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Ｘ線自由電子レーザー（ＸＦＥＬ）により拓かれる新しい科学に関する理論的研究

従来では困難であった、化学反応の追跡、単分子構造解析、新奇物性の発現、の実験ができるX線自由電子レーザー(XFEL)に関して理論的に検討した。XFELの実験においては特徴的に生成される内殻励起・内殻イオン化の情報が重要である。そこで、我々が開発している軌道特定汎関数に基づく密度汎関数理論を用いて、XFELで生成される内殻励起・内殻イオン化を検討し、重要な知見を得た。この検討を通して、現在XFELで検討されている増感太陽電池材料である色素なども検討することが可能になってきた。また、理論計算の結果に基づき、アニリン分子を用いたXFELのパルス幅測定スキームも提案した。X線自由電子レーザー(XFEL)は、これまで実現できなかった、(A)化学反応の追跡、(B)単分子構造解析、(C)新奇物性の発現、を可能にする夢の光である。(B)を実現するためには、パルス幅を制御し、X線損傷が起こる前に回折データを取得する必要がある。そこで、以前XFELの時間幅をフェムト秒オーダーで精密にモニターすることが可能なアニリン分子を用いたパルス幅実験スキームを提案した。今回はさらにそれを発展させる研究を行った。具体的には、XFELのパルス幅の測定に用いる分子としてフェノールなどの新たな芳香族分子の検討を行った。また、それらの分子の多価イオン状態が示す電子物性について議論を行った。アニリン分子の多価イオン化状態において起こる電荷移動型価電子励起エネルギーの可視光領域へのシフトは、フェノール分子などでも確認できた。また、これらの芳香族分子のイオン化状態が、2価から4価になるにつれて、赤方遷移のシフトが大きくなることがわかった。つまり、これらのイオン化状態が、励起エネルギーの吸収ピークのシフトとしてマッピングされことがわかった。これは、今後の分子デバイスとしての応用が期待される電子物性である。また、これまで得られた成果およびこれからの研究方向性についてXFELの実験研究者と打ち合わせも行った。実験スキームの実現に向けて、レーザーの精密な制御が必要なことがわかり、今度も更なる検討が必要なことがわかった。X線自由電子レーザー(XFEL)は、高強度のX線フェムト秒パルスが生成可能ため、X線損傷が起こる前に回折データを取得できる可能性がある。このことは、難結晶性タンパク質・タンパク質単粒子の構造が解析出来ることを意味し、薬剤標的膜タンパク質等の研究で大きな発展が期待される。上述の実験スキームを実用化するためには、XFELの時間幅をフェムト秒オーダーで精密にモニターし、XFEL発生条件を最適化することが求められる。しかし光学領域で使用されているパルス幅測定手法は、X線領域での非線形感受率が極めて小さいため適用が困難である。そこで、我々は内殻イオン化が同一分子に逐次的に起こることに注目したパルス幅計測手法を理論計算から提案した。具体的には、アニリン分子の2価イオン化(N1s-2)状態において、価電子励起吸収帯が可視光帯まで大幅に長波長シフトすることを利用した実験スキームである。さらに、実現可能な実験条件において目的とする光学応答が測定可能かどうか、反応速度論の観点から定量的検討も行った。レート方程式から得られたアニリン分子の中性状態、N1s-1状態およびN1s-2状態の存在確率を検討した。照射した光は、10**12フォトンを有する20 fsに中心を持つガウス型パルスである。光が照射されると、N1s-1がまず生成され、その後N1s-2状態が生成されることがわかった。光の強度が弱くなると、オージェ過程で速やかに存在確率が減っていくことがわかる。基本的に照射されている間のみN1s-2状態の存在確率のピークがあらわれるため、N1s-2状態の存在確率とXFELレーザーのパルス幅が対応することがわかる。このことから、これまで困難であったXFELパルス幅が、N1s-2状態による可視光吸収を測定することで見積もれることを明らかにした。X線自由電子レーザー(XFEL)による、(A)化学反応の追跡、(B)単分子構造解析、(C)新奇物性の発現、の実現可能性を検討するためにはXFELにより生じる電子状態を精度良く記述する必要がある。そこで、XFELで特徴的に生成される内殻励起・内殻イオン化を高精度に記述する手法の検証を行った。波動関数理論は高精度に内殻励起・内殻イオン化を記述可能であるが、計算コストが高く、対象系が大きくなった場合は実行不可能となる。そのため、計算コストが比較的少なく、精度良く内殻励起・内殻イオン化を記述する密度汎関数理論(DFT)の手法を用いた。具体的には、DFTで用いる軌道特定(OS)汎関数において、(i)クーロン演算子を領域毎の分割、(ii)複数軌道の軌道の直線性条件(LCOE)からそれぞれの領域のHF交換項の割合の決定、のスキームを用いて、内殻励起・内殻イオン化の検証を行った。実際に一酸化炭素分子や窒素分子などの分子において数値的に検討を行ったところ、価電子励起・リドベルグ励起状態のみならず内殻励起状態も高精度に記述可能なことがわかった。また、内殻イオン化ポテンシャルエネルギーに関して高精度に記述することがわかった。高強度のXFELの多光子過程により生じる多価イオン化状態に関してもLCOEを適切に課すことで記述が可能なことがわかっている。

以上により、XFELで生じる電子状態を計算する準備が整った。X線自由電子レーザー(XFEL)による、化学反応の追跡、単分子構造解析、新奇物性の発現、の実現可能性を理論的に検討するには、XFELの実験で特徴的に生成される内殻励起・内殻イオン化の現象を定量的に記述する必要がある。我々が開発している軌道特定(OS)汎関数を用いた密度汎関数理論(DFT)において、それらの現象を高精度に記述することができるようになりつつある。実際に、OS汎関数を用いたDFTを小分子に適用したところ、内殻励起エネルギー・内殻イオン化ポテンシャの見積もりなどで良好の結果を得た。以上から化学反応を精度良く追跡可能な手法の開発に成功した。最近、XFELを用いて電荷移動反応ダイナミクスの検討[J. Phys. Chem. Lett 5 (2014) 2753]が行われた。対象は、色素増感太陽電池で用いられる、酸化物半導体ZnOに吸着したルテニウム色素(N3)である。色素の中心金属であるRuの光電子スペクトルの変化を追跡する予定であったが、対象系は色素のみならず酸化物半導体も含んでおり大規模なため、開発した手法では計算コストなどの点から十分な精度の結果得ることが困難であることがわった。今後、計算プログラムへの高速計算アルゴリズムや高効率な並列化アルゴリズムの導入が必要である考えられる。本研究で、XFELを理論的に検討するのに必要な計算手法の開発に成功し、XFELの実験の実現可能性を検討する環境を整えた。従来では困難であった、化学反応の追跡、単分子構造解析、新奇物性の発現、の実験ができるX線自由電子レーザー(XFEL)に関して理論的に検討した。XFELの実験においては特徴的に生成される内殻励起・内殻イオン化の情報が重要である。そこで、我々が開発している軌道特定汎関数に基づく密度汎関数理論を用いて、XFELで生成される内殻励起・内殻イオン化を検討し、重要な知見を得た。この検討を通して、現在XFELで検討されている増感太陽電池材料である色素なども検討することが可能になってきた。また、理論計算の結果に基づき、アニリン分子を用いたXFELのパルス幅測定スキームも提案した。本研究の課題である、(A)化学反応の追跡、(B)単分子構造解析、(C)新奇物性の発現、において重要となるサンプル損傷を防ぐため、新しいパルス幅の測定手法の提案行い、XFELの制御へ向けて進捗があった。また、XFELで生じる電子状態を高精度に記述する計算手法も確立し、(A-C)の現象を検討する準備はできた。今後は、(A-C)に関する具体的な現象の検討に全力で取り組む。理論化学(A)化学反応の追跡、(B)単分子構造解析、(C)新奇物性の発現、の具体的な現象の検討をすすめる。そのため、理化学研究所の実験研究者と蜜に連絡を取り合い研究を速やかに遂行する。また、情報収集を図るため積極的に学会も出席する予定である。更に、検証を行うためのプログラムの整備も積極的に行う。本研究の主なトピックである、(A)化学反応の追跡、(B)単分子構造解析、(C)新奇物性の発現、の中で(B)、(C)に関する研究を主に遂行してきた。
プラズマジェットによる水素成層燃焼の基礎研究

