hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
不平等電界中の液体誘電体の電界分布の光学的測定に関する基礎的研究

(1)電界分布の計測法についてカー効果を応用した電界強度の測定がすでに、大きく進展しているので、その方法を十分に活用した。とくに、CT法を応用して、電界の方向は一定であるが、大きさが場所によって異なっている面における強度分布を測定することに成功した。このような面は球一球電極配置における垂直二等分面や、球一平板電極配置における平板電極面上である。これらの面における電界分布を測定し、計算結果との誤差が10%程度であることが確認された。(2)電界ベクトルの計測について光の進行方向と電界とが垂直である面内にある2次元電界の大きさと方向を決定すること試みた。同軸円筒電極配置の円筒に垂直な断面において、パルス電界のもとで測定が可能であることを確かめた。3次元に拡張するためには、電界と光の進行方向が直角でない場合における、電界強度と屈折率との関係が必要であり、理論的に両者の関係を導くと共に、実験的にこれを確認した。これに付随して、電界強度と位相差の近似式を見いだした。3次元電界ベクトル測定法を開発した。即ち、レーザ光を互にい直角な2方向から測定ベクトル空間に照射し、レーザに直交する面への射影ベクトルと水平軸との角度βを測定する。二つのβから3次元ベクトルの角度の2要素を決定する方法を開発した。平行平板電極を水平軸から傾け、また、水平面内での基準軸からの回転角度を測定し、それぞれ設定値と10度以下の誤差で測定することが可能であることを示した。3次元の一般電界分布の測定方法の開発が今後の課題である。(1)三次元電界ベクトルの計測二次元電界ベクトルの計測方法に関しては、武蔵工大の高田グル-プから報告されている。そこでこれを利用して三次元電界ベクトルの測定を試みた。平行平板電極をレ-ザ光線と任意の角度に設定し、種々の電界強度を与えたときの、理論的予測値と実測値の誤差を求めた。10ー20%の誤差があるが三次元ベクトルが測定可能であることが示された。さらにこれを発展させて、三次元ベクトルを測定する方法が発見され、今春の電気学会全国大会で発表する予定である。また、二次元ベクトルの測定における問題点を明確にするため、同軸円筒配置の任意の位置における電界強度を測定し、電界方向とレ-ザ偏光変向とが同じであると誤差が大きくなることが実験的に見いだされている。(2)三次元電界の特殊な面での電界分布の計測三次元ベクトルの大きさが空間的には場所の関数となっているが、ベクトルの方向は一定である平面内の電界強度分布を小さい誤差で計測することが出来るようになった。平面の例として、球ー球電極配置における両電極の垂直二等分面、球ー平板電極配置における平板電極値上などが用いられた。測定値のバラツキの原因はCCDカメラを使用したことにあった。すなわち、レ-ザ光強度の空間的分布の時間的変化が大きく、測定がパルスであるために光強度分布の変化が直接CCDに取り込まれてしまうためであることが明確になった。一連の成果は国際会議と研究会で報告している。これらの結果はJJAPに投稿中である。三次元電界ベクトルの計測法の原理を昨年度末に開発し、不十分ながら測定も行った。今年度には測定上の諸問題、特に電極を機械的に特定の方向に設定する方法について、検討を加えた。測定電極用としては、二枚の真鍮円盤を平行に保ち、これをを垂直軸から一定の角度(15度)傾ける方法を採用した。これをニトロベンゼン中におき、レーザを光源として、カー効果により電界ベクトルを計測した。

角度の計測等種々の問題はあったが、ほぼ所定の値に設定することの成功した。ついで、垂直軸の周りの位置を設定するために、前年度に開発した方法を用いた。電極を回転しながら出力を測定し、出力の極値を求めることで基準面を決定した。実測の結果、測定誤差は電界強度については最大12%であった。垂直軸の角度の誤差は最大4.8度、水平軸の角度の誤差は最大22度であった。また、同軸円筒電極を用いて2次元電界ベクトルの測定も行ったが、電界強度で10%、角度で10度以下という結果を得ている。測定用電極の機械的精度を向上すること(現在のものは自作品)、電極の端効果を適正に評価すること、端効果を生じないような電極容器を作成することなどによって、測定誤差は改善され得るものと考えられる。これらの結果は電気学会放電研究会、第5回放電に関するアジア国際会議、平成4年電気学会全国大会、平成4年電気関係学会四国支部連合大会にて口頭発表した。また、素材物性学雑誌に論文として発表した。
ウラン系化合物超伝導体の超伝導物性の研究

