hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
昆虫変態に伴う蛹コミットメントと細胞死の分子機構の解明

蛹変態の分子機構を細胞のレベルで解明した。すなわち(1)単一巨大細胞Verson's glandの蛹コミットメントは定説とは異なり幼虫から蛹へと徐々に起こる。(2)蛹コミットメントには幼若ホルモン(JH)の低下と摂食(栄養)が重要であり、インスリン伝達経路とTORシグナル経路による2段階で起きる。(3)JHに支配されている体節特異的なVerson's glandの細胞死を司る1遺伝子を発見した。(4)幼虫特異的な腹脚の鉤爪の細胞死は主としてアポトーシスで起こり、細胞死の決定は終齢脱皮の直前直後に起こる。終齢期に入ると、腹部第7ー9体節のVerson's glandは他の体節とは異なり肥大化せず細胞死を起こし消失した。その細胞死はオートファジーによって引き起こされるが、幼若ホルモン(JH)により体節特異的な細胞死を抑制できた。そこで体節特異的なJH応答因子を見出すためにマイクロアレイによる解析を行い、退化するVerson's glandで体節特異的に発現あるいは消失する候補遺伝子を得た。一方Verson's glandの細胞にGFP遺伝子を注射したところ、発光が見られたので得られた候補遺伝子の機能を検定する方法が確立できた。Verson's glandの蛹コミットメントは皮膚とは異なり栄養のシグナルによって誘導され、JHにより抑制されることを明らかにした。そこでJHを投与し、インスリンシグナル経路の遺伝子発現を調べた結果、PDKおよびAktの発現が阻害された。一方、絶食によりJHシグナルに関与するKr-h1の発現が強く誘導された。このことからVerson's glandの蛹コミットメントは、インスリンシグナルとJHシグナルが転写レベルで相互作用することにより制御されていることが示唆された。Crochetは幼虫期特異的な器官で蛹変態時に退化するが、カスパーゼ活性化を伴う細胞死を起すことを見出した。5齢前の幼虫期のcrochets産生細胞の産生能は、幼虫脱皮直後にいったん低下し次の脱皮に向けて回復するが、5齢0日の産生細胞の産生能は細胞死を起こす前にも関わらず、完全には回復しなかった。また過剰齢(6齢)幼虫のcrochetsには著しい異常が見られたことから、産生細胞の蛹への準備は5齢脱皮前後に既に始まっている事がわかった。以上の事から、蛹変態への準備はかなり早く、終齢脱皮へと決定されるとすぐに始まるものと考えられた。カイコに存在する巨大単一細胞のVerson's glandの蛹コミットメントにはインスリンと幼若ホルモン(JH)の両者の関与によって引き起こされることをすでに突き止めている。またインスリン受容体とAktの関与はすでに示唆してきたが、平成26年度には前年度我々が開発したVerson's glandへの遺伝子の導入技術により、これらインスリン伝達経路関連因子とJHの受容体であるMetとJHシグナリングに重要な役割を果たすKr-h1がリンクして相互作用により蛹コミットメントが起こる糸口をつかむことが出来た。また蛹変態時に体節特異的に退化するVerson's glandには、JHが関与しており、変態時にJH濃度が低下することにより誘導されることをすでに見出している。平成26年度にはDNA microarray解析で得られたJH応答性因子の1つが体節特異性を生み出す重要な因子であることを、上記の遺伝子導入技術により直接的に同定することが出来た。これにより解放血管系である昆虫のホルモンによる体節特異的な作用を物質のレベルで見出すことができた。腹脚に付随しているcrochet形成細胞の蛹変態に伴う細胞死の機構についてもin vivoとin vitro研究を進めてきた。しかし、エクダイソン、JHおよびインスリンによる制御は終齢脱皮間や脱皮後においてみることはできなかった。より速い発育時期に細胞死が決定されているか、他の要因が関与している可能性があると考えられる。カイコの巨大単一細胞Verson's glandは終齢きにおいて幼虫から蛹へと変態し、その蛹コミットメントは摂食と血中幼若ホルモン(JH)の低下により引き起こされることをすでに示した。JHによるコミットメント抑制の分子機構は昨年度にほぼ解明できたので、平成27年度はインスリンによるコミットメントの誘導に焦点を当てた。我々が開発したVerson's glandへの遺伝子の導入技術により、インスリン伝達経路関連因子をdsRNAによりサイレンシングして、インスリンのコミットメントに及ぼす役割について追求した。その結果インスリンはVerson's glandの外の組織に作用して液性因子を生成し、この因子がVerson's gland内に取り込まれることにより、幼虫形質を発現できないようにコミットメントすることを明らかにした。しかし蛹形質を発現する蛹コミットメントを引き起こすことが出来なかった。一方Verson's gland内ではTORにより活性化されたAktが蛹コミットメントを引き起こすことを明らかにした。すなわちVerson's glandの蛹コミットメントは、JH不在下において、幼虫形質発現を阻害するインスリンシグナル経路と実際の蛹形質のコミットメントを誘導するTORシグナル経路が関与する2つのステップで誘導されることがわかった。

(2)蛹コミットメントには幼若ホルモン(JH)の低下と摂食(栄養)が重要であり、インスリン伝達経路とTORシグナル経路による2段階で起きる。(3)JHに支配されている体節特異的なVerson's glandの細胞死を司る1遺伝子を発見した。(4)幼虫特異的な腹脚の鉤爪の細胞死は主としてアポトーシスで起こり、細胞死の決定は終齢脱皮の直前直後に起こる。巨大単一細胞であるVerson's glandを使用して、発生生物学上の重要な命題である「細胞のコミットメントはall-or-noneではなく徐々に起こる」ことをすでに明らかにし、そのコミットメントのホルモン作用についても分子のレベルで解明しつつある。また解放血管系である昆虫の、ホルモンによる体節特異性を引き起こす因子の1つを同定することが出来た。27年度が最終年度であるため、記入しない。農学昨年度の結果を踏まえて、関連遺伝子の過剰発現やそれらのdsRNAの注入により機能解析し、蛹コミットメントに及ぼすインスリンとJHのネットワークを完成させる予定である。すでに単一細胞のコミットメントは、定説であるall-or-noneで起こるのではなく徐々に起こるということをすでに明らかにしており、このメカニズムを分子レベルで確立し両者を合わせて論文作成する予定である。体節特異性を生み出す要因は昨年度1因子同定することが出来たが、さらに多くの因子が関与していることが考えられる。すでに様々な実験条件下においた幼虫から得たRNAの次世代シークエンス解析を行い、今回多くの候補因子を得ているので、これら因子のdsRNAによるサイレンシングや過剰発現により因子を複数特定して、JH反応性なども調べることにより解放血管系である昆虫の体節特異性を生み出すメカニズムを解明する予定である。Verson's glandの蛹コミットメントのメカニズムは、予想した以上の成果が見られ始めた。それはVerson's glandの細胞に注射によるDNAやdsRNAを直接に取り込む技術を開発したことが大きい。それにより様々な要因の過剰発現やサイレンシングが細胞レベルでコントロールできることが可能となり、コミットメント研究ばかりでなく体節特異的細胞死を引き起こす要因の検定も容易に行われるようになった。一方crochet細胞の細胞死の研究では、ホルモン制御の実験結果が一定せず遅れ気味である。Verson's glandの体節特異的な細胞死を誘導する因子(群)を見出すために、予備的に4つの異なる発育時期からのRNAを抽出して、次世代RNAシークエンスを行い比較検討した。その結果幸運にも多くの候補遺伝子を見出し、そのうちの1つの遺伝子の機能解析を、予定したシークエンスを終わらせる前に進めて明らかに重要な因子であることを突き止めた。機能解析の条件検討などに時間を費やし、予定していた異なる発育時期のRNAシークエンスが完全に終了できなかった。
細胞周期依存性hsc70遺伝子の解析

