hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
低温プラズマプロセスの培養液の殺菌や植物の生長促進など農業分野への適用研究

本研究では,これらの要素に変化がなかったことから,遺伝子情報などの比較は行っていない。本研究の結果から,プラズマ照射が生育には悪影響を及ぼさず,水耕栽培での培養液の殺菌技術として,非熱平衡プラズマが適用できることを示した。植物工場における水耕栽培での培養液の殺菌技術への非熱平衡プラズマの応用を目指した。ホウレンソウの水耕栽培で発生して多大な被害を及ぼすフザリウム菌をモデルとし,培養液へのプラズマ照射の殺菌効果を検証した結果,プラズマ特有の活性種によって効果的に殺菌できることを解明した。また,アルゴンガスを用いたプラズマの照射によって,培養液の特性に影響せず,さらに,レタスを用いた野菜の生育にも悪影響しないことを確認した。研究項目1)プラズマ照射した水耕栽培培養液における殺菌効果の評価については,初年度には,オゾンを生成しないアルゴンプラズマによる液中照射により,培養液中のフザリウム菌胞子を殺菌できることを明らかにした。26年度には,プラズマ以外の物理化学的要因についてフザリウム菌の殺菌効果を調べ,それらが大きな寄与を果たしていないことが分かった。これらの成果により,フザリウム菌の殺菌には,プラズマ特有のOHラジカルなどの活性種が作用していることを明らかにした。これら殺菌効果の検証については,目標をほぼ達成した。今度,OHラジカルの定量的な評価などを行っていく。研究項目2)プラズマ照射装置の製作については,植物工場で容易に液中プラズマを発生するための,持ち運びが容易で,安価かつ小型なパルス電源の設計と製作を行った。IGBTの制御基盤の製作,FPGAのパルス制御のプログラミングなどを行い,様々なガスに対して液中で安定にプラズマを形成できる電源とプラズマ生成用の電極を製作することで,目標を達成した。研究項目3)プラズマ処理した高機能水による野菜苗の生育促進効果の確認については,製作したプラズマ照射装置を植物工場に搬入して液中プラズマを発生し,葉菜類の主品目であるサニーレタスを対象として,育苗期間中にプラズマ処理した機能水を用いて葉面散布させた後,生育状況を調べた。葉面散布では,草丈,葉数,葉面積,色特性などに大きな変化は見られなかったので,今後,底面吸収などの方法で,プラズマ処理した機能水の評価を行っていく。プラズマ工学平成27年度は,計画通り,主に,研究項目3)プラズマ処理した高機能水による野菜苗の生育促進効果の確認,4)野菜における病害抵抗性の向上効果の確認,について研究を進める。3)プラズマ処理した高機能水による野菜苗の生育促進効果の確認葉菜類の主品目であるレタス、コマツナおよび果菜類の主品目であるトマト、キュウリを対象にして、育苗期間中にプラズマ処理した機能水の底面吸水を行わせた後、野菜苗をサンプリングし、既報(庄子ら、電力中央研究所研究報告V10032、V10043)に従って生育とポリフェノールなどの機能性成分含量を調べる。この際,植物の生育実験を効率的に推進するため,植物工場のみでなく,大学内にも植物の生育実験を行う装置を導入し,様々な実験条件に対して平行して行っていく。
遺伝子置換による糖鎖改変ニワトリの作製とインフルエンザワクチンの効率的生産

本研究ではCRISPR/Cas9システムを用いたゲノム編集技術により、ニワトリ始原生殖細胞(PGC)の糖転移酵素を改変し、ニワトリ本来のα2,3結合シアル酸からヒト型のα2,6結合シアル酸に置き換え、よりインフルエンザワクチンの生産に適した鶏卵を開発することを目的としている。初年度は、ニワトリPGCにゲノム編集を行うためのプラスミド構築と遺伝子導入法の検討を主に行った。昨年度に作製したプラスミドベクターをニワトリPGCへ導入した。ゲノム編集が成功すると内在性ST3Gal6のプロモーター活性により、レポーターであるeGFP蛍光が観察されるはずだったが、蛍光を持つ細胞は観察されなかった。理由として、エレクトロポレーションによる遺伝子導入効率が低いため、ゲノム編集効率が悪いことやST3Gal6のプロモーター活性が予想以上に低く、eGFPの発現が弱くなってしまった可能性が考えられる。これらの問題を解決するために遺伝子導入効率を上げるためにリポフェクションによる遺伝子導入法を改良し、エレクトロポレーション法と比較して細胞へのダメージを減らし、且つ高効率に導入できる条件を見出した。また、eGFPの発現方法を内部プロモーターから強力な外部プロモーターへ変更し、細胞のセレクション効率の上昇を試みている。さらに一般的にプラスミドでCas9を発現させる方法より効率が良いとされるCas9タンパク質とin vitro transcriptionで合成したguide RNAを用いて、ゲノム編集効率を上昇させる試みも行なっている。当初研究計画のエレクトロポレーションによる遺伝子導入法とベクターコンストラクトでは遺伝子導入効率が低く、ゲノム編集された細胞の分離が困難であったため、リポフェクションによる遺伝子導入法の改良とレポーター遺伝子発現法の見直しを行なった。リポフェクションの条件検討により、遺伝子導入時の細胞へのダメージを減少させ、導入効率を大幅に上昇させることに成功したため、現在新たな条件でニワトリPGCへのゲノム編集を行なっている。申請書の実験計画に基づいて、以下の検討項目課題を行う。・作製したベクターを用いてニワトリPGCの糖転移酵素遺伝子のゲノム編集を行い、PGC株を樹立する。・樹立したPGCの表現型の解析を行い、糖転移酵素改変の確認を行う。・樹立したPGCを移植し、生殖細胞キメラニワトリを作製する。・生殖キメラニワトリを交配して、G1トランスジェニックニワトリを作製する。標的遺伝子に対するguideRNA (gRNA)を数種類設計し、ベクターを構築した。加えて、gRNAを転写するU6プロモーターをヒト由来のものとニワトリ由来のものをクローニングした。ニワトリ培養細胞(DF-1)及びヒト培養細胞(293FT)を用いて、これらのベクターを用いたsingle-strand annealing (SSA)アッセイを行い、より切断効率の高いgRNAとU6プロモーターの組み合わせをを決定することができた。次にニワトリ培養PGCに遺伝子導入を行うため、いくつかの方法で条件検討を行った。その中でエレクトロポレーション法による遺伝子導入が最も導入効率が高く、且つ細胞生存率が高かったためこの方法を採用することとした。現在、これらの条件で実際にニワトリ培養PGCにCRISPR/Cas9ベクターを導入し、糖転移酵素遺伝子がゲノム編集された培養PGC株の樹立を試みている。当初の研究計画どおり、ゲノム編集によるニワトリ始原生殖細胞(PGC)の糖転移酵素遺伝子の改変に必要なベクターの構築、guideRNA (gRNA)の評価を行い、効率の良いコンストラクトを選択できた。また、ニワトリPGCに遺伝子導入する際の条件を検討し、エレクトロポレーション法によりある程度の効率で遺伝子導入が可能であることを確認した。さらに本研究で用いているニワトリ培養PGCから樹立した、eGFP発現PGC株を移植した生殖細胞キメラニワトリからG1トランスジェニックニワトリが高効率で取得できることがわかった。このことから本研究で用いるニワトリ培養PGCは精子への分化が可能である事が確認でき、本研究の目的である糖鎖改変トランスジェニックニワトリの作製の実現性が高まった。