本年度はウラン系化合物超伝導体の研究のため^3He冷凍機のガス操作系の作成をし、抵抗測定をおこなっている。また、^3He温度までの熱伝導、AC帯磁率の測定装置を作成、テストしている。これにより、今後、UPt_3、URu_2Si_2、UPd_2Al_3について超伝導状態の対称性に関する情報を得る予定である。また、1.5K、15Tまでの磁場中比熱装置を完成し、今後重い電子系の超伝導物質について、超伝導転移温度より高温に存在する磁気秩序について情報を得る予定である。また、関連するテーマとして、CexLa_1-xB_6の反強四重極相に関する研究を行っている。15Tまでの磁場比熱中の測定により、磁場中での磁気相図(反強四重極相常磁性相転移の磁場中異方性)と反強四重極相の性質に関する研究を行っている。この物質は典型的な近藤物質であり、また、四重極相互作用の性質を明らかにすることはウラン系化合物超伝導体の研究とも関連が深いと思われる。現在までに、磁場中比熱の測定により、これまではっきりしていなかった高磁場中での、Ce_<0.5>La_<0.5>B_6における常磁性反強四重極相転移が15Tまで存在することを確かめた。また、転移温度T_Qの異方性について、CeB_6(従来異方性がないといわれていた。),Ce_<0.5>La_<0.5>B_6について、T_Q100<T_Q110<であり、異方性の大きさをT_QでスケールするとCe_<0.5>La_<0.5>B_6のほうが約2倍異方性が大きいことを見出した。
小腸を介したコレステロール逆転送を活性化するポリフェノールの網羅的探索