ヒト白血病細胞株を用いてhsc70遺伝子の発現調節について調べ、この遺伝子の脱分化・再増殖への積極的役割を示唆する結果を得た。1.hsc70の転写はU937がTPAで分化誘導を受けると抑制され、分化したマクロファ-ジから脱分化する過程で活性化される。2.低血清培地でG0に同調されたU937及びヒト正常線維芽細胞(TIGー1)に血清を添加するとhsc70の転写はS期に入る前に最大に達し、上記と合わせこの遺伝子がG0からG1期の進行に必要なことが示唆された。3.U937のhsc70 cDNAと正常染色体遺伝子の5'末端周辺をクロ-ニングし、塩基配列の決定をした。(補助金により購入した定電圧電源装置等を使用)。U937のcDNAには既報のものと較べ塩基置換が3.欠失と付加が各1ヶ所ずつ見られたが、推定アミノ酸配列に変化はなかった。4.hsc70のcDNAをU937に導入し安定なクロ-ンを得た。各クロ-ンの増殖速度は親株と同じであったが、TPAでマクロファ-ジに分化させた後の脱分化が親株より速やかであった。これは上記2.で得られた結果を支持し、hsc70の脱分化への積極的な働きを示すと考えられる。hsc70のアンチセンス等を導入し、より正確な解析を行う計画である。5.遺伝子の5'上流1.7kbpについてCATアッセイで転写調節部位を調べた。主な転写調節部位は、SP1結合部位、HSE、CATーboxなどを含む500bp以内にある。増殖中の細胞と分化した細胞の核抽出液を用いたゲルシフトアッセイでは、両者にちがいをもたらすDNA断片は、500bp内の42bpに含まれる。この塩基配列はこれまでに報告されているシスエレメント配列を含まない新しいものである(補助金で購入のPCR反応槽はプロ-ブの合成等に使用)。現在フットプリント法による正確な結合部位の決定と結合たんぱくの精製が進行中である。
環境の湿度変化が国宝中尊寺金色堂に与えた影響に関する研究

中尊寺金色堂は現在、保存施設(ガラスケース)に納められている。従来のガラスケースは外界の影響を受けやすく、年平均湿度が80%RHにも達してカビや錆の発生が見られた。それらの被害を防ぐために1986年から90年にかけて改修工事が行われ、ガラスケース内の湿度を65%RH程度に下げたところ、新たな問題として木材が乾燥して収縮し、木材の上に塗られた漆膜に亀裂が発生した。現在も木材の収縮が進行しているか知り、適切な修復時期を決定するために、ガラスケース内の温湿度と木材および漆膜の収縮との関係について測定を行った。まずガラスケース内の温湿度を測定したところ、温度は5°Cから25°Cの間で年変動するが、湿度はほとんど65%に保たれている。金色堂の周囲の縁板に2枚の縁板にまたがるようにして変位計を取り付け、木材の収縮の様子を測定したところ、計測された縁板の隙間は、季節の温度変動に対応して0.30.4mm程度変化していることがわかった。この隙間は本研究を始めた当初は開いてゆく傾向にあったが、平成89年度になるとほぼ安定した季節変化を示した。漆膜にかかる内部応力を測定したが、季節の温度変化に対応した応力変化だけでなく全体に増加する傾向が少しみられた。これらの測定結果から、当初はガラスケース内の湿度低下により木材が乾燥して収縮が進んだが、環境が変化して10年近く経った現在、乾燥による木材の収縮は落ちついたと考えられる。しかし縮んだ木材に引っ張られた漆膜には、応力が残っているためにもう少し亀裂は進行するおそれがあると考えられる。金色堂のおかれている環境の変化について、これまでに測定された温湿度記録の整理と解析を行った。保存施設改修前(1986)、改修中(1989)、改修後(1993)の年間の温湿度記録を比較したところ、改修前の相対湿度は70%RHをこえていて、特に7、8月の月平均相対湿度は80%RH以上で、改修前には金色堂がかなり高い湿気を受けていたことがわかった。外気の年平均湿度はいずれの3年とも7585%程度で中尊寺全体が大変湿気の多い環境にあり、しめった外気がガラスケースの中に入ってきて、金色堂に黴の発生や金属の錆を引き起こしていたと考えられる。改修中の1989年にはガラスケース内の湿度は除湿器の稼働により6070%RHに低下しているが、まだ空調システムなど全体が不安定な状態であったので、年間を通してみると相対湿度の変動が大きいことがわかる。これに対して改修後の1993年にはガラスケース内の相対湿度は65%RH前後でほとんど一定であり、空調システムを含め保存施設全体が大変安定してきたことがわかった。空調に用いている除湿器の動作時間を1989年と1993年で比較してみると、1989年は年間で約6000時間動作しているが、1993年は1/4の1500時間程度に減っていて、この4年間ほどの間に金色堂の部材も含めてケース内の物が取り込んでいた過剰な湿気がすっかり除去されたと考えられる。その結果、金色堂の木材が収縮して漆膜面に亀裂が生じたと判断される。金色堂を構成する木材の収縮についての計測を始めたところではあるが、これまでの測定では木材の寸法変化が確かに観察された。まだ1年間通した記録が得られていないので、この寸法変化が湿度によるのか、季節的な温度変化によるのか、今後の計測結果を持って判断したい。中尊寺金色堂の改修工事に伴う周囲の湿度変化によって、木材が乾燥して収縮し、部分的に亀裂が発生した。

