hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
点検情報の価値を考慮したロバスト最適点検・補修計画モデルの開発と適用

今年度は,四国地方を対象に橋梁の点検調書などのデータを収集し,長年,健全な状態を保っている橋梁から,供用開始後の比較的,短期間に損傷が確認された橋梁まで様々な橋梁が存在していることがわかった.これらの収集したデータに対して混合マルコフ劣化ハザードモデルを適用し,将来の期待劣化パスと予測区間を算出し,橋種ごとの劣化傾向の違いや劣化要因を明らかにした.さらに推定したモデルから劣化予測パスを求め,点検や補修工事によって生じる期待ライフサイクルコストを橋梁ごとに算出し,最適な点検間隔について議論した.また,橋梁など構造物の劣化は,海岸からの距離など地理的な影響を受けやすいため,舗装の劣化速度に関して,地理的な位置関係を明示的に考慮した探索的空間データ分析を行った.その結果,ひび割れ率やわだち掘れ量などで評価された路面性状値について,劣化速度の速い舗装が地理的に集中しているようなホットスポットが存在していることが明らかになった.さらには,点検情報を考慮した最適点検・補修計画モデルを開発する一貫として,限られた予算の中で優先的に点検・補修を実施すべき橋梁を特定するための方法として,橋梁連関表および橋梁の代替重要度による評価手法を提案した.これは,道路ネットワークのリダンダンシーを高めるために,多くのODペアに利用されている橋梁だけではなく,他の橋梁が廃止または通行止めになったときに代替路として利用される可能性を考慮した評価手法である.橋梁連関表は,橋梁管理者を超えて,道路ネットワーク上の橋梁の重要度を把握する上で有用な評価手法であると考えられる.その他にも,劣化に関する調査結果から橋梁などの構造物の健全度を判断する際に,「健全でない」施設を,分類木上「健全である」と判断してしまうような重大な誤判別の回避を明示的に取り扱う重み付き最適分類木を提案した.点検情報を用いて劣化予測を実施し,橋梁に応じた点検間隔を議論するための方法論の提案や,橋梁の最適点検・補修計画の策定のための最適化モデルを用いた評価手法の提案など,おおむね順調に進展している.当初の研究計画に従い,追加的に点検調査の結果を加えることによる予測誤差の期待改善量を定式化し,最適点検補修計画モデルのさらなる開発などを進める.今年度は,四国地方を対象に橋梁の点検調書などのデータを収集し,長年,健全な状態を保っている橋梁から,供用開始後の比較的,短期間に損傷が確認された橋梁まで様々な橋梁が存在していることがわかった.これらの収集したデータに対して混合マルコフ劣化ハザードモデルを適用し,将来の期待劣化パスと予測区間を算出し,橋種ごとの劣化傾向の違いや劣化要因を明らかにした.さらに推定したモデルから劣化予測パスを求め,点検や補修工事によって生じる期待ライフサイクルコストを橋梁ごとに算出し,最適な点検間隔について議論した.また,橋梁など構造物の劣化は,海岸からの距離など地理的な影響を受けやすいため,舗装の劣化速度に関して,地理的な位置関係を明示的に考慮した探索的空間データ分析を行った.その結果,ひび割れ率やわだち掘れ量などで評価された路面性状値について,劣化速度の速い舗装が地理的に集中しているようなホットスポットが存在していることが明らかになった.さらには,点検情報を考慮した最適点検・補修計画モデルを開発する一貫として,限られた予算の中で優先的に点検・補修を実施すべき橋梁を特定するための方法として,橋梁連関表および橋梁の代替重要度による評価手法を提案した.これは,道路ネットワークのリダンダンシーを高めるために,多くのODペアに利用されている橋梁だけではなく,他の橋梁が廃止または通行止めになったときに代替路として利用される可能性を考慮した評価手法である.橋梁連関表は,橋梁管理者を超えて,道路ネットワーク上の橋梁の重要度を把握する上で有用な評価手法であると考えられる.その他にも,劣化に関する調査結果から橋梁などの構造物の健全度を判断する際に,「健全でない」施設を,分類木上「健全である」と判断してしまうような重大な誤判別の回避を明示的に取り扱う重み付き最適分類木を提案した.点検情報を用いて劣化予測を実施し,橋梁に応じた点検間隔を議論するための方法論の提案や,橋梁の最適点検・補修計画の策定のための最適化モデルを用いた評価手法の提案など,おおむね順調に進展している.当初の研究計画に従い,追加的に点検調査の結果を加えることによる予測誤差の期待改善量を定式化し,最適点検補修計画モデルのさらなる開発などを進める.
集客スポーツを利用した都市活性化と地域変動:中核都市と周辺部に着目して

研究の目的は、「集客化する」都市を対象に、プロスポーツの定立やイベント化を通すことで見える新たな都市像に迫ることである。今年度は、(1)理論的検討を行うための研究セミナーの実施、(2)仙台、山形、札幌の機関調査、(3)プロスポーツを応援する会登録企業へのアンケート調査、(4)成果報告書の取りまとめを行った。研究の成果は、以下の通りである。(1)先行研究の背後には、プロスポーツ自体が都市の新たな「集客装置」となっているという前提があり、スポーツ研究として接近するための新たな分析枠が必要とされた。本研究では、作業仮説としてそれが展開するスポーツ空間を物理的・社会的・抽象的空間に分節化し、集客スポーツの条件を改めて問うことを提示した。(2)各都市の事例からは、プロスポーツ球団がビジネスとして定立するための物理的条件として、スタジアムの利用・管理形態の実相及びその重要性が明らかとなった。また、集客消費産業としてのプロスポーツは、「消費者」としてのファンのみならず、多様な「市民」的活動によっても大きく支えられていることが示された。ここに他の集客消費産業とは区別される集客スポーツの特徴がみられた。(3)球団によって組織される「応援する会」登録企業調査からは、登録企業側が「強いチーム」や「市民との交流」を強く求めていることと、これに熱心なサポーター・ファンであることとが相互に関連することにより、「地域密着」という意識が支えられることが明らかとなった。ただし、それは具体性を欠いた抽象的空間の共有化によるものでもあった。集客スポーツは、抽象的・象徴的なものに依存していることが実証的に示された。以上により、集客スポーツによる物理的・社会的・抽象的空間の相互関連も、新たな課題として提示された。1.研究レビュー及び予備的考察のとりまとめ欧米における理論的動向を探るため、文献研究を行った。とくに大都市以外で展開する米国マイナーリーグ研究(Johnson 1993)、および具体的コミュニティとプロスポーツとの関係を論じたInghamら(1987;2003a;2003b)に着目し、米国におけるコミュニティ研究との連関も視野におきながら検討した。そこで明らかになったのは、プロスポーツが都市に与える経済効果の限界、政治的エコノミー(political economy)分析への傾注、コミュニティへのインパクト研究がポジティブな結果をあげていないことであった。ここから政治的エコノミーや権力分析、ならびに社会構造分析の必要性が示唆された。以上の点は、予備的に実施された札幌市における商店街の事例研究も含め、学会報告、論文にまとめられた。2.地域調査の実施研究計画に沿って、北海道(札幌市、栗山町)、東北(仙台市、天童市、中山町)の基礎的なデータ収集を行い、地域毎の社会構造の把握に努めた。具体的調査として、宮城県、山形県内におけるプロスポーツ団体、行政機関、関連団体、NGO/NPO等の機関調査(計12箇所)を行った。東北地方におけるプロスポーツについては運営そのものの困難さから、発足当初から行政を中心に地元企業、市民が深く関与してきたこと、それはまた大型スポーツ施設建設(国体施設、W杯施設、既存公共スポーツ施設)のあり方と不可分な関係にあったことが明らかとなった。ここから、都市の社会空間編成といった新たな問題構制が浮かび上がってきた。市民参加という側面からは、ボランティア組織が当初の「勢い」を急速に失いつつあり困難な局面を迎えている一方で、「集客」スポーツを利用した環境への取り組みの活性化(仙台市)といった動向を捕捉することができた。この点も新たな知見であった。本研究の目的は、集客スポーツを通すことで見える新たな都市像に迫ることである。本年度の研究計画は以下の3点であった。

