hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高励起領域における励起子ポラリトンボース・アインシュタイン凝縮の研究

励起子ポラリトン凝縮の高励起領域における研究を行った。凝縮閾値の2桁上での振舞いをフォトルミネッセンス時間分解分光により観測し、低励起時の下方ポラリトンエネルギーから高励起になるに従いブルーシフトを起こし共振器エネルギーに近づく事および新しい発光ピークが高エネルギー側に現れる事を観測した。発光の時間ダイナミクスを計算で再現するとともに、高エネルギー側にサイドバンドが現れる一方低エネルギー側に現れない理由を理論的に検討した。その結果、系の非平衡性によりサイドバンドの明るさにアンバランスが現れる事を議論し、高エネルギーピークは電子-正孔間束縛が依然存在する事の示唆と結論した。半導体マイクロ共振器中に生成された励起子ポラリトン凝縮を閾値直上から100倍以上の密度に至るまでの様々な励起密度における振る舞いを実験的に観測することが出来たため、その成果を論文にした(Journal of Physical Society of Japan 82, 084709 (2013))。励起子ポラリトンに用いる励起子生成にはガリウムヒ素量子井戸を用いて行った。励起子束縛は高温において破れるため、量子井戸を埋め込んだ共振器サンプルの温度変化を行う事で、低温励起子ポラリトン凝縮から高温の(通常の半導体)レーザー動作への変化が見られる。我々の研究では、従来考えられていたように低温であってもより高励起領域までレーザーへの転移が起きず特徴的な振る舞いを示す事が、フォトルミネッセンス強度、エネルギー、線幅、また2次相関関数データからわかった。また低温高励起領域では、メインピークとなるエネルギースペクトルの他のサイドバンドスペクトルが高エネルギーにあらわれる実験結果を時間分解分光により観測した。この結果早い崩壊により熱平衡に達しない非平衡系でかつ電子ー正孔対が存在する場合、半導体中多体効果により高エネルギー側にのみ付加的なサイドバンドが現れる事も明らかになった。その結果として対象系は、熱平衡にあるボース・アインシュタイン凝縮体とは異なる新しい相であり、非平衡性が強いレーザーの一種と見なせることがわかった。励起子ポラリトン凝縮を閾値直上からモット密度にまで至る様々な励起密度における振る舞いを実験研究し分類することが出来たため、その成果を論文にした(arxiv:1211.1753)。具体的には、励起子ポラリトンを生じる励起子-共振器光子間強結合の有無による電子-正孔-共振器光系の相分類を行った。励起子生成にはガリウムヒ素量子井戸を用いて行ったが、ガリウムヒ素のような励起子束縛エネルギーが比較的小さい物質では、高温で励起子解離がおきて強結合が破れる。そのため、ガリウムヒ素量子井戸を埋め込んだマイクロ共振器サンプルの温度を変化させる事で、低温の励起子ポラリトン凝縮から高温の(通常の半導体)レーザー動作へとの変化が見られる。我々の研究では、従来考えられていたように低温であってもより高励起領域までレーザーへの転移が起きず、特徴的な振る舞いを示す事が、フォトルミネッセンス強度、エネルギー、線幅、また2次相関関数データからわかった。また低温高励起領域では、特徴的なPLスペクトルが高エネルギーにあらわれる実験結果から、非平衡でかつ電子ー正孔対が存在する場合、半導体中の多体効果により、高エネルギー側にのみ付加的なサイドバンドが現れる事が本研究により明らかになった。その結果として対象としている系は、熱平衡にあるボース・アインシュタイン凝縮体とは異なる新しい相であり、非平衡性が強いレーザーの一種と見なせることがわかった。現在論文準備中である。励起子ポラリトン凝縮体を高励起領域まで強く励起する場合、従来は励起子・強結合の消滅とそれにともなう弱結合半導体レーザー動作への移行という描像で理解されていた。しかし我々はその理解では無理がでる例をフォトルミネッセンスにおいて観測した。具体的には凝縮閾値の20倍を超すような高励起領域では、フォトルミネッセンスが下方ポラリトンから徐々に共振器エネルギーに移行するとともに、高エネルギー側に新しいフォトルミネッセンスピークが現れる事を時間分解分光により観測した。電子ー正孔ー光系におけるBEC-BCSクロスオーバーの場合、高励起領域で依然として電子ー正孔間に束縛があり、束縛エネルギーに対応するエネルギーにおいて新たなフォトルミネッセンスピークが観測される可能性を示した。また計算においてフォトルミネッセンスの示すエネルギーが下方ポラリトンから共振器モードへと徐々に以降してくことを示した。我々の研究では、強結合が保たれたまま高励起領域に達すると上方・下方ポラリトンの2ピークからなるシステムは、Mollowの3重項様の共振器エネルギーにある主ピークと上下エネルギーにあるサイドピークからなる3ピークへと移り変わっていく事が予想されていた。しかし観測出来たピークは2つのみであり、下サイドバンドに対応するピークは観測されなかった。

この理由はマイクロ共振器構造によるポラリトンの短寿命非平衡性から来ており、高励起では上サイドバンドのフォトルミネッセンスはFermi-edge singularityにより増強される一方、下サイドバンドは増強されないという点にある事が示唆される。量子情報平成24年度研究実施計画においては高励起ポラリトンBECが生成される条件を求め、強結合にある事を示すために(レーザーとポラリトンBECとの違いを示す)、次の項目が必要になると挙げている。1.分散関係の測定による有効質量の見積もり。2.閾値付近でのエネルギーシフト測定による、レーザー動作とポラリトンBECの区別。3.高次コヒーレンス関数測定によるコヒーレンスの有無。これらの項目を観測する事で、系の結合状態変化を精密にトレースする事ができるが、これらはすでにクリアーされ既にJPSJにおいて出版されている。研究実施計画でも述べたようにこれまで理論的な研究も詳しくされてこなかった新しい結果であり、物理解明は始まったばかりであるので、理論面からの研究も非常に重要になる。連携研究者とともに共同で実験理論両面からの研究を行うとした。これに関しては大阪大学の小川哲夫教授研究室および分子科学研究所の鹿野豊氏ら理論家との共同研究をスタートさせていたが、彼らとの共同研究の論文を準備し投稿中である。また平成25年度以降は時間分解分光などの光学測定を重点的に行うと計画していた。ストリークカメラによる時間分解分光などに関して既にデータ取得が行われており、完全に走り出している。既に大量の測定データ取得の結果、第一弾の論文投稿は上記理論家との共同研究結果として実験データを合わせて論文投稿を行っている。また、次に実験データをフルセットで提示する論文の準備をしているところである。これらにより概ね順調に進展していると考える。平成24年度研究実施計画において、高励起状態のポラリトンBECが生成される条件を求め、強結合にある事を示すために(レーザーとポラリトンBECとの違いを示す)、次の項目が必要になると挙げている。これらの項目を観測する事で、系の結合状態変化を精密にトレースする事ができるが、これらはすでにクリアーされ既に論文として投稿している。また、Near field分光によって、ポラリトンdoublet→Mollow tripletの詳細な励起密度依存性のPL観測を行ったが、計画でも述べたようにそれ自体が極めて新しい実験結果であり、詳しい物理解明が始まったばかりであるので、理論面からの研究も非常に重要になる。そのために連携研究者とともに共同で実験理論両面からの研究を行う事とした。これに関しては、大阪大学の小川哲夫研究室および分子科学研究所の鹿野豊氏ら理論家との共同研究をスタートさせている。
烏骨鶏特異的遺伝子領域の探索

