hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
反応性希薄気体流れのマルチスケール解析と半導体製造プロセスへの応用

本年度は,昨年度に引き続いて表面反応素過程のマルチスケール解析を行なった.昨年度までの解析によってSiH_4分子の表面解離反応に関しては,既存の分子間ポテンシャルモデルでは実験結果を定量的に説明できないことが分かっている.これはモデルを構築する際に反応の活性化障壁及び経路を考慮していないためであると考えられる.そこで本研究では,提案されている複数の反応経路に対してNEB(Nudged Elastic Band)法を適用して反応の遷移状態を求め,その活性化エネルギーが既存のDFT(Density Functional Theory)計算の値に最も近くなるようにパラメータの最適化を行った.その結果,既存のモデルでは最大300%以上あったDFT計算との差異が50%程度まで低減された.そこで,この修正モデルを用いたMD(Molecular Dynamics)計算によって,入射SiH_4の初期条件(位置,姿勢)を種々に変化させた際の解離確率の並進エネルギー依存性を調べた.既存のモデルでは解離確率が実験値よりも1桁以上低かったが,修正モデルでは50%程度低い値を示すまで改善された.現段階でのモデルと実験値との差に関しては,活性化エネルギーの再現性の問題以外にも,入射初期のSiH_4の持っている回転・振動エネルギーが大きく影響していると考えられ,これは今後の課題である.しかしながら,本研究を通じてSiH_4からSi薄膜が形成されるメカニズムを解明するためのツールが得られたといえる.本年度は,半導体製造プロセスにおいて最も基本的なSiH_4/H_2混合試料からSiエピタキシャル膜が生成される成膜過程を対象として,表面反応素過程の分子動力学解析を行なった.これまでは比較的,入射分子の並進エネルギーが低い場合を対象として実験及び解析がなされてきたが,高並進エネルギーを有する超熱状態のSiH_4分子の動的過程に関しては未解明な部分が多い.本研究では,このような超熱状態のSiH_4分子がSi(100)表面に入射する際の初期解離過程に着目して古典分子動力学解析を行なった.原子間ポテンシャルには既存のTersoff,Murty,Brennerポテンシャルをそれぞれ仮定し,まず,これらポテンシャルモデルの本解析系への適用性を検討した.Si(100)表面におけるSiH_4分子の解離は,ダイマー内とダイマー間の2つの経路から生じることがDFT計算により報告されている.解析の結果,上記のポテンシャルモデルはダイマー内での解離障壁を2倍程度高く見積もることが明らかとなった.次に,多数回の衝突計算を行なってSiH_4分子とSi(100)表面相互作用モデルの構築を試みた.まず,並進エネルギーを0.22.6eVまで変化させ解離吸着確率の並進エネルギー依存性を計算したところ,実験値の数分の一程度の値しか得ることができなかった.これは上述のように解離障壁を高く見積もりすぎていることに原因があると考えられ,ポテンシャルモデルの修正を行なうことで実験値との整合性がとれるものと推測される.また,反射分子の並進エネルギー分布を解析したところ,熱平衡状態のマクスウェル-ボルツマン分布と正規分布の重ね合わせで表現できることがわかった.本年度は,昨年度に引き続いて表面反応素過程のマルチスケール解析を行なった.昨年度までの解析によってSiH_4分子の表面解離反応に関しては,既存の分子間ポテンシャルモデルでは実験結果を定量的に説明できないことが分かっている.これはモデルを構築する際に反応の活性化障壁及び経路を考慮していないためであると考えられる.そこで本研究では,提案されている複数の反応経路に対してNEB(Nudged Elastic Band)法を適用して反応の遷移状態を求め,その活性化エネルギーが既存のDFT(Density Functional Theory)計算の値に最も近くなるようにパラメータの最適化を行った.その結果,既存のモデルでは最大300%以上あったDFT計算との差異が50%程度まで低減された.そこで,この修正モデルを用いたMD(Molecular Dynamics)計算によって,入射SiH_4の初期条件(位置,姿勢)を種々に変化させた際の解離確率の並進エネルギー依存性を調べた.既存のモデルでは解離確率が実験値よりも1桁以上低かったが,修正モデルでは50%程度低い値を示すまで改善された.現段階でのモデルと実験値との差に関しては,活性化エネルギーの再現性の問題以外にも,入射初期のSiH_4の持っている回転・振動エネルギーが大きく影響していると考えられ,これは今後の課題である.しかしながら,本研究を通じてSiH_4からSi薄膜が形成されるメカニズムを解明するためのツールが得られたといえる.
超微量フッ素イオンのフロ-インジェクション分析システムの開発

