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科学コミュニケーション活性化への科学と芸術の融合教育研究

科学がすべての人にひらかれ、科学を「楽しむ」「伝える」「考える」「共有する」から、「関わる」「つながる」「広がる」ことへと日本の科学コミュニケーションのあり方が変化してきたことに貢献した。「科学する心」を育て、人生を豊かにする智の創造に大きく貢献し、個人の幸福を考えるだけでなく持続可能な社会の幸福を考えることができる科学の絆が、子どもたちに託せる未来を築くことが可能になる。その答えが、欧米の博物館の科学と芸術が融合した文化にあった。平成17年度の研究実績については、海外のより質の高い科学コミュニケーションの例を紹介し、日本では何が出来るかの具体的方法論を提示するため、国内外の博物館等のコミュニケーション調査・分析を試みた。特にオランダ、ベルギー、スウェーデン、アメリカ東海岸、アトランタ、香港、マカオの博物館においては、その博物館のあり方を調査した。また、国内では、琵琶湖博物館、新江ノ島水族館、久慈琥珀博物館、群馬県立自然史博物館、相模市立博物館、その他多くの個人博物館や地域活性化の取組みを取材した。また、博物館以外でも都内の科学イベントの試みに貢献するために、視覚的な仕掛けから科学コミュニケーションの促進を考え実行した。科学技術週間のイベントではプラネタリウムのイベントを日本科学未来館と協力し丸ビル1階で行った。子供への科学のときめきを刺激する場としては、科学技術館での青年のための科学の祭典が大掛かりなものであり、多くの名物先生に出会うことができた。また、広報活動に参加でき役目を果たした。滋賀県立琵琶湖博物館では、小学生を対象に昆虫観察と昆虫画の指導を行った。群馬県立自然史博物館とは日本大学芸術学部との共催で『ニッポン・ヴンダーカマー荒俣宏の驚異宝物館』を企画・プロデュースし、大学と県立博物館の大掛かりなコラボレーション企画という画期的な大事業を成し遂げ、学生の力で表現の可能性に挑戦できかなりの成果を挙げた。同じコラボレーション企画では、上智大学におけるユネスコ生命倫理委員会主催『生命倫理の井戸端会議』に於いて、そのブースのデザインを担当。芸術系学生がサイエンスへの理解とその表現に積極性を発揮することを刺激した。その他に、ロレアル賞連続ワークショップや国立近代美術館におけるトークショーなど、サイエンスコミュニケーションを主題にした一般へのひろがりに努力を重ねた。欧米の主要なミュージアム、特に自然科学系の博物館、水族館、動物園を中心に、科学コミュニケーションのあり方を研究した。アメリカではスミソニアン、国際スパイミュージアム、サイエンスミュージアム、ジョージア水族館、コカ・コーラミュージアム、アトランタ動物園、セントルイス・サイエンスセンター、セントルイス動物園、シカゴ・フィールド自然史博物館、科学工業博物館、シェド水族館。英国はケンブリッジにあるウィップル科学史博物館、ゼジウィック博物館、大学動物学博物館他を巡りリサーチした。高い芸術性と歴史を備えた展示技術と、見せ方のテクニックは、科学コミュニケーションとしてレベルが高く、それは単なる一過性のものではなく普遍的な科学と芸術の融合がそこにある。ほとんどが個人による寄付や企業のサポート、また寄付者や企業への還元。会員来館者のリピートと学習プログラム、スクールとしての博物館利用方法に、残念ながら未だに日本との大差を感じ、進化した科学力を感じた。研究の実績効果は、文部科学省科学技術政策研究所に協力した「ナイス・ステップな研究者展」を国立科学博物館と多摩六都科学館で開催、サイエンスの伝え方をデザインによって分かりやすく伝えた。また、「2006年度科学技術白書」のデザインを前例のない表現方法で制作、「科学と芸術の融合」として新聞の科学面に取り上げられた。国際シンポジウムは、科学を語り合う「サイエンス・コミュニケーションの方法と実践」を行い、丸の内おしゃれな科学プロジェクトと題し-サイエンスとアートの出会い-をテーマに、学生と先端科学者とのコラボレーションで作品展示を行いサイエンス・カフェにて発表した。ロレアル賞連続ワークショップ2006in九州の講演『色-科学と芸術の出会い-昆虫の形と色』を福岡アジア美術館で行い、サイエンスの芸術的魅力を発表した。講演「すばらしい科学は強いコミュニケーションを持っている」と題し、関西経済連合で発表。科学技術振興機構によるオピニオンデジタル配信寄稿「言葉としてのサイエンスが意味するもの」でこれからの科学教育に私的提案をした。平成19年度の研究実績は、海外の科学系博物館の質の高いコミュニケーションの現場を取材し、体験学習のあり方の調査・分析を行った。特に、体験ミュージアムの代表とされるサンフランシスコのエクスプロラトリウムでは、工房の担当者やデザイン、プランナーたちにインタヴューをし、舞台裏の仕掛けや将来の方向性を取材できた。イギリス(ケンブリッジ、ロンドン自然史博物館、科学博物館等)、アメリカ(アトランタ、セントルイス、ワシントンDC)、オーストリア(ウィーン自然史博物館、地球儀博物館、ヴェヴェー食物博物館等)、スイス(ベルン自然史博物館、アインシュタイン博物館等)と科学系博物館の主たる動きと体験型アミューズメント性の方法論を掴めたことで、一層日本の博物館のあり方の欠点と独自性が見えてきた。国内では国立科学博物館、旭山動物園、北九州市立いのちのたび博物館・翼竜展、北九州マリンワールド、上野動物園、医の博物館(新潟)、交通博物館、その他多くの個人博物館の取組みを取材した。また、昨年同様に青年のための科学の祭典(科学技術館)に学生を送り込み芸術と科学の融合のための理解増進を強めた。

