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真核生物由来翻訳開始因子のマルチ複合体の立体構造解析

生物にとって遺伝子の発現制御は環境適応や発生,分化などあらゆる生物学的過程において最も重要である.真核生物では転写と翻訳が時間・空間的に分離しており,転写調節に加えて,転写後の翻訳段階での調節メカニズムが非常に発達している.その中でも最も重要かつ複雑なステップが翻訳の開始段階であり,30余りの翻訳開始因子とリボソームが協調的に作用することで,飢餓,熱ショック,ウイルス感染等のストレスや,記憶,分化,発生等の生物学的過程に応じて部位・時間特異的に細胞の活動レベルを制御している.翻訳開始段階は大きく分けて(eIF1)-(eIF2-GTP)-(eIF3)-(eIF5)-(Met-tRNA^i)multi-factor complex(MFC)の形成,MFCと40Sリボソームの結合(43S複合体),43S複合体とmRNA 5'末端の結合(48S複合体),開始コドンのスキャニング,および60Sリボソームの結合という段階を経て伸長段階へと移行する.本研究では,eIF2を中心としたMFCの機能・構造解析を行い,特に因子間の相互作用や様々な状態における構造変化を解明することで,翻訳開始反応・調節機構あるいはより高次のプロセスに対して知見を与えることを目的としている.平成17年度では,昨年度に得られたa/eIF2βγとa/eIF2βγ-GDP複合体の構造に基づいて,a/eIF2βの機能の解析を進めた.a/eIF2γと翻訳伸長因子EF-Tuとの構造・機能的ホモロジーを考慮するとaIF2γのSwitch1モチーフはMet-tRNA_iの結合・解離に重要な役割を果たす可能性が高い.本研究で得られたa/eIF2βγ-GDP複合体構造においてβサブユニットはSwitch1モチーフと相互作用しており,その結果Switch1モチーフがGDPから遠く離れた位置にあることが明らかとなったため,この変化の重要性を検証するためにSwitch1モチーフの保存残基の変異体を作成し,Met-tRNA_i結合に及ぼす影響を検証した(論文投稿中).生物にとって遺伝子の発現制御は環境適応や発生,分化などあらゆる生物学的過程において最も重要である.真核生物では転写と翻訳が時間・空間的に分離しており,転写調節に加えて,転写後の翻訳段階での調節メカニズムが非常に発達している.その中でも最も重要かつ複雑なステップが翻訳の開始段階であり,30余りの翻訳開始因子とリボソームが協調的に作用することで,飢餓,熱ショック,ウイルス感染等のストレスや,記憶,分化,発生等の生物学的過程に応じて部位・時間特異的に細胞の活動レベルを制御している.翻訳開始段階は大きく分けて(eIF1)-(eIF2-GTP)-(eIF3)-(eIF5)-(Met-tRNA^i)multi-factor complex(MFC)の形成,MFCと40Sリボソームの結合(43S複合体),43S複合体とmRNA 5'末端の結合(48S複合体),開始コドンのスキャニング,および60Sリボソームの結合という段階を経て伸長段階へと移行する.本研究では,eIF2を中心としたMFCの機能・構造解析を行い,特に因子間の相互作用や様々な状態における構造変化を解明することで,翻訳開始反応・調節機構あるいはより高次のプロセスに対して知見を与えることを目的としている.平成17年度では,昨年度に得られたa/eIF2βγとa/eIF2βγ-GDP複合体の構造に基づいて,a/eIF2βの機能の解析を進めた.a/eIF2γと翻訳伸長因子EF-Tuとの構造・機能的ホモロジーを考慮するとaIF2γのSwitch1モチーフはMet-tRNA_iの結合・解離に重要な役割を果たす可能性が高い.本研究で得られたa/eIF2βγ-GDP複合体構造においてβサブユニットはSwitch1モチーフと相互作用しており,その結果Switch1モチーフがGDPから遠く離れた位置にあることが明らかとなったため,この変化の重要性を検証するためにSwitch1モチーフの保存残基の変異体を作成し,Met-tRNA_i結合に及ぼす影響を検証した(論文投稿中).真核生物の翻訳開始段階は蛋白質合成反応における主要な調節部位であり,細胞全体の活動度を規定している重要な反応である.開始段階は30余りのサブユニットから成る開始因子群がリボソームやmRNA,開始tRNAを中心として協調的に進行する.今まで,古細菌由来の開始因子を含めて幾つかの真核生物型開始因子サブユニットの構造が解析されていたが,サブユニット複合体の解析例はない.本研究の対象である(eIF-1)-(eIF-2)-(eIF-3)-(eIF-5)-(Met-tRNA_i-Met)マルチ複合体はこれらの複雑な相互作用を紐解き,開始反応のメカニズムを詳細に解明するキーであり,多くの研究者に注目されている.

私たちは,平成16年度に酵母Saccharomyces cerevisiae由来のマルチ複合体のサブユニットeIF1,eIF2α,eIF2β,RPG1,NIP1,NIP1 N terminal domain,PRT1,eIF5の大腸菌大量発現系を構築し,様々な培養・誘導条件を最適化することでそれぞれの大量調製法を確立した.また,古細菌由来のマルチ複合体のコア-であるeIF2のサブユニットeIF2α,eIF2β,eIF2γの大腸菌での発現系を構築し,大量精製法も確立した.また,ゲルろ過高速液体クロマトグラフィーを用いることでeIF2α,eIF2β,eIF2γ間の結合を検出し,それぞれeIF2α-eIF2β,eIF2α-eIF2γ,eIF2β-eIF2γ,eIF2α-eIF2β-eIF2γの複合体をin vitroで形成・大量調製し,結晶化を試みた.そのうち,X線回折に適用するeIF2β-eIF2γ複合体の結晶を得て,2.8Å分解能での構造解析に成功した.eIF2βはeIF2γのGドメインに結合し,eIF2γのGTP結合サイトの近いところに配置されている.また,複合体と単独に解析されたeIF2γの構造を比較したところ,GTP結合・加水分解に関与するswitch Iのhelixの下流側のループはeIF2βと複合体を形成することによって,構造変化が見られる.さらに,このループが開始tRNAのMetと結合すると思われている窪みの傍にあることからeIF2βはeIF2の開始コドンを認識後にGTPの加水分解,tRNAから離れる反応に関与することが示唆されている.生物にとって遺伝子の発現制御は環境適応や発生,分化などあらゆる生物学的過程において最も重要である.真核生物では転写と翻訳が時間・空間的に分離しており,転写調節に加えて,転写後の翻訳段階での調節メカニズムが非常に発達している.その中でも最も重要かつ複雑なステップが翻訳の開始段階であり,30余りの翻訳開始因子とリボソームが協調的に作用することで,飢餓,熱ショック,ウイルス感染等のストレスや,記憶,分化,発生等の生物学的過程に応じて部位・時間特異的に細胞の活動レベルを制御している.翻訳開始段階は大きく分けてeIF1-eIF2-GTP-eIF3-eIF5-Met-tRNA^i multi-factor complex (MFC)の形成,MFCと40Sリボソームの結合(43S複合体),43S複合体とmRNA5'末端の結合(48S複合体),開始コドンのスキャニング,および60Sリボソームの結合という段階を経て伸長段階へと移行する.本研究では,eIF2を中心としたMFCの機能・構造解析を行い,特に因子間の相互作用や様々な状態における構造変化を解明することで,翻訳開始反応・調節機構あるいはより高次のプロセスに対して知見を与えることを目的としている.平成17年度では,昨年度に得られたa/eIFβγとa/eIFβγ-GDP複合体の構造に基づいて,a/eIFβの機能の解析を進めた.a/eIF2γと翻訳伸長因子EF-Tuとの構造・機能的ホモロジーを考慮するとaIF2γのSwitch1モチーフはMet-tRNA_iの結合・解離に重要な役割を果たす可能性が高い.本研究で得られたa/eIFβγ-GDP複合体構造においてβサブユニットはSwitch1モチーフと相互作用しており,その結果Switch1モチーフがGDPから遠く離れた位置にあることが明らかとなったため,この変化の重要性を検証するためにSwitch1モチーフの保存残基の変異体を作成し,Met-tRNA_i結合に及ぼす影響を検証した(論文投稿中).
ランダム性の計算的諸相と超準的手法によるその構造解析