本研究を達成するために,次の4項目を検討した。1.秀れた性能のフッ素選択的吸着樹脂の開発とその評価.2.吸着されたフッ素を溶離し,フッ素吸着樹脂を再生する方法の開発.3.妨害イオンの除去法の開発.4.フロ-インジェクション分析システムの開発.これらに関して次のような成果を得た.1.について:アリザリンフルオラインブル-(AFB)及びそのスルホン酸誘導体と希土類元素からなる金属錯体などを,研究代表者が考案した方法によって,陰イオン交換樹脂に固定化することにより,新規フッ素吸着剤を開発した.【FluorideおよびReactive Polymers掲載】.また,樹脂内におけるAFBの金属錯体とF^ーとの三元錯体生成反応を解析し,樹脂の性能と平衡定数の大きさが密接に関連していることを明らかにした.2.について:希アルカリ溶液を用いてフッ素を溶離することにより,樹脂が再生できることを明らかにした.【Reactive Polymers掲載】3.について:フッ素分析の際,常に問題となるAl^<3+>の妨害を除去するために,デスフェリオキサミン(DFO)が有効であることを認め,DFOを超微量フッ素の定量に応用し【Fluoride掲載】,さらに,DFOを固定化したAl除去用樹脂を調製した.4.について:新規フッ素吸着樹脂を充填したミクロカラムを組み込み,フロ-インジェクション分析システムを試作し,超微量フッ素の迅速定量が可能であることを明らかにした.【Analyst掲載】.本研究で得たフロ-分析システムを実試料に適用するための条件を,現在,環境および生物試料を用いて検討中である.また,これら実試料についてはガスクロマトグラフ(GC)法と比較するため,まず,GC法の検討を行い【Biomed.Res on Trace Elements掲載】,本システムで得た結果と合わせて検討中である.本研究を達成するために,次の4項目を検討した。1.秀れた性能のフッ素選択的吸着樹脂の開発とその評価.2.吸着されたフッ素を溶離し,フッ素吸着樹脂を再生する方法の開発.3.妨害イオンの除去法の開発.4.フロ-インジェクション分析システムの開発.これらに関して次のような成果を得た.1.について:アリザリンフルオラインブル-(AFB)及びそのスルホン酸誘導体と希土類元素からなる金属錯体などを,研究代表者が考案した方法によって,陰イオン交換樹脂に固定化することにより,新規フッ素吸着剤を開発した.【FluorideおよびReactive Polymers掲載】.また,樹脂内におけるAFBの金属錯体とF^ーとの三元錯体生成反応を解析し,樹脂の性能と平衡定数の大きさが密接に関連していることを明らかにした.2.について:希アルカリ溶液を用いてフッ素を溶離することにより,樹脂が再生できることを明らかにした.【Reactive Polymers掲載】3.について:フッ素分析の際,常に問題となるAl^<3+>の妨害を除去するために,デスフェリオキサミン(DFO)が有効であることを認め,DFOを超微量フッ素の定量に応用し【Fluoride掲載】,さらに,DFOを固定化したAl除去用樹脂を調製した.4.について:新規フッ素吸着樹脂を充填したミクロカラムを組み込み,フロ-インジェクション分析システムを試作し,超微量フッ素の迅速定量が可能であることを明らかにした.【Analyst掲載】.本研究で得たフロ-分析システムを実試料に適用するための条件を,現在,環境および生物試料を用いて検討中である.また,これら実試料についてはガスクロマトグラフ(GC)法と比較するため,まず,GC法の検討を行い【Biomed.Res on Trace Elements掲載】,本システムで得た結果と合わせて検討中である.本研究実施計画は以下の問題点を考慮して作成された。即ち、本研究を達成する際、解決されなければならない問題点は、次の4点である。1.秀れた性能のフッ素選択的吸着樹脂の開発2.吸着されたフッ素を溶離し、フッ素吸着樹脂を再生する方法の開発3.妨害イオンの除去法の開発4.フロ-インジェクションシステムの開発これら問題点を解決するために本年度は次のような成果を得た。1.について:アリザリフルオライドブル-及びそのスルホン酸誘導体と希土類元素からなる金属錯体を、研究代表者が考案した方法によって、スチレン系樹脂固定することにより、新規フッ素吸着剤を開発した。〔Fluoride掲載、Reactive Polymers掲載予定〕2.について:希アルカリ溶液を用いてフッ素を溶離することにより、樹脂が再生できることを明らかにした。〔Reactive Polymers掲載予定〕3.について:フッ素分析の際、常に問題となるAl^<3+>、Fe^<3+>の妨害を除去するために、従来は、ポリアミノカルボン酸系キレ-ト剤(PAC)などが用いられてきた。本研究では、鉄過剰症治療薬であるデスフェリオキサミン(DFO)がPACより有効であることを認め、DFOを超微量フッ素の定量に応用した。〔Fluoride掲載〕4.について:上記1.において開発した新規フッ素吸着樹脂をミクロカラムに充填し、本年度設備費で購入したポンプを止揚して、フロ-インジェクションシステムを試作し、フッ素の吸着、溶離をシステム内で行い、超微量フッ素の定量が可能であることを明らかにした。〔Analyst掲載〕。本年度は次の3項目について検討した.1.昨年度に調製したフッ素イオン選択的吸着樹脂の性能評価法の開発.2.妨害イオンの除去法の開発

.3.フロ-インジェクション分析システムの高感度化および試料の微量化.これらに関して次のような成果を得た.1について:開発したフッ素的吸着樹脂はフッ素イオンに対して2種類の結合サイト,すなわち,非特異的結合サイト(イオン交換基)および特異的結合サイト(固定化された金属錯体)を有するが,低濃度のフッ素イオンの吸着の際には,特異的結合サイトの寄与が大きい.従って,通常の吸着剤のように,吸着剤単位重量あたりの吸着量だけで性能評価を行うことは必ずしも適当でなく,むしろ,特異的結合サイトでの吸着の起こりやすさを基に評価すべきであると考え,樹脂上での三元錯体生成の平衡定数を測定した.その結果,この平衡定数の値の大きいほどそれぞれの錯体を固定化した樹脂のフッ素吸着能も大きいことを見いだした.2について:フッ素分析の際,常に問題となるAl^<3+>,Fe^<3+>の妨害を除去するためにデスフェリオキサミンをグルタルアルデヒド法によりポリアリルアミン樹脂を固定化して,アルミニウム(III)および鉄(III)を選択的に捕集する樹脂を調製した.3について:昨年度開発したフロ-分析システムを改良するため,カラムサイズ(直径および長さ)流速,電極表面の研磨状態,溶離剤の種類などの検討を行った.また,本研究で得たフロ-分析システムを実試料に適用するための条件を,環境試料(雨水など)および生体試料(血清など)を用いて検討中である.また,これら実試料についてはガスクロマトグラフ法で得た結果と比較する予定である.
超電導マグネット先進構成材料・線材の核融合環境における特性評価

核融合団超電導磁石構成材料は核融合環境即ち(1)大電磁力(2)高磁界(3)低温照射(中性子+ガンマ線)下、という苛酷な条件で使用されることが想定されている。核融合環境下で超電導マグネットが十分な性能を発輝するためには、通常の使用条件下での性能と核融合環境下での性能変化の挙動について十分材料特性を把握しておねばならない。従って本研究では日進月歩の先進材料については常にその有用性(使用の可能性)の評価を行うと共に、実用可能な材料についてはより高性能を発輝するための研究を推進した。〔1〕先進超電導材料良好な高磁界特性が期待されるシェブレル相超電導材及びNPN材の長尺線材化を試み組成、組織、構造と超電導性との関連性を調べた(小俣,鈴木)結果、線材化への見通しを得た。今後は更に性能向上と長尺化した場合の品質管理につとめる。また【Nb_3】So材の評価法に進歩が得られた(永田)。〔2〕先進複合材料・高分子材料アルミ+繊維,炭化ケイ素繊維,カーボン繊維などを強化材として種々の樹脂との組合せによる先進複合材を製作し、通常のガラス繊維強化複合絶縁材との比較を行った。繊維強化材の諸特性についてはパラメターが多いため試料の標準化,測定方法の標準化の研究開発が重要であり、本研究で得られた成果をもとに超電導マグネット閉絶縁材料のデータベースの構築に向けて一歩を踏み出したことになる。上記の先進複合材料のうちではアルミ+繊維強化材が低温の熱・機械的性質としては最もよいことが分った。(山岡,西嶋,岡田)〔3〕超電導磁石における電気絶縁性の評価超電導マグネットの耐絶縁設計はマグネット技術上最も重要な因子でありHeの絶縁性について研究した。(原)核融合団超電導磁石構成材料は核融合環境即ち(1)大電磁力(2)高磁界(3)低温照射(中性子+ガンマ線)下、という苛酷な条件で使用されることが想定されている。(原)
扁桃滴下投与による金属アレルギーの実験動物モデルの作成

