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波と流れの制御を目的とした沖合消波堤の平面的な配置法に関する研究

本研究は、沿岸海域における波浪の静穏化および波浪に伴う海浜流の制御を、目的として、沖合消波堤の平面的な配置法を検討したもので、その概要は次のようである。1.透過性防波堤の断面形状と消波機構ならびに渦流れの特性に関する研究防波堤の形式として、ブロック堤、ケーソン堤、カーテン堤、浮防波堤、潜堤の5種類を対象にして、消波機構や堤体周囲の流れの特性を検討した。その結果、ブロック堤では堤体内で生じるスラミング現象によるエネルギー逸散が、潜堤では天端上での砕波現象に伴う分裂現象による逸散が、またカーテン堤や浮防波堤では隅角部よりの渦流れの発生による逸散がそれぞれ重要になることが判明した。また、堤体周囲の平均流は、これらの逸散現象と密接に関係していることなども確認された。2.波高制御を目的とした沖合消波堤の平面的な配置および配列法に関する研究防波堤の形式にかかわらず、堤体の空間的な配列ピッチ長を作用波の波長より短く設定すると、作用波の方向とは異なる方向に伝播する斜波成分の発生を抑制できるため、透過波高を効果的に低減できる。また、下部透過型の浮防波堤では、入射波の作用方向から見て、堤体間の開口部を遮蔽するように堤体を千鳥に配置すると、より効果的な波高制御が可能になることなども判明した。3.波向き制御を目的とした沖合消波堤の平面的な配置および配列法に関する研究堤体を配列軸より820度の範囲に傾斜して配置すると、広い周期帯で透過波の主卓越波向きを入射波のそれより変化できることや、その結果沿岸域での海浜流の強さおよび流向制御が有効に行えることなどが判明した。本研究は、沿岸海域の有効利用を目的として、多列形式の沖合消波堤による波浪および流れの制御効果を、堤体の空間的な配置や堤体の構造形式などに着目して明らかにしようとするものである。3年間の継続研究の初年度に相当する本年度は、まず波変形に関する理論的な解析法の開発およびその適用性に関する実験的な検証を中心にして研究を実施した。理論的な検討としては、最も一般的な3次元の任意形状物体が、平面的に規則配列された場合の波浪ポテンシャル問題の数値解析法を、効率的なグリ-ン関数法に基づき開発した。そして、グリ-ン関数の表示式に着目して、3次元堤体列による波変形が短峰性波形の平面的なものになる条件や、堤体列による透過波や反射波の波向き特性およびそれを考慮した透過・反射波高の合理的な評価法などを導いた。その結果、堤体列への直角入射波を想定する場合、作用波の波長が、隣接する堤体の中心間距離より小さくなると、配列堤体の各開口部からの回折散乱波の相互干渉により、透過波などには入射波の方向とは異なる成分波が含まれるようになり、その波面形状は2次元的なものになることなどが明らかになった。一方、実験的な検討としては、台形潜堤や矩形浮体および直立式堤体の各々が、空間的に規則配列されている場合を想定して水理模型実験を実施した。そして、これら各堤体列による透過波および反射波の波向きや波高の変動特性などを実験的に把握し、上記の数値解析法による算定結果との比較を行った。その結果、砕波などの非線形現象の影響が強く現れやすい潜堤列の場合を除き、透過波および反射波は、波高および波向き特性の両者ともに、上記の解析法を用いてほぼ理論的に推定できることなどが確認された。また、傾斜配置した直立式の矩形堤体列は、透過波の主卓越波向きを入射波のそれより変化させることが可能で、波向き制御構造物として有効であることなども判明した。

本年度は、平成2年度に開発した規則的配列された3次元堤体群まわりの波浪変形の理論解析法および波向き特性を考慮した平面的な波浪制御効果の評価法を用いて、有効な波高並びに波向きの制御効果が得られる沖合消波堤の平面的な配置法を理論的に推定すると共に水理模型実験によりその妥当性を検証した。この際、沖合消波堤としては、直立式の矩形堤体列、潜堤および浮防波堤の3種類を採用した。まず、直立式の矩形堤体列では、波動運動に伴う海浜流の制御を目的に、主に堤体列による透過波および反射波の波向き変化効果に着目して検討を進めた。その結果、矩形堤体を配列軸より8°20°の範囲に傾斜させて配置すると、広い周期帯で透過波の主卓越波向きを入射波のそれより変化できることや、透過波の波向き特性を変化させることで結果的に海浜流の流向制御が有効に行えることなどが判明した。また、潜堤列の場合、消波効果の著しい潜堤天端上で砕波する条件下では、波の分裂が生じて透過波の周期特性が入射波のそれとは異なるようになることや、さらにこのような分裂波が堤体の配列条件による入射波とは異なる方向にも伝播するなど非常に複雑な波浪場の形成されることが実験的に見いだされた。一方、浮防波堤列の場合、主に波高制御効果に着目して検討を行った。その結果、現地でよく利用されている直線配列された浮防波堤では、制御対象の作用波の波長が堤体長よりも短くなることが多く、このような条件下では開口部の効果を無視した断面2次元的な解析や実験による波高制御効果に比較してかなり劣るようになることが確認された。そして、浮防波堤列の波高制御効果を改善するためには、配列する浮防波堤の堤体長を波長以下程度のものにするか、波向き方向から見て堤体間の開口部を遮蔽するように堤体を前後にずらして千鳥配置にするとよいことなどが判明した。本年度は、平成3年度に引き続き、規則的配列された沖合消波堤による平面的な波浪変形を、波高および波向きの両特性に着目して、理論および実験の両面から検討した。沖合消波堤としては、透過性防波堤の代表例であるブロック堤および浮防波堤を対象にした。そして今年度は、特に現地でのブロック堤などに見られるような堤体の低反射効果を考慮したときの堤体群まわりの平面的な波高分布や波向きの変化特性などを明らかにした。また、堤体の低反射効果を検討するときに重要となる、波と構造物の干渉過程で生じる波のエネルギー逸散の発生機構やそれを踏まえた波変形の評価モデルについても究明した。まず、断面2次元的なブロック堤を対象にした検討の結果、波のエネルギー逸散は、短周期および中周期の波条件下では主に堤体内の水面付近の部材と波面とのスラミング現象により、長周期の条件下では堤体内での流体抵抗により生じることが判明した。また、浮防波堤のような隅角部を有する堤体では、主に隅角部付近での渦流れの発生等により波のエネルギー逸散が生じることが確認された。そして、このような逸散現象は、堤体周囲の平均流の発生と密接に関係することなども実験的に確認された。一方、このような断面2次元的な検討に引き続き、波の逸散現象による低反射効果を考慮して各種の堤体列まわりの平面的な波変形の特性を検討した。その結果、配列する堤体を低反射構造にすると、堤体列よりの反射波高は効果的に低減できるが、透過波高や透過波の波向き特性はほとんど変化せず、透過波の特性は前年度までの完全反射を想定した結果と大差ないことなどが判明した。しかしながら、堤体列まわりの平均流の特性は、波の逸散現象に関係する渦流れなどの発生により強く影響を受けるため、低反射構造にすると変化することや、従来の波高分布から推定されるような波浪流の算定結果と異なるなどの問題点も指摘された。
アポリポ蛋白Hとそのアイソフォームの脂質代謝への関与ならびに測定の意義