烏骨鶏は黒色の皮膚や絹糸状の羽を持つなど独特の特徴をもっており、明代にはその肉が漢方薬の材料とされていたが、烏骨鶏の遺伝的な由来や独特の形質の原因遺伝子については全く不明である。そこで、烏骨鶏と白色レグホーンのゲノムDNA間のPCRサブトラクションを実施し、3つのサブトラクションライブラリを構築した。それらのライブラリから178クローンをシーケンスし、86個のユニーククローンを得た。それらのシーケンスをニワトリ全ゲノム配列と比較し、プライマーペアを作成し、PCR-RFLPのシステムを構築した。その結果、13個のPCR-RFLPマーカーにおいて、サブトラクションライブラリに使用した烏骨鶏と白色レグホーンの間で変異が認められた。それらのマーカーについて、烏骨鶏と日本在来鶏、コマーシャル品種について遺伝子型判定を実施した結果、2つのPCR-RFLPマーカーにおいて烏骨鶏と他の品種の鶏の間に遺伝子型頻度に5%水準で有意な違いが認められた。従って、これらのマーカーの近傍を詳細に調べることによって、烏骨鶏の特異的な形質の原因遺伝子を発見できる可能性がある。また、プロラクチン遺伝子のプロモータ領域に存在する24-bpの挿入の有無について、同様の遺伝子型判定を実施した結果、烏骨鶏と他の品種の鶏の間に遺伝子型頻度において5%水準で有意な違いが認められた。また、この座位については24-bpの挿入をホモで持つ烏骨鶏は1羽も存在しないことが示された。このことより、この座位の近傍に、烏骨鶏の特異的な形質の原因となる遺伝変異が存在するのではないかと考えられた。さらに、烏骨鶏の選抜集団において、この座位の遺伝子型と産卵率との関連性を検討した結果、有意な効果は認められなかったことから、烏骨鶏の産卵率を改良するためには、この24-bpの挿入以外の遺伝変異について検討する必要があることが明らかとなった。1羽の烏骨鶏と1羽の白色レグホーンとの間のゲノミックサブトラクションライブラリを、制限酵素がHindIIIでテスターが烏骨鶏のものとテスターが白色レグホーンのもの、および制限酵素がBamHIでテスターが白色レグホーンのもの、計3ライブラリを作成した。ゲノミックサブトラクションライブラリから合計115クローンについて末端シーケンスを行った結果、ゲノム上に重複のない8カ所の多型部位を特定できた。これらの部位にDNAマーカーを開発し、烏骨鶏51羽、日本在来鶏18羽、コマーシャル品種5羽についてタイピングを行ったが.烏骨鶏および他の鶏種ともに品種内の多型性が大きく、今のところ烏骨鶏特異的DNA領域を発見するには至っていない。烏骨鶏などの就巣性を持つ鶏品種に特異的に見られると言われているプロラクチンのプロモータ領域の24bpの挿入について、烏骨鶏51羽、日本在来鶏18羽、コマーシャル品種5羽についてタイピングを行った結果・烏骨鶏は全て24bpの挿入をホモかヘテロで持っており、2羽の白色レグホーンは全て24bpの挿入を持っていなかった。メラニン色素生成に関わる酵素であるチロシナーゼ(tyrosinase)とジヒドロキシインドルカルボン酸オキシダーゼ(TRP1)、およびドーパクロム・トウトメラーゼ(TRP2)について、烏骨鶏の成鶏とロードアイランドレッド×白色プリマスロックのF1の成鶏の各臓器から抽出したtotal RNAによるRT-PCRを実施したところ、チロシナーゼでは烏骨鶏で大腸、大脳、腎臓、浅胸筋と心臓で発現し、F1で大脳と心臓だけで発現していた。

TRP1では烏骨鶏で大腸、大脳、腎臓、浅胸筋と心臓で発現し、F1で大腸、大脳、腎臓と心臓で発現しており、TRP2では烏骨鶏で肝臓、大腸、大脳と腎臓で発現し、F1において肝臓、大脳、腎臓、浅胸筋と心臓で発現した。鳥骨鶏は黒色の皮膚や絹糸状の羽を持つなど独特の特徴をもっており、明代にはその肉が漢方薬の材料とされていたが、鳥骨鶏の遺伝的な由来や独特の形質の原因遺伝子については全く不明である。そこで、鳥骨鶏と白色レグホーンのゲノムDNA間PCRサブトラクションを実施し、3つのサブトラクションを構築した。それらのライブラリから178クローンをシーケンスし、86個のユニーククローンを得た。それらのシーケンスをニワトリ全ゲノム配列と比較し、プライマーペアを作成し、PCR-RFLPのシステムを構築した。その結果、13個のPCR-RFLPマーカーにおいて、サブトラクションライブラリに使用した鳥骨鶏と白色レグホーンの間で変異が認められた。それらのマーカーについて、鳥骨鶏と日本在鶏、コマーシャル品種について遺伝子型判定を実施した結果、2つにPCR-RFLPマーカーにおいて鳥骨鶏と他の品種の鶏の間に遺伝子型頻度に5%水準で有意な違いが認められた。従って、これらのマーカーの近傍を詳細に調べることによって、鳥骨鶏の特異的な形質の原因遺伝子を発見できる可能性がある。また、プロラクチン遺伝子のプロモータ領域に存在する24-bpの挿入の有無について、同様の遺伝子型判定を実施した結果、鳥骨鶏と他の品種の鶏の間に遺伝子型頻度において5%水準で有意な違いが認められた。また、この座位については24-bp挿入をホモで持つ鳥骨鶏は1羽も存在しないことが示された。このことより、この座位の近傍に、鳥骨鶏の特異的な形質の原因となる遺伝変異が存在するのではないかと考えられた。さらに、鳥骨鶏の選抜集団において、この座位の遺伝子型と産卵率との関連性を検討した結果、有意な効果は認められなかったことから、鳥骨鶏の産卵率を改良するためには、この24-bpの挿入以外の遺伝変異について検討する必要があることが明らかとなった。
虚血性脳神経細胞死の分子メカニズム解明