本計画の目的は,口腔内に装着した金属の一部が溶出し,扁桃で取り込まれ,金属アレルギーを誘導するかを実験動物を使い検討することである.扁桃投与による金属アレルギーの誘導に適した金属の種類と金属イオンの濃度を決めるために,最初にマウスの細胞培養での破骨細胞の形成系を使い調べた.この結果,ニッケル,銅,チタン,パラジウム,銀の順に強く破骨細胞の形成は阻害された.この結果から,塩化ニッケルを,約50%の破骨細胞の形成を阻害する2μMの100倍の濃度の200μMで扁桃投与に供した.投与抗原として,免疫の有無を知るために牛アルブミン(BSA)を単独でまたは塩化ニッケルと一緒に用いた.さらに,一部ノウサギで粘膜免疫アジュバンドのコレラ毒素B鎖も加えた.これらの抗原をウサギの口蓋扁桃に毎週1解6週間投与した.投与の結果,いずれの場合でも金属アレルギー反応を示す皮内反応は検出されなかった.一方で,塩化ニッケルは,単独投与では血清抗体を誘導できないBSAに対して抗体を誘導させることが示された.ニッケルによる抗体誘導効果は,塩化ニッケルとBSAを混ぜる時期により抗体の誘導に大きく影響した.すなわち,投与直前に混合して扁桃投与した場合,BSA抗体が誘導されたが,1日前に混合しても抗体の誘導は全く認められなかった.以上,本研究において,扁桃に投与してもニッケルによるアレルギーの誘導は認めれなかった.しかし,ニッケルイオンは抗体誘導効果もち,ニッケルイオンが単独で口蓋扁桃から取り込まれた場合,共存して扁桃内に取り込まれた蛋白質に対する抗体が誘導される可能性があることが示唆された.本計画の目的は,口腔内に装着した金属の一部が溶出し,扁桃で取り込まれ,金属アレルギーを誘導するかを実験動物を使い検討することである.扁桃投与による金属アレルギーの誘導に適した金属の種類と金属イオンの濃度を決めるために,最初にマウスの細胞培養での破骨細胞の形成系を使い調べた.この結果,ニッケル,銅,チタン,パラジウム,銀の順に強く破骨細胞の形成は阻害された.この結果から,塩化ニッケルを,約50%の破骨細胞の形成を阻害する2μMの100倍の濃度の200μMで扁桃投与に供した.投与抗原として,免疫の有無を知るために牛アルブミン(BSA)を単独でまたは塩化ニッケルと一緒に用いた.さらに,一部ノウサギで粘膜免疫アジュバンドのコレラ毒素B鎖も加えた.これらの抗原をウサギの口蓋扁桃に毎週1解6週間投与した.投与の結果,いずれの場合でも金属アレルギー反応を示す皮内反応は検出されなかった.一方で,塩化ニッケルは,単独投与では血清抗体を誘導できないBSAに対して抗体を誘導させることが示された.ニッケルによる抗体誘導効果は,塩化ニッケルとBSAを混ぜる時期により抗体の誘導に大きく影響した.すなわち,投与直前に混合して扁桃投与した場合,BSA抗体が誘導されたが,1日前に混合しても抗体の誘導は全く認められなかった.以上,本研究において,扁桃に投与してもニッケルによるアレルギーの誘導は認めれなかった.しかし,ニッケルイオンは抗体誘導効果もち,ニッケルイオンが単独で口蓋扁桃から取り込まれた場合,共存して扁桃内に取り込まれた蛋白質に対する抗体が誘導される可能性があることが示唆された.申請者のテーマは,口蓋扁桃投与による金属アレルギーの誘導モデルを作成することである.本年度は最初に細胞培養系で各種金属イオンによる細胞障害作用の生じる濃度を調べるために,以下の研究を行いその結果を報告した.破骨細胞の新生に対する各種の金属イオンの作用を骨髄細胞培養を用いて調べた.1.ニッケル,銅,チタン,パラジウム,銀はプロスタグランディンE_2による破骨細胞の形成を阻害し,この順に阻害効果は高かった.2.金属が破骨細胞の形成を阻害した際の培養細胞を観察した結果,ニッケル,銅,パラジウムの場合,破骨細胞と間質細胞が共に消失していた.チタンと銀の場合,間質細胞は対照とあまり変わらずに観察された.特にチタンの場合には破骨細胞と思われる崩壊途中の細胞が数多く観察された.3.破骨細胞の形成を部分的に阻害する濃度の金属を加え骨片上で細胞を培養した結果,ニッケル,銅,チタン,パラジウム,銀のいずれの場合にも吸収窩の数が対照と比べ減少していた.以上の結果からニッケル,銅,パラジウムイオンは非特異的に破骨細胞の分化に阻害的に働き,チタンと銀は破骨細胞の分化を選択的に阻害することが示唆された.この結果から,ニッケルによる金属アレルギーは,非特異的に細胞を障害することから始まり,結果的にニッケルイオンも不完全抗原として免疫系を刺激するものと推察される.現在この機序を想定して,ニッケルイオン投与による細胞性免疫誘導条件を実験動物を使って検討している.口腔内に装着した金属の一部が溶出し,扁桃で取り込まれ,アレルギーを誘導するかを検討するために,ニッケル塩溶液を扁桃に投与した.実験では,抗原として塩化ニッケル溶液のみの場合,免疫を亢進するために牛アルブミンを加えた場合,さらにコレラ毒素B鎖も加えた場合,合計3種類をそれぞれのウサギの扁桃滴下した.投与6週間後,パッチ法および皮内注射によりニッケルとの皮膚反応を調べた.また,塩化ニッケルに対する抗体の検出は技術的にできないため,同時に添加した牛アルブミンに対する抗体を調べた.扁桃免疫後,いずれの投与の場合においても,パッチ法および皮内注射により,ウサギに塩化ニッケルとの皮膚反応における炎症は生じなかった.

また,興味あることに牛アルブミンを単独で6週間投与しても血清抗体を誘導できないにもかかわらず,塩化ニッケルを混ぜて投与すると牛アルブミン抗体が誘導されることがわかった。さらにコレラ毒素B鎖を加えても単に抗体の産生が増大するだけであった.この結果は以下の事項を示唆している.第一に,ニッケルイオンは口蓋扁桃内に取り込まれること.第二に,ニッケルイオンは口蓋扁桃内で,免疫系に何らかの影響を与えること.第三に,扁桃に取り込まれたニッケルイオンは,共存するタンパク質に対する抗体を誘導する作用を持つことである.ニッケルイオンの抗体誘導作用は不完全抗原とキャリヤーの関係と似ている.通常の筋注免疫におけるキャリアーは,単独でも抗原性を持ち,不完全抗原の免疫獲得を助ける.しかし,ニッケルイオンの扁桃投与の場合,ニッケル単独では抗原性がみられない.したがって,ニッケルイオンは通常のキャリアーと全く異なる機序で免疫系に作用することが示唆された.口腔内に装着した金属の一部が溶出し,扁桃で取り込まれ,アレルギーを誘導するかを検討するために,ニッケル塩溶液を扁桃に投与した.昨年の成果において,抗原として塩化ニッケル溶液と免疫を亢進するために牛アルブミンを加え週に一度6週間免疫した場合には,パッチ法および皮内注射においても,金属アレルギー反応を示す皮内反応は誘導されなかった.一方で,牛アルブミンを単独で投与しても血清抗体を誘導できないにもかかわらず,塩化ニッケルを混ぜて投与すると牛アルブミン抗体が誘導されることがわかった.本年度はこの再現性を検討した結果,塩化ニッケルと牛アルブミンを混ぜる時期により抗体の誘導に大きく影響することがわかった.すなわち,投与直前に塩化ニッケルと牛アルブミンを混合して扁桃投与した場合,牛アルブミン抗体が誘導されたが,1日前に混合して投与した場合では,抗体の誘導は全く認められなかった.これまでの他の研究において,牛アルブミンはニッケルイオンのような金属イオンを蛋白質内に取り込んだ状態で安定となることが報告されている.したがって今回の結果は次のように理解できる.ニッケルイオンの抗体誘導補助効果は,ニッケルイオンが恐らく単独で作用した際に発揮され,金属イオンを蛋白質内部に取り込んだ場合では作用しないことが示唆された.本研究において金属アレルギーの誘導には至らなかった.しかし,ニッケルイオンが単独で口蓋扁桃から取り込まれた場合,共存して扁桃内に取り込まれた蛋白質に対する抗体が誘導される可能性があることが示された.
赤外・近赤外分光法を援用したバイオマス由来の糖を用いる植物細胞培養系の糖代謝解析