尚、これらを遂行するにあたり関連する研究者を招聘した研究セミナーを開催した。1、集客スポーツ分析-スタジアムの利用・管理とプロスポーツ:運営企業の側からする集客スポーツの諸条件を検討するため、プロ野球球団(仙台)、並びに企業スポーツチーム(山形)に対する機関調査を行った。その条件とは(1)人口規模、(2)スタジアムというマテリアルな条件の利用/営業権のあり方(スタジアム所有自治体とプロ球団との協定のあり様:宮城県)であった。特に後者においては、スポーツという内容以上にスポーツ空間のエンターテインメント性が重視される。そのため、スタジアムの利用/営業権自体がビジネス化の基礎的条件となっている点が注目された。またここでの主体が消費者(顧客)と措定される点も重要であった。2、住民の応答分析-「応援する会」会員企業アンケート調査:今年度は、札幌(サッカー)、仙台(野球)の「応援する会」会員企業を対象にアンケート調査を実施した。その結果は、販売促進等の具体的な経済的効果は期待より下回ったとする回答が多く見られたものの、応援するには手頃な金額であり、顧客とのコミュニケーションの促進という面で期待にそっていた、というものであった。3、集客スポーツに対する評価:(1)経済産業面に対する効果については、行政によって測定されているが、それら数値に対する過大な評価は見られなかった。(2)特に仙台においては、住民によるボランティア活動やNPO/NGO活動が盛んであり、これら主体が集客スポーツの場に積極的に関与している点が注目された。(3)集客スポーツの先には、Hanniganのいう"Fantasy City"(1998)、高橋のいう「再魔術化」する都市像(2006)が重なっていた。これらにより、従来の都市住民のスポーツ振興という文脈の再考が強く示唆された。
免疫性神経筋接合部疾患における新規自己抗原の検索

重症筋無力症(Myasthenia gravis, MG)は、神経筋接合部のシナプス後膜側に存在するアセチルコリンレセプター(AChR)あるいはMuscle Specific tynosine Kinase (MuSK)に対する自己抗体により発症する自己免疫性疾患である。Lambert-Eaton筋無力症候群(LEMS)も自己免疫性神経筋接合部疾患であるが、標的抗原は神経終末側のP/Q型電位依存性カルシウムチャネル(VGCC)で、神経終末からのアセチルコリン遊離障害が病態を形成する。いずれも神経終末からシナプス後膜への伝達障害のために骨格筋の易疲労性・機能低下が前景に現れる疾患である。当施設ではMG・LEMS患者血清について数百例におよぶ自己抗体のアッセイを行ってきたが、全身型MGの10%および眼筋型MGの50%では抗AChR抗体と抗MuSK抗体の双方が陰性、また、LEMSの約15%では抗VGCC抗体が陰性であった。本研究では、こうした抗体陰性例(sero-negative MG, sero-negative LEMS)の発症に、未知の抗原が関与しているものと想定し、患者血清中の自己抗体がどういった蛋白抗原を認識しているのかを、筋肉や脊髄、大脳のcDNAライブラリーを蛋白としてファージ表面に発現させる、「ファージディスプレイ法」を用いて解析・同定する。同法の準備にあたって現在、抗原となるファージライブラリの作成、増幅、発現の確認、および試験的な抗体カラムの作成を行い、反応条件の調節を行っている。本研究では、こうした抗体陰性例(sero-negative MG, sero-negative LEMS)の発症に、未知の抗原が関与しているものと想定し、患者血清中の自己抗体がどういった蛋白抗原を認識しているのかを、筋肉や脊髄、大脳のcDNAライブラリーを蛋白としてファージ表面に発現させる、「ファージディスプレイ法」を用いて解析・同定していく。同法の準備にあたって現在、抗原となるファージライブラリの作成、増幅、発現の確認、および試験的な抗体カラムの作成を行い、反応条件の調節を行っている段階である。抗原となるファージの増幅や抗原抗体反応の条件の最適化に時間を要している。計画より遅れているが、当初の方針通りに進めていく。物品購入、旅費など
裾の重い分布から構成される時系列モデルの研究