本研究のねらいは、数学基礎論的方法、とくに超準モデルを用いる手法により、ランダムネスのダイナミズムを巨視的かつ組織的に捉え、ランダム性に対する理解を一層深めると共に、その根底にある確率やゲームの基本概念に対して新たな計算論的知見を得ることにある。本研究ではとくに次の5つの小テーマを軸に計算的な問題を講究する。(1)構成的測度論の超準解析的議論の枠組み。(2)ランダム性の概念に基づく計算構造。(3)ランダム決定木についての考察。(4) Chaitinの停止確率Ωの物理的性質。(5)ゲームの決定性に関する論理的扱い。本研究のねらいは、数学基礎論的方法、とくに超準モデルを用いる手法により、ランダム性のダイナミズムを巨視的かつ組織的に捉え、ランダム性に対する理解を一層深めると共に、その根底にある確率やゲームの基本概念に対して新たな計算論的知見を得ることにある。そのため、この領域の研究が盛んな諸外国との交流を促進すると共に、将来を担う人材の育成と周辺分野との連携強化を図り、研究の基盤を固める。本研究は次の5つの小課題に分けて遂行する。1.構成的測度論の超準解析的議論の枠組みを作ることを目的として、本年度はこれまでの仕事の整理と新しい研究情報の交換を行い、次年度以降に備えた。2.計算可能な閉集合と1-ランダムの関係について、海外協力者の協力を得て、次数構造の性質について調べた。3.決定木について、特に入力ビットに0、1が割り振られる確率が独立である場合に限定して複雑性の変化について研究した。4.アルゴリズム的情報理論の統計理学的解釈について研究した。5.無限ゲームの基礎については、これまでの仕事の整理と情報収集をしながら、グラフ上の確率ゲームについても研究した。本年度は次の5つの小課題に分けて研究を遂行した。1.超準解析の論理的基礎について、構成的測度論の超準解析的議論の枠組みを検討した。2.ランダム性の概念に基づいた新たな還元可能性による計算構造について調査した。3.決定木について、特に各ビットに0、1が割り振られる確率が独立である場合の計算複雑さに関する劉=田中の予想を分担者の鈴木が解決し、小課題の中心的研究を完成した。4.停止確率Ωを通してアルゴリズム的ランダム性と統計力学を結びつける研究が完了した。5.ゲーム理論の論理的基盤を研究し、さらに確率的ゲーム論の複雑さを分析した。本年度は次の5つの小課題を中心に研究を遂行した。1.超準解析の論理的基礎について、計算可能な力学系を扱うことで、アルゴリズム的ランダム性とエルゴード性との関係を調べた。2.ランダム性の概念に基づく圧縮可能性の観点から新たな還元可能性を導入し、それによる次数構造と、従来の次数構造の関係を調査した。3.決定木について、特に各ビットに0、1が割り振られる確率が独立である場合の計算複雑さについて調べた。4.停止確率Ωを一般化した様々な熱力学的量を導入し、その不動点の性質を明らかにして、アルゴリズム的ランダム性と統計力学を結び付ける理論を推進した。5.確率論とゲーム論が本質的な役割を果たす暗号の安全性概念に対して、アルゴリズム的ランダムネスを適用した。確率論的なランダム性をアルゴリズム的ランダム性に置き換え、更には、ランダム性を計算可能化する理論について探求した。そのため、本領域の研究が盛んな諸外国との交流を促進すると共に、将来を担う人材の育成と周辺分野との連携強化を図り、研究の基盤を固める。本研究はいくつかの小課題に分けて研究を遂行してきたが、その中でゲーム決定木に関する研究とアルゴリズム的ランダム性に関する研究は平成25年度までで主な目的を達成した。

また、超準解析の論理的基礎と逆数学的確率論、ならびにランダム性の概念に基づいた計算構造についての研究は、代表者の指導による学生たちの博士論文において優れた成果が得られており、人材育成という面からも当初の目的を達した。最後に、ゲーム理論の論理的基礎や確率ゲームについては今後の発展を期するレベルに終わったが、次の研究計画に引き継ぐために問題点を講究し、多方面の研究者と情報交換を行い、研究の総括を行った。また、新たな外国人学振研究員が研究室に加わったこともあり、これまでの路線を踏まえつつ、次年度に向けてグループの研究方針を策定した。2015年3月、英国Leeds大学のS. Wainer名誉教授らを仙台に迎えて、代表者の研究グループの成果について概要を説明して評価を受けた。とくに若手人材が育っていることが高く評価された。26年度が最終年度であるため、記入しない。数学基礎論26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究のねらいは、数学基礎論的方法、とくに超準モデルを用いる手法により、ランダム性のダイナミズムを巨視的かつ組織的に捉え、ランダム性に対する理解を一層深めると共に、その根底にある確率やゲームの基本概念に対して新たな計算論的知見を得ることにある。そのため、この領域の研究が盛んな諸外国との交流を促進すると共に、将来を担う人材の育成と周辺分野との連携強化を図り、研究の基盤を固める。とくに初年度である本年度においては、国内外の先端研究者と先行研究について情報交換をし、研究の方策を検討することを主要目的の一つとした。それが順調に進展している理由としては、2月20日23日に東京晴海で開催した国際会議Workshop on ProofTheory and ComputabilityTheory 2012において、海外の研究協力者3名や代表者の研究グループの10名の大学院生を含め、20人以上が講演を行い、活発な討議がなされたことがある。それ以外にも、本研究のメンバーは個々に多数の会議にした。国内外の先端研究者と先行研究について情報交換をし、研究の方策を検討することは重要な目的の一つであり、それが順調に進展している証拠としては、昨年度同様東京工業大学で国際研究集会Computability Theory and Foundations of Mathematicsを主催し、今回期日を一日延ばして2月17日20日とし、さらにパラレル・セッションを用意するなどして多くの参加者による講演が行われた。また決定木についての劉=田中の予想が解決するなど、研究計画はほぼ順調に完成に向かっている。
ゾルゲル法によるチタン酸バリウム半導体薄膜の調製と半導体-絶縁体転移機構の解明