本研究は、3つのタイプの植物細胞を用いた培養系で、糖の種類が糖代謝速度に与える影響を評価することにある。赤外分光法により培地中の糖を同時計測(HPLCと同等の精度)して細胞の糖の取込み速度を算出できる手法を確立した。糖の取込み速度は糖の種類に大きく依存したが、細胞増殖を基準とした糖代謝には大きく影響しなかった。バイオマス由来の様々な糖と混合状態の糖を用いた際の細胞の挙動が把握できた。以上の成果は、バイオマス由来の糖を有効利用するための植物細胞利用(混合状態の糖化液を用いる際の培養特性の予測や糖成分をコントロールすることによる細胞増殖速度調整など)ならびに赤外分光法によるバイオプロセス計測制御法の進展に寄与すると考えられる。1.簡易的な細胞増殖モニタリング法の開発タバコ細胞において、乾燥重量法による細胞濃度と濁度(OD_<600>)との関係を定式化し、細胞濃度が高い培養液においても希釈することなく測定が可能な(オンライン化に適した)検量式が得られた。アラビドプシス細胞については、凝集・沈殿しやすい性質が明らかとなり、電気伝導度法などの方法を検討する必要がある。2.赤外分光法による培養液中糖濃度の同時計測法の開発(検量式の作成)糖消費については、培養液の赤外分光スペクトルを測定して解析を試みた。その結果、HPLCや比色法に替わる方法で、かつ数種類の糖を同時に計測する手法を確立した。これにより、タバコ細胞とアラビドプシス細胞の両方で、スクロース、スクロースの分解物であるグルコースとフルクトースが同時に計測できた。バイオマス由来で生成すると思われる他の単糖類と二糖類についても、順次計測法の確立を進める。3.糖代謝の速度論的解析のための予備検討(細胞形態と糖代謝挙動)上記で確立した計測法により、時間軸の無次元化(細胞増殖曲線を規格化し、糖の取り込み速度などを無次元時間軸上で解析する)による糖代謝挙動の速度論的解析を試みた。タバコ細胞、アラビドプシス細胞共に、糖の取込み挙動が細胞増殖とともに把握でき、糖代謝の速度論的な解析が可能であることがわかった。今後、イネ細胞においても確認する予定である。また、バイオリアクタ培養の準備を進めており、フラスコ培養の比較を行う予定である。1.簡易的な細胞増殖モニタリング法の開発(電気伝導度を指標としたオンライン計測)凝集しやすい細胞形態の細胞について、培養液中の総イオン取り込み量(電気伝導度)に基づいた細胞濃度の簡易測定法を検討した。細胞の糖代謝挙動が異なると細胞のイオン取り込み量と細胞増殖量に誤差が生じるが、概ね乾燥重量法と相関が得られたことから、オンライン計測の可能性が示された。初年度検討した濁度法と合わせて、細胞の種類によって3つの方法を使い分けることが有効であることがわかった。2.赤外分光法による培養液中糖濃度の同時計測法の開発(検量式の作成)炭素源としてよく用いられるグルコース、フルクトース、スクロース以外に、マンノース、ガラクトース、マルトースの糖水溶液の赤外分光スペクトルを測定して各糖由来情報の特長を把握した。さらに、タバコ細胞培養中の培養液糖濃度を経時的にHPLCにより測定し、同時に得た培養液の赤外スペクトルから濃度推定するための検量式を得た。すなわち、スペクトル解析による糖代謝挙動の把握が可能となり、実験の省力化とともにプロセス管理のためのツールとしての有効性も示された。3.糖代謝の速度論的解析(細胞の状態、増殖形態と糖代謝挙動、異なる植物細胞、異なる糖の場合)上記2の検量式を得るための培養結果について、ロジスティック関数フィッティングと時間軸の無次元化による糖代謝挙動の速度論的解析を行った。主にタバコ細胞を用いた解析を行い、糖の種類の違いは細胞の増殖・糖代謝の速度論的な挙動の違いとして現れることがわかった。でんぷん由来の糖は主にグルコース単糖として問題ないが、他のバイオマス由来の糖をいくつかの糖の混合物であると仮定した場合、2つ以上の糖の混合物が炭素源として存在する場合の挙動も把握することが望ましい。1.赤外分光法による培養液中糖濃度の同時計測グルコース、フルクトース、スクロース、マンノース、ガラクトース、マルトースの糖水溶液を用いて作成した検量式を培養液に適用し、培養液中糖濃度の同時計測法を確立した。これを基に、混合糖(グルコース+フルクトース、グルコース+ガラクトース、およびグルコース+マンノース)について混合溶液中の各糖が定量可能な赤外・近赤外分光情報を特定し、同時計測法を確立した。2.糖代謝の速度論的解析(細胞種間の特徴抽出)

各単糖の培養結果について、時間軸の無次元化(細胞増殖曲線を規格化し、糖の取り込み速度などを無次元時間軸上で解析する)を施し、それぞれの糖代謝挙動について速度論的解析を行い、アラビドプシス細胞とタバコ細胞について糖の種類に対する糖代謝挙動の違いを明らかにした。3.モデル糖化液またはバイオマス由来糖化液を用いた培養の基礎検討(研究総括)これまでに行ってきた計測手法と解析手法について、モデル糖化液(2種類の混合糖)を用いた培養についての基礎検討を行った。混合状態の糖では、それぞれ単糖での培養に対して取込み挙動がお互いの糖に影響しあうことが示された。特にアラビドプシス細胞においては、グルコースの存在がそれ自身とその他の糖の取込み速度に大きく影響することがわかった。つまり、再資源化糖の主成分であるグルコースと混合状態にある(混在する)糖を用いる培養系において、そのプロセス設計には本研究で確立した赤外分光法による糖濃度計測と糖代謝解析が有効であることが示唆された。また、混合糖による糖代謝コントロールの可能性が示唆され、これについては今後の研究で解明する予定である。
食虫類・スンクスにおけるサテライトDNAの分離とその解析