サイエンスアゴラ2007(JST主催)の委員となり企画参加を日芸全体で3日間行った。九州大学博物館でワークショップ。科学の智プロジェクト広報部会で委員を担当し、科学リテラシーの向上と理解増進のための報告書までこぎつけた。外部からのサイエンスライターやジャーナリスト、サイエンティストら23名で構成しているオムニバス形式の日芸総合講座"サイエンスコミュニケーション"では、3年目の可能性を4年目につなげることができた。自らの多くの実験の結果と分析から、理科離れ、芸術と科学の融合、科学教育や科学技術への理解増進という、キーワードにどれだけの提案と貢献ができるかがやっと見えてきた。欧米の博物館の試みは常に先駆的、発展的で問題意識に向かってその改善にうらやましいほど早く応えることに心がけているのは脅威であった。科学コミュニケーションの領域でも、特にミュージアムコミュニケーションとしての機能が優れ、地域に貢献しているヨーロッパのミュージアムをリサーチし、その科学コミュニケーション力を取材した。スイス・ベルン市にある自然史博物館は半年前に取材したが、その時点で常設展示のリニューアルを行っていた。9月そのオープニングを取材することを許され、スタッフと交流しながらその先端性と、日本ではなかなか難しい領域を超えた融合が表現として実現していることを再確認、できた。また、世界で唯一の食育のミュージアムであるアリマンタリウムは、ネスレの企業ミュージアムであるが、その来館者への食の学習プログラムや食育歴史の展示コミュニケーションレベルの高さは、日本の科学館が学ぶべきところがある。世紀を通じて後世につなげる文化を創りだしていることがこのミュージアムのスタッフから窺えた。3月のパリのミュージアム取材では、やはり歴史と文化の継承として、また人間の好奇心の触発媒体としてミュージアムがあらゆる人間教育に貢献していることを確認した。ミュージアムに限らず、デロールという標本店が170年間もパリのど真中で標本屋として継続できるということは、パリの浸透した芸術と文化の融合結果である。研究の実績効果は、大学の総合講座サイエンスコミュニケーションや理論講座の中で紹介し、また、積極的に外部のサイエンスコミュニケーションのイベントや科学技術振興機構(JST)主催のサイエンスアゴラ2008企画実行委員、科学技術の智プロジェクト広報委員、ナイスステップな研究者たちのプレゼンテーション、科学誌によるミュージアム取材の定期的継続掲載等で成果を還元している。サイエンスアゴラ2009では企画委員長・主査を担当する。
ボリルアニオンを基軸としたホウ素-前周期金属結合の創成と新規重合触媒としての応用

最近までに申請者はボリルチタン錯体およびボリルハフニウム錯体の合成に成功していた。本年度はDFT計算を行うことで、得られた前周期ボリル金属錯体のホウ素-金属結合の性質を明らかにした。置換基を簡略化したモデル化合物を用いて、B3LYP//LANL2DZ(f)/cc-pvdzにより構造最適化を行うことで、X線結晶構造解析によって得られた構造と同様の構造が得られた。TiおよびHf錯体それぞれにおいて、HOMOはボリル配位子の5員環の・軌道に対応しており、HOMO-1はホウ素-金属結合に対応していた。また、NBO解析によってホウ素-金属結合の共有結合性が明らかとなり、これまでに我々が合成したボリルアニオン類とは本質的に異なる結合を有することがわかった。こりらの4族金属ボリル錯体のうち、ボリルハフニウム錯体をPh3CB(C6F5)4と共に用にると、エチレンや1-ヘキセンの重合反応が進行することもわかった。エチレンの重合反応では、反応温度80°C、エチレン圧0.8MPaにおいて最も高い重合活性(110[kgPE/molHfh])を示し、室温下エチレン圧2.5MPaにおいては分子量66,000のポリエチレンを得た。この活性は類似のCp*Hf型の重合触媒と同等である。得られたポリエチレンは、13C NMRを用いた解析により分岐の少ない直線的な構造であることがわかった。1-ヘキセンの重合反応では、室温下で類似のCp*Hf型の触媒と比較してやや高活性を示した(21[kgPHEX/molHfh])。得られたポリヘキセンは、13C NMRにおける5連子の解析によりアタクチックポリマーであることがわかった。これらの研究成果はいずれも、これまでに存在し得なかった4族ボリル金属錯体の構造や性質に対して重要な知見を与える。最近までに申請者は二つの前周期ボリル金属錯体の合成に成功している。ボリルリチウムとTi(OiPr)4を混合することによってボリルチタン錯体を得ることに成功した。ホウ素-チタン原子間距離は2.258(2)Aであり、それぞれの原子の共有結合半径の和よりも大きくなっていることから、これまでのボリルアニオン等価体におけるボリルリチウムやボリルマグネシウムと傾向が似ていることがわかった。これはホウ素-チタン結合が大きく分極しているためであると考えており、現在計算化学的アプローチによる結合の性質の解明を検討中である。またチタン-酸素原子間距離は平均で1.758Aと短く、これらの原子間でのpπ-dπ相互作用の存在を示唆している。また、ボリルリチウムとCp^*HfCl3の反応を行った後、そのままPhCH2Kと反応させることで、アルキル置換4族ボリルハフニウム錯体を得ることにも成功した。X線結晶構造解析によるとホウ素-ハフニウム原子間距離は2.497(4)Aであり、ボリルチタン錯体と同様に共有結合半径の和よりも長くなっていたが、ハフニウム周りの結合角およびハフニウム-炭素原子間距離は対応するCp^*Hf(CH2Ph)3錯体と同様であり、ホウ素配位子の立体障害はハフニウム原子周りの構造に対して大きな影響を与えていないことも明らかになった。これらの4族金属ボリル錯体のうち、ボリルハフニウム錯体をPh3CB(C6F5)4と共に用いると、エチレンや1-ヘキセンの重合反応が進行することもわかった。
造血幹細胞老化の新規分子基盤解明とその制御

