提案したが,実際の筋骨格構造によって生じる運動を調査することで,これらの身体構造と制御手法をロボット取り入れることへの利点を解明する.また,これまでに開発を行ってきたセンサシステムに対して,局所的な制御を実装することで筋骨格ロボットの歩行に対して与える影響を調査する.本年度は,股関節に存在する平面筋が歩行中に与える影響について構成論的に理解し,ロボットに再現する手法を検証するために,筋骨格ロボットによる歩行実験と解析を行った.具体的には,平面筋構造のうち歩行時の安定性に大きく寄与していると考えられる中臀筋について着目し,歩行運動における筋の影響をシミュレーションにより解析することで,遊脚期や支持脚期のそれぞれに適した関節の剛性を中臀筋が受動的に切り替えているということが分かった.3次元的な筋骨格構造を有するロボットによる歩行実験では,平面筋構造を複数のアクチュエータで再現することで,それらの機能を実現できる設計手法を示した.さらに本年度は,ヒトの歩容の特徴を再現でき,柔軟な身体構造を有する筋骨格ロボットに適用することのできる歩行制御手法に関する研究も行った.具体的には,ヒトの走行と歩行の共通性に着目し,両者を同時に説明することのできるモデルを提案した.実際の脚に加えて仮想的な脚を考慮することで同一の説明をすることができるモデルを用い,同一の制御ルールを適用することで,目標速度を変更するだけで歩容速度に適した歩容が発現するモデルを提案した.実際にシミュレーションを行うことで,目標速度によって歩容が変化し,それぞれの目標速度において定常状態を示すことを確認した.この結果によって,速度によって走行歩行が遷移するという生物学的洞察が,単一モデルとルールで再現できるということが示唆された.平面筋のうち特に歩行に影響している中臀筋に関する構成論的理解と再現手法を提案することができた.また,ヒト歩行の特徴を再現できる歩行制御手法に関して,定常性を示すだけではなく,歩容遷移できるモデルをシミュレーションによって検証することができ,ヒトの身体構造をうまく利用する歩行制御手法の実現に向け大きな進展があったため.ヒトの平面筋構造を利用したロボットの設計とヒト歩行の特徴に倣った歩行制御に関して新たな手法を提案したが,実際の筋骨格構造によって生じる運動を調査することで,これらの身体構造と制御手法をロボット取り入れることへの利点を解明する.また,これまでに開発を行ってきたセンサシステムに対して,局所的な制御を実装することで筋骨格ロボットの歩行に対して与える影響を調査する.
バクテリアセルロース製造法に関する基礎的研究

バクテリアセルロース製造法に関する基礎的研究を行ない次の様な重要な知見を得ることが出来た。1)リグニンスルホン酸添加培地でのセルロース膜の収量増大効果がその分子量とどのような関係があるかを調べたところ、中程度の高分子フラクションで膜生成効力が最大になることを明らかにした。2)炭素源の種類、保存菌株の種類によってリグニンスルホン酸のセルロース膜収量増大効果が大きく異なるものの、普遍的に効果が現れることを実験的に実証した。菌株間の差異は、酵素化学あるいは遺伝子構造解析などの手段でより詳しく解明することで、より深くセルロース合成機構が理解され、ひいては工場での環境保全型のセルロース合成条件が明らかにされることが期待される。3)透過型の電子顕微鏡観察の結果、リグニンスルホン酸添加培地でも標準培地におけると同様なリボン状フィブリルが形成されることがわかった。すなわち、正常なフィブリル形成が行なわれながらセルロース膜の収量増大がもたらされていることが確認された。4)今回の研究で用いた菌株、炭素源の組合せのうち、いずれの組合せでもリグニンスルホン酸添加培地で最大セルロース膜収量が得られた。そのうち、最もセルロース収量の大きくなった組合せは、ATCC 10245株を3%グルコース培地でリグニンスルホン酸を添加して培養した場合とIFO 13693株を3%サッカロース培地でリグニンスルホン酸を添加して培養した場合であった。