現在も木材の収縮が進行しているか知り、修復時期決定の参考とするために、金色堂保存施設(覆堂)内部の温湿度を計測すると共に、金色堂の周囲の縁板に変位計を取り付け、木材の収縮の様子を測定した。金色堂内部の湿度は温度の変化にもかかわらずほとんど65%に保たれているが、この2年間に縁板の隙間は0.30.4mm程度変化した。保存施設内の温度変化との相関を調べてみると、隙間間隔の変化は季節の温度変動に対応していることがわかった。しかし、全体の傾向として、当初は隙間が開く傾向にあったものが、この1年間はほぼ安定した季節変化を見せているようである。一方、木材の上に塗られた漆膜にかかるストレスを亀裂のある部分とない部分で測定しているが、亀裂のある部分は縁板の隙間と同じように、漆膜にかかるストレスが温度に対応して変化していることがわかった。ストレスが木材の収縮膨張によるものであるとすれば、乾燥による木材の収縮は現在ほぼ安定したと考えられるので、漆膜にかかるストレスも温度変化によっているだけで長期的には安定したとみなせる。しかし、漆膜に生じた亀裂の延びについて別途調査したところ、この2年間の間に新たな亀裂が生じている部分もあり、木材の収縮による引張力が木材表面に塗られた漆膜に残留しているためではないかと考えられた。この点については、さらにデータを測定して漆膜にかかるストレスの変化について正確な評価を下すことが必要である。中尊寺金色堂は現在、保存施設(ガラスケース)に納められている。従来のガラスケースは外界の影響を受けやすく、年平均湿度が80%RHにも達してカビや錆の発生が見られた。それらの被害を防ぐために1986年から90年にかけて改修工事が行われ、ガラスケース内の湿度を65%RH程度に下げたところ、新たな問題として木材が乾燥して収縮し、木材の上に塗られた漆膜に亀裂が発生した。現在も木材の収縮が進行しているか知り、適切な修復時期を決定するために、ガラスケース内の温湿度と木材および漆膜の収縮との関係について測定を行った。まずガラスケース内の温湿度を測定したところ、温度は5°Cから25°Cの間で年変動するが、湿度はほとんど65%に保たれていた。金色堂の周囲の縁板に2枚の縁板にまたがるようにして変位計を取り付け、木材の収縮の様子を測定したところ、計測された縁板の隙間は、季節の温度変動に対して0.30.4mm程度変化していることが分かった。この隙間は本研究を始めた当初は少しずつ開いていく傾向にあったが、今年度の測定では昨年に引き続きほぼ安定した季節変化を示した。また漆膜の内部応力を測定したが、その変化も温度に対応した変化が大部分であった。別途、漆膜に生じた亀裂の延びを観察したが、今年度は大きな変化は見られなかった。これらの測定結果から、当初はガラスケース内の湿度低下により木材が乾燥して収縮が進んだが、新しい環境になって10年近く経った現在では木材の乾燥が落ちついたと考えられる。
春秋戦国時代青銅器の生産と流通に関する複合的研究

春秋戦国時代は、西周時代における祭政一致の政治体制から秦漢時代以降の中央集権的政治体制への転換期であり、その社会変化の通時的解明を目的として、青銅器の生産・流通過程の変化を分析する。分析方法の一つは考古学的分析であり、中国各地で出土する鋳型に表された紋様や鋳造技術上の特徴を、青銅製品の特徴と照合し、各地の工房で生産された製品の流通状況を明らかにする。もう一つは理化学分析で、出土青銅器の微量成分計測を行い、産地の違いを異なる観点から検討する。以上2通りの分析の結果をすり合わせることで、双方の仮説の検証を行い、青銅器の生産と流通のプロセスに関する蓋然性の高いモデルを提示する。
標識レクチンを用いたヒト膀胱腫瘍の再発予知法の開発とその臨床応用

膀胱移行上皮の最外層細胞の表面には斑と稜が認められ、斑は非対称性単位膜(AUM)からなり、表面にConcanavalin A.(Con A)結合部位は存在しない(1、2)。一方膀胱癌細胞の表面はAUMは消失し微絨毛(Mv)でおおわれCon A結合部位が増加している。ラットBBN発癌では初期にAUMにCon A結合部位が増加し、ついでAUM消失、Mvが出現する(2)。これら初期変化がヒト自然発癌で認められるか否か、またこの変化が表在癌の再発予知に役立つかを知る目的で、ヒト膀胱癌の非腫瘍部粘膜多部位生検(MMB)を行ない病理および免疫電顕法で観察比較した。膀胱癌の経尿道的切除(TUR・Bt)に際し、MMBを施行し、約200症例の標本を病理および免疫電顕用に供した。生検はcold cup法で行ない、二分し一部を病理へ他方をフェリチン標識Con Aと反応させたのち電顕試料とした。83例のMMB所見を病理・免疫電顕の両者で比較した。1症例あたりの観察数は病理5.9個、電顕4.2個である。病理では異形成および過形成を、免疫電顕ではAUM上のCon Aの増加、AUM消失Mv出現など形態変化を示すものを異常と判定した。病理により主腫瘍およびMMBが癌と判定された標本の90%以上がMv Con A(+)であった。MMBにおいて病理正常とされた321標本の43%に免疫電顕異常が見出され、標本別異常出現率は病理24%、電顕57%で、症例別異常率も病理30%、電顕72%と後者で高率であった。TUR・Bt後の非再発曲線を57例につき検討した。病理判定ではMMB正常群と異常群の間に有意差はないが(p=0.118)、電顕判定では正常群の非再発率が異常群に比し有意(p=0.042)に高かった。移行上皮表面の超微形態および形質膜糖鎖の変異は、ラットの発癌過程のそれと類似しており、癌の初期変化の可能性が高い。上記再発率の検討結果は、これを間接的に支持するものと理解される。ヒト表在性膀胱癌は多中心性に発生し、再発しやすく、生涯にわたるfollow upを必要とする。再発予知の目的で非腫瘍部粘膜の多部位生検が行なわれているが、未だ臨床的意義は確定していない。研究代表者は膀胱移行上皮の被蓋細胞の腔面形質膜が斑と稜からなり斑にはconcanavalin A(Con A)結合部位が少ないこと(1)、ラットのBBN発癌過程で形態変化に先行し斑上にCon A結合部位の増加が認められ、ついで斑が失われ微絨毛が出現することを見出し、ヒト膀胱癌の非癌部粘膜にもこうした変異が認められることを報告してきた(2、3、4)。こうした電顕的形態変化およびCon A結合部位の増加の意義を明らかにすべく本研究を行なった。1983年より1991年末までの膀胱癌治療例のうち