近年、虚血性ストレスによる脳神経系の組織障害が問題となっている。我々は、急性・慢性的な虚血や癲癇性発作等における局所的な脳組織障害の発生に、p53分子を介する脳神経特異的な細胞死へのシグナルが大きく関与していることを明らかにした。p53は、遺伝子損傷や各種の生体ストレスのシグナルによって誘導され、細胞周期、アポトーシス、DNA修復・複製、分化等を制御する多機能性分子としてあらゆる生命科学分野で最も注目されているが、脳神経系細胞における機能の詳細は未だ解明されていない。本研究では、虚血性ストレスによる脳神経組織障害発生のメカニズムを解明する一つの手段として、p53を介して誘導される脳神経細胞死に関連するシグナル分子の検索を行った。即ち、p53正常(+/+),ノックアウト(-/-)マウスの総頸動脈結紮による海馬・線条体神経細胞の虚血性遅延障害モデルを開発し、各脳組織・細胞のプロテオーム及びトランスクリプトーム解析により、虚血性ストレスによる脳神経細胞内におけるp53の動態及びp53有無に付随して発現や翻訳後修飾、機能を調節される分子群を検出・同定し、これらの分子の構造と機能解析を行った。現在までに、プロテオームの手法のうち、2D-DIGE法を用いた結果、約4000個の全蛋白質から213個の特異的な蛋白質(p53遺伝子の有無にかかわるもの93個、虚血性アポトーシスに関わるもの53個、p53およびアポトーシス両者が特異的に関わるもの39個)が検出された。又、cICAT法による解析においては297個の特異的な蛋白質がp53およびアポトーシスに関わる分子として同定された。これらの結果をシグナルネットワーク解析ソフトに供与して特異的p53依存性のアポトーシスシグナル経路を抽出したところ、既存のアポトーシス経路に加え、レドックス関連因子群、notch, wnt, cadherinの関与するシグナル系がユニークな経路として検出された。本研究によってp53及び関連分子の神経細胞死に関わるシグナル伝達機構の一旦が明かになり、これらの分子シグナルの活性を調節する薬剤やターゲット分子が、脳神経系組織障害の予防や治療へ応用できる可能性が示唆ざれた。
大脳新皮質層形成におけるPDK1-Akt経路の機能解析

発生期の哺乳類大脳新皮質において、未分化な細胞から分化したニューロンは生まれた部位から非常に長い距離を移動して目的地に到逹することにより、緻密な層構造を形成する。申請者の前年度までの研究により、PDK1-Akt経路がマウス大脳新皮質においてニューロンの移動を制御し、それに伴った大脳新皮質における層構造形成に重要な役割を果たすことが示唆されていた。しかし、PDK1の下流で活性化するセリンスレオニンキナーゼAktがどのようにニューロン移動を制御するかは明らかになっていなかった。ニューロンの移動には微小管が重要な役割を果たすことが知られている。そこで、PDK1ノックアウトマウス脳を用いて生化学的あるいは細胞培養系を用いた解析を行なったところ、PDK1が微小管安定性を制御することが明らかになった。この結果はPDK1-Akt経路が微小管制御を介してニューロン移動に必須の役割を果たすことが示唆される(学会発表1、2)。申請者の前年度までの研究よりAktの基質として知られるp27がニューロン移動に重要な役割を明らかにした。しかしながら、p27がニューロン移動制御においてAktの基質として機能しているかどうかは不明であった。そこで、Aktの下流でのp27の役割に注目し解析を行なったが、これまでのところそれを示唆する結果は得られていない。Aktはp27以外のタンパク質のリン酸化を介してニューロン移動を制御していると考えられ、現在その候補分子の検討を行っている。発生期の哺乳類大脳新皮質において、未分化な細胞から分化したニューロンは生まれた部位から非常に長い距離を移動して目的地に到達することにより、緻密な層構造を形成する。しかし、PDK1の下流で活性化するセリンスレオニンキナーゼAktがどのような分子を制御することによりニューロン移動を制御するかは明らかになっていなかった。サイクリン依存性キナーゼ(CDK)の活性を阻害することにより細胞周期の進行を負に制御するCDK阻害分子p27は繊維芽細胞の細胞運動も制御することが近年報告された。また、p27はAktによるリン酸化を受ける可能性が示唆されていたので、Aktはp27をリン酸化することによりニューロン移動を制御するのではないかと考えた。しかしながら、p27がニューロンの移動に重要であるかは明らかになっていなかった。そこで、p27のニューロン移動における役割を検討した。子宮内エレクトロポレーション法などの手法を用いて解析を行ったところ、p27がニューロン移動に重要な役割を果たすことが明らかになった。更に、p27と同じCDK阻害分子ファミリーに属し、p27と相同性が比較的高いp57もニューロン移動に重要な役割を果たすことが明らかになった。本研究より、CDK阻害分子p27とp57が大脳新皮質のニューロン移動に重要な役割を果たすことが明らかになった。発生期の大脳新皮質において未分化な細胞がニューロンに分化するとニューロン移動を開始するとともに細胞周期が停止する。p27とp57はニューロン分化と細胞周期停止、ニューロン移動という3つの現象が協調的に起きる上で重要な分子であることが示唆された発生期の哺乳類大脳新皮質において、未分化な細胞から分化したニューロンは生まれた部位から非常に長い距離を移動して目的地に到逹することにより、緻密な層構造を形成する。
沿面放電を利用した面発光デバイスの高発光輝度および高効率化