1.高脂血症患者から超遠心法、イオン交換クロマトグラフィー、ゲル炉過法、ヘパリン・セファロースクロマトグラフィーにより血清リポ蛋白中からアポリポ蛋白H(β_2糖蛋白I、以下アポH)を精製した。この精製アポHを家兎に免疫し、得られた血清を硫安分画法でγ分画に粗精製したものをポリクロナル抗体とした。また、マウス(BALB/C)に免疫し、2週間後に脾細胞を取出し、マウス骨髄腫細胞(SP-2)と細胞融合し、モノクロナル抗体を得た。作成したそれぞれの抗体を用いて、等電点電気泳動法によるWestern blotting法にて精製アポHの等電点を検索したところpI5.06.3の範囲で812本のアイソフォームが存在することが判明した。またアポHはノイラミニダーゼ処理により3本のバンドとなることも観察された。2.ポリクロナル抗体を用いて一元放射免疫拡散法(SRID法)、ラテックス免疫比濁法の系を組み、各種患者血清を検索したところ、慢性肝疾患血清アポH濃度の低下、腎不全患者で高値を示した。また、高脂血症(IIb型、IV型)では変動がなく、Tangier病でも変化がなかった。このことから、少なくともアポHの主たる産生場所が肝であるを推定しえるものでり、またある種の高脂血症では血中アポHの変動はないものと思われた。3.リポ蛋白レセプター(特にLDL-レセプター)でのLDL取り込みにアポHが慣用しているか否かを知るために、^<125>I-ラベルLDLを末梢単核球細胞に取り込ませる系(ラジオレセプターアッセイ)にアポHを添加して、その取り込み率の変化をみた。その結果、患者血清から精製したアポHは健常者血清濃度範囲においてLDLの取り込みを抑制した。今後、これらのアポHの生物学的活性の詳細な検索を行うと共に、リポ蛋白代謝への関与について研究する予定である。1.高脂質血症患者から,超遠心法,イオン交換クロマトグラフィー,ゲル濾過法により血清中のアポリポ蛋白H(以下アポH)を精製した.2.精製アポHをComplefe Freund′s adjuvantと共に家兎に免疫し,得られた抗血清をさらに硫安分画法によりさらに, γ分画に粗精製した.3.精製アポHをマウス(BALBlc)に免役し, 2週後脾細胞を取出し,マウス骨髄主細胞(SP-2)と融合し,アポH抗体産生ハイブリドーマを得た.4.作成したそれぞれの抗体を用いて, Western blotting法によりアイソフォームの検査を行いその方法を確立した.blotting法は7.5%ポリアクリルアミドゲルにアンフォラインを添加したものを用いて等電点電気泳動法を行なった後,ニトロセルロース膜に転写後,それぞれの抗体を反応させて酵素免疫測定法にて各バンドを検出した.その結果,精製したアポHはpI5.06.3の範囲で812本のバンドを形成した.この現象はポリクロナル抗体および2種類のモノクロナル抗体を用いた時も同様の結果を示した.5.アポHのノイラミニダーゼ処理による変化をみた.予め,アポHをノイラミニダーゼで処理し,等電点電気泳動を施行したところ, pI6.57.5に三本のバンドとして検出された.

このことはアポHの糖鎖先端にはシアール酸が多く含まれており,このことが多くのアイソフォームを形成している原因と考えられた.6.ポリクロナル抗体を用いて一元放射免疫拡散法(SRID)の系を組み,各種患者血清を検索したところ,各種肝疾患(特に慢性肝炎,肝硬変)で血清アポHが低値を示し,腎不全患者で高値を示した.このことは少なくともアポHの産生場所が肝であることを推定しえるものと思われる.1.リポ蛋白レセプターへのアポHの関与:リポ蛋白レセプター(特にLDLーレセプター)でのLDL取り込みにアポHが関与しているか否かを知るために、^<125>IーラベルLDLを末梢白血球細胞(主としてリンパ球と単球)のLDLーレセプターから取り込ませる系(ラジオレセプターアッセイ)にアポHを添加して、その取り込み率を比較した。その結果、患者血清中から精製したアポHは健常者濃度範囲においてLDLの取り込みを抑制した。しかし、アポHの添加によりリンパ球が凝集する傾向にあり、あるいはこれがリポ蛋白取り込みに障害的に作用することも考えられた。2.血中でのアポHは健常人では80%以上が遊離の形で存在しているが、高脂血症ではVLDL、LDLおよびHDLに幅広く分布しているため、一元放射免疫拡散法(SRID法)のみでは正確な測定値が得られないことも予想されたので、免疫比濁法としてラテックス凝集免疫比濁法を導入した。本法はSRID法やネフェロメトリー法に比較して高感度測定が可能であるため、今後精製段階でのアポH濃度のチェックにも使用できる利点がある。3.各種疾患患者血清中のアポH濃度:前年度慢性肝疾患患者血清中でのアポH濃度の低下からアポHの主たる産生場所が肝であることを推定した。今年度はIIb型およびIV型高脂血症患者の血清アポH濃度を測定したが、健常成人血中濃度と変化なかった。また、HDL欠損症(Tangier病)での血中濃度も測定したが、低下はみられなかった。
マラリア感染によるリンパ球のアポトーシスに関する研究

