hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
特殊教育における教育機器・システムの活用のための指導書の作成

本研究の第1年度には,各役割分担の項目について,特殊教育における教育機器・システムの使用効果の評価の実験を行ない,第2年度には,それらの結果を整理して,活用方法あるいはそのための教材の選択方法などについて,指導書の原稿を作成する作業に取りかかった.本年度(第3年度)は,これらの原稿の再検討の結果にもとずいて,原稿を修正する作業を,研究代表者・分担者が協同して検討しながら行なった.この指導書は,感覚・知能障害児の教育において,感覚の強化・代行のために聴覚・視覚・触覚を通して言語情報を伝達する教育機器・システムを,教育の現場で教師が確実に活用できるようにすることを目的としており,関連の文献表も収録してあって,関係者に配布するために現在印刷中である.なお,各役割分担について取り上げた項目は下記の通りである.テレビ式拡大読書器のための残存視力特性に適合した文字の提示方法,オプタコンによる文字の触読のための最適な字体の選択方法.ビデオ教材のための有効な字幕挿入の方法,文字教材の作成のための学習段階に対応した漢字の導入規則.発話指導のための音声の音響的・調音的特徴の視覚表示の活用方法,残存聴能特性に対応した音楽教材の曲目・演奏の選択基準.残存聴能特性を最大限に活用するための個人用補聴器の選択・調整・保守の手順,小・中・高等学校における集団補聴装置の各種の授業への活用のためのカリキュラム.タクチュアルヴォコーダによる音声の触覚表示と読唇との併用のためのビデオ教材の作成方法,音声の視覚・触覚表示による多感覚の同時利用の効果の評価方法.就学前の言語指導のための聴覚・視覚・触覚の活用方法,感覚補助のためのマイクロコンピュータの活用の手引.
細胞モデルでのアミロイドβ蛋白オリゴマーによるアルツハイマー病態の解明と治療探索

今回家族性アルツハイマー病のAPP変異遺伝子をFlp-In T-REx-293 (T-REx)細胞に導入し,細胞内外のAβモノマー, Aβオリゴマーの産生量を解析した.細胞外Aβモノマー量はスウェーデン型で野生型よりAβ1-40, Aβ1-42量の高値を示した.オランダ型APPでは野生型と変わらず,ロンドン型APPではAβ1-42/Aβ1-40比が増加していた.細胞外Aβオリゴマー量はオランダ型A,ロンドン型APPで野生型よりも有意に高値を示し、スウェーデン型で高い傾向を示した.今回細胞外Aβオリゴマー量増加がアルツハイマー病発症の共通メカニズムになりうる可能性を示した.今回我々は,家族性アルツハイマー病(FAD)の原因の一つであるアミロイド前駆蛋白(APP)変異遺伝子をFlp-In T-REx細胞に導入し, Aβ1-42, Aβ1-40, Aβオリゴマーの産生量を解析した. Flp-In T-RExシステムでは,単一コピーの遺伝子を細胞に導入できるため,より生理的な蛋白発現を解析できる. Flp-In T-REx細胞に野生型APP,スウェーデン型,オランダ型,ロンドン型APP変異遺伝子を導入し, 2日間37°Cで培養後,培地・細胞成分を回収した. AβモノマーELISAではスウェーデン型APP導入細胞で,培地中Aβ1-40, Aβ1-42量が野生型よりも約10倍高値を示し, London型APPでAβ1-42/Aβ1-40比の増加を示した.AβオリゴマーELISAで測定したAβオリゴマー量はAPP変異遺伝子を導入した細胞の培地で高い傾向を示し,オランダ型APP (p<0.05),ロンドン型APP (p<0.01)で野生型よりも有意に高値を示した.細胞成分中のAβオリゴマー量は各APP変異遺伝子間で差はみられなかった.抗β-amyloid (6E10)抗体を用いた免疫染色では,野生型と各変異型APP導入細胞で細胞膜・細胞質内にAβの局在を広範囲に観察した.抗Aβオリゴマー(A11)抗体では野生型と変異型APPでAβオリゴマーの細胞内局在に差はみられなかった.今回FAD mutationを導入した細胞において共通して細胞外Aβオリゴマー量が増加する結果が得られた.β-アミロイド(Aβ)蛋白動態への影響を調べるために家族性アルツハイマー病(FAD)細胞モデル、即ち野生型APP及びアミロイド前駆蛋白(APP)変異遺伝子を導入した細胞を用いて、ニコチンまたはメチルビニルケトン(MVK)刺激時の細胞内外のAβmonomer、Aβoligomer量を検討した。まずHEK293細胞におけるニコチン性アセチルコリン受容体(nAchR)の発現をPCR法で確認した。野生型、Sweden型、London型APP遺伝子を導入したFlp-In T-REx 293細胞をニコチン20μM、MVK 100nM共存下に無血清で3日間培養した。培地・細胞成分を回収し、AβmonomerおよびAβoligomer量をELISA法で定量した。HEK293細胞のcDNAで、nAchRのα7とα4 subunitの発現がみられた。ニコチンとMVK暴露により野生型APP、変異型APP導入細胞で細胞外Aβ1-40量が有意に増加した(p<0.05)。一方、細胞外Aβ1-42量には差がみられず、Aβ1-42/Aβ1-40比は低下した。ニコチンによる細胞外Aβ1-40産生の増加はnAchR拮抗薬であるtubocurarineにより抑制された。細胞外Aβoligomer及び細胞内Aβmonomerとoligomer量はニコチンまたはMVK刺激で差がみられなかった。Aβmonomerの凝集能はAβ1-42の方が高いと報告されていることから、ニコチン暴露によりAβ1-42/Aβ1-40比が低下し、nAchR介在性にAβ蛋白凝集能が低下する可能性が考えられた。ニコチン共存下で野生型APP及び変異型APP導入細胞において細胞外Aβ1-42/Aβ1-40比の低下がみられた。当初の計画通り、ニコチン刺激によるAβ蛋白の変化を観察することができ、ニコチンが細胞外のAβ産生能をnAchR介在性に調節する可能性を示唆することができた。今回家族性アルツハイマー病のAPP変異遺伝子を導入した培養細胞系を用いて、細胞内外のAβモノマー、AβオリゴマーなどのAβ関連蛋白の産生量を解析し、細胞レベルの共通するAβ関連蛋白の動態を検討した。生理的な細胞内蛋白代謝を解析できるFlp-In T-REx-293細胞系に野生型APP、スウェーデン型・オランダ型・ロンドン型APP変異遺伝子を導入し、stable cell lineを作製した。野生型APP、APP変異遺伝子導入細胞を2日間37°C無血清で培養後、培地成分・細胞成分を回収した。ELISA法、ウェスタンブロット法を用いて、Aβ1-40、Aβ1-42、Aβオリゴマー量を解析した。細胞外Aβモノマー量はスウェーデン型でAβ1-40、Aβ1-42量とも上昇し、ロンドン型はAβ1-42/Aβ1-40比が上昇した。オランダ型は野生型APP導入細胞と差は認められなかった。