プラズマジェット点火は高エネルギー密度の噴流による点火方法であり,広範な領域を少ない遅れ時間で発火させることができる.本研究では,プラズマジェット点火方式を,水素を燃料とする直接噴射式火花点火機関に適用し,高効率安定燃焼を実現するための基礎的研究を行った.この目的達成のため,プラズマジェット点火源の特性を調べる研究と水素噴流の燃焼特性に及ぼす点火位置・時期の影響を調べる研究を行って,流動系へのプラズマジェット点火の適用について検討した.プラズマジェット点火源については,燃焼系への適合性を明らかにするため点火源構造,燃焼室形状,供給エネルギー量の影響を詳細に調査してつぎのような特徴を明らかにした.1)噴流の早さ,方向,エネルギーなどの制御により最適化をはかる自由度が大きい点火方式である.2)初期火炎形成が迅速であるため発火時期制御が容易である.3)壁面から離れたところで点火できるなど,電極露出型点火栓と大きく異なる特性を備えている.直接噴射式成層燃焼方式では,燃料噴流の混合過程と点火位置・時期の関係が重要であり,エンジン燃焼室を模した旋回流場での噴流挙動と燃焼特性を調査した.その結果,噴口径が小さい場合には希釈が速いため,噴口に近い位置で早期に点火し拡散燃焼形態とすることが有利であり,一方噴口径が大きい場合には噴口から離れた位置で適当な時間遅れで点火する方が最高燃焼圧力を得るが,希釈進行による燃焼効率低下は避け難い.最適点火位置と濃度の関係を明らかにするため低温度熱戦方式の濃度ブローブによる測定を行って噴流境界部での希釈進行過程を明らかにし,最適点火位置と時期は,燃焼不能となる希薄域が形成される以前に,燃料が分布する領域全域での火災形成を可能にする選定が必要であることを明らかにした.今後この点火方式を実用機関に適用し,水素噴射成層機関の実用化試験を実施したい.プラズマジェット点火は高エネルギー密度の噴流による点火方法であり,広範な領域を少ない遅れ時間で発火させることができる.本研究では,プラズマジェット点火方式を,水素を燃料とする直接噴射式火花点火機関に適用し,高効率安定燃焼を実現するための基礎的研究を行った.この目的達成のため,プラズマジェット点火源の特性を調べる研究と水素噴流の燃焼特性に及ぼす点火位置・時期の影響を調べる研究を行って,流動系へのプラズマジェット点火の適用について検討した.プラズマジェット点火源については,燃焼系への適合性を明らかにするため点火源構造,燃焼室形状,供給エネルギー量の影響を詳細に調査してつぎのような特徴を明らかにした.1)噴流の早さ,方向,エネルギーなどの制御により最適化をはかる自由度が大きい点火方式である.2)初期火炎形成が迅速であるため発火時期制御が容易である.3)壁面から離れたところで点火できるなど,電極露出型点火栓と大きく異なる特性を備えている.直接噴射式成層燃焼方式では,燃料噴流の混合過程と点火位置・時期の関係が重要であり,エンジン燃焼室を模した旋回流場での噴流挙動と燃焼特性を調査した.その結果,噴口径が小さい場合には希釈が速いため,噴口に近い位置で早期に点火し拡散燃焼形態とすることが有利であり,一方噴口径が大きい場合には噴口から離れた位置で適当な時間遅れで点火する方が最高燃焼圧力を得るが,希釈進行による燃焼効率低下は避け難い.最適点火位置と濃度の関係を明らかにするため低温度熱戦方式の濃度ブローブによる測定を行って噴流境界部での希釈進行過程を明らかにし,最適点火位置と時期は,燃焼不能となる希薄域が形成される以前に,燃料が分布する領域全域での火災形成を可能にする選定が必要であることを明らかにした.今後この点火方式を実用機関に適用し,水素噴射成層機関の実用化試験を実施したい.気流中に噴射された水素噴流の発火及び燃焼特性を、噴射及び流動条件との関係で調査すると同時にプラズマジェット点火源の特性について検討した。気流中に噴射した水素噴流の光学的観測により幾何学的な噴流形状の相似条件を求め、噴流への点火時期及び点火位置の検討を行って、燃焼時間短縮及び燃焼効率向上のための最適条件を調べた。水素の場合、着火性がよく、またかなりの過濃混合気でも着火できるので、点火そのものは位置や時期によらず比較的容易であるが、噴流の希薄化が速いため、噴口直径の影響を大きく受けて燃焼特性が変化することが判った。すなわち、小口径の場合には噴流直後での早期点火が有効で高燃焼効率が得られるが、大口径の場合には燃焼高率については同傾向であるものの、噴流内部への空気導入の遅れのため、一定形状の燃焼室での燃焼特性が大きく変化する。また火炎噴流形状と壁面相互の関係で熱損失が大きく支配され、高燃焼効率と最高圧力達成度が必ずしも同じ関係ではなく、最適燃焼に関しては、幾何学的形状の相似条件などおさえるべき他の因子の影響も大きいことが判った。プラズマジェット点火源については、その構造と付加エネルギーについて検討し、初期の燃焼促進作用は初期火炎域を格段に拡大すると同時に火炎成長遅れを著しく短縮する効果すなわち初期火炎形成が速いということは、希薄化の速い水素噴流の燃焼制御に適していることが明らかになった。また、プラズマジェットの初期燃焼促進効果について定量的検討を加え、プラズマジェット形成部分の寸法と付加エネルギーに依存した一定の関係を見出した。燃料噴流の拡散過程の影響を調べるため、小容器でも過薄域が実現できるメタン噴流についてもその燃焼特性を調べ水素
大都市の地下環境の変質過程の解明