1.マラリア感染マウス末梢血リンパ球のアポトーシス:実験マウスICRにマラリア原虫強毒株Plasmodium bergheiNK65を接種し、感染後の経過で低寄生率群20匹(D-4)、高度寄生率群20匹(D-5)に分け、さらに対照群10匹(非感染群)をもうけて、末梢血リンパ球を個別の群ごとに分離・収集した。それぞれの群のリンパ球をマイクロビーズ標識anti-MLAL3T4(CD4)およびanti-MLALy2(CD8a)抗体と反応させ供与設備備品の磁気細胞分離システムを用いてマウスL3T4(CD4)ヘルパーT細胞と、マウスLy-2(CD8a)サプレッサーT細胞とに分けた。これらマーカー別に分けられたリンパ球のDNAをアガロースゲル上で泳動したところ、高度寄生率群のCD8a^+T細胞DNAにfragmentationを起こしたと考えられるladderが検出できた。2.マラリア患者からの血液採取並びにFas抗原発現リンパ球の検出:熱帯熱マラリア患者より末梢血全血をヘパリン採取し、リンフプレップによりリンパ球を採取した。このリンパ球に一次抗体としてマウス抗Fasモノクローナル抗体、二次抗体としてFITC蛍光標識された抗マウス免疫グロブリンを反応させ、落射型蛍光顕微鏡で観察した。その結果リンパ球のおよそ1%にその表面に蛍光を発するものが検出された。健康人から採取したリンパ球ではFas抗体で染るリンパ球は観察されなかった。3.リンパ球のアポトーシス像の解析:末梢血より採取した白血球に、マウス抗Fasモノクローナル抗体を反応させた後、二次抗体としてマイクロビーズ標識ラット抗マウスイムノグロブリンを反応させ、磁気細胞分離システムを用いFas抗原陽性の白血球を濃縮分離した。分離した白血球はグルタールアルデヒドで固定した後、透過型電子顕微鏡像を解析した。その結果、比較的高率に単核球の核の断片化やクロマチンの核内分布の変化が、マイクロビーズの接着を伴う像と共に認められた。実験マウスICRにマラリア原虫強毒株Plasmodium bergheiNK65を接種し(接種日: D-0)、感染後の経過で低寄生率群20匹(D-4)、高度寄生率群20匹(D-5)に分け、さらに対照群10匹(非感染群)をもうけて、それぞれの群のマウスから全血を採取し、Lymphprepを用いて抹消血リンパ球を個別の群ごとに分離・収集した。それぞれの群のリンパ球をマイクロビーズ標識anti-MLAL3T4 (CD4)およびanti-MLALy2 (CD8a)抗体と反応させ、平成7年度当該申請研究による供与設備備品の磁気細胞分離システムを用いて、マウスL3T4 (CD4)ヘルパーT細胞と、マウスLy-2 (CD8a)サプレッサーT細胞とに分けた。これらマーカー別に分けられたそれぞれの群のリンパ球をproteinaseK調整、フェノール/クロロホルム処理後エタノールで沈殿させ、RNase処理後アガロースゲルにて電気泳動し、DNAのfragmentationが起きているか否かを検討した。その結果高度寄生率群のCD8a^+T細胞にDNAfragmentationを起こしたと考えられるladderが検出できた。

マラリア急性期患者6例から抹消血リンパ球を分離し、内3例のリンパ球にマウス抗Fasモノクローナル抗体を反応させ、さらにFITC蛍光色素標識抗マウス抗体と反応させ、リンパ球上のFas抗原の局在像を落射型蛍光顕微鏡にて観察した。その結果、およそ数%のリンパ球の表面に蛍光を発する像が認められた。健康人から採取したリンパ球ではFas抗体で染るリンパ球は観察されなかった。さらに抗Fasモノクローナル抗体(Mouse IgM)に反応したヒト抹消血リンパ球にマイクロビーズ標識Rat anti-mouse IgMを反応させ、磁気細胞分離システムを通してFas抗原陽性の細胞を分離した。分離された細胞は電子顕微鏡によるアポトーシスの形態観察のために固定済みである。平成8粘度研究計画に供与されるべき材料が整ったと考えられる。本年度申請継続研究では、特にヒト症例において、末梢血リンパ球にFas抗原が選択的に発現するか否かを蛍光顕微鏡レベルで、さらに電子顕微鏡レベルで解析した。1.マラリア患者からの血液採取並びにFas抗原発現リンパ球の検出熱帯熱マラリア患者より末梢血全血をヘパリン採取し、リンフプレップによりリンパ球を採取した。このリンパ球に一次抗体としてマウス抗Fasモノクローナル抗体、二次抗体としてFITC蛍光標識された抗マウス免疫グロブリンを反応させ、落射型蛍光顕微鏡で観察した。その結果リンパ球のおよそ1%にその表面に蛍光を発するものが検出された。2.リンパ球のアポトーシス像の解析末梢血より採取した白血球に、マウス抗Fasモノクローナル抗体を反応させた後、二次抗体としてマイクロビーズ標識ラット抗マウスイムノグロブリンを反応させ、平成7年度供与備品の磁気細胞分離システムを用いFas抗原陽性の白血球を濃縮分離した。分離した白血球はグルタールアルデヒドで固定した後、透過型電子顕微鏡像を解析した。その結果、比較的高率に単核球の核の断片化やクロマチンの核内分布の変化が、マイクロビーズの接着を伴う像と共に認められた。熱帯熱マラリア感染に伴うヒト単核球のアポトーシスへの誘導現象はPI染色法により報告されている(Toure-Balde,A.et al.,Infection and Immunity,1996)。しかしながらその像を形態学的に観察したのは、本申請研究によるものが最初の成果と考える。
グローバリゼーション進行下における地域の競争力と産業政策の関係

イノベーション政策において10年近い先進性を有するヨーロッパを調査の対象とした。注目したのはEUを世界で最も競争力が高い地域にするという、リスボンアジェンダ(2000年)である。そのための方法としてイノベーションを掲げている。制度面では各国の特許システムの調和、競争省をEUに設けること、また教育も主要な産業政策であるなど、大学など教育機関の役割(競争と連携)を重視することなどがある。個別地域では、伝統型、旧来型の産業クラスター(フランス、ドイツ、中欧)の実態を調査し、地域の再生の側面からこれまでの産地論やクラスター論と比較した。国際競争の中で、広域的産業政策の重要性や、従来の中小企業の集積だけではなく、コーディネータを必要とする方向への転換などの知見を得た。特に、グローバリゼーションの進行下におけるイノベーションシステムは、その役割の重要性のみならず、システムの国を越えた伝播の可能性を指摘することができる。各国のイノベーション関連の機関を結ぶネットワークとして、IRE-IRC NetworkなどNGOや民間のシンクタンクが重要な役割を果たしている。日本のイノベーションシステムの検証についてであるが、IMDの競争力指標では大規模国30国中11位である。イノベーションの量では力を持つが、その運用に問題がある。事例としては、地場産業集積におけるクラスターと政策の関わりを検証した。クラスターを維持する方向にある企業への支援のあり方が課題とされた。そこで、イノベーションを支えることを目的とした産業支援機関に注目、1500件以上のデータベースを作成した。またこれらに対するアンケート調査を実施、産業支援の方向が「提供」から「仲介」、「創出」へと変化しつつあることを明らかにした。イノベーション政策の現状分析のために、全国の基礎的自治体を対象としたアンケート調査を実施した。競争力を政府の公平性よりも重視する意見が多くを占め、また市場メカニズムの活用に積極的であるなど、マネジメント型のイノベーション行政が多数を占めることなどが明らかになった。つまり日本国内のクラスターにおいて、そのイノベーションシステムを支える政策については、インフラ整備などのハード面から、人的ネットワークなどソフト面への転換が進んでいる。資料、統計の収集、及び調査から以下の点が明らかになった。第一に、競争力とイノベーションの関係を明らかにするため、IMDの競争力指標についてみると、日本は大規模国30国中11位である。日本では教育面での順位が低い一方で、R&Dの比率などではトップである。つまり、イノベーションの量では力を持つが、その運用に問題がある。第二に、欧州ではEUを世界で最も競争力が高い地域にするという、リスボンアジェンダが2000年に出され、この目標に向けてR&Dの対GDP比を日本並みの3%に引き上げようとしている。1993年以降、競争力の強化するイノベーションシステムの確立を目指す欧州において、規模も拡大する方向である。制度面では各国の特許システムの調和、競争省をEUに設けるなどのアイデアが出され、これらはイノベーションシステムを支える一貫と考えられる。第三に、これまでの研究からグローバリゼーションの進行につれて、イノベーションシステムの伝播の可能性が指摘されたが、ヨーロッパにおけるイノベーションシステムの伝播について、そのレセプターとして中欧地域の実態調査を行った。