細胞内Aβモノマー量は変異型APP遺伝子導入細胞と野生型APP導入細胞間で差は認められなかった。各APP変異遺伝子導入細胞でAβモノマーでの共通の表現型はみとめられなかった。一方、細胞外Aβオリゴマー量は各変異型APP遺伝子導入細胞で上昇を認めた。細胞内Aβオリゴマー量は野生型APPと変異型APP遺伝子導入細胞で差は認められなかった。今回生理的細胞内蛋白代謝を解析できる細胞を用いて、細胞外Aβオリゴマー量上昇がAPP変異遺伝子細胞モデルでの共通のメカニズムになる可能性を示すことができた。今回家族性アルツハイマー病のAPP変異遺伝子をFlp-In T-REx-293 (T-REx)細胞に導入し,細胞内外のAβモノマー, Aβオリゴマーの産生量を解析した.細胞外Aβモノマー量はスウェーデン型で野生型よりAβ1-40, Aβ1-42量の高値を示した.オランダ型APPでは野生型と変わらず,ロンドン型APPではAβ1-42/Aβ1-40比が増加していた.細胞外Aβオリゴマー量はオランダ型A,ロンドン型APPで野生型よりも有意に高値を示し、スウェーデン型で高い傾向を示した.今回細胞外Aβオリゴマー量増加がアルツハイマー病発症の共通メカニズムになりうる可能性を示した.今回免疫染色法で細胞内におけるAβモノマー, Aβオリゴマーの局在, ELISAで細胞内Aβモノマー, Aβオリゴマーを定量することができた.遺伝子を単一コピーで導入可能な細胞モデルを用いることで,より生理的な環境下で細胞内外のAβオリゴマー,モノマーの検出を試み細胞内外Aβモノマー量よりも, Aβオリゴマー量増加がアルツハイマー病発症の共通メカニズムになりうる可能性を示した.野生型APP、変異型APP導入細胞を培養した培地に認知症治療薬であるメマンチン、高脂血症治療薬であるスタチンなどを刺激して培地成分、細胞成分を回収する。細胞内外のAβmonomer、Aβoligomer量をELISA法、ウェスタンブロット法で定量し、FAD細胞モデルにおける各試薬におけるAβ蛋白の産生量変化を解析する。アルツハイマー病野生型APP,スウェーデン型,オランダ型,ロンドン型APP変異遺伝子が導入されたFlp-In T-REx細胞の培地にアルツハイマー病治療薬のメマンチン,煙草成分のニコチン・メチルビニルケトン(MVK)を投与する.2日間培養後,培地・細胞成分を回収し,細胞内外のAβ1-40, Aβ1-42, Aβオリゴマー量をELISA法,ウェスタンブロット法で定量し, FAD細胞モデルにおける各試薬によるAβ1-40, Aβ1-42, Aβオリゴマー量の変化を解析する.当初想定よりAβ蛋白解析用の消耗品額を低く計上できた関係で、次年度使用額が生じました。平成28年に本科研費の成果を学会で発表、また論文投稿による追加実験の消耗品費用として使用する予定です。1.共焦点レーザ走査型顕微鏡による細胞内Aβ関連蛋白の局在と細胞内動態の解析細胞内のAbeta1-40、Abeta1-42、Abeta oligomer量を解析するために、細胞を2日間37度で培養後、cell lysateを回収し、ELISAを用いて定量する。またFlp-In T-REx293細胞系にメマンチンやニコチンなどアルツハイマー病発症に関係する試薬を添加した際、細胞内外のAbeta蛋白量に変化があるかを解析する。
蛋白質の活性に着目した、新しい網羅的遺伝子解析の試み

我々は、それぞれの活性を介して発現が変化する遺伝子の同定に必要な、ATP結合、重合、膜リン脂質結合、ATPase活性部位に変異を持つ、温度感受性dnaA変異株の作成を行った。そして重合活性に関する変異株とDNAチップ技術を用いて、変異により発現が変化する遺伝子の同定を行った。数多くの遺伝子が同定されたが、特にDnaKなど分子シャペロン関連の遺伝子が多かった。一方我々はGST Pull-downアッセイを用いた方法で、DnaAの重合活性依存にDnaAに結合する蛋白質を検索した。興味深いことにやはり分子シャペロンが同定された。以上の結果から我々は、DnaAの重合に分子シャペロンが関与しているのではないかと考え、実際に記験管内複製再構成系を用いて、精製したDnaKがDnaへの重合を促進し、DNA複製を促進することを見出した。これまでdnaK変異株がなぜdnaの性質を示す(DNA複製を行えない)のかは不明であったが、この研究によりDnAへの重合を促進するためであることが分かった。一方、ATP結合活性に関しても同様の解析を行い、DnaB蛋白質(DNAヘリカーゼ)とDnaAの結合がDnaAのATP結合に依存していることを見出した。この結果は、ATP結合型DnaAがDnaBを複製開始点に導入し複製が開始され、その後、DnaAのATPase活性が促進されDnaAがADP型に変化するとDnaBがDnaへから離れ複製反応が進行する(DNAヘリカーゼは複製フォークと共にゲノム上を移動する必要がある)という機構の存在を示唆している。一方我々は酵母の複製開始蛋白質ORCに関してこれまで、DnaAとの共通性という独自の観点から生化学的に研究してきた。その結果ORCもDnaA同様、ATP結合、ATPase、膜結合、重合など、様々な生化学的活性を持つ蛋白質であることが分かった。
粘弾性チューブ内での超音波伝播を利用する安全確認型広範囲接触センサの開発