経尿道的腫瘍切除(TUR・Bt)は484件で、多部位粘膜生検を318件に施行し、うち114件を免疫電顕用に供した。生検はcold cupで行ない、一部を病理へ、一部をフェリチン標識Con Aと反応させたのち電顕試料とした。多部位生検の病理所見による病変出現率は浸潤癌で30%、表在癌で13%であり、表在癌では再発群、腫瘍多発群、低分化群で高かったが、病変の有無による再発率には差がなかった(5)。免疫電顕所見との対比は21例について行なわれた。病理的に癌、上皮内癌、異形成とされた検体では、全て表面に微絨毛が認められ、Con A結合部位は増加していた。病理上正常とされた粘膜の約3分の1に、微絨的あるいはCon A結合の多い斑が認められており、これらはヒト膀胱癌の初期変化であることが示唆された。最近BCG(Bacillus CalmetteーGuerin)の膀胱内注入が表在癌の再発を阻止するとの報告があり我々もこれを追試した(6)。BCG膀注は副物用が強いので、患者選択に問題が残る。次年度にむけ、免疫電顕と病理所見の対比を精力的に行なっており、前者の所見にもとずいた再発率の検討を計画している。膀胱移行上皮の最外層細胞の表面には斑と稜が認められ、斑は非対称性単位膜(AUM)からなり、表面にConcanavalin A(Con A)結合部位は存在しない(1、2)。一方膀胱癌細胞の表面はAUMは消失し微絨毛(Mv)でおおわれCon A結合部位が増加している。ラットBBN発癌では初期にAUMにCon A結合部位が増加し、ついでAUM消失、Mvが出現する(2)。これら初期変化がヒト自然発癌で認められるか否か、またこの変化が表在癌の再発予知に役立つかを知る目的で、ヒト膀胱癌の非腫瘍部粘膜多部位生検(MMB)を行ない病理および免疫電顕法で観察比較した。膀胱癌の経尿道的切除(TUR・Bt)に際し、MMBを施行し、約200症例の標本を病理および免疫電顕用に供した。生検はcold cup法で行ない、二分し一部を病理へ他方をフェリチン標識Con Aと反応させたのち電顕試料とした。83例のMMB所見を病理・免疫電顕の両者で比較した。1症例あたりの観察数は病理5.9個、電顕4.2個である。病理では異形成および過形成を、免疫電顕ではAUM上のCon Aの増加、AUM消失Mv出現など形態変化を示すものを異常と判定した。病理により主腫瘍およびMMBが癌と判定された標本の90%以上がMv Con A(+)であった。MMBにおいて病理正常とされた321標本の43%に免疫電顕異常が見出され、標本別異常出現率は病理24%、電顕57%で、症例別異常率も病理30%、電顕72%と後者で高率であった。TUR・Bt後の非再発曲線を57例につき検討した。病理判定ではMMB正常群と異常群の間に有意差はないが(p=0.118)、電顕判定では正常群の非再発率が異常群に比し有意(p=0.042)に高かった。移行上皮表面の超微形態および形質膜糖鎖の変異は、ラットの発癌過程のそれと類似しており、癌の初期変化の可能性が高い。上記再発率の検討結果は、これを間接的に支持するものと理解される。
食農ラベリング制度の国際比較：地理的表示制度、世界農業遺産、食の世界無形文化遺産

本助成事業の初年度にあたる2018年度は、研究代表者が所属大学の在外研究制度でイタリア共和国ローマ市の国連食糧農業機関(FAO)に客員研究員として滞在した。海外渡航中は、所属大学の経理の規定により本助成事業の利用に制限があったため、以下の通り遂行した研究活動にかかわる経費(交通費、宿泊費、通訳料、学会参加費、PC購入代等)を本助成事業から支出することがかなわなかった:(1)イタリアにおける地理的表示農産物・食品の現地調査、(2)国際社会学会の分科会(農と食の社会学)におけるセッションの開催および研究発表、(3)イタリアにおける各種シンポジウム、ワークショップ、セミナー、研究会への参加、(4)FAOやフィレンツェ大学他の地理的表示研究の専門家へのインタビュー実施等。わずかに支出が認められたのは物品費(図書費等)に限られていたため、本助成事業の申請時よりも初年度の研究費支出計画を大幅に変更せざるをえなかった。所属大学には科研費運用ルールの適正化を求めている。海外渡航中は所属大学の個人研究費の利用も認められていなかったため、上記(1)(4)の実施は私費により行い、研究活動は本助成事業の申請書に記載したスケジュール通りに実施することができた。(2)の成果として、学会分科会のセッションで発表された研究(世界各国の地理的表示制度の現状と課題を批判的に検証した意欲的な成果)を、本助成事業研究代表者らが編者となって、Routledge社から2019年度中に出版できる見込みである。(1)、(3)、(4)の成果は、今後、学会発表や論文投稿を通じて発表していく予定である。上記の「研究実施の概要」で述べたように、所属大学の規定により計画通りに予算を支出することができなかったが、私費により研究活動を遂行したため研究計画のスケジュール通りに進捗している。しかし、多額の予算を次年度以降に繰り越さざるをえなかったという点において、研究課題の進捗状況が影響を受けている点は否めないため、「おおむね順調に進展している」を選択した。しかし、FAOに客員研究員として滞在中には、ユネスコ無形文化遺産やFAOの世界農業遺産(GIAHS)の担当スタッフらとも連絡を取ることができ、研究協力体制を構築することができた。その点では、研究計画は「当初の計画以上に進展している」と評価することができるかもしれない。2019年度以降は、地理的表示産品、世界農業遺産の登録サイトと管内の産品について調査を実施するとともに、食の世界無形文化遺産の登録サイト内で実施されている各種の認証制度について情報・資料収集を行い、調査地域の選定とインタビュー調査を実施する。調査の成果は、順次取りまとめて国内外の学会で発表するとともに、国内や海外のジャーナル等に投稿する予定である。

本助成事業の初年度にあたる2018年度は、研究代表者が所属大学の在外研究制度でイタリア共和国ローマ市の国連食糧農業機関(FAO)に客員研究員として滞在した。海外渡航中は、所属大学の経理の規定により本助成事業の利用に制限があったため、予定通りに科研費を支出することがかなわなかった。わずかに支出が認められたのは物品費(図書費等)に限られていたため、本助成事業の申請時よりも初年度の研究費支出計画を大幅に変更せざるをえなかった。所属大学には科研費運用ルールの適正化を求めている。以上の理由から、次年度使用額が生じた。
カラーホログラフィによる3次元空間表示デバイスの開発とその応用

本研究は、真迫感のあるシャープなカラー像が得られるホログラムを利用した表示デバイスを開発し、空間に浮遊する3次元画像の表示システムを実現することを目的としている。本年度は、色再現の解析、システムを実現するためのホログラムの設計と応用研究を行い、以下のような成果を得た。1.再生像の色再現に関する解析我々が提案したスリットを用いて記録するリップマンホログラムにおいて、観察位置がスリット像位置から変化した場合のホログラム面での色変化をCIE表色系を用いて解析し、確認の実験を行った。その結果、色変化の少ない奥行きの深い鮮明なカラー再生像が得られ、ホログラムから離れた位置に鮮明なカラー像を再生する各種の表示が可能になることがわかった。2.ホログラム設計用シミュレータによるホログラムの設計本シミュレータを用いてホログラフィックレンズを設計した。記録波長と再生波長が異なる場合、再生波面は収差を持つ。この収差を計算機ホログラムを使用して補償することにより、無収差結像が可能になる。それらの設計を行い、結果が正しいことを実験によって確かめた。また、光ファイバー通信用の波長分波器を設計し、高効率で収差の少ない分波器が簡単な記録光学系で実現できることを示した。3.表示システムへの応用ヘッドアップディスプレイへの応用として、液晶テレビ画面の垂直方向の成分をシリンドリカルミラーを用いてホログラフィックスクリーン上に結像する方式を提案し、実験ではホログラムから50cm手前に浮かんだ鮮明な動画像を観測することができた。我々は、本研究の発展として、情報ネットワークを通してホログラムを設計、作製するHOLO-FACTORY構想の実現を目指している。本年度は、そのための理論的解析とホログラム設計用シミュレータの開発を行った。1.再生像の画質及び色再現に関する解析我々が提案したスリットを用いて記録するリップマンホログラムにおいて、再生像の解像力を理論的に解析し、その結果を実験によって確かめた。従来のリップマンホログラムに比し、垂直方向には数倍の解像力(典型的にはホログラムから15cm離れた位置で1本/mm)が得られることがわかった。その結果はAppl.Opt.に投稿中である。また、観察位置がスリット像位置から変化した場合のホログラム面での色変化をCIE表色系を用いて解析し、色再現性を評価した。この結果は今年の「3次元画像コンファレンス」および「The International Holography Conference 2000」で発表の予定である。2.ホログラム設計用シミュレータの開発理論解析に基づき、使用目的に応じた最適な表示システムを得るためには、ホログラムの設計と評価が必要となる。そのために、ホログラムの解析、設計、学習の支援を目的としたシミュレータを開発した。本シミュレータには、基本特性を解析するための再生特性解析機能と、結像を評価するための結像機能が実装されている。結像特性では光線追跡法により評価し、また波面収差を求め、その収差を利用した設計も可能である。本シミュレータの開発については、その一部を昨年の「Optics Japan'99」で発表し、今年の「光学シンポジウム」および「OFD2000」でも発表する予定である。1.再生像の色再現に関する解析