これらの問題を解決するために遺伝子導入効率を上げるためにリポフェクションによる遺伝子導入法を改良し、エレクトロポレーション法と比較して細胞へのダメージを減らし、且つ高効率に導入できる条件を見出した。また、eGFPの発現方法を内部プロモーターから強力な外部プロモーターへ変更し、細胞のセレクション効率の上昇を試みている。さらに一般的にプラスミドでCas9を発現させる方法より効率が良いとされるCas9タンパク質とin vitro transcriptionで合成したguide RNAを用いて、ゲノム編集効率を上昇させる試みも行なっている。当初研究計画のエレクトロポレーションによる遺伝子導入法とベクターコンストラクトでは遺伝子導入効率が低く、ゲノム編集された細胞の分離が困難であったため、リポフェクションによる遺伝子導入法の改良とレポーター遺伝子発現法の見直しを行なった。リポフェクションの条件検討により、遺伝子導入時の細胞へのダメージを減少させ、導入効率を大幅に上昇させることに成功したため、現在新たな条件でニワトリPGCへのゲノム編集を行なっている。申請書の実験計画に基づいて、以下の検討項目課題を行う。・作製したベクターを用いてニワトリPGCの糖転移酵素遺伝子のゲノム編集を行い、PGC株を樹立する。・樹立したPGCの表現型の解析を行い、糖転移酵素改変の確認を行う。・樹立したPGCを移植し、生殖細胞キメラニワトリを作製する。・生殖キメラニワトリを交配して、G1トランスジェニックニワトリを作製する。
In vivo測定用L-バンドESRシステムの開発とその応用

本研究では、動植物のin vivo測定ができるESR装置の開発を進めてきたが、従来にない新しい機能を持つL-バンドESRシステムが完成した。1.電気シールド付ループ・ギャップ共振器内部に電気シールドを施したループ・ギャップ共振器(共振周波数0.71GHz)を試作して、生理食塩水の挿入による共振器の特性を調べた。電気シールドは水分の多い大容量試料の測定を容易にする効果を示した。2.コンピュータオンラインによるシステム化コンピュータをESR装置と接続して、磁場掃引、ESR信号の取り込みと処理、共振周波数の自動制御を試みた。信号の積算処理と平滑化処理では、約10倍の感度の向上がみられた。また、自動制御によりベースラインの変動が少なくなり、良好なスペクトルが得られた。3.生体計測及び材料計測への応用生きているセロリやラットに投与した安定ラジカルの生体内挙動を、invivoで追跡することができた。セロリでは、投与ラジカルの吸い上げ量の経時変化や、葉内での消費過程を観測した。ラットでは、頭部における投与ラジカルの消費過程を観測した、また、本システムは高誘電損失材料の測定にも有効であるので、マンガン乾電池のin situ測定を試み、カソード合剤中のカーボンラジカルが放電反応に関与していることを明らかにした。4.ESRイメージング試料内のラジカルの分布を知るために、ズーグマトグラフィによる2次元ESRイメージングを行った。本システムでは測定感度や動物の呼吸による雑音の問題が残されたが、従来のESR装置では全く不可能であった測定が容易に行える。従って、実用化は十分に可能であると考えられる。1.L-バンドESR装置のコンピュータオンライン化開発を進めて来たL-バンドESR装置のシステム化のために、コンピュータによるオンライン化を検討した。第1は、共振周波数の自動制御化および共振器の電気的整合化である。いずれも基礎的な実験を行ったところ、実用化が可能であることが判り、現在コンピュータ制御を試みている。第2は、コンピュータによるESR信号の積算処理と平滑化処理である。特に積算は、磁場の単掃引を行うだけで、多重掃引と同じ効果が得られるように実行した。その結果、信号対雑音比は約10倍の向上が認められた。しかし、この方法では極めて低周波の雑音成分を取り除くことが出来ないため、ESR装置自体の低雑音化を図る必要がある。2.マルチシールド付ループ・ギャップ型共振器の試作ループ・ギャップ型共振器の内側に、テフロンと銅薄板から成る電気シールドを数枚取り付けたところ、先に報告した1枚シールド付のものよりも、多量の生体試料の插入によるQ値および共振周波数の低下が著るしく改善された。さらに、ギャップの数が2の共振器も試作したが、これまでより約1.5倍の外径の試料の測定が可能になり、大容量試料の測定が容易に行えるようになった。3.生体試料の測定本システムの有用性を確めるために、植物試料のセロリの茎をラジカル水溶液中に浸したとき、セロリがラジカルを吸い上げる挙動をin vivoで調べた。0.1Mという高濃度の溶液を吸わせたが、茎中では1/100以下に希釈されていること、取込まれたラジカルは葉の中で一次反応に従って消費されることなどが判明した。これらは、生体をin vivoで測定して初めて判る結果である。
異種金属多核錯体からの合金ナノ粒子の作製と電極触媒への応用