最近我々はコレステロール吸収阻害がコレステロール逆転送(RCT)を活性化することを報告した。当初研究を予定していたコレステロール吸収阻害作用を有するポリフェノールの網羅的検索については、本実験の開始と同時期にNekohashiらにより論文に掲載されたので、これらの実験は省略し、論文中で効果のあったポリフェノールでRCT実験を行った。このうち、クルクミンとケルセチンに着目してRCT実験を検討したが、活性化は認められなかった。従って、コレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールであるクルクミンとケルセチンではRCTを活性化しなかった。高比重リポ蛋白(HDL)は、動脈硬化巣マクロファージ中の余剰なコレステロールを肝臓に運搬するコレステロール逆転送(RCT)を担う抗動脈硬化性リポ蛋白であり、動脈硬化予防の新規治療ターゲットとして注目を集めている。ストロングスタチンといわれるLDL低下効果の高いスタチンはNPC1L1発現を増加させることにより小腸からのコレステロール吸収を亢進させる。そのため本来持つLDL低下効果が減弱する「スタチン抵抗性」が現れることから、動脈硬化巣マクロファージと同様に、小腸におけるコレステロール吸収制御もRCT活性化戦略のひとつとして脚光を浴びている。当初、小腸上皮細胞実験でコレステロール吸収抑制実験を行う予定であった、しかし、時を同じくしてNekohashiらよりコレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールの探索実験が報告されたため、最近になり、クルクミン、ルテオリンやケルセチン等数種のポリフェノールが、小腸上皮様細胞Caco2細胞のNPC1L1発現を減少させてコレステロール吸収を阻害することが報告された。そこで本年度の研究では、以前より小腸コレステロール吸収阻害作用を有するというわれるクルクミンを用いて初年度の細胞実験を行うのを止め、次年度以降の実験計画である細胞実験を行った。しかし、クルクミンを用いたコレステロール逆転層実験を行ったが、投与期間、普通食、高コレステロール食、高脂肪食など食餌成分の異なる条件で検討を行ったが、コントロール群との差は見られなかった。今後は、ルテオリンやケルセチンを用いてコレステロール逆転送実験を行う。申請者は様々な食品由来のポリフェノールがマクロファージのコレステロールトランスポーター発現を増加させ、RCTを活性化することを報告している。また最近、小腸コレステロールトランスポーターNPC1L1(Niemann-Pick C1 Like 1)阻害薬であるエゼチミブがハムスターのRCTを促進することを見出した。本研究では、小腸をRCTにおける重要な臓器と位置づけ、コレステロール吸収阻害作用を有するポリフェノールを網羅的に探索している。昨年度はクルクミンについてコレステロール排出作用を検討したが変化は認められなかった。本年は、クルクミンと同様にNekohashiらによりコレステロール吸収抑制作用を有すると報告されたポリフェノールのうち、ケルセチンに着目してコレステロール排出作用を検討した。実験方法は、マウスに0.5%コレステロール食と0.5%コレステロール食+0.05%ケルセチン食を2週間与えた後、放射能ラベルしたコレステロールを含むマクロファージを腹腔注射した。その後、糞便中に排出された放射能量を測定することによりコレステロール排出能を評価したが、両群間で差は認められなかった。したがって、昨年のクルクミンに続き、ケルセチンにおいてもコレステロール排出促進作用は認められなかった。本年度中に、コレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールの中で、コレステロール排出促進作用を有するポリフェノールも見出す予定であったが、現在のところ、まだそのようなポリフェノールは見つかっていない。高比重リポ蛋白(HDL)は、動脈硬化巣マクロファージ中の余剰なコレステロールを肝臓に運搬するコレステロール逆転送(RCT)を担う抗動脈硬化性リポ蛋白であり、HDLの量を増加させるあるいはHDLの機能改善させる物質の探索が動脈硬化予防研究のターゲットとして注目を集めている。申請者は、小腸コレステロールトランスポーター阻害薬であるエゼチミブがハムスターのRCTを促進することを見出し、報告した。本研究では、小腸をRCTにおける重要な臓器と位置づけ、コレステロール吸収阻害作用を有するポリフェノールとして報告されたクルクミンのin vivoにおけるコレステロールRCTに及ぼす効果についてヒトとよく似たリポタンパク質分布を有するゴールデンシリアンハムスターを用いて検討した。RCT実験は、トリチウムラベルマクロファージを腹腔注射後糞便中のトリチウムレベルを測定することにより評価した。まず、クルクミンのHDL機能によるRCT作用を普通食を用いて検討した。普通食群と普通食+クルクミン群に分け、4週間摂取させ、RCT実験を行ったところ、糞便中のトリチウムレベルも両群で有意な差は認められなかった。このことから、クルクミンはHDL機能によるRCTの活性化に影響を及ぼさないことが示された。次に、コレステロール吸収阻害によるクルクミンのコレステロール逆転送作用の検討を高コレステロール食を用いて行った。高コレステロール群と高コレステロール+クルクミン群に分け、12週間摂取させ、RCT実験を行ったが変化は認められなかった。さらに、クルクミンは高脂肪高コレステロール食ハムスターにおけるHDL増加作用が報告されていることから、同条件で9週間摂取させ、RCT実験を行った。糞便中へのトリチウムラベルコレステロール排出増加傾向が見られたクルクミンによる活性化は認められなかった。