我々が提案したスリットを用いて記録するリップマンホログラムにおいて、観察位置がスリット像位置から変化した場合のホログラム面での色変化をCIE表色系を用いて解析し、確認の実験を行った。その結果、色変化の少ない奥行きの深い鮮明なカラー再生像が得られ、ホログラムから離れた位置に鮮明なカラー像を再生する各種の表示が可能になることがわかった。2.ホログラム設計用シミュレータによるホログラムの設計本シミュレータを用いてホログラフィックレンズを設計した。記録波長と再生波長が異なる場合、再生波面は収差を持つ。この収差を計算機ホログラムを使用して補償することにより、無収差結像が可能になる。それらの設計を行い、結果が正しいことを実験によって確かめた。また、光ファイバー通信用の波長分波器を設計し、高効率で収差の少ない分波器が簡単な記録光学系で実現できることを示した。3.表示システムへの応用ヘッドアップディスプレイへの応用として、液晶テレビ画面の垂直方向の成分をシリンドリカルミラーを用いてホログラフィックスクリーン上に結像する方式を提案し、実験ではホログラムから50cm手前に浮かんだ鮮明な動画像を観測することができた。我々は、本研究の発展として、情報ネットワークを通してホログラムを設計、作製するHOLO-FACTORY構想の実現を目指している。
薬剤の捕捉や送達及び放出が制御できる新規分子システムの開発

テトラペプチド有する水溶性シクロファン(ホスト:CP-N3-LKLA-Fmoc)を合成した。同定はHPLC,MALDI-TOF-MS,1H-NMRで確認した。ホスト添加に伴ってゲスト(2,6-ANS)由来の蛍光強度が上昇したことから同ホストはゲストを捕捉できることが判った。またBenesi-Hildebrand解析からホスト-ゲストの結合定数(K=16,000/M-1)を算出した。トリプシン分解後のFmoc-ALK-OHをHPLC,MALDI-TOF-MSで確認し経時に伴うゲストの蛍光強度の減少からゲストの放出が示唆された。反応速度の遅さを利用した徐放システムはDDSに有用であると考える。薬物の捕捉や放出が自在に制御でき、狙った細胞内に薬物を効率よく送り届ける分子システムを開発することが目標である。具体的には、可逆的で“弱い共有結合"を利用して複数個のシクロファンを連結したシクロファン多量体(ホスト)を合成し、クラスター効果を反映して薬物(ゲスト)を強く捕捉させる。次に、ホストゲスト複合体のまま細胞内へ薬物を送達させる。細胞内リソソームの弱酸性環境下においてシクロファン多量体が酸加水分解され単量体に解裂することで、クラスター効果の解消とともに薬物が細胞内に放出される分子システムを構築する。25年度は、シクロファン多量体として2つの合成法を検討した。ひとつは、シクロファンの連結部としてアシルヒドラゾン結合を利用したシクロファン多量体を分子設計した。他方、トリプシンの作用を受けるオリゴペプチドをシクロファンの連結部として利用したシクロファン多量体も分子設計した。これらのシクロファン多量体の合成について検討し、鍵となる中間体を合成することに成功した。水溶性シクロファンの合成は割とうまく合成できたが、タンパク質分解酵素であるトリプシンの基質(テトラあるいは、ペンタペプチド)の、水溶性シクロファンへの導入が厳しかった。水溶性シクロファンには、ペプチドを導入できるサイトが4ヵ所あるが、導入出来た箇所が1箇所から4箇所までの4種が混合物として得られ、すべてに導入された目的物がなかなか得られなかった。今回反応混合物を脱保護してTOF-Massを測定した結果、テトラペプチドの導入が確認できた。シクロファンを溶解できる溶媒の選択性が低く、さらにペプチドの溶解性が低いため、カップリングする時の縮合剤や塩基について検討が必要であった。本年度はテトラペプチドではなく、ジペプチドをそれぞれ水溶性シクロファンに導入後にペプチド縮合をさせて、水溶性シクロファン2個もちトリプシンの消化を受けるであろうテトラペプチドを合成した。シクロファンを用い薬物の捕捉や放出が制御でき、狙った臓器に薬物を効率よく送り届ける分子システムを開発することにした。シクロファンの側鎖に、消化酵素の作用を受ける塩基性アミノ酸含有テトラペプチド(ALKL)を導入した。そしてトリプシンの加水分解作用による分解挙動、及びそれに伴うゲストの結合力の変化によるゲストの捕捉及び放出について検討する。本研究では疎水性ゲストの捕捉及び、トリプシンを用いたゲストの放出能を評価した。合成して得られたホスト(CP-N3-LKLA-Fmoc)はHPLC、MALDI-TOF-MSで確認した。また1H-NMRでは主要なピークも帰属できた。これらの結果より目的物の合成に成功したと考えている。ゲスト添加(2,6-ANS)に伴うゲスト由来の蛍光強度の上昇を確認することができた。したがって、ホストに取り込まれることによって、ゲストのミクロ環境が親水性から疎水性へ変化したことが示唆された。また蛍光スペクトル変化からゲストに対する結合定数(K=16000/M)を算出した。これらの結果から、ゲストを捕捉することができたと考えている。トリプシンを用いた蛍光追跡実験では、経時に伴うゲスト由来の蛍光強度の減少が見られた。トリプシン酵素分解はHPLC、MALDI-TOF-MSで確認し、分解後のFmoc-A-L-K-OHを確認できた。また、ペプチド鎖末端のFmoc基の蛍光スペクトルを測定したところ、蛍光強度の上昇が見られた。以上の結果から、トリプシン酵素分解によるゲストの放出が示唆された。トリプシンの反応速度が遅いことから(半減期一日)、リジン残基のC末端側がシクロファン近傍に位置しているため、シクロファンの立体障害が要因だと考えている。しかし、このトリプシンの反応速度の遅さを利用した徐放システムはDDSに有用ではないかと考えている。