本研究課題における実験は、基本的に3つの部分から成る。即ち、(1)金属アルコキシドを用いたゾルゲル法によりBaTiO_3強誘電体薄膜の形成(2)BaTiO_3強誘電体薄膜の半導体化あるいはドナー添加BaTiO_3半導体薄膜の直接合成(3)得られたBaTiO_3半導体薄膜の特性評価である。以下にこれらの実験項目に対して本研究で得られた成果について記す。(1)の実験については、(1)Ba-エトキシドとTi-イソプロポキシドを用いてゾル溶液を調製し、スピンコート法によりMgO単結晶基板上に製膜した後、600900°C、大気中で焼成することにより、膜質の非常に良好な(110)面に強く配向したBaTiO_3単相薄膜(膜厚0.5μm以下)を作製することができた。(2)スピンコート、焼成を多数回繰り返し、半導体化を容易にするために1μm以上の膜厚を持つ薄膜を得た。この薄膜は配向性は低下したが、依然として単相であるものが得られた。(3)MgO単結晶基板上にBaPbO_3(金属導電性物質で、下地電極として用いる)薄膜を形成すると、(110)面に強く配向した膜が得られ、その上にBaTiO_3薄膜を形成することにより同じく(110)面に強く配向した膜を得ることに成功した。以上の実験については、ドナー元素(La)添加、無添加いずれの薄膜についても同じ結果が得られた。(2)の実験は、未だ世界でも成功例のないものであり、本研究においても目的とする成果は得られていないが、以下のような知見を得た。即ち(1)(1)で得られたLa添加、無添加BaTiO_3薄膜をN_2/H_2雰囲気中1350°Cで還元焼成を行ったが、MgO基板上に製膜したものはいずれも半導体化することができなかった。(2)La添加BaTiO_3薄膜を絶縁体BaTiO_3セラミックス基板上に形成した場合は、1350°C大気中焼成においても半導体化することができたが、膜の形態は非常に悪く、基板との反応を示唆するものであった。この(2)の実験における(2)の結果は、これまで全く見いだされたことのない新しい現象であり、BaTiO_3膜の作成条件及びその焼成条件の適正化により、目的とするBaTiO_3半導体膜の作製が可能であることを示唆する重要な結果である。(3)の実験については、評価に耐えるBaTiO_3半導体体薄膜が得られていないので、予備実験として得られた絶縁体薄膜についてその誘電性についての評価を行った。その結果、室温で明確な強誘電性は示さなかったが、高誘電率を示す誘電体薄膜が得られていることが確認できた。

(3)の実験については、評価に耐えるBaTiO_3半導体体薄膜が得られていないので、予備実験として得られた絶縁体薄膜についてその誘電性についての評価を行った。その結果、室温で明確な強誘電性は示さなかったが、高誘電率を示す誘電体薄膜が得られていることが確認できた。
びまん性冠動脈病変に対する血管ならびに脂肪組織移植による革新的血行再建法の開発

ヒトびまん性冠動脈疾患の病態生理を明らかにするために、摘出冠動脈サンプルを組織学的に観察した。びまん性病変の病態においては、血管壁における増強した慢性炎症を基盤としており、そこには、マクロファージやTリンパ球の浸潤が認められ、病変内血管新生が亢進していることが明らかとなった。そこで、「従来の技術では血行再建不能なびまん性冠動脈病変」に対する自己血管と脂肪組織移植による革新的治療法開発を開始した。糖尿病などを原疾患としてびまん性冠動脈病変を発症し、従来の血管形成術やバイパス手術では血行再建が不可能である症例が増加している。このような症例は、現在のところ心移植しか有効な治療法はないが、日本においてはドナーが絶対的に不足している。このような症例に対して、内胸動脈などを移植することで新規に冠動脈を形成すると同時に病変部周囲脂肪組織を置換して動脈硬化に強い環境を創出する革新的血行再建法の開発を目的にした。まず、ヒトびまん性冠動脈疾患の病態生理を明らかにするために、on lay patch法と呼ばれる、「びまん性冠動脈病変の内膜摘出し、自己内胸動脈を摘出冠動脈の天井部分にパッチとして冠動脈を形成する手術」によって得られるサンプルを組織学的に観察した。また、慢性炎症は血管壁のみでなく、冠動脈を覆う心臓周囲脂肪組織にも波及していた。さらにマウス大腿動脈のワイヤー傷害モデルにおいて、周囲脂肪組織が病変形成に及ぼす影響を検討した。痩せたマウスの皮下脂肪移植では病変形成が抑制され、肥満マウスの内臓脂肪移植では病変形成が促進することがわかった。また、アディポネクチンの発現低下と炎症性サイトカインの発現亢進が、病変形成促進作用に関与していることが明らかとなった。以上の基礎的な裏付けをもとに、「従来の技術では血行再建不能なびまん性冠動脈病変」に対する自己血管と脂肪組織移植による革新的治療法開発を開始した。まず、豚に食餌性高脂血症を誘導して、バルーン擦過によるびまん性冠動脈病変の作成に着手した。今後、脂肪、血管の移植手術の手技の確立、長期予後などの解析を行なっていく予定である。
一般住民における腸内細菌と動脈硬化関連因子の関係解明