本研究では,粘弾性チューブとその中を伝搬する超音波信号を用いて,広範囲での確実な接触検出が可能なやわらかい接触センサシステムの開発を目指した基礎研究を実施した.直線及び曲線形状を有するチューブ内の超音波伝搬特性(伝搬時間及び音圧の減衰)を実験的に明らかにし,任意形状のチューブでも自己診断用のモニタリング信号が生成できる手法を提案した.また,超音波の推測伝搬時間情報をベースに,故障を含むセンサシステムの異常が検出できる自己診断アルゴリズムを開発し、その有効性を実験的に確認した.前年度では、チューブ直線形状における粘弾性チューブ内超音波信号の伝搬速度特性及び音圧減衰特性を明らかにした。また、曲率を有する粘弾性チューブ内での超音波伝搬実験を通し,伝搬経路の曲率が音圧伝搬損失に影響を及ぼすことを確認した。本年度では、任意曲率を有する粘弾性チューブを用いた超音波安全確認型接触センサシステムの構築を目的とする。そのためには,送信器から発生する超音波信号を受信器から検出し,受信信号レベルに適した閾値で安全確認信号(モニタリング信号)を生成しなければならない。つまり、使用するチューブ形状や長さによって変動する超音波受信信号レベルに適した閾値を設定しなければならない。そのためには、超音波が曲線形状のチューブ内を伝搬する場合において、直線形状時に対する伝搬音圧損失率及び伝搬時間遅延率を明らかにする必要がある。実験的検討結果、音圧損失率及び伝播時間遅延率は、チューブの巻き長さに比例して上昇し、また、その傾き(音圧損失率係数)はチューブ曲率に対して指数関数的に増加することが確認できた。すなわち、チューブが急激に曲がれば、超音波の音圧損失及び伝播時間遅延が大きくなるということである。さらに、両係数間には、非常に強い相関関係があり、伝播遅延率係数が分かれば音圧損失率係数も推定できることが分かった。以上の実験データをもとに各パラメータの推定式を導出し、任意曲率を有するチューブ内を伝播する超音波に対して適切な閾値を適用することで、安全確認信号が正常に検出できることを確認した。また、センサの異常を高信頼で検出するために、連続する安全確認信号間の時間を計測する「パルスーパルス型自己診断アルゴリズム」を開発し、接触時センサシステムが正常に安全信号を停止することを確認した。以上の成果を用いれば、低価格で広い領域がカバーできる高信頼接触センサシステムの構築が期待できる。本研究では,粘弾性チューブとその中を伝搬する超音波信号を用いて,広範囲での確実な接触検出が可能なやわらかい接触センサシステムの開発を目指した基礎研究を実施した.直線及び曲線形状を有するチューブ内の超音波伝搬特性(伝搬時間及び音圧の減衰)を実験的に明らかにし,任意形状のチューブでも自己診断用のモニタリング信号が生成できる手法を提案した.また,超音波の推測伝搬時間情報をベースに,故障を含むセンサシステムの異常が検出できる自己診断アルゴリズムを開発し、その有効性を実験的に確認した.本申請研究は、粘弾性チューブ内を伝播する超音波エネルギー情報を利用した「安全確認型フェールセーフ広範囲接触センサシステム」の開発が目的である。本年度は、粘弾性チューブ内伝搬における超音波の伝搬速度、減衰特性を明らかにするための実験を実施した。実験では、まず、超音波(40[kHz])が異なる硬さのチューブ内を伝搬する際の速度及び減衰特性を調べた。チューブは,超音波送信器のスピーカと同一径の内径10[mm]のシリコンゴム製であり、硬度は60である。チューブの硬さは厚さが2[mm]、3[mm]、4[mm]のチューブを用いることで対応した。また、各厚さのチューブに対して1.5[m],2[m],2.5[m]の3種類の異なる長さを用意し、超音波の伝搬時間及びピーク電圧の変化を測定した。実験結果、各チューブの厚さ(硬さ)による伝搬速度変化に有意味な差は確認できなかった。これは、3種類のシリコンチューブ硬さの差が超音波の伝搬速度に影響を及ぼす程の大きくないことを意味し、同材質のチューブを用いる場合は、伝搬速度を特に考慮する必要がないことが言える。次に、チューブ硬さによる超音波の音圧減衰特性の差を調べた。その結果、伝搬速度と同様、チューブ硬さによる減衰率の大きな差はなく、減衰係数αは-1.4で自由音場での減衰係数より小さいことが確認できた。これは、チューブ内の超音波が平面波として伝搬することを意味する。次に、チューブの曲率による伝搬速度及び減衰率の変化を調べる実験を実施した。曲げ半径50、75、100[mm]の場合について実施した結果、チューブ曲げ半径が小さい(曲率が大きい)程伝搬速度の遅延、減衰率の増加が観測された。特に、減衰率はセンサの接触を判断する閾値を決める際に重要なパラメータであり、曲率による減衰率の変化量を実験的に求めることができた。本申請研究の目的は、粘弾性チューブ内を伝播する超音波エネルギー情報を用いて広範囲接触検知が「安全確認型」で実現できる、「フェールセーフな広範囲接触検知センサシステム」を開発することである。上記目的を達成するために、本年度は、超音波信号の粘弾性チューブ内伝播特性を調べる基礎実験を実施した。研究計画において予定していた実験は、1異なる粘弾性チューブにおける特性、2チューブの曲率による特性の変化、3異なる径を持つチューブにおける特性であり、その内1、2の実験を完了した。

同実験結果を基に、申請期間2年目における研究を実施することが可能である。実験3は、実験2の測定に予想以上に時間がかかり開始が遅れているが、実験1から十分結果が予想可能であるため、申請期間2年目における研究計画の開始及び遂行には特に大きな支障はないと判断される。次年度は、前年度の未実施分の実験3を実施すると同時に、チューブ変形による超音波エネルギーの損失特性を理論的に明らかにし、安全確認型フェールセーフインターロック回路を試験的に製作,効用性を確認する。まず、チューブ変形ー超音波信号エネルギー損失特性関係の定式化を行う。チューブ内を伝播する超音波信号は、外部環境との接触によりチューブが変形されると、一部のエネルギーが変形部位で反射により損失される。ここでは、まず、対象物の形状を半球状のものと仮定し、対象物の押込み量とチューブの変形表面積との理論的関係を導出する。その後、超音波を体積を持つエネルギー波として捉え、変形表面の断面によりブロックされるエネルギー波の体積からエネルギー損失量を理論的に求め、実験により妥当性を検証する。次に、安全確認型フェールセーフインタロック試験回路の構築及び有効性確認実験を実施する。試作回路は、送信側に安全診断信号生成部と超音波送信回路、受信側に受信回路と安全診断信号処理部で構成し、安全診断信号処理部の出力信号がインターロック回路のインターロック信号として入力する。安全診断信号生成部は一定サイクルで超音波信号を生成し、安全診断信号処理部では、受信回路から受け取った超音波エネルギーをウィンドウコンパレータで閾値と比較してインターロック信号を生成する。5[m]長程度の粘弾性チューブの両端に超音波送受信器を取り付けた接触センサを製作し、直径50[mm]程度の円筒型リンクを有する1リンクマニピュレータに巻きつけ、センサシステムの検証実験を実施する。実験においては、電気・電子部品における主な故障モードである各信号線の断線、短絡、超音波センサ本体の故障、チューブの切断等の故障モード及び対象物との接触発生時において安全信号遮断でマニピュレータが正常に停止することを確認する。前年度未実施分の次年度使用額(306,917)は、未実施実験3(異なる径を持つチューブにおける特性試験)とために、チューブの購入等に使用する。また、前年度未実施の成果報告のための参加費、旅費として使用する予定である。
咬合感覚異常症患者における末梢および中枢知覚神経活動の亢進と治療法開発