最終年度では、方向統計学のトピックにおいて、ミクスチュアートランジションデンシティーを利用して定義した周期定常マルチオーダーマルコフ過程に関する研究を様々な場所で発表し、周知に努めた。共同研究者とは連絡を取り合い、論文投稿へ向けてのドラフトは出来上がっている。また時系列解析における多次元スペクトル密度関数を利用し、多次元周期密度関数を一般的な形で提案する研究においては、論文が完成し、雑誌に投稿した。現在は査読中である。研究期間全体においては、裾の重い分布である多次元アルファ安定分布において、テイルインデックス並びにスペクトル測度の推定量を提案する研究を行い、論文が雑誌に掲載された。また方向統計学における、既知の方向周りでの対蹠対称性に関する漸近最適推測論に関する研究を行った。これは円周上の密度関数に二つのピークがあるとき、それらが対象であるか否かの最適な検定および推測問題を、局所漸近正規性の観点から述べたものである。現在は論文作成段階である。また周期定常マルコフ過程における周期自己相関関数における研究では、k次の周期自己相関関数を陽な形で表現することに成功し、その自然な推定量であるk次の標本周期自己相関係数の漸近正規性も示した。本研究は論文が雑誌に掲載された。また周期定常マルコフ過程を特徴づける関数が外生変数に依存するようなモデルを提案した。具体的には、風速、風向データのモデリングを想定しており、前時点を所与としたときの現時点の風向データの条件付密度関数が風速に依存しているようなモデルである。本研究は継続中である。方向統計学における、既知の方向周りでの対蹠対称性に関する漸近最適推測論に関する共同研究を行った。得られた結果をウミガメの産卵後の移動方向のデータに適用して実データ解析も行った。方向統計学関連ではもう一つ、周期定常マルコフ過程における周期自己相関関数についての研究が進んだ。周期定常マルコフ過程を定義する際、二つの円周上の密度関数fとgを使用するが、fを一様分布、gを任意の円周上密度関数とした設定の下、k次の周期自己相関関数がgのリザルタントレングスの(2k)乗の形で書けることを明らかにした。また、周期自己相関関数の自然な推定量である標本周期自己相関関数を考え、漸近正規性を示した。推定量の性質を確かめるべく、fが一様分布、gがサインスキュード・フォン=ミーゼス分布とした設定の下、シミュレーションにより3次までの自己相関関数を推定した。他にも、三角関数で定義された過程を考え、そのスペクトル密度関数を陽な形で与えた。多次元アルファ安定分布における、テイルインデックス並びにスペクトル測度の推定に関する研究も行った。簡単に計算できるテイルインデックスの推定量を二つ提案し、その推定結果を使って、離散型スペクトル測度の推定量を提案した。推定結果を確かめるシミュレーションや、SP500の市場データを用いた実データ解析も行った。方向統計学のトピックにおいて、周期定常マルコフ過程における周期自己相関関数の研究を継続した。周期定常マルコフ過程を定義する際に使用する二つの円周上の密度関数をfとgとする。fを周期一様分布の密度関数、gを任意の円周上の密度関数としたとき、k次の周期自己相関関数がgの合成ベクトル長の(2k)乗で表されるという結果が導かれたが、数値実験によって、gを具体的にvon Mises分布の密度関数とwrapped Cauchy分布の密度関数とした設定において、k次の自己相関の挙動を確認した。どちらの場合もvon Mises分布またはwrapped Cauchy分布の集中パラメータの値が大きくなるときに周期自己相関関数が大きくなることがわかった。また、実データ解析として稚内の風速データを扱い、gとしてwrapped Cauchy分布ないしsine-skewed wrapped Cauchy分布を想定し、そのパラメータ推定を最尤推定法により行った。また上記研究の発展として、gのパラメータが外生変数に依存するようなモデルを提案した。この研究においても、実データ解析として稚内の風速、風向データを用い、gとしてsine-skewed wrapped Cauchy分布を想定した下でパラメータ推定を行った。結果として、風速が小さいときには風向がばらつきやすく、また逆に風速が大きいときは風向が一定の方向に集中しやすいというデータの特徴をうまくとらえることができた。上記2つの研究はすでに論文の形でまとまられ、後は実際に投稿するための最終的な調整段階に入っているため。継続して行われていた、周期定常マルコフ過程における周期自己相関関数の研究は、平成28年度中に学術雑誌に投稿され、レフェリーからのコメントをもとにリバイズを行い、無事掲載されたことをもって完了した。方向統計学のトピックにおいては、上記周期定常マルコフ過程の拡張版を考察した。具体的には、過去のデータを与えた上での現時点の条件付確率分布が、1時点前のみならず、複数時点前までのデータに依存するという意味での、周期定常“マルチオーダー"マルコフ過程の導出を試みた。周期定常マルコフ過程の導出はコピュラと非常に関連があることに注目し、ペアワイズコピュラの方法を応用することによってマルチオーダーマルコフ過程を構成することを提案した。

シミュレーションにより周期定常セカンドオーダーマルコフ過程を生成し、周期自己相関関数を計算することによって生成された過程の特徴を見た。また実際の風向データに対して周期定常セカンドオーダーマルコフ過程を最尤推定法によりフィッティングし、1時間間隔データよりも15分間隔データの方が周期自己相関が低い傾向にあることが確認できた。1時間間隔データの方が隣接するデータの間隔が広いため、これは非常に自然な結果であり、モデルフィッティングがうまく働いていることを示唆している。また時系列解析における多次元スペクトル密度関数を利用し、多次元周期密度関数を一般的な形で提案する研究も開始した(共同研究)。ARMA(1,1)モデルなどの具体的な時系列モデルのスペクトル密度関数から導出される周期密度関数に実用的なメリットがあるのかどうかを探ることを試みている。学術雑誌に投稿するだけとなっていた研究は無事に掲載が決まり、新たな研究もスタートすることができたため。方向統計学のトピックにおいて、周期定常“マルチオーダー"マルコフ過程を提案した。昨年度提案したペアワイズコピュラを利用したものとは異なり、ミクスチュアートランジションデンシティーを利用して定義したものである。具体的に述べると、過去のデータを与えた上での現時点の条件付確率分布が、p時点前までのデータのみに依存するというモデルであり、その遷移確率密度関数が、p個の円周密度関数の線形結合になっているというものである。そのモデルにおいて、周期自己相関関数の形を与え、それがp次の自己回帰モデルの自己相関関数の構造と非常に似ていることを確認した。シミュレーションにより、p=2ないしp=9の設定で、パラメーターの値をさまざまに変化させ、周期自己相関関数の挙動を確認した。pの値が大きいと周期自己相関関数はラグを大きくしてもなかなか減衰せず、一種の長期記憶過程のような性質を持つことが見て取れた。実際の風向データに対して提案したモデルを最尤推定法によってフィッティングすることも試みた。また、昨年度始動した、時系列解析における多次元スペクトル密度関数を利用し、多次元周期密度関数を一般的な形で提案する研究も継続した。ARMA型のスペクトル密度関数から導出された円周上の密度関数の挙動を、シミュレーションにより確認した。共同研究者と連絡を取り合い、論文の形にまとめるところまで完了し、あとは学術雑誌に投稿する直前の段階まで来ている。ミクスチュアートランジションデンシティーを利用した周期定常マルチオーダーマルコフ過程の研究は論文作成が順調に進んでおり、スペクトル密度を利用した円周上分布の研究は論文が仕上がっていて投稿段階にきているため。最終年度では、方向統計学のトピックにおいて、ミクスチュアートランジションデンシティーを利用して定義した周期定常マルチオーダーマルコフ過程に関する研究を様々な場所で発表し、周知に努めた。共同研究者とは連絡を取り合い、論文投稿へ向けてのドラフトは出来上がっている。また時系列解析における多次元スペクトル密度関数を利用し、多次元周期密度関数を一般的な形で提案する研究においては、論文が完成し、雑誌に投稿した。
D-アルギニンを基質として用いる環形動物のアルギニンキナーゼの構造と機能