近年、宿主の健康と密接関連している腸内細菌は、動脈硬化関連因子と関連があることが報告されている。しかし、一般地域住民を対象にした疫学調査で関連を明らかにした研究は少ない。そこで、本研究は、一般地域住民を対象に腸内細菌叢のメタゲノム解析を実施し、腸内細菌の機能と動脈関連因子である肥満、血圧、糖代謝、脂質代謝、内臓脂肪との関連を明らかにすることを目的とした。これにより、腸内細菌に影響を与える性差、年齢、食物摂取内容を考慮した上で関係を明らかにすることが可能であり、腸内細菌の機能改善を介した男女別、各年代の新たな動脈硬化予防のアプローチ方法を提案することができると考える。本研究は、青森県弘前市岩木地区の20歳以上の地域住民約1,000人を対象とした縦断的大規模疫学調査である岩木健康増進プロジェクト・プロジェクト健診と連携のもとに実施する。このプロジェクト健診では、平成26年度から腸内細菌の次世代シークエンサーで解析しており、本研究課題を申請している3年間で得られたデータを踏まえて本研究目的を実施することになる。研究対象者は、平成26年度から平成28年度までの3年間で継続受診した654名のうち腸内細菌測定者であり、かつ、本研究期間である平成29から平成31年に健診を受診した基礎疾患を持たない65歳以上の約100名と考えている。研究を開始した平成29年度同様に、平成30年度も問診や血液検査などを1,056名に対して実施した。問診は、自記式質問紙調査により生活習慣(食事、睡眠・休養、飲酒、喫煙、肥満など)を調査し、特に食事については、食事接種頻度調査票を用い、接種頻度、食事摂取量、接種栄養素を調査した。動脈硬化関連因子については、体組成、四肢血圧、内臓脂肪測よりデータを得た。そして、調査で得られたデータ、平成2628年度のデータを、最終年度の解析に向けてデータ整理を行った。比較検討する対象者を平成29年度、平成30年度である程度の人数を追跡することができており、昨年度課題として挙げられた腸内細菌の解析データについても、解析可能な段階に来ているため、概ね当初の研究計画通りに実施できていると考える。最終年度である平成31年度は、これまで同様に健康診査を主とした問診や血液検査の他に、腸内細菌測定を実施する。具体的には、昨年まで同様であるが、自記式質問紙調査により生活習慣(食事、睡眠・休養、飲酒、喫煙、肥満など)を調査し、特に食事については、食事接種頻度調査票を用い、接種頻度、食事摂取量、接種栄養素を調査する。また、動脈硬化関連因子については、体組成測定、四肢血圧測定、内臓脂肪測定を実施する。そして、腸内細菌測定は一人あたりの検査費も高いこともあり、予算の可能な範囲で、かつ平成26年平成28年度に受診し、平成29年・平成30年にデータが得られた対象に実施できるように配慮する。また、弘前大学COIが獲得しているセンターオブイノベーション(COI)プログラム-文科省・科学技術振興機構(JST)「脳科学研究とビックデータ解析の融合による画期的な疾患予兆発見の仕組み構築と予防法の開発」の研究費により捻出することも考えられる。そして、そこで得られたデータを基に、腸内細菌と動脈硬化関連因子の関連を解析していく予定である。近年、宿主の健康と密接に関連している腸内細菌は、動脈硬化関連因子と関連があることが報告されている。そこで、本研究は、一般地域住民を対象に腸内細菌叢のメタゲノム解析を実施し、腸内細菌の機能と動脈関連因子である肥満、血圧、糖代謝、脂質代謝、内臓脂肪との関連を明らかにすることを目的とする。平成29年度は、1,073名に対して健康診査を主とした問診や血液検査などを実施した。問診は、自記式質問紙調査により生活習慣(食事、睡眠・休養、飲酒、喫煙、肥満など)を調査し、特に食事については、食事摂取頻度調査票(BDHQ)を用い、摂取頻度、食事摂取量、摂取栄養素を調査した。動脈硬化関連因子については、体組成測定、四肢血圧測定、内臓脂肪の測定を行うことにより解析を実施した。平成26平成28年に受診している654名のうち、平成29年度も受診した方は554名であり、継続した生活習慣の変化などを観測することが可能であると考えられる。そのためデータ数としては問題ないと考える。

しかし、腸内細菌の解析結果については、現在解析を依頼している途中であり、平成26年平成28年のデータ整備がまだできていない。今後もこの点については進めていき、データを整備していきたいと考える。近年、宿主の健康と密接関連している腸内細菌は、動脈硬化関連因子と関連があることが報告されている。しかし、一般地域住民を対象にした疫学調査で関連を明らかにした研究は少ない。そこで、本研究は、一般地域住民を対象に腸内細菌叢のメタゲノム解析を実施し、腸内細菌の機能と動脈関連因子である肥満、血圧、糖代謝、脂質代謝、内臓脂肪との関連を明らかにすることを目的とした。これにより、腸内細菌に影響を与える性差、年齢、食物摂取内容を考慮した上で関係を明らかにすることが可能であり、腸内細菌の機能改善を介した男女別、各年代の新たな動脈硬化予防のアプローチ方法を提案することができると考える。本研究は、青森県弘前市岩木地区の20歳以上の地域住民約1,000人を対象とした縦断的大規模疫学調査である岩木健康増進プロジェクト・プロジェクト健診と連携のもとに実施する。このプロジェクト健診では、平成26年度から腸内細菌の次世代シークエンサーで解析しており、本研究課題を申請している3年間で得られたデータを踏まえて本研究目的を実施することになる。研究対象者は、平成26年度から平成28年度までの3年間で継続受診した654名のうち腸内細菌測定者であり、かつ、本研究期間である平成29から平成31年に健診を受診した基礎疾患を持たない65歳以上の約100名と考えている。研究を開始した平成29年度同様に、平成30年度も問診や血液検査などを1,056名に対して実施した。問診は、自記式質問紙調査により生活習慣(食事、睡眠・休養、飲酒、喫煙、肥満など)を調査し、特に食事については、食事接種頻度調査票を用い、接種頻度、食事摂取量、接種栄養素を調査した。動脈硬化関連因子については、体組成、四肢血圧、内臓脂肪測よりデータを得た。そして、調査で得られたデータ、平成2628年度のデータを、最終年度の解析に向けてデータ整理を行った。比較検討する対象者を平成29年度、平成30年度である程度の人数を追跡することができており、昨年度課題として挙げられた腸内細菌の解析データについても、解析可能な段階に来ているため、概ね当初の研究計画通りに実施できていると考える。平成30年度も同様に、健康診査を主とした問診や血液検査などを実施する。問診は、自記式質問紙調査により生活習慣(食事、睡眠・休養、飲酒、喫煙、肥満など)を調査する。特に食事については、食事摂取頻度調査票を用い、摂取頻度、食事摂取量、摂取栄養素を調査する。動脈硬化関連因子については、体組成測定、四肢血圧測定、内臓脂肪により測定する。また、データについても整備を進めていき、年度ごとの解析を実施していきたいと考える。最終年度である平成31年度は、これまで同様に健康診査を主とした問診や血液検査の他に、腸内細菌測定を実施する。具体的には、昨年まで同様であるが、自記式質問紙調査により生活習慣(食事、睡眠・休養、飲酒、喫煙、肥満など)を調査し、特に食事については、食事接種頻度調査票を用い、接種頻度、食事摂取量、接種栄養素を調査する。また、動脈硬化関連因子については、体組成測定、四肢血圧測定、内臓脂肪測定を実施する。そして、腸内細菌測定は一人あたりの検査費も高いこともあり、予算の可能な範囲で、かつ平成26年平成28年度に受診し、平成29年・平成30年にデータが得られた対象に実施できるように配慮する。
破砕木片の腐朽過程における牧草根系、土壌動物および土壌微生物相の推移