本年度は、申請書の計画通り、前年度までの成果発表と引き続き各大都市での調査を行った。本年度行った成果発表の内容は(1)5月19日24日に開催された地球惑星合同大会での発表、(2)イタリアで7月7日13日に開催されたIUGG国際学会での発表、(3)国際雑誌Science of Total Environmentへの論文投稿となっている。いずれも早い段階で解析が終了したソウルにおける内容で発表を行った。国際雑誌は査読を終え、現在掲載待ちの段階に至っている。また、これらと関係してインドネシア・バリで開催された国際プロジェクト会議において本研究の全体構想とこれまでの結果に関する発表を行った。一方、海外野外調査では、これも申請書の計画通り、地下水に加え、比較の為の地表環境水(降水、河川水)、人間活動と関わりのある水(水道水、生活用水、生活排水、工業排水、農業廃水)、地質構成物質、沿岸堆積物の試料の採取を行った。特にインドネシアのジャカルタ市においては、精密な調査を行い、充実した成果を挙げることができた。持ち帰った試料の処理(粉砕、洗浄、ろ過、酸添加、カラム実験による元素抽出など)は実験補助の手を貸していただき、研究遂行上の効率化を図った。その成果もあり、現在までに同位体比の測定を終了し、解析、論文執筆を行っている。また、台湾大学のSu博士と共同で沿岸堆積物コアの年代をPb210法を用いて決定し、各大都市の汚染史の再構築に取り組んでいる。本研究は近年問題とされながらも明らかとされていない、大都市の地下環境変化メカニズムを解明することを大きな目的としている。世界の人口の半分以上が集中するアジア沿岸の大都市を対象地域としており、具体的にはソウル、大阪、マニラ、バンコク、ジャカルタ、台北の六都市を調査地域として計画している。現在の地下環境の『質』が人間活動による付加が無い状態からどのように変化してきたかを明らかするため、上記大都市地下の地質構成物質と地下水試料を採取し、マルチ同位体(H, C, N, 0, Sr, Nd, Pb)および地球化学的データの分析・収集を通して研究を進めている。初年度である18年度は、マニラ、バンコク、大阪、ジャカルタ、台北での調査を精力的に行い、主要元素分析、微量元素分析、マルチ同位体比の測定がほぼ全て完了した。試料自体非常に貴重であるだけでなく、一つの試料に対してこれほどまでの同位体比がセットで測定・解析されることは世界でもあまり見ない。したがって、一年という短期間にもかかわらず、非常に大きな成果が得られたと確信している。解析、論文化までには少し時間がかかるが、以前からデータを収集していたソウル市に関しては、過去の研究をコンパイルしたものに新たなマルチ同位体比のデータを加え、19年度にはこれに関する三つの発表をすでにエントリー中である(国内学会1、国際学会1、国際誌投稿1)。研究をこれほどまで大規模に拡大できている理由の一つに、現在地球研で推進している大型プロジェクト『アジアの大都市地下に与える人間活動の影響』と行動を共にし、様々な情報交換を行っていることが大きい。プロジェクト内の研究者および各国の研究者とうまく連携をとりながらアジア全体の研究交流が活発化していることも研究の成果といえよう。
ライム病の疫学的・病因論的研究

神奈川県西丹沢地方のチマダニ属のライム病菌による汚染の有無を調べた結果、すべて陰性であった。また、自然界のシュルツェマダニ未吸着幼虫にも菌による汚染は認められなかった。したがって、日本では、チマダニ属はライム病の人への伝播に関与せず、ライム病菌の経卵巣感染を考慮する必要もないことが分かった。長野県のシュルツェマダニが保有する病原菌の遺伝種を確かめた。これにより、自然界におけるボレリアの循環と人から分離されるボレリアの媒介者を推定する基盤ができた。小哺乳類の保有するボレリアの検索を現在続行中である。シュリツェマダニ由来のボレリアに病原性のあることは広く知られているが、長野県の一部の地域に生息するヤマトダニ由来株にも、マウスやスナネズミに対して弱い病原性があることを確かめた。他の地域で全く知られていない現象である。ヤマトダニ由来株による人のライム病の確実な記録がこれまでないので、有毒株の分布域で注意深く患者を発見して病原菌を分離する作業が必要になった。3年間にわたって長野県下の臨床医にライム病通信を配布し、本症発症の前提となるマダニ咬症の紹介を依頼してきた。その結果、1992-1994年の間に145例の咬症が捉えられ、そのうちの20例がライム病を発症したものと臨床的診断が下された。最近の症例は北海道より、長野県に多いものと考えられた。全症例とも症状は軽く、遊走性紅斑が主徴であり、神経症状を呈した者は1例に過ぎなかった。本研究で得られた知見と既報のそれとに基づいて、本邦のマダニ咬症とライム病の特徴について考察を加え、今後の研究課題を明示することができた。すなわち、シュルツェマダニの分布域外のライム病様疾患の病名をどう定めるか、隠されたライム病をどのように探し出していくかという2点である。日本のライム病の病態を知るために、まず患者の発見に努めた。そのために、県下の全医師会員の約1/3にライム通信を3回、マダニ類の多い時期発送して診断の助けとし、疑わしい患者の通報をお願いした。その結果、遊走性紅斑を呈する確実な患者が3名見付かり、その2例で病原スピロヘータの分離培養に成功したので、株を保存した。医師の関心を高める以上の方法は有効と考えられたので、来シーズンに配布範囲を拡げることを計画し、今年度内に配布資料1,000部をカラー印刷して準備した。日本産スピロヘータの病原性を確かめるために、これまでにシュルツエマダニとヤマトマダニから分離されたそれぞれ3株と2株、前述の患者由来1株、欧米の各1株の合計8株を増殖させ、3週令のC3H/HeJ♂マウスの腹腔に10^<67>オーダーの菌数で接種し、肉眼的症状発現の有無を観察しながら30日の経過を持って剖検した。可視的な病変は認められなかったので、病理組織学的な検索にまわし、組織標本作製と病変組織のスクリーニングを病理学系大学院生に依頼した。病理学専攻研究者と検討した結果、シュルツエマダニ由来株の1部が腎および関節に、またヤマトマダニ由来株が腎に軽度の病変を惹起することを確認した。両種由来株が心、肝に軽度の病変を起こした例が観察されたが、スピロヘータに起因するものであるとする確証はなかった。