アルギニンキナーゼ(AK)は,通常,基質としてL-アルギニンを用いるが,1975年にフランスのグループは環形動物のケヤリ類から精製したAK酵素が,L-アルギニンに対してだけではなく,D-アルギニンに対しても強い酵素活性を持つことを報告した.この特異なケヤリAKの起源を調べる目的から,ケヤリAK,シマミミズLK等のエキソン/イントロン配置を決定し,それらを既知のフォスファゲンキナーゼのものと比較したところ,予想外に,ミトコンドリア型CK遺伝子のものと相同であった.ケヤリAK1を含む環形動物特異的酵素群はCKクラスターに含まれその分岐はCKクラスターの中で最も早いこと,またその遺伝子構造はミトコンドリア型CK遺伝子と相同であることを考慮すると,CKクラスターの祖先遺伝子はシグナル配列を持つミトコンドリア型であると推定される.このミトコンドリア祖先遺伝子には,実に多様な遺伝子産物を生み出す柔軟な構造が潜んでいたと考えられる.ケヤリAK2の基質認識機構を,およそ30種類のアミノ酸変異体を作成することによって解明する努力を続けた。特筆すべき結果は,89位のアミノ酸変異体について得られた.この残基はそれぞれの基質の異なるフォスファゲンキナーゼ酵素ごとに独自のアミノ酸で保存されており,基質認識に重要であることが過去の研究から示されている.ケヤリAK2の89位のアミノ酸残基はYであるが,これを置換した13種類のアミノ酸置換変異体を作成し,その酵素活性の変化を調べたところ,N,E,Dに置換したものは酵素活性を失ったが,他の変異体では酵素活性を維持しており,特にQ,H,Aに置換したものは野生型よりも強い酵素活性を示した.アルギニンキナーゼ(AK)は,通常,基質としてL-アルギニンを用いるが,1975年にフランスのグループは環形動物のケヤリ類から精製したAK酵素が,L-アルギニンに対してだけではなく,D-アルギニンに対しても強い酵素活性を持つことを報告した.この特異なケヤリAKの起源を調べる目的から,ケヤリAK,シマミミズLK等のエキソン/イントロン配置を決定し,それらを既知のフォスファゲンキナーゼのものと比較したところ,予想外に,ミトコンドリア型CK遺伝子のものと相同であった.ケヤリAK1を含む環形動物特異的酵素群はCKクラスターに含まれその分岐はCKクラスターの中で最も早いこと,またその遺伝子構造はミトコンドリア型CK遺伝子と相同であることを考慮すると,CKクラスターの祖先遺伝子はシグナル配列を持つミトコンドリア型であると推定される.このミトコンドリア祖先遺伝子には,実に多様な遺伝子産物を生み出す柔軟な構造が潜んでいたと考えられる.ケヤリAK2の基質認識機構を,およそ30種類のアミノ酸変異体を作成することによって解明する努力を続けた。特筆すべき結果は,89位のアミノ酸変異体について得られた.この残基はそれぞれの基質の異なるフォスファゲンキナーゼ酵素ごとに独自のアミノ酸で保存されており,基質認識に重要であることが過去の研究から示されている.ケヤリAK2の89位のアミノ酸残基はYであるが,これを置換した13種類のアミノ酸置換変異体を作成し,その酵素活性の変化を調べたところ,N,E,Dに置換したものは酵素活性を失ったが,他の変異体では酵素活性を維持しており,特にQ,H,Aに置換したものは野生型よりも強い酵素活性を示した.アルギニンキナーゼ(AK)は,通常,基質としてL-アルギニンを用いるが,1975年にフランスのグループは環形動物のケヤリ類から精製したAK酵素が,L-アルギニンに対してだけではなく,例外的にD-アルギニンに対しても強い酵素活性を持つことを報告している.我々は,近年明らかになってきたD-アミノ酸の様々な生理作用に鑑み,「ケヤリにおいてはD-アルギニンがフォスファゲン形成のグアニジン基質になっているのではないか」という仮説を立て,ケヤリ体壁筋からグアニジン基質を単離精製した.その結果,ケヤリに含まれるアルギニンは99%がD-体であり,その濃度(約5mM)もフォスファゲンとしての使用に耐えうるものと判断された.また,我々はケヤリから二種類のAK酵素遺伝子(AK1及びAK2)をクローニングし,そのリコンビナント酵素を使ってAK2がD-アルギニンに対して強い活性を示すことを確認した.また,分子系統解析によって,ケヤリの二種類のAKは,通常のAK遺伝子とはその起源を異にし,CK遺伝子から二次的に派生したものと判断された.これらの研究結果を研究論文として発表した(印刷中).以上の結果を踏まえて,更にこの研究では,D-アルギニンを基質として使用するケヤリAK2の基質認識機構を,およそ20種類のアミノ酸変異体を作成することによって解明する努力を続けている.また,このような特殊な酵素活性を得るに至った進化的基盤を明らかにするために,ケヤリの属する環形動物周辺の動物のフォスファゲンキナーゼを調べ,新規にタウロシアミンキナーゼとハイポタウロシアミンキナーゼの構造と機能を明らかにした(3編の論文として発表).アルギニンキナーゼ(AK)は,通常,基質としてL-アルギニンを用いるが,1975年にフランスのグループは環形動物のケヤリ類から精製したAK酵素が,L-アルギニンに対してだけではなく,D-アルギニンに対しても強い酵素活性を持つことを報告した.

我々は,近年明らかになってきたD-アミノ酸の様々な生理作用に鑑み,「ケヤリにおいてはD-アルギニンがフォスファゲン形成のグアニジン基質になっているのではないか」という仮説を立て,ケヤリ体壁筋からグアニジン基質を単離精製した.その結果,ケヤリに含まれるアルギニンは99%がD-体であり,その濃度(約5mM)もフォスファゲンとしての使用に耐えうるものと判断された.また,我々はケヤリから二種類のAK酵素遺伝子(AK1及びAK2)をクローニングし,そのリコンビナント酵素を使ってAK2がD-アルギニンに対して強い活性を示すことを確認した.今回,ケヤリAK2の基質認識機構を,およそ30種類のアミノ酸変異体を作成することによって解明する努力を続けた.特筆すべき結果は,89位のアミノ酸変異体について得られた.この残基はそれぞれの基質の異なるフォスファゲンキナーゼ酵素ごとに独自のアミノ酸で保存されており,基質認識に重要であることが過去の研究から示されている.ケヤリAK2の89位のアミノ酸残基はYであるが,これを置換した13種類のアミノ酸置換変異体を作成し,その酵素活性の変化を調べたところ,N, E, Dに置換したものは酵素活性を失ったが,他の変異体では酵素活性を維持しており,特にQ, H, Aに置換したものは野生型よりも強い酵素活性を示した.このような酵素特性を明らかにする上で,AKの進化を考察する必要性が生じたので,AKの分子進化についての研究も行った.更に,類縁酵素のクレアチンキナーゼの酵素特性も明らかにし,ケヤリAK2の基質特異性の解明に役立てた.アルギニンキナーゼ(AK)は、通常、基質としてL-アルギニンを用いるが、1975年にフランスのグループは環形動物のケヤリ類から精製したAK酵素が、L-アルギニンに対してだけではなく、D-アルギニンに対しても強い酵素活性を持つことを報告した。今年度我々は、この特異なケヤリAKの起源を調べる目的から、ケヤリに含まれる二種類のAK(両者ともD-アルギニンに対して活性を示す)のうち、AK1の遺伝子構造(エキソン/イントロン配置)を調べた。環形動物に特異的なフォスファゲンキナーゼとして、グリコシアミンキナーゼ(GK)、ロンブリシンキナーゼ(LK)、タウロシアミンキナーゼ(TK)等が、これらはいずれも細胞内で二量体として機能していることが知られている。ケヤリの特殊なAKも細胞内で二量体として働いているので、これらの環形動物特異的酵素は、当初、細胞質型クレアチンキナーゼ(CK)遺伝子由来ではないかと予想された。ところが、ケヤリAK、シマミミズLK等のエキソン/イントロン配置を決定し、それらを既知のフォスファゲンキナーゼのものと比較したところ、予想外に、ミトコンドリア型CK遺伝子のものと相同であった。全てのフォスファゲンキナーゼのアミノ酸配列に基づく分子系統解析の結果は、すべての酵素が二つのクラスター(CKクラスターとAKクラスター)に分類できることを示している。ケヤリAK1を含む環形動物特異的酵素群はCKクラスターに含まれその分岐はCKクラスターの中で最も早いこと、またその遺伝子構造はミトコンドリア型CK遺伝子と相同であることを考慮すると、CKクラスターの祖先遺伝子はシグナル配列を持つミトコンドリア型であると推定される。このミトコンドリア祖先遺伝子には、実に多様な遺伝子産物を生み出す柔軟な構造が潜んでいたと考えられる。
BDNFによる抑制性細胞を介した体性感覚野層持異的臨界期の制御機構