表記の課題を検討するため青森県の山間地の不耕起造成試験地で造成前後の調査分析を行い、下記の結果を得た。(1)造成前後の中型土壌動物相の推移:造成直前のトビムシおよびダニ目は10^4匹/m^2前後であったが、造成直後には10^3匹/m^2前後、とくに木片の多い地点ではほとんど認められなくなった。しかし、造成3か月後の10月には造成直後よりは僅かに増加した。また、ダニ目の割合は造成前の粗腐植層では50%前後、表層土壌では20%前後であったが、造成直後には50%前後に増加した。(2)造成前後の土壌微生物相の推移:造成前の細菌、放線菌および糸状菌の菌数は乾土1gあたりの対数では各6、6および4のオ-ダ-であった。造成直後には、これらの菌数はいずれの菌種でも1づつ増加したが、木片の多い区では少ない区に比べて1前後小さくなった。(3)造成後の土壌微生物相の季節的推移:細菌および放線菌は10^78、糸状菌は10^56、セルロ-ス分解菌は10^67g/乾土の範囲で5月から10月まで漸増した。セルロ-ス分解菌は破砕木片のない草地より僅かに多かった。(4)セルロ-スの分解過程における各菌数および微生物バイオマスCの推移:現地および恒音恒湿室内の土壌に埋設したベンチコ-トシ-トは5060日後にはほとんど分解し、その分解速度は2030日後および4050日後の二つの時期が大きかった。細菌、放線菌、糸状菌および微生物バイオマスCはこれらの時期に増加したが、セルロ-ス分解菌は2030日後のみ増加し、4050日後はむしろ減少した。(5)土壌動物相の生態型の特徴:ダニ目は10^45、トビムシ目は10^35、およびセンチュウ鋼は10^47/m^2でそれぞれ推移し、ダニ目およびセンチュウ鋼は秋にかけて増加した。センチュウ鋼はいずれの層位でも認められたが、ダニ目およびトビムシ目は表層でのみ認められた。センチュウ鋼は淡水や水辺あるいは湿った土壌を好むものが認められた。平成2年度の研究計画で述べた6項目のうち、1から4までの現地試験区設定および造成前後の試料採取・分析を行なった。以下、各項目について概要を述ベる。(1)不耕起造成試験地および対照地の選定:青森県中央部の山間地の広葉樹林内(上北郡天間林村)の七戸畜産農業協同組合の放牧場の造成予定地内に、面積約0.31haの試験地を設定した。またこれに隣接する林地を対照地として選定した。(2)造成前後の試験地の植生、土壌等の調査および試料採取:造成前、造成直後および造成後の適当な時期に植生等を調査後、土壌および木片試料を採取した。(3)ツルグレンおよびべ-ルマン法による中型土壌動物の抽出および同定・計数:

造成直前の試験区のトビムシおよびダニ類は10,000匹/m^2前後であったが、造成直後には3,000匹/m^2前後、とくに木片の多い地点では、ほとんど認められなくなるほどに減少した。しかし、造成3か月後の10月には5,000匹/m^2前後と造成直後よりは増加した。また、ダニ類の割合は造成前の表層土壌では20%前後であったが、造成直後には50%前後に増加した。造成前の粗腐植層のそれは50%前後であったことから、造成によって粗腐植層の大部分が表層土壌と混合されたためと推察された。(4)希釈平板法による土壌試料中の細菌、放線菌および糸状菌の菌数測定:造成前の細菌、放線菌および糸状菌の菌数は乾土1グラムあたりの対数ではそれぞれ6、6および4のオ-ダ-であった。造成直後には、これらの菌数はいずれの菌種でも1づつ増加した。しかし、木片の多い区では少ない区に比べて1前後小さくなった。また、細菌および放線菌のうち低栄養型のDNB菌と高栄養型のNB菌とでは、木片の多少による反応が異なっていた。以上のことから造成時の土壌撹乱は微生物相が増殖しやすい条件を与えるが、破砕木片の存在はむしろ菌数を減少させる働きが強いと推察された。平成3年度の研究計画で述べた3項目のうち、2つにいてはとくに土壌動物および土壌微生物相の季節的推移について、また3については木片のかわりにベンチコ-トシ-トを用いたセルロ-ス分解モデル実験を行なった。以下、結果の概要を述べる。(1)土壌中の細菌、放線菌、糸状菌およびセルロ-ス分解菌の生菌数の季節的推移:北里大学SB工法で造成した不耕起草地の表層土壌中の低栄養型の細菌および放線菌(DNB菌)は10^∧78、糸状菌は10^∧56、セルロ-ス分解菌は中間の10^∧67g/乾土の範囲で5月から10月まで漸増した。セルロ-ス分解菌数は破砕木片に富む草地および林地表層土壌のほうが、一般的な工法で造成した草地より僅かに多かった。(2)セルロ-スの分解過程における各菌数および微生物バイオマスCの推移:現地および恒音恒湿室内の土壌に埋設したベンチコ-トシ-トは5060日後にほとんど分解し、その分解速度は2030日後および4050日後の二つの時期が高かった。細菌、放線菌、糸状菌および微生物バイオマスCはいずれの時期にも増加したが、セルロ-ス分解菌は2030日後のみに増加し、4050日にはむしろ減少した。セルロ-スの分解は初期と後期とに分かれ、初期にはセルロ-ス分解菌が主体的に分解を進めるが、後期にはセルロ-ス分解菌よって分解された糖などが増加するため、他の菌の関与がより大きくなると推察された。(3)土壌動物相の生態型の特徴:中型土壌動物相は710月までにダニ目は10^∧45、トビムシ目は10^∧35、およびセンチョウ綱は10^∧47/m^2でそれぞれ推移した。ダニ目およびセンチュウ綱は秋にかけて増加した。センチュウ綱はいずれの層位でも認められたが、ダニ目およびトビムシ目は表層でのみ認められた。センチュウ綱は林地区では苔や高等植物の地下部あるいは寄生虫に寄生するような種が多かったが、草地では寄生虫に寄生するものは認められず、淡水や水辺あるいは湿った土壌を好むものが認められた。
再生医学の外科への応用-hepatic stem cellによる肝細胞移植の研究