Ptをベースとした合金はPtとは異なる電子状態や表面構造を持ち、メタノール酸化反応(MOR)や酸素還元反応(ORR)など反応過電圧の大きな電気化学反応に対する電極触媒としての応用が期待されている。しかし一般によく用いられる、複数種の金属塩を化学的、電気化学的に還元させる、という手法では得られた合金に単一金属で構成されるドメインが発生するという問題があり、原子レベルで混合した合金の作製は困難である。我々は、金属間距離および金属組成比が制御されているといった構造的特徴を持つ異種金属多核錯体を原料として注目し、原子レベルで混合した合金、特にPtRu合金ナノ粒子の作製を試みてきた。本年度は錯体の吸着・熱分解サイクルを繰り返すことによってより高効率化を図った。吸着・加熱処理を繰り返すにつれてPt-Ru合金層の直径の増大が観察され、本手法を用いることでPt-Ru合金のサイズを増加させることができた。錯体の吸着・加熱処理を3回行った場合は二次元的なPt-Ru合金のみが得られたが、24回処理を繰り返すと二次元的なPt-Ru合金のみならず、三次元的なPt-Ru合金粒子が見られた。三次元的なPt-Ru合金が修飾されたAu(111)はバルクのPt-Ru合金に近い電気化学的挙動を示し、0.1M HClO_4水溶液中では水素吸着波、0.1M HClO_4および1M CH_3OHを含んだ水溶液中では0.6V付近にMORに特徴的な酸化電流、すなわちMORに対する電極触媒能の発現が観察された。二次元的なPt-Ru合金はバルクのPt-Ru合金とは異なる電子状態であるが、Pt-Ru合金のサイズの増大、三次元化に伴いバルクのPt-Ru合金の電子状態に近づいたものと考えられる。この他、三核錯体を原料とするPt_2Ru、PtRu_2やPt-Ni錯体を原料とするPtNi合金ナノ粒子についてもメタノール酸化電極触媒としての可能性を調べた。白金族の電極は高効率な電極触媒として盛んに研究が行われている。例えば直接型メタノール燃料電池のアノード反応であるメタノール酸化反応は白金電極によって触媒される。しかし、その反応中間体であるCOが白金表面に強く吸着し、反応進行には高い過電圧が必要となる。白金上の吸着COは水から生成する吸着OH種と反応し、脱離すると考えられており、異種元素、特にルテニウムを混合することで白金上の吸着COの脱離を相乗的に促進できる。電析や、スパッタ法で作成した合金系が用いられているが、PtとRuが相分離するなど均一に混合した2元系触媒の作成が困難である。本研究では1分子中にPtとRuを1:1で含むヘテロ複核錯体を原料として用い、高活性な電極触媒の作成を目指している。昨年度は2, 5-dimercapto-1, 3, 4-thiadiazole(DMcTH_2)を架橋配位子としたPtRu複核錯体からの微粒子析出を試みた。本年度は表面上での分子間相互作用を高めるため、長鎖アルキル基を有するトリアジン誘導体を架橋配位子に用いて検討を行った。新規に合成したPtRu複核錯体([Pt^<II>(tlpy)-Ru^<II>(bpy)(trpy)(μ-L)](PF_6)_2(L=2-オクチルチオ-4, 6-ジメルカプト-1, 3, 4, -トリアジン))を電極表面に固定化し、その分子層を熱分解することで、PtRu微粒子層を形成した。また比較のため、Ru単核錯体およびDMcT架橋PtPt複核錯体でも同様の処理を行い、Ru微粒子層とPt微粒子層を作成した。HCio_4水溶液中、電気化学的酸化還元サイクルを繰り返すと、水素発生に伴う還元電流の増加が観測された。これは硫黄などの表面汚染種が除去され、活性な白金表面が露出した結果と考えられる。PtRu層のメタノール酸化活性は白金多結晶や白金微粒子層と比べて白金1原子あたり1桁高く、PtとRuの相乗効果が現れたものと考えられる。三次元的なPt-Ru合金が修飾されたAu(111)はバルクのPt-Ru合金に近い電気化学的挙動を示し、0.1M HClO_4

水溶液中では水素吸着波、0.1M HClO_4および1M CH_3OHを含んだ水溶液中では0.6V付近にMORに特徴的な酸化電流、すなわちMORに対する電極触媒能の発現が観察された。二次元的なPt-Ru合金はバルクのPt-Ru合金とは異なる電子状態であるが、Pt-Ru合金のサイズの増大、三次元化に伴いバルクのPt-Ru合金の電子状態に近づいたものと考えられる。この他、三核錯体を原料とするPt_2Ru、PtRu_2やPt-Ni錯体を原料とするPtNi合金ナノ粒子についてもメタノール酸化電極触媒としての可能性を調べた。
分解反応過程を考慮した核融合中性子及び重陽子核反応断面積計算コードシステム開発

核融合炉および核融合炉材料用照射試験施設の設計において必要不可欠な中性子および重陽子入射核反応の基礎データベースを作成するために、標的核や入射重陽子の分解反応過程を陽に考慮できる核反応理論模型(例えば、連続状態離散化チャネル結合法)を用いた統合計算コードシステムを開発した。本コードシステムをリチウム同位体に対する中性子入射反応や標的核の広い質量数範囲に対する重陽子入射反応計算に適用し、実験値との比較に基づいて、その有効性を検証した。核融合炉用核データ、特にLiやBe等の軽い核に対する中性子入射反応と、国際核融合材料照射試験施設(IFMIF)の研究開発で不可欠な重陽子核反応の断面積データを精度良く計算できるコードシステムの開発に向け、各反応モデルの予備的な調査・検討を行った。まず、重陽子分解反応に関する研究では、提案する核反応模型(連続状態離散化チャネル法(CDCC)+グラウバー模型)を広い質量数範囲に亘る標的(^9Be^<238>Uまでの8核種)の100MeV(d,xp)反応実験データにも適用し、理論解析を行った。標的の原子番号が大きくなるにつれて重陽子のクーロン分解による前方角への核子放出が増加することを見出した。また、ストリッピング反応を記述するグラウバー模型に使用されているアイコナール近似が原子番号の大きな標的核に対して悪くなり、前方への収量を過小評価する傾向があるため、モデルの改良が必要であることがわかった。次に、核融合炉ブランケット中のLiと中性子との相互作用に着目した本格的なCDCC理論解析を行う前に、入射粒子を^6Liとして、様々な標的(^<12>C^<208>Pbまでの7核種)に対する弾性散乱データの系統的な解析を行った。CDCCでは^6Liの分解状態(d+α)を陽に取り扱うことができるために、実験値との良い一致が得られ、CDCC計算に含まれる各種調整パラメータを決定することができた。この結果を基に、標的を陽子に代えた予備計算を行い、実験データが存在する十数MeV領域のp+^6Li→p+d+α反応の解析への適用性を検討した。最後に、直接反応過程に引き続いて起こる前平衡・統計崩壊過程を計算可能なCCONEコード(JAEAで開発)を重陽子入射および20MeV以上の入射エネルギー領域へ応用できるようにコードの改訂・拡張作業を行い、予備的なテスト計算を行った。核融合炉用核データ(特にLiに対する中性子入射反応データ)と国際核融合材料照射試験施設(IFMIF)の研究開発で不可欠な重陽子核反応の断面積データを精度良く計算できるコードシステムの開発に向け、以下の研究を行った。まず、中性子と^<6,7>Liとの核的相互作用計算に連続状態離散化チャネル法(CDCC)を適用し、弾性・非弾性散乱および全断面積データの解析を行った。微視的光学ポテンシャル(JLMポテンシャル)を使用し、その虚数ポテンシャルに含まれる規格化パラメータの入射エネルギー依存性に着目した実験データの解析を行い、数MeV150MeVまで適用可能な経験式を新規に導出した。同様の解析を陽子入射反応にも適用して規格化パラメータの入射エネルギー依存性を求めた。さらに、標的核の分解を伴うトリチウム生成反応(7^Li(n,n')tα)の反応機構を解明するために、終状態相互作用モデルと順次崩壊モデルを組み合わせた簡易計算コードを作成して、実験データが存在する7^Li(p,p')tα反応からの放出陽子とトリトンのスペクトルの同時解析に適用した。その結果、両データとも矛盾なく説明でき、本計算手法の中性子入射反応への応用可能性を示した。次に、重陽子入射反応断面積計算コードシステムの開発では、直接反応過程に引き続いて起こる前平衡・統計崩壊過程の計算手法の検討を行った。重陽子中の中性子または陽子のはぎ取り反応後に2通りの複合核が生成される。さらに重陽子吸収によってもう1種類の複合核形成が起こる。これらの3つの複合核からの前平衡・統計崩壊過程を核子入射専用のCCONEコードで計算する方法を考案した。100MeV(d,xp)反応の実験データ解析に適用し、統計崩壊によって放出される低エネルギー陽子成分を説明できることを示した。さらに、p+Co反応の放射化断面積計算にも適用し、本計算手法を用いることで実験データとの一致が改善できることも明らかにした。中性子および陽子と6,7Liとの核的相互作用計算に連続状態離散化チャネル法(CDCC)を適用し、弾性・非弾性散乱および全断面積データの解析を行った。微視的光学ポテンシャル(JLMポテンシャル)を使用し、数MeV150MeVまでの反応に適用可能なエネルギー依存性を考慮した規格化パラメータを導出した。CDCC計算と順次崩壊や終状態相互作用モデルを組み合わせた計算手法を用いて、20MeV以下の7Liに対する中性子反応についてトリチウム生成二重微分断面積を計算した。