当初研究を予定していたコレステロール吸収阻害作用を有するポリフェノールの網羅的検索については、本実験の開始と同時期にNekohashiらにより論文に掲載されたので、これらの実験は省略し、論文中で効果のあったポリフェノールでRCT実験を行った。このうち、クルクミンとケルセチンに着目してRCT実験を検討したが、活性化は認められなかった。従って、コレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールであるクルクミンとケルセチンではRCTを活性化しなかった。当初、小腸上皮細胞実験でコレステロール吸収抑制実験を行う予定であった、しかし、時を同じくしてNekohashiらよりコレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールの探索実験が報告されたため、初年度の細胞実験を行うのを止め、次年度以降の実験計画である細胞実験を行った。以前、コレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールと報告されていたクルクミンを用いたコレステロール逆転層実験を行ったが、投与期間、普通食、高コレステロール食、高脂肪食など食餌成分の異なる条件で検討を行ったが、コントロール群との差は見られなかった。本年度までクルクミンやケルセチンなどのコレステロール吸収を抑制するといわれるポリフェノールではコレステロール排出促進はみとめられなかった。今後は、これらと同じくコレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールと報告されているヘスペレジンやヘスペレチンなどの柑橘類に含まれるポリフェノールに着目して、コレステロール排出促進の検討をマウスを用いて行う。また、これまでのポリフェノールの投与方法は、混餌のみであったが、胃ゾンテで投与するなど異なる投与方法についても検討する。食品栄養Nekohashiらにより、コレステロール吸収阻害作用を持つポリフェノールとして、ルテオリン、ケルセチン、サクラネチンが報告された。今後は、C57BL6マウスを通常食と0.5%高コレステロール食およびこれらポリフェノールを含む食餌下で飼育しRCT実験の検討をする。もし、マウスの実験でPositiveなデータを得た場合には、そのポリフェノールを用いてハムスターでもRCTアッセイの検討を行う。H26年度は、小腸上皮細胞実験でコレステロール吸収抑制実験を行う予定であった、しかし、時を同じくしてNekohashiらよりコレステロール吸収抑制作用を有するポリフェノールの探索実験が報告されたため、最近になり、クルクミン、ルテオリンやケルセチン等数種のポリフェノールが、小腸上皮様細胞Caco2細胞のNPC1L1発現を減少させてコレステロール吸収を阻害することが報告された。さらに、上記グループから、H26年度予定していた96穴プレートによる測定系の確立は、放射線量が検出限界以下となる情報を得た。
ミクロ構造化フレキシブル光反応セルを用いた空間制御分子接合

有機分子-シリコン共有結合界面とこの分子接合シリコンを電子集積回路の機能要素とするには、その微細パターン化が要求される。しかしながら、被加工材料が機能性有機分子であり、プラズマや劇薬を使用する従来の微細加工技術は、有機分子の種類によってはダメージを与えてしまう可能性が有り、最適な手法とは言い難い。そこで、本研究では、『フレキシブルマイクロリアクター』を使い『局所的に光反応誘起』し、『分子接合空間を2次元的に制御』する分子接合と微細パターニングを同時に行なう手法を開発を提案した。本研究の目標は『マイクロ光反応セルを用いたシリコン表面への局所的分子接合』というアイデアの有効性を、具体的に実証することにある。実際に、本研究では、・PDMSマイクロ反応セルを水素終端化シリコン基板を密着させ、・反応セル内部に反応溶液を封入し、試料環境を窒素置換、・PDMSマイクロ反応セル越しに水素終端化シリコン/反応溶液を可視光照射する反応器を設計試作し、実験を行った。反応溶媒によってはPDMSセルが膨潤し封止ができないなどの困難があったが、低膨潤性溶媒の探索,セル表面にコーティングを施すなどPDMSの膨潤防止策等の工夫によって、接合実験を行うことができた。まだ、改善の余地は多いにあるものの、有機分子を光化学反応によってシリコン表面に局所的に接合するというアイデアの有効性と、PDMSセルの可視光励起反応セルへの適応可能性を、確認することに成功した。
圧電振動子を用いた高安定角速度センサの研究