本研究では,現在プラズマディスプレー(PDP)に利用されているバリア放電とは異なる放電である沿面放電を制御し,従来の液晶, ELやPDPとは異なる新規な表示・発光デバイスを目指している。沿面放電の制御と均一・高輝度な面発光を実現する基礎として,沿面放電特性と発光メカニズムの解明を行い,表示・発光デバイスとして重要な効果であるペニング効果が沿面放電においても発現している可能性があることを見出した。また,放電空間の制限により,より均一で高輝度な面発光が可能であることを示した本研究では,現在プラズマディスプレー(PDP)に利用されているバリア放電とは異なる放電である沿面放電を制御し,従来の液晶, ELやPDPとは異なる新規な表示・発光デバイスを目指している。また,放電空間の制限により,より均一で高輝度な面発光が可能であることを示した沿面放電の発生時においては、広い波長域の発光が放射されているが、これまで行ってきた面発光の研究においては、主として可視域の発光に焦点を当ててきた。そして、ネオン(Ne)ガス中の面状沿面放電において、エネルギー準位の3Pから3Sへの遷移による580nm730nmの波長の赤色発光が得られ、この可視発光のスペクトル強度は沿面放電によって流れる放電電流に関係していることを明らかにした。また、我々のこれまで研究において定量的評価は行っていないが、この可視発光に加えて、沿面放電では紫外光も同時に放射されている。すなわち、本課題は紫外から可視までの広い波長域の光を効率的に発生させ、これらの光を利用し、面発光デバイスとして実用可能なレベルの高輝度を実現すべく検討を行った。これまで検討してきたネオン(Ne)ガスに加えて、Neガスとキセノン(Xe)ガスの混合ガス誘電体を用いて、沿面放電現象の解析を実施した。通常の気体放電ではNeガスへXeガスをわずかに混合すると、ペニング効果による放電開始電圧の低下が見られる。これに対して、NeガスへのXeガスの混合率による沿面放電開始電圧の測定を行った結果、Xeガスの微量混合域において放電開始電圧の低下は見られないが、Xe混合率5%程度までは沿面放電開始電圧は変化しないことが明らかとなった。また、沿面放電発光の様相についても検討を行い、Xeガスの混合量に増大とともに、沿面放電発光スペクトルはNeガス中における580nm730nmの発光から、より広い波長域でスペクトルが得られ、それに対応して赤色から白色に変化した。また、同時に発光強度も強くなり、そのときの沿面放電電流のピーク値も増大指定ことが確認された。今後、得られた結果をもとに、固体誘電体との相互作用等について検討を進め、大きな沿面放電電流、より強い可視発光および紫外発光が得られる条件の探索を行うとともに、発光輝度増強法について検討を行う。前年度に引き続いて,電気的計測および光学的計測の検討により,実験的に固体誘電体沿面における荷電粒子の振る舞い,固体誘電体との相互作用の実像に迫ることによって,より強い発光が得られる条件について検討を進めた。また,面状沿面放電デバイスとしての高輝度を実現するための具体的方策についても下記の2つについて検討した。第一の手法である放電空間の制限による封じ込め効果と紫外光増強については,沿面放電の発生・進展が生じる放電空間が制限された沿面放電において,沿面放電による紫外線が制限された空間に封じ込められ,空間を制限する固体誘電体との相互作用によって沿面放電が助長される可能性がある。この検討として,従来の沿面放電が伸展する誘電体板に加えて,対向する様に誘電体板を配置し,これら2枚の誘電体間の間隔を変えることにより放電可能な空間を制限した。Ne/Xe混合ガス中での放電開始電圧,沿面放電の様子と発光等について検討を進めた。その結果,まず放電開始電圧のXeの混合比依存性において,放電可能な空間を制限した場合, Xe混合率1.5%付近で放電開始電圧が極小となる現象が観測された。また誘電体間隔を狭くするほど顕著に観測されることも明らかとなった。この現象はNe/Xe混合ガス系におけるペニング効果との関連が推測される。さらに,空間を制限していない場合,その放電は弱いグロー的な発光であるのに対して,放電可能な空間を制限するにしたがって,比較的強いストリーマー状の放電発光に変化することも観測された。このことから,放電可能な空間を制限することにより,より強い発光が実現可能であることが示唆された。さらに,第二の方法として,紫外光による蛍光体励起とそれによる可視発光についても,発生する紫外線から可視光を得る代表的手法であり,沿面放電を利用した蛍光体励起についても検討した。
高親和性を有する新規ヘム結合蛋白質のｄｅ　ｎｏｖｏ計算設計とその実験的検証

本研究課題の目的は高親和性を有する新規ヘム結合タンパク質の計算機による設計と実験的検証であった。ヘムは微生物や植物からヒトに至るまで様々な生物が生命の維持活動に利用している、汎用性の高い化学物質であり、一分子のヘムの中に鉄を一原子持つ。また、タンパク質の人工的な創出は、生物物理学だけでなく情報学・統計学も用いて積極的にその理論化を推し進めている分野であり、この研究分野の発展は薬剤としての応用や人工酵素の創出につながる。したがって新規ヘム結合タンパク質の創出は生命活動を根底から支える分子の人工的創出であると言える。その第1段階として、「天然に存在する非ヘム結合性タンパク質を主鎖構造から再設計し、ヘム分子と結合できるよう改変する」ことを初年度の目的とした。まず天然に存在する非ヘム結合性タンパク質として、内部に大きな空隙を持つタンパク質PA3332 (PDB ID: 1z1s)を選択し、ヘムが結合できるだけの十分なスペースを用意するためにC末端のαヘリックスと残基No.34-43に存在するフレキシブルなループ構造をそれぞれβシート構造および最小限のループ構造に改変した。続いてこの主鎖構造をもとに、ヘムとの結合に適するようアミノ酸側鎖の配置を最適化した。これらの条件をもとに、タンパク質モデリングソフトウェアRosetta programsuiteを用いて、アミノ酸の側鎖の改変およびエネルギーに基づく構造最適化を計算機上で行い、改変体をデザインした。最後にデザインしたアミノ酸配列をコードするプラスミドを発注し大腸菌発現系にて発現・精製を試みた。精製タンパク質はヘム結合タンパク質に特有な赤茶色を呈していたことからヘム結合能を一部有していると考えられた。今後さらなる検証と親和性の向上、そしてテンプレート無しでのヘム結合タンパク質の創出に向けた取り組みを進めていくことにしている。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
MRI三次元動画像法による摂食・嚥下動態の解析

高速シネMRIは心拍同期の心臓撮像法(同期サンプル法)を応用した方法である。本研究では高速シネMRI法によって生理的な嚥下運動を撮像する方法を開発し、さらにこれを三次元動画像とした。撮像法は高速field echo法で、TR=33ms、TE=2.2ms、Flip angle=30°、繰り返し回数は2回、断層面の厚さは5mmである。外部トリガーの入力間隔は4秒間隔で10msとし、被験者には3ccの液体を4秒間隔で128回嚥下してもらった。その結果33msで1枚の割合で、計210枚の連続模擬画像が得られたので、これを3次元動画像として再構築した。使用したMRI装置は島津-マルコーニMAGNEX ECLIPSE 1.5T Power Drive250(国際電気通信基礎技術研究所(ATR)脳活動イメージングセンタ所有)で、対象は本研究に対して同意の得られた健常成人2名である。その結果、舌の送り込み運動開始時から165ms後には軟口蓋と喉頭が挙上し(嚥下の口腔期)していた。330ms後では閉鎖して舌根と咽頭後壁が接し、声門も閉鎖しつつあった(咽頭期)。495ms後では、食道入口部の開放が始まっており、嚥下の咽頭期から食道期への移行期と思われた。660ms後では鼻咽腔、咽頭腔、喉頭も開放しつつあり、食道期の終盤と思われた。その後、喉頭の開放はさらに進み、990ms時では、安静時に復帰していると思われた。本研究によって、これまで困難であった嚥下運動(口腔期から咽頭期、食道期まで)を3次元の動画像として描出できたので、各嚥下器官のより正確な動きや所要時間が解析可能になった。今後は本研究の結果を基礎として、嚥下運動のシミュレーションロボットの開発に展開していく考えである。心拍同期の心臓撮像法の原理(同期サンプル法)を発展させた高速シネMRIを応用して、嚥下運動をシネMRIとして描出する方法を開発した。本法の要点は、外部からMRI装置内にリズミカルな電気信号(トリガー)を入れてMRIのスキャンタイミングを制御し、被験者がそのタイミングに同期して嚥下動作を繰り返すことである。今回はトリガーと同期する音響信号(バースト)をスピーカから提示して、被験者にMRIのスキャンのタイミングを知らせた。被験者はトーンバーストに従って嚥下することで、トリガーと同期して嚥下運動を繰り返すことになる。使用したMRI装置は島津-マルコーニMAGNEX ECLIPSE 1.5T Power Drive 250である。パルス系列は高速グラジエントエコー法、TR=33ms、TE=2.2ms、Flip angle=30°、FOV=256mm、NEX=2回、スライス厚さは5mmである。位相エンコーディングは64に設定した。被験者は本研究に対して同意の得られた健常成人1名(25歳男性、個性正常咬合)である。被験者はMRI装置内で仰臥位をとり、口唇には検査液注入用のチューブを固定し、検査者がこのチューブを通して3ccづつ4秒間隔で規則的に検査液を注入した。本研究の結果、嚥下運動の断層の動画像が得られ健常者の嚥下運動の解析が可能になった。