調査先は、Berlin、Budapest、Timisiora(Romania)地域であり、それぞれ地域開発及びイノベーションの責任者に対する聞き取り調査、資料収集を実施した。結果、現状では、投資の拡充を計る政策の一環として、イノベーションが重視されているが、特定のイノベーションシステム伝播には至っていないことが確認された。また各国のイノベーション関連の機関を結ぶネットワークとして、IRE-IRC NetworkなどNGOが重要な役割を果たす。第四に、日本国内のクラスターにおいて、そのイノベーションシステムを支える政策については、インフラ整備などのハード面から、人的ネットワークなどソフト面への転換が進んでいる。(1)地域イノベーションシステム(RIS)の分析のために企業行動の分析イノベーションシステムと企業行動を分析するために、その行動を支援する支援機関に注目した。背景には2点ある。第1に、支援機関は民間から公設まで多様であり、産業政策にかかるガバナンス(協治)との関係からRISの役割を検討することが可能になる。第2に、企業行動はイノベーション以外の要素との関連も強く、むしろ支援機関を利用する状況から分析を行なう方が容易である。産業支援機関においてイノベーションを支えることを目的とした機関(研究機関、ベンチャーキャピタルなど)を特定することにより分析が容易になる。日本全国には業界団体を除いておよそ1500以上の産業支援機関があり、平成16年度にこれのデータベースを作成した。またこれらに対しアンケート調査を実施、現在、回収と解析を進めている。(2)イノベーションシステムの位置づけのための現地調査日本国内においては、グローバル化で中国などとの競争に置かれた兵庫県下の伝統産業のイノベーションシステムの変化について検討した。結果、企業がクラスターを評価し、草の根型のイノベーションシステムが展開させ、競争力を高めていることなどを明らかにした。海外においては、ドイツ、フランスの旧来型の産業クラスター(ルール、ザール、ロレーヌ)の調査を実施、政府の主導によるハイテク産業クラスターへの転換とイノベーションシステムの関係について知見を得た。例えば、クラスター、RIS、将来計画を地域の三本柱として、広域的産業政策を実施する(ロレーヌ)など、競争力強化に関する日本の産業政策の展望にも十分なヒントを得た。また、これらクラスターは独仏国境付近にあり、イノベーションシステムの移転が生じるという、田端の仮説の検証にも役立てたい。(1)日本国内における産業支援機関によるイノベーション日本のイノベーションシステムの現状を探るために、国内の産業支援機関に対する平成16年度に実施したアンケート調査結果の解析を行った。地域に立地する産業支援機関が地域イノベーションシステムを形成する要素になるという仮説に基づく。その結果、産業支援の方向が「提供」から『仲介」そして「創出」へと変化しつつあることなどを明らかにした。(2)地域政策への波及
いもち病菌に対するイネの階層的抵抗性の機構解明

本研究課題において以下のことを明らにした。(1)いもち病菌由来AVR-PikアリルがイネPikアリルに特異的かつ階層的に認識される。(2)AVR-Pikは遺伝子変異が高いPik1のCoiled-Coilドメイン(CC)に特異的かつ直接的にタンパク質相互作用する(3)AVR-PikとPikのアリル間でのタンパク質相互作用は抵抗性反応の特異的認識のパターンと一致する。以上より、イネ由来Pikは、いもち病菌由来AvrPikとの共進化の中で、AVR-Pikとのタンパク質直接的結合を介して抵抗性を獲得し、Pik1の変異がAVR-Pikアリルに対する抵抗性認識に重要な役割を担っていることが示唆された。昨年度までに、イネ抵抗性遺伝子Pikはいもち病菌(Magnaporthe oryzae)由来のAvrPikとの共進化の中で、PikとAvrPikにおけるタンパク質直接的結合を介して抵抗性を獲得し、Pik1の変異がAvrPikアリルに対する抵抗性認識に重要な役割を担っている、との知見を得た。この研究成果については、査読付き国際雑誌PLANT Journalにて報告した。また、イネにおける2種のNBS-LRR遺伝子から構成される(Dual抵抗性遺伝子)いもち病抵抗性遺伝子PiaとPikの抵抗性誘導機構について解析を進めた。Pikを構成するPik1とPik2の過剰発現試験の結果、両者が存在して初めて細胞死を誘導することを明らかにした。一方、Piaを構成するRGA4とRGA5の過剰発現試験の結果、RGA4は単独で細胞死誘導能をもちRGA5はその誘導を抑制すること、AvrPiaの直接的なRGA5との相互作用によってその抑制を打破すること、等の知見を得た。Piaにおけるこれらの結果は、T.Kroj研(INRA)及び島本研(NAIST)との共同研究によって投稿準備を進めている。また、イネにおける2種のNBS-LRR遺伝子から構成される(Dual抵抗性遺伝子)いもち病抵抗性遺伝子Pia或いはPikの抵抗性誘導機構について解析を進めた。一方、Piaを構成するRGA4とRGA5の過剰発現試験の結果、RGA4は単独で細胞死誘導能をもちRGA5はその誘導を抑制すること、AVR-Piaの直接的なRGA5との相互作用によってその抑制を打破すること、等の知見を得た。Piaにおけるこれらの結果は、共同研究として現在投稿中である。申請者らは先に、いもち病菌由来の非病原力遺伝子avrPikにAEの5種類のアリルが存在することを明らかにしている(Yoshidaら2009)。一方、対応するイネ抵抗性遺伝子として、Pik・Pik-m・Pik-p・Pik-s・Pik-hが同じ遺伝子座に存在することから、これらはPikアリルであることが示唆されている。また、PikアリルであるPikmとして、2種のNBS-LRRタンパク質遺伝子Pikm1とPikm2が本体として単離同定されている(Ashikawaら2008)。これらのavrPikアリルとPikアリルとの間の相互作用について以下のことが明らかとなった。(1)いもち病菌接種による抵抗性検定、及びイネ一過的過敏感細胞死検定をおこない、いもち病菌由来avrPikアリルがイネPikアリルに特異的かつ階層的に認識されることを明らかにした。(2)avrPik-Pik間のタンパク質間相互作用についてそれぞれのアリルを用いて検討した結果、avrPikは遺伝子変異が高いPik1のCoiled-Coilドメイン(CC)に特異的かつ直接的にタンパク質相互作用することを明らかにした。(3)avrPikとPikのアリル間でのタンパク質相互作用は抵抗性反応の特異的認識のパターンと一致することを明らかにした。(4)進化解析の結果、Pik1とPik2はそれぞれ2種のグループに分かれること、avrPikアリルは抵抗性認識の程度が高いDアリルが最初に出現したこと等が明らかとなった。以上の結果を総合すると、イネPikはいもち病菌avrPikとの共進化の中で、PikとavrPikにおけるタンパク質直接的結合を介して抵抗性を獲得し、Pik1の変異がavrPikアリルに対する抵抗性認識に重要な役割を担っていることが示唆された。当初の主研究目標であった"

