hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
人体周辺電波利用機器安全評価のためのハイブリッドシミュレータの開発

携帯情報端末や人体通信,無線電力伝送などの人体周辺で用いられる無線機器を誰もが安心して使用してゆくためには,電磁波ばく露に対する人体の安全性を科学的に明らかにしておく必要がある.このためには人体内部の電磁界や発熱を正確に予測する必要があるが,市販の電磁界シミュレータや従来の計算法では満足できる計算精度が得られなかった.本研究は,電磁環境的要素を含めた人体周辺電波利用機器の安全性を正確に評価するために,電磁界や人体近傍アンテナを高精度で解析できるハイブリッドシミュレータの開発を目的としたもので電磁波ばく露軽減法のためのメタマテリアルについても検討を加えたものである.平成25年度は,本研究の核となる,ア)シミュレータの統合技術およびその実証,イ)回路解析と電磁界のハイブリッド解析法,についてシミュレーションおよび実験を行い,研究課題遂行に向けいくつかの知見を得た.ア)およびイ)それぞれの項目に対して得られた知見を示す.ア)については,本研究で特に対象とした人体の解析に有効なシミュレータ技術の開発を行った.これまでのシミュレータでは,人体を高精度に解析するには非常に多くの計算機資源を必要としていた.この理由は,コンピュータ上でモデル化する際に単位構造を組み合わせてモデル化するが,非常に複雑な人体構造をコンピュータ上でモデル化するにはごく細かな単位構造が必要となるためである.また,ごく細かな単位構造を用いると計算結果が妥当な値に収束するまでに多くの時間が必要となっていた.この問題に対し,収束していない結果を基に収束値を予想するシミュレーション手法を,電磁界解析手法と統合した.その有効性を実験値等と比較し確かめた.有効性においては,予測する手法を組み込まない時と比べ条件により,計算時間が数十分の一程度まで高速化できることを示した.イ)については,理論的考察を中心に研究を遂行した.回路の特性方程式は有利関数であらわされる.そこで,電磁界解析手法に有利関数を統合する手法について基礎検討を行った.この手法では,特性方程式を入力と出力の比で表すものである.本研究では,電磁界解析で重要であるアンテナの給電部に回路が組み込まれることを想定して,アンテナの入力電圧,アンテナ給電部の電流をそれぞれ特性法的式の入力と出力として,特性方程式にする手法の開発を行った.このため,そのまま回路問題に応用できる.有効性はシミュレーションにより確認した.携帯情報端末や人体通信,無線電力伝送などの人体周辺で用いられる無線機器を誰もが安心して使用してゆくためには,電磁波ばく露に対する人体の安全性を科学的に明らかにしておく必要がある.このためには人体内部の電磁界や発熱を正確に予測する必要があるが,市販の電磁界シミュレータや従来の計算法では満足できる計算精度が得られなかった.本研究は,電磁環境的要素を含めた人体周辺電波利用機器の安全性を正確に評価するために,電磁界や人体近傍アンテナを高精度で解析できるハイブリッドシミュレータの開発を目的としたもので電磁波ばく露軽減法のためのメタマテリアルについても検討を加えたものである.初年度にあたる本年度は下記2点の研究をおこなった.それぞれの成果を示す.1FDTD法を用いた生体解析における精度の評価および高精度化手法の開発:シミュレータを開発するうえで重要な精度の評価を行った.FDTD解析においてこれまでは,波長の20分の1程度の空間離散間隔を取れば十分な精度が得られると言われていた.しかし,精密な解析を行った結果,生体解析においては,人体内部での波長に対して空間離散間隔を50分の1程度にしないと正しく解析できないことが分かった.これら成果より,生体を高精度に解析するには多くの計算機資源が必要であることが分かった.計算機資源を削減することを目的に,電磁界の空間変化をFDTD法に組み込む手法の開発を行った.この手法を用いることにより,人体通信で用いられる屈曲部を多く含む小型アンテナを,極端に細かな空間離散間隔を用いる事無く高精度に解析できることが分かった.2モーメント法の高精度化手法の開発本研究課題で開発を行うシミュレータは,少ない計算機資源で,高精度なシミュレーションが行えるものを目指す.そのために,モーメント法によるアンテナ解析の高精度化手法の開発を行った.モーメント法を用いてアンテナを解析する際,アンテナ全体をある長さの組み合わせに分割して解析するのが一般的である.この分割の仕方は,これまで均等に分割されていた.今年度は,厳密な定式化に基づいた,最適な分割法の研究を行った.この成果よりアンテナの給電部や端部において細かく分割することで高精度化できることが分かった.さらに開発した分割方法を,長さの異なるアンテナや,半径の異なるアンテナに対して適用しその有効性を明らかにした.本年度は前年度までに開発したシミュレータを統合したハイブリッドシミュレータを用いて数値人体ファントム近傍に置かれたアンテナとの相互結合解析などを行って,本シミュレータの精度や有効性を理論的・実験的に明らかにする計画であった.これについてはほぼ計画通りに実施した.一方,人体とアンテナとの相互作用を軽減する手段として,メタマテリアル構造を用いることが有効であることも最近分かってきたため,所期の計画に加えてこれについても検討を行った.以下に主な研究実績を述べる.1)人体近傍アンテナ解析シミュレータの改良と人体暴露用アンテナの開発:前年度までに開発したシミュレータの有効性はほぼ確認できたが,低周波数帯になると計算時間が極端に増加することが新たに分かったため,これを解決する方法として自己回帰移動平均推定処理(ARMA)を組み入れたFDTD法を開発すると共に,その有効性を数値的に確認した.