本研究では哺乳動物のセントロメア・サテライトDNAの進化を探る目的で、実験動物化された食虫類スンクスのゲノムDNAよりサテライトDNAを分離しその解析と染色体マッピングを行った。その結果これまで報告のない新たな現象を発見し、この現象の説明仮説として「姉妹染色分体プリント仮説」を提示した。スンクスのDNAを制限酵素BamHIで消化しアガロース電気泳動にかけると顕著な4本のバンドが観察される。各バンドを構成するDNAを分離し、遺伝子ライブラリーを作製、6種の異なるクローン(pSB1,pSB2a,pSB2b,pSB2c,pSB3,pSB4)を分離した。これらのすべてのクローンについて、蛍光in situハイブリダイゼーションを行い、染色体上の分布を調べたところ、すべてのクローンは染色体のセンロメア近傍に局在することが明らかになり、目的のサテライトDNAであることが確認出来た。これらのクローンの塩基配列を決めたところ、すべてのクローンに3塩基のマイクロサテライト(TTC)の存在すが明らかになった。(TTC)は細胞あたりおよそ3000コピーと推定された。合成オリゴ(TTC)6のプローブを用いて蛍光in situハイブリダイゼーションをしたところ(TTC)6は姉妹染色分体の片側にしかハイブリダイズせず、姉妹染色分体間で(TTC)配列の修飾に何らかの違いがあると示唆された。現在までのところ(TTC)のプローブで観察されたような「Asymmetric hybridization」を示す配列の報告はなく、この現象に対し「Sister chromatid printing hypothesis」という仮説を提示した。食虫類は進化的に、哺乳動物進化の根幹に位置づけられている生物種である。本研究では多様な塩基配列を有する哺乳動物のセントロメア・サテライトDNAの進化を探る目的で、実験動物化された食虫類スンクスのゲノムDNAよりサテライトDNAを分離しその解析と染色体マッピングを行っている。各バンドを構成するDNAを分離し、遺伝子ライブラリーを作製、6種の異なるクローン(pSB1、pSB2a、pSB2b、pSB2c、pSB3、pSB4)を分離した。1.3kbのサテライトバンドからは大きさがわずかに異なる3種のクローンが分離された(2a、2b、2c)。これらのすべてのクローンについて、蛍光in situハイブリダイゼーションを行い、染色体上の分布を調べたところ、すべてのクローンは染色体のセンロメアに局在することが明らかになり、目的のサテライトDNAであった。分離したクローンのうち最も大きな1.8kbのサテライトの塩基配列を決めたところ、この中にマイクロサテライト(TTC)が21コピー存在していた。合成オリゴ(TTC)6は他の5つのクローンとも強くハイブリダイズする事から、スンクスのサテライトDNAは相当量の(TTC)nを含むことが明らかである。現在までのところ(TTC)nを含んだセンロメア・サテライトDNAの報告はない。哺乳動物の染色体のセントロメア近傍には反復配列が多数存在その機能が注目される。この領域の反復配列の塩基配列は生物種によって多様で、現在のところ共通配列としてはCENB-boxの17bpの配列がヒトとマウスで知られるのみである。本研究では哺乳動物の進化の元となった食虫類のセントロメア配列の解析を通してこの領域のに局在する反復配列の機能解析を目指した。これまでに、6種のサテライトDNAを分離しその詳細な遺伝子マップを作成、塩基配列の決定をした。その結果、これらの配列中にはマイクロサテライト配列(TTC)_nが共通に存在する事がわかった。現在のところ、セントロメアのヘテロクロマチン中に3塩基の反復配列の存在を報告した論文はない。

そこでこの配列を合成し(TTC)_5の末端を末端転移酵素を用いビオチン-dUTPでラベルし、スンクスのリンパ球染色体に蛍光in situハイブリダイゼーションを行ったところ、サテライトクローンの分布領域と同じ部位の姉妹染色分体の一側のみにハイブリダイズした。これまで多様なプローブで、染色体遺伝子マッピングがされてきたが、姉妹染色分体の一側性にしかハイブリダイズしないプローブの報告例はなく新知見である。今後、この現象の生物学的意味を解析するための作業仮説として、「姉妹染色分体の一部のDNAは、DNAの構造、DNA結合蛋白などで、染色分体間で異なる修飾を受け、細胞分裂の時に姉妹染色分体を識別している」と考え「姉妹染色分体インプリンティング仮説」を提示した。本研究では哺乳動物のセントロメア・サテライトDNAの進化を探る目的で、実験動物化された食虫類スンクスのゲノムDNAよりサテライトDNAを分離しその解析と染色体マッピングを行った。その結果これまで報告のない新たな現象を発見し、この現象の説明仮説として「姉妹染色分体プリント仮説」を提示した。スンクスのDNAを制限酵素BamHlで消化しアガロース電気泳動にかけると顕著な4本のバンドが観察される。各バンドを構成するDNAを分離し、遺伝子ライブラリーを作製、6種の異なるクローン(pSB1,pSB2a,pSB2b,pSB2c,pSB3,pSB4)を分離した。これらのすべてのクローンについて、蛍光in situハイブリダイゼーションを行い、染色体上の分布を調べたところ、すべてのクローンは染色体のセンロメア近傍に局在することが明らかになり、目的のサテライトDNAであることが確認出来た。これらのクローンの塩基配列を決めたところ、すべてのクローンに3塩基のマイクロサテライト(TTC)の存在すが明らかになった。(TTC)は細胞あたりおよそ3000コピーと推定された。合成オリゴ(TTC)6のプローブを用いて蛍光in situハイブリダイゼーションをしたところ(TTC)6は姉妹染色分体の片側にしかハイブリダイズせず、姉妹染色分体間で(TTC)配列の修飾に何らかの違いがあると示唆された。現在までのところ(TTC)のプローブで観察されたような「Asymmetric hybridization」を示す配列の報告はなく、この現象に対し「Sister chromatid printing hypothesis」という仮説を提示した。
大規模地震に対する各種擁壁構造物の実用的な耐震設計法に関する研究