イネといもち病菌との間の階層的抵抗性の相互作用の機構の解明"については、抵抗性遺伝子と非病原力遺伝子とのアリル間での直接的タンパク質相互作用の程度が特異的認識を決定する、との結果を得、国際雑誌に投稿という形でまとめることができたことで、順調に進展してきたものと考えている。一方、"イネの抵抗性遺伝子を構成する2種のNBS-LRR(Dual抵抗性遺伝子)の抵抗性機構の解明"については、イネ抵抗性遺伝子Piaを構成する一方のNBS-LRRがもう一方のNBS-LRRを抑制するという新規な知見を得た。また、別の抵抗性遺伝子PikのDual抵抗性遺伝子としての機能解明は、未だ不明な点が多く、総じて概ね順調に進展していると考えている。また、いもち病菌の非病原力遺伝子AvrPikのeffectorとしての機能の解明という目的で、AvrPikの結合タンパク質の候補の同定を行い、この点では当初の計画以上の進展がみられたものと考えている。階層的抵抗性の免疫学的機構を明らかにするために、本研究計画に挙げた次の内容を実施した。すなわち、イネ抵抗性遺伝子Pikアリル及びいもち病菌非病原力遺伝子avrPikアリルの配列決定、Pik1・Pik2及びavrPikの間におけるタンパク質相互作用の証明、Pikアリル及びavrPikアリル間でのタンパク質相互作用マップの作成などについて研究をおこなった。そして、階層的抵抗性の成立が抵抗性遺伝子と非病原力遺伝子との間でのタンパク質相互作用の有無で決定されるというという研究成果を得た。本研究成果は、全植物において数例目、日本の主要穀類であるイネにおいては初めての知見であり、植物病理学のみならず植物育種学上においても重要な知見となるものと考えている。さらに、本研究成果を国際学術雑誌に投稿し、学会にも2度発表報告するに至った。その意味で、本研究は、概ね順調に進展していると思われる。2種のイネ抵抗性遺伝子(Dual抵抗性遺伝子)の関与する抵抗性誘導機構についての解明を目標に、Piaに関する論文投稿、及びPikに関する抵抗性誘導機構について研究を進める。本研究を進めることで、しばらく停滞感のある植物の病害抵抗性遺伝子研究分野のbreak-throughになるものと期待される。また、病原菌の分泌タンパク質(effector)が植物の抵抗性反応を抑制することが、感染成立に重要な役割を担っていると考えられている。いもち病菌由来の分泌タンパク質であるAvrPikも、この様なeffector機能を持つと考えられる。AvrPikのeffector機能を解明する目的で、AvrPikのイネ結合候補遺伝子であるHMAについてその機能解析を進める。本研究は、植物と病原菌との相互作用に関する新たな知見となり、且つ抵抗性育種においても貢献ができるものと期待される。階層的抵抗性の免疫学的機構については概ね研究成果を出すことができたと思われる。一方、植物の病害抵抗性遺伝子として2種のNBS-LRR遺伝子が関与する例が、近年、多く報告されているが、その機構について全く解明が進んでいないのが現状である。この機構を明らかにすることは、病害克服への新たな切り口になりうるものと考えている。申請者らは先に、いもち病菌より3種の非病原力遺伝子avrPik・avrPia・avrPia、及びイネより対応する抵抗性遺伝子Piaを単離同定した。この中で、本研究で解析を進めたavrPikとPik、及びavrPiaとPiaが、非病原力遺伝子と抵抗性遺伝子の両者を併せ持つ組合わせであり、それぞれ本体として2種のNBS-LRR遺伝子をもつ。
骨におけるメカノセンサーは骨細胞にあるか?IGF-1は荷重伝達に関与しているか?

1.生後4日齢のddyマウスの頭蓋冠より初代培養した骨芽細胞・骨細胞に10分間の圧迫を12日間かけ、骨形成に変化があるか否かを調べた。100mmHgの圧迫で23%、150mmHgの圧迫で60%の骨形成増加を認めた。2.ヒト骨芽細胞様細胞MG-63細胞に10分間の圧迫を加え、[^3H]thymidineuptakeおよび細胞数を測定し、細胞増殖効果を調べた。圧迫により細胞増殖効果を認め、その至適圧迫強度は80-150mmHgであったが、IGF-1存在下では更に強い圧で細胞増殖効果を認めた。しかし、加圧前にEpithelial Na^+ Channel(ENaC)のinhibitorであるbenzamil、およびtyrosine kinaseのinhibitorであるgenisteinおよびherbimycin Aを投与するとこの細胞増加は抑制された。3.同様にして10分間100mmHgの加圧をし、60分後の培養上清(conditioned medium)を採取し、圧迫を加えていない細胞に投与すると22%の細胞増殖が認められた。しかし、加圧後30分、または120分の培養上清には細胞増殖活性を認めなかった。5.以上より骨芽細胞に至適の圧迫をかけると細胞増殖および骨形成が増加することが明らかになり、さらに蛋白合成の促進も示唆された。この圧迫による細胞増殖反応にはENaC、液性因子の放出、およびtyrosine kinase cascadeが関与する。1.動物実験。8週令雌Sprague-Dawleyラット27匹をスタートコントロール群、動物群、非運動群(各9匹)の3群に分けた。運動群はランニングマシーンを傾斜15°、速度25m/minで30分間(3.80×B.W(gr)J)の運動負荷を7日間加えた直後に屠殺し、大腿骨遠位、脛骨近位、第5腰椎の骨密度をDEXAを用いて測定した。運動群では腰椎の骨密度は増加しなかったが、荷重のかかる大腿骨および脛骨では非運動群に比べて7.2%から8.5%増加した。また、左脛骨を摘出し、非脱灰硬組織標本を作製後、近位部海綿骨を形態計測した。運動群の海綿骨量は非運動群の19.7%に対して24.0%に増加した。2、培養細胞実験。(1)、骨芽細胞様細胞MG-63細胞を用い、これを24well plateに培養し24時間後にserum freeとしさらに48時間後に密封チャンバー内に入れ、ヘリウムガスを挿入し10分間,0,150,760mmHgの加圧をした。加圧後22時間に[^3H]thymidineを加え24時間後のuptakeを測定した。150mmHgの加圧では56%のuptake増加がみられたが、760mmHgでは増加しなかった。加圧前にIGF-I20ng/mlを添加するとuptakeは5倍になり、さらに圧を加えると150mmHgで8%、760mmHgでは43%のuptake増加がみられた。(1)加圧によるmRNAの発現骨芽細胞様細胞MG-63細胞を用い6cm dishに培養し、24時間後に無血清倍地にした。48時間後に密封チャンバー内に入れ、ヘリウムガスを挿入し、150mmHg、10分間の加圧をした。圧迫後6時間のオステオカルシンおよびオステオポンチンmRNAの発現をNorthern blottingにより調べたが、加圧のみではいずれも発現しなかった。同様の細胞を24穴plateに培養し24時間後に1%FBS血清倍地にした。48時間後に0、3、10、30、60分間それぞれ150mmHgの加圧をし、[3H]thymidineのuptakeを測定した。