一方,人体近傍アンテナと人体との相互結合を軽減して,人体の安全性を改善する手法として,人体とアンテナとの間に周期構造体を挿入することが最近提案されている.このような方法の有効性を数値的に確認すつためにARMA-FDTD法の有効性についても検討を加えた.これらの検討事項を踏まえて,安全性評価のための人体暴露用アンテナの開発についても検討を行い,数値計算と実験との相互補完によって,特に6GHz帯の周波数においては極めて特性のよいアンテナを開発した.2)周期構造を利用したメタマテリアルは人体の安全性改善にも役立つことが分かってきたが,それを解析・設計する手段がなかった.本研究では,FDTD法を基盤とする計算法について検討し,ARMA-FDTD法や人体を表面インピーダンスで置き換える方法などを検討し,その有効性を明らかにした.電磁波工学本研究の目的は,人体周辺で使用される電波機器の安全性評価のためのシミュレータの開発である.研究遂行の核となるのは,個々のシミュレータ技術の開発とそれらを融合する技術であり,それらに関する一連の研究を行った.本年度は,研究課題の目的達成のために,特に人体モデルを意識して,シミュレータの開発を行った.人体は損失性誘電体としてモデル化されるので,損失性モデルに対してより正確でより高速な手法の開発を行った.開発したシミュレータは業績の概要にも示しているように,従来の手法に収束した時の値を予測する手法を組み合わせることにより,計算時間の大幅な短縮を可能にした.この時の評価指標としては,人体に吸収される電力,人体近傍におかれたアンテナの特性であったが,すべての解析において高速化を達成した.また,アンテナの給電部に回路が装荷されているモデルを電磁界解析手法と統一的に解析できる手法の基礎検討を行った.回路は特性方程式であらわされることに着目し,特性方程式を電磁界解析で統一的に解析する手法の開発を行った.その有効性をシミュレーションを通して確認した.また,この手法はそのまま回路解析に応用できる.以上より本年度までの成果を研究計画と照らし合わせると,研究は順調に進展していると言える.初年度である今年度の進捗状況は,おおむね順調に進んでいると言える.以下にその根拠を示す.本研究では,FDTD法,モーメント法,熱解析等を組み合わせたハイブリッドシミュレータの開発を行うが,今年度はそれぞれの手法の高精度化および特性の解明を行った.FDTD法については,精度と解析条件の定量的な評価を行ったことにより,高精度に解析できる条件を示すことが出来,有効なシミュレータの開発にめどがついたと言える.さらに,本研究では,開発したシミュレータを用いて人体通信に用いられる機器の開発を目指しているが,人体通信で用いられると考えられる,複雑な形状の小型アンテナを少ない計算機資源で高精度に解析できる手法の開発を行った.これにより,少ない計算機資源で高精度に解析できるシミュレータの開発にめどがついたと言える.
原子価制御ペロブスカイト薄膜による一酸化窒素の直接分解

1.ペロブスカイトによるN_2O直接分解La_2CuO_4のLa^<3+>およびCu^<2+>イオンを異原子価イオンで置換し、Cuの原子価制御を行ったところ触媒バルクのCuの平均酸化数(AON)が1.62.3の広い範囲で制御できた。AONとN_2O直接分解反応活性との間によい正の相関がみられ、とりわけAONが2を越えると活性が急激に増大した。一方、酸素欠陥量(δ)と活性の間には相関が見られなかった。活性点は配位不飽和な表面Cu^<2+>イオンであり、バルクのCu^<3+>が安定な触媒ほど表面でのCu^<2+>イオン→Cu^<3+>イオンのレドックスが進行しやすく、吸着に伴いN_2Oの反結合性軌道に電子が導入されて分解が促進されると推定した。2.ペロブスカイト化合物の希薄NO吸収特性ペロブスカイト関連化合物であるYBa_2Cu_3O_7(YBC)は300°CでNOを大量に吸収し、500°Cで吸収したNOを脱離する。そこで可逆的なNO吸収脱離材の開発をめざした。水蒸気処理および酸素共存の効果、XRD回折、IR等の結果から、NOはNO_2-またはNO_3-に酸化されてアモルファス相に吸収されていると結論した。次にNO選択環元触媒であるCeイオン交換ZSM-5(以下、Ce-Z)とYBCを組み合わせてNO吸収分解システムを構築した。種々の反応方式を検討した結果、前段にYBCとCe-Zの混合層、後段にCe-Zを配し、中間からC_3H_6を供給しながら前段を昇温しNOを脱離させると、Nの脱離回収率は99%、400°C以下のN_2選択率は82%と高い性能を示した。ただし400°C以上でのN_2選択性は低かった。そこで、N_2選択性の高い350°Cで温度一定で脱離分解を行った。この場合、開始後9時間でN回収率75%,N_2選択率79%と好成績を示し、希薄NO除去に本システムが有効であることが示された。
口腔顎顔面インプラントへの抗菌性チタンの臨床応用に関する基礎的研究

口腔顎顔面インプラントへの抗菌性チタンの臨床応用を目的として以下の課題について検討した。臨床的研究1.糖尿病患者へのインプラント治療に関する臨床的研究2.チタンメッシュを用いた骨造成手術に関する臨床的検討2.顎裂骨移植部へのインプラント治療に関する臨床的研究基礎的研究1.高血糖がインプラント周囲組織における宿主防御反応に及ぼす影響10週齢の雌のSDラット20匹を用い、ストレプトゾトシン投与群10匹と対照群10匹の2群に分けた。各群のラットの脛骨に直径2mm、長さ5mmの純チタン製スクリューを埋入し、4週間後に屠殺した。作製した標本は、通法に従いHE染色および免疫染色を行い、インプラント周囲の軟組織における炎症性細胞浸潤を顕微鏡下にて検討した。その結果、高血糖ラット群のインプラント体周囲の軟組織は、対照ラット群と比べて、好中球の浸潤が著明であった。上皮下では好中球の浸潤が著明であり、Tリンパ球およびマクロファージの浸潤はあまりみられなかった。また、純チタンの抗菌処理を行ったインプラントを用いたところ、純チタンインプラントと比べて、炎症性細胞の浸潤様式に差はみられなかった。ストレプトゾトシン投与群では、対照群と比較してチタンスクリュー周囲の軟組織内に好中球およびマクロファージの浸潤が多く認められ、炎症が長期に渡り存在している傾向が認められた。2.移植皮膚組織における宿主防御反応に関する検討ビーグル犬10頭を実験に用い、小臼歯を抜歯後腹部より皮膚を採取して抜歯部の無歯顎堤に移植した。移植後約3ヶ月経過した後に、純チタン製インプラントを埋入し、インプラントを埋入後3ヶ月経過してから顎骨を摘出し、インプラント体周囲組織の宿主防御反応を組織学および免疫組織学的に解析した。その結果、植皮部におけるインプラント体周囲組織の炎症反応は、粘膜組織における炎症反応よりも著明であることが明らかとなった。1.実験用インプラント体の作製実験用インプラント体として、純チタン製スクリューを60本作製した。このスクリュウーを抗菌処理したものと非処理のものの2つのグループに分けて以下の実験に使用した。2.実験方法(1)インプラント体周囲組織の宿主防御過程の解析ラットの脛骨に抗菌処理および非処理のインプラント体を埋入し、術後30日目にラットを屠殺して、周囲組織を含めてインプラント体を摘出した。現在、脱灰薄切切片、凍結薄切切片および非脱灰研磨片を作製し、組織,免疫組織化学的な解析を行っている。(2)糖尿病下における宿主防御反応への影響I型糖尿病の疾患モデルであるストレプトゾトシン誘発高血糖ラットで、血糖値が300mg/dl以上のラットを糖尿病ラットとして実験に用いた。これらのラットの脛骨へ抗菌処理および非処理のチタン製インプラントを埋入し、術後30日目に屠殺した。次いで周囲組織を含めてインプラント体を摘出し、現在、脱灰薄切切片、凍結薄切切片および非脱灰研磨片を作製し、組織,免疫組織化学的な解析を行っている。(3)移植皮膚組織における宿主防御反応に関する検討ビーグル犬10匹を実験に用い、小臼歯を抜歯後、腹部より皮膚を採取して抜歯部の無歯顎堤に移植した。今後は移植した皮膚の生着を待ってインプラントを埋入し、移植皮膚組織における宿主防御反応に関する検討を組織、免疫組織化学的に解析する予定である。