1)ES細胞より肝細胞の分化誘導に関する研究前年度までの研究で、我々はマウスES細胞より胚様体細胞を経由してアルブミン産生細胞を分化させることに成功した。この細胞は尿素合成能、アンモニア分解能を持ち、肝細胞にきわめて近い細胞と考えられた。この細胞をC57BL/6マウスに肝障害の条件下細胞移植したところ生着し、アルブミンを産生した。しかしながら、同時に20-30%の頻度で奇形腫の発生をみた。今回、奇形腫発生を抑制するために、細胞のセレクションを行った。まず、胚様体細胞より単層細胞培養を行い15日目に分離し、パーコール法により比重で細胞をセレクションした。この細胞群はoct3/4の発現はネガティブであった。この細胞を上述の肝障害モデルマウスに移植したところ奇形腫の発生は認めなくなった。以上より、ES細胞より奇形腫の発生しない細胞群の回収が可能になった。また、さらにこの細胞群をFACS, MACSを使用し他の血球成分を除去することによりアルブミン陽性細胞を多く得ることが可能になった。また、これらの細胞は四塩化炭素による強い肝障害マウスにおいて凝固因子を有意に増加させることが判明した。2)カニクイザルES細胞ES細胞の臨床応用を目指して霊長類カニクイザルES細胞から肝細胞の分化誘導を試みた。霊長類ES細胞の分化誘導はマウスES細胞の分化誘導と異なる方法が必要であるが、我々の方法でアルブミン産生細胞を誘導することができた。3)血からの肝細胞の分化誘導我々は膀帯血からの肝細胞分化誘導に成功したが、アルブミンとCK-18、アルブミンとCK-19を発現する2種類の細胞を確認した。現在、胆管上皮細胞に分化誘導が可能かどうか研究中である。EBはオスマウス由来であるのでメスのレシピエントの細胞と区別するためY-chromosomeのFISHを行った。また、アルブミン産生を確認するためにアルブミンの免疫染色を行った。EB細胞は2AAF投与群と非投与群に分けて経脾的門脈投与を行い、投与後4週間でsacrificeした。2AAF投与群ではEB day6の細胞で脾臓に6匹中3匹にteratomaの発生を見た。また、肝臓には6匹中1匹にteratomaを認めた。これらのこれらの組織内にはY-chromosomeを含みalbuminに染色される細胞はなかった。しかし、EB day9の細胞を投与した群では脾臓に5匹中1匹にteratomaの発生を認めたが、肝臓にはtomtomaの発生は認めなかった。また、この肝臓にはY-chromosomeを含みalbuminに染色される細胞を認めた。なお、2AAF非投与群ではteratomaの発生率は有意に低かった。in vivoの状況でEB cellsはalbumin産生するhepatocyte like cellsへ分化が確認された。Teratomaの発生は重大な問題であるが、投与する細胞の培養条件・レシピエントでのhepatocyte like cells誘導条件を変えることによりteratomaの発生を抑制することが可能であることが示された。1)生体におけるES由来胚様体細胞及びヒト臍帯血有核細胞の肝細胞への分化誘導実験動物に肝再生の誘導をかけて細胞を移植し、生体内で肝細胞への分化誘導を試みた。マウスに1週間前に2-AAFを投与し、30%肝切を行いES由来胚様体細胞及びヒト臍帯血有核細胞を注入し、肝細胞への分化を検討した。

ES由来胚様体細胞、ではC57BL/6マウスを使用しES細胞由来の肝細胞であるかどうかはレシピエントにメスを使用しFISH法でES由来Y染色体を確認した。ヒト臍帯血由来細胞ではNOD/SCIDマウスを使用し、肝臓への生着はヒトX染色体をプローブに用いたfluoresence in situ hybridizationとヒトアルブミン特異抗体、ヒト肝細胞特異抗体による免疫組織染色によって確認した。これらの実験からマウス肝臓内に、ES由来胚様体細胞およびヒト臍帯血有核細胞由来のアルブミンを産生する細胞の、生着・分化・増殖が確認できた。この結果より、障害肝の生体内でヒト臍帯血有核細胞から肝細胞への分化誘導が確認できた2)マウスES細胞由来胚様体(EB)から単離した肝細胞の単層培養すでに、マウスES細胞からHanging drop法で得たEBの接着培養によって肝細胞を誘導することに成功している。このHanging dropから15日目の接着培養EBをトリプシン処理し、単離・単層培養を試みた。単層培養した細胞は増殖し、免疫染色において高頻度にアルブミン陽性細胞が認められた。その内、CYP1A2を共発現している細胞も認められ、これらの細胞は形態的にも肝実質細胞と類似していた。本研究によって、マウスES細胞由来EBから肝実質細胞を単離・単層培養し増殖させることが可能となった。3)肝非実質細胞との共培養によるhepatic stem cell、肝細胞の分化誘導の検討ヒト肝臓星細胞由来細胞株LI190などをインサート膜上で共培養し、ヒト臍帯血由来細胞の肝細胞への分化誘導を試みた。共培養では樹枝状突起を持つ細胞が誘導されて、形態から樹状細胞であることが推測された。我々の系では共培養により肝細胞の誘導が顕著になることはなかった。1)ES細胞より肝細胞の分化誘導に関する研究前年度までの研究で、我々はマウスES細胞より胚様体細胞を経由してアルブミン産生細胞を分化させることに成功した。この細胞は尿素合成能、アンモニア分解能を持ち、肝細胞にきわめて近い細胞と考えられた。この細胞をC57BL/6マウスに肝障害の条件下細胞移植したところ生着し、アルブミンを産生した。しかしながら、同時に20-30%の頻度で奇形腫の発生をみた。今回、奇形腫発生を抑制するために、細胞のセレクションを行った。まず、胚様体細胞より単層細胞培養を行い15日目に分離し、パーコール法により比重で細胞をセレクションした。この細胞群はoct3/4の発現はネガティブであった。この細胞を上述の肝障害モデルマウスに移植したところ奇形腫の発生は認めなくなった。以上より、ES細胞より奇形腫の発生しない細胞群の回収が可能になった。また、さらにこの細胞群をFACS, MACSを使用し他の血球成分を除去することによりアルブミン陽性細胞を多く得ることが可能になった。また、これらの細胞は四塩化炭素による強い肝障害マウスにおいて凝固因子を有意に増加させることが判明した。2)カニクイザルES細胞ES細胞の臨床応用を目指して霊長類カニクイザルES細胞から肝細胞の分化誘導を試みた。霊長類ES細胞の分化誘導はマウスES細胞の分化誘導と異なる方法が必要であるが、我々の方法でアルブミン産生細胞を誘導することができた。3)血からの肝細胞の分化誘導
特異積分とその応用