大規模地震に対して形式の異なる擁壁の耐震設計を行う実用的な手法の確立を目的として、計6種類の擁壁模型の不規則加振実験を行った。これまでに実施した正弦波加振および模型全体を傾斜させる実験時には裏込め土中に一つのすべり面しか生じなかったのに対し、不規則波加振時には一つめのすべり面が生じた後で大きな加速度が作用すると二つめのすべり面が生じる場合があることを明らかにした。後者の傾向は、ひずみの局所化とひずみ軟化の影響を考慮して地震時主動土圧を算定することにより合理的に説明できる。また、重力式、もたれ式やL型などの従来型擁壁よりも補強土擁壁のほうが、変位し始めたあともねばり強い特性を示すことを明らかにした。この理由として、従来型擁壁が転倒し始めると擁壁底版つま先部分で応力集中が生じ、この部分が支持力破壊すると急速に変位が進展するのに対して、補強土擁壁では、擁壁が変位しても補強材の張力が有効に抵抗するために変位が進展しにくいことを示した。さらに、前述した既往の傾斜実験および正弦波加振実験結果とあわせて土圧合力について検討を行い、傾斜実験ではもたれ式擁壁を除いて実験値と物部岡部式による計算値が概ね一致するが、正弦波加振実験と不規則波加振実験では、特に大きい水平震度においてはピーク強度を用いた物部岡部式よりも実験値のほうが小さくなることを示した。ただし、すべり面が生じた後のすべり土塊の水平・鉛直方向応答加速度の大きさと位相が振動台加速度と異なることを考慮することにより、実験値と物部岡部式の差は小さくなった。上記に加えて、台湾で発生した集集地震における擁壁構造物の被災調査を実施し、従来型擁壁の被災原因として、断層変位、背後斜面のすべり、支持地盤の支持力不足、および擁壁自体の過大な慣性力が考えられることを示した。また、補強土擁壁は補強材の敷設間隔が大きいほど被害が大きかったことを示した。長さ約200cm,奥行き60cmの土槽の中で、高さ50cm程度の重力式、L型RC擁壁及び補強土擁壁模型を用いて不規則波載荷による水平加振実験を実施した。兵庫県南部地震において神戸海洋気象台で記録された強震記録の時間軸を主要周波数成分が5Hzとなるように調整したものを加振波形として入力し、さらにその最大加速速度振幅を100galから100gal刻みで増加させるステップ加振を行った。擁壁各部の応答加速度や擁壁模型に作用する土圧を計測するとともに、裏込め土の変形状況の観察を行った。これらを、これまでに実施してきた傾斜実験と規則波(5Hz正弦波、一定振幅)による水平加振実験結果と比較した。その結果、これまでに実施した正弦波入力による加振時には裏込め土中に一つのすべり面しか生じなかったが、不規則波入力時には一つめのすべり面が生じた後で大きな加速度が作用すると二つめのすべり面が生じることを明らかにした。後者の傾向は、ひずみの局所化とひずみ軟化の影響を考慮して地震時主働土圧を算定することにより合理的に説明できる。また、ビデオ画像を解析することによりすべり面が生じ始めた時点の水平震度(不規則波加振の場合には最大加速度振幅を重力加速度で正規化した)を算定し、同じ条件の擁壁模型に対しては、この値が「傾斜実験<正弦波加振実験<不規則波加振実験」の順に大きくなることを示した。

さらに、L型RC擁壁を対象にステップ加振時の加速度振幅の増分を変化させた正弦波加振実験を実施し、増分が25galと50galの場合に、加振履歴の違いが実験結果に及ぼす影響は小さいことを示した。前年度に引き続き、形式の異なる擁壁模型を用いた水平加振実験を、不規則波入力により行った。その結果、重力式、もたれ式やL型などの従来型擁壁よりも補強土擁壁のほうが、変位し始めたあともねばり強い特性を示すことを明らかにした。この理由として、従来型擁壁が転倒し始めると擁壁底版つま先部分で応力集中が生じ、この部分が支持力破壊すると急速に変位が進展するのに対して、補強土擁壁では、擁壁が変位しても補強材の張力が有効に抵抗するために変位が進展しにくいことを示した。また、既往の傾斜実験および正弦波加振実験結果とあわせて土圧合力について検討を行い、傾斜実験ではもたれ式擁壁を除いて実験値と物部岡部式による計算値が概ね一致するが、正弦波加振実験と不規則波加振実験では、特に大きい水平震度においてはピーク強度を用いた物部岡部式よりも実験値のほうが小さくなることを示した。ただし、すべり面が生じた後のすべり土塊水平・鉛直方向応答加速度の大きさと位相が振動台加速度と異なることを考慮することにより、実験値と物部岡部式の差は小さくなった。さらに、模型の奥行き方向の挙動の差について検討を行い、土槽側壁における摩擦の影響は、擁壁模型の中央部分で測定した土圧合力においては小さいと考えられることを示した。上記に加えて、台湾で発生した集集地震における擁壁構造物の被災調査を実施し、従来型擁壁の被災原因として、断層変位、背後斜面のすべり、支持地盤の支持力不足、および擁壁自体の過大な慣性力が考えられることを示した。また、補強土擁壁は補強材の敷設間隔が大きいほど被害が大きかったことを示した。
レニン・アンジオテンシン系の新規コンポーネントによる脳保護効果についての検討

近年増加している脳卒中や認知機能障害は、介護者の負担や経済的損失も大きいことからその予防対策や治療法の確立が急務となっている。最近の研究から、脳卒中だけでなく認知機能障害に血管系因子が重要な役割を果たしていることがわかってきており、心血管系に深く関与しているレニン・アンジオテンシン(RA)系が認知機能障害にも関与していると考えられている。最近、RA系の新しいシグナルとしてACE2-Ang(1-7)-Mas系(ACE2:アンジオテンシン変換酵素2、Ang(1-7):アンジオテンシン(1-7)、Mas:アンジオテンシン(+7)の受容体)の作用が注目されている。ACE2-Ang(1-7)-Mas系は血管拡張や血圧低下など、従来のRA系とは拮抗する作用を示すことが報告されており、その臓器保護効果に期待が持たれている。これまでにAng(1-7)は虚血性脳血管障害に対して抑制的に働き、脳保護効果を有することが報告されていることから、認知機能障害の発症・進展抑制においても、ACE2-Ang(1-7)-Mas系が効果的に働く可能性が考えられる。そこで、ACE2ノックアウト(KO)マウスとMasKOマウスを用いて中大脳動脈閉塞による脳卒中の作成による脳梗塞巣の大きさの評価とモリス水迷路により認知機能の評価を行った。ACE2KOマウスとMasKOマウスにおいて脳梗塞巣の大きさに野生型マウス(C57BL6)と比べて有意な差は認められなかった。ACE2KOマウスでは野生型マウスに比べて空間認知機能の有意な低下が認められたが、MasKOマウスでは認知機能の低下は認められなかった。ACE2ノックアウトマウスにおける認知機能低下のメカニズムの一つとして、脳血流量をレーザードップラー法にて測定したが、脳血流量に有意な差は認められなかった。現在、ACE2ノックアウトマウスにAng(1-7)を補充することで認知機能の低下が抑制されるかについて検討中である。メカニズムの検討としては、脳内の酸化ストレスや炎症性サイトカインの発現、また海馬付近での神経細胞傷害の有無について検討中である。これまでに得られた結果から、ACE2-Ang(1-7)-Mas系が認知機能に何らかの関与をしている可能性が示唆され、そのメカニズムの解明により、今後の認知機能障害の発症・進展予防や治療法の確立につながるものとして本研究は有益であると考えられる。
Arduinoを用いた放射線検出器教材の開発