それを評価済みJENDL-4ファイルに組み込み、ブランケット候補材料中での生成トリチウム輸送計算を行った。生成トリチウムの運動エネルギー分布を考慮することで、核反応と同時にペレット状の増殖材表面からのトリチウム放出が起こることを明らかにすることができた。次に、これまでの研究成果に基づき、重陽子入射反応断面積計算コードシステムβ版を完成した。直接過程の重陽子弾性分解および剥ぎ取り反応にはそれぞれCDCCとグラウバーモデルを適用し、これらに引き続いて起こる前平衡・統計崩壊過程の計算にはCCONEコードを利用した計算コードシステムである。58Niおよび27Al標的に対する(d,xp)反応実験データの解析に適用し、入射エネルギー50MeV100MeV領域において両標的とも実験データをよく再現できることを示した。また、重陽子弾性散乱微分断面積および全反応断面積の計算にCDCCを適用することで、実験値に対する良好な再現性を得た。当初の研究計画通りに、^<6,7>Li反応に対する中性子及び陽子弾性散乱および全断面積のCDCC解析により計算に必要な光学ポテンシャルの入射エネルギー依存性を導出できた。また、広い質量数領域の標的核に対する重陽子入射反応解析を行い原著論文として発表した。さらに、CCONEコードの適用範囲を重陽子入射反応へ拡張するための方法及び手順を確立できた。24年度が最終年度であるため、記入しない。150MeVまでの中性子および陽子と^<6,7>Liとの反応に対するCDCC解析を進め、軽核に対する断面積評価のための計算手法を確立する。CCONEコードに重陽子入射反応対応用のサブルーチンを組み込み、拡張版CCONEコードシステムを完成させる。それを重陽子核データ評価に適用し、主要な核種に対するテスト的な断面積データベースを作成する。作成した断面積データベースをPHITS等の粒子輸送計算に用いて重陽子入射中性子源設計への応用可能性を検証する。
主鎖に五員環ラクトンを有するポリマーの合成とその開環-閉環挙動に関する研究

1.メタクリル酸t-ブチルとイタコン酸ジメチルからそれぞれ分子内に五員環ラクトンを含む重縮合用と開環重付加用のモノマーを調製し、脂肪族、芳香族の各種ジアミン、ジオールを求核試剤とする重合反応を行った。その結果、主鎖に五員環ラクトンを有するポリアミド、ポリエステル、ポリアミド酸及びポリイミドが合成でき、その際、脂肪族一級ジアミンを用いると、ラクトン部位が部分的に開環したポリアミドが得られた。2.各種ジアミン、ジオールの代わりに対応する二当量のモノアミン、モノオールを求核試剤に用いて重合のモデル反応を行った。その結果、ポリマーに類似の構造を有するジアミド及びジエステル型のモデル化合物が合成でき、特に脂肪族一級モノアミンを用いると、閉環体と共に開環体が生成することを確認した。上記で得た閉環体または開環体のジアミド、ジエステルを基質に用いて、そのラクトン部位の開環-閉環挙動に及ぼす内的因子(基質構造)と外的因子(溶媒・温度・ph・酵素)の影響をFT-NMRで追跡した。その結果、ラクトン部位の開環、閉環反応が諸因子の選択により促進または制御できる可逆反応であること、またNMR測定用溶媒(DMSO-d_6,CD_3OD)の中で基質の開環率は概ね50%に収束する傾向を示し、最終的に平衡に達することがわかった。しかしながら、酵素による影響をリン酸緩衝液中で調べた際、その開環率は酵素の有無によらず100%を示し、大過剰の水の存在下でラクトン部位は完全に開環することがわかった。4.幾つかの縮合系ポリマーに対して酵素による加水分解試験を行った。その結果、一週間の浸漬によりp-キシリレンジアミン及び1,3-プロパンジアミン由来のポリアミドは酵素の有無によらずラクトン部位の開環率の緩やかな増加と主鎖の切断による分子量の低下が確認できた。1.メタクリル酸t-ブチルに対してブロモトリクロロメタン、イタコン酸ジメチルに対して四臭化炭素をそれぞれ連鎖移動剤に用いてラジカルテロメリゼーションを行い、環状二付加物に相当する4-ブタノリド誘導体を得た。次に加水分解等により2,4-位にカルボキシル基を導入してジ-、トリ-及びテトラカルボン酸とし、さらに酸クロリドまたは酸無水物に誘導することにより、6種類の新規モノマーが合成できた。2.脂肪族、芳香族の各種ジアミン、ジオールを用いて上記モノマーの重縮合または開環重付加反応を行うことにより、主鎖に五員環ラクトンを有するポリアミド、ポリエステル、ポリエステルアミド、ポリアミド酸及びポリイミドが得られた。この際、合成できたポリマーの分子量及び分子量分布に関する評価をGPCで行ったが、補助金により購入したクロマトデータ処理装置が測定の迅速化と精度の向上につながり、大いに役立った。3.各モノマーの反応性を明らかにするために、上記ポリマーを得る反応条件下で対応するモノアミン、モノオールを求核試薬に用いて重合のモデル反応を行った。この反応を通して得られる閉環型または開環型のジアミド体、ジエステル体を基質に用いて、そのラクトン部位の開環-閉環挙動をFT-NMRで追跡し、基質構造の違いによる内的因子、溶媒・温度・pH・触媒・酵素など外的因子の影響をそれぞれ調べた。その結果、開環-閉環が可逆形な反応であること、また内的及び外的諸因子の影響を非常に受けやすい反応であることを明らかにした。4.モデル反応で得られた知見をもとに標題ポリマーで実際の開環-閉環挙動を調べた。