10分までは直線的にuptakeが増加し、約1.9倍になったがそれ以上の加圧時間では変化は緩やかであった。(3)各種セカンドメッセンジャーの抑制実験同様の実験系で加圧前100分に各種リン酸酵素の阻害剤、及び伸展刺激イオンチャンネル阻害剤を前処置し、10分間、150mmHgの加圧をした。同様にして10分間100mmHgの加圧をし、60分後の培養上清(conditioned medium)を採取し、圧迫を加えていない細胞に投与すると22%の細胞増殖が認められた。しかし、加圧後30分、または120分のconditioned mediumには細胞増殖活性を認めなかった。生後4日齢のddy mouseの頭蓋冠より骨芽細胞を採取し、初代培養する。6 well plateに播き、それぞれ0、100、150mmHgで10分間の圧迫を、24時問おきに12日間(培養後3日から14日)加え、アリザリンレッド染色を行い、石灰化骨の定量を行った。100mmHgの圧迫で23%、150mmHgの圧迫で60%の増加を認めた。46MG-63の圧迫実験(osteocalcin mRNA)MG-63細胞に150mmHg、10分間の圧迫を加えた後、1、3、6、12、24、48時間後のtotal RNAを抽出し、osteocalcinprimerを用いてRT-PCRを行った。12時間経過後のみに圧迫によるosteocalcin mRNA量の増加を認めた。機械的圧迫は骨芽細胞に対して、細胞増殖促進のみではなく、骨基質蛋白Osteocalcinの発現をも促進した。
構造化特異値による複合システムのロバスト制御性能解析

本研究では,複合システムに対するロバスト制御性能問題の効率的な解析/設計のために,"構造化特異性"を精度良く短時間で求めることのできる計算アルゴリズムの開発を目的として,以下の研究成果を得た.1.複合システムに対する構造化特異値の特徴の検討複合システムに対する構造化特異値を効率よく計算するための一つの方法として,対象システムを分割して各サブシステムごとに構造特異値を計算するアプローチについて考察した.その結果,大規模システム理論における"結合安定性"に関する議論を利用すれば,各サブシステムが結合入力/出力により相互に結合している複合システムに対しては,その構造的特徴が構造化特異値の計算法に利用できることがわかった.2.システムの結合構造に着目した構造化特異値の計算法の理論的な検討対象システムの構造化特異値とその構成要素として考えられる各サブシステムの構造化特異値との関係に焦点を絞り,理論的な検討を行った.その結果,サブシステム間の対応したある不確かさを付け加えて各サブシステム毎に独立した構造化特異値がすべて1未満で,サブシステム間の結合の強さに関するある条件が成り立てば,対象システムの構造化特異値が1未満になることを明らかにした.特に,サブシステムの数が2であるときは,上記条件が必要十分条件となることがわかった.3.数値実験による構造化特異値の計算アルゴリズムの有効性の検証以上の検討に基づき,各サブシステムごとに構造化特異値を求めるような,構造化特異値の計算アルゴリズムとそのプログラムを,行列数値計算ツールMatlab上で開発した.実際に,種々の例題に対して,本研究で提案した計算アルゴリズムを適用し,その有効性を確認した.本研究では,複合システムに対するロバスト制御性能問題の効率的な解析/設計のために,"構造化特異性"を精度良く短時間で求めることのできる計算アルゴリズムの開発を目的として,以下の研究成果を得た.1.複合システムに対する構造化特異値の特徴の検討複合システムに対する構造化特異値を効率よく計算するための一つの方法として,対象システムを分割して各サブシステムごとに構造特異値を計算するアプローチについて考察した.その結果,大規模システム理論における"結合安定性"に関する議論を利用すれば,各サブシステムが結合入力/出力により相互に結合している複合システムに対しては,その構造的特徴が構造化特異値の計算法に利用できることがわかった.2.システムの結合構造に着目した構造化特異値の計算法の理論的な検討対象システムの構造化特異値とその構成要素として考えられる各サブシステムの構造化特異値との関係に焦点を絞り,理論的な検討を行った.その結果,サブシステム間の対応したある不確かさを付け加えて各サブシステム毎に独立した構造化特異値がすべて1未満で,サブシステム間の結合の強さに関するある条件が成り立てば,対象システムの構造化特異値が1未満になることを明らかにした.特に,サブシステムの数が2であるときは,上記条件が必要十分条件となることがわかった.3.数値実験による構造化特異値の計算アルゴリズムの有効性の検証以上の検討に基づき,各サブシステムごとに構造化特異値を求めるような,構造化特異値の計算アルゴリズムとそのプログラムを,行列数値計算ツールMatlab上で開発した.実際に,種々の例題に対して,本研究で提案した計算アルゴリズムを適用し,その有効性を確認した.
液胞アミノ燦排出トランスポーターの構造と機能制御機構に関する研究