またBenesi-Hildebrand解析からホスト-ゲストの結合定数(K=16,000/M-1)を算出した。トリプシン分解後のFmoc-ALK-OHをHPLC,MALDI-TOF-MSで確認し経時に伴うゲストの蛍光強度の減少からゲストの放出が示唆された。反応速度の遅さを利用した徐放システムはDDSに有用であると考える。タンパク質分解酵素であるトリプシンの作用を受けるのと考えられるテトラペプチドの合成スキームを考え直して、最初にそれぞれ水溶性シクロファンにジペプチドを導入後にジペプチドを縮合して、テトラペプチドを合成する方法で目的物が得られてきたので。水溶性シクロファンを5個含む目的物の合成できると考える。有機生物化学水溶性シクロファンにトリプシン基質が導入できたのではないかという確認はESI-Massで確認できたのであるが、それは3種が混合の状態で検出できた。全てに導入できたとすれば、それはイオン化できない。それでリジン残基の側鎖保護基であるターシャルオキシカルボニル(BOC)基を脱離した後、タイムオフフライトーマススペクトル(TOF-Mass)を測定した。高速液体クロマトグラフィー(HPLC)の測定で、2ピーク検出できたのでそれを分取して、そのTOFーMassを測定した結果、4個導入されているのと2個導入されているのが確認できた。今後このサンプルをHPLCで分取して精製しようと思っている。水溶性シクロファンを溶解できる溶媒の選択性が低く、さらにテトラペプチも溶解性が低かった。今回、ジペプチドから合成をやり直した結果、溶解性に関し改善できた。ジペプチドをそれぞれ水溶性シクロファンに導入後にペプチド縮合をさせて、水溶性シクロファンを2個含有し、トリプシンの消化を受けると考えているテトラペプチドをスペーサーとしてもつ、水溶性シクロファン2量体が合成できた。この方法で5量体も合成できるのではないかと考えている。アシルヒドラゾン結合を利用したシクロファン多量体の前駆体まで合成できている。新規化合物のため、13C NMRや元素分析などによる同定も行った。一方、固相合成したオリゴペプチド鎖をシクロファン骨格へ少なくとも1本は導入できることがMALDI-TOF MS測定からわかった。しかし、より効果的なシクロファン多量体を合成するためには、より多くのオリゴペプチド鎖をシクロファンに導入する必要があると考える。そのため、反応条件の更なる検討も必要であろう。次年度は、複数個のオリゴペプチド鎖をシクロファン骨格に導入した化合物の合成法を確立したい。それを鍵化合物としてシクロファン多量体の合成について検討する。また、あわせてアシルヒドラゾン結合を利用したシクロファン多量体の合成についても検討したい。
超音波リニアモ-タの試作

超音波リニアモ-タを,(A)高強度圧電セラミックスの製造,(B)大電圧駆動下の圧電振動子のインピ-ダンス測定,(C)弾性体振動子の設計と超音波リニアモ-タの試作の3点に着目して開発した。(A)超音波アクチュエ-タ用の駆動源として圧電セラミックスが使用されるが,この用途に使用される場合は,圧電セラミックスに大きな機械的な負荷が加えられる。セラミックスの機械的特性を向上させる目的でHIP焼成とセラミックス繊維による複合化を試みた。曲げ強度をそれぞれ30%,10%向上されることができた。(B)超音波モ-タにおいては,圧電セラミック素子に大きな交番電界が印加されて駆動される。圧電振動子の大電圧駆動下におけるインピ-ダンス測定系を完成し,それを使用して数種の圧電材料について測定を試みた。通常のインピ-ダンスアナライザでの測定値と比較して,高電圧サ-ボアナライザで測定した場合には,電合機械結合係数kは著しく増大し,一方機械的性能指数Qは減少することがわかった。(C)2本足と2本の積層圧電体をもった兀字状超音波リニアモ-タを提案した。理論的に2本足とも同じ回転方向の楕円軌跡になることを明らかにし,また内部機械損失を考慮した有限要素法により楕円軌跡の数値解析も行なった。実際に超音波リニアモ-タの試作を行ない,レ-ザドップラ法により2本足の振動を測定し,両足の同方向の楕円運動を確認した。高さ18mm,幅36mm,厚さ5mmのアクチュエ-タで,駆動周波数90kHz,推力400gf,速度20cm/sec程度のものが試作され,安定性も良好であることがわかった。超音波モ-タにおいては、圧電セラミック素子にかなり大きな交番電界が印加されて駆動される。従って、圧電振動状態の駆動電圧依存性を知ることが重要である。本年度においては、圧電振動子の大電圧駆動下におけるインピ-ダンス測定系を完成することを最重要課題とし、それを使用して数種の圧電材料について測定を試みた。測定は、コンピュ-タ-(NEC,PC9801)による自動化を図り、高電圧高速電力増幅器(NF回路,4305)を通じて交流大電圧を測定試料に印加、そのインピ-ダンスを周波数特性分析器(NF回路5070)によって計測した。周波数を掃引してインピ-ダンスを測定し、アドミッタンス円を描かせ、圧電共振に関わるパラメ-タを計算するのに、合計20秒程度でできるプログラムを完成した。通常のインピ-ダンスアナライザ(1V/1mm厚試料)での測定値と比較して、サ-ボアナライザ(35V/1mm)で測定した場合には、電気機械結合係数kは著しく増大し、一方機械的性能指数Qは減少することがわかった。その原因には、圧電振動の電圧についての非線形効果と、発熱による温度変化に2つが考えられ、前者の寄与が80%程度であることがわかった。また、周波数の掃引中に、高電圧の場合(30V以上)、瞬間的(1秒程度)に80°C以上になることもあり、圧電体材料の脱分極の危険性のあることも判明した。種々の材料を検討した結果、ハ-ドな圧電材料ほどソフトなものと比較して、駆動電圧依存性は小さかった。当該研究実績については、1990年春の応用物理学会(29pーZー4)にて報告済みである。超音波リニアモ-タを次の3点に注目して開発を行った。(1)高強度圧電セラミックスの製造,(2)大電圧駆動下の圧電振動子のインピ-ダンス測定,(3)弾性体振動子の設計。