このマウスの系では大きな病変を観察しにくいことが判ったので、現在ヌードマウス、スナネズミを使って同様の調査を実施中である。以上の他、マダニ類の生息補充調査を美ヶ原山系で実施し、シュルツエマダニが年2峰性の季節消長をすることを確かめたので報告した。また、鹿の生息数の多い神奈川県山北町(西丹沢)で3回採集を実施し、ダニ類がチマダニ類だけで占められること、ヒゲナガチマダニを主体とする鹿寄生のチマダニ類はスピロヘータを保有していないことを確認した。カラー印刷のライム病情報に簡単なマダニ咬症に関するアンケート用紙を添付して長野県下の全医師会員に配布し、第一線の臨床家のライム病への関心を喚起した。その結果、1993年中に咬症の報告が44例、血清抗体検査の依頼が24例あり、ともに前年と比較して急増した。慢性遊走性紅斑発症例が5例あり、その3年間の累計は10となった。また、血性抗体陽性でライム病と診断された者が2例あった。今後、アンケートの様式を改良して、同様な調査を継続する。ライム病菌の経卵巣感染の有無を調べるために、野外で採集した200匹余りのシュルツェマダニの未吸着幼虫の消化管を間接蛍光抗体法で検査したところ、すべて陰性であった。この結果に基づいて経卵巣感染は無いもの判断し、調査を修了した。県下のシュルツェマダニがもつライム病菌の遺伝子型による型わけをするために、上高地と美ケ原で多数の成虫を採り、調査を続けている。ライム病菌の病原性に関する前年度の調査を引き継いで、残っていた病理学的な検討を専門家に依頼して完了した。その結果、シュルツェマダニ由来株とヤマトマダニ由来株の一部に関節炎を起こすものがあることが分かった。後者は初めて確認された事例であったので、その病原性株の採れた聖高原とそれに近い明科町および松本市郊外の3地点でヤマトマダニを採集してライム病菌を分離し、合計10株を4週齢スナネズミの腹腔に接種して再度病原性を確かめた。現在この実験を修了した段階であるが、肉眼的には聖高原と明科町の株が関節炎を起こし、松本市の株には病原性がないようにみえた。また、陽性対象として使用したシュルツェマダニ由来株に比べてヤマトマダニ由来株に惹起される関節炎は明らかに軽症であるらしいことも分かった。得られた検体の病理学的検討を来年度おこない、病原性株の決定とその分布を確定する予定である。前年度から引き継がれた、ヤマトマダニ由来ボレリア株接種スナネズミ臓器の病理組織学的検索をおこなった。その結果、肉眼的に関節炎が観察されていた個体では病理学的にも炎症像が認められ、そうでない個体には炎症像は皆無であった。また、これまで観察から漏れていた皮膚炎が、一部の個体で観察された。関節炎、皮膚炎とも聖高原株接種群に頻発し、松本株接種群にはそれが殆ど全く生じなかった。かくて、当初のヤマトマダニ由来有毒株の地理的分布に偏りがあるとする想定が実証された。1995年6月69日と10月2628日に美ケ原三城で小哺乳類を捕獲し、耳介、心臓、脾臓、膀胱を培養に付してボレリアの分離をおこなった。6月に65匹、10月に72匹を培養に供して多数のボレリア株を分離し、6月分については分離株のリボタイプを決定したっが、10月分については未だそれを終えていない。この段階で言えることは、北海道とは異なって、長野県ではボレリアの自然界における循環に中・大型動物が相当大きな役割を果たしている可能性が大きいということである。前2年度と同様に県下全域の臨床医にライム病とマダニ咬症に関する情報を提供し、症例の収集に努めた。その結果、マダニ咬症82例とライム病10症例を把握して考察を加え、来年度の情報としてまとめた。
尿路病原性大腸菌に対する異所性肺コレクチンの生体防御機能の分子基盤解明

今年度は、肺コレクチン(SP-AおよびSP-D)の大腸菌に対する増殖抑制活性が、異なる種類の緩衝液中でどのように変化するのかを詳細に解析した。また、SP-Aのコラーゲン様ドメインとSP-Dの糖鎖認識ドメインを組み合わせたキメラタンパク質を用いて、増殖抑制活性と構造の機能相関を解析した。その結果、カルシウムイオンを含む緩衝液中では、コレクチンが十字架様構造をとっていることが増殖抑制活性に必須であることが明らかとなった。一方、カルシウムイオンを含まない緩衝液中では、コレクチンが花束様構造をとっていることが必須であった。いずれの緩衝液中でも、コレクチンの糖鎖認識ドメインの種類は結果に影響しなかった。これらの結果は、緩衝液の組成が異なることでコレクチンが大腸菌へ結合できなくなることに起因する可能性がある。そこで、大腸菌とコレクチンをそれぞれの緩衝液中で混合した後、大腸菌を遠心により回収して、結合したコレクチンをウエスタンブロッティングにより検出した。その結果、SP-A、SP-D、キメラタンパク質の全てが、いずれの緩衝液中でも大腸菌に結合していた。ここまでの結果から、コレクチンの大腸菌に対する増殖抑制活性には、コレクチンの結合特異性よりもオリゴマー構造が重要であると考えられる。そこで、SP-A(花束構造)、SP-D(十字架構造)、キメラタンパク質(花束構造)を混合した場合にどのような効果が得られるのかを解析してみると、予想通り、キメラタンパク質はSP-Aと相加的にはたらいたが、SP-Dの効果は抑制した。今年度の解析から、大腸菌に対するコレクチンの構造機能相関をこれまでよりも詳細に明らかにできた。コレクチンの構造機能相関の解析は当初計画通りに進んでいるが、SP-AとSP-Dの相乗効果の解析や、膀胱上皮への結合実験に着手できなかったため。次年度はコレクチンに相乗効果があるのかを重点的に解析する。現在のところ、研究計画を大幅に変更しなくてはならない結果は得られていないので、当初研究計画に沿って研究を遂行する。本年度は、次年度以降の研究に必要な肺コレクチン(SP-AおよびSP-D)、SP-AとSP-Dのドメイン構造を入れ替えたキメラタンパク質の発現・精製に取り組み、充分な量が準備できた。また、これらのタンパク質を用いて、尿路病原性大腸菌に対する増殖抑制能と凝集能を測定した。各タンパク質はこれまでの研究結果から予想された通り、十字架様構造をとっている場合には強い凝集活性を示し、花束様構造をとっている場合には増殖抑制活性を示した。しかしながら、解析用緩衝液の組成が実験結果に想定以上の影響を及ぼすことが明らかとなった。とくに増殖抑制能を解析する場合にはタンパク質と緩衝液の組み合わせによって結果が大きく異なる。このような結果の差には、おそらく溶液のイオン強度が関係していると考えられるが、これらの情報は肺コレクチンの構造機能相関を明らかにしていくうえでも重要な情報となる可能性がある。一方、今後の研究において全ての実験を複数の緩衝液で行うのは現実的ではないので、解析条件についてさらなる検討を進めて適切な条件設定を行なう必要がある。当初計画では、尿路病原性大腸菌の表面に存在する肺コレクチンのリガンドを本年度中に単離する予定であったが、技術的な問題からリガンドの単離には至らなかった。研究実施計画の「当初計画通りに進まない時の対応」として記載した内容に沿って単離までの方法を再検討し、次年度以降も単離を試みる。研究に用いるリコンビナントタンパク質の準備は順調に進行し、当初計画では次年度以降に予定されていた構造機能相関の予備実験まで完了できたという点では順調に進行している。一方、肺コレクチンのリガンドの単離に関する計画は完了できなかった。したがって、全体としてはやや遅れていると判断した。