この際、水溶性を示すポリアミドでは、周囲温度の変化に対応して可逆的にその水溶液の透過率が変化することを補助金により購入した温度可変型の紫外可視分光光度計で確認することができた。1.メタクリル酸t-ブチルとイタコン酸ジメチルからそれぞれ分子内に五員環ラクトンを含む重縮合用と開環重付加用のモノマーを調製し、脂肪族、芳香族の各種ジアミン、ジオールを求核試剤とする重合反応を行った。その結果、主鎖に五員環ラクトンを有するポリアミド、ポリエステル、ポリアミド酸及びポリイミドが合成でき、その際、脂肪族一級ジアミンを用いると、ラクトン部位が部分的に開環したポリアミドが得られた。2.各種ジアミン、ジオールの代わりに対応する二当量のモノアミン、モノオールを求核試剤に用いて重合のモデル反応を行った。その結果、ポリマーに類似の構造を有するジアミド及びジエステル型のモデル化合物が合成でき、特に脂肪族一級モノアミンを用いると、閉環体と共に開環体が生成することを確認した。3.上記で得た閉環体または開環体のジアミド、ジエステルを基質に用いて、そのラクトン部位の開環-閉環挙動に及ぼす内的因子(基質構造)と外的因子(溶媒・温度・pH・触媒・酵素)の影響をFT-NMRで追跡した。その結果、ラクトン部位の開環、閉環反応が諸因子の選択により促進または抑制できる可逆反応であること、またNMR測定用溶媒(DMSO-d_6,CD_3OD)の中で基質の開環率は概ね50%に収束する傾向を示し、最終的に平衡に達することがわかった。しかしながら、酵素による影響をリン酸緩衝液中で調べた際、その開環率は酵素の有無によらず100%を示し、大過剰の水の存在下でラクトン部位は完全に開環することがわかった。4.幾つかの縮合系ポリマーに対して酵素による加水分解試験を行った。その結果、一週間の浸漬によりp-キシリレンジアミン及び1,3-プロパンジアミン由来のポリアミドは酵素の有無によらずラクトン部位の開環率の緩やかな増加と主鎖の切断による分子量の低下が確認できた。
受容体キナーゼの骨形成における役割

Gタンパク質共役型受容体キナーゼ(G protein-coupled receptor kinase : GRK)は、リガンド刺激により活性化されたGタンパク質共役型受容体(GPCR)をリン酸化することで、脱感作へと導くリン酸化酵素として知られてきた。一方で近年では、GRKがGPCR以外の種々のタンパク質をリン酸化し、細胞内シグナル伝達を制御することで、様々な生理応答に関与することが明らかになってきている。申請者は昨年度までに、(1) GRKが、トランスフォーミング増殖因子-β(TGF-β)や骨形成タンパク質(BMP)により活性化されるシグナル伝達を制御する分子であるSmadと相互作用すること、(2) GRKがBMPシグナルを正に制御することで、BMPによる骨芽細胞の分化を促進すること、(3) GRKがSmad分子の翻訳後修飾を制御していること、を明らかにしていた。本年度はまず、GRKのキナーゼ活性がBMPシグナルの制御に重要であるかどうかについて検討した。その結果、GRKのキナーゼ活性はBMPシグナルの制御に必要ではないことが明らかになった。また、GRKはSmad分子の翻訳後修飾を制御することで、Smad分子のタンパク質量を減少させることを明らかにした。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。そこで申請者は、GRKの立体構造の変化を検出することができる、split-GFPを応用したプローブを作成し、GRKの新たな基質を探索するためのスクリーニング系を立ち上げた。培養細胞を用いてスクリーニングを行った結果、あるSmadファミリー分子を発現させると、このプローブの蛍光強度が顕著に上昇することが明らかとなった。Smadとは、トランスフォーミング増殖因子-β(TGF-β)や骨形成タンパク質(BMP)により活性化されるシグナルを制御する分子である。そこで、培養細胞を用いて共免疫沈降を行ったところ、GRKとSmadが相互作用することを見出した。さらに、精製したGRKとSmadタンパク質を用いて、in vitro pull down assayを行った結果、GRKはこのSmad分子と直接相互作用することが明らかとなった。その後、GRKおよび、Smadのdeletion mutantを作成し、結合に必要なそれぞれの分子のドメインを同定した。研究計画に記述した実験計画にしたがって、順調に進んでいる。申請者は昨年度までに、GRKが、トランスフォーミング増殖因子-β(TGF-β)や骨形成タンパク質(BMP)により活性化されるシグナル伝達を制御する分子であるSmadと相互作用することを見出した。そこで今年度は、GRKが、これらのシグナル伝達に及ぼす影響とそのメカニズムを明らかにすることを目的とした。様々な検討の結果、GRKがBMP刺激によって誘導されるSmad1/5のリン酸化とBMPの標的遺伝子Id1の発現誘導を促進することが明らかとなった。さらに、GRKがBMPによる骨芽細胞の分化を促進することを見出した。以上のことから、GRKがBMPシグナルを正に制御すると考えられた。また、GRKがSmad分子の翻訳後修飾を制御していることを明らかにした。今後は、GRKがBMPシグナルを制御する詳細なメカニズムの解析、in vivoでのBMPシグナルにおけるGRKの役割を明らかにしていく。
ヒトファイブロネクチンEIIIBならびにEIIIAドメインの細胞接着機能の検索

ファイブロネクチン(Fn)は細胞外マトリックスを構成する代表的な糖タンパク質であり、細胞接着、遊走、分化などに受容な働きをする。各組織特有のオールタナティブスプライシングを受ける主な三つのドメイン(EIIIB,EIIIA,IIICS)の内、前者二つのドメインは、初期発生及び創傷治癒過程においてスプライシング受けずに多く発現する事が知られているが、その生物学的活性は未だわかっていないので、検索した。(1)リコンビナントヒトFnフラグメントの分離精製:FnタイプIIIドメインから構成されるフラグメントでEIIIB,EIIIAを含むか含まないかにより8種類ものをpET expressionsystemを用い、原核細胞に発現させ、クロマトグラフィーを用いて分離精製した。(2)吸着試験:上記タンパクがポリ塩化ビニルアッセイ・プレートに吸着されることをELISA法を用いて確認したところ、いずれのフラグメントも約10nMで安定して吸着された。(3)細胞接着試験:細胞接着試験の結果、ハムスター継代培養線維芽細胞(NIL)とヒト歯肉線維芽細胞(HGF)はいずれのフラグメントに対しても接着した。EIIIBドメインを含むフラグメントは含まないものと比較し、低濃度においてコントロールの血漿Fn同様の強い接着が認められた。EIIIBドメインへの直接的な細胞接着は認められず、他のフラグメントとの競合試験を行なった結果、EIIIBドメインには細胞接着を促進する可能性があることが示された。EIIIAを含むフラグメントと含まないものとで、細胞接着に特に有為差はみられなかった。接着班とストレスファイバーを蛍光染色したところ、EIIIBドメインを含むフラグメントは含まないものと比較し、血漿Fn同様の強い細胞の接着と伸展を示した。したがって、EIIIBドメインには細胞接着を促進する可能性があることがさらに確認された。
元水銀鉱山労働者の体内水銀残留量推定に関する研究