本研究では、内因性BDNFの発達期における役割を詳細に調べることにより、大脳皮質体性感覚野の臨界期におけるBDNFの役割を解明することを目指している。実験はマウスのバレル皮質より、視床-皮質スライスを作製し、視床電気刺激により単シナプス性に結合するGABA細胞に対して実験を行い、以下の結果を得た。1)発達初期の細胞に対して、電気生理学的に興奮性か抑制性かを判断できることが判明した。GABA細胞を同定するために、記録電極より注入したbiocytinを実験終了後染色し、spineの有無により判断した。その結果、電流注入量に対するスパイク発火数、Adaptation ratio(AR),Afterhyperpolarization(AHP)の振幅により興奮性か抑制性かを判断できた。2)抑制性細胞のfast spiking property(FS)は生後2週以降に発達することが示された。成体マウスのGABA細胞は、ARの高いFS細胞と、ARの低いRegular spiking nonpyramidal(RSNP)細胞の2種類に分けることができるが、生後10日以前ではARの低い(<0.8)細胞のみが存在した。ARの高い細胞は発達につれて次第に増加し、0.8以上のFS細胞は生後約2週以降にのみ記録された。FS細胞のマーカーと考えられているParvalbuminの発現もほぼ同時であった。3)幼若動物では過分極電流によりh電流を呈する細胞が多くその振幅も成体マウスのものより有意に大きかったが、h電流を呈する細胞の割合は発達に従い減少し、その振幅も生後2週以降では成体マウスと同等レベルに減少していた。4)BDNF欠損マウスでは、ARの上昇、h電流の振幅、Parvalbumin陽性細胞の出現のどの点においても未熟な特徴を示した。5)Parvalbumin陽性細胞の樹状突起の発達にはBDNFが必要であることが示された。BDNF欠損マウスにおいて、Parvalbumin陽性細胞の形態学的な検討を行ったところ、軸索支配領域には顕著な差が見られなかったが、primary dendrite数、dendritic branch数に減少が見られた。以上の結果より、BDNFは抑制性細胞の電気生理的特性の発達に必要であり、これにより皮質内局所回路の興奮性を制御していることが考えられる。
理科教育推進のための「ガキ大将方式学習法」の検討

「理科離れに」伴う自発学習の低下と論理性の欠如の改善をめざし、4年程前から「実習チュートリアル方式」を開発し、実施している。その中で、指導者の年齢が近いほど議論が白熱し、楽しく学べているらしいことに気づいた。そこで、学習者に対していわゆる「ガキ大将」ともいえる年齢の近い指導者を据え、実際に学習効果が高まるかどうか検討した。本学の大学生6名を「ガキ大将」指導者として設定し、高校生12名を対象に「生物が見る世界」というテーマの実習チュートリアル方式セミナーを開催した。事前に6名の大学スタッフにより「ガキ大将」指導者として大学生を教育した。全体を3つのグループに分け、各グループは、大学生2名、高校生4名で構成した。セミナー期間中は、スタッフは付き添うが、実験上の危険回避など以外は口出ししないように心がけた。学習効果は、実習の際の議論の高まり、レポートの考察のレベルおよびアンケート等を用いて評価・検討した。指導者として大学生が加わった結果、雰囲気が明るくなり、活気のある楽しいセミナーになった。大学生は高校生をリードし、実験もグループ別討論もスムーズに進み、議論もかなり活発になされた。レポートの考察も十分になされていた。アンケートの結果、高校生は1.疑問を持つこと、仮説を立てて検証すること、そこから新たな疑問を導く大切さを味わえた、2.仲間や大学生、先生たちと討論し、様々な意見や発想を聞けて、勉強になった、などの感想を述べ、大学生は1.やる気がある高校生と共に勉強するのはいい刺激になった、2.ひとりで学習するより、自分の考えたことや勉強したことを人にぶつけてみるのは脳には刺激が強いと感じた、などの感想を述べ、高校生だけではなく、大学生に対しても「ガキ大将方式学習法」が有効であることがわかった。今後は大学内の異年齢間でも、また高校・中学校間でもこの「ガキ大将方式学習法」を実施したい。
慨日リズム調律がん遺伝子治療の開発-時計遺伝子per2駆動時間薬物癌化学療法