(1)古典的直交級数について.実数直線の開区間上の重み付きハーディ空間において,ヤコビ級数に対する移植定理と乗子定理を示した.これは,重み付きのL^P空間におけるMuckenhouptの結果を,重み付きハーディ空間にまで拡張したものである.ヤコビ級数に対して,古典的な場合を含むハーディの不等式を示した.ハンケル変換に関する移植作用素がハーディ空間において有界であることを示した.(2)重み付きHardy空間の函数論的な特徴付け.実数直線の開区間上の重み付きハーディ空間について,特殊の場合に、正則関数のなす古典的なハーディ空間に対するBurkholder-Gundy-Silversteinの定理と同様の定理が成り立つことを,B.MuckenhouptとE.M.Steinが超球多項式による関数展開に関する考察から導入した一般化正則関数を用いて,示した.積分核に対する弱い仮定の下で,これらが,重み付きの空間やCampanato空間での評価を持つことを示した.(4)関数方程式への調和解析と実解析の応用.(1)古典的直交級数について.実数直線の開区間上の重み付きハーディ空間において,ヤコビ級数に対する移植定理と乗子定理を示した.これは,重み付きのL^P空間におけるMuckenhouptの結果を,重み付きハーディ空間にまで拡張したものである.ヤコビ級数に対して,古典的な場合を含むハーディの不等式を示した.ハンケル変換に関する移植作用素がハーディ空間において有界であることを示した.(2)重み付きHardy空間の函数論的な特徴付け.実数直線の開区間上の重み付きハーディ空間について,特殊の場合に、正則関数のなす古典的なハーディ空間に対するBurkholder-Gundy-Silversteinの定理と同様の定理が成り立つことを,B.MuckenhouptとE.M.Steinが超球多項式による関数展開に関する考察から導入した一般化正則関数を用いて,示した.積分核に対する弱い仮定の下で,これらが,重み付きの空間やCampanato空間での評価を持つことを示した.(4)関数方程式への調和解析と実解析の応用.領域上のHardy空間で特異積分作用素を考えることに成果があった。このことに関しては既に、Chang-Krantz-Stein(1993)、Chang-Dafni-Stein(1999)による研究があったが、彼等とは違う設定のHardy空間において特異積分作用素が有効に扱えることがわかった。我々の設定では領域上にdoubling conditionをみたす測度が与えられているとし、領域上のdistributionに対して最大関数を定義し、最大関数が与えられた測度に関してp乗可積分であるようなdistributionの全体をもって、Hardy空間と定義する。これはStromberg-Torchinsky(1989)によるユークリッド空間上の重み付きHardy空間を領域上の空間へ一般化したものである。このHardy空間について、アトム分解、関数の掛け算、領域の微分同相写像による変数変換、等の基本的な性質を確立した。さらに、領域が1次元の開区間(0,π)で測度がθ^a(π-θ)^bdθという場合の我々のHardy空間を用いて、Jacobi級数に対する移植定理を示すことができた。この移植定理は、重み付きのL^P空間(1<P<∞)の場合にMuckenhoupt(1986)が示した定理の自然な一般化になっていて、われわれの導入した領域上の重み付きHardy空間に特異積分作用素がうまく作用することを示している。他に、Jacobi級数に関するHardyの不等式、楕円型偏微分作用素の固有値の評価、Lieb-Thirring不等式の低次元での一般化、特異積分とLittlewood-Paley関数に関する不等式の証明、臨界Sobolev不等式とその非線型方程式への応用、Lipschitz領域でのStokes問題、外部領域でのNavier-Stokes flowの研究、などに研究成果があった。Jacobi級数に対して前年度に示した移植定理を改良して,扱うJacobi多項式の指数とH^p空間の重みとに付いていた制限を大幅に緩和した.この改良において特徴的なことは,移植作用素を作用させる関数が或る次数までのcosの多項式と直交するという形のモーメント条件を仮定することにより移植定理の成立する指数と重みの範囲を広げられることである.この事実は重み付きのL^p空間においてはMuckenhoupt (1986)が示していたが,我々はそれを重み付きのH^p空間にまで拡張した.この移植定理は開区間という領域上のH^p空間における特異積分作用素の有界性を主張するものであるが,同様に領域上のH^p空間における特異積分作用素の有界性を示したChang, Krantz, Stein, Dafniによる結果(1993,1999)と次の点で異なる.すなわち,Changらの導入した領域上のH^p空間ではそれに属す関数は実質的にはモーメントの消えるアトムの和の形にアトム分解することができたが,我々の用いたH^p空間はChangらのものより本質的に広く,それに属す関数のアトム分解にはモーメント条件をみたさないアトムが現れる.しかし,作用素を作用させる関数自体がモーメント条件をみたしていれば,その関数をアトム分解したとき現れるアトムそれぞれはモーメント条件をみたさなくてもよいのである.

他に,waveletを応用したSchrodinger作用素の固有値の研究,Jacobi級数に関するHardy型不等式,Campanato空間におけるLittlewood-Paley関数とMarcinkiewicz関数の評価,特異積分作用素や擬微分作用素に対する重み付き評価,微分方程式に対するtangent cone algorithm, Besov空間やTriebel-Lizorkin空間におけるNavier-Stokes方程式の研究,など,多くの成果があった.実数直線の開区間(0,π)上の或る重み付きハーディ空間と,ある種の一般化された正則関数とに対して,正則関数のなす古典的なハーディ空間に対するBurkholder-Gundy-Silversteinの定理と同様の定理を示すことができた.我々の用いた重み付きハーディ空間は開区間(0,π)の内部での最大関数によって定義されるものであり,一般化正則関数は,B.MuckenhouptとE.M.Steinが超球多項式(Gegenbauer多項式)による関数展開に付随して導入したものである.一般化正則関数に対して単位円板の制限された領域で上限をとった最大関数を導入し,実解析的な方法によって,任意の関数を一般化正則関数に関するポアソン核の重ね合わせとして表すことを示して,定理を証明した.この実解析的方法は,以前に,内山明人がFefferman-SteinのH^p空間の理論を斉次型の空間(space of homogeneous type)に拡張するために使った方法を改良したものであるが,基礎となる空間(0,π)が端点を持っていることから,端点付近の評価のために新しい工夫が必要であった.我々の方法は,今のところ,通常の正則関数に対しては不十分な結果しか与えることができず,また,許される重みや超球多項式の指数の範囲がかなり狭い範囲に限られている.しかし,この方法の基礎は実解析的なもので,一般化正則関数の関数論的な性質には特に依存しないものであるので,近い将来,高次元のユークリッド空間の領域上の重み付きハーディ空間の場合へも一般化できるものと考えられる.ほかに,ハーディ空間における線形作用素の有界性に関するいくつかの結果,リトルウッド・ペーリー関数やマルキンケビッチ関数の評価,特異積分作用素やぎ微分作用素の重み付き評価,ヤコビ級数に関するハーディの不等式,などの多くの成果が得られた.実数直線の開区間上で区間内の最大関数によって定義される重み付きHardy空間と、超球多項式級数展開に付随した一般化正則関数との間に、古典的な正則関数のHardy空間に対するBurkholder-Gundy-Silversteinの定理と同様の定理が成り立つ、という結果を、論文にまとめた。この結果自身は、前年度にほぼ確立していたものである。また、ユークリッド空間の領域上の重み付きHardy空間に対して、変数変換と関数の掛け算によって重み付きHardy空間の間の同型写像が定義される場合について、一般的な結果を得た。これは、領域が実数直線の開区間であるという特別な場合においては、前年度までにすでに確立していたものである。今年度は、一般の領域を扱い、さらに、最大関数を定義する試験関数の範囲が領域上のあるLipschitz連続関数で統制されるという一般的な場合にまで結果を拡張した。
フォトクロミック色素マーキング法による界面流動計測法の開発