本年度においては、昨年度に引き続き造血幹細胞におけるANGPTL2-PirBシグナルの意義について検討を行った。レトロウイルスを用いてPirBを過剰発現させた造血幹細胞をSCFおよびトロンボポエチン存在下で72時間培養し、細胞増殖や細胞内シグナルの解析を行った。その結果、コントロールの造血幹細胞に比べ、PirBを過剰発現させた造血幹細胞では、Ki67陽性細胞の割合が増加していることを見出した。さらに、PirBを過剰発現させた造血幹細胞では、コントロールの造血幹細胞に比べてERKの活性化が亢進していることを見出した。ERKの過剰な活性化は造血幹細胞の機能低下につながることが報告されており、PirBはERK活性化を介して造血幹細胞の機能低下をもたらす可能性が示唆された。現在、PirBを過剰発現させた造血幹細胞を用いた競合的骨髄移植実験を実施しており、PirB過剰発現による骨髄再構築能への影響を検討中である。また、我々は、PirBノックアウトマウス由来の造血幹細胞を用いた競合的連続骨髄移植実験を行ったところ、野生型マウスに比べ、PirBノックアウトマウス由来造血幹細胞の骨髄再構築能が高いことを見出した。この結果は、連続移植によって造血幹細胞におけるANGPTL2発現が増加すること、ANGPTL2ノックアウトマウス由来造血幹細胞を用いた競合的連続骨髄移植実験において、Angptl2 KOマウス由来造血幹細胞の骨髄再構築能が高いという以前の研究結果と一致している。以上の結果から、過剰または持続的なANGPTL2-PirBシグナルは、造血幹細胞の機能低下を引き起こす可能性が考えらえた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成29年度においては、8-10週齢のTie2-Angptl2 Tgマウス由来造血幹細胞やAngptl2の受容体として機能することが報告されたPirBのKOマウス由来造血幹細胞を用いた競合的連続骨髄移植実験を実施した。Angptl2 KOマウス由来造血幹細胞を用いた連続移植実験では、野生型マウスに比べKOマウス由来造血幹細胞が高い骨髄再構築能を示したが、PirB KOマウス由来造血幹細胞の骨髄再構築能は野生型マウスと同等であった。これまでの我々の研究からANGPTL2の高発現はROSの産生やp38 MAPK活性化といった造血幹細胞老化を引き起こすシグナル経路活性化することが明らかとなっていたことから、野生型マウスに比べTie2-Angptl2 Tgマウス由来造血幹細胞の骨髄再構築能は低下すると予想されたが、逆に野生型マウスより高い骨髄再構築能を示した。野生型、Angptl2 KO、Tie2-Angptl2 Tg、PirB KO、Tie2-Angptl2Tg; PirB KOマウス由来造血幹細胞を用いて、ex vivoにおける増殖能を評価した。その結果、野生型マウスとAngptl2 KOマウス由来造血幹細胞の増殖能に差を認めなかったが、Tie2-Angptl2 TgとPirB KOマウス由来造血幹細胞の増殖能亢進が認められた。また、Tie2-Angptl2Tg; PirB KOマウス由来造血幹細胞は、Tie2-Angptl2 Tgマウス由来造血幹細胞に比べ部分的に増殖能の低下が認められた。一方、我々はこれまでにα5β1インテグリンがANGPTL2の受容体として機能していることを明らかにしていることから、野生型およびTie2-Angptl2 Tgマウス由来造血幹細胞をα5β1インテグリン中和抗体存在条件で培養したところ、いずれの造血幹細胞も増殖能が抑制されることを見出した。当初の計画通りTie2-Angptl2 TgおよびPirB KOマウス由来造血幹細胞を用いた競合的連続骨髄移植実験を実施し、造血幹細胞におけるPirB欠損はその骨髄再構築能に影響しないこと、ANGPTL2の高発現は想定外にも骨髄再構築能亢進につながることを見出した。さらに、各種遺伝子改変マウス由来造血幹細胞のex vivoにおける増殖能評価から、既報通りANGPTL2が増殖を促進すること、ANGPTL2高発現による増殖促進作用は部分的ではあるがPirBを介していること、α5β1インテグリンシグナルは造血幹細胞の増殖に重要であることが明らかとなった。しかし一方で、PirB KOマウス造血幹細胞も増殖能の亢進が認められたことから、PirBシグナルは造血幹細胞の増殖を負に制御している可能性も十分に考えられた。以上のように、想定外の結果も得られるなど、本研究計画は順調に進展しているものと考えられる。

さらに、PirBを過剰発現させた造血幹細胞では、コントロールの造血幹細胞に比べてERKの活性化が亢進していることを見出した。ERKの過剰な活性化は造血幹細胞の機能低下につながることが報告されており、PirBはERK活性化を介して造血幹細胞の機能低下をもたらす可能性が示唆された。現在、PirBを過剰発現させた造血幹細胞を用いた競合的骨髄移植実験を実施しており、PirB過剰発現による骨髄再構築能への影響を検討中である。また、我々は、PirBノックアウトマウス由来の造血幹細胞を用いた競合的連続骨髄移植実験を行ったところ、野生型マウスに比べ、PirBノックアウトマウス由来造血幹細胞の骨髄再構築能が高いことを見出した。この結果は、連続移植によって造血幹細胞におけるANGPTL2発現が増加すること、ANGPTL2ノックアウトマウス由来造血幹細胞を用いた競合的連続骨髄移植実験において、Angptl2 KOマウス由来造血幹細胞の骨髄再構築能が高いという以前の研究結果と一致している。以上の結果から、過剰または持続的なANGPTL2-PirBシグナルは、造血幹細胞の機能低下を引き起こす可能性が考えらえた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
神経成長因子の合成誘導による脊髄損傷修復に関する研究

神経成長因子(NGF)は神経細胞の分化や神経突起の発芽、伸展の促進、神経機能維持に必須の生体内蛋白性因子である。当初、末梢神経の知覚神経、交感神経にのみ作用すると考えられていたが、この数年の間に脳でも合成され機能していること、これまでNGFに非応答性と考えられていた種々の神経細胞が、損傷を受けると膜上にNGF受容体を発現し、NGFに応答するようになることが明らかになった。脊髄損傷後、NGFに応答性をもつに至った脊髄内神経細胞の周囲の多量のNGFを供給すれば、軸索の発芽、伸展が促進され、脊髄修復に向かうのではないかと期待される。本研究の目的は、カテコーラミンなどの低分子化合物を生体内投与することによって脊髄内のNGF合成を高め、合成誘導されたNGFによって脊髄修復を機能的かつ迅速に進行させるための基礎技術を確立することである。昨年度はラット発生過程における脊髄内NGF量の変動を観察し、NGFは胎生期の脊髄にすでに存在し,生後7日頃にやや高値を示すものの生後10週までほぼ一定値を保っていることを明らかにした。またラット脊髄を横断切断し、脊髄損傷に伴う脊髄内NGF量の変動を観察した結果、断端の頭部側、尾部側において切断後6-8日後に顕著なNGF量の上昇が認められることを明らかにした。本年度は、RT-PCR(reverse transcription-polyme-rase chain raction)法によるNGFmRNA量測定法を確立し、脊髄損傷後、断端両側で顕著なNGF合成の上昇が生じることを明らかにした。また生後10週令の脊髄損傷ラットにホモカテコールを腹腔内投与し、脊髄内のNGF合成に及ぼす影響を検討したところ、断端両側で認められるNGF合成の上昇がさらに促進されること、しかし末梢組識のNGF量には変動が見られないことを明らかにした。以上の結果から、NGFが脊髄損傷の修復過程に生理的役割を担っている可能性、また低分子NGF合成促進化合物が修復促進物質として機能し得る可能性を示すことができた。神経成長因子(NGF)は神経細胞の分化や神経突起の発芽、伸展の促進、神経機能維持に必須の生体内タンパク性因子である。当初、末梢の知覚神経、交感神経にのみ作用すると考えられていたが、この数年の間に、脳でも合成され機能していること、これまでNGFに非応答性と考えられていた種々の神経細胞が、損傷を受けると膜上にNGF受容体を発現し、NGFに応答するようになることが明らかになった。脊髄損傷後、NGF応答性をもつに至った脊髄内神経細胞の周囲に多量のNGFを供給すれば、神経発芽、軸索伸展が促進され、損傷修復に向う好ましい神経再生が期待できよう。本研究の目的は、カテコ-ランミンなどの低分子化合物を生体内投与することによって脊髄内のNGF合成を高め合成誘導されたNGFによって脊髄修復を機能的かつ迅速に進行させるための基礎技術を確立することである。そこで本年度はまず、ラット発生過程における脊髄中NGF量の変化、および脊髄損傷に伴う脊髄中NGF量の変化を観察した。その結果、NGFは胎生期の脊髄にすでに存在し、生後7日頃にやや高値を示すものの生後49日目まではほぼ一定値を保っていることが明らかになった。また、成熟ラットの脊髄を横断切断すると、2日後に断端の頭部側に一過性の弱い上昇が認められた。