コレクチンの構造機能相関の解析は当初計画通りに進んでいるが、SP-AとSP-Dの相乗効果の解析や、膀胱上皮への結合実験に着手できなかったため。次年度以降は、野生型タンパク質、キメラタンパク質を用いて、尿路病原性大腸菌に対する肺コレクチンの生体防御機能を測定し、肺コレクチンの構造が機能にどのような影響を及ぼすのかを明らかにしていく。また、増殖抑制能や凝集能に関して、SP-AとSP-Dに相乗効果があるのかどうかを明らかにしていく。次年度はコレクチンに相乗効果があるのかを重点的に解析する。現在のところ、研究計画を大幅に変更しなくてはならない結果は得られていないので、当初研究計画に沿って研究を遂行する。肺コレクチンのリガンド単離を完了できなかったことから、構造決定などに必要になると予想していた予算を使用しなかった。実験方法を変えてリガンド単離を試みるため、それらの実験に必要な試薬類を購入するための予算、また単離できた場合に構造決定を行なうための予算として使用する。翌年度分として請求した助成金分については、当初計画の通りに使用する。昨年度までに準備していた組換タンパク質の収量が想定以上だったために、今年度はタンパク質の発現・精製に助成金を使用する必要がなかった。また、昨年度に予想外の結果が得られたことを受けて、コレクチンの構造機能相関の解析を詳細に行なった。これらの解析は既存の消耗品等で遂行可能であった。一方、当初計画では今年度から着手するはずであった膀胱上皮との結合解析、コレクチンの相乗効果の解析など、新規実験系を使用する実験に着手できなかった。本年度の未使用分は、これら着手が遅れた実験系の構築に使用する。また、今年度の解析に想定以上の組換えタンパク質を使用したため、新たに組換えタンパク質を発現・精製する必要があるため、それらに必要な試薬や消耗品の購入にも使用する。
選択的オートファジーの新規基質の網羅的探索

本研究は、選択的オートファジーの新規の基質を同定することを通して選択的オートファジーの生理的意義を解明することを目的としている。オートファジーは飢餓で誘導され、エネルギー供給のために細胞質成分を非選択的に分解するバルク分解系と考えられてきたが、特定のタンパク質や細胞内小器官が選択的にオートファジーで分解されることが知られてきた。この選択的オートファジーにより細胞内恒常性が維持されている。新規の選択的基質を同定することは選択的オートファジーの理解を深める上で重要である。今回、我々は選択的基質がオートファゴソーム膜上のタンパク質であるLC3とLC3結合部位依存的に結合する性質に着目し、LC3結合部位認識不全体と野生型の結合差分解析を行い、新規の小胞体オートファジーのレセプターTEX264を同定した。TEX264は小胞体膜タンパク質で、飢餓でオートファゴソーム上に誘導されオートファジーによる分解を受けていた。小胞体オートファジーの活性測定のためのレポーターを作製し、TEX264のノックアウト細胞では小胞体オートファジーが顕著に抑制されることから、TEX264が小胞体をオートファゴソーム上に誘導し分解する小胞体オートファジーの新規レセプターであることが分かった。既に報告されている小胞体オートファジーレセプターとの機能や生体内での発現量を比較することで、TEX264が最も効率よくLC3やそのホモログと結合し、生体内でユビキタスに発現する主要な小胞体オートファジーレセプターであることを示した。小胞体の表面にはリボソームが存在するために、小胞体とオートファゴソームの間に大きな隙間がある。しかし、TEX264は自身がもつ長く柔軟な天然変性領域を利用して小胞体とオートファゴソームの膜を繋留していることを明らかにした。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。新規の選択的基質を同定することは選択的オートファジーの理解を深める。選択的基質がオートファゴソーム膜上のタンパク質であるLC3とLC3結合部位依存的に結合する性質に着目し、これまでにLC3結合部位認識不全体と野生型の結合差分解析を行い、新規の選択的基質を同定することに成功している。新規基質は小胞体膜タンパク質であり、飢餓時にオートファジー依存的にリソソームで分解され、オートファジー欠損組織で蓄積することを明らかにしている。新規基質は小胞体タンパク質でLC3結合部位を有しオートファゴソーム上へ誘導されることから、オートファジーによる小胞体分解との関連を検証した。新規選択的基質の発現抑制により小胞体分解は抑制された。また、既に報告されている小胞体分解を介在するアダプターに加えて新規基質の発現抑制を行うと、完全に小胞体分解が阻害された。このことから新規基質は小胞体分解を介在するアダプター機能を担っていることが分かった。現在、新規基質の個体内でのオートファジー分解の生理的意義を解明するべく動物モデルを作製しており、今後はこの解析を予定している。現在までにスクリーニングが終了し、新規の選択的基質を同定することに成功している。また、この基質のオートファジー分解における意義も明らかにすることができている。このことは当初の計画書通りのペースで進んでいることから、本研究はおおむね順調に進展していると思われる。

しかし、TEX264は自身がもつ長く柔軟な天然変性領域を利用して小胞体とオートファゴソームの膜を繋留していることを明らかにした。2017年度に同定した新規基質がオートファジーによる小胞体分解を介在するアダプターであることが分かった。既に報告されている他の小胞体分解アダプターが介在する小胞体分解と新規基質の介在する小胞体分解が細胞内でどのように作用しているのかを各アダプタータンパク質のノックアウト細胞を作製し、その表現型を比較することで解析する。また、新規基質が介在する小胞体分解が、個体内でどのような生理的意義を有するのかを検証するために動物モデルを用いて解析を行う予定である。既にマウスモデルの作製は成功しており、全組織の観察を予定している。更に、新規基質の細胞内動態の詳細な解析を生細胞観察を用いて行い、得られたデータをまとめ論文投稿を行う予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
省エネルギーと輸送品質とを考慮した鉄道システムの知的リアルタイム制御技術

低環境負荷で安全な鉄道システムでは,省エネとサービスのバランスを保ちつつ双方の向上を図る技術的方法論はまだ手探りの状態で,特に我が国では有能な「プロ」のスキルへの依存からの脱却が遅れている。本研究課題では,物理現象を良く理解した機電系と人工知能を新たに制御に取り入れる情報系とが協調し,鉄道システムの省エネ及びサービス(所要時間と定時性)を高いレベルで実現する方法論を構築する。さらに,輸送力や電力デマンドに対するフレキシビリティを確保する将来の鉄道システムの提案をも目指す。研究者それぞれの専門分野を生かし,3年間で車両や電力機器の制御のほか,運転やダイヤなどサービス面の検討も行う。
日本中世の都市における「法」と社会構造