目的:腫瘍薬に対する癌細胞の感受性は、癌細胞の増殖状態、細胞周期、サーカディアンリズムにより規定されており、細胞周期と抗癌剤投与の時期を合わせることで高い抗腫瘍効果および副作用の軽減が期待されている。今回、時計遺伝子を用いた遺伝子治療の研究を進めており、今回は臨床に用いるべく本研究を行うこととした。実績:1.サーカディアンリズムを検討するため、リアルタイムPCRにて、各種癌細胞(AsPC-1,panc-1)にて、serum shock後のオシレーションを確認した。その結果AsPC-1においてはほぼ24時間のサーカディアンリズムを確認できたが、pant-1に於いてはオシレーションの波を確認できず、刺激の特性あるいは細胞株の特性と結論し、AsPC-1を中心に研究に用いた。2.各種抗癌剤との併用効果を確認するため、CDDP,5-FU,gemicitabine,タキソテール,CPT-11などにてアデノウイルスpe2との併用効果を検討した。その結果、5-FU,gemicitabine,タキソテール,CPT-11にてははっきりした併用効果は認めなかったが、CDDPにおいてわずかであるが相乗効果を認めた。3.CDDPとmPer2アデノウィルスベクターの相乗効果を認めたことにより、hPer2の振幅に合わせた抗癌剤曝露を行い、サーカディアンリズムに応じて癌細胞株の抗癌剤感受性の変化を検討した。結果は6hr曝露後リンスにて4日後assayの結果、1)CDDPについてはhPer2の発現がボトムでは感受性に変化無く、hPer2のピークにて感受性が上昇している。(Panc1,Aspc1)2)GEMについてはhPer2のボトムとピークの両方でコントロールに比べて感受性が上昇しているが、ピークの方がその傾きは大きいことが判明した。抗腫瘍薬に対する癌細胞の感受性は、癌細胞の増殖状態、細胞周期、サーカディアンリズムにより規定されており、既にヨーロッパではオキサロプラチン、ロイコボリン、5-FUを用いた時間薬物治療(夜間に5-FUを投与,LeviらLancet,1997)にて治療効果を向上させた臨床治験行われており、細胞周期と抗癌剤投与の時期を合わせることで高い抗腫瘍効果および副作用の軽減が期待されている。われわれは既に平成13年度萌芽、平成14-15年度基盤Cにて時計遺伝子を用いた遺伝子治療の研究を進めてきた。平成16年度の研究成果は以下の通りであるまず、各種がん細胞株のサーカディアンリズムを検討した。乳癌細胞株(MDA-MB-231)および胆管癌細胞株(TFK-1)において、血清刺激に於いて刺激後約4時間後にper2の最初のピークを認め、その後約12時間ごとのmRNAレベルでのper2の発現をreal time PCRを用いて半定量的に確認した。これにより、in vitroにてのサーカディアンリズムの存在を確認した。さらに、ORFの1500bp上流のper2プロモーターを組み込んだルシフェラーゼアッセイ用のプラスミドを作製し、シークエンサーにて塩基配列を確認後、血清刺激によるper2の発現とルシフェラーゼの発光の同期をルシフェラーゼアッセイにて確認した。その他、マウスper2cDNAを組み込んだアデノウイルスベクターを用いて、フローサイトメトリーにて細胞周期、subG1領域を検討。さらにMTTアッセイにてMDA-MB-231およびTFK-1にて細胞障害を確認した。血清刺激による各細胞株のサーカディアンリズムの検討では、per2のreal time PCRによる検討に於いて、線維芽細胞のWI-38はほぼ24時間のサーカディアンリズムを保持しているが、がん細胞のMDA-MB-231は約12時間、ASPC-1は16時間であり、癌細胞群が短縮しているのが判明した。

抗癌剤5-FUとサーカディアンリズムを検討すると、MDA-MB-231を用いて、5-FUをZT8(サーカディアンリズム調律8時間後)およびZT18(サーカディアンリズム調律18時間後)に投与した。その結果、ZT8の方がIC50が低く抗癌剤の感受性が高いことを確認した。これらの結果より、時計遺伝子と抗癌剤の感受性についてまだ十分に明かとなってはいないが、per2の発現低下しているときに5-FUの感受性が向上する結果であった。その理由はまだ不明であるが5-FU経路の各種酵素がサーカディアンリズムにより変動している可能性がある。目的:腫瘍薬に対する癌細胞の感受性は、癌細胞の増殖状態、細胞周期、サーカディアンリズムにより規定されており、細胞周期と抗癌剤投与の時期を合わせることで高い抗腫瘍効果および副作用の軽減が期待されている。今回、時計遺伝子を用いた遺伝子治療の研究を進めており、今回は臨床に用いるべく本研究を行うこととした。実績:1.サーカディアンリズムを検討するため、リアルタイムPCRにて、各種癌細胞(AsPC-1,panc-1)にて、serum shock後のオシレーションを確認した。その結果AsPC-1においてはほぼ24時間のサーカディアンリズムを確認できたが、panc-1に於いてはオシレーションの波を確認できず、刺激の特性あるいは細胞株の特性と結論し、AsPC-1を中心に研究に用いた。2.各種抗癌剤との併用効果を確認するため、CDDP,5-FU, gemicitabine,タキソテール,CPT-11などにてアデノウイルスpe2との併用効果を検討した。その結果、5-FU, gemicitabine,タキソテール,CPT-11にてははっきりした併用効果は認めなかったが、CDDPにおいてわずかであるが相乗効果を認めた。3.CDDPとmPer2アデノウィルスベクターの相乗効果を認めたことにより、hPer2の振幅に合わせた抗癌剤曝露を行い、サーカディアンリズムに応じて癌細胞株の抗癌剤感受性の変化を検討した。結果は6hr曝露後リンスにて4日後assayの結果、1)CDDPについてはhPer2の発現がボトムでは感受性に変化無く、hPer2のピークにて感受性が上昇している。(Panc1,Aspc1)2)GEMについてはhPer2のボトムとピークの両方でコントロールに比べて感受性が上昇しているが、ピークの方がその傾きは大きいことが判明した。
脱アミノ化酵素APOBEC2による筋分化時のDNA脱メチル化機構の解明

本研究課題では、骨格筋の肥大・成長メカニズムを理解するため「筋分化メカニズムの解明」を目的とし、研究を行った。特に、筋芽細胞から筋管への分化が脱アミノ化酵素APOBEC2を介したDNA脱メチル化により制御されていると仮説を立て研究を行った。研究の結果、APOBEC2を欠損すると、筋分化が促進されることが判明した。即ち、APOBEC2は筋分化を負に制御していると考えられる。近年、多数の生物種のゲノムが解読されたが、遺伝子の発現調節はDNAのメチル化状態により高度に支配されており、そのメカニズムの解明が待たれる。本研究では、筋分化時のDNA脱メチル化に筋特異的脱アミノ化酵素APOBEC2が関与することを実証し、DNA脱メチル化機構の一端を解明することを目的とする。昨年、ゼブラフィッシュによる研究から、APOBEC2は筋サルコメア内に局在することが明らかになっている(Etard et al. JCB, 2010)。申請者は哺乳類でも同様の局在を示すか、免疫染色法によりAPOBEC2の筋細胞内の局在を検討した。その結果、培養初代骨格筋細胞を用いたin vitroの実験により、APOBEC2のサルコメアでの局在はサルコメア長に依存して変化することを明らかにした。すなわち、サルコメアが長くなるとAPOBEC2はコネクチンのN2A領域に集積し、短くなるとM線およびZ線に局在変化することがわかった。更に、C57B1/6マウスの長趾伸筋を用い、様々な伸展率で筋を固定後、免疫組織染色を行い、サルコメアの長さとAPOBEC2の局在パターンを詳細に検討した。その結果、in vitroと同様にサルコメアが長くなるとAPOBEC2はN2A領域に、短くなるとM線およびZ線に局在変化することがin vivoにおいても確認できた。また、in vivoおよびin vitroでAPOBEC2が核内にも存在することが判明した。このことから、APOBEC2の脱メチル化への関与が示唆された。本年度は、APOBEC2欠損が筋分化に及ぼす影響について検討した。(in vitro)野生型およびAPOBEC2欠損型の両マウスで筋芽細胞数が同程度になるよう調節し、筋管への分化能を比較した。その結果、APOBEC2欠損型の方が野生型の筋芽細胞よりも多くの筋管を形成していた。ウェスタンブロットにて筋分化マーカー(myogenin, MyHC)の発現量を調べたが、APOBEC2欠損型の方が野生型より高い値を示した。細胞免疫染色の結果も、APOBEC2欠損型の方が野生型より多くのMyHC抗体陽性の節管が観察された。APOBEC2欠損型では野生型に比べ、特に分化誘導後の早い段階でmyogeninの発現が強くなり、筋管が早く形成されていた。(in vivo)次に、カーディオトキシンによる筋損傷の回復具合を時系列的にHE染色にて観察した。その結果、APOBEC2欠損型の方で野生型よりも早い段階で中心核を有する再生筋が観察された。この結果は、APOBEC2欠損が生体でも分化を促進したことを示唆している。APOBEC2欠損型マウスでは、常に再生筋が存在しており、野生型に比べ、再性能が高くなっている可能性が考えられた。そこで、リアルタイムRT-PCRによりMyoD, myogenin, eMyHCの発現を調べたが、野生型とAPOBEC2欠損型で差は見られなかった。以上の結果から、APOBEC2欠損は筋分化を促進することが示唆された。
フェムト秒光パルス照射による光誘起磁束の生成および制御