1.健常者における周囲歯肉への局所麻酔薬塗布後の歯の知覚閾値の低下昨年に引き続き、咬頭嵌合位の咬合接触異常を訴えない健常者に局所麻酔薬(ハリケインゲル)を歯周歯肉へ塗布前後の歯の知覚閾値を計測したところ、閾値の低下が観察された。さらに、部位により知覚閾値の低下に差があることが理解できた。以上から、咬合感覚異常症患者の歯肉への局所麻酔薬の塗布により、歯の知覚を減少させることができる可能性、歯種により、反応が異なる可能性が示唆された。2.咬合感覚異常症患者に対する局所麻酔薬の効果昨年に引き続き、咬合感覚異常症患者に研究目的・内容を説明し、研究への参加を依頼した。包含基準は、1.咬頭嵌合位での咬合接触の異常を6か月以上にわたり訴える、2.患者は問題歯を特定可能であるとした。除外基準は、1.歯髄・歯周病変・顎関節症が存在する、2.多数の欠損歯のために、咬頭嵌合位が不安定である、3.歯科用局所麻酔薬に対するアレルギーがあるとした。それらの患者に対し、局所麻酔薬を塗布したところ、症状の軽快が観察された。3.咬合感覚異常症患者と健常者の脳磁図計測東京歯科大学の機器を使用し、脳磁図計測を行うため、プロトコールに関して東京歯科大学の担当研究者と検討した。被験者に能動的に咬合接触してもらうと、脳内の活動が生じるため、受動的に当該歯を押すこと装置の開発が必要であることが理解できた。研究費補助期間終了後になるが、今後、計測を継続していく予定である。4.三叉神経刺激動物モデルにおける三叉神経節でのDNA変化の網羅的解析ラット眼窩下神経をゆるく結紮することにより、刺激したモデルにおいて、三叉神経節内のDNA変化を網羅的に解析した。その結果、伝達物質遊離に関連するGRP75が増加していることが理解できた。1.健常者における周囲歯肉への局所麻酔薬塗布後の歯の知覚閾値の低下咬頭嵌合位の咬合接触異常を訴えない健常者(7名)に局所麻酔薬(ハリケインゲル)を周囲歯肉へ塗布前後の歯の知覚閾値を計測したところ、閾値の低下が観察された。このことから、咬合感覚異常症患者の周囲歯肉への局所麻酔薬の塗布により、歯の知覚を減少させることができる可能性が示唆された。2.咬合感覚異常症患者に対する局所麻酔薬の効果咬合感覚異常症患者に研究目的・内容を説明し、研究への参加を依頼した。それらの患者(3名)に対し、局所麻酔薬を塗布したところ、症状の軽快が観察された。3.咬合感覚異常症患者と健常者の脳磁図計測脳磁図計測を東京歯科大学の機器を使用して行うことに決定した。現在、プロトコールに関して東京歯科大学の担当研究者と検討中である。被験者に能動的に咬合接触してもらうと、脳内の活動が生じるため、受動的に当該歯を押すことが必要であることが理解できた。4.三叉神経刺激動物モデルにおける三叉神経節でのタンパク変化の網羅的解析ラット眼窩下神経をゆるく結紮することにより、刺激したモデルにおいて、三叉神経節内のタンパク変化を網羅的に解析した。5.今後の研究計画まず、咬合感覚異常症患者において歯の知覚閾値が上昇しているのかを観察する。次に、健常者ならびに咬合感覚異常症患者における局所麻酔薬塗布後の知覚閾値の変化を観察する。また、健常者ならびに咬合感覚異常症患者の脳磁図計測を進めていく予定である。

3.咬合感覚異常症患者と健常者の脳磁図計測東京歯科大学の機器を使用し、脳磁図計測を行うため、プロトコールに関して東京歯科大学の担当研究者と検討した。被験者に能動的に咬合接触してもらうと、脳内の活動が生じるため、受動的に当該歯を押すこと装置の開発が必要であることが理解できた。研究費補助期間終了後になるが、今後、計測を継続していく予定である。4.三叉神経刺激動物モデルにおける三叉神経節でのDNA変化の網羅的解析ラット眼窩下神経をゆるく結紮することにより、刺激したモデルにおいて、三叉神経節内のDNA変化を網羅的に解析した。その結果、伝達物質遊離に関連するGRP75が増加していることが理解できた。
ホップ代数の総合的研究

2.量子線形群(とくにbraided bialgebra)の基礎研究については,Comm.Algebraの21巻に発表した。その中のbialgebraの2-cocycleによる積の変更理論を応用することにより,Drinfeldのquantum doubleの正しい作り方とその一般化および応用に成功した。(これは竹内光弘氏との共同研究である。)3.quasitriangularホップ代数の斜体への作用の研究については,Sweedler4次元ホップ代数H_4の4元数環への作用について興味ある具体的成果を得た。とくに任意の4元数環は基礎環上のH_4のホップ代数としての接合積なる。1993年7月の第38回代数シンポジウム(東北大学)で発表。
日本海溝に沈み込む太平洋プレートの磁化構造と海洋プレートの改変過程