日本中世都市における都市法の不在は、宗教や文化と密接に結びついたネットワークや、先例の恣意的な利用によって代替された。近世化の過程で、中世的な秩序はゆるやかな衰退ではなく過剰な利用によって機能不全を起こした。本年度は、中世都市奈良が、室町期を通した中央との緊張関係を背景に、法・規範の正当性根拠をどこに求めたかを、史料にもとついて検討した。論文「都市法の内と外-中世奈良の都市賦課をめぐって」(共編『法の流通』慈学社こ2009)においては、都市という多元的な権力の利害関係が交錯する場に対して、当事者となる諸権力が、個別の特権や先例などの法規範を、具体的な紛争における調整として活発に用いること、但し彼らの法規範は個別の人的パトロネージ関係にもとづくものであり、都市全体を規律す性格をもたないこと、都市全体を規律する規範としては、具体的な支配を及ぼさない外部の権力である室町幕府の、当該事態とは直接関係しない内容の法が掲げられることを明らかにした。この成果は、中世都市における特権や先例が次第に衰退をたどるとする見方への新たな論点提示である。また、室町幕府の発する法や規範を、社会の諸権力が、実体を伴わないがゆえに積極的に受容したという点で、末期室町幕府権力論への提言ともなろう。またこの共編著『法の流通』においては、私は編者を務め、法制史学会60周年記念事業として、比較史という草創期の方法論と、最新の隣接諸分野からの研究成果とを活かすという方針を掲げて取り組んだ。なお、2010年5月の法制史学会62回総会において、『法の流通』に対する合評会を企画し、評者の選定や趣旨説明を担当している。また、比較都市文化研究会において、西洋中世都市論の第一線の研究者である河原温氏の最新の著書『都市の創造力』(岩波書店、2009年)に対し、日本史・中国史・西洋史の研究者とともに、書評・検討を行った。この企画では、私は法制史という立場から、各分野の方法論および研究成果に学んだ上で、理論面からのアプローチを行い、都市という枠組み、とりわけ法圏という枠組みが、西洋都市では明確に設定されており、日本都市では非常に曖昧なまま、それを補完する秩序維持がはかられているということを示した。この成果は、さらに具体的事例に則して検討を深め『都市文化研究』12号に「『文化としての都市』の比較に寄せて」と題して寄稿した。いずれの成果も、翌年度以降の研究の基盤となるものである。本年度は、(1)都市権力と宗教・文化に焦点をあてて研究を行い、(2)その成果を踏まえ、都市の宗教・文化が、日本中世都市の法制度や権力構造に、どのように反映されるかを研究した。この観点のもとに、学際的な学会・研究会活動を積極的に行った。(1)について、論文「室町期の大織冠破裂」(『法学論叢』167-3、2010)によって、多様な表出形態をとる「神仏の怒り」を通して、宗教権力が自らの存在価値を主張し、国家権力がそれを収拾することで社会の危機管理を行うという、前近代社会の相互依存的な宗教的システムを、中世末期の具体的な政治過程に即して検討し、国家と首都の関係が背景にあること、単線的な宗教性の衰退ではなく法的・イデオロギー的混乱と濫用がみられることを指摘した。宗教的法理は日本中世社会の賦課・流通・訴訟にも強い影響を及ぼしており、この成果は日本中世史全体への課題提起となる。学会・研究会活動でもこの観点を活かし、編者を務めた法制史学会60周年記念若手論文集『法の流通』について、法制史学会第62回大会において、合評会を企画・主導し、学際的な観点からの議論を図った。また、宗教・文化・権力の関係をテーマとする学際的研究会「東アジア怪異学会」で研究会委員を務め、共著『怪異学の可能性』(2009年3月刊、角川書店)の学際的書評会を2010年7月に開催し、都市権力と文化の観点から、美術史・国文学と対話するシンポジウムを2011年1月に開催した。(2)については、法制史学会近畿部会・関西比較中世都市研究会や大阪歴史学会中世史部会例会での報告において、都市を統合・維持するための、「公共性」イデオロギー・「法圏」の設定について、比較史の観点をふまえて多角的な検討を加えた。これらは次年度の基盤となる。本年度は、最終年度として、(1)日本中世都市の権力の顕著な特徴である分権性について具体的に考察するために、そのネットワークやコミュニケーションに焦点をあてて研究を行った。西洋中世史において、分権的な社会における紛争や裁判を、権利関係を一律の基準を適用して確定させるものではなく、それを通じて社会の価値観や紐帯をさらに深める「コミュニケーション」ととらえる研究が進んでいるが、日本中世都市史においても、治安や商業をめぐる、一見無軌道にみえる紛争やその解決を、実情に即してとらえるために、非常に重要な論点であるといえる。(2)さらにその成果を踏まえ、日本中世都市の法制度や権力構造が、一律の基準のもとに支配される近世の都市構造へと、いかに変遷するかについても研究した。

この観点のもとに、学際的な学会・研究会活動を積極的に行った。本年度の成果としては、共編著『怪異学入門』(東アジア怪異学会編岩田書院、2012年4月刊行)に掲載した論文「古記録と怪異」によって、都市のメディアのあり方と、支配権力の盛衰との関連性を俯瞰した。また本書は、公開講座等のテキストなど、社会全体の発信をも予定しつつ編集に携わった。さらに、同会のシンポジウム「占いと予言」においては「中世末期の都市と二つの凶兆」という報告を行い、都市の公共機能をめぐる権力と社会の心性史について、総合的な検討を行った。これは本研究全体の課題の総括的な内容であり、現在論文を執筆中である。また、比較都市史研究会にて「中世奈良における商業紛争と権力」という報告を行い、商業紛争およびその解決について、「コミュニケーション」の観点を生かしつつ検討した。これまで権力から都市民に対する保守性が強調されていた商業紛争とその解決を、権力間の秩序の問題としてとらえることにより、都市と商業の相互関係およびそのコントロールを、今後の課題として提示した。これも現在論文を執筆中である。
超流動ヘリウム回転流をつくる超伝導モーターの開発