このことから、NGFが脊髄内を頭部から尾部へ生理的に輸送されていることが示唆された。切断6ー8日後には著明なNGF量の上昇が、頭部、尾部のいずれにも認められた。このことから、損傷部位周辺では損傷に応答して局所的なNGF合成促進が起こることが示唆された。以上の結果から、NGFが脊髄損傷の修復過程に生理的役割を担っていることが推定され、NGF、さらには低分子NGF合成促進化合物が修復促進物質として機能し得る可能性が示されたといえる。神経成長因子(NGF)は神経細胞の分化や神経突起の発芽、伸展の促進、神経機能維持に必須の生体内蛋白性因子である。当初、末梢神経の知覚神経、交感神経にのみ作用すると考えられていたが、この数年の間に脳でも合成され機能していること、これまでNGFに非応答性と考えられていた種々の神経細胞が、損傷を受けると膜上のNGF受容体を発現し、NGFに応答するようになることが明らかになった。脊髄損傷後、NGFに応答性をもつに至った脊髄内神経細胞の周囲の多量のNGFを供給すれば、軸索の発芽、伸展が促進され、脊髄修復に向かうのではないかと期待される。本研究の目的は、カテコーラミンなどの低分子化合物を生体内投与することによって脊髄内のNGF合成を高め、合成誘導されたNGFによって脊髄修復を機能的かつ迅速に進行させるための基礎技術を確立することである。昨年度はラット発生過程における脊髄内NGF量の変動を観察し、NGFは胎生期の脊髄にすでに存在し、生後7日頃にやや高値を示すものの生後10週までほぼ一定値を保っていることを明らかにした。またラット脊髄を横断切断し、脊髄損傷に伴う脊髄内NGF量の変動を観察した結果、断端の頭部側、尾部側において切断後6-8日後に顕著なNGF量の上昇が認められることを明らかにした。これらの知見をもとに、本年度は、RT-PCR(reverse transcription polymerase chain reaction)法によるNGFmRNA量測定法を確立し、脊髄損傷後、断端両側で顕著なNGF合成の上昇が生じることを明らかにした。また生後10週令の脊髄損傷ラットにホモカテコールを腹腔内投与し、脊髄内のNGF合成に及ぼす影響を検討したところ、断端両側で認められるNGF合成の上昇がさらに促進されることを明らかにした。以上の結果から、NGFが脊髄損傷の修復過程に生理的役割を担っていることが推定され、また低分子NGF合成促進化合物が修復促進物質として機能し得る可能性が示すことができた。
有用物質生産基盤の確立へ向けた糸状菌における二次代謝発現調節メカニズムの解明

本年度は、前年度に引き続きオニトウゲシバ(Lycopodium serratum var. longipetiolatum)より分離した内生糸状菌Paraboeremiasp. Lsl3の紫外線照射変異株作出を進め、最終的に目標であった1056株の変異株作出を完了した。しかし、得られた全ての変異株について代謝物分析を行ったところ、HupAを含むLycopodiumアルカロイドの高生産株取得には至らなかった。一方、Lsl3株の分子遺伝学実験システムの整備に関して、同株の全ゲノム解析を完了した。さらに、前年度最適化したプロトプラスト誘導条件をもとに、ハイグロマイシン耐性遺伝子を導入することで、HygB (100 μg/mL)含有PDA培地において生存するハイグロマイシン耐性株を作出し、Lsl3株の形質転換条件を確立した。また、Lsl3株により生産される12-epi-lycopodineの生物活性について評価を行った結果、同化合物の誘導体である12-epi-lycopodine-N-oxideが、インターロイキン-10により誘導されるヒト単球由来マクロファージのCD163発現に対して抑制効果を示すことを明らかとした。同抑制効果は、P. nummulariifoliusより単離した新規アルカロイド、phlenumdine A、Eおよび既知化合物hupermine Aについても有意に認められた。まず糸状菌の紫外線照射変異株の作出を目標数達成できたものの、目的とする目的化合物高生産株の取得には至らなかった。一方で、今後の研究推進に最も重要なLsl3株のゲノム情報を取得し、分子遺伝学実験の基礎をある程度確立できた点で、HupA生合成メカニズムの解明へ向けてさらに前進できたと言える。今後は、HupAの生合成メカニズムを解明するとともに、Lsl3KI076株の変異箇所を特定することで、目的遺伝子の発現調節機構の解明を進めていく。本研究は、ヒカゲノカズラ科植物由来のアルツハイマー病改善薬候補化合物であるhuperzine A (HupA)生産糸状菌Paraboeremia sp. Lsl3の化合物安定生産株の確立とHupA生合成遺伝子発現メカニズムの解明を目指している。本年度は、オニトウゲシバ(Lycopodium serratum var. longipetiolatum)より分離した内生糸状菌Paraboeremiasp. Lsl3の紫外線照射変異株を作出することでHupAの高生産株の取得を目指した。その第一段階として、211株の変異株を作出することに成功し、すべての株について代謝物分析を行った結果、HupAの高生産株は得られなかったものの、Lsl3KI076株において、HupAおよびlycopodineに加えてさらに1種の新規リコポジウムアルカロイド(1)を生産することを見出した。1は、極微量でありNMRによる構造解析手法を適用することが困難であった。そこで、9種のヒカゲノカズラ科植物より同化合物を生産するPhlegmariurus nummulariifoliusをLCMS分析により見出し、植物体より目的化合物の単離構造決定を行った。その結果、1は12-epi-lycopodineであることが明らかとなった。申請者は、さらに紫外線照射株の取得を継続しており、現在500株の変異株作出に成功している。またこれと並行して、Paraboeremia sp. Lsl3株の分子遺伝学実験システムの整備を進めている。同菌株は分生子を形成しない特徴をもっているため、形質転換実験に必要なプロトプラストの誘導が困難であったが、条件検討の結果、細胞壁溶解酵素としてyatalaseを使用することで比較的効率的にプロトプラストを誘導できることを見出した。またP. nummulariifoliusより8種の新規アルカロイドを単離し、その構造をNMR等の分光学的解析および誘導化により決定した。まず計画通り糸状菌の紫外線照射変異株を順調に作出できた。目的化合物の高生産株の取得には至っていないが、検出限界以下に落ち込んだ目的化合物の生産性を回復することに成功したことは、保有する菌株が間違いなく目的化合物の生合成遺伝子をゲノム上に保持していることを示唆するものであり非常に重要な結果であると考えている。さらに新規アルカロイドの発見に成功し、計画当初は予想していなかった興味深い知見も得ることができた。