チタン製インプラントに対する抗菌処理が、インプラント周囲組織における宿主防御反応に与える影響を明らかにするために以下の課題について検討した。1.高血糖がインプラント周囲組織における宿主防御反応に及ぼす影響10週齢の雌のSDラット20匹を用い、ストレプトゾトシン投与群10匹と対照群10匹の2群に分けた。各群のラットの脛骨に直径2mm、長さ5mmの純チタン製スクリューを埋入し、4週間後に屠殺した。作製した標本は、通法に従いHE染色および免疫染色を行い、インプラント周囲の軟組織における炎症性細胞浸潤を顕微鏡下にて検討した。その結果、ストレプトゾトシン投与群では、対照群と比較してチタンスクリュー周囲の軟組織内に好中球およびマクロファージの浸潤が多く認められ、炎症が長期に渡り存在している傾向が認められた。2.移植皮膚組織における宿主防御反応に関する検討ビーグル犬10頭を実験に用い、小臼歯を抜歯後腹部より皮膚を採取して抜歯部の無歯顎堤に移植した。移植後約3ケ月経過した後に、純チタン製インプラントを埋入し、インプラントを埋入後3ヶ月経過してから顎骨を摘出し、インプラント体周囲組織の宿主防御反応を組織学および免疫組織学的に解析した。その結果、植皮部におけるインプラント体周囲組織の炎症反応は、粘膜組織における炎症反応よりも著明であることが明らかとなった。その結果、高血糖ラット群のインプラント体周囲の軟組織は、対照ラット群と比べて、好中球の浸潤が著明であった。上皮下では好中球の浸潤が著明であり、Tリンパ球およびマクロファージの漫潤はあまりみられなかった。また、純チタンの抗菌処理を行ったインプラントを用いたところ、純チタンインプラントと比べて、炎症性細胞の浸潤様式に差はみられなかった。ストレプトゾトシン投与群では、対照群と比較してチタンスクリュー周囲の軟組織内に好中球およびマクロファージの浸潤が多く認められ、炎症が長期に渡り存在している傾向が認められた。2.移植皮膚組織における宿主防御反応に関する検討ビーグル犬10頭を実験に用い、小臼歯を抜歯徐腹部より皮膚を採取して抜歯部の無歯顎堤に移植した。移植後約3ヶ月経過した後に、純チタン製インプラントを埋入し、インプラントを埋入後3ヶ月経過してから顎骨を摘出し、インプラント体周囲組織の宿主防御反応を組織学および免疫組織学的に解析した。その結果、植皮部におけるインプラント体周囲組織の炎症反応は、粘膜組織における炎症反応より毛著明であることが明らかとなった。
胚性幹細胞を用いた感覚プラコード形成の分子機構の解明

哺乳類初期発生の試験管内モデル系としてマウスES細胞を用い、非神経外胚葉(プラコード・表皮)への分化を誘導する培養条件の検討と分化機序の解明に取り組んだ。その結果、両生類胚での報告と同様に、BMP4やDkk1といった分泌タンパク質が感覚プラコードへの分化制御を担うことを明らかにした。これより感覚プラコードへの分化機序は、進化の過程で保存されている事が示唆された。表皮への分化には、BMP4シグナルだけでは不十分で、細胞の増殖や分化に影響を及ぼす細胞外マトリックスとの相互作用が必要であることを明らかにした。本申請研究課題では、「脊椎動物初期発生における頭部感覚プラコード形成の分子機序の解明」を目指している。嗅上皮、レンズ、内耳といった個々の頭部感覚プラコードは、外胚葉の中でも、予定感覚プラコード領域と呼ばれる"非神経外胚葉組織"から誘導されることが両生類や鳥類の研究から示唆されているが、哺乳類においては不明の点が多い。そこで研究代表者は、平成20年度において、哺乳類初期発生のモデル系としてマウス胚性(ES)幹細胞を用い、外胚葉から非神経外胚葉を効率良く分化する誘導条件の研究を進めた。研究代表者らのこれまでの研究により、両生類の初期胚において、BMP4(体軸の腹側化因子)やDkk1(体軸の前方化因子)等の分泌タンパクが、予定感覚プラコード領域を決定する位置情報を与えることが明らかになっている(Matsuo-Takasaki et al.,2005)。またマウスES細胞を無血清培地で分散浮遊培養することにより、外胚葉から神経外胚葉が分化する事が知られている(Watanabe eta1.,2005)。これらの知見をもとに、マウスES細胞の分散培養初期にBMP4やDkk1を添加する条件(各因子の至適濃度、添加時期、添加期間)を検討し、非神経外胚葉分化への効果を調べた。BMP4を添加した場合、神経外胚葉への分化は抑制され非神経外胚葉(表皮の前駆細胞マーカーと考えられる、CK18ポジティブな細胞集団)への分化が誘導された。この効果は時期特異的で、分化5日目以降の添加では神経分化の抑制効果は消失した。またこの方法では、予定感覚プラコード領域のマーカーであるSix1やEya2などは誘導されなかった。そこで、脳P4のアンタゴニストとして働くNogginを添加することにより細胞内のBMP4濃度を調節し、その条件下でDkk1を添加した揚合においてのみ、Six1やEya2の発現促進を検出することができた。これらの結果は、哺乳類においてもBMP4やDkk1等の分泌タンパクが予定感覚プラコード領域の決定因子であり、分化機序が進化の過程で保存されている事を示すものである。感覚プラコードは、非神経外胚葉組織から誘導されることが両生類の研究等から示唆されているが、哺乳類における分化機序は殆ど不明である。研究代表者は、哺乳類初期発生のin vitroモデル系としてマウス胚性幹細胞を用い、非神経外胚葉を効率良く分化誘導する条件を明らかにし、感覚プラコードの分化機序の解明に繋げるため本研究課題を進めてきた。初年度において、BMP4やDkk1等の分泌タンパク質がES細胞からのプラコードの分化に関与することを明らかにしたが、その分化効率は低かった。そこで平成21年度は、より効率の良い非神経外胚葉への分化条件を見いだすために、細胞外環境因子に着目して研究を進めた。胚性幹細胞の分散浮遊培養(Watanabe et al., 2005; Eiraku et al., 2008)時にBMP4を添加すると、神経外胚葉への分化は抑制されたが、そのまま浮遊培養を続けても未分化な非神経外胚葉のままでやがて細胞死にいたった。そこで、細胞の生存や分化に関与すると考えられるラミニン、ファイブロネクチンといった細胞外マトリックス上に、分化途中のES細胞塊を移して長期に接着培養したところ、高い効率で表皮(CK14,CK15,△Np63ポジティブ)への分化誘導が確認された。これらの事実から、非神経外胚葉への分化にはBMP4シグナルだけでは不十分で、細胞の足場となり細胞増殖や細胞分化に影響を及ぼす、細胞外マトリックスとの相互作用が必要であることが示唆された。しかしながら、この培養条件だけでは非神経外胚葉からの感覚プラコードの分化誘導効率の向上はみられなかった。今後は、細胞外マトリックス上で培養したES細胞塊の遺伝子発現の変化をマイクロアレイ等の網羅的解析により明らかにするとともに、感覚プラコードへの分化誘導を促す因子の同定を進めたい。嗅上皮・レンズ・有毛細胞などを生み出す感覚プラコードは、非神経外胚葉組織から分化することが両生類の研究等から示唆されているが、哺乳類における分化機序はほとんど不明である。