今後さらにこれ以上のセルロース膜収量を得るための条件の検索にはこれまでのリグニンスルホン酸添加による収量増大機構の解明と、新たなセルロース生産性の高い菌株のスクリーニングが重要であることがわかった。バクテリアセルロースの生産性の改善に関与する成分として我が研究室が発見したリグニンスルホン酸は、通常のHestrin-Schramm標準培地に添加するだけで大幅なセルロース収量の改善を達成することができる。この発見は、これまで報告されているミクロフィブリル形成阻害剤(CMC、Calcoflour,Congo Redなど)やメチルキサンチン類(Caffeine、Tyophylineなど)と比較しても格段に高い収量であることから非常に注目されている。平成6年度には、上記の成果をAcetobacter Xylinum ATCC 10245株のみについて検討したものであることから、その普遍性について検討を行なうことにした。すなわち、セルロース合成能力を有することのわかっている6種の菌株、A.Xylimum IF0 13693、13772、13773、14815、14822、15237を用いてリグニンスルホン酸の添加によるセルロース収量の増加量を測定すると、ATCC 10245と比較して、その増加量は低いものも見られるが、全ての菌株で収量増加が確認された。すなわち、リグニンスルホン酸のバクテリアセルロース生産性の改善効果はかなりの普遍性を有していることが明らかになった。このように、菌株によってその効果に違いがあることから、今後さらにリグニンスルホン酸添加培地の収量をあたえるような菌株のスクリーニングが重要であることが示唆された。これまでの研究では炭素源をグリコールに限っているので、今後はさらに各種の炭素源、例えば、グリセロール、イノシトール、乳酸などの炭素源を用いて炭素源の違いによるリグニンスルホン酸の効果の違い、リグニンスルホン酸以外のリグニンの添加効果などについても検討する必要があることが分かった。昨年度の研究成果に基づいてさらに細かい点を再確認するなどして、次の様な知見を得、最終報告書を作成した。1)リグニンスルホン酸添加培地でのセルロール膜の収量増大効果がその分子量とどのような関係があるかを調べたところ,中程度の高分子フラクションで膜生成効力が最大になることを明らかにした。

2)炭素源の種類、保存菌株の種類によってリグニンスルホン酸のセルロース膜収量増大効果が大きく異なるものの、普遍的に効果が現れることを実験的に実証した。菌株間の差異は、酵素化学あるいは遺伝子構造解析などの手段でより詳しく解明することで、より深くセルロース合成機構が理解され、ひいては工場での環境保全型のセルロース合成条件が明らかにされることが期待される。3)透過型の電子顕微鏡観察の結果、リグニンスルホン酸添加培地でも標準培地におけると同様なリボン状フィブリルが形成されることがわかった。すなわち、正常なフィブリル形成が行なわれながらセルロース膜の収量増大がもたらされていることが確認された。4)今回の研究で用いた菌株、炭素源の組合せのうち、いずれの組合せでもリグニンスルホン酸添加培地で最大セルロース膜収量が得られた。そのうち、最もセルロース収量の大きくなった組合せは、ATCC 10245株を3%グルコース培地でリグニンスルホン酸を添加して培養した場合とIFO 13693株を3%サッカロース培地でリグニンスルホン酸を添加して培養した場合であった。5)今後さらにこれ以上のセルロース膜収量を得るための条件の検索にはこれまでのリグンニンスルホン酸添加による収量増大機構の解明と、新たなセルロース生産性の高い菌株のスクリーニングが重要であることがわかった。
セマフォリン分子による腸管炎症制御機構の解明