同抑制効果は、P. nummulariifoliusより単離した新規アルカロイド、phlenumdine A、Eおよび既知化合物hupermine Aについても有意に認められた。まず糸状菌の紫外線照射変異株の作出を目標数達成できたものの、目的とする目的化合物高生産株の取得には至らなかった。一方で、今後の研究推進に最も重要なLsl3株のゲノム情報を取得し、分子遺伝学実験の基礎をある程度確立できた点で、HupA生合成メカニズムの解明へ向けてさらに前進できたと言える。今後は、引き続き変異株の取得を進め、代謝物分析を行うことで目的化合物の高生産株の選抜を目指す。またLsl3株のゲノム解析を進め、目的生合成遺伝子の探索および目的遺伝子の発現調節に関与する遺伝子の探索を進めていく。今後は、HupAの生合成メカニズムを解明するとともに、Lsl3KI076株の変異箇所を特定することで、目的遺伝子の発現調節機構の解明を進めていく。次年度に計画されているゲノム解析費用補填のため。本年度使用予定であった変異株のゲノム解析費用分の差額が発生した。差額分は次年度の解析で使用する計画である。
リモ-トセンシングによる大気・海洋相互作用の研究

本研究は衛星デ-タを利用し大気海洋間の熱・運動量・淡水等のフラックスの推定、海洋過程、大気過程の研究の分けられ、本年度は以下のような成果を得た。1.フラックスの推定:NOAA AVHRRを用い海面水温を求め、さらにInverse method法を使用し、水平熱移流を求める事に成功した。(杉森)田辺湾における海洋観測塔において、一年間の連続観測を行い、放射率が0.984また平均湿度が87パ-セントである事が分かり、この結果と等圧線の分布から推定した風速を用い気温を推定するアルゴリズムを開発した。(今里)NOAAーAVHRRを用い、海面水温の推定を行った。また、気象庁海洋気象ロボットブイデ-タと比較し、推面水温の推定を行った。また、気象庁海洋気象ロボットブイデ-タと比較し、推定式を求めた。(川村)2.海洋過程:Geosat高度計により、全球上を2^゚+2^゚ボックスで17日平均した分布図を作成した。冬季の低気圧の通過する日本の東方で波が高く、日本海では北西季節風による風波の発達を反映し、大陸側から日本に向かって波高が大きくなっている事を確認した。(川村)多チャンネル分光放射照度デ-タより消散係数スペクトルを求め、クラスタ-解析よりこれがクロロフィル色素及び溶存物質に関係している事を確認した。(千賀)3.気象過程:将来型NOAA AVHRR放射計により雲情報を推定する方法を検討した。放射輝度の極値の解析から2D氷晶雲の情報が分かり、1.61μm帯を含む多波長の情報から氷晶雲と水雲の識別が可能になることが分かった。(高島)八丈島など4島の日射量の観測から、上層、中層、下層雲に対する透過係数を求め、日射量をGMSヒストグラム・デ-タを用い見積もる経験式を求めた。その結果は、雲量のみにより推定を行うリ-ドの経験式より実測値に近い推定値が得られた。(木村)Nimbus7に登載されたSMMRデ-タを用い赤道域の水蒸気量の時系列解析を行った。約30日周期の季節内変動現象を検出した。そして、日付変更線近くにピ-クを持ちやや西に伝わる事が分かった。(和方)本研究は衛星デ-タを利用し大気海洋間の熱・運動量・淡水等のフラックスの推定、海洋過程、大気過程の研究の分けられ、本年度は以下のような成果を得た。(和方)
データ収集ミドルウエアのためのデータベースの研究開発

本研究構想は、従来のデータ収集システムにはなく、OS、言語、通信プロトコルに依存しない、新しいデータ収集モデルを研究し、新しいシステム構成法の確立を目指すものである。本研究では、データ収集用データベースの研究開発を行った。その中で、特にデータ収集システムを構成するために必要なデータベース、コンフィギュレーション・データベースおよび分散データベースの研究開発を行った。データ収集プロセスのそれぞれの役割に沿って決められるパラメータが数多く必要とされる。例えば、パイプラインCAMACコントローラ(商品名、CC/NET)の例で言うと、必要なCAMAC命令などをデータベース化しておくと実験毎にプログラムを変更することなくデータベースの変更で済んでしまうというメリットがある。このコンフィグレーションパラメータを記述するためXMLを用いる。XMLはWEB技術の情報記述のキーテクノロジーである。すべてのパラメータをXML仕様で記述することで汎用化をはかった。それはまた、WEBへの表示、WEBからの入力などを容易に行うことが出来、WEBとの親和性が高まった。また、各DAQプロセスに動的に生成されるデータベースをいかに共有のデータベースとして管理・活用するかという課題に取り組んだ。WEBサービスのフレームワークであるApacheサーバを用いて、例えば、DAQのログ情報のサービスを実装することで、WEBブラウザなどでこのサービスを利用するという形で、DAQのステータス情報が利用可能となった。これにより、DAQのさまざまの分散されたデータが一元的に管理できることがわかった。本研究は、データ収集用データベースの研究開発を行う。例えば、パイプラインCAMACコントローラ(商品名、CC/NET)の例で言うと、必要なCAMへC命令などをデータベース化しておくと実験毎にプログラムを変更することなくデータベースの変更で済んでしまうというメリットがある。すべてのパラメータをXML仕様で記述することで汎用化をはかる。それはまた、WEBへの表示、WEBからの入力などを容易に行うことが出来、WEBとの親和性が高まる。コンフィグレーションデータベースを研究開発するにあたり、SQLデータベースの1つであるMySQLと汎用データベース記述言語であるXMLを使用した。データベースに記述されたXMLで書かれた文書からXMLのデータモデルの1つであるDOMに基づき、XMLパーサーの1つであるXERCESを利用し、各データ収集(DAQ)プロセスにパラメータを読み込むためのプログラムを開発した。その中で本研究は、Extensible Markup Language(XML)はWEB技術の情報記述のキーテクノロジーである。すべてのパラメータをXML仕様で記述することで汎用化をはかることができる。データベースなど情報記述の基本をXMLにし、DAQオペレーション、情報表示などをWEBでおこなうようにすることができれば、データ収集ソフトウエアの汎用化が促進される。平成19年度は各DAQプロセスに動的に生成されるデータベースをいかに共有のデータベースとして管理・活用するかという課題に取り組んだ。プロセスに分散したデータベースを管理する方法には、集中管理と分散管理があるが、分散管理にはさまざまな方法がある。Java言語を用いたJXTAはP2P技術の1つであり注目されているが、昨年度のXMLワークフローの開発研究の中で、Webサービスによるデータおよび処理の分散管理の方法がより優れていることがわかったので、Webサービスによるデータ分散管理の方法について開発研究を行った。具体的にはWEBサービスのフレームワークであるApacheAxisを用いWEBサービスの設計・実装を行った。WEBサービスを実装した計算機においては、サービスをモジュール化して管理する。サービス利用者であるDAQユーザはそのサービスを利用するためWEB技術でこれを利用する。

例えば、DAQのログ情報のサービスを実装することで、WEBブラウザなどでこのサービスを利用するという形で、DAQのステータス情報がが利用可能となる。これにより、DAQのさまざまの分散されたデータが一元的に管理できることがわかった。
次世代型バイオマテリアルを用いた新しい血管外科支援システムの基礎研究