水銀は体内で酸化・還元を繰返し、ごく僅かであるが、還元された水銀蒸気は呼気中に排出される。アルコール投与は、酸化・還元のプロセスを還元の側に傾かせ、水銀蒸気の排出が増加する。この現象を利用して、体内の残留水銀量の推定を行なおうとした。1.無機水銀を投与したマウスにアルコールを投与し、呼出される水銀を測定したところ、アルコール投与後に濃度の上昇が認められた。体内に残留した水銀との関連では、曝露からの時間の経過によって、密接に関連する組織が異なり、再分布を考慮すべきとが示唆された。2.過去に水銀蒸気曝露のあった鉱山労働者の、アルコール摂取前後の呼気中水銀の分析を行なった結果、水銀中毒罹患経験者では、アルコール摂取後、呼気中水銀濃度の上昇するが、罹患を経験しない者は、上昇はするもののその程度はやや低い傾向にあった。ただこの両者を明確に区分するほどの差はなかった。これらの元労働者は、曝露の中止から20年あるいはそれ以上経過しており、曝露中および中止後の様々な要因を取り込んだ多変量の解析が今後の検討課題である。一部の例外を除き、同一個人の繰り返し調査例では、類似の結果を示し、アルコール投与後の呼気中水銀の排泄のパターンが、過去の曝露と関連してあることが示唆された。3.長期にわたるアルコール摂取の影響を検討するために、飲料水をアルコールに置き換えて与えたマウスと、通常の飲料水を与えたマウスを、繰返し水銀蒸気に曝露し、曝露期間直後およびそれから2週後の標的臓器の水銀濃度を測定した。その結果、脳では水銀濃度の低下が認められ、肝臓ではむしろ上昇し、腎臓で時期によって変化の方向が異なっていた。このことは、振戦など中枢神経系の症状に限って言えば、飲酒が症状を軽減していた可能性を示すと考えられた。本年度の成果の概要は、(1)マウスを水銀蒸気に曝露した12週間後、アルコ-ルを2g/kg腹腔投与し、呼気中に水銀蒸気が呼出されるのを確認した。この呼出は、アルコ-ル投与後すぐにはじまり、30分以内でピ-クに到達し、6090分後には投与前のレベルに戻った。(2)水蒸気を飽和したテドラ-バッグ内において、1週間にわたって水銀蒸気の濃度は変化しないこと、すなわち呼気をテドラ-バッグに採取した場合内部での吸着がないことを、確認した。その確認の後に、(3)過去に水銀蒸気曝露のあった鉱山労働者の、アルコ-ル摂取前後の呼気中水銀を分析した。その結果水銀中毒罹患経験者では、15分後から呼気中水銀濃度が増加し、30・60分後も増加し続けた。しかし、同じ鉱山の労働者であっても、水銀中毒罹患非経験者やごく軽度の罹患者(すなわち曝露の低かった者と考えられる)では、呼気中水銀の増加は認められなかった。以上のことから、定量的な検討は必要であるが、呼気中水銀濃度を、過去の曝露の指標として使えることが明らかとなった。本年度の成果の概要は、以下のとおりである。(1)昨年度に行なった、過去に水銀蒸気曝露のあった鉱山労働者の、アルコ-ル摂取前後の呼気中水銀の分析を、繰り返しさらに人数を増やして行なった。今年度の調査では、呼気の採取を160分まで延長して行なったので、水銀中毒罹患経験者では、アルコ-ル摂取後30分後から120分後にかけて、呼気中水銀濃度の上昇が継続することが明らかにされた。

また、現在も水銀曝露の可能性のある職場で作業している1名は、過去に曝露のあったものよりさらに、高濃度の水銀を呼出した。(2)今年度は尿中水銀水銀も測定し、その結果では、現在も水銀曝露の可能性のある職場で作業している1名を除くと、正常範囲内にあり、アルコ-ル負荷後の濃度の上昇(クレアチニン当たりにしても)は、認められなかった。(3)これらの元水銀鉱山労働者の聞き取り調査から、かなり大量の飲酒があったことが推定された。そこで、飲料水をアルコ-ルに置き換えて与えたマウスと、通常の飲料水を与えたマウスを、繰り返し水銀蒸気に曝露し、標的臓器の水銀濃度を測定した。その結果、脳では水銀濃度の低下が認められ、腎臓では大きな変化はなく、肝臓ではむしろ上昇していた。このことは、振戦など中枢神経系の症状に限って言えば、飲酒が症状を軽減していた可能性を示すと考えられた。本年度の成果の概要は、以下のとおりである。(1)昨年度までに行なった、過去に水銀蒸気曝露のあった鉱山労働者の、アルコール摂取前後の呼気中水銀の分析を、繰り返し人数を増やして行なった。水銀中毒罹患経験者では、アルコール摂取後30分後から120分後にかけて、呼気中水銀濃度の上昇が継続するが、罹患を経験しない者は、上昇はするもののその程度はやや低い傾向にあった。ただこの両者を比較した場合に明確な区分が出来るほどの差はなかった。この原因については、まだ詳細は不明であるが、曝露の中止から20年あるいはそれ以上経過しているものがほとんどであることも関係していると考えられる。したがって、単に対象者を大きく区分するだけでなく、曝露中および中止後の様々な要因を取り込んだ多変量の解析を行なうべきと考えられ、今後の検討課題である。しかし、一部の例外を除き、同一個人の繰り返し調査が可能であった例では、類似の結果を示し、アルコール投与後の呼気中水銀の排泄のパターンが、過去の曝露と関連してあることが示唆された。(2)マウスの実験においては、臓器中水銀の分析を行ない、それらの濃度と呼気中水銀に密接な関係があることを明らかにできた。ただし、曝露(この実験では無機水銀を投与)からの時間の経過によっては、密接に関連する組織が異なり、曝露後の時間経過によって起きる、生体内での再分布(組織間だけでなく細胞内も含む)が関係することが示唆された。これは、(1)の今後の課題とも関係すると考えられた。
カラクシンによる繊毛機能の調節機構の解明