前年度には、ジョセフソン磁束量子フロートランジスタ(JVFT)にフェム卜秒レーザーパルスを照射し、その光照射および磁場印可の双方により独立に磁束の制御が可能であること示し、高速演算素子としての可能性を示した。平成19年度はJVFTの応答速度を検証するため、ダブルパルス計測システムを構築しその特性を評価した。本計測システムでは、波長800nm、パルス幅約lOOfsのフェムト秒レーザーを2つに分岐し、ディレイステージによりレーザー照射のタイミングをサブピコ秒レベルで制御することにより光応答時間を計測することが可能である。本システムを用いて、JVFTのジョセフソン接合部にフェムト秒レーザーを照射した結果、パルス間隔が約5ps以下の時に電圧出力を観測することができた。このことは、JFVTの応答時間が5ps以下であることを示している。従来ジョセフソン接合または超伝導マイクロブリッジ単体の光応答を計測した例はあるが、ジョセフソンデバイスとしての動作速度をサブピコ秒レベルで定量的に計測したのは今回の実験が初めてであり、JVFTタイプのジョセフソン素子が高速スイッチングデバイスとして機能することを明らかにした意義は非常に大きいと考える。さらに素子構造を最適化することにより、原理的にはサブピコ秒レベルの応答が可能であると考えており、今後デバイスの動作メカニズムを詳細に解析するとともに、さらなる高速化を図る予定である。また、本研究によりジョセフソン接合が応答する最小のレーザー強度が超伝導ブリッジの場合に比べで1桁2桁小さいことが分かった。本研究の目的は、超伝導ブリッジもしくはジョセフソン接合にフェムト秒レーザーを照射し、光生成磁束の発生・制御を行い、超伝導磁束量子デバイスの光インターフェイスへと展開することである。本年の研究では、5つのジョセフソン接合を並列に結合し、超伝導ループ内の磁束密度を制御するための磁束制御線を備えた、磁束フロートランジスタ(JVFT)構造を作製し、その光応答を観測した。波長780nm、パルス幅約100fs、繰り返し周波数50MHzのチタンサファイアレーザーを光源として用い、さらに光チョッパーで14kHzでチョッピングしたレーザーを、JVFTのジョセフソン接合部にのみ照射し出力電圧を測定した。その結果、レーザーのチョッピングに同期した出力電圧の変調が観測された。これは、レーザーの照射により、ジョセフソン接合が瞬間的に電圧状態に遷移したためであり、言い換えるとレーザー照射により磁束フロー状態になりフロー電圧が発生したことを意味している。出力電圧は、レーザー照射パワーが16mWの範囲でほぼリニアに増加した。また、制御電流線に流れる電流を変化させ、ジョセフソン接合部の磁束密度を変化させると、それによっても出力電圧が変調することが確認された。これは、入力電流および照射する光パルスの双方で独立に出力を制御することが可能であり、これを利用したAND・OR演算などの機能を持たせることができると考えている。このような原理に基づく光入力素子に関する特許を出願した。このように、今年度の研究において、目的である光生成磁束の制御がある程度可能であることを示し、また電流による磁束密度制御と合わせることにより、新たな光演算デバイスの可能背を示すことができた。これらの成果はすでに、学術論部3報(内2報は印刷中)および特許出願1件として公表されている。
非化石炭素資源の合成化学的変換に有効な不均一系触媒の開発

天然に豊富に存在する非化石炭素資源(CO2、バイオマス)と安価な軽分子(H2、NH3等)との反応により高付加価値な化学品の合成を可能にする固体触媒を開発した。具体的には、下記3種の反応系における、反応開発、触媒開発、メカニズム解析を試みた。(1)CO2/H2からのメタノール合成(2)カルボン酸水素化によるアルコール合成(3)トリグリセリド、H2、NH3からのアミン合成反応系(1)については、150°C以下の低温でのメタノール合成に着目し、TiO2にReを担持した触媒(Re(1)/TiO2; Re = 1wt.%)とTiO2担持MoOx担体にPtを担持した触媒(Pt(3)/MoOx(30)/TiO2; Pt: 3 wt%, Mo: 30 wt.%)の2種類の触媒系を開発した。本反応は平衡制約の観点から反応温度の低温化が望まれており、工業的価値が高い。反応系(2)および(3)についても、それぞれ有効な触媒系を開発し、成果を論文にて報告した。また、計算科学的なアプローチも利用して、触媒性能・機能(基質活性化能)と構造(幾何・電子構造)の相関関係をより明確化した。新規触媒開発に資する理論化学データの蓄積、データ科学を用いた新しい触媒研究方法の提案にも着手した。具体的には、合金表面上の基質の(解離)吸着エネルギーをDFT計算により算出し、さらにそのデータ群をシンプルな機械学習モデルで予測することに成功した。計画していた反応系の内、上記3つの系に関して触媒系を開発し、論文報告に至った。その他の反応系は難易度が高いが、すでに予備実験を進めており、反応の進行は確認できている。上記(1)-(3)反応についても研究を継続し、各触媒の構造や電子状態をさらに詳細に調査し、活性・選択性との相関から性能制御因子を決定する。集積された実験データ、計算科学による知見を統合して本触媒分野の理論を体系化する。開発した新規触媒を単なる1成功例に終わらせることなく、その高性能要因を抽出し一般化することで、さらなる高活性触媒開発の礎とする。その際、機械学習(Machine-learning)等の情報科学分野の手法も利用することで網羅性を上げ、研究の効率化を図る。予備実験を進めている新反応系ついても検討を進め、目的物収率80%を達成する。その際、(1)-(3)反応の実施により得られた知見を有効に活用し、研究の効率化を図る。
微生物及び酵素によるリグニンの完全分解に関する研究