出芽酵母液胞アミノ酸トランスポーターAvt4のプロテオリポソーム再構成および構造解析に向けてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系により全長タンパク質と膜貫通領域の高効率な合成を達成できた。現在、輸送活性の速度論的な解析に向け、リポソームへの再構成条件を検討中である。Avt4活性調節へのリン酸化の関与についてはN末端親水性領域の保存セリン/トレオニン/チロシン残基および、他の研究グループの網羅的リン酸化ペプチド解析によって報告された推定リン酸化部位へのアラニン置換変異導入により部分的なアミノ酸輸送活性の増加を検出した。また我々がAvt4の相互作用タンパク質として同定したBmh1について、Avt4のリン酸化によって同親水性領域とBmh1との相互作用が増加すること、ホモログであるBmh2との二重欠損によって液胞内中性/塩基性アミノ酸含量が大幅に減少することを見出した。よってBmh1/2がリン酸化Avt4との相互作用を介してアミノ酸輸送活性を負に調節することが示唆された。酵母遺伝子破壊株ライブラリーを使用したAvt4のリン酸化酵素同定に向けたスクリーニングでは非必須リン酸化酵素の単一破壊によるAvt4リン酸化状態の顕著な変化を検出できなかったことから、生育に必須なリン酸化酵素の関与やリン酸化酵素の多重破壊による影響を検討する必要性が示された。一方で脱リン酸化酵素であるSit4を欠損すると窒素飢餓条件でのAvt4の脱リン酸化が顕著に遅延し、液胞内アミノ酸含量の低下が抑えられたことから、Sit4がAvt4のアミノ酸輸送活性に負に作用することが示唆された。同時にSit4欠損株ではAvt4の細胞内レベルも低下したことから発現調節への関与についても並行して解析を進めている。また、シロイヌナズナ、植物病原菌フザリウムおよび分裂酵母のAvt4ホモログが各生物種において液胞膜に局在することを明らかにした。いずれも出芽酵母に発現させると液胞膜へと局在し、単離液胞膜小胞のATP依存的アミノ酸排出活性の増加を検出したことから、これらホモログは機能的にも保存されていることが示唆された。
ツールとしての祖先型配列のキメラ解析への応用:トリプトファン分解酵素の分子進化

本研究は新規に開発した「祖先型配列のキメラ酵素解析への応用」により,各々のIDO系統で,いつ,どのような(アミノ酸)置換により機能転換が起きたのかを具体的に同定する。最終的に,IDO遺伝子ファミリー全体に対して,その分子進化の過程と生理機能の変遷の完全解明を目指すものである。本年度は,無脊椎動物を中心に,様々な生物種のTDO/IDOの酵素活性を調べ,酵素パラメーター(kcatとKm)の比較を行った。TDOはほとんどの無脊椎動物に見られ,生物種によらず,似通った酵素パラメーター値を示す。一方で,IDOは生物種やIDO分子種により,幅広い酵素パラメーター値の分布を示した。特にカイメンの一種,Amphimedon queenslandicaが持つ2つのIDO(IDO-I,IDO-II)と,ホタテガイから見いだされた3つのIDOのうちの2つ(IDO-I,IDO-III)は,脊椎動物IDO1に匹敵する高い基質親和性と触媒効率を持つことが判明した。既出の変異導入実験により,脊椎動物IDO1の高い基質親和性と触媒効率は,F-helixの2番目の残基(F2nd)であるTyrと,G-helixの9番目の残基(G9th)であるSerによりもたらされていることが示されている(Yuasa et al. 2015FEBS J. 282, 2735-2745; Yuasa H.J. 2016FEBS J. 283, 3651-3661)。カイメン,ホタテガイの高触媒効率IDO間では,F2nd/G9thがTyr/Hisの組み合わせであることが共通しており,変異導入実験により,(脊椎動物IDO1と同様に)これら2つの残基が高い基質親和性と触媒効率に必須であることが示された。また,他無脊椎動物種の低触媒効率IDOにおいて,F2nd/G9thのTyr/Hisへの置換により,基質親和性と触媒効率の著しい向上が見られたことは,広くIDOの酵素特性におけるF2nd/G9thの重要性を示唆する。脊椎動物のIDO2は低触媒効率であることが知られ,生体内での生化学的機能は不明である。マウスIDO1のKm値は15.8 uMと低く(基質親和性は高い),触媒効率も高い(55.2 uM-1min-1)のに対し,マウスIDO2のKm値は約45 mM,触媒効率は0.002 uM-1min-1であり,これはIDO1の値の僅か0.004%に過ぎない。一方で,培養細胞内で発現させた場合,マウスIDO2はIDO1比で約55%もの活性を示すことが報告されている。当初は「IDO2は酵素パラメータから推測される以上に細胞内では働くようだ」との解釈から,細胞内に存在する未知の補酵素がIDO2の触媒活性を亢進させる可能性が示唆されたが,現在まで該当する物質は見つかっておらず,満足できる説明はなされていない。in vitroと細胞内で観察されるIDO1/IDO2の活性比の矛盾は「IDO2が細胞内で予想以上に働く」からではなく,逆に「IDO1が細胞内では予想ほど働かない」事に起因する可能性を考慮した。即ち,反応に伴いヘム鉄が酸化(met化)されてしまうIDO1は,細胞内の系では還元が追い付かず,ほんの一部分のみが活性を示している可能性が高い。一方,IDO2は反応速度は遅いながらも持続的な活性を示すと考えられる。その場合,鍵となるのはIDO2の自動酸化速度だと考えられる。本年度は,繊毛虫の1種であるBlepharisma stolteiの4つのIDO遺伝子(IDO-IIV)に対して,IDO-Iと祖先型IDO-I/IV,IDO-IIIと祖先型IDO-II/IIIとのキメラ酵素シリーズの解析により,Blepharisma IDO-Iの5-ヒドロキシトリプトファン(5-HTP)への特異性は131番目のAsn,IDO-IIIのL-Trpに対する高い親和性は132番目のGluに起因することを突き止めた。これらの残基は同一位置にアラインメントされ,Blepharisma IDOsにおける基質特異性は,これらの残基がほぼ決定していることが示唆された。特に他種繊毛虫のIDOにおいても,SDR対応残基をAsnにすることにより5-HTPへの活性が獲得されたことは,上記の解釈を支持する。2016年にヒトIDO1において,L-Trpに対する高い基質親和性は,ヘムポケットに隣接する短いα-ヘリックス(helix-F)上に位置するTyr126に起因することを報告しているが(Yuasa H.J. 2016FEBS J. 283, 3651-3661),Blepharisma IDOsのSDRはアラインメント上でヒトIDO1のTyr126と4残基離れていた。これはほぼヘリックス1巻きに相当し,ヒトIDO1のTyr126と同様に,SDR残基はヘムに面していることが示唆される。