目的申請者は放射線検出器から出る信号を専用の電子回路ではなく安価なマイコンボードによって置き換えることにより自分で信号の加工を学べる教材の開発を目的として本研究を行った。研究方法γ線源であるNa22の密封小線源から液体シンチレータにγ線を照射することでγ線によって励起された液体シンチレータが発光する。その光を光電子増倍管ユニットで検出し,電流として出力した。また,光電子増倍管に太陽光を入射させないでγ線源と液体シンチレータの間の距離を変化させられるような機構を作り,逆二乗則の測定が出来るようにした。Arduinoのアナログ入力ポート電圧入力であるが,光電子増倍管ユニットは電流出力であるため,電流一電圧変換回路を構築して信号を変換し, Arduinoに入力する。研究成果最初にγ線源と液体シンチレータを用い,構築した機器が放射線計測に適用可能かどうかを検討した。γ線源と液体シンチレータの間の距離が離れるに従って光電子増倍管ユニットから出力された電流値が減少した。電流値の平方根の逆数とγ線源-液体シンチレータ間の距離の関係が直線になったことから逆二乗則が適応されており,放射線検出器として放射線検出に利用できることが確認された。電流-電圧変換回路は現在構築中である。また,今回構築した装置を用い,希土類錯体が高濃度トリチウム水から放射されたβ線によって励起した後の発光を測定した。この結果で希土類錯体の高濃度トリチウム水測定に対する有用性を検討し, 2件の学会発表を行った。
高精度騒音推定法とモード合成法に基づく機械構造・形状の静音最適化システムの開発

様々な工業製品が発生する振動や騒音を低減して快適な居住環境を確保するために,振動・騒音発生源を明確にするとともに,その構造の補強,軽量化を経て発生騒音を最小化する必要がある.そこで本研究では,構造変更の際の振動特性を容易に推定できるモード合成法と,振動モード解析に基づく高精度騒音推定法を組み合わせて,発生騒音が最小となるような構造変更を教示できる構造最適化システムを開発することを目的とした.そして,自動車の床板を模擬した片持ち矩形板およびトランスミッションケースについてその静音構造の最適化システムの構築を試みた.片持ち矩形版の構造最適化については,まず,単純片持ち矩形板の実験モード解析結果および付与する矩形補強板の有限要素法モード解析結果を合わせて,モード合成法により,補強板付きの片持ち矩形板の振動モードを求め,高精度騒音推定法により衝撃加振時の騒音パワーの推定を行うとともに測定実験を行って,高い推定精度が得られることを明らかにした.さらに,騒音推定までの一連のプロセスを組み込んだ構造最適化システムを構築し,片持ち矩形板を格子状に区画してそれぞれを補強または軽量化する構造最適化を実行した.その結果得られた最適構造変更矩形板の放射音響パワーの推定値および実験値は良く一致し,かつ単純矩形板の放射音響パワーに比較して数dB低減されることが明らかになった.トランスミッションケースの構造最適化については,まず,半球型,シルクハット型および山高帽型の3種類の形状について,実験モード解析,有限要素法振動モード解析と高精度騒音推定法により衝撃加振時の放射音響パワーの推定を行うとともに,測定実験を行った.そしてその結果に基づいて,有限要素寸法が推定精度に及ぼす影響を定量化するとともに,形状と音響パワーの特徴を明らかにしてパワーの小さい形状について考察した.様々な工業製品が発生する振動や騒音を低減して快適な居住環境を確保するために,振動・騒音発生源を明確にするとともに,その構造の補強,軽量化を経て発生騒音を最小化する必要がある.そこで本研究では,構造変更の際の振動特性を容易に推定できるモード合成法と,振動モード解析に基づく高精度騒音推定法を組み合わせて,発生騒音が最小となるような構造変更を教示できる構造最適化システムを開発することを目的とした.そして,自動車の床板を模擬した片持ち矩形板およびトランスミッションケースについてその静音構造の最適化システムの構築を試みた.片持ち矩形版の構造最適化については,まず,単純片持ち矩形板の実験モード解析結果および付与する矩形補強板の有限要素法モード解析結果を合わせて,モード合成法により,補強板付きの片持ち矩形板の振動モードを求め,高精度騒音推定法により衝撃加振時の騒音パワーの推定を行うとともに測定実験を行って,高い推定精度が得られることを明らかにした.さらに,騒音推定までの一連のプロセスを組み込んだ構造最適化システムを構築し,片持ち矩形板を格子状に区画してそれぞれを補強または軽量化する構造最適化を実行した.その結果得られた最適構造変更矩形板の放射音響パワーの推定値および実験値は良く一致し,かつ単純矩形板の放射音響パワーに比較して数dB低減されることが明らかになった.トランスミッションケースの構造最適化については,まず,半球型,シルクハット型および山高帽型の3種類の形状について,実験モード解析,有限要素法振動モード解析と高精度騒音推定法により衝撃加振時の放射音響パワーの推定を行うとともに,測定実験を行った.そしてその結果に基づいて,有限要素寸法が推定精度に及ぼす影響を定量化するとともに,形状と音響パワーの特徴を明らかにしてパワーの小さい形状について考察した.
軌道不安定性による多自由度ハミルトン力学系の普遍的性質に関する研究

多自由度力学系は、一般には非可積分つまりカオス系となるため解析的な手法を用いた理解が難しい。そこで、カオス系の特徴である軌道の指数的不安定性を定量化したリアプノフ指数と、その不安定方向を表すリアプノフベクトルを数値的に求めることにより、系の性質を調べる方法が有用な方法の一つとなっている。本研究の目的は、ハミルトン系に対してこのアプローチ方法を改良・発展させ、マクロな物理的現象をミクロな力学系の立場から理解することにある。力の大きさが有限なハミルトン系では、軌道の進行方向とハミルトニアンの勾配方向との2方向に対しては、指数的軌道不安定性が発生しないことがわかっている。よって、純粋に不安定もしくは安定な方向を得るためには、これら2方向を他の方向から分離しなければならない。つまり、初期時刻でこれら2方向を表す平面に垂直なリアプノフベクトルは、任意の時刻で垂直であるのが望ましい。しかし、従来の方法ではこの要求は満たされない。そこで、運動方程式を測地線方程式として表す幾何学的な方法を用いた。この方法の利点は、曲率と不安定性の関係など、軌道不安定性の幾何学的なイメージが明確になることである。従来の幾何学的方法では、配位空間に適当なリーマン計量を導入していたが、本研究ではこれを相空間にリフトすることにより、上記の要求を満たすような方法論を理論的に確立することに成功した。また、数値計算のアルゴリズムを開発することにより、実装することにも成功し、リアプノフ指数は従来の方法と一致するが、リアプノフベクトルは一致しないことを確認した。応用としてこの方法を二次相転移をおこす系に適用した結果、次の示唆が得られた。(1)臨界点に近づくにつれ、マクロ変数の揺らぎがミクロな不安定性を活用する度合いが大きくなる(2)マクロ変数の揺らぎの発散が、リアプノフベクトルの方向の相関関数に現れるこれらの解析を推進することにより、臨界現象をミクロな立場から理解すること、また逆にミクロな力学系の未解決な問題を解決するためのヒントを得られることなどが期待できる。力学系を解析する手法の一つとして、リアプノフ解析がある。これはカオス系の特徴である軌道の指数的不安定性を定量化したリアプノフ指数と、その不安定な方向を表すリアプノフベクトルの二つを用いて、力学系の特徴を捉えていく方法である。本研究の目的は、ハミルトン系に対してこの方法を改良・発展させ、応用することである。力の大きさが有限なハミルトン系では、2つの方向に対して指数的不安定性が発生しないことがわかっている。軌道の進行方向とハミルトニアンの勾配方向である。従って、リアプノプベクトルが純粋に不安定な方向を差し示すためには、これら2つの方向を他の方向から分離してやらなければならない。リアプノフ指数やリアプノフベクトルを求めるためには、相空間における運動方程式を線形化しなければならないが、単に正準運動方程式を線形化すると、一般には上記の分離ができない。そこで、配位空間に適当なリーマン計量を導入することで、運動方程式を測地線方程式として表す幾何学的な方法を用いた。この方法により得られた線形化運動方程式は、曲率などを用いて記述され、これらの性質を用いることにより次の結論を得た:(1)リアプノフベクトルの初期条件を、軌道の進行方向とハミルトニアンの勾配方向で張られる2次元空間に置くと、時間発展してもその2次元空間に留まる。(2)リアプノフベクトルの初期条件を、上の2次元空間の直交補空間に置くと、時間発展してもその直交補空間に留まる。すなわち、不安定性を持たない2つの方向を分離するような線形化運動方程式が得られたことになる。さらに、3自由度のモデル系を用いて、幾何学的方法の数値実験を行ったところ、上記の理論的結論を確認することができた。さらに、リアプノフ指数については従来の方法と幾何学的方法が同一の値を与えることが分かった。