研究代表者は、哺乳類初期発生のin vitroモデル系としてマウス胚性幹細胞を用い、非神経外胚葉を効率良く分化誘導する条件を明らかにし、感覚プラコードの分化機序の解明に繋げるため本研究課題を進めてきた。平成2021年度においては、BMP4やDkk1等の分泌タンパク質がES細胞からプラコードへの分化を促進することを示したのに加え、細胞の生存や分化に関与すると考えられる細胞外マトリックス成分のファイブロネクチン上でES細胞を培養することにより、より効率良く非神経外胚葉(CK14,CK15,ΔNp63ポジティブ細胞)へ分化できることを明らかにした。今年度は、BMP4存在下において細胞外マトリックス上で培養したES細胞の遺伝子発現の変化を、マイクロアレイにより網羅的解析した。その結果、これまでにADAMTS2(Procollagen I N-protease)やMMP9(Matrix Metalloproteinase-9)などの酵素が同定された。このうちADAMTS2はヒトにおいての皮膚の脆弱性などをおこすEhlers-Danlos syndromeの原因遺伝子の一つとされており、初期発生における非神経外胚葉の分化との関連性が注目される。今後、上述の遺伝子のES細胞での強制発現・ノックダウン実験により、非神経外胚葉分化での役割について明らかにしていきたい。また、初期発生を制御する環境因子として重要と考えられる「酸素濃度」にも焦点を当て、ES細胞から非神経外胚葉分化への影響を評価した。その結果、低酸素濃度(3% Oxygen)条件での培養では、外胚葉のうちでも神経外胚葉への分化が顕著に促進されたのに対し、非神経外胚葉への分化促進は見られなかった。
学習指導案オーサリングシステムの開発と実用化

申請者は,「学習指導案オーサリングシステムの開発と実用化」と題して平成17年度および18年度を通じ,以下のような研究成果を挙げた.(1)学習指導案オーサリングシステムの強化申請者が試作したこれまでの学習指導案オーサリングシステムは小規模なものであったことから,すでに実際の指導案作成指導を行う授業時においてもアクセス集中によるハングアップが生じるなど運用上いくつかの問題がみられており,これを解消する必要があった.そこで,本申請によって新たに学習指導案オーサリングシステムのための中規模サーバシステムを,将来的に分散処理環境が可能になるように特にシステムの強化を行った.これにより,マルチユーザ・マルチタスクにおけるある程度の安定化が実現された.(2)汎用な指導細案の書式の策定指導案の中で,授業における指導の流れを表す指導細案(以下,指導案)は,これまでに多くの教員によって作られてはきたが,指導細案のフレームワークや教授方針が統一されていないことから,電子化して共有を行うためには書式の統一などいくつかの問題点が残されていた.そこで,様々な科目や単元で利用可能な書式の策定を目指した.その結果,本研究で提案した指導案の書式がこれまでに様々な教科や単元で利用されており,受け入れ可能であることが明らかとなった.(3)指導案における指導段階プリファレンス情報の導入本システムを通じてより積極的に指導案を作成・検索・利用してもらえるように,指導案の内容について吟味してきた.本研究では,教育的観点とオントロジー的観点の両面から分析を行い,指導段階において記述内容の傾向を示すプリファレンス的な情報を「指導段階プリファレンス情報」と名付け,これを新たに書式に組み込むことにより,より実用性の高い指導案の書式策定を行った.(4)(4)システムの評価と今後の方向性ユーザ・現職教員・専門家から本システムに対して一定の評価を得,今後の方向性が明らかとなった.申請者は,「学習指導案オーサリングシステムの開発と実用化」と題して平成17年度および18年度を通じ,以下のような研究成果を挙げた.(1)学習指導案オーサリングシステムの強化申請者が試作したこれまでの学習指導案オーサリングシステムは小規模なものであったことから,すでに実際の指導案作成指導を行う授業時においてもアクセス集中によるハングアップが生じるなど運用上いくつかの問題がみられており,これを解消する必要があった.そこで,本申請によって新たに学習指導案オーサリングシステムのための中規模サーバシステムを,将来的に分散処理環境が可能になるように特にシステムの強化を行った.これにより,マルチユーザ・マルチタスクにおけるある程度の安定化が実現された.(2)汎用な指導細案の書式の策定指導案の中で,授業における指導の流れを表す指導細案(以下,指導案)は,これまでに多くの教員によって作られてはきたが,指導細案のフレームワークや教授方針が統一されていないことから,電子化して共有を行うためには書式の統一などいくつかの問題点が残されていた.そこで,様々な科目や単元で利用可能な書式の策定を目指した.その結果,本研究で提案した指導案の書式がこれまでに様々な教科や単元で利用されており,受け入れ可能であることが明らかとなった.(3)指導案における指導段階プリファレンス情報の導入本システムを通じてより積極的に指導案を作成・検索・利用してもらえるように,指導案の内容について吟味してきた.本研究では,教育的観点とオントロジー的観点の両面から分析を行い,指導段階において記述内容の傾向を示すプリファレンス的な情報を「指導段階プリファレンス情報」と名付け,これを新たに書式に組み込むことにより,より実用性の高い指導案の書式策定を行った.(4)(4)システムの評価と今後の方向性ユーザ・現職教員・専門家から本システムに対して一定の評価を得,今後の方向性が明らかとなった.各校時の授業の流れをまとめた指導細案のための学習指導案オーサリングシステムの開発と実用化に関する研究に対して,平成17年度は,以下のような研究を行った.(1)ある程度の実用化に耐えうるシステム環境の改善と再構築(2)指導細案の書式およびプリファレンス情報の策定まず(1)であるが,申請者が作成していたこれまでの学習指導案オーサリングシステムは小規模であったことから,すでに実際の指導案作成指導を行う授業時においてもアクセス集中によるハングアップが生じるなど運用上いくつかの間題がみられており,これを解消する必要があるためである.そこで,本申請によって新たに学習指導案オーサリングシステムのための中規模サーバを導入し,Webアプリケーション化されていたシステムの移行を行い,システム自体の強化を図った.これにより,構内LANをはじめとするネットワーク環境以外の改善が行われ,マルチユーザ・マルチタスクにおけるある程度の安定化が実現され,中規模なサーバシステムへと発展させることができた.次に(2)であるが,指導案の汎用かつ実用的な書式を見いだすために,いくつかの科目や単元での指導案を収集し,オントロジー的な観点で分析を行った.すなわち,指導案の構成を本来のデータとメタデータに分割し,それぞれについて検討した結果,現時点で現状のような指導案の書式が明らかになった.書式はすでにXML形式の記述言語で策定され,指導案のデータベース化が行われている.また,書式を構成する各項目の記述内容について,その内容の傾向分析を行い,プリファレンス情報を抽出した.これをシステムに導入することにより,指導案作成の際に,ユーザに対してある程度の方向性を自覚させることが可能となった.