キメラ酵素シリーズの解析により,Blepharisma IDO-Iの5-HTPへの特異性は131番目のAsn,IDO-IIIのL-Trpに対する高い親和性は132番目のGluに起因することを突き止めた。これらの残基は同一位置にアラインメントされ,Blepharisma IDOsにおける基質認識は,ほぼこの1残基(基質決定残基(SDR: Substrate Determining Residue)で決定されることを明らかにした。また,5-HTP分解活性をほとんど示さないBlepharisma IDO-IVやStentor(ラッパムシ)IDO-Iにおいても,SDRをAsnに置換すると5-HTP分解能が生じることを示した。以上の結果はArchives of Biochemistry and Biophysics誌に受理され,2018年2月15日号(vol 640, 1-9)に掲載されている。本研究は新規に開発した「祖先型配列のキメラ酵素解析への応用」により,各々のIDO系統で,いつ,どのような(アミノ酸)置換により機能転換が起きたのかを具体的に同定する。最終的に,IDO遺伝子ファミリー全体に対して,その分子進化の過程と生理機能の変遷の完全解明を目指すものである。本年度は,無脊椎動物を中心に,様々な生物種のTDO/IDOの酵素活性を調べ,酵素パラメーター(kcatとKm)の比較を行った。TDOはほとんどの無脊椎動物に見られ,生物種によらず,似通った酵素パラメーター値を示す。一方で,IDOは生物種やIDO分子種により,幅広い酵素パラメーター値の分布を示した。特にカイメンの一種,Amphimedon queenslandicaが持つ2つのIDO(IDO-I,IDO-II)と,ホタテガイから見いだされた3つのIDOのうちの2つ(IDO-I,IDO-III)は,脊椎動物IDO1に匹敵する高い基質親和性と触媒効率を持つことが判明した。既出の変異導入実験により,脊椎動物IDO1の高い基質親和性と触媒効率は,F-helixの2番目の残基(F2nd)であるTyrと,G-helixの9番目の残基(G9th)であるSerによりもたらされていることが示されている(Yuasa et al. 2015FEBS J. 282, 2735-2745; Yuasa H.J. 2016FEBS J. 283, 3651-3661)。カイメン,ホタテガイの高触媒効率IDO間では,F2nd/G9thがTyr/Hisの組み合わせであることが共通しており,変異導入実験により,(脊椎動物IDO1と同様に)これら2つの残基が高い基質親和性と触媒効率に必須であることが示された。また,他無脊椎動物種の低触媒効率IDOにおいて,F2nd/G9thのTyr/Hisへの置換により,基質親和性と触媒効率の著しい向上が見られたことは,広くIDOの酵素特性におけるF2nd/G9thの重要性を示唆する。脊椎動物IDO1に高い基質親和性をもたらす遠位Tyrと繊毛虫IDOのSRDはアラインメント上で4残基分離れてはいるが,共にhelix-F上に位置していた。無脊椎動物IDOのおいてもhelix-F上の残基が基質認識に影響を与えている可能性が高い。本年度は,RNA-seqデータを利用できる複数の無脊椎動物IDOに関して網羅的に解析を行う。合わせてTDOに関しても解析を行い,パラメータの比較から「分子進化におけるIDO/TDOの被選択機構」に関しても考察してみたい。脊椎動物のIDO2は低触媒効率であることが知られ,生体内での生化学的機能は不明である。
均一核生成の化学:結晶化の動的過程の理論研究

シリコンや水などのネットワーク性液体の過冷却融液状態での構造の特徴を抽出する方法として、水の水素結合ネットワークを多面体様フラグメント(擬多面体)に一意的に分割する手法を考案した。擬多面体は、通常の多面体の定義を拡張したもので、低温の水等の水素結合ネットワークの特徴を抽出するのに適している。この手法により、結晶のような明らかな秩序構造をもっていない場合でも、局所構造の特徴を直接識別分類できる。この手法を、シリコンや水、あるいはメタンハイドレートの核生成と結晶化プロセスに適用することで、融液状態から、どのようにして局所的秩序が形成され、それが結晶の長距離秩序につながっていくのかを、余すところなく観察できることを示した。水の液液相転移においては、低密度液相のネットワークの大部分が、ごく少数のフラグメントの組合せで被覆できることを示した。我々の行った過冷却水の均一核生成過程の場合、初期に出現する核は、少数種類の非晶質状のフラグメントを多く含む非晶質核であると推定された。一方、シリコンが均一核生成する場合は、核の構造はすでに結晶の部分秩序を持つことがわかった。低密度水と低密度非晶質シリコンの構造は非常によく似ていることが、フラグメント解析からも裏付けられた。メタン水溶液からメタンハイドレートの結晶が成長する場合には、12面体型ケージが速度論的にまず急激に増加し、あとからそれらに隣接する形で14面体型ケージがゆっくり増加することが観察された。水の結晶化の初期に生成される非晶質構造の特徴を詳細に解析するために、水の中距離ネットワークトポロジー(部分グラフ)を抽出し、それらを分類、計数する手法を開発した。水分子が形成する、3次元にパーコレートしたネットワークの中から部分ネットワークをうまく切り出し、それらをグラフ理論の手法に基づいてデータベース化し計数するとともに、温度変化や、結晶化の進行に従い、どのような部分ネットワーク構造が増え、あるいは減るのかを詳細に追跡することが可能となった。このような多変量による構造解析手法を用いることで、水の結晶化過程のように、複数の未知の準安定相が複雑に関与する構造変化過程において、あらかじめ準安定相の詳細をしらなくても構造の変化を検知できる。また、各断片の存在比率を、構造同士を区別する「指紋」として利用することもできる。結晶核が形成される以前の過冷却水の中にも、構造が固い領域がいろんな場所で間欠的に形成されている。水素結合の寿命で言えば、短寿命の水素結合と長寿命のそれとでは2桁以上の開きがあり(10ps1ns)、過冷却水中の分子運動は極めて不均質である。上記の部分ネットワークを解析する手法を用いることで、核生成のごく初期には、水素結合が固く(結合エネルギーが低く)、コンパクトな構造の、水分子十数分子からなるフラグメントが多数形成され、これが凝集した低密度アモルファス的な中距離構造が、結晶構造形成のための足場となっていることがわかった。我々は、液体から固相が均一核生成により形成される微視的過程を明らかにすることを目標としている。計算機シミュレーションによる、過冷却水からの均一核生成過程のごく初期に形成される核について、それを形成する水素結合ネットワークの部分ネットワークトポロジーを網羅的に抽出しデータベース化する手法を考案した。この手法を用いた結果、核生成の初期に、非晶質的な構造を持つ数種類のフラグメントが増加することがわかった。これらのフラグメントは、水素結合が形成する六員環のみならず、五員環や七員環をふくんでいるものの、結合角が左四面体型に近いために、単体では結晶のフラグメントと同等に安定な構造であるが、結晶のような長距離秩序を形成することはできないため、核生成の初期、あるいは固液界面に特有の過渡的な構造であると考えられる。過冷却水とよくにた温度密度特性を示す過冷却液体Siのシミュレーションを行い、液液相転移の再現、均一核生成から結晶化に至る過程で生まれる局所構造の詳細な解析を行った。水の場合とはちがい、過冷却液体シリコンにはすでに結晶様構造のフラグメントが多数存在し、結晶化はそれらを核として進行することがわかった。また、モデルシリコン原子の相互作用パラメータを人為的に変化させたところ、わずかな変化で液液転移温度は大きく変動することがわかった。このことは、Siの(おそらくは水も)液液共存温度がきわめて微妙なバランスの上に成り立っていることを示唆している。

低密度水と低密度非晶質シリコンの構造は非常によく似ていることが、フラグメント解析からも裏付けられた。メタン水溶液からメタンハイドレートの結晶が成長する場合には、12面体型ケージが速度論的にまず急激に増加し、あとからそれらに隣接する形で14面体型ケージがゆっくり増加することが観察された。