新知見として、嚥下の咽頭期には舌根と咽頭後壁は接しておらず、食道に検査液が流入する前に咽頭に残存していた空気が先に食道に流入していることが明らかとなったが、これらは撮像時の体位が立位や座位でなく仰臥位であることの影響もあると考えられる。今後は被験者数を増やして、上記の点を確認するとともに嚥下運動の詳細を明らかにしたいと考えている。高速シネMRIは心拍同期の心臓撮像法(同期サンプル法)を応用した方法である。本研究では高速シネMRI法によって生理的な嚥下運動を撮像する方法を開発し、さらにこれを三次元動画像とした。撮像法は高速field echo法で、TR=33ms、TE=2.2ms、Flip angle=30°、繰り返し回数は2回、断層面の厚さは5mmである。外部トリガーの入力間隔は4秒間隔で10msとし、被験者には3ccの液体を4秒間隔で128回嚥下してもらった。その結果33msで1枚の割合で、計210枚の連続模擬画像が得られたので、これを3次元動画像として再構築した。使用したMRI装置は島津-マルコーニMAGNEX ECLIPSE 1.5T Power Drive250(国際電気通信基礎技術研究所(ATR)脳活動イメージングセンタ所有)で、対象は本研究に対して同意の得られた健常成人2名である。その結果、舌の送り込み運動開始時から165ms後には軟口蓋と喉頭が挙上し(嚥下の口腔期)していた。330ms後では鼻咽腔は閉鎖して舌根と咽頭後壁が接し、声門も閉鎖しつつあった(咽頭期)。495ms後では、食道入口部の開放が始まっており、嚥下の咽頭期から食道期への移行期と思われた。660ms後では鼻咽腔、咽頭腔、喉頭も開放しつつあり、食道期の終盤と思われた。その後、喉頭の開放はさらに進み、990ms時では、安静時に復帰していると思われた。本研究によって、これまで困難であった嚥下運動(口腔期から咽頭期、食道期まで)を3次元の動画像として描出できたので、各嚥下器官のより正確な動きや所要時間が解析可能になった。今後は本研究の結果を基礎として、嚥下運動のシミュレーションロボットの開発に展開していく考えである。
超軽量衛星搭載用展開アンテナ反射鏡構造の研究

超軽量・大型アンテナ反射鏡面構造の新たな設計方法を提案した。反射鏡面は金属メッシュとケーブル構造と支持展開構造で構成し、高い伸び剛性のケーブルでテンション・トラス構造を形成して精度の高い反射面を実現する。ケーブル伸び剛性の配置と反射面周辺の形状が鏡面精度、形状の安定性に与える影響を明らかにし、試作モデルでその特性を検証した。また、展開支持構造をホモロジ設計の概念で最適化することにより有効に質量を低減できることを示した。さらに、全体の構成を階層モジュラー構造とし、力学特性を継承させることで、大型構造の全体特性を試験することなく、部分構造でその特性を把握できる可能性を示した。研究は,ケーブル構造で保持された金属メッシュで反射面を構成し,展開機構を持つアンテナ反射鏡面構造を対象に,さらなる軽量化ための新たな構造トポロジーを創出することによって,現在,衛星に搭載されている10m級大形アンテナ反射鏡面のさらなる開口径の拡大を実現することを目的としている.反射鏡の軽量化のためには,支持構造を軽量化することが最も効果的であるが,安易に軽量化すると剛性が低下し,支持構造が大きく変形して,鏡面精度が劣化する.そこで,本研究では支持構造の変形の影響を受けにくいケーブル構造と,ケーブル構造の精度に大きく影響を与える支持構造の変形モードの抑制とを行い,展開支持構造とを一体で考慮することで最適化し,構造要素を極限まで減らすことを目指す.本年度は,支持構造の変形の影響を受けにくく単独で鏡面の精度を保証するケーブル構造を設計するため,任意の形状・張力分布とした平衡形状を設計する方法として,テンショントラス構造の概念に基づく設計アルゴリズムを検討した。さらに,支持構造については構造部材を極限まで排除し軽量化を図った構造を検討し,提案した設計法を基に有限要素解析モデルを作成し,解析作業を進めた.その結果,支持構造の変形モードに,鏡面精度に顕著に影響を及ぼすものと,影響をほとんど及ぼさないものが存在することを明らかにし,有害なモードをテンドンケーブルで抑制することで十分な精度で形状を得ることができることを明らかにした.また,市販の傘を支持構造とした簡易試作モデルを製作し,3次元形状およびケーブルの張力状態を測定することで,構造検証モデル製作へ向けた評価を行った.さらに提案するケーブル構造を実現するために必要な高剛性ケーブルを数種類の伸び剛性を想定して設計し,サンプル試作を行って,得られる剛性の限界と,非線形性等,剛性向上に伴う問題点を明らかにした.本研究は,ケーブル構造で保持された金属メッシュで反射面を構成し,展開支持構造を持つアンテナ反射鏡面構造を対象に,さらなる軽量化ための新たな構造トポロジーを創出することによって,現在,衛星に搭載されている10m級大形アンテナ反射鏡面のさらなる開口径の拡大を実現することを目的としている.反射鏡の軽量化のためには,支持構造を軽量化することが最も効果的であるが,安易に軽量化すると剛性が低下し,支持構造が大きく変形して,鏡面精度が劣化する.そこで,本研究では支持構造の変形の影響を受けにくいケーブル構造と,ケーブル構造の精度に大きく影響を与える支持構造の変形モードの抑制とを行い,展開支持構造とを一体で考慮することで最適化し,構造要素を極限まで減らすことを目指す.本年度は,軽量化と大型化とを同時に実現する設計スキームを中心に検討を進めた.軽量化に関しては,ホモロジー設計の概念を導入し,ケーブル構造を張力状態に維持するという制約条件で支持構造の質量を最小化する最適化プログラムを作成,部材諸元のみならず,トポロジーの再構成も含めて,その有用性を確認した.また,大規模な構造を全体で試験評価しなくとも小規模な部分構造の評価で全体特性の評価が可能な構造を実現するために,階層モジュラー構造の概念を導入し,基本構造と全体構造との力学的な相似性を示した.さらに,昨年度試作した高剛性ケーブルを用いてケーブル構造モデルを試作し,構成上の問題点を明らかにすると同時に,トポロジーの再構成が可能な支持構造モデルを試作し,上記の設計スキームの評価作業を開始した,これらの評価により極限に軽量化し,大型化が可能な宇宙構造の新たな設計法を提案,検証する.本研究は,ケーブル構造で保持された金属メッシュで反射面を構成し,展開支持構造を持つアンテナ反射鏡面構造を対象に,さらなる軽量化ための新たな構造トポロジーを創出することによって,現在,衛星に搭載されている10m級大形アンテナ反射鏡面のさらなる開口径の拡大を実現することを目的としている.