指導細案のための学習指導案オーサリングシステムの開発と実用化に関する研究に対して、平成18年度は、以下のような研究を行った。(1)本研究で提案した指導案書式とシステムの妥当性検証、および複数教科での指導案作成可能性検証(2)教育実習支援ツールとしてのあり方についての検討まず(1)であるが、昨年度構築されたシステムを利用して、本研究で提案する指導案記述言語で書かれた指導案の書式が妥当であるかの検証を行った。その方向としては、(1-1)専門家や現職教員等の意見を伺う。(1-2)単一教科のみならず、複数の教科に渉って指導案の試作を依頼する。というものである。(1-1)では、指導案書式については特に否定的な意見はなかったが、システムについては様々なご意見を戴くことができ、本研究の成果が認められつつもさらなる取り組みが期待されている内容となった。また(1-2)についても様々な教科・単元で取り組んできたが、これまでに作成上の問題点はみられなかった。併せて、昨年同様、指導案作成法を指導する授業で導入していただき、受講生にアンケートをお願いしたが、ほとんどの受講生から「今後も使いたい」という回答をいただくことができた。次に(2)であるが、昨年度の研究の中で、本システムを教育実習支援ツールとして考えていくことが妥当であるということになり、これまでに検討を行ってきた。その結果、一つの方向性として、「教員養成系の大学生でも実用性の高い指導案の作成ができるように支援するツール」を目指す必要があることがわかってきた。これを踏まえて、主に(2-1)指導案の方向性を意識させる機能と(2-2)利用者のレベルや状況に応じてシステムを作り分けることについて検討を行った。その結果、(1)同様、専門家や現職教員の意見を伺い、共に一定の評価を得ることができた。以上をもって、実用的かつ中規模な学習指導案オーサリングシステムに関する研究を行うことができた。
プロペラ前方の旋回流を考慮したプロペラの流体力学的最適化に関する研究

プロペラ前方のフィンによるプロペラの回転方向と逆向きの旋回流により伝達馬力が減少、すなわち推進性能が向上することは古くから知られている。本研究においては、旋回流が推進性能に及ぼす影響を基礎的な実験により明らかにするとともに、フィンによる自航時の抵抗増加と適切なプロペラ回転数を考慮した旋回流中のプロペラ翼形状最適化手法を開発した。旋回流中の改良プロペラの性能試験より本手法の有用性を確認した。本研究の主目的は、プロペラ前方の旋回流を含む船尾伴流中で流体力学的に最適なプロペラの設計を支援するツールの開発である。平成25年度は、九州大学の回流水槽を用いて伴流中プロペラ性能試験を行うとともに、伴流中プロペラ性能計算法を開発し、その妥当性を確認した。船尾伴流は軸方向成分および面内成分に分けられる。なお、伴流の面内成分のうち周方向成分、すなわち旋回流が本研究の主な対象である。伴流の軸方向成分および面内成分(特に周方向成分)のそれぞれがプロペラ性能にどのような影響を及ぼすかを明らかにするために、それぞれを独立して取り扱うこととし、ワイヤーメッシュの重ね方を調節して所定の軸方向伴流分布をシミュレートする軸方向伴流装置およびプロペラ軸の延長線上に8枚の翼を放射線状に配置する周方向伴流装置を製作した。伴流中プロペラ性能試験として、以下1から3に示すような方法を考案し、実施した。1プロペラ単独試験装置の上流側に青雲丸I世のハイスキュープロペラを取り付け回流水槽に設置し、流速およびプロペラ回転数を固定してプロペラの推力およびトルクを計測する。2それぞれの伴流発生装置による伴流中で作動するプロペラが1で計測された推力を発生するようにプロペラ回転数nを調整し、このときのプロペラのトルクQを計測する。32で得られたプロペラ回転数およびトルクを用いて、伴流中のプロペラの性能評価を伝達馬力(=2πnQ)を用いて行う。一方で、九大独自のパネル法SQCMに基づいて上記手順に対応する伴流中プロペラ性能計算法を開発した。上記の伴流中プロペラ性能試験に対応する計算を行った結果、試験結果と良い一致が得られ、計算法の妥当性が確認できた。伴流がプロペラ性能に及ぼす影響としては、プロペラの回転方向と逆向きの旋回流がプロペラ性能を向上させることを実験および理論の両面から確認することができた。平成26年度は、平成25年度に開発した伴流中プロペラ性能計算法を開発済みのプロペラ設計支援ツールに組み込んで、プロペラ前方の旋回流を含む伴流中でのプロペラ翼形状の最適化を行う予定であった。しかしながら、伴流中でのプロペラ性能の計算は、一様流中に比べ非常に長大な計算時間を要するため、何らかの工夫が必要と考えた。そこで、あらかじめプロペラの設計変数による応答(目的関数)の変化を応答曲面(近似多項式)で表す計算法を開発した。この計算法をプロペラ設計支援ツールに組み込んで一様流中のプロペラ翼形状最適化を行ったところ、応答曲面の生成まで含めても、従来法の約1/10の計算時間で済み、伴流中でのプロペラ翼形状の最適化に有効であることが期待できる。次に、本研究のサブテーマであるプロペラと舵の相互干渉に関する実績について述べる。主要目がほぼ等しく、ほぼ等しい推力を発生するような2種類のプロペラのそれぞれに同一の舵を組み合わせた際、舵抗力に差が現れる場合がある。これは、プロペラの循環分布が異なるためである。従来の簡易プロペラモデルでは、このような微妙なプロペラ性能の差、そしてそれに起因する舵抗力の差を表すことができなかった。そこで、簡便なパネル法SQCMによりあらかじめプロペラの幾何形状を厳密に考慮して半径方向の循環分布を求めておき、簡易プロペラの循環分布が、SQCMによって求められた循環分布の形状と一致するように簡易プロペラモデルの中のプロペラの幾何ピッチ分布を調整する新たな計算法を開発した。このようにして、プロペラの性能差を考慮できるようなプロペラと舵の相互干渉計算法の高度化に成功した。本研究の主目的は、プロペラ前方の旋回流を含む船尾伴流中において流体力学的に最適なプロペラの設計を支援するツールの開発である。まず、プロペラ前方の旋回流が推進性能に及ぼす影響を基礎的な実験によって明らかにするために、円筒にアスペクト比の大きな8枚のフィンを周方向に45度間隔で放射状に取り付けることにより、プロペラの回転方向とは逆向きの旋回流を発生させる装置を製作し、翼輪郭を数式で表した単純形状プロペラの前方にこの装置を配置して九州大学の高速回流水槽においてフィン後方の伴流分布の計測ならびに一様流および旋回流中プロペラ性能試験を行った。本実験より、旋回流中では主としてプロペラ回転数の低下が原因となって少ない伝達馬力で一様流中と同じ大きさの推力を発生させることができること、旋回流中では有効伴流率の増加が顕著であることを推力一致法による解析によって確認した。次に、新たに開発した応答曲面法と実数値遺伝的アルゴリズムを用いたプロペラ翼形状の最適化手法を組み合わせ、従来よりも最適化に要する時間が格段に短い、伴流中でのプロペラ設計支援ツールを開発した。最後に、プロペラ前方のフィンによる自航時の船体抵抗増加によりフィンが装備されていない場合に比べプロペラ推力が増加すること、旋回流によるプロペラ回転数の過度な低下は船舶の運航上望ましくないことを考慮し、前述の実験における一様流中のプロペラ回転数を保ったうえで、フィンによる抵抗増加量を仮定して算出したプロペラ推力を与え、前述の実験により計測された伴流分布の各半径位置における周方向平均値を入力してプロペラの翼形状最適化を行った。