(1)次世代型バイオマテリアルを用いた新しい治療的血管新生療法マテリアルとしては、酸性ゼラチンハイドロゲルマイクロスフィアー(AGHM)と高分子ミセル型ナノ・パーティクル(NP)の二つの使用を予定していた。AGHMでは、これにbFGFタンパクを結合させたものをウサギ虚血肢モデルにおいて動脈内投与した所、極めて良好な虚血状態の改善を得ることができ、これは筋肉注射で投与した場合の結果をも有意に上回るものであった。NPでは、マーカー遺伝子を組み込んだ発現プラスミドを内包させて筋肉注射し、遺伝子導入効率を検討したが、期待された導入効率を得ることができなかった。さらに細胞への接着能を高めた機能化NPとしてRGDペプチドや環状に配列したRGDペプチド、artery wall binding Peptide(AWBP)を表面に付加したNPを創製し、同様の遺伝子導入実験を試みたが、やはり良好な導入効率は得られなかった。そのため、H17年度ではReverse transfection機転を応用したNPによる遺伝子導入法の確立に着手し期待できる結果を得たが、実用化に必要なコーティング技術に発展させるには至らなかった。(2)次世代型バイオマテリアルを用いた内膜肥厚抑制療法リガンドなしのNPに加え、RGDペプチドや環状RGDペプチド、AWBPなどのリガンドを表面に付加したNPを用いて、内膜肥厚を誘導したウサギ頚動脈に対し遺伝子導入実験を施行したが、いずれも対照と比較して有意な遺伝子導入効率の上昇は認められなかった。そのため、細胞内に取り込まれたミセルの細胞質内への移動性能を高めた新世代の高分子ナノミセル(PEG-DET)を用いて同様の研究を行ったところ、ポリエチレンイミン(現状で最も導入効率が高い非ウイルス遺伝子導入基材)と比較して細胞毒性が格段に低く且つ同等の導入効率が得られることが明らかになった。1.次世代型バイオマテリアルを用いた新しい治療的血管新生療法研究計画では、次世代バイオマテリアルとして、酸性ゼラチンハイドロゲルマイクロスフィアー(AGHM)と高分子ミセル型ナノ・パーティクル(NP)の二つの使用を予定していた。前者のAGHMでは、このマテリアルにbFGFタンパクを含ませたものを、ウサギ虚血肢モデルにおいて動脈内投与した所、極めて良好な虚血状態に対する治療効果をえることができた。この効果は、同量のbFGF含有AGHMを治療対象となる虚血肢にたいして筋肉注射で投与した結果と比べても有意に優れていることが明らかになった。そのためこの研究成果を論文投稿すると同時に、臨床試験を施行すべく現在さらなる基礎データを収集中である。一方、後者のNPにおいては、シグナル配列付bFGF遺伝子を発現プラスミドベクターに組み込んだものを入れて筋肉注射し、遺伝子導入効率を検討した。しかし、ウサギ虚血肢モデルの虚血肢及び、心臓において検討したが、対照として用いたプラスミドベクターのみによる遺伝子導入と比較しても明らかに優れた遺伝子導入を得ることはできなかった。現在、既存のNPの表面にリガンドを付加することにより効率を改善できないか研究中である。2.次世代型バイオマテリアルを用いた内膜肥厚抑制療法NPによる血管壁細胞への遺伝子導入法の確立を目標として、マーカー遺伝子(LacZ遺伝子とルシフェラーゼ遺伝子)を用いて、NPによるウサギ血管壁への遺伝子導入効率を検討した。ウサギ頚動脈にバルーン障害により内膜肥厚巣を誘導し血流遮断の後、同部にマーカー遺伝子含有NPを充填し20分間のインキュベーションの後血流を再開させた。この操作の2-7日後に、標本を採取し遺伝子導入の程度を評価したが、いずれも対照と比較して有意な遺伝子導入効率の上昇は認められなかった。これに関しても、上記同様NP表面にリガンドを付加して再度評価する予定である。本年度は、高分子ミセル型ナノパーティクル(NP)による遺伝子導入技法を用いたプロトコルにしぼって以下の研究を行った。治療的血管新生を目的とした機能化

NP筋注による遺伝子導入法の開発細胞への接着能を高めた機能化NPとしてRGDペプチドを付加したNP(NP-RGD)と、環状に配列したRGDペプチドを付加したNP(NP-環状RGD)の2種類を創製した。まずルシフェラーゼ遺伝子をパッキングして各種の培養細胞に作用させた所、NP-RGDではリガンのなしのNP(コントロール)より有意に高い導入効率を示し、NP-環状RGDではさらに高い導入効率を示した。そのため、これらの機能化NPを用いてラットの心筋に対する遺伝子導入効率を検討したが、注射後3日、5日、7日に行った評価では、リガンドなしのNP、NP-RGD、NP-環状RGDの間に有意差は認められず、絶対的な導入量も実用レベルに達していないと判断された。当初は、この実験に引き続き、ラビット虚血肢モデルを用いて血管新生療法の研究を予定していたが、この結果をうけ研究の継続を断念した。機能化NPによる血管内膜肥厚巣に対する遺伝子導入法の確立血管壁に特異的に接着することが知られているarterywall binding peptideをNP表面に付加することに成功した。培養血管平滑筋細胞を用いたin vitro実験において良好な遺伝子導入効率が得られたため、ウサギ頸動脈に作成した内膜肥厚巣への導入実験を施行した。しかし、やはり実用レベルのin vivo遺伝子導入効率を得られず、当初予定していたTRAF6のDominant negative体などの導入実験に進むことはできなかった。本年度の研究目標は、(1)Reverse transfection機転を応用した高分子ミセル型ナノパーティクル(NP)による遺伝子導入法の確立と(2)NPによる血管内膜肥厚巣に対する遺伝子導入法の確立の2点であった。(1)においては、マーカー遺伝子を組み込んだ発現プラスミドを内包するNPを作成し、これをコラーゲンゲル内に混合して固定化した。そして、このゲルの表面に各種の細胞を播種・培養して、経時的にその細胞におけるマーカー遺伝子の発現を計測した。結果としては、マーカー遺伝子の発現は細胞播種後数日から2週間以上(ゲル上で培養はこれ以上不可能であった)にわたり認められ、reverse transfectionによる遺伝子導入法の有効性が示された。計画ではこの技術をNPのコーティング技術に発展させる予定であったが、コーティングのためにはある程度の乾燥条件でもNPの形状が保たれている必要があり、それに必要なNP内部への架橋の導入に関する条件設定に時間を要したため、コーティング技術の完成には至ることができなかった。(2)に関しては、上記の通りNPのコーティング技術が完成できなかったため、その代わりの機能化NPを用いて検討を行った。それは、細胞内に取り込まれたミセルの細胞質内への移動性能を高めた新世代の高分子ナノミセル(PEG-DET)である。
心筋の分化、成長過程における細胞内カルシウム調節機構とその異常