リグニンはpーヒドロキシシンナミルアルコール類の脱水素重合によって生じた複雑な芳香族高分子で、種々のエーテル及び炭素ー炭素結合を含むため、微生物による分解機構に関する研究はたちおくれていた。本研究は、リグニン分解菌Phanerochaetechrysosporium及びCoriolus versicolor,及び両菌が分泌する酵素によるリグニンの分解機構を明らかにしたものである。まず、リグニン側鎖の開裂機構を解明するため、^<18>Oと^<13>Cで標識したβーOー4型リグニンモデル化合物を合成し、これらを基質としてリグニン分解菌による分解について検討した。その結果、従来知られていなかった新しいC_αーC_β開裂反応を見い出した。更に、βーOー4型化合物を用いて、βーエーテル芳香核の開裂生成物を初めて同定した。そしてこの芳香核開裂は、P.chrysosporiumの分泌するリグニンペルオキシダーゼ(リグニナーゼ)によって触媒されることを初めて証明した。次にこの酵素によるβーOー4型化合物の芳香核開裂直後の化合物としてアリールグリセロールのムコン酸エステルを同定した。このムコン酸エステルとベラトリルアルコールの芳香核開裂生成物に対する、^<18>O_2及びH_2^<18>Oからの^<18>Oの取り込みについて検討することにより、この酵素が芳香核を一電子酸化する反応を初発反応として芳香核が開裂する機構を明らかにした。またこの機構は高分子リグニンのこの酵素による芳香核開裂にも適用された。一方、C.versicolorのラッカーゼによってもフェノール性リグニンモデル化合物は、側鎖及び芳香核開裂をうけることが示された。従って、本研究によって、リグニンの微生物及び酵素による完全分解の機構が解明されたと考えられる。本年度の研究実積の概要は以下の通りである。1.昨年度、本研究と関連してリグニン分解菌、Phanerochaete chry-sosporiumの培養菌体及び菌体外酵素によるリグニンサブストラグチャー間のCα-Cβ象裂、β-o-4結合のO-【C_4】開裂の機構を明らかにし、さらに培養菌呉による芳香核の開裂を見い出した。その後、前二者はリグニンペルオキシダーゼによって触媒されることが明らかにされた。2.しかし、芳香核開裂反応を触媒する酵素は未だ不明である。今年度は新たにカワラタケによる芳香核開裂反応が見い出された。また、シリンギル核を有するβ-O-4二量体とグアヤシル核を有するそれとで、芳香核開裂生成物にちがいがみられ、アリールグリセロール-β-シリンギルエーテルはシリンギル核が開裂したアリールグリセロール-γ-ホルミルエステルを、またアリールグリセロール-β-グアイアシルエーテルはアリールグリセロール-β-γ-サイクリックカーボネートを生成することを初めて明らかにした。これらの結果は既にAppl Environ.Microbiol.(1985)に発表した。3.従来、リグニン分解菌である白色腐朽菌のほとんどのものは、ラっカーゼを分泌し、ラッカーゼとリグニン分解に密接な関係があることが示唆されていた。そこで、種々のβ-1型二量体のカワラタケによる分解について検討した。その結果、従来見い出されていたアルキルフェニル間の開裂及び【C_α】位の酸化に加えて、側鎖【C_α】-【C_β】間の開裂がラッカーゼによってひきおこされることが初めて示された(第30回リグニン討論会にて発表)。現在さらに、リグニンペルオキシダーゼとラッカーゼの作用の比較と、リグニン分解における役割について【^(18)O】を用いて検討中である。

4.芳香核開裂反応を触媒する酸素を単離すべく実験中である。研究実績の概要は次の通りである。1.リグニンの微生物分解機構の解明は、未利用再質可能資源であるリグニンを有効に利用するため、またパルプ廃液の生化学的処理への基礎研究として重要である。白色腐朽菌によるリグニン分解においては、側鎖のCγ-Cβ開裂、β-0-4結合の0-【C_4】開裂、及び芳香核開裂等がおこることが示されてきた。一方、kirkらによって白色腐朽菌Phanerochaetechrysosporiumの菌体外培養液から、過酸化水素要求性リグニン分解酵素リグニンペルオキシダーゼが単離され、この酵素がCγ-Cβ開裂及び0-【C_4】開裂を触媒することが明らかにされてきた。2.本年度の研究において、我々は、この酵素が上記のリグニン側鎖の開裂反応に加えて芳香核の開裂反応を触媒することを見い出した。すなわちこの酵素によるβ-0-4型リグニンモデル二量体の分解生成物として、芳香環開裂炭素断片を含むアリールグリセロールの4種エステルが単離された。またこの酵素と同様の酵素を別の白色腐朽菌であるカワラタケが産生することも示唆された。かくして、リグニンペルオキシダーゼは、Phanerochaete chrysosporiumに特異的な酵素というわけではなく、少なくともある程度は普遍的に、白色腐朽菌に分布していることが示唆された。本年度はさらにリグニンペルオキシダーゼによるリグニン分解の反応機構についても検討した。すなわち酵素同位体及び重水素を用いた研究により、リグニンペルオキシダーゼによる芳香核開裂反応は、従来より微生物による芳香核開裂反応として知られているジオキシゲナーゼによって触媒される反応とは全く異なる構造で、リグニンのアリールカチオンラジカルを経て自動酸化的に進行していることが証明された。研究実績の概要は次の通りである.1.リグニンの微生物分解機構の解明は,未利用再生産可能資源であるリグニンの有用物質への生化学変換,またパルプ廃液の微生物処理の基礎的研究として重要である.代表的なリグニン分解菌である白色腐朽菌の一種,Phーanerochaete chrysosporiumのリグニン分解酵素(リグニンペルオキシダーゼ)が,リグニンサブストラクチャーの側鎖の開裂のみならず,リグニンサブストラクチャーモデル化合物の芳香核開裂をも触媒することは,昨年度我々が報告した.2.本年度の研究に於ては,この芳香核開裂が,この酵素によるベンゼン核の一電子酸化を初発反応とし,そこで生成したカチオンラジカル中間体への水等の求核試薬の付加と酸素分子とのラジカルカップリングを含む自動酸化的反応で進行することを,安定同位体を用いて初めて証明した.従来,微生物による芳香核開裂を触媒する酵素としては,ジオキシゲナーゼが広く知られてきたが,リグニンペルオキシダーゼによるリグニンの芳香核開裂は,これとは全く異なる機構で進行していることが本研究によって初めて明らかにされた.3.また従来ラッカーゼは,多くの白色腐朽菌がこれを産生することが知られていたにもかかわらず,そのリグニン分解に対する役割が十分解明されたとは言えなかったので,ラッカーゼのリグニンサブストラクチャーに対する作用について検討した.