セマフォリン分子による自然リンパ球活性制御を介した炎症性腸疾患の発症メカニズムを明らかにし、治療応用を目指すことを本研究の目的とする。本研究では、腸管組織に4型セマフォリン分子が発現し、特に、リンパ球に優位に高発現していて、腸管炎症を制御するとを見出した。in vitroでSema4Aを欠損すると自然リンパ球の炎症性サイトカイン産生が亢進され、DSS誘導性大腸炎の発症はSema4A欠損マウスの方が野生型より増悪した。さらに、CD8陽性T細胞に発現するSema4Aはエフェクター分子の発現を誘導し、リステリア感染崩御に重要な働きをすることが明らかになった。炎症性腸疾患は原因不明の自己免疫疾患である。免疫細胞に発現するセマフォリン分子は免疫反応の様々なphaseを制御する機能を有することが明らかとされ、「自己免疫疾患治療の鍵分子」と呼ばれている。最近、申請者によりセマフォリン分子が腸管免疫恒常性維持に重要な役割をすることが明らかにされている。本研究では、炎症性腸疾患マウスモデルや無菌マウスを用い、セマフォリン分子をターゲットにする過敏性腸疾患および自己免疫疾患の発症制御機構の解明するとともに、セマフォリン分子の機能障害抗体を用いた炎症性腸疾患に対する治療効果をマウスモデルを用いて検討することが本研究の目的とする。最近、様々な炎症性疾患や自己免疫疾患の発症及び増悪に関与することが報告されている炎症性サイトカインIL-17とIL-22を産生する非T細胞が見出され、その細胞がLymphoidtissue inducer-like cell (LTi様細胞)であることが明らかにされた。これまでにLTi様細胞は、リンパ節、腸管パイエル板などの二次リンパ組織の形成に重要な役割を果たしていることが示されている。本研究では、Sema4A欠損マウスは炎症性腸疾患マウスモデルにより発症される大腸炎が野生型マウスより抵抗性を示す知見及びSema4A欠損マウスのパイエル板形成に異常がある知見から着目した。パイエル板形成や炎症反応に重要な細胞である自然リンパ球機能制御に関与するSema4A機能の分子メカニズムを明らかにすることと、マウス大腸炎モデルと用いSema4Aの治療効果の検討を行う。該当年度では、自然リンパ球機能制御するSema4Aの生物学作用機構の解明ため、リンパ球が存在しない、RAG2欠損マウスとSema4A欠損マウスを掛け合わせて、ダブル欠損マウス(DKO)を作製し、炎症性腸炎モデルを行った。その結果、DKOはコントロールマウスと比べ、炎症反応が過剰であることが分かった。炎症性腸疾患の発症メカニズムを明らかにし、治療応用を目指すことを本研究の目的とする。最近、日本でも食事生活が西洋化になり、炎症性腸疾患の患者数が急速に上昇しているが、根本的な治療方法がないため、社会的な問題になっている。セマフォリン分子は神経ガイダンス因子として知られているが、我々の研究室により、セマフォリン分子は免疫細胞に高発現し、免疫反応を制御することが明らかになった。一方、本申請者により、腸管組織にもセマフォリンが発現し、腸管炎症を制御することを発見した。特に、4型セマフォリンSema4Aは大腸組織に発現し、特に自然リンパ球にその発現が認められた。Sema4A欠損自然リンパ球の炎症性サイトカインの産生が亢進された。Sema4A欠損マウスを用いた炎症性大腸炎マウスモデルにおいても野生型より腸炎が亢進した。つまり、炎症性腸疾患の発症に自然リンパ球に発現するSema4Aは炎症を抑制する機能有することを示唆する。最近、日本でも食事生活や食べ物が西洋化になり、ヨーロッパや欧米に患者数が多い国と同様に炎症性腸疾患の患者数が急速に上昇している一方、根本的な治療方法が存在しないため、社会的にも問題になっている。セマフォリン分子は神経ガイダンス因子は神経ガイダンス因子として知られているが、我々の研究室により、セマフォリン分子は免疫細胞に高発現し、免疫応答を制御することが明らかになった。一方、本研究により、腸管組織にもセマフォリン分子が高発現し、腸管炎症を制御することを発見した。特に、4型セマフォリン、Sema4Aは大腸組織に発現し、その中でも、リンパ球に優位に発現することを確認した。