反射鏡の軽量化のために本研究では支持構造の変形の影響を受けにくいケーブル構造と,ケーブル構造の精度に大きく影響を与える支持構造の変形モードの抑制とを行い,展開支持構造とを一体で考慮することで最適化し,構造要素を極限まで減らすことを目指した.本年度は,ハードウエアの試作によるケーブルネットワーク構造の特性評価,昨年度の方針に基づく支持構造の軽量化設計,階層モジュラー構造の概念に基づく大規模構造への拡張方法を中心に研究を進めた.その結果、(1)アンテナ反射鏡面を構成するケーブル構造の安定性に関し、特にアンテナ反射鏡面の面積を支配する周辺えぐれ込に関し特性を明らかにし,また圧縮部材を部分的に挿入することで安定性が飛躍的に向上することを示した.(2)軽量化に関しては,昨年度導入したホモロジー設計の概念に基づき,ケーブル構造を張力状態に維持するという制約条件で支持構造の質量を最小化する最適化プログラムをさらに改善し、強度を維持する条件でも数10%の軽量が可能であることを示した。トポロジーの再構成に関しては継続して検討している.(3)また,大規模な構造を全体で試験評価しなくとも小規模な部分構造の評価で全体特性の評価が可能な構造を実現するために,階層モジュラー構造の概念を導入し,基本構造と全体構造との力学的な相似性を,平面構造と曲面構造についてそれぞれ示した.さらに,従来のモジュール構造と比較することで,本手法が有用であることを確認した.以上によりこれまでに無い軽量かつ大型のアンテナ反射鏡面を構築する指針を得ることができた.
視覚障がい者を対象とした心肺蘇生法支援及び教育を行うWebアプリ開発

救急場面での心肺蘇生法をはじめとする一次救命処置は、心肺停止患者の予後に大きく関与する重要な処置である。心肺蘇生を行った場合と行わなかった場合では1か月後の生存率に1.8倍もの違いが出ている。一方、視覚障がい者にとって心肺蘇生法は、その講習が晴眼者を対象として視覚情報を前提として行われるため、触れる機会が少ない。しかし社会生活を行う中で、視覚障がい者も心肺蘇生法を実施する機会は十分考えられ、その時適切な対応をとれる様になっておくことは重要である。そこで本研究では視覚障がい者向けの心肺蘇生支援、教育のためのアプリ開発を行っている。このアプリは、救急救命現場において、視覚障がい者が行う心肺蘇生処置の支援を行う機能と、視覚障がい者が心肺蘇生処置の練習が行える機能を持つ。この機能により、視覚障がい者に不足している心肺蘇生法を学ぶ機会を与え、現場での適切な対応を支援できる。2018年度においてはアプリケーションに必要な要件について考察を行った。申請段階ではWebアプリによる実装を予定していたが,実行環境や性能を考慮しiPhoneアプリによる実装に変更してアプリの試作を行い,インターフェースについての考察を深めた.本年度は視覚障がいの中でもロービジョンに限定してアプリ試作を行った。試作したアプリは視覚障がい者の方に意見を頂いた他、視覚障がいシミュレータを装着した晴眼者にも協力してもらい、より多くの意見を集めた.視覚障がい者向けの心肺蘇生法の支援手順や指導手順については、研究代表者が務める新潟医療福祉大学の救急救命学科に協力を仰ぎ、検討を行っている。本研究では視覚障がい者向けの心肺蘇生支援Webアプリを開発することを目的としている。その機能として下記2点の実現を目指している。a)視覚障がい者が行う心肺蘇生処置の支援を行う。b)心肺蘇生処置の練習が行える。2018年度における申請時点での計画ではWebアプリに必要な要件について実験を通して考察する,としている。試作したアプリは実装をiPhoneアプリに変更したものの,インターフェースについての考察は計画通りに進み、a)、b)両機能についての適切な情報提示方法の模索を行っている。視覚障がい者の方に意見を伺い,試作したアプリケーションも計画通りに制作できているため順調に進展しているといえる.2019年度は当初の予定通り,実験を通して得られた要件を実現できるようなアプリ機能の試作を行う。アプリ機能は2018年度に作成したものをベースにより実用に即した形に修正していく.また実験を通して本アプリの機能検証を行う。実験に関しては視覚障がいの方や視覚障がいシミュレータを用いた晴眼者の方に協力を仰ぎ,アプリケーションのインターフェースや実用性,教育効果などについての検証を行っていく.救急場面での心肺蘇生法をはじめとする一次救命処置は、心肺停止患者の予後に大きく関与する重要な処置である。実験に関しては視覚障がいの方や視覚障がいシミュレータを用いた晴眼者の方に協力を仰ぎ,アプリケーションのインターフェースや実用性,教育効果などについての検証を行っていく.
腸管免疫と腸内細菌との新たな相互作用システムの検討