そして、フィンの抵抗増加量を考慮しても、旋回流中でプロペラ回転数を低下させずに翼形状の最適化を行ったプロペラの伝達馬力は、フィンが装備されていない場合の原型プロペラの伝達馬力より減少することを確認した。プロペラ前方のフィンによるプロペラの回転方向と逆向きの旋回流により伝達馬力が減少、すなわち推進性能が向上することは古くから知られている。本研究においては、旋回流が推進性能に及ぼす影響を基礎的な実験により明らかにするとともに、フィンによる自航時の抵抗増加と適切なプロペラ回転数を考慮した旋回流中のプロペラ翼形状最適化手法を開発した。旋回流中の改良プロペラの性能試験より本手法の有用性を確認した。平成26年度はプロペラ前方の旋回流を含む伴流中でのプロペラ翼形状の最適化を行う予定であったが、最適化の計算時間短縮のため、応答曲面法を導入することに注力した。また、得られた改良プロペラについての考察を明快に行えるよう、原型プロペラを再検討した。また、本研究のサブテーマ、すなわち、プロペラと舵の相互干渉についても計算法の高度化という進展が見られた。これらを踏まえ、最終年度である平成27年度は、プロペラ前方の旋回流を含む船尾伴流中で流体力学的に最適なプロペラを早い時期に得て、水槽実験による検証および考察をスムーズに行える見込みである。また、本研究のサブテーマであるプロペラと舵の相互干渉については目標どおりの達成度である。以上より、本研究はおおむね順調に進展していると評価できる。船舶流体力学まずは早い時期にプロペラ前方の旋回流を含む船尾伴流中で流体力学的に最適なプロペラを得る。そしてそのプロペラの模型を製作し、水槽実験による検証および考察を行う。特に、プロペラの回転方向と逆向きの旋回流がプロペラ性能を向上させるメカニズムの解明を目指したい。プロペラと舵の相互干渉については、本年度(平成26年度)高度化を行った相互干渉計算法を最適化計算法と組み合わせ、プロペラ-舵系の効率が最大となる舵形状の流力最適化を行う。なお、当初は原型プロペラとして青雲丸I世のハイスキュープロペラを採用するつもりであったが、プロペラの周方向の形状、すなわちスキュー形状の変化が大きいプロペラだと、プロペラ前方の旋回流がプロペラ性能に及ぼす影響を考慮する際、旋回流の影響とスキュー変化の影響が混在してしまうのではないかという疑念が生じた。そこで、スキュー変化が比較的穏やかな新たなプロペラを原型プロペラとして選定し、模型を製作した。本研究の主目的は、プロペラ前方の旋回流を含む船尾伴流中で流体力学的に最適なプロペラの設計を支援するツールの開発であるが、そのツールの中で使用する伴流中プロペラ性能計算法が妥当なものであることが本ツールの重要なポイントとなる。本年度は伴流中プロペラ性能計算法を開発し、その妥当性を実験的に確認することができたため、本研究の目的はおおむね順調に進展していると評価できる。原型プロペラの再検討の結果、本年度(平成26年度)新たに原型プロペラ模型を製作することに加え、次年度(平成27年度)は改良プロペラ模型の製作が必要となった。
ブラックホールへ流入する物質と噴出する物質のダイナミクス