in vivo実験においても、Sema4A欠損マウスにDSS投与による腸管炎症を誘導すると野生型より体重の減少及び腸の短縮が亢進するなど、腸炎が増悪する結果が得られた。in vitroにおいても、Sema4A欠損自然リンパ球の炎症性サイトカインの産生は野生型自然リンパ球より亢進していた。さらに、Sema4AはCD8陽性Tリンパ球にも高発現することを発見し、リステリア感染による感染性腸炎モデルにおけるSema4Aの機能解析を行なった結果、Sema4A欠損CD8陽性T細胞は野生型よりCD8陽性T細胞のエーフェクター分子であるgranzyme B, perfolin, FAS-Lのは発現が低下していた結果を得た。これらの結果により、Sema4Aは腸管自然リンパ球およびCD8陽性T細胞の活性を制御により、慢性及び感染性腸炎の発症を制御することを明らかにした。

本研究では、腸管組織に4型セマフォリン分子が発現し、特に、リンパ球に優位に高発現していて、腸管炎症を制御するとを見出した。in vitroでSema4Aを欠損すると自然リンパ球の炎症性サイトカイン産生が亢進され、DSS誘導性大腸炎の発症はSema4A欠損マウスの方が野生型より増悪した。さらに、CD8陽性T細胞に発現するSema4Aはエフェクター分子の発現を誘導し、リステリア感染崩御に重要な働きをすることが明らかになった。若手Bの研究費で実験の消耗品や網羅的な解析が可能になり、実験が順調に進んでるとおもう。基礎医学自然リンパ球の網羅的な遺伝子解析ができて、その結果、いくつが新たな遺伝子が発見された。この遺伝子の欠損あるいはノックダウンして自然リンパ球の活性を制御及び炎症性腸疾患を制御する分子の機能解析を行なう予定である。遺伝的にSema4AとRAG2両方欠損するダブルノックアウトマウス(DKO)を作製した。自然リンパ球はリンパ球欠損マウスに多く存在するので、我々が作成したDKOを用いて自然リンパ球におけるSema4Aの機能解析ができた。Sema4A・RAG2ダブルノックアウトマウス(DKO)を用いた炎症性腸疾患における自然リンパ球機能制御における詳細なSema4A機能解析を行う予定である。具体的には、1.自然リンパ球分化及び活性化過程においてSema4A局在の検討、2、Sema4A機能障害抗体を用いた腸疾患に対する治療効果の検討である。このDKOマウスを用いて、炎症性腸疾患におけるSema4Aの機能解析およびこの疾患に対する治療効果を行い、将来、炎症性腸疾患患者に対する治療応用も検討する。
転写振動を駆動する時計タンパク質の修飾シグナルとその破綻による行動リズム異常

近年、概日時計の分子的な振動機構において、時計タンパク質の多彩な翻訳後修飾が極めて重要な役割を果すことが明らかになり、時空間制御された修飾シグナルと転写リズムの連携が注目を浴びている。私共はこれまで、CLOCKをリン酸化するキナーゼCaMKIIに着目し、個体レベルでの実験を展開してきた。CaMKIIalphaの活性をKR変異により欠失させたノックインマウスは、恒暗条件において一日の活動時間帯が延長し続け、そのあと活動と睡眠を不規則に繰り返すリズム障害を示すことを見出した。本年度は、単一細胞レベルの発光イメージング装置を用い、時計中枢である視交叉上核(SCN)における時計振動を計測した。その結果、CaMKII alphaの活性低下によって、個々のニューロン間のリズム同調が減弱し、左右の神経核のグローバルな同期も崩れることを見出した。以上の成果をまとめた論文はGenes Dev.誌に掲載された。さらに本年度は時計シスエレメントD-boxに着目した研究を推進した。D-boxは夕方に転写因子DBPにより活性化され、明け方にE4BP4により抑制される。これまでの研究で、E4bp4の欠損細胞において培地の酸性化に伴う時計位相のシフトが顕著に減弱することを示した。