(1)臨界点に近づくにつれ、マクロ変数の揺らぎがミクロな不安定性を活用する度合いが大きくなる(2)マクロ変数の揺らぎの発散が、リアプノフベクトルの方向の相関関数に現れるこれらの解析を推進することにより、臨界現象をミクロな立場から理解すること、また逆にミクロな力学系の未解決な問題を解決するためのヒントを得られることなどが期待できる。
オンライン代謝経路網解析システムの開発と水素細菌によるPHB生産への応用

本研究では、微生物の代謝経路網解析を行い、プロセスの入出力データから、代謝流束分布をオンラインで推定する手法を開発し、あわせて、代謝反応を考慮しながら培養制御を行うバイオリアクターシステムを開発することを目的としている。このため、すでに微生物の代謝のネットワーク情報を信号伝達線図に変換し、プロセスの入出力と、代謝ネットワーク情報を結びつけることで、培養フェーズを分けることができることを実験的に示しており、これをオンラインで実行するための基礎的手法も開発している。昨年度の研究では、PHB合成遺伝子を組み込んだ、遺伝子組換え医大腸菌の培養特性について検討し、PHB合成を促進させるための代謝ネットワークの最適化を行い、実際にpgi欠損変異株およびack欠損変異株を作成して、細胞内のNADPHとアセチルCoAの過剰生成がPHB合成に及ぼす影響を実験的に調べた。今年度はさらに踏み込んで、水素細菌の代謝調節制御機構をモデル化し、オンライン最適化を試みた。このため、水素細菌を用いた単独培養、および乳酸菌と水素細菌を用いた混合培養を行い、培養液中のNH_3濃度および溶存酸素(DO)濃度が細胞増殖およびPHB合成に及ぼす影響を調べ、数式によるモデル化を行った。ここでは、非構造モデルを考え、細胞増殖、PHB合成、炭素源消費、NH_3消費の動特性を微分方程式で表現し、最大原理を利用して、最適NH_3濃度の変化パターンを求めた。その結果、初期NH_3濃度を適当に選べば、細胞増殖に伴ってNH_3濃度があるパターで低下し、培養後期にPHBが効果的に合成されることがわかり、その有効性を実験的に検証することができた。本研究では、微生物の代謝経路網解析を行い、プロセスの入出力データから、代謝流束分布をオンラインで推定する手法を開発し、あわせて、代謝反応を考慮しながら培養制御を行う、全く新しいバイオリアクターシステムを開発することを目的としている。また、水素細菌を利用した培養システムに適用し、効率的なPHBの合成へ応用しようとしている。我々は、すでに、微生物の代謝ネットワーク情報を、信号伝達線図に変換し、プロセスの入出力と、代謝ネットワーク情報とを結びつけることで、培養フェーズを分けることができることを、遺伝子組換え酵母の培養実験で示しており、これをオンラインで実行するための基礎的手法も開発している。また、水素細菌によるPHB合成を例にとって、プロセスの入出力データから代謝流束分布を推定する手法も開発している。本研究ではさらに、遺伝子組換え大腸菌によるPHB合成を代謝調節制御の観点から検討するために、MITのA.J.Sinskey教授からPHB合成遺伝子を分けていただき、プラスミドを構築し、大腸菌に組み込んで形質転換した。この遺伝子組換え大腸菌を培養した結果、水素細菌の場合と異なり、PHB合成に必要なNADPHがペントースリン酸経路生成されるため、このNADPHをどうやって過剰生成させるかが重要であることがわかった。そこで、数理的手法(線形計画法)を利用して、まずPHB合成速度を最大にする最適な代謝経路分布を求めた。次に、それを実現させるために、さらに解糖系のpgi欠損変異株や、アセチルCoAから酢酸合成にいたる経路の酵素を発現させるack遺伝子を欠損させた変異株を作成して、その培養特性を検討した。また、グルコースの取り込みに関して、いわゆるptsを制御することも検討した。また、炭素源をグルコースではなく、グルコン酸に変えることによって、代謝経路を変化させ、NADPHの生成を制御することも行った。現在、さらに代謝解析を行い、培養制御の観点から検討中である。このため、すでに微生物の代謝ネットワーク情報を信号伝達線図に変換し、プロセスの入出力と、代謝ネットワーク情報を結びつけることで、培養フェーズを分けることができることを実験的に示しており、これをオンラインで実行するための基礎的手法も開発している。

今年度はさらに踏み込んで、水素細菌の代謝調節制御機構をモデル化し、オンライン最適化を試みた。このため、水素細菌を用いた単独培養、および乳酸菌と水素細菌を用いた混合培養を行い、培養液中のNH_3濃度および溶存酸素(DO)濃度が細胞増殖およびPHB合成に及ぼす影響を調べ、数式によるモデル化を行った。ここでは、非構造モデルを考え、細胞増殖、PHB合成、炭素源消費、NH_3消費の動特性を微分方程式で表現し、最大原理を利用して、最適NH_3濃度の変化パターンを求めた。その結果、初期NH_3濃度を適当に選べば、細胞増殖に伴って、NH_3濃度があるパターンで低下し、培養後期にPHBが効果的に合成されることがわかり、その有効性を実験的に検証することができた。