低質量X線連星系や活動銀河中心のブラックホール候補天体は、激しい時間変動、高エネルギー放射、及びジェット噴出を示す。本研究の目的は、ブラックホールに降着する流れと噴出する流れにおける磁場と物質、放射間の相互作用を理論的に解明することである。今年度は以下の結果を得た。(1)磁気流体降着流構造の研究:磁気タワージェットの放射スペクトルを新しく非熱的電子からの放射を考慮して計算し観測スペクトルをほぼ再現した。(2)超臨界降着流の放射流体力学シミュレーション:2005年度に実施した2次元軸対称放射流体力学シミュレーションデータをもとに、いかにして超臨界降着が可能になっているかを調べたところ、放射の非等方性および光子補足がともに効いていることを定量的に示すことができた。(3)超大光度X線源(ULX)の正体:ULXのX線データを新しく温度勾配をパラメータとするモデルフィットし、ULXはスリム円盤ステートにあること及び、ブラックホール質量はたかだか30倍の太陽質量であることを示した。この結果は、従来の中間質量(太陽質量の100倍以上の質量)ブラックホール説を否定するものである。(4)球状星団のダイナミクス:高密度恒星系における連星系とブラックホールの重力相互作用を調べ、ブラックホールの有無を連星系の数分布で制限する方法を提唱した。(5)相対論的ジェットのモデル:高温の陽子電子プラズマ中に発生する電子陽電子対プラズマの力学をクーロン摩擦やさまざまな輻射過程を考慮に入れて調べ、対プラズマが高速度で脱出することを示した。あわせて二流体プラズマにたいする有用な諸近似公式を導いた。低質量X線連星系や活動銀河中心のブラックホール侯補天体は、激しい時間変動、高エネルギー放射、およびジェット噴出を示す。本研究は、ブラックホールに降着する流れと噴出する流れにおける磁場と物質、放射間の相互作用を理論的に解明する。初年度は以下の結果を得た。1)MHDシミュレーションによる高温降着流構造の研究ブラックホール天体からの硬X線・ガンマ線放射の母体となる高温降着流のダイナミクスは磁場が支配する。しかし従来のMHDシミュレーションは、対流発生のため、密度分布はフラットになり、観測のスペクトルも短時間変動も説明できない。そこで、新しく放射冷却を入れて対流運動をおさえるシミュレーションを実行したところ、予想通りの中心集中型の密度分布が得られた。(2)磁気リコネクションにより加熱されたディスクコロナモデルの構築太陽コロナモデルを参考に、磁気リコネクション加熱説に基づく簡単なディスクコロナモデルの構築をおこない、ついで多波長スペクトルを計算し、活動銀河核のスペクトルエネルギー分布を再現することに成功した。(3)ガンマ線バーストに現れるニュートリノ冷却円盤の構造ガンマ線バーストのモデルとして現在有力なブラックホールとコンパクト天体の合体シナリオに基づき、このとき形成されるニュートリノ冷却円盤の構造を詳しく調べたところ、ニュートリノ冷却により円盤が一時的に不安定化されること、ニュートリノ降着円盤の中では中性子のベータ崩壊がゆっくりと進行し、核γ線を放射することなどが新しく判明した。(4)相対論的ジェットのモデル活動銀河からの相対論的ジェットの物理状態を探る研究を行なった。スペクトルフィッティングより、電子成分が磁場よりもエネルギーが大きいこと、フレア現象が内部衝撃波モデルでよく説明されることを示した。さらにジェット形成のモデルとしてウィーン火球モデルを数値的に調べ、観則のローレンツ因子やパワーが再現できることを示した。低質量X線連星系や活動銀河中心のブラックホール候補天体は、激しい時間変動、高エネルギー放射、およびジェット噴出を示す。今度は以下の結果を得た。(1)MHDシミュレーションによる高温降着流構造の研究降着流の中に埋め込まれた弱い種磁場が、差動回転やMHD不安定により、どのように成長するかを、大局的3次元MHDシミユレーションにより調べた。弱いポロイダル磁場に貫かれた初期トーラスを最初に用意する。すると強い差動回転により、ポロイダル磁場は引き伸ばされてトロイダル(回転角方向)磁場を作り、そのトロイダル磁場はぎりぎり巻きに蓄積して磁気タワーを形成する。この結果、磁気圧力駆動ジェットが自然に噴出することを世界で初めて示すことができた。(2)磁気降着流からの多波長スペクトル計算したMHDシミュレーションデータを基に、多波長スペクトルをモンテカルロ法により計算した。考慮したプロセスは、シンクロトロン放射とその自己吸収(電波領域)、こうしてできた低エネルギー光子の高温電子による逆コンプトン散乱、さらに熱制動輻射である。その結果、典型的な低光度ブラックホール降着流の観測スペクトルを再現することに成功した。さらに同じシミュレーションデータを用いた鉄ラインプロファイルの計算も現在実行中である。(3)相対論的ジェットのモデル活動銀河からの相対論的ジェットの物理状態を探る研究を行なった。電子陽電子対と高エネルギー光子からなるウィーンファィアボールの輻射流体力学をモンテカルロ法を用いて調べ、電子陽電子対プラズマが相対論的なバルク速度になるまで加速され十分な運動学的光度を持つことを示した。また、ファイアボール形成に関わる素過程を検討した。(1)磁気流体降着流・噴出流の構造の研究前年度に続き、磁気タワージェットの長時間計算を行った。

計算領域を長さスケールで約3倍に拡大しても、ジェットが計算境界まで伝搬することが確認できた。また、初期磁気ヘリシティをゼロにした計算でも、同様のジェット噴出を確認できた。(2)磁気リコネクション加熱コロナモデルに基づく鉄輝線プロファイルの計算先に構築した、磁気リコネクション加熱コロナモデルにのっとって、鉄輝線プロファイルの計算をした。ドップラー偏移や重力赤方偏移、重力レンズ効果を考慮して鉄輝線プロファイルを計算し、みごと「あすか」衛星の観測を再現することに成功した。(3)超臨界降着流の放射流体力学シミュレーションエディントン降着率を超える降着流のふるまいを理解するため、新しく2次元軸対称放射流体力学シミュレーションを実行し、光子捕捉効果や、降着流における複雑な対流構造、放射の非等方性を議論した。特に見る角度により、光度に最大10倍近くもの差が出ることがわかった。(4)相対論的ジェットのモデル相対論的ジェットにおける基礎過程の理解のため、ウィーンファイアボールモデルを検討している。今年度はその形成を調べるための輻射輸送を組み込んだ電子陽電子対と背景陽子電子プラズマとの2流体の計算コード、及びジェットのコリメーションを調べるための1流体2次元コードの開発を行った。低質量X線連星系や活動銀河中心のブラックホール候補天体は、激しい時間変動、高エネルギー放射、及びジェット噴出を示す。本研究の目的は、ブラックホールに降着する流れと噴出する流れにおける磁場と物質、放射間の相互作用を理論的に解明することである。今度は以下の結果を得た。(1)磁気流体降着流・噴出流構造の研究:前年度にひき続き磁気タワージェットの長時間計算を行い、そのエネルギー状態を調べたところ、電磁波エネルギーが運動エネルギーが同じ程度まで増幅された形でエネルギーを外部に放出していることがわかった。(2)超臨界降着流の放射流体力学シミュレーション:前年度実施した2次元軸対称放射流体力学シミュレーションデータをもとに、放射輸送をとき、エディントン降着率を超える降着流の放射スペクトルを求めたところ、相対論的ドップラーやガスとの相互作用により、光子のエネルギー、数共に大幅に増幅した黒体放射をしていることが判明した。(3)球状星団におけるブラックホール形成:球状星団の中心に中間質量ブラックホールがあるらしいとする観測を受け、球状星団内における星の合体史を、新しく星の質量の分布をも考慮してN体シミュレーションを実行したところ、重い星ほど中心に沈み易い効果により、重い星同士の合体が促進され、ブラックホール生成がより起こりやすくなることが判った。(4)相対論的ジェットのモデル:相対論的ジェットにおける基礎過程の理解のため、ウィーンファイアボールモデルの検討をさらに進めた。
化学状態支配の核遷移(可視・紫外光放出原子核Th-229mの測定)

原子核と原子(電子系)が両方関わるような核ー原子分光ともいえる分野は,理論的には電子架橋過程や電子遷移による核励起(NEET)など種々の議論がなされているが,実験的には,申請者が以前精力的に行ってきたNEET現象で数例あるだけで,まだまだ未知の領域である。このような中で,^<229>Thに存在が推定されている超低エネルギー(3.5eV:内部転換過程不可)核異性体は,上記の電子架橋過程等の核ー原子合成系で起こりうる希現象の検証のための最適の実験場になりうる。本研究は、^<229m>Thについて世界初の可視・紫外発光核壊変の観測を試み、化学状態が電子架橋過程を通して核遷移(半減期)を制御できる可能性を探ることを目的としている。そのため,以下の3種類の方法で^<229m>Thの製造を試み,光子測定とα壊変測定により^<229m>Thの検出と壊変特性の研究を行った。また,本研究助成金で光子測定装置の開発及び^<233>Uからの^<229>Thの迅速化学分離装置の作成を行った。これまで問題であった^<229>Thの親核種である^<233>Uからのα線の妨害を除去すべく^<233>Uから^<229>Thの迅速化学分離を導入し,光子測定を行った。製造法-2 ^<228>Ra(n,γ)法^<232>Th中の^<228>Raを化学分離し,京都大学原子炉実験所Pn-2ポートで中性子照射し,^<228>Ra(n,γ)^<229>Ra→^<229>Ac→^<229>Th(^<229m>Th)により製造し、Thのみ分離し,光子測定を行った。東北大学核理学研究施設の電子線による制動放射で高純度^<230>Thから製造・精製し,α線測定を行い,単寿命成分を探査した。現在までの結果として,製造法-3によるα測定のみ有意な結果を得ており,他の方法では検出は困難であった。現在より詳細な解析と光子測定法の改良を進めている。
ロドプシン保有細菌の＂ハイブリッド・ソーラー自動車仮説＂の証明