本年度は、人工的なリガンド依存的にE4BP4タンパク質を誘導する実験系を構築し、細胞リズムの位相がE4BP4の一過的な誘導に伴ってシフトすることを明らかにした。さらに、E4BP4の誘導を伴う生理的なリガンド刺激を探索し、炎症性サイトカインTNF-alphaが概日時計の位相調節において重要な役割を担う可能性を見出した。これと並行し、DBPに対する抗体を自作して定量的なChIP条件を確立した。マウス肝臓より様々な時刻にDBPが結合しているゲノム領域を濃縮してChIP-Seq解析を行い、現在、得られた大規模データをバイオインフォマティックスの手法を活用して解析中である。26年度が最終年度であるため、記入しない。概日時計の分子的なリズム形成機構においては、時空間制御された時計タンパク質の多彩な翻訳後修飾が重要な役割を果している。本研究では、時計遺伝子の転写・翻訳を介した負のフィードバック機構の中心因子であるCLOCKとBMAL1の質的な日周変動の意義を明らかにすることを目指した。この転写・翻訳フィードバック機構にCaイオンの概日変動がいかに組み込まれているかを知るため、カルモジュリンキナーゼCaMKIIに着目した。CaMKIIの阻害剤KN93は培養細胞におけるCLOCKのリン酸化レベルを低下させるとともに、CLOCKとBMAL1との相互作用を減弱させた。この時、一群の時計遺伝子の発現変動を調べた結果、CLOCKの標的遺伝子群のRNAレベルがKN93処理により著しく低下することを見出した。またKN93は、低濃度では細胞リズムを短周期化し、高濃度では細胞リズムを顕著に減弱することを明らかにした。また、共免疫沈降実験においてCaMKIIはCLOCKを含むタンパク質複合体の構成因子であることを見出し、生化学的解析からCaMKIIがCLOCKをリン酸化することを確認した。これら分子解析のデータをもとに、CaMKIIの概日時計における役割を個体レベルで明らかにするため、CaMKII-alphaの活性欠損マウスの輪回し行動リズムを解析した。その結果、行動の開始時刻と停止時刻が互いに徐々にずれて広がってゆき、最終的にはリズム性を失う個体が観察された。興味深いことに、この変異マウスの時計中枢である視交叉上核において、個々の細胞時計は振動しているものの、神経ネットワークに異常が見られ、全体としては相互同調しないリズムを刻むことがわかった。また左右一対のSCNでのリズム位相の解離が見られたことから、CaMKIIはSCNにおけるカップリングに重要な役割を担うことを明らかにした。

マウス肝臓より様々な時刻にDBPが結合しているゲノム領域を濃縮してChIP-Seq解析を行い、現在、得られた大規模データをバイオインフォマティックスの手法を活用して解析中である。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究プロジェクトは、CLOCKをリン酸化する酵素として新たに見出したCaMKIIに焦点を絞り、この修飾シグナルの破綻がもたらすリズム異常の分子的な基盤の解明を目的としてスタートした。生化学的な解析においては、CaMKIIがCLOCKを含むタンパク質複合体の構成因子であり、CLOCKをリン酸化することを確認した。さらに、細胞レベルおよび個体レベルで、CaMKIIが約24時間周期のリズムを刻む上で必須な役割を担うことを明らかにした。驚いたことに、時計中枢である視交叉上核SCNの細胞間カップリングにおいて、CaMKIIはこれまで他の遺伝子で報告されたことがないような新しい機能を持つ可能性を発見した。今後、このCaMKIIの活性変異マウスをモデル生物として脳の高次機能に迫る応用的な研究への展開も期待できる。引き続き、CaMKIIの活性変異マウスを用いた研究を展開するとともに、時計遺伝子E4bp4の欠損マウスを軸に、転写抑制因子E4BP4と拮抗的な作用を持つ転写活性化因子DBPの機能解析を進める。DBPやE4BP4が結合するDNA配列D-boxの機能リズムの制御分子メカニズムと病態との接点に迫る。