海洋研究開発機構調査船「みらい」、東京大学大気海洋研究所の「白鳳丸」の調査航海によって新たに取得した、日本海溝付近の海底地形、反射法地震波探査、サブボトムプロファイラ、地磁気データの処理と解析を進めた。海底地形については、日本海溝海側と陸側の東北日本の地質現象や地震活動との関連性を調べる目的で、昨年度に引き続き、2011年東北地方太平洋沖地震による津波の沿岸における高さが最大であった三陸沖の海底地形変動を解析した。昨年度までの研究を補強する結果を得て、東北地方太平洋沖地震津波の波源について議論した。反射法地震波探査、サブボトムプロファイラ、地磁気観測については、この地域の地域性に関する議論につなげるための観測データの質と量の向上をすることができた。また、参考情報とするために、過去のプレート沈み込み帯におけるプレート境界、地震発生帯付近が陸上に露出している場所とされている、高知県の四万十帯中の興津メランジェ中に産出している玄武岩帯の岩石磁気研究を行った。その結果を査読論文誌に投稿した。上記実績の成果は国際学会で3件、国内学会で2件の発表を行った(共著を含む)。社会・国民への発信に関する研究実績として、深海の科学を紹介した一般向けの科学書の共同執筆に関わった(プレートテクトニクス、プレート沈み込み帯で起きる地震、2011年東北地方太平洋沖地震についての章を担当)。また、東京理科大学の学部生向けに、海底物理探査法、プレートテクトニクス、海溝型地震についてのセミナー講演を行った。研究代表者・分担者らにより行われた先行研究より精度の高い磁化構造を求めるために、近年にJAMSTECの研究航海によって取得されたデータ、日本海洋データセンター(JODC)のデータなど、地磁気観測データを増やした。この結果、プレート沈み込みに伴う地磁気異常の地域的変化の特徴をより明らかにした。磁化層上面までの距離を与える海底地形データ、屈折法地震波速度構造および反射法地震記録から求めた地殻構造データも増やした。これらの更新されたデータを用いて、日本海溝海側の太平洋プレートの磁化構造を求め、その構造の地域的変化を調べた。その結果、海溝近くの海側斜面、正断層で切られたホルストーグラーベン(地塁ー地溝)域から磁化強度が下がり、プレート沈み込みに伴って磁化強度が下がることが確認されたが、結果の解釈と定量的な議論は、今後の課題として残る。海洋プレートが沈み込む際に磁化構造がどのように変化していくのかを調べるためのプレートが沈み込む前の磁化構造、その地域性に関する議論については、更なる観測データの量の増大と質の向上が必要であることがわかった。中間的な研究成果を、2件の国内学会(国際セッション)・シンポジウムで発表した。また、磁化層の一つである海洋地殻に関する参考情報とするために、日本海溝海側の海底で採取された玄武岩試料の段階熱消磁岩石磁気測定、化学組成分析、弾性波速度・比抵抗・密度の物性測定を行った。地磁気観測データのノイズ評価・除去の検討についての仕事は、まだ更に必要と思われる。磁化構造の計算の際に必要となる精度のよい地殻構造モデルの構築についても同様である。高品質な観測データセットの編集・構築は、研究資料として利用価値が高く、広く一般に貢献すると思われるので、努力して進めたい。海洋研究開発機構(JAMSTEC)の研究航海によって取得されたデータ、日本海洋データセンター(JODC)のデータなど、近年に取得された地磁気観測データを再処理し、ノイズ評価・除去の検討を行い、データ品質を向上させた。日本海溝海側斜面である沈み込み前の太平洋プレートを科学掘削する提案書作成に向けたワークショップに参加し、掘削候補点選定のために必要となる情報提供として、研究地域の詳細海底地形、海洋地磁気異常に基づいた地質学的背景について発表した。日本海溝海側と陸側の東北日本の地質現象や地震活動との関連性を調べる目的で、ドイツ調査船ゾンネ調査航海に乗船し、三陸沖で2011年東北地方太平洋沖地震後の海底地形を取得した。地震前海底地形との測深差を取ることにより、地震による海底地形変動を調べた。また、海底地形変動については、宮城沖海溝軸近傍における、東北地方太平洋沖地震による断層滑り量分布・特性を評価した論文が発表発行された(共著)。この論文成果は、JAMSTECからプレスリリースが行われた。中間的な研究成果を、1件の国際学会、1件の国内学会(国際セッション)、1件の国内学会で発表した。社会・国民への発信に関する研究実績として、海洋底地球科学研究の最新の基礎知識を網羅する解説書が出版された(重力・地磁気異常調査についての章の執筆を担当)。また、地球電磁気・地球惑星圏学会秋季大会のアウトリーチイベントにおいて、海洋地磁気異常とプレートテクトニクス研究の展示について協力した。日本海溝海側の太平洋プレートの磁化構造研究の成果を査読雑誌に投稿したが、差し戻しになった。観測データの解析手法、磁化構造に関する議論について細部の見直しを図る必要がある。本研究で行った観測データセットの編集・構築作業について、報告論文を準備している。日本海溝海側と陸側の東北日本の地質現象や地震活動との関連性を調べる目的で、昨年度に参加したドイツ調査船ゾンネ航海で取得した海底地形データを用いて、2011年東北地方太平洋沖地震による津波の沿岸における高さが最大であった三陸沖の海底地形変動を調べ、津波の波源について議論した。その成果を論文にまとめ発表した。

研究成果の公表として、「海溝海側で生じる過程総合研究」という研究集会において、日本海溝海側斜面である太平洋プレート上で、東北日本の地質現象や地震活動との関連性が議論されている小海丘群(プチスポット)周辺の、海底地形、反射法地震探査、海洋地磁気異常に基づいた地質学的背景について、招待講演を行った。上記実績の成果は他に、国際学会で1件、国内学会で1件の発表を行った。今年度は、東京大学大気海洋研究所共同利用の新青丸、白鳳丸調査航海に参加し、日本海溝付近の海底地形、サブボトムプロファイラ、マルチチャンネル反射法地震探査、地磁気データを新たに取得した。速報的な成果を国際学会で発表した(共著)。社会・国民への発信に関する研究実績として、海洋研究開発機構(JAMSTEC)が共同主催する国立科学博物館の展覧会「深海展」の展示物の監修、出版物の執筆に関わった(2011年東北地方太平洋沖地震についての展示を担当)。また、JAMSTECの一般公開、およびスーパーサイエンスハイスクールの札幌啓成高校向けに、太平洋プレートの海底地形とプレートテクトニクスについてのセミナー講演を行った。研究代表者が、年度当初に予定していなかった業務が生じて、多忙になったため当初計画の遅延を招いた。所属機関が共同主催する展覧会「深海展」の展示物の監修、出版物の執筆に関わることになった。また、研究代表者の所属部署の事業であるハワイ沖地殻構造調査研究に関わり、首席研究員として調査航海を遂行した。所属機関・部署の重要事業であったため、これらの業務を優先した。海洋研究開発機構調査船「みらい」、東京大学大気海洋研究所の「白鳳丸」の調査航海によって新たに取得した、日本海溝付近の海底地形、反射法地震波探査、サブボトムプロファイラ、地磁気データの処理と解析を進めた。海底地形については、日本海溝海側と陸側の東北日本の地質現象や地震活動との関連性を調べる目的で、昨年度に引き続き、2011年東北地方太平洋沖地震による津波の沿岸における高さが最大であった三陸沖の海底地形変動を解析した。昨年度までの研究を補強する結果を得て、東北地方太平洋沖地震津波の波源について議論した。反射法地震波探査、サブボトムプロファイラ、地磁気観測については、この地域の地域性に関する議論につなげるための観測データの質と量の向上をすることができた。また、参考情報とするために、過去のプレート沈み込み帯におけるプレート境界、地震発生帯付近が陸上に露出している場所とされている、高知県の四万十帯中の興津メランジェ中に産出している玄武岩帯の岩石磁気研究を行った。その結果を査読論文誌に投稿した。上記実績の成果は国際学会で3件、国内学会で2件の発表を行った(共著を含む)。社会・国民への発信に関する研究実績として、深海の科学を紹介した一般向けの科学書の共同執筆に関わった(プレートテクトニクス、プレート沈み込み帯で起きる地震、2011年東北地方太平洋沖地震についての章を担当)。また、東京理科大学の学部生向けに、海底物理探査法、プレートテクトニクス、海溝型地震についてのセミナー講演を行った。現在までの進捗の成果は、関連研究で特集が組まれる論文に投稿を予定している。今後の方策としては、本研究期間中に可能な限りデータ量と質を向上させて作成した地磁気異常と磁化層構造データを用い、磁化構造の解析を行う。
金属粉末-焼結法に電子レンジを用いた体験型教育の教材開発