1)心不全発症遺伝子改変マウスに関する研究:PDK1 KOマウス心筋の機能解析:PDKlはホスホイノシトイド3-リン酸の重要なエフェクターであるリン酸化酵素であるが、この酵素を欠損する遺伝子改変マウスは出生後5-6週で心不全を発症し死亡する。PDK1 KOマウス全心臓を用いて、心不全の病態に密接に関連するβ受容体の刺激応答性について検討したところ、β受容体刺激薬のイソプロテレノール(ISO)による陽性変力作用がみられなかった。アデニレートシクラーゼを活性化するホルスコリンによっても陽性変力作用はみられず、各種プロテインフォスファターゼ(PP)のうち、心筋L型Ca^<2+>チャネル(CACNA1C)の脱リン酸化を抑制するとされるPP2A阻害剤のCalyculin A存在下でのみISOによる陽性変力作用がみられた。従って、PDK1 KOマウスではCa^<2+>チャネルのリン酸化が強く抑制されている可能性が示唆された。2)2次性副甲状腺機能亢進症(SHPTH)患者の副甲状腺細胞に発現するCACNAICに関する研究:長期透析患者でSHPTHを発症する者は高頻度に心肥大や心不全を発症する。高PTH値を呈する透析患者を対象に遺伝子統計解析を適用した結果、CACNAICが関連遺伝子として示唆された。そこで、我々はSHPTH患者より得られた培養副甲状腺細胞に、免疫染色、細胞内Ca^<2+>測定、および電気生理学的測定を適用し、CACNAICがCa^<2+>流入経路として機能し得ることを証明した。3)Ca^<2+>増幅効率に関する研究:Ca2+低親和性蛍光色素であるFluo-5Nをウサギの単一心室筋細胞に負荷したところ、筋小胞体Ca^<2+>放出に伴う蛍光強度の減少が確認された。4)筋原線維の水の束縛力に関する研究:筋原線維懸濁液の水プロトンNMR信号の緩和時定数の解析により、筋原線維は、静電作用で考えられる距離の1000倍ほど遠くの水まで束縛し、線維の周りに厚い水和層を形成していることが示唆された。不全心筋では長さ依存性張力発生(筋長効果またはフランクスターリング効果)が減弱することが知られている。本年は、筋長効果減弱の原因蛋白質を同定しその分子機構を明らかにするための第1歩として、太いフィラメントをZ線に連結し静止張力を担うコネクチン(タイチン)に注目し、正常心筋の筋長効果におけるコネクチンの役割について検討した。ラット右室乳頭筋をTriton X-100にて除膜処理したスキンド標本を低濃度のトリプシンで処理すると、コネクチンが選択的に分解され、サルコメア長(SL)2.0-2.4μmにおいて静止張力が低下した。トリプシン処理により、他の収縮蛋白系には影響がないことをSDS-PAGEにより確認した。トリプシン処理を行っても、筋の直径は変化せず、伸展に対して体積一定の関係が保持された。よって、筋の伸展に伴う格子間隔(太いフィラメントと細いフィラメントの間隔)の縮小は、トリプシン処理の影響を受けないことが示された。カルシウム活性化張力はSLがスラック長(1.9μm)ではトリプシン処理の影響を受けなかったが、SLが2.0-2.4μmでは顕著に低下し、長さ-張力関係の傾きが低下した。トリプシン処理標本において、短時間の収縮では、サルコメア構造に変化は観察されず、長さ-張力関係の低下はサルコメア構造の乱れによるものではないと考えられた。一方、高分子デキストランを加えると、浸透圧圧縮によって格子間隔が縮小し活性張力が上昇したが(SLは1.9μm)、トリプシン処理はこれに対し影響を与えず、クロスプリッジに対する直接的効果が無いことが示された。以上の結果から、筋長効果の約50%はコネクチンを介して発現していると推察される(残りの50%は伸展による格子間隔の縮小による)。コネクチンが伸展されることにより太いフィラメントに構造変化が起こり、その結果としてクロスプリッジの形成が促進されるのであろう。今後は肥大心や不全心筋におけるコネクチンの量的、質的変化について検討する予定である。一方、遺伝子修飾したCa放出チャネル(リアノジン受容体)の細胞内発現分布を調べるための基礎実験として、N末にGFPを融合させたリアノジン受容体を培養筋細胞に発現させたが、その機能に異常がないことから、N末へのGFP融合は発現マーカーとして有用であることが示された。来年度より、心筋分化における細胞内シグナル(カルシウムを含む)の役割について詳細に検討する予定。心筋収縮調節機構には内因性調節と外因性調節が知られている。心筋虚血初期にみられる細胞内プロトン(H^+)および無機リン酸(Pi)濃度の増加は、収縮力を減弱させることが知られているが、正常心筋でみられる内因性調節としての筋の伸展による張力増強効果(フランク・スターリング効果)がH^+またはPiなどの外因性因子により如何なる影響を受けるかをスキンド標本を用いて検討した。スキンド標本は、ラット右室乳頭筋より肉柱(長さ:約2mm、直径:約100μm)を摘出し、弛緩液中にてTriton X-100を用いて除膜処理を行うことで作成した。標本の一端は張力トランスデューサーに、他端はマイクロマニピュレーターに連結した。

筋節長(SL)はレーザー光回折にて測定し、1.9μmまたは2.3μmにて等尺性収縮張力を測定した。各SLにてCa-張力関係に及ぼすH^+およびPiの効果を調べた。実験は20°Cで行った。pHを7.0から6.2まで低下またはPi濃度を0から20mMまで増加させると、最大活性張力は低下し、Ca-張力関係は右方へ移動した(Ca感受性の低下)。SLを1.9μmから2.3μmに伸展すると最大活性張力は増加し、Ca-張力関係は左方へ移動した(Ca感受性の増加)。その程度はpHの値が低い程また、Pi濃度が高い程、大きかった。筋長効果の主要因と考えられている格子間隔(太いフィラメントと細いフィラメントの間隔)の縮小を引き起こす目的でSL=1.9μmにて高分子デキストラン(Dextran T-500;6%w/v)により浸透圧圧縮を行うことにより、筋節長を2.3μmに伸展した時と同程度の張力増強効果が得られた。この際、Ca感受性は増加し、その程度はpH7.0かつPi非存在下の時と比べて、pH=6.2や20mM Pi存在下で大きかった。以上の結果から、心筋が虚血または低酸素にさらされ、H^+やPiの濃度の増加により活性クロスブリッジ数が減少している条件下では、筋の伸展によるクロスブリッジ数増加(格子間隔の縮小に一部起因する)よる張力増強効果(フランクスターリング効果)が増強することが示唆される。心筋の分化、成長過程におけるCa^<2+>調節機構の解析:市販のP19CL6細胞を用いて、DMSO添加による心筋細胞への分化誘導をいく度も試みたが、市販の細胞株は心筋細胞へ分化しないことが判明した。そこで、平成14年秋より心筋細胞へ分化可能なP19CL6細胞株を小室班より入手し、共同でこのプロジェクトを遂行中である。特に分化誘導における容量性Ca^<2+>流入とDMSOの役割について焦点を当てて検討している。Ca^<2+>増幅効率の解析:筋小胞体(SR)のCa^<2+>放出量はSR内Ca^<2+>濃度に依存するので、Ca^<2+>増幅高率を適切に評価するためにはSR内Ca^<2+>濃度の測定が必須である。SR内Ca^<2+>濃度は細胞質と比べて一万倍も高いので、Ca^<2+>親和性の低い蛍光色素を蛍光活性を持たないアセトキシメチルエステル誘導体としてラットの単一心筋細胞内に導入することで、SR内からの蛍光だけを検出することが可能となりつつある。現在、心筋のSR内Ca^<2+>濃度測定に最適なプローブを探索中である。また、SR内Ca^<2+>濃度と細胞質Ca^<2+>濃度、さらに収縮が同時計測できる光学システムが完成したので、細胞質Ca^<2+>濃度の増加の原因を明確に判定することができるようになる。エクオリンを用いたSR内Ca^<2+>測定用プローブも他のグループと共同で開発を進めている。なお、マウスの遺伝子型を同定するためのPCRシステムも確立し、細胞表層膜とSRを架橋する蛋白の同定に必要なプライマーの合成も完了した。大学の新研究棟の動物実験施設での遺伝子改変マウスの飼育も可能となった。心筋の熱測定:ATP非存在下にアクチンフィラメントとミオシンフィラメントが強力に結合している状態の筋原線維にATPを加えると、まず5ms以内に吸熱反応が起こり、その後ATPの加水分解と構造変化で説明できる発熱反応が観察された。
３Ｄモデルとタブレットおよび紙媒体を効果的に併用した数学教材の開発とその評価