本研究では消化管粘膜免疫におけるCD1dおよびNKT細胞の役割について検討を行った.CD1dノックアウトマウスを無菌化して経口的に大腸菌や黄色ブドウ球菌を接種後,腸管内の菌数の変化を調べたところ,野生型マウスに比べて腸管内の急激な菌数の増加が認められた.腸管の電顕像においてCD1dノックアウトマウスはパネート細胞内の分泌顆粒が減少していることが明らかとなり、NKT細胞がデフェンシンなどの抗菌物質の分泌に影響を与え,腸管の粘膜免疫に重要な役割を果たしていることが示唆された.本研究では消化管粘膜免疫におけるCD1dおよびNKT細胞の役割について検討を行った.CD1dノックアウトマウスを無菌化して経口的に大腸菌や黄色ブドウ球菌を接種後,腸管内の菌数の変化を調べたところ,野生型マウスに比べて腸管内の急激な菌数の増加が認められた.腸管の電顕像においてCD1dノックアウトマウスはパネート細胞内の分泌顆粒が減少していることが明らかとなり、NKT細胞がデフェンシンなどの抗菌物質の分泌に影響を与え,腸管の粘膜免疫に重要な役割を果たしていることが示唆された.NKT細胞はT細胞,B細胞,およびNK細胞に次ぐ第4のリンパ球として注目を集めている細胞で,抗原提示細胞上のCD1d分子によって糖質や脂質などの抗原を提示されて活性化を受ける.NKT細胞の作用が発揮できないCD1dノックアウトマウスでは肺からの緑膿菌のクリアランスが有意に低下することが明かとなっている.そこで本研究では,消化管粘膜免疫におけるCD1dおよびNKT細胞の役割について明らかにすることを主たる目的として検討を進めている.SPF条件下ではマウスの腸管内に存在するさまざまな常在菌が影響して,純粋に単独の菌に対する影響を調べることが困難であったため,CD1dノックアウトマウスのgerm-free(無菌)化に成功した.このマウスを用いてグラム陰性菌の代表的な菌である大腸菌を経口接種し,その後の腸管内における菌数の変化などについて検討を行った結果,野生型コントロールマウスに比べ,CD1dノックアウトマウスの腸管内での大腸菌の増殖は早期から有意に上昇していることが明らかとなった.またこの現象は大腸菌だけでなく,グラム陽性菌である黄色ブドウ球菌においても同様の傾向が認められた.菌接種後のマウスの空腸,回腸,盲腸,大腸の各部位について病理学的な検討を行ったところ,CD1dノックアウトマウスと野生型コントロールマウスで明かな差は認めなかった.ただしグラム陽性・陰性いずれの菌においても腸管内の動態で著明な差が認められたことから,NKT細胞が腸管の粘膜免疫において重要な役割を果たしていることが示唆された.NKT細胞はT細胞,B細胞,およびNK細胞に次ぐ第4のリンパ球として注目を集めている細胞で,抗原提示細胞上のCDld分子によって糖質や脂質などの抗原を提示されて活性化を受ける.NKT細胞の作用が発揮できないCDldノックアウトマウスでは肺からの緑膿菌のクリアランスが有意に低下することが明かとなっている.そこで本研究では,消化管粘膜免疫におけるCDldおよびNKT細胞の役割について明らかにすることを主たる目的として検討を行った.SPFマウスでは腸管内常在菌による影響が大きいため,CDldノックアウトマウスをgerm-free(無菌)化して以後の検討を行った.無菌マウスに大腸菌を経口接種し,腸管内の菌数の変化について検討を行った結果,野生型マウスに比べ,CDldノックアウトマウスでは腸管内において大腸菌の急激な増殖が認められた.またこの現象は大腸菌だけでなく,黄色ブドウ球菌でも同様の傾向であった.マウスの腸管上皮の電顕像を観察したところ、CDldノックアウトマウスではパネート細胞内の分泌顆粒の減少が認められたことから、NKT細胞の欠損によって腸管内への抗細菌性物質の分泌が抑制されている可能性が示唆された。これらの結果から、NKT細胞が腸管の粘膜免疫において重要な役割を果たしており、腸管内の菌に対する制御機構を担っている可能性が示唆された.
好中球フラボシトクロームb558の活性化におけるNADPH結合親和性の変化

細菌の生体内への侵入に対して好中球は、生体防御の反応としてスーパーオキシド(O_2)を産生する。O_2は複合酵素である活性型シトクロムb_<558>が、細胞内のNADPHから細胞外の酸素分子に、電子を渡すことによって生成される。この酵素の活性化は、細胞膜に存在するシトクロムb_<558>(α鎖とβ鎖の二量体からなる)に細胞質蛋白質が会合することにより起こる。このとき、β鎖へNADPHが結合するといわれている。しかし、β鎖における基質結合部位、結合親和性の正確な値は明らかでない。そのため、本研究では、基質のβ鎖における結合部位の同定とその親和性の解明を目的とした。本研究の特色は、β鎖の人工蛋白質を大腸菌に発現させる方法を選択したことである。この方法により純粋なβ鎖を安定な状態で大量に得ることができた。このことは、細胞膜蛋白質であるシトクロムb_<558>の基質結合領域を可溶性蛋白質として得ることが可能になることを意味し、従来のシトクロムb_<558>では難しかった種々のアミノ酸置換体間における機能の比較が容易なった。β鎖は570個のアミノ酸からなる細胞膜蛋白質であるが、基質結合部位は384から570番目までの領域であることを証明した。次に活性酸素を遺伝的に産生できない慢性肉芽腫症患者遺伝子の解析から明らかになっている変異β鎖を発現させ、上記と同様な方法で基質とβ鎖との親和性を解析した。408番目のアミノ酸がグリシンからグルタミン酸に変異している患者由来の人工蛋白質ではNADPHの結合能は著しく低下していた。また、415番目のアミノ酸の変異(プロリンからヒスチジン)蛋白質も結合能は低下していた。同様に、基質結合部位として示唆されていた500番目の変異(アスパラギン酸からグリシン)では正常と変化なかった。
タイリングアレイを用いたレンサ球菌転写制御因子の解析