本研究では、金属粉末を用いた金属製品のものづくり体験型教育のモデルとして、大掛かりな装置を使用せずに、焼き物作り感覚で金属粉末を成形し、それを持ち運び可能である電子レンジで焼結することで、簡便な冶金学およびものづくり手法の一例(粉末成形-焼結)を実体験できる簡易MIM法の教育教材化を検討する研究を行った。提案した簡易MIM法の概要は、次に示す四つの工程作業となる。(1)混練:寒天水溶液に金属粉末を加え、マントルヒータを用い90°Cで加熱混練し、形状スラリーとする。(2)成形:スラリーをプラスチック型に注入して、人力で加圧して成形する。(3)脱脂:成形体を乾燥させると共に寒天成分を取り除く。(4)焼結:脱脂後の成形体を電子レンジ焼却炉にて1時間加熱保持して製品とする。それぞれの工程作業の最適条件を求めると共に、体験型教材として運用の検討を行った結果、混練と成形工程では、おおむね良好な結果を得ることが出来た。なお、脱脂工程作業において、自然乾燥(室温、湿度30%、24h保持)では処理時間を要するため、真空環境下での加熱乾燥(-0.1MP、200°C、8h保持)を提案し、二通りで検証を行なった。その結果は、時間短縮に期待した真空環境下での加熱乾燥より、自然乾燥の方が密度の高い焼結体を得られる結果となった。また、焼結体表面には、黒い酸化膜が付くので減少させる工夫が必要である。一方、電子レンジを用いた加熱炉では、炉内の温度制御が出来ること確かめ、焼結体を作成することが出来た。また、この実験において焼結体の相対密度は、一番高いもので60%であるがアクセサリー(メダルや人形など)類の造形に十分に適応出来る密度といえる。今後は、一連の工程作業について、実験データを蓄積し検討を行うと共に小中学生を対象とした実体験出来る、簡便な体験型教育の教材化を目指す。
Ｂａｎａｃｈ環上のスペクトル保存写像とその摂動の安定性

スペクトルあるいはそれに付随した情報を保存するBanach環の間の写像について,その構造を詳細に調べた.たとえば定数関数の存在を仮定せずに,関数環の間の距離を保存する写像すなわち等距離写像の構造を,線形とは限らない全射に対して解明した.スペクトルの部分集合であるperipheral spectrumを乗法的に保存する全射については,多くの研究が世界的になされているが,その一部分の情報であるスペクトル半径をある意味で保存する単位的半単純可換Banach環上全射の構造を解明した.さらに微分作用素や積分作用素の摂動を考え,そのHyers-Ulamの意味での安定性が成り立つための条件を与えた.関数解析学における古典的問題として等距離写像の構造の決定がある.ノルム空間の間の全射等距離写像は実線形であることを主張するMazur-Ulamの定理を拡張し,特にコンパクトHausdorff空間上の正値連続関数全体の間のある種の全射等距離写像は同相写像を用いて荷重合成作用素として表現されることを示した.また単位元をもつとは限らない関数環の間の全射等距離写像はChoquet境界の間の同相写像を誘導し,それを用いて荷重合成作用として表されることは既に解明していたが,その同相写像をShilov境界まで拡張することが出来て,全射等距離写像はShilov境界の間の同相写像を用いた荷重合成作用素となることを証明した.数直線上で定義されたBanach空間値連続写像に対してVolterra型積分作用素を考えるとき摂動の安定性が問題となるが,Jungは不動点定理を用いて摂動の安定性の非常に特別な場合を考察した.その結果を一般化しVolterra型積分作用素の摂動が安定的であるための十分条件を与えるとともに,安定性に関する定数を与えた.またある場合には摂動が安定的となるための十分条件が必要条件であることも示した.またBanach空間に値をとるChebyshevの微分方程式に対してその安定性を証明するとともに,Banach空間における定数係数の1階線形連立微分方程式が安定的であるための必要十分条件は,その係数行列のすべての固有値が純虚数でないことを示した.この結果の系としてBanach空間における定数係数n階線形微分方程式が安定的であるための必要十分条件は,固有方程式のすべての解が純虚数でないことを証明した.単位元をもつとは限らない関数環上の全射等距離写像の構造については,Choquet境界上では荷重合成作用素であるか,または荷重合成作用素の複素共役として表されることを示したが,より一般にShilov境界あるいは極大イデアル空間上での振舞いが問題となっていた.まずChoquet境界上での等距離写像の表現は,一般に極大イデアル空間上には拡張できないことを示した.しかしShilov境界上では全射等距離写像は荷重合成作用素であるか荷重合成作用素の複素共役であることを証明した.n次正方行列Aに対してBanach空間に値をとる微分方程式y'=AyがHyers-Ulamの意味で安定的であるための必要十分条件は,Aの任意の固有値に対してその実部が0でないことを示した.この結果の特別な場合として,n階定数係数線形微分方程式がHyers-Ulamの意味で安定的であるための必要十分条件は,その特性方程式の任意の解の実部が0でないことが得られる.この特徴づけは既に知られているが,その証明は複雑な議論を用いたものであった.一方,本研究で用いられた手法は,ジョルダン標準形を用いた単純な発想によるものであり,より簡明な議論でさらに一般的な結果を得ることに成功した.さらに安定性問題に関しては,一般化された加法的写像についても考察し,それがHyers-Ulamの意味で安定的であるための十分条件を与えた.スペクトルあるいはそれに付随した情報を保存するBanach環の間の写像について,その構造を詳細に調べた.たとえば定数関数の存在を仮定せずに,関数環の間の距離を保存する写像すなわち等距離写像の構造を,線形とは限らない全射に対して解明した.スペクトルの部分集合であるperipheral spectrumを乗法的に保存する全射については,多くの研究が世界的になされているが,その一部分の情報であるスペクトル半径をある意味で保存する単位的半単純可換Banach環上全射の構造を解明した.さらに微分作用素や積分作用素の摂動を考え,そのHyers-Ulamの意味での安定性が成り立つための条件を与えた.今年度はスペクトル半径に関する等距離写像の研究を主に行った.まずσをスペクトルとするとき,Aのすべての元a,bに対してσ(S(a)S'(b)) = σ(T(a)T'(b))を満たす全射S, S': A →B及びT, T':A →B'の構造を解明し,B,B'が単位的半単純可換Banach環のとき,より一般的な結果が得られた.具体的には,Aが単なる添え字集合で,スペクトル半径rに関してr(S(a)S'(b)-e)=r(T(a)T'(b)-e)がAのすべての元a,bに対して成り立つとき,SとT及びS'とT'は本質的に荷重合成作用素を用いて表されることを示した.ただしeは単位元である.この定理により,これまでの単位的半単純可換Banach環の間のスペクトル保存写像に関する結果を統一することが可能となった.その後,単位元の存在を仮定せずに,関数環の間の最大値ノルムに関する全射等距離実線形写像の構造を決定した.このような写像は既存の結果とほぼ同様の形をしたものしかなく,荷重合成作用とその複素共役によって表現されることを示した.