本研究では,フォトクロミック色素マーキング法を用いて自由表面流れを計測する方法を開発し,液膜噴流や斜面を流下する液膜流れを調べた.フォトクロミック色素の着色点を形成するために,Nd:YAGレーザー(波長355nm)の紫外パルス光を用いた.液膜噴流に4点の着色を行い,その相対的な位置変化から,垂直ひずみや回転運動を評価した.これによって,液膜が分裂に至る前の液膜の変形や回転運動が明らかになった.さらに,傾斜壁面を流下する液膜の表面速度と表面波の速度を測定した.その結果,液膜の表面速度は,表面波が到達前はほとんど一定であるが,波の通過に伴って急激に増加することなどが確認できた.本研究ではフォトクロミック色素を混ぜた流体に紫外光を照射することで流体自身に直接マーキングを行い,その着色部の移動量や変形をもとに流れの特性を計測するフォトクロミック色素マーキング法についての研究を実施している.特に,液体表面の流れ(以下界面流動という)を解析するために,流体表面近傍のみにマーキングする方法を提案し,液体表面の流動特性を解析する手法の確立を目指している.研究内容としては(1)界面流動計測のための計測システムの構築,(2)測定精度の向上,(3)種々の界面流動現象への適用,および、(4)内部流動と界面流動の同時計測手法の開発の4項目に関して研究を実施することを計画してきた.平成24年度では当初の計画通り,計測システムの構築や計測精度に関する様々な検討を実施することができた.平成25年度は,このうち界面流動現象への適用を行う研究を行った.具体的には,液膜噴流を研究対象として,液膜の形成から破断に至る過程で,液膜がたどる変形過程を精密に測定することを試みた.特に,着色点の相対的な位置関係の変化から,流れのひずみ速度や回転などの種々の物理量の算出を行う手法を構築し,液膜の破断現象と液滴の形成過程の解析を行った.さらに,壁面を流下する液膜の流動特性をここで開発した方法で可視化・解析することを試みた.特に,液膜表面に発生する波の速度と液体の流下速度を同時計測した.その結果,波の速度と流体の流下速度の関係を明確にすることができた.また,同時にレーザー吸収法を用いて波形の計測も行い,流下する液膜の流れ構造を詳細に把握することができた.本研究では,フォトクロミック色素マーキング法を用いて自由表面流れを計測する方法を開発し,液膜噴流や斜面を流下する液膜流れを調べた.フォトクロミック色素の着色点を形成するために,Nd:YAGレーザー(波長355nm)の紫外パルス光を用いた.液膜噴流に4点の着色を行い,その相対的な位置変化から,垂直ひずみや回転運動を評価した.これによって,液膜が分裂に至る前の液膜の変形や回転運動が明らかになった.さらに,傾斜壁面を流下する液膜の表面速度と表面波の速度を測定した.その結果,液膜の表面速度は,表面波が到達前はほとんど一定であるが,波の通過に伴って急激に増加することなどが確認できた.本研究はフォトクロミック色素を混ぜた流体に紫外光を照射することで流体自身に直接マーキングを行い,その着色部の移動量や変形をもとに流れの特性を計測するフォトクロミック色素マーキング法についての研究を実施するものである.特に,液体表面の流れ(以下界面流動という)を解析するために,流体表面近傍のみにマーキングする方法を提案し,液体表面の流動特性を解析する手法の確立を目指した.具体的には,液体表面の速度だけではなくせん断,回転,ひずみ速度などの界面流動にかかわる諸量を求める計測手法を構築する.平成24年度には液体噴流と壁面流を対象に実験を行うための実験装置の製作と,フォトクロミック色素マーキング法を用いた計測のための予備実験を実施した.研究の初年度である平成24年度では界面近傍のみの流体にマーキングを行い,その部分の流動特性を計測する手法を確立することを主眼に置いて研究を進めた.研究の前半では照射レーザー光波長を変えながら界面近傍のみをマーキングする実験を実施した.このために必要な照射レーザー光源として,Nd:YAGレーザーを用い,非線形結晶であるBBO結晶を組合せ,第3高調波である355nmや第4高調波である266nmの紫外光を得ることができた.さらに,比較のための窒素レーザーの準備も行った.さらに,測定系として高速度カメラを購入し,計測システム全体の構築も実施した.平成25年度はこれらの装置を用いて実際の界面流動の計測を行う予定である.本研究は,フォトクロミック色素マーキング法によって界面流動の解析を行うための計測方法を構築すること,ならびに,それを用いて具体的な界面流動の解析を行うことを目的としている.研究の初年度である平成24年度は,フォトクロミック色素の濃度や紫外レーザー光の照射条件を最適化することに主眼を置き,様々な流れの解析に適用可能な条件を明らかにすることができた.研究の2年度目には,具体的な測定対象として液体の微粒化現象の基礎となる液膜噴流の流れを解析することにした.液膜噴流の分裂現象を把握するために,液膜の形成から破断に至るまでに液膜にどのような変形過程が発生するかを本研究で構築した方法を用いて計測した.特に,本方法によって液膜上に4点のマーキングを行い,流下とともにそれらの点の相対的な位置関係がどのように変化するかを求め,液膜に作用するせん断流れや伸び,回転等の状態を計測した.