本研究では、超流動ヘリウムで回転するモーター開発に向けて、以下の成果を得た。1我々は回転子分離型のブラシレスモーターを採用した。このモーターは回転子の位置検出器を必要とする。複数の回転位置検出器を検討し、駆動コイルの誘導電圧による検出法が適していることを示した。2我々は-203°C(絶対温度70K)までの低温でモーターの回転駆動に成功したが、これ以下の温度でモーターは作動しなかった。3低温で回転損失が発生し、その原因はコイル磁芯材料の磁気ヒステリシスにあることが分かった。4超流動ヘリウムにおいて動く物体が受ける抗力を調べ、100 mm/s以上の速度で超流動に渦が発生することがわかった。本研究では、超流動ヘリウム中で動く超伝導モーターを開発する。最近の我々の研究から、粘性のない超流動ヘリウムでも、量子渦を付着させた物体を動かすことで超流動の流れをつくることがわかってきた。このアイデアをもとに、量子渦を付着させた物体を回転し、超流動ヘリウムに回転流を誘起するためのモーターを開発する。1.超伝導モーターに、摩擦による発熱が小さく、また摩耗が少ないブラシレスモーターを採用した。モーター駆動には回転を検出するセンサーを必要とするが、回転制御が容易に行える利点がある。2.モーター各部の低温特性。1ホールセンサーによる位置検出は、低温でホール電圧特性が著しく変化するため、使用できないことが分かった。2通常のベアリングはグリースが低温で固化するため、回転しない。しかし固体微粒子を利用する低温用ベアリングは、低温でも回転することを確認した。3モーターコイルのフェライトについて磁場ー磁化測定を行い、室温では磁気ヒステリシスがほとんど無いが、低温ではヒステリシスの発生を認めた。3.誘導起電圧を回転検出に用いる回転制御法を開発した。これにより温度を下げながらモーターを駆動したところ、-200°C(絶対温度73K)まで回転制御に成功した。しかしこれ以下の温度では、モーターを駆動できなかった。4.問題点と液体ヘリウム中で回転させるための解決策モーターが回転する低温(-178°C)と室温での回転特性を比較し、低温では回転損失が発生していることが分かった。原因としてベアリングでの回転損失とフェライトでのヒステリシス損失が考えられる。駆動電流と回転損失の測定から、ベアリングでの損失は室温とほぼ変わらないのに対して、フェライトでの損失が低温で増加していることがわかった。低温でもヒステリシスの発生しないフェライトを選ぶことで、液体ヘリウム中でも回転損失の少ないモーターを実現することが可能となる。このアイデアをもとに、量子渦を付着させた物体を回転し、超流動ヘリウムに回転流を誘起するためのモーター開発を目的とする。本年度の主な研究実績は以下のとおりである。モーター駆動には回転を検出するセンサーを必要とし、駆動制御回路も複雑になるが、回転の制御が容易に行える利点がある。2.ブラシレスモーターを低温で回転させるために、回転を検出する磁気センサー(ホール素子)、回転軸をサポートするベアリング、コイル内のフェライトについて、低温での性能を調べた。磁気センサーは、著しく性能が落ちることを明らかにした。これはホール素子の磁気検出性能が温度変化に影響を受けやすいためである。代替手段として、モーター駆動コイルに回転によって誘導される起電圧を利用する方法や、回転検出をせずにモーターを駆動する方法の検討をおこなった。前者の誘導起電圧による回転検出は原理的に温度の影響を受けない方法である。また通常のベアリングは低温で回転できないが、低温用ベアリングに換えると回転することがわかった。フェライトは低温で若干性能が落ちるが、モーター駆動には問題ないことを明らかにした。当初の計画どおり実験装置の開発・製作をおこない、低温でのモーター駆動における問題点と解決方法について検討し、期待される成果が得られた。これまでの研究で、低温におけるモーター駆動の問題点と解決方法がわかってきた。この結果を踏まえ、次の点を改良し研究を推進する。1.低温で働く回転センサーとモーター駆動回路の開発回転センサーを、これまでのホール素子による回転センサーから、回転によって誘導される起電圧を用いる回転センサーに換える。このセンサーは低温でも動作し、これまでの磁気センサーの置き換えが可能だが、回転を検出する感度調整が必要となる。また回転センサーを必要としない3相交流駆動も検討する。以上の方法で、研究を推進する。

2.常流動・超流動ヘリウム回転流の駆動1の駆動回路により液体ヘリウム中でモーターを回転することで、回転流を駆動する。液体ヘリウムの温度を制御することにより、回転流の常流動状態から超流動状態への変化を観測する。以上の方法で、超流動ヘリウム回転流の実現をめざす。該当なし
微細包有物のマルチ揮発性元素トレーサー分析によるマントル内水循環の解明

原子炉を用いた中性子照射による同位体変換と、超高感度希ガス質量分析を組み合わせて、沈み込み帯のマントルかんらん岩、大陸下マントルかんらん岩、過去に沈み込んだスラブ物質、そしてダイヤモンドについて、希ガスとハロゲン及びその他の元素(Ca、K、Ba、U)の多元素同時分析を行った。その結果をもとに、沈み込む直前のプレートの屈曲に伴う、堆積物中間隙水のマントル最上部への侵入と蛇紋石形成が重要な役割を果たしているとする、新たな水の沈み込みモデルを提案した。またプレートの沈み込みの影響が現在は及んでいない大陸下マントルにも、かつて沈み込んだハロゲンや希ガスの影響が残されていることを示した。本年度は、本研究で用いる様々な試料を採取し、岩石記載と主成分・微量元素組成分析や顕微分光分析による流体包有物の組成分析を主に進め、希ガス・ハロゲン分析に用いる試料を選定した。分担者の水上は、四国・三波川変成帯の東赤石岩体において、温度-圧力-変形履歴に応じたスピネルの変化を調べた。その結果、蛇紋石が生成し始める条件で、化学組成、レオロジカルな挙動に劇的な変化があり、産状から水に富むと推定される流体包有物が、同時に多量に生成したことが明らかとなった。また石丸は、フィリピン・イラヤ火山で採取したかんらん岩捕獲岩に多量に含まれる流体およびメルト包有物の観察及び解析を行い、H2O流体が優勢でしばしば炭酸塩鉱物と共存していることを明らかにした。これらの試料はマントルに沈み込んだ水の特徴をよく保存していると期待される。ウォリスは、沈み込んだ岩石中の含水鉱物として注目されるローソン石の変形と安定性の、稍深発地震の発生との関係について調べた。今後は天然のローソン石に含まれる希ガスやハロゲンも重要な研究対象となると考えられる。鍵は、特種なダイヤモンドであるカルボナドが、マントルに沈み込んだ海洋地殻起源である可能性を、Re-Os同位体組成から示した。この試料にはスラブとともにマントル最深部に沈み込んだ希ガスとハロゲンの情報が保持されていると期待される。角野は、上記のような試料を真空中で破砕し包有物から揮発性成分を抽出した際に、希ガス・ハロゲンのみならず水や二酸化炭素なども同時に定量するために、絶対圧真空計と四重極質量分析計の導入を進めた。また沈み込みの影響を受けていない地域に産するマントル捕獲岩の希ガス・ハロゲン分析を行い、沈み込み帯で見出されている間隙水的なハロゲンの影響とは異なる、典型的なマントル組成から塩素が選択的に取り去られるような分別が大陸下マントルで起こっていることを明らかにした。シベリア産キンバーライトに含まれるマントル捕獲岩の希ガス・ハロゲン分析を行い、高い塩素濃度と、エクロジャイトと似たハロゲン組成を持つことを明らかにした。また南米・パタゴニア地域のマントル捕獲岩の希ガス同位体比を分析し、大気起源希ガスと核反応起源成分に富むネオンを見出した。これらの結果は、プレートの沈み込みの影響が現在及んでいない大陸下マントルにも、かつて沈み込んだハロゲンや希ガスの影響が遺されていることを示している。またマントルへの水の運び手として重要視される、海水により変質した海洋地殻を分析した。その結果、海洋地殻は変質により主に塩素のみが富むようなハロゲン組成の変化をしており、また同時に加わった海水起源希ガスは、その沈み込みがマントルの組成に十分影響しうる量であることが分かった。分担者のウォリスと水上は、四国・三波川変成帯の西五良津岩体中の斜方輝石に、プレート沈み込みの開始期と成熟期それぞれにおいてマントルウェッジの前弧域に供給された水の痕跡を見出した。また石丸は、フィリピン・イラヤ火山のかんらん岩捕獲岩中の水に富む流体包有物について、塩濃度は試料によらずほぼ均質で、流体がかんらん石を置換する斜方輝石の形成に関与したことを示した。これらの試料はスラブからマントルウェッジに供給された水の特徴をよく保存していることから、今後の希ガス・ハロゲン分析によって、マントルに沈み込む水の起源と量に関する情報を与えると期待される。また鍵は、ブラジル・Sao Luiz地域に産するダイヤモンドを様々な分光法で調べ、内包される鉱物の包有物が下部マントルーマントル遷移層ー上部マントルへと至る間に相転移してきた履歴が残っていることを示した。これはこのダイヤモンドが下部マントルから上昇してきた証拠であり、この試料から、下部マントルにおける希ガスとハロゲンの組成を明らかにできる可能性がある。希ガス・ハロゲン分析の対象とする、マントル起源物質の岩石学・鉱物学的研究は分担者らにより順調に進展しているが、本年度中に稼働予定とされていたため利用を想定していた国内の研究用原子炉が、新規制基準への適合審査が長引き稼働しなかったために、国外の原子炉を利用することとなった。そのため翌年度に繰り越して研究を継続したが、照射できた試料の数量が制限されたことから、限られた成果しか得られなかった。最終年度である本年度は、これまでに得られた沈み込み帯かんらん岩の希ガス・ハロゲン組成のデータを取りまとめ、沈み込む直前のプレートの屈曲に伴う、堆積物中間隙水のマントル最上部への侵入と蛇紋石形成が、マントルへの水の沈み込みにおいて重要な役割を果たしているとする、新たなモデルを論文で提案した。