当該年度の主眼は,(1)と(3)である。超音波アクチュエ-タ用の駆動源として圧電セラミックスが使用されるが,この用途に使用される場合は,圧電セラミックスに大きな機械的負荷が加えられる。従って、この用途に使用される圧電セラミックスは機械材料でありながら,圧電特性と同等に機械的特性も要求される。セラミックスの機械的特性を向上させる1つの方法として,HIPがある。これは被処理体をアルゴンガスを圧力媒体として圧縮し,同時に加熱する方法である。これにより,セラミックスの空孔を除去して機械的特性を向上させることができた。(曲げ強度30%,破壊靭性20%向上)。また,セラミックスの機械的特性を向上される別の方法として,セラミックス繊維などの強化材によって複合化する方法がある。アルミナウィスカの添加により,圧電特性を劣化させずに,機械的特性を向上させる(曲げ強度10%向上)ことができた。2個の積層型圧電体と2本の足をもった兀字状超音波リニアモ-タを提案した。理論的に2本足とも同じ回転方向の楕円軌跡になることを明らかにし、また内部機械損失を考慮した有限要素法により楕円軌跡の数値解析も行なった。実際に超音波リニアモ-タの試作を行ない,レ-ザドップラ法により2本足の振動を測定し,両足の同方向の楕円運動を確認した。高さ18mm,幅36mm,厚さ5mmのアクチュエ-タで,駆動周波数90kHz,推力400gf,速度20cm/sec程度のものが試作され,安定性も良好であることがわかった。
小角散乱法による鉄鋼中水素のナノスケール分析

環境負荷の低い高強度鋼の水素脆化機構の解明に向けて水素のナノスケールの偏在状態を検討する目的中性子小角散乱法の利用技術確立をめざし、ボルト材等の小型試料に関する定量化レベルの向上を行った。また、添加元素を抑えながら鉄鋼材料の高強度化を行うために軽元素が形成するナノスケールのヘテロ構造の詳細を中性子小角散乱法とX線小角散乱法を併用することで組成情報まで含めた情報を取得する手法を確立した。21年度は2次元位置敏感型検出器を高透過能型X線小角散乱装置に導入し,この結果、これまでのマルチワイヤータイプの位置敏感型ガス検出器と比較し,Yを含む系のhigh-q領域でのバックグラウンドレベルをおよそ半分程度にまで抑えることに成功した。あわせて、検出ガスによるスメアリングの低減により、異なるコリメーション間の接続性が試料によらず安定し,強度定量性の大幅な向上に寄与した。これを用いて加工を導入した純鉄試料の小角散乱測定を進めている。このうちhigh pressure torsion試料では無加工試料と比較して明瞭な散乱強度の向上を確認した。他には析出物を含まない実用鋼、析出物の形状が異なる実用鋼において熱処理条件を変えた試料の測定を行ったこれらの試料を定常炉中性子源3号炉を利用して中性子小角散乱測定を行う予定であったが当該炉の補修長期化により中性子実験の機会が1回に限定され,析出物を含まない実用鋼の測定に留まった。しかし、この実験において水素有無の散乱強度の差を検出した。強度差は炭化物のサイズに相当するq領域に観測されたため,炭化物の析出しやすい転位密度の高い領域に優先的に水素がトラップされたためと解釈可能であり,現在、再現性の確認等を進めている。3号炉は21年度末より再開し,現在、中性子測定が順調に進んでおり,22年度はマシンタイムの制約なく、計画進行できる見込みである。22年度は21年度に導入した2次元固体検出器の仕様により、大幅にデータクオリティーが向上したX線小角散乱と年度内で極めて順調に稼働した中性子小角散乱との併用で水素や酸素(酸化物)の偏在状態を組成情報を含めて定量化する合金コントラストバリエーション(ACV法)の適用例を大幅に拡充した。特に、3nm以下の析出物やクラスター等について、非破壊かつ母相の影響なく組成が検討でき、ナノサイズの不均質の詳細構造や形成過程の検討に有効である。水素の偏在状態についてはナノ析出物のトラップについて検討を進め、検討した5種類の合金種のうち、2種で強度のわずかな差を検出した。しかし、水素が空間を押し広げて偏在しているモデルと比較すると強度変化が小さかった。このため、わずかな弾性歪み領域に侵入型で存在している可能性が高い。本件を検討するために重水素による水素チャージおよび中性子小角散乱実験を23年度に予定している。なお、3月11日に発生した東日本大震災の影響で23年度に使用予定であった中性子小角散乱施設の稼働が現在大幅に遅れることが予想されている。このため、当初計画には含まれていなかった京大原子炉小角散乱を使用する計画である。今年度は震災により中性子施設が長期停止したため、当初計画から変更し、水素を含む軽元素の空間分布をナノスケールで定量的に解析する合金コントラストバリエーション(ACV)法の完成に集中した。この目的で昨年度までに取得した中性子小角散乱データとX線小角散乱データを離礁した解析を進め、電子顕微鏡で観測困難な炭素元素の極小クラスタへの応用およびミクロンレベルのスケール領域に対応する介在物に適用し、論文発表した。前者は転位やナノ析出物界面への水素局在化の評価、後者は応力州中部への水素局在化の評価につながる技術である。これによりACV法がどのスケール領域でも軽元素を含む組成の不均質構造の定量解析に極めて有効であることを確認し、この成果をアメリカ材料系3学会の合同会議であるTMS年会および韓国金属学会で招待講演として発表している。また、ラボX線小角散乱も震災の影響で故障が複数回発生したが比較的早期に復旧できた。中性子小角散乱については国内施設停止に対する国際的な支援の一環として韓国原子力研究所における実験を行った。この実験では現地で鉄鋼材料に対する重水素チャージ実験を行い、水素吸収・脱離による散乱強度変化を測定し、微小なプロファイル形状変化が観測されたため、現在、データの詳細解析を行っている。今後再現実験を含む追加実験を行う予定である。また、大型施設の不慮の停止に対応するため、北海道大学のライナックパルス中性子源を利用した研究を行い、小型パルス中性子利用小角散乱でもナノ析出物評価を可能にすることを目的として試験測定を行い、利用可能であることを実証した。
交互脈の発生に関する数理モデルの構築とその解析による抑制方法の開発