ここで得られた等距離写像の表現はChoquet境界上で成り立つことを示したが,それがShilov境界上に拡張出来るか,さらに極大イデアル空間上でも成立するのかは解明出来ておらず今後の課題である.この定理の直接の系として,単位元をもつとは限らない半単純可換Banach環の間の,スペクトル半径に関する全射等距離写像の構造が解明された.本年度は関数空間上の全射等距離写像の構造を,ある条件のもとで解明し,それが荷重合成作用素と複素共役によって表現されるための十分条件を,双対空間の単位球の端点の言葉で与えた.さらに一般の関数空間上の全射等距離写像は荷重合成作用素と複素共役では表すことが出来ないことを,初等的な具体例を与えることにより示した.さらに実線形全射等距離写像の標準形を荷重合成作用素とその複素共役を用いて自然に定義し,全射実線形等距離写像が標準形となるための必要十分条件を,関数空間の双対空間の単位球の端点とその間に自然に定まる写像の言葉で記述した.また乗法的スペクトル保存写像の研究においては,peripheral spectrum p(・)に関して次の意味でスペクトルを保存する写像の組S_1, S_2, T_1, T_2を考察した:このときS_j, T_jの定義域および値域にpeaking functionの存在に関する弱い条件を課すことにより,S_jとT_jが写像の合成と荷重によって結ばれることを示した.この表現により,これまで関数環やLipschitz環に対して独立に得られていた結果を統一的に,しかもより一般的な形で述べることが出来る.得られた表現定理の特別な場合としてS_1(a) = a, S_2(b) = bの結果が得られるが,逆にこの特別な場合からより一般のS_1(a), S_2(b)に対する結果がしめされることを解明した.関数環論単位元をもつとは限らない関数環に対しては全射等距離写像の構造が解明されたが,写像の組に対するある種のスペクトル保存写像についてはある条件の下でしかその構造が決定出来ていない.また摂動の安定性に関してはTonevの先行研究が発表されているので,その結果を詳細に検討し,さらなる発展を目指す必要がある.関数環上の等距離写像の構造はShilov境界上の振る舞いまで記述することが出来たが,その結果を一般の関数空間にまで拡張しようとすると,Choquet境界での円の重なり具合が問題となり,その構造解明には至っていない.引き続き問題解決に努めなければならない.スペクトルを保存する全射の組の構造を決定する問題に関しては,単位元をもつ場合により一般的な設定で問題を解決している.この意味で23年度の目的は当初の計画以上に進展しているといえるが,単位元の存在を仮定しない場合には,可換Banach環の間の等距離写像の構造が解明されただけで,写像の組の関連性や非可換Banach環の場合が残されている.これらの問題が今後の課題の一つとなる.等距離写像の構造を調べる上で積の構造は重要な情報を提供してくれるが,一般の関数空間上の等距離写像では線形構造しかもたないため,解析は困難であるものの逆にこれまでに見ることのなかった興味深い性質が現れることが分かってきた.関数空間上の等距離写像の構造はある条件のもとでは決定できることが分かるので,今後はそれを用いてこれまでに知られている複素線形等距離写像の構造定理を,複素線形性を仮定せずに示す問題に取り組む必要がある.
リスク管理型個人情報保護共有フレームワーク

本研究では,利用者が自分の個人情報をサービスプロバイダに提供する際に,利用者が自らの判断に基づいて開示方式の選択を行なえるようにするため,利用者の判断材料となる情報開示リスクを提示し,またリスクを低減する開示方式を生成する枠組みの研究開発を行なう.具体的には, (1)個人情報開示のためのリスク評価モデル, (2)リスクを考慮した個人情報保護共有方式, (3)個人情報保護共有のためのXMLアクセス制御, (4)リスク管理型個人情報保護共有フレームワークの応用の4つのテーマに分けて研究を行なった.本研究では,利用者が自分の個人情報をサービスプロバイダに提供する際に,利用者が自らの判断に基づいて開示方式の選択を行なえるようにするため,利用者の判断材料となる情報開示リスクを提示し,またリスクを低減する開示方式を生成する枠組みの研究開発を行なう.具体的には, (1)個人情報開示のためのリスク評価モデル, (2)リスクを考慮した個人情報保護共有方式, (3)個人情報保護共有のためのXMLアクセス制御, (4)リスク管理型個人情報保護共有フレームワークの応用の4つのテーマに分けて研究を行なった.本研究では,利用者が自分の個人情報をサービスプロバイダに提供する際に,利用者が自らの判断に基づいて開示方式の選択を行なえるようにするため,利用者の判断材料となる情報開示リスクを提示し,またリスクを低減する開示方式を生成する枠組みの研究開発を行なう.具体的には,(1)個人情報開示のためのリスク評価モデル,(2)リスクを考慮した個人情報保護共有方式,(3)個人情報保護共有のためのXMLアクセス制御,(4)リスク管理型個人情報保護共有フレームワークの応用の4つのテーマに分けて研究を行なう.本年度は(1)に関して,開示するプライバシー情報資産価値を求めるために,セマンティックWebの技術を用いて,プライバシー属性オントロジーを構築を行っている.このオントロジーは,プライバシー属性の分類を標準化することを1つの目的としており,プライバシー属性を1つのノードとして,subClassOfやequivalentClassといった関連からなる有向枝からなる有向非巡回グラフとしてオントロジーを構築する.(2)に関してはアイデンティティを隠蔽したままサービスを受けることのできる方式について,仮名を用いる場合や,仲介者を用いる場合など可能な個人保護共有方式の分類を行った.(3)のXMLアクセス制御については,XML文書を開示する際に,秘匿すべき個人情報が含まれているかを検出する問題にっいて,XMLの構造を利用した精度のよい方式の研究を行った.またXML文書が刻々と更新されてゆく状況で,文書の派生関係に基づいたアクセス制御モデルとその評価を論文誌で発表した.(4)については,他のテーマの進捗にあわせて,次年度以降に着手する.本研究では,利用者が自分の個人情報をサービスプロバイダに提供する際に,利用者が自らの判断に基づいて開示方式の選択を行なえるようにするため,利用者の判断材料となる情報開示リスクを提示し,またリスクを低減する開示方式を生成する枠組みの研究開発を行なう.具体的には,(1)個人情報開示のためのリスク評価モデル,(2)リスクを考慮した個人情報保護共有方式,(3)個人情報保護共有のためのXMLアクセス制御,(4)リスク管理型個人情報保護共有フレームワークの応用の4つのテーマに分けて研究を行なう.本年度は開示するプライバシー情報資産価値を求めるための,プライバシー属性オントロジーを構築を行った.プライバシー属性と辞書的・概念的に近いオントロジーのクラスを,文字列類似度および概念辞書の類似スコアを用いて検索し,クラスに設定された経済的リスクとパーソナリティに関するリスクを求める手法について,プロトタイプの開発を行い,実用的な評価結果が得られた.また,プライバシー属性の組み合わせで生じるリスクや,属性の階層構造を考慮したリスクについて,モデル化を行い,より高度なマッチング手法の開発について着手している.XML文書のアクセス制御については,アクセス制御ルール集合をXML文書の階層構造に従ってコンパクトに表現する手法について,文書構造に加えアクセス制御ルールにおけるアクセス主体側の構造であるロール階層も考慮してルールの簡略化を行う方法の開発を行った.本研究では,利用者が自分の個人情報をサービスプロバイダに提供する際に,利用者が自らの判断に基づいて開示方式の選択を行なえるようにするため,利用者の判断材料となる情報開示リスクを提示し,またリスクを低減する開示方式を生成する枠組みの研究開発を行なう.具体的には,(1)個人情報開示のためのリスク評価モデル,(2)リスクを考慮した個人情報保護共有方式,(3)個人情報保護共有のためのXMLアクセス制御,(4)リスク管理型個人情報保護共有フレームワークの応用の4つのテーマに分けて研究を行なった.(1)個人情報開示のためのリスク評価モデルプライバシー属性オントロジーの開発し,概念類似度および文字列類似度を用いて,類似概念からリスクを推定する方式を開発した.(2)リスクを考慮した個人情報保護共有方式与えられたリスク許容値や類似度最小値などの制約のもとで,オントロジーと入力の属性集合のマッチングを行なうアルゴリズムを開発し,実装を行った.(3)個人情報保護共有のためのXMLアクセス制御.ロール階層を考慮したアクセス制御ルールを圧縮および効率化する機能の開発を行った.(4)リスク管理型個人情報保護共有フレームワークの応用ソーシャルネットワークでの多様なプライバシー属性に対し,本システムを適用する実験を行ない,利用者がリスクを考慮しながら開示属性を選択する実験を行った.
高機能デバイス構築のための分子配向生体触媒とカーボンナノチューブ複合体の構造制御