本研究では、ダイニンのカルシウムセンサーであるカラクシンの構造と機能を解明することを目的とした。まず、カラクシンの4つのEF-handのうちEF2とEF4が構造的EF-hand、EF3が調節的EF-handであることがわかった。また、カルシウムイオンが結合すると開構造へシフト、dyneinが結合すると閉構造から開構造へ構造変化することが示唆された。機能面では、カラクシンが繊毛屈曲を調節し、基底体の配向を制御する結果、繊毛の協調的運動に寄与ことがわかった。さらにカラクシンを欠損したマウスでは、軸糸構造は見かけ上正常だが、水頭症や内臓逆位といった繊毛病の症状が表現型として現れることがわかった。本研究は、以下の2つの研究項目を進めることを目的とする。研究項目1:微小管およびダイニン結合を有するカラクシンの分子的特性、研究項目2:繊毛の協調運動と形態形成に果たすカラクシンの役割。本年度は研究項目1について、ホヤカラクシンがカルシウム存在下でダイニン重鎖と相互作用することをFRET解析から明らかにした。また、カラクシンがと微小管との相互作用がカルシウム存在下で弱くなること、この相互作用にタンパク質のリン酸化は関与しないことを明らかにした。ただしリン酸化に関してはcAMPを合成するアデニリルサイクレースのうち可溶型サイクレースを阻害した場合の精子の波形変化がカラクシンを阻害したときと酷似していることから、今後さらに詳細に検討する必要がある。さらに、ツボカビ遊走子にカラクシンが存在し、カラクシンがオピストコンタ特異的に獲得された分子であることを明らかにした。また、遊走子が見せる特徴的なターン運動を詳細に観察し、この変化がカルシウム依存的に起こることを明らかにした。カラクシンの直接関与については今後の課題である。研究項目2においては、ウニ胚にカラクシン発現を阻害するモルフォリノオリゴを導入した場合に、繊毛運動についてはわずかに屈曲の度合いが阻害される程度で振動数には影響しないこと、繊毛間の協調的運動が阻害され胚全体の指向的運動が阻害されること、原腸陥入が阻害され正常な腸が形成されないことが明らかになった。また、カラクシンを欠損したマウス胚の作製を行い、精子の受精能力が著しく低下することと後期発生異常が見られることを予備的に確認した。本研究は、我々がホヤ精子において発見したカルシウム依存性のダイニン調節タンパク質である「カラクシン」が繊毛運動調節、あるいは細胞は胚の高次機能において果たす役割について解明することを目的とする。以下の2つの研究項目を進める。研究項目1:微小管およびダイニン結合を有するカラクシンの分子特性の解明、研究項目2:繊毛の協調運動と形態形成に果たすカラクシンの役割の解明。本年度は、研究項目1について、カラクシンの分子系統学的解析を行い、カラクシンが動物、菌類を含む「オピストコンタ」特異的に獲得したタンパク質であることを明らかにした。エクスカバータには存在せず、植物や繊毛虫、渦鞭毛藻類を含むバイコンタ系列では、ダイニンと結合するがカルシウム応答がカラクシンと全く逆であるダイニン軽鎖4が共通して存在することがわかった。アメーボゾアについては依然不明である。これらのことから、真核生物の進化の初期に、ダイニンのカルシウムセンサーの獲得において重要なステップがあることが示唆された。このステップは繊毛の運動方向と密接に関わることから、動物の平面細胞極性など他の現象とも関わっている可能性がある。研究項目2に関しては、ウニ胚を用いて、発生初期過程におけるカラクシンの発現上昇と繊毛の協調的運動がカップルしていることを明らかにした。遷移帯のマーカーとしてaPKCを用いたが、孵化直後にはaPKCはまだ発現していなかったため、別のマーカーとしてBBS1を用いたところ、遷移帯の局在を可視化することができた。研究の結果、孵化直後は繊毛運動は見られるものの協調的な運動はみられないこと、これがカラクシンの発現と関連していること、カラクシンの発現とともに基底体のオリエンテーションが一定方向に規程されるようになり、方向性をもった協調的繊毛運動が獲得されることが明らかになった。カラクシンは真核生物の鞭毛繊毛に存在しカルシウム依存的にダイニン活性を調節する因子である。これまでホヤ精子の鞭毛運動波形をカルシウム依存的に制御し、精子の走化性に関わることを明らかにした。本年度は、カラクシンの分子系統関係をより詳細に調べ、カラクシンが動物と菌類を含むオピストコンタ特異的に獲得された分子であることを明らかにした。さらに、繊毛運動におけるカラクシンの役割を調べるために、ウニ胚を用いた実験をさらに進めた。カラクシンのモルフィリのオリゴを注入した胚は正常に運動することができなかったが、詳細な解析の結果、基底体の配向がランダムになるために個々の繊毛打方向がばらばらになるために効率の良い運動ができないことがわかった。ガドリニウムを用いた繊毛阻害実験により、この配向は初期発生過程の間に繊毛運動によるメカニカルフィードバックにより確定されることが明らかになり、モノシリアにおける繊毛運動協調性におけるカラクシンの新たな役割の解明につながった。

また、カルシウムイオンが結合すると開構造へシフト、dyneinが結合すると閉構造から開構造へ構造変化することが示唆された。機能面では、カラクシンが繊毛屈曲を調節し、基底体の配向を制御する結果、繊毛の協調的運動に寄与ことがわかった。さらにカラクシンを欠損したマウスでは、軸糸構造は見かけ上正常だが、水頭症や内臓逆位といった繊毛病の症状が表現型として現れることがわかった。カラクシンの分子系統に関しては専門誌「Cilia」にて間もなく公表される。ウニ胚の協調的繊毛運動と形態形成に関する論文は現在作成中であり、まもなく投稿する予定である。マウスにおける予備的解析もかなり進んでおり、機能的解析にとりかかるべく準備を進めている。以上の事項は予想以上に成果が得られ進展している。一方で、カラクシンの分子構造や微小管との相互作用に関するデータが予想外に得られておらず、多少の遅れが見られる。早急に研究を進める必要がある。27年度が最終年度であるため、記入しない。分子細胞生物学研究期間内に以下の項目を最優先で進める。(1)カラクシンの微小管結合部位を決定する。また、ダイニン重鎖にカルシウム依存的に結合する部位を決定する。カラクシンの結晶構造のデータとともに論文としてまとめ、公表する。(2)ウニ胚繊毛におけるカラクシンの機能に関しては、ダイニンの機能をノックダウンした胚を作製し、基底体の極性が形成されるか否か調べた上で、データをまとめて、論文として公表する。各研究項目に関して、当初予定していた成果が得られており、一部論文として公表することができる準備が整っている。。アデニリルサイクレースの機能解析については論文をすでに投稿している。カラクシンと微小管との相互作用に関しては、概ね再現性の高い結果が得られておいる。鞭毛軸糸を用いた解析を今後行なうことにより、再構成系で得られた結果を確証すべく研究を進めたい。カラクシンとリン酸化の関係に関しては現在不明確であり今後の研究が必要である。また、ウニ胚におけるカラクシンの機能に関しては明確な結果が得られているが、形態形成、特に幼生の腸の形成に必須か否かについて、内胚葉マーカーを用いた検証が今後必要であると考えられる。研究の進捗が当初の予定とずれ、カラクシンと微小管、ダイニンとの相互作用の解析に従事する研究員の雇用が次年度に必要になった。このため、当該年度では使用せず、次年度に使用することとした。研究項目1「微小管およびダイニン結合を有するカラクシンの分子的特性」に関しては、大腸菌発現カラクシンを用いた構造解析とダイニン重鎖との相互作用に関してさらに詳細に解析し、次年度中の論文公表を目指したい。分子系統学的考察に関しては、その一部を次年度中に公表すべく論文作成を進めている。リン酸化とカルシウム結合の関係に関しては、分子再構成系のみならず鞭毛軸糸内での状態解析も含め、次年度に検討する必要がある。研究項目2「繊毛の協調運動と形態形成に果たすカラクシンの役割」に関しては、幼生腸の形成に関して内胚葉マーカーを用いた検証を行なった後に、次年度中に論文発表する計画である。
量子情報系の統計的漸近理論