本研究では,生物実験結果を基に交互脈の発生に関する心臓の数理ネットワークモデルの一部を構築した.各種細胞のモデルは既存のものを使用し,グルタミン酸による興奮性シナプスの時定数(立上がり時間と立下り時間)を実験結果の電流波形より計測し,常微分方程式を用いた数理モデルを作った.そのモデルを解析した結果として,時間非依存カリウム電流の平衡電位が特に交互脈の発生に最も関与することがわかった.本研究では,生物実験結果を基に交互脈の発生に関する心臓の数理ネットワークモデルの一部を構築した.各種細胞のモデルは既存のものを使用し,グルタミン酸による興奮性シナプスの時定数(立上がり時間と立下り時間)を実験結果の電流波形より計測し,常微分方程式を用いた数理モデルを作った.そのモデルを解析した結果として,時間非依存カリウム電流の平衡電位が特に交互脈の発生に最も関与することがわかった.本研究では,矢澤らの生理学実験結果に基づき,心臓の数理モデルを構築した.特に,矢澤らの実験において化学シナプスによる結合の存在が初めて確認されたので,本研究で数理モデリングした.始めにマウスの心臓モデルであるLuo-Rudyモデルを用いて,Small cell(ペースメーカ細胞)とLarge cellから心筋細胞へのシナプス結合について,実験結果の波形からシナプス時定数を計測し忠実に再現した.結果,パラメータ値を調整することで交互脈を発生させることが可能となった.次にウサギの心臓モデルであるShannonモデルを用いて同様の検証を行い,交互脈の発生を再現できた.電気シナプス結合だけでは再現できなかった交互脈が,化学シナプス結合を加えることにより数理モデル上で再現可能となった.次に,その交互脈の発生原因を探るために,各種イオン電流に対する感受性を調査し,細胞外カリウムイオン濃度が通常の2倍程度になれば発生することをつきとめた.カリウムイオン濃度により各種イオン電流やカリウムイオン平衡電位の大きさが変化するが,そのうちどれが本質的に効いているのかを調査した結果,それらの一つのパラメータ値を変化させただけでは交互脈が発生せず,複合的な要因により発生することがわかった.今後は,交互脈を発生させるためのパラメータ群の有効な組み合わせを調査し,交互脈を抑制するためのイオン電流ブロックなどの手法を考察する予定である.数理モデルを用いて,死の予兆と言われる交互脈の抑制手法を確立することは,突然死のリスク軽減にとって非常に重要である.交互脈は脈の振幅または間隔が大小を交互に繰り返す脈で,死の予兆であることが知られている.本研究では,生物実験結果を基に交互脈の発生に関する心臓の数理ネットワークモデルの一部を構築した.各種細胞のモデルは既存のものを使用し,グルタミン酸による興奮性シナプスの時定数(立上がり時間と立下り時間)を実験結果の電流波形より計測し,常微分方程式を用いた数理モデルを作った.そのモデル方程式(非線形)に対して,我々の研究グループで開発した分岐解析アルゴリズムを用いて,方程式の解の性質が変化(分岐)するパラメータ領域を調査した.交互脈は分岐の観点から見ると解の周期が倍になる周期倍分岐に対応している.そこで,構築した数理モデルに対して分岐解析アルゴリズムを適用して周期倍分岐が起こるパラメータ値を探索した.パラメータとしては,ナトリウムイオンとカルシウムイオンのコンダクタンス,細胞外カリウムイオン,ナトリウムイオン,塩化物イオン,カルシウムイオン濃度を変化させた.これらの中で細胞外カリウムイオン濃度を変化させた場合に交互脈の発生が見られた.細胞外カリウムイオン濃度が変化すると,時間依存カリウムイオン電流のコンダクタンスと平衡電位,時間非依存カリウムイオン電流のコンダクタンスと平衡電位に影響を与える.これらの中で時間非依存カリウム電流の平衡電位が特に交互脈の発生に関与することを明らかにした.正常な平衡電位の値から上昇するに従い,交互脈が発生し細胞の発火周波数が徐々に上がっていき,心筋細胞が閾値まで到達しなくなり,心臓が動かなくなるという心停止のプロセスを,モデル方程式の時間非依存カリウム電流の平衡電位値を変化させることで再現することができた.これらの結果により,交互脈の発生メカニズムを明らかにし,交互脈を抑制するためには細胞外カリウム濃度が重要なファクターであることがわかった.
四重鎖DNAを利用したヘム錯体の空間配列制御とヘム核酸創製

四重鎖DNAにおける自己組織化を利用してヘムの空間配置を制御し、調製される新規"ヘム核酸"の構造と機能の相関関係を解析することにより、ヘム核酸を新規機能性材料として展開するために必要な基礎的知見を得ることを目的に研究を行った。四重鎖DNAを構成するG・カルテットとヘムがほぼ同じ大きさのπ平面をもっことから、疎水性相互作用とヘム鉄への核酸塩基の配位により、ヒト染色体末端におけるテロメア部位の基本配列であるd(TTAGGG)により形成される平行型四重鎖DNA[d(TTAGGG)]_4はヘムと1:1複合体を形成することを見いだしている。また、[d(TTAGGG)]_4は、3'-末端のG-カルテットの分子間スタッキングにより二量化することも明らかにしている。本研究では、これらの知見に基づいて、四重鎖DNAを利用してヘム錯体の空間配列制御とヘム核酸の創製を行う。具体的には、四重鎖DNAの二量化反応などを利用し、2つのヘムを0.7-1.5nmの範囲に配置した複合体を調製し、ヘム間の相互作用について検討した。その結果、DNA塩基配列の選択により四重鎖DNAにヘム2分子を導入することが可能であることを見いだすと共に、四重鎖DNAの安定二量体を形成させる方法開発し、ヘムの空間配置を制御するための基礎的知見を得ることができた。また、ヘム核酸の軸配位子と酸化還元電位の関係:H_2O(orvacant)、イミダゾール、メルカプトエタノールを第六配位子としてもつヘム核酸それぞれの酸化還元電位(Em)をSquarewave voltammetry法により測定した(Em=-91mV(H_2O or vacant),Em=-145mV(イミダゾール),Em=90mV(メルカプトエタノール))が得ら、ヘム核酸においてもヘムタンパク質と同様に、第六配位子の元素がS、O、Nの順にEmが低下することが確認された。このように、軸配位子の交換によりさまざまな酸化還元電位を示すヘム核酸を創製できることも明らかにした。四重鎖DNAにおける自己組織化を利用してヘムの空間配置を制御することにより、"ヘム核酸"を調製した。そして、ヘム核酸の構造と機能の相関関係を解析することにより、ヘム核酸を新規機能性材料として展開するために必要な基礎的知見を得た。四重鎖DNAを構成するG-カルテットは、ヘムとほぼ同じ大きさのπ平面をもつことから、疎水性相互作用とヘム鉄への核酸塩基の配位により、ヒト染色体末端におけるテロメア部位の基本配列であるd(TTAGGG)により形成される平行型四重鎖DNA[d(TTAGGG)]_4はヘムと1:1複合体を形成することを明らかにした。また、[d(TTAGGG)]_4は3'-末端のG-カルテットの分子間スタッキングにより二量化することも明らかにした。これらの知見に基づいて、四重鎖DNAを利用してヘム錯体の空間配列制御とヘム核酸の創製のための研究を行い、主に1.-4.を明らかにした。1.[d(TTAGGG)]_4とカチオン性ポルフィリンTMPyPが形成する複合体の構造解析により、[d(TTAGGG)]_4の3番目のアデニンと4番目のグアニンの間にポルフィリンがインターカレートすることが示され、ヘム核酸も同様な構造であることが示された。2.ヘム核酸が酸化型ミオグロビン(Mb)に類似した分光学的性質を示すことを明らかにした。この結果を考え合わせると、3番目のアデニンの一つがヘム鉄に配位していることが示された。3.G-カルテット部位の3'および5'末端にアデニンを配置した四重鎖DNA[d(TTAGGGA)]_4,[d(TTAGGGAT)]_4と、ヘムとの相互作用を調べたところ、四重鎖DNA1分子に対してヘムが2分子結合することが明らかとなった。これらのヘム核酸では、ヘムが約1nm離れて平行に配置されていることになる。4.[d(TTAGGG)]_4のヘム核酸に、イミダゾールとその誘導体が酸化型Mbとほぼ同じ親和性で結合することを明らかにした。