当該研究年度はロドプシンを複数持つ細菌において、ロドプシンが光条件、塩分、増殖期ごとにどの程度発現するのか比較トランスクリプトーム解析により明らかにし、作業仮説の証明を試みた。作業仮説では、ロドプシンが働く条件下では呼吸活性が低下し、プロトン勾配の形成を一部肩代わりできるとしているため、トランスクリプトーム解析では、ロドプシンと呼吸鎖関連遺伝子、各種トランスポーター遺伝子の相関解析を行った。その結果、ロドプシンを細胞内に3つ保有する細菌においては、H+を排出するPRとNa+を排出するNaRの発現パターンが似通っており、Cl-を取り込むClRの発現パターンはPRやNaRとは異なっていることが明らかとなった。発現に影響する要素としては、塩分が最も大きく、次いで光条件、培養日数ということも示唆され、これまで全くわかっていなかった、NaRやClRの発現条件を明らかにする上で重要な知見が得られた。3つのロドプシンとその他の遺伝子間における相関解析の結果、PRやNaRはリボソームタンパク質やTCA回路関連遺伝子、脂肪酸合成系の遺伝子などと高い相関を示した。一方、ClRはストレス応答遺伝子や、活性酸素除去タンパクなどと相関が高く、低発現であることも踏まえると、PRやNaRの発現のみでは膜電位形成が不十分な(ストレス)条件下において補助的な役割を担うのではないかと考えられる。作業仮説は「ロドプシンが働く際は呼吸によるプロトン勾配形成の負担を一部肩代わりする」というものであるが、発現の相関からは、PRやNaRと呼吸鎖関連の遺伝子は正の相関を示しており、貧栄養条件では、呼吸鎖もロドプシンも両方とも発現させる必要がある可能性が示唆された。今後、富栄養培地の結果も踏まえて考察する必要がある。28年度が最終年度であるため、記入しない。まず、V. campbelliiにおいて4つの光強度で24時間培養を行ったところ、増殖は明暗で差は見られなかったが、発光量とプロトンポンプ活性は負の相関が見られた。しかし長時間の培養では、遺伝子の発現量が違うのか、刻一刻と変化するプロトン濃度勾配の変化によるものか判断が難しく、より短時間の培養で生理活性の測定およびその際のトランスクリプトーム解析を試みた。その結果、短時間でも発光量は明条件が低く暗条件が高い結果となり、それらは数十分で変化した。またPRやその内部に結合し光を受容するレチナールの合成遺伝子は暗条件で発現が上がった一方、ルシフェラーゼや呼吸鎖関連遺伝子は、明暗で発現に違いはなかった。つまりPR保有細菌は明条件に曝されると数十分でレチナール合成遺伝子やPR遺伝子の発現を開始すると考えられる。ルシフェラーゼの発現量に大きな差はないにも関わらず、発光量が明暗で短時間で変化したことは、PRによるプロトン濃度勾配の形成と、発光系と密接に関わりのある呼吸鎖による勾配形成のバランスが変化した可能性を示唆する。次にN. marinusについて、貧栄養培地(海水相当)で塩分、pHを変えた5条件において明暗で培養を行ったところ、4条件で明条件下の増殖が促進した。つまり海洋環境のような貧栄養時にPRがATPを合成できることが生理的に有利になる可能性がある。先行研究では、単一条件で明条件下における促進が確認されていたのみで、塩分やpHを変えた培地での報告はなく、今回が初となる。上記培養実験の内、塩分が異なる3条件について、共同研究先であるハワイ大学のEdward F. DeLong教授の研究室にてRNA抽出、cDNA合成の後、illumina社Nextseqシーケンサーを用いてmRNA-seqを行った。当該研究年度は作業仮説証明のために行う研究のメインデータである、比較トランスクリプトーム解析の準備が実施できた。対象種の1つであるVibrio属細菌では、ロドプシンの活性測定や発光量の測定は既に確立された方法を用いていたが、申請段階で予定していた「蛍光式酸素電極」による、光照射時の呼吸活性測定は思ったようなデータが得られず酸化還元物質の吸光から細胞内の呼吸活性を推定するという方法にシフトした。この測定系のみでは明暗での呼吸活性を厳密に議論することはできず、現在解析中のトランスクリプトーム解析と合わせての考察が必要となる。もう一方の対象種であるNonlabens属細菌については、ハワイ大学Edward DeLong研究室との共同研究として、培養条件の検討、およびRNA抽出、次世代シーケンスまでが終了し、採用2年度目に解析を実施できる状態となった。

3つのロドプシンとその他の遺伝子間における相関解析の結果、PRやNaRはリボソームタンパク質やTCA回路関連遺伝子、脂肪酸合成系の遺伝子などと高い相関を示した。一方、ClRはストレス応答遺伝子や、活性酸素除去タンパクなどと相関が高く、低発現であることも踏まえると、PRやNaRの発現のみでは膜電位形成が不十分な(ストレス)条件下において補助的な役割を担うのではないかと考えられる。作業仮説は「ロドプシンが働く際は呼吸によるプロトン勾配形成の負担を一部肩代わりする」というものであるが、発現の相関からは、PRやNaRと呼吸鎖関連の遺伝子は正の相関を示しており、貧栄養条件では、呼吸鎖もロドプシンも両方とも発現させる必要がある可能性が示唆された。今後、富栄養培地の結果も踏まえて考察する必要がある。採用2年度目は、ハワイ大学との共同研究として実施したトランスクリプトーム解析を主に実施する予定である。昨年度得られた、対象2種のトランスクリプトームデータを用い、V. campbelliiについては、短時間での発現量変化を、ロドプシン・呼吸鎖・中央代謝系に特に着目し、すでに得られている生理活性データ生理活性データと合わせて、PRによるプロトン濃度勾配形成が呼吸鎖による勾配形成の一部を肩代わりできるという作業仮説の証明を行う。N.marinusに関してはV. campbellii同様、ロドプシンと呼吸鎖の発現に着目するだけではなく、細胞内に複数ある、他のロドプシンにも着目し、それらに使い分けが存在するのか、複数持つことで、より光に対する応答が生理的なメリットが生じるのかについて、「塩分」「明暗」「増殖ステージ」という要素でどのような遺伝子が変動し、相関を持つのかトランスクリプトーム解析から明らかにする予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。