高専や大学初年級の数学教育においては空間図形の理解が必要である。現在では、3Dプリンタによる立体モデル教材やタブレット上で扱う図形教材など様々なスタイルで提示されるようになってきた。本研究においては、教員がこれらの教材を容易に作成できるようにするため、教材作成支援システムの整備を進めるとともに、実際に作成した立体モデル教材やタブレット教材およびプリント教材を併用して設計した授業を通して、それらの教材の教育効果を確認した。高専および大学初年級の数学教育における図形を用いた教材の作成を容易にするため、教材作成支援ツールであるKeTCindyの整備を進めている。平成27年度においては、MaximaやRisa/Asir、Fricasなどの数式処理システムを用いて計算させ、そのデータを読み込む手法を取り入れた。特に空間図形については複雑な数式を扱うことも多く、この有効性は非常に大きい。空間における曲面に関する教材は、紙媒体の配付教材に加えて、プロジェクターでの提示やタブレット上で学生が扱うことができるものもある。たとえば,Meshlab等の3Dビューワーを用いると曲面を画面上で回転させて表示できる。最新版のKeTCindyでは、そのスクリプト画面にコマンドを入力し実行するだけで、上記の数式処理システムによる計算からMeshlabの起動、さらには図形の表示に至るまでの操作がすべて完了する。これにより、教材をどのように併用するのが効果的か等、授業を計画する際の手法について、質的な改善が期待できる。3Dビューワーのための図形のデータは、ファイル形式を変換することにより3Dプリンターで立体モデルを作成するために用いることもできる。学生が実際に手に取って図形を扱うことによる教育効果は大きく、上記の併用教材の1つに加えることが可能となっている。27年度においては、3Dプリンターで作成される教材に必要となる大きさや厚みなどの条件について調査を始めている。現在までに普及してきている3Dプリンターについては性能や材料も様々であるが、本研究では、レジンを材料とする光造形方式の3Dプリンターを使用している。教材作成支援ツールであるKeTpicについては、KeTCindyによって当初の予想以上の進展を見せている。また、これにより3Dモデル教材の作成も容易となっている。実際にこれらの成果を用いて効果的な教材の検討を進めており、以上の内容については研究実施計画に沿った形となっている。教材の教育効果の確認としては、クラス単位の実験授業には至っておらず、少人数の学生に対する提示にとどまっている。効果的な教材の検討とあわせて、28年度以降に引き続き実施していく予定である。高専および大学初年級の数学教育における図形を用いた教材については、最近では、紙媒体の配付教材に加え、スライドやタブレット、立体モデル等、様々な形で学生に提示できるようになってきた。我々が整備を進めている教材作成支援ツールKeTCindyを用いることにより、これらの様々な形の教材のためのデータを容易に作成することができる。平成28年度においても、研究打ち合わせを重ねながら整備を進め、特に最新版のKeTCindyには、図形教材のアニメーション表示を含むpdf形式のスライド作成機能を充実させた。このスライドを中心に置き、紙媒体教材、タブレット、立体モデルを併用する授業を設計して、実験授業を実施した。授業のテーマは、極座標変換を用いた重積分の計算で、対象としたのは大学1年生である。タブレット教材や立体モデル教材は、空間図形の「形状」の把握に関しては、いうまでもなく効果は大きいが、それらだけでは数学的な情報を理解することは難しい。これらを踏まえ、紙媒体教材、スライド、タブレット、立体モデルを併用することによる教育効果を検証したところ、タブレットや立体モデルは、空間図形の形状の理解だけにとどまらず、極座標変換を用いた重積分の公式という数学的な内容の理解の助けとしても有効であるという傾向が見られた。学生は、タブレット上で図形を扱い、立体モデルを手にしながら、数学的な情報とともにスライド上でアニメーション機能を用いて提示される同じ図形を目にすることになる。極座標変換による重積分の公式がどのように導かれるのか、その積分の値がどの立体の体積を表すのか等の内容につながりができ、それらの理解の助けになると考えられる。KeTCindyの整備が進み、数学教材の作成を容易にするという目的については、予想以上の進展を見せている。教材の検討、授業設計および実験授業による教育効果の確認も行われ、おおむね順調であると考えられる。さらにいくつかのテーマについて、授業設計、実験授業を行い、検証を進めていく予定である。高専および大学初年級の数学教育においては、2変数関数のグラフとなる曲面等の空間図形の理解が必要不可欠である。現在では、プリント、スライド、タブレット、立体モデル等、様々なスタイルの図形教材が使用されているが、我々が整備を進める教材作成支援ツールKeTCindyを用いると、これら全ての教材の図形データを作成することができる。立体モデルやタブレット上の図形は、その形状に関する理解には効果的であるが、数学的な情報を併せ持つとは言えない。そのため我々は、これらにプリントやスライド教材を併用した授業を設計し、その効果を検証した。平成27年度には、KeTCindyの整備を進め、MaximaやRisa/Asir、Fricasなどの数式処理システムを用いて計算させて、そのデータを読み込む手法を取り入れた。空間図形では複雑な数式を扱うことも多く、この有効性は非常に大きい。また、教育的に有効である図形教材を検討し、原点において連続ではない2変数関数のグラフや、偏微分可能であるが全微分可能ではない2変数関数のグラフ等、いくつかの教材を作成した。