量子力学によって記述される通信システム(たとえば光通信システム)を考える際には,情報・通信理論も量子力学に基づいて定式化しなおすことが必須である.本研究では,情報理論の元来の精神に立ち戻り,操作的意味づけをもつ通信路容量こそが量子通信路において第一義的な量であるという立場に立脚し,拡大ヒルベルト空間上での統計的漸近論により定式化される無記憶通信路の操作的容量Cの基本的性質を論じた.特に,Cの下限C1(長さ1の信号に対する容量)および上限C2(ホレボの情報限界から導かれる擬容量)の数学的性質を介して得られるCに関する知見を重点的に研究した.まず,拡大ヒルベルト空間上での信号の受信方法として,テンソル積型で表される一般化測定に制限した場合には,たとえ送信者への観測結果のフィードバックを許容したとしても,通信路容量は下限C1を超えない(すなわちC1に一致する)ことを明らかにした.この結果は,Cの数学的性質を論ずる上で,拡大ヒルベルト空間上の一般化測定を考える必然性を明らかにするものである.次に,日合-ペッツの定理の観点から上限C2を考察し,漸近論的観点からすると,古典論に対する量子論の困難の原因が,量子状態のクローニングが物理的に禁止されている点にあるとも解釈できることを明らかにした.さらに,C1=C2を満たす通信路として半古典的通信路という概念を導入し,その性質を詳細に論じた.半古典的通信路に対しては容量Cが陽にシングルレタライズできるため,このクラスは重要である.まず.凸解析の手法により量子通信路が半古典的となるための必要十分条件を導いた.次に,この結果を2準位量子系に対する通信路に適用し,像空間の幾何学的性質と関連づけて2準位通信路の完全な分類を行った.量子力学によって記述される通信システム(たとえば光通信システム)を考える際には,情報・通信理論も量子力学に基づいて定式化しなおすことが必須である.本研究では,情報理論の元来の精神に立ち戻り,操作的意味づけをもつ通信路容量こそが量子通信路において第一義的な量であるという立場に立脚し,拡大ヒルベルト空間上での統計的漸近論により定式化される無記憶通信路の操作的容量Cの基本的性質を論じた.特に,Cの下限C1(長さ1の信号に対する容量)および上限C2(ホレボの情報限界から導かれる擬容量)の数学的性質を介して得られるCに関する知見を重点的に研究した.まず,拡大ヒルベルト空間上での信号の受信方法として,テンソル積型で表される一般化測定に制限した場合には,たとえ送信者への観測結果のフィードバックを許容したとしても,通信路容量は下限C1を超えない(すなわちC1に一致する)ことを明らかにした.この結果は,Cの数学的性質を論ずる上で,拡大ヒルベルト空間上の一般化測定を考える必然性を明らかにするものである.次に,日合-ペッツの定理の観点から上限C2を考察し,漸近論的観点からすると,古典論に対する量子論の困難の原因が,量子状態のクローニングが物理的に禁止されている点にあるとも解釈できることを明らかにした.さらに,C1=C2を満たす通信路として半古典的通信路という概念を導入し,その性質を詳細に論じた.半古典的通信路に対しては容量Cが陽にシングルレタライズできるため,このクラスは重要である.まず.凸解析の手法により量子通信路が半古典的となるための必要十分条件を導いた.次に,この結果を2準位量子系に対する通信路に適用し,像空間の幾何学的性質と関連づけて2準位通信路の完全な分類を行った.
超対称な高次元非可換幾何とトポロジー的量子多体状態の研究

超対称な高次元の非可換幾何の数理を確立し、それをトポロジカルな物理系に応用する研究を行った。平成23年度は、非可換幾何の高次元、超対称の数理的構築を球、双曲多様体について行った。その数理的研究と並行して、超対称な量子スピン系、非エルミート量子力学への応用した研究を行い、端状態、隠れた秩序といったトポロジー的構造を明らかにした。平成24年度は、超対称な量子スピン系の研究を更に深化させ、量子エンタングルメントといった最近の提案された概念の実現について研究を行った。平成25年度は、非可換幾何をトポロジカル絶縁体(特にAクラス、AIIIクラス)に適応し、その物理を解析した。本年度は昨年度の研究を更に発展させ、以下の2点についての研究を行った。1超対称な量子スピン状態におけるエンタングルメントの観点からのトポロジー的秩序の解析。2非コンパクトなホップ写像による一般次元における非可換双曲幾何の研究。まず、1の超対称な量子スピン状態(SVBS状態)におけるエンタングルメントの解析から詳細に述べる。昨年度までの研究で、超対称な量子スピン状態の励起状態などの物理的性質は十分理解できた。そこで、今年度はそのトポロジー的性質について数値計算等を用いた解析を行った(京都大基礎研の戸塚圭介氏との共同研究)。具体的にはストリング秩序とエンタングルメントエントロピーを1次元系で計算を行い、それらがコンシステントであること、超対称がある場合にはバルクのスピンの偶奇性によらずトポロジー的秩序が存在することを示した。更に高い超対称性を有する量子スピン模型においても同様の解析を行い、低い超対称性と定性的には同様の結果が得られることを見た。超対称性が存在する場合、エンタングルメントスペクトルに必ず少なくとも二重縮退が現れること、すなわち超対称性がトポロジー相の安定性を保証していること、を示すことに成功した。これらの成果は、超対称性のある場合のトポロジー的秩序についての世界で初めてのものである。次に2の非コンパクトなホップ写像による一般次元における非可換双曲幾何の研究について述べる。これまで申請者によってホップ写像を非コンパクトに拡張した非コンパクトホップ写像が構成されていた。もともとのホップ写像の量子化版が非可換球に対応する。それを今回の非コンパクトな場合に応用し、非可換な双曲体を具体的に構成した。そして、非可換双曲体の幾何学的な構造について詳細な議論を行った。低次元の構成はこれまでの研究によってなされていたが、今回の研究によって一般の高次元への拡張に成功した。近年、トポロジカル絶縁体の強相関な場合に出現すると考えらているトポロジカル絶縁体が興味を持たれている。平成25年度,申請者はこれまでで構築した非可換幾何の数理を分数トポロジカル絶縁体へ適用する研究を行った。その成果は以下のようになっている。1.Aクラストポロジカル絶縁体と非可換幾何(南部代数)の研究:非可換幾何の幾何学に基づいたAクラストポロジカル絶縁体の理論を構築した。Aクラストポロジカル絶縁体はAクラストポロジカル絶縁体は任意の偶数次元に存在し、量子ホール系の自然な高次元の対応物であると考えられる。その物理的性質について議論を行った。分数電荷、分数統計を有する新奇な性質を膜励起が有することなどを指摘した。その結果は論文としてまとめた。2:AIIIクラストポロジカル絶縁体と非可換幾何の研究:AIIIクラストポロジカル絶縁体は任意の奇数次元に存在するカイラル対称性を有するトポロジカル絶縁体である。AIIIクラストポロジカル絶縁体はAクラスと同様の性質を持つ。そのため、AIIIクラスは量子ホール系の奇数次元への拡張とみなすことが出来、AクラスからAIIIクラスが次元還元によって導出されることを示すことに成功した。更に、非自明な非可換幾何の構造を導入しようとするとカイラル対称性が必然的に誘導されることを指摘した。その結果は論文としてまとめている最中である。研究期間全体としての総括は次のようになる。平成23年度は、非可換幾何の高次元、超対称の数理的構築の研究を行った。その数理的研究と並行して、超対称な量子スピン系、非エルミート量子力学への応用した研究を行い、それらのトポロジー的構造を明らかにした。平成24年度は、超対称な量子スピン系の研究を更に深化させ、量子エンタングルメントといった最近の提案された新たな概念の実現についての研究を行った。平成25年度は、上述の通りである。本年度に行い、論文として発表した内容は以下の3点である。