超好熱性古細菌由来マルチ銅オキシダーゼ及びPQQ依存性グルコース脱水素(PQQ-GDH)を触媒とした電極を作製し、長期安定性に優れたバイオ電池の構築を目指した。アノードでは分子配向性を制御して酵素を固定化し、カソードではナノ材料であるカーボンナノチューブ(CNT)を固定化に用いた。アノード電極にはN末端にHis-Tagを導入したPQQ-GDHを銅を介して配向性を持たせて固定化した。それぞれ作製した電極を組み合わせて電池を構成し、電池性能を評価した結果、分子配向性を制御した電極で構成した電池の方がランダムに固定化した電極で構成した電池よりも22倍の出力を得ることがわかった。酵素を触媒とするバイオ電池は、安全性が高い、軽量化・小型化が容易であるといった利点から次世代エネルギーとして期待されているものの、電子移動効率や酵素の安定性などの種々の問題から、実用化への道のりは遠いものとされてきた。本プロジェクトは、バイオ、材料、電池、電気化学の各分野の研究者が結集連携することにより、従来困難とされていたバイオ電池に適したバイオデバイス構築を目的として、まず耐熱性PQQ-依存型グルコース脱水素酵素(PQQ-GDH)の高配向固定化法の検討及びその電流特性の検討を行った。酵素分子のN末端へHis-tagを導入し、電極上に電析した銅原子を介して酵素分子を一定方向に配向させた電極を開発した。電極上において酵素分子の配向を高めることにより、約4倍の電流密度の向上に成功した。超好熱性古細菌由来マルチ銅オキシダーゼ(McoP)をカソード触媒、同じ由来のPQQ依存性グルコース脱水素(PQQ-GDH)をアノード触媒として用いて電極を作製し、長期安定性に優れたバイオ電池の構築を目指した。さらに、アノードでは分子配向性を制御して酵素を固定化し、カソードではナノ材料であるカーボンナノチューブ(CNT)を固定化に用いることでより出力の高いバイオ電池の構築を試みた。まず精製McoPを用いてバイオ燃料電池のためのバイオカソードの構築を電極材料としてCNTを用いて試みた。CNTはABTSを用いることで分散することができ、これらを電極材料として用いた際、CNTを用いなかった電極と比較して酸素の還元に基づく電流値は増大し、このことからCNTが酵素と電極間の電子伝達を効率化していることがわかった。次にバイオアノード電極の構築のためにN末端にHis-Tagを導入したPQQ-GDHの精製を行った。酵素を配向性を持たせて固定化するために電極表面に銅を電析させ、Cu-His-tagのアフィニティを利用した酵素配向固定化を行った。本電極の酵素反応によるグルコース酸化に伴うPQQの酸化波の増大を確認された。この方法で電極上に酵素を固定化したものをバイオアノード電極とした。それぞれ作製した電極を組み合わせて電池を構成し、電池性能を評価した結果11 microW/cm2の出力を得た。比較としてアノード、カソードそれぞれの酵素をランダムに固定化した電極を組み合わせ、電池の評価を行ったところ0.5 microW/cm2であった。このことから分子配向性を制御した電極で構成した電池の方がランダムに固定化した電極で構成した電池よりも高い出力を得ることがわかった。高効率なバイオ電池用電極の構築を目指し、まず電極の電子授受の効率化を検討した。マルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)にポリエチレンイミン(PEI)を複合体化させ正電荷を与えたMWCNT-PEIとL-プロリン脱水素酵素(L-proDH)を交互積層法を利用して炭素電極の表面に修飾し、種々の検討を行った。まず、最適積層数の検討として、10, 15, 20, 25, 30層の積層電極を作製し、それぞれのフェロセンカルボン酸に対する電流応答性を測定したところ、20層の積層電極が最も高感度であり、未修飾の電極の約235倍の電流応答性を有することがわかった。次に、この20層の積層電極について検出限界を検討したところ、10 pmolのフェロセンカルボン酸を検出可能であり、さらに10-90 pmolの間で電子授受が可能であることがわかった。また、長期安定性について検討を行ったところ、作製から12週間後の測定において作製当初の76.8%の電流応答を維持し、24週間後においても68.8%の電流応答を維持することがわかった。本研究で用いたPQQ-GDHは補酵素であるPQQが存在する付近に活性部位が存在すると推測される。そこでGDH分子のN末端にHis-tag(ヘキサヒスチジン配列)を遺伝子工学的手法により導入したHis-PQQ-GDHを設計し、発現・精製を行った。pET-15bを用いてPQQ-GDHのN末側にHis-tagを修飾するためのプラスミドの構築を行った。