また三波川変成帯の泥質変岩の希ガス・ハロゲン分析を行い、既に同地域のかんらん岩体やエクロジャイトに見出されている間隙水起源の希ガス・ハロゲンが、泥質変岩にも含まれていることを明らかにした。これは蛇紋石としてマントルへ沈み込んだ間隙水起源の水が、マントルウェッジの広い範囲に供給されており、マントルウェッジ内の水の収支において支配的であることを示唆している。また分担者の石丸は前年度に引き続き,イラヤ火山の捕獲岩について更に詳細な岩石学的記載と鉱物化学組成の決定を行った。イラヤ火山の捕獲岩は,モーダルな交代作用を被っていない様に見える試料でも,多量な流体(+珪酸塩ガラス)包有物が観察され,複数回にわたってシリカに富むH2O(+CO2)流体や珪酸塩メルトによる交代作用を被っていることが確認された。ウォリスは四国・三波川変成帯の白髪山蛇紋岩体に含まれるブルース石の分布と蛇紋岩の化学組成から、ブルース石が前弧マントルウェッジへの水の供給量のよい指標となることを示した。水上も同じく三波川変成帯の東赤石かんらん岩体の蛇紋石の組織観察から、マントルウェッジの含水化条件を詳細に調べた。これらの成果は同一の試料について希ガス・ハロゲン組成と組み合わせることで、マントルに沈み込んだ水の起源と量の見積りにつながる。鍵は多結晶ダイヤモンド(カルボナド)や超深部起源ダイヤモンドなどと、それらに内包される包有物などを様々な分光法を駆使して調べ、これらのダイヤモンドの形成条件を調べた。原子炉を用いた中性子照射による同位体変換と、超高感度希ガス質量分析を組み合わせて、沈み込み帯のマントルかんらん岩、大陸下マントルかんらん岩、過去に沈み込んだスラブ物質、そしてダイヤモンドについて、希ガスとハロゲン及びその他の元素(Ca、K、Ba、U)の多元素同時分析を行った。その結果をもとに、沈み込む直前のプレートの屈曲に伴う、堆積物中間隙水のマントル最上部への侵入と蛇紋石形成が重要な役割を果たしているとする、新たな水の沈み込みモデルを提案した。またプレートの沈み込みの影響が現在は及んでいない大陸下マントルにも、かつて沈み込んだハロゲンや希ガスの影響が残されていることを示した。本年度の目標であった、研究期間全体を通して重点的に分析していく試料の選定は順調に進み、今後の希ガス・ハロゲン分析で興味深い結果が得られると期待される試料が相当数揃った。またその他の揮発性成分も同時に測定するための設備の導入も順調に進んだ。ただし利用予定であった原子炉のうち、唯一京都大学原子炉実験所のKUR研究炉がきわめて短期間稼働したのみであったため、ハロゲン分析に必要な中性子照射が十分な数の試料について完了できていないという問題があり、次年度以降の研究の進捗に重大な影響を及ぼすと懸念される。上にも述べたとおり、ハロゲン分析に必須である中性子照射を行うための原子炉(日本原子力研究機構JMTR材料試験炉および京都大学原子炉実験所KUR研究炉)の再稼働は、既に各機関から原子力規制庁に申請され審議が継続しているが、その見通しは依然として不透明である。そのため、海外の原子炉と分析用設備の利用も検討する。28年度が最終年度であるため、記入しない。同位体地球化学上にも述べたとおり、ハロゲン分析に必須である中性子照射を行うための原子炉(日本原子力研究機構JRR-3および京都大学原子炉実験所KUR)の再稼働は、H27年度内を目指して各機関から原子力規制庁に既に申請されているものの、その見通しは依然として不透明である。
無機炭素輸送の制御機構

1.最小プロモーターを用いたCO2応答性転写調節領域の同定クラミドモナス炭酸脱水酵素遺伝子CAH1上流域に予測された転写調節領域をβ2-チューブリンの最小プロモーターに連結して転写調節領域を更に短い領域に限定することができた。高CO2条件で転写抑制を担う領域(S-region)は,-351から-294の58塩基であり,低CO2で転写を活性化する領域(E-region)は,-293から-231の63塩基であった。この部分についてリンカースキャニング法により,転写調節シス配列を推定した。高CO2で培養した細胞と低CO2条件に移して2時間処理した細胞から単離した核抽出液を用いて,E-regionとS-regionについてゲルシフトアッセイを行った。E-regionでは,低CO2の核抽出液で1本、高CO2の核抽出液では3本の移動度の異なるバンドを検出した。S-regionでは,低CO2の核抽出液で1本、高CO2の核抽出液では2本の移動度の異なるバンドを検出した。どちらの領域にも,低CO2、高CO2条件で、異なる複数種のタンパク質がDNAに特異的に結合し,転写活性を制御していると考えられた。2.遺伝子タギング法によって得た高CO2要求性変異株C16低CO2条件に順化できない変異株C16の変異原因遺伝子CCM1をタギングによって単離した。細胞内での発現量は,非常に低かったことから,RT-PCRをおこない,全長cDNAを得た。cDNAのタンパク質コード領域を大腸菌発現ベクターに導入し,ヒスチジンタグを付けて大腸菌からタンパク質を回収し,抗体の作製を行った。また,遺伝子産物の細胞内局在を明らかにするために,推定タンパク質のC-末端にHAタグを付けたプラスミドを作製し,変異株C16に形質転換して変異が相補した株を単離した。HA抗体を用いて,変異相補株におけるCCM1タンパク質の細胞内局在を調べている。このタンパク質遺伝子は、CO2濃度を検知・制御するシグナル伝達系に関わる遺伝子である可能性が高い。3.CO2濃度変化に応答できない変異株の単離高CO2条件でもCAH1遺伝子が恒常的に発現してしまう株をNIT1遺伝子の挿入変異によって新しく2株得た。また、同じ変異株ライブラリーから低CO2条件でレポーター遺伝子が発現しなくなる株を4株得た。変異株の中には,CAH1遺伝子の転写調節に直接関わる因子が変異していると考えられる株が含まれていた。