A群レンサ球菌(Group A Streptococcus : GAS)は初発感染として咽頭炎や扁桃炎,さらに続発性疾患として猩紅熱やリウマチ熱,糸球体腎炎を引き起こす病原菌である.A群レンサ球菌は,上皮細胞に侵入した後,エンドソームによる分解を回避し細胞質へと移行する.一部は,新たな自然免疫として機能することが示されたオートファジーにより除去される.このように細胞内の宿主の防御系から逃避することが, A群レンサ球菌の多彩な臨床像を示す1つの理由となるのではないかと考えられる.そこで,本研究ではA群レンサ球菌が,宿主の防御機構を回避し,細胞内で生存する機構を明らかにすることを目的として,感染時におけるA群レンサ球菌の全ゲノムレベルでの発現解析を経時的に行った.その結果,真核細胞内に存在しているA群レンサ球菌のRNAを抽出・増幅した後に,マイクロアレイ解析を行った結果と定量的PCRとの間に相関があるプロトコールを確立することが出来た.次に, A群レンサ球菌の発現変化に着目して,発現解析を行った.感染前のA群レンサ球菌と比較して,感染後1時間目においてその発現を1.5倍以上変化させていた遺伝子数は全ORFの43%(1861個のうちの約800個)に及んでおり,オートファジーによる作用を受けていると考えられる3, 4時間目においても10%程度の遺伝子が発現を変化させていた.興味深いことに,細胞のオートファジーの有無が,同じ感染時間のA群レンサ球菌の遺伝子発現パターンの変化に影響を与えており,全ORFの8%の遺伝子発現に差が生じていることがわかった.また,オートファジー欠損型細胞での比較により,オートファジーの存在下でのみ発現が上昇する遺伝子が26個見られた.このうちの7個の遺伝子(一本鎖結合タンパク質,インテグラーゼ,プラスミド安定化タンパク質,リボソームタンパク質S21,透過酵素及び未知のタンパク質)は,オートファジー欠損型の宿主に感染した場合は発現が1.5倍以上減少していたため,オートファジーに対応して発現を増加させている可能性が考えられた.A群レンサ球菌(Group A Streptococcus : GAS)は初発感染として咽頭炎や扁桃炎,さらに続発性疾患として猩紅熱やリウマチ熱,糸球体腎炎を引き起こす病原菌である.A群レンサ球菌は,上皮細胞に侵入した後,エンドソームによる分解を回避し細胞質へと移行する.一部は,新たな自然免疫として機能することが示されたオートファジーにより除去される.このように細胞内の宿主の防御系から逃避することが, A群レンサ球菌の多彩な臨床像を示す1つの理由となるのではないかと考えられる.そこで,本研究ではA群レンサ球菌が,宿主の防御機構を回避し,細胞内で生存する機構を明らかにすることを目的として,感染時におけるA群レンサ球菌の全ゲノムレベルでの発現解析を経時的に行った.その結果,真核細胞内に存在しているA群レンサ球菌のRNAを抽出・増幅した後に,マイクロアレイ解析を行った結果と定量的PCRとの間に相関があるプロトコールを確立することが出来た.次に, A群レンサ球菌の発現変化に着目して,発現解析を行った.感染前のA群レンサ球菌と比較して,感染後1時間目においてその発現を1.5倍以上変化させていた遺伝子数は全ORFの43%(1861個のうちの約800個)に及んでおり,オートファジーによる作用を受けていると考えられる3, 4時間目においても10%程度の遺伝子が発現を変化させていた.興味深いことに,細胞のオートファジーの有無が,同じ感染時間のA群レンサ球菌の遺伝子発現パターンの変化に影響を与えており,全ORFの8%の遺伝子発現に差が生じていることがわかった.また,オートファジー欠損型細胞での比較により,オートファジーの存在下でのみ発現が上昇する遺伝子が26個見られた.このうちの7個の遺伝子(一本鎖結合タンパク質,インテグラーゼ,プラスミド安定化タンパク質,リボソームタンパク質S21,透過酵素及び未知のタンパク質)は,オートファジー欠損型の宿主に感染した場合は発現が1.5倍以上減少していたため,オートファジーに対応して発現を増加させている可能性が考えられた.感染状態におけるA群レンサ球菌の遺伝子発現を全ゲノムレベルで解析するため、M3型A群レンサ球菌SSI-1株のゲノム配列に基づき、全ゲノムを完全にカバーするように50-75bp(オーバーラップ20-25bp)のオリゴDNAを、Tm値がほぼ一定になるように+鎖、-鎖双方に設計し、合計38万プローブからなるタイリングアレイを作成した.このアレイは、既存のcDNAアレイ(約2000ORF)に相当する領域だけでなく、機能未知な領域であるintergenetic領域についても同じ密度で検出できるため、現時点ではもっとも高感度な遺伝子発現を解析することが可能である.このアレイを用いて各増殖フェーズにおけるA群レンサ球菌SSI-1株の遺伝子発現を解析した.その結果、液体培地中ではゲノムに認められた大部分の遺伝子を発現し,本アレイを用いることで,全ゲノムレベルで経時的に変動する遺伝子群(オペロンなど)を定量的に解析することが可能であった.また,多くのnon-coding RNAが存在し,転写調節に関与していると考えられた.感染実験の結果からは,液体培養時とは大きく発現パターンが異なり,感染時に特異的な遺伝子が発現することがわかった.

さらに感染後,発現する病原性に関与する遺伝子群の発現が変化していくことが明らかになった.これら遺伝子群の制御系を解析することにより,多彩な疾患の発症機構が明らかになるものと考えられる.A群レンサ球菌(Group A Streptococcus: GAS)は初発感染として咽頭炎や扁桃炎,さらに続発性疾患として猩紅熱やリウマチ熱,糸球体腎炎を引き起こす病原菌である.A群レンサ球菌は,上皮細胞に侵入した後,エンドソームによる分解を回避し細胞質へと移行する.一部は,新たな自然免疫として機能することが示されたオートファジーにより除去される.このように細胞内の宿主の防御系から逃避することが,A群レンサ球菌の多彩な臨床像を示す1つの理由となるのではないかと考えられる.そこで,本研究ではA群レンサ球菌が,宿主の防御機構を回避し,細胞内で生存する機構を明らかにすることを目的として,感染時におけるA群レンサ球菌の全ゲノムレベルでの発現解析を経時的に行った.その結果,真核細胞内に存在しているA群レンサ球菌のRNAを抽出・増幅した後に,マイクロアレイ解析を行った結果と定量的PCRとの間に相関があるプロトコールを確立することが出来た.次に,A群レンサ球菌の発現変化に着目して,発現解析を行った.感染前のA群レンサ球菌と比較して,感染後1時間目においてその発現を1.5倍以上変化させていた遺伝子数は全ORFの43%(1861個のうちの約800個)に及んでおり,オートファジーによる作用を受けていると考えられる3,4時間目においても10%程度の遺伝子が発現を変化させていた.興味深いことに,細胞のオートファジーの有無が,同じ感染時間のA群レンサ球菌の遺伝子発現パターンの変化に影響を与えており,全ORFの8%の遺伝子発現に差が生じていることがわかった.また,オートファジー欠損型細胞での比較により,オートファジーの存在下でのみ発現が上昇する遺伝子が26個見られた.このうちの7個の遺伝子(一本鎖結合タンパク質,インテグラーゼ,プラスミド安定化タンパク質,リボソームタンパク質S21,透過酵素及び未知のタンパク質)は,オートファジー欠損型の宿主に感染した場合は発現が1.5倍以上減少していたため,オートファジーに対応して発現を増加させている可能性が考えられた.
高温超伝導体単結晶薄膜の育成と超伝導電子素子応用に関する基礎研究

本研究は、酸化物高温超伝導体のデバイス応用を目指しており、その基礎研究として、これまで、YBa_2Cu_3O_<7ーX>薄膜のエピタクシャル成長と高品質化ならびに高電流密度化を中心に研究を進め、成果を得た。今年度は、さらに、そのデバイス化へ向けて、高温超伝導体固有の特徴を活かした概念や方式によるデバイスを開発する目的で、高温超伝導体の層状構造に基づく異方的特徴に着目し、(Bi,Pb)_2Sr_2CaCu_2Oy単結晶の結晶自身に内在する固有のデバイス性について検討を行った。得られた成果は以下のようである。自己フラックス法により製作された上記バルク結晶(最大寸法:6×4×4mm^3,超伝導転移温度T_c:6080K)を用い、その超伝導基礎特性として、構成層に垂直な方向(c軸方向)に電流を流した場合の電流ー電圧特性、臨界電流の温度ならびに磁場依存性、さらにマイクロ波応答特性等を調べた。その結果から、同単結晶は、一般的に、c軸方向に超伝導層ー(常伝導層)ー絶縁層ー(常伝導層)ー超伝導層積層形ジョセフソントンネル接合のアレ-で構成されていることを明らかにした。2.マグネトロンスパッタ法によるY系超伝導薄膜の高電流密度化の研究.単一タ-ゲットを用いたdcマグネトロンスパッタ方式により、Y系酸化物の高臨界電流密度J_cをもつ薄膜の最適製作条件を追及した。その結果、Baーpoorタ-ゲットを用いて高T_cおよび高J_c薄膜を合成するスパッタ条件を明らかにし、77Kゼロ磁場でのJ_cがT_cの向上とともに増大することを示した。さらに、これらの特性を左右する薄膜組成はスパッタ時の酸素分圧に強く依存することがわかった。