圧電形振動ジャイロ・角速度センサの高安定化をはかるために得られた結論・成果を以下に述べる。(1)検出側広帯域特性を有するセンサ構成の検討結果センサの設計法として、これまで双共振子の駆動側と検出側の共振周波数を一致あるいは接近させてセンサの感度を大きくする方針をとって来た。しかし、双共振子の共振周波数の変動により感度が不安定となる。これに対して、双共振子に外部よりインダクタンスを挿入し、検出側で帯域通過フィルタ特性を実現させ共振周波数が異なっても感度は一定となるよう工夫し、駆動側においては挿入損を少なくする構成を提案した。本方法により、センサ製作上のメリットが大となり、出力の安定化の計れることが知られた。しかし、インダクタンスを使用するため、自動車等への応用ではエンジンル-ムのノイズをひろうことも予想されるが、検出時に同期整流回路を採用しているためその影響は無視できるものと考えている。(2)センサの駆動・検出方法の検討結果これまでセンサの駆動は外部発振器を利用し、また検出はロックインアンプを利用していた。しかし、センサの高安定化を図るには印加角速度の大きさや温度により変動する駆動側の共振子の振幅を一定に保つ必要が出て来た。そこで、駆動側はAGC回路を内蔵した自励発振回路を、検出側は小形化を図った電子回路をそれぞれ設計製作を行い、当初の目的を達成した。今後の研究課題としては、印加角速度のない時のセンサ出力、即ち洩れ出力の安定化を図ることが急務となっている。現在、これに対する2、3の工夫考案をもっているが、振幅のみならず位相までも考慮した検討をする必要がある。本年度の研究実績を下記する。1.センサ用圧電振動子の等価回路考察構造の最も簡素な横振動音片に関する角速度センサとしての等価回路について、漏れ電圧の無い基本的な場合と漏れのある場合の表示を整理し、実用に便ならしめた。2.センサの設計条件の検討高安定センサ実現の観点から、駆動側共振周波数が多少異なっても検出感度及び印加角速度による入力インピーダンスが殆ど変化しない構成について検討を行い、振動子端部にインダクタンスを挿入する方法を提案・発表した。さらに、実験的検討が必要である。3.位相検出法の検討圧電振動子の製作精度がセンサの漏れ電圧の大きさのバラツキに大きく依存し、位相検出による印加角速度検出の感度を大きく左右する。そこで、この漏れ電圧を外部から安定に制御する方法について検討し、その実現の可能性を見出した。引き続き考察することが必要である。4.センサの試作と特性測定購入機器によるセンサ特性の測定を行ったところ、高安定なセンサを実現するには、振動子の駆動及び信号検出回路を次の様にする必要があることがわかった。即ち、駆動側は温度変化や上記の入力インピーダンス変化の影響を受けない自励振式の振幅制御の可能な駆動回路にする必要があり、その試作を行った。また、信号検出回路を試作した。さらに、これらの調整及び最終設計条件下における振動子との一体化、そしてその総合的考察が次年度の課題である。1.検出側広帯域特性を有するセンサ構成の検討結果センサの設計法として、これまで双共振子の駆動側と検出側の共振周波数を一致あるいは非常に接近させてセンサ感度を大きくする方針をとっていた。これに対して、双共振子に外部よりインダクタンスを挿入し、検出側で帯域通過フィルタ特性を実現させ共振子周波数が異なっても感度が一定となるように工夫し、駆動側においては挿入損失が小さくなる構成を提案した。

本方法により、センサ製作上のメリットが大となり、出力の安定化の計れることが知られた。しかし、インダクタンスを使用するため、自動車等への応用ではエンジンル-ムのノイズを検出してしまうことが予想されるが、信号検出に際しては同期整流回路を採用しているためこの影響は無視できるものと考えられる。2.センサの駆動・検出方法の検討結果これまでセンサの駆動は外部発振器を利用し、また検出はロックインアンプを利用してきた。しかし、センサの高安定化をはかるには印加角速度の大きさや温度により変動する駆動側の共振子振幅を一定に保つ必要が出て来た。そこで、駆動側はAGC回路を内蔵した自励振回路とし、検出側は小形化をはかった位相検波器とその周辺回路を設計・試作し、当初の目的を達成した。今後の研究題目としては、印加角速度零の時の出力、即ち洩れ出力の安定化の研究に取りくむ必要がある。現在、二、三の工夫を考えているが、センサの振幅と位相の両面より検討することが必要となろう。
界面反応活性種の電気化学制御に基づく精密重合反応と機能性有機薄膜材料への展開

本研究では、正負両方向の電気化学反応を利用した高分子複合薄膜作成法の確立を目指した。具体的には、還元的条件の電気化学ATRP法で得られる高分子と酸化的条件で得られる高分子を、電気化学的に切り替えてワンポットで合成した。この方法で得られる薄膜は、基板上にそれぞれの高分子が高密度に敷き詰められており、ナノレベルで異種接合界面を形成している。また、電気的刺激のオン・オフで重合の開始・停止を容易に制御することができるため、任意の膜厚で高分子複合薄膜を簡便に作成することが可能となった。一連の成果には、異種類の高分子鎖を簡便かつ機能的に基板上へ配置する新たな手法としてさらなる発展が期待できる。有機高分子を基盤とする薄膜材料において、その集積構造の精密な設計・構築は、個々の分子本来の特性と並び、得られる材料の性能を左右する決定的な要因となる。特に、近年活発に研究開発されている有機薄膜太陽電池などの有機高分子を用いた薄膜デバイスにおいては、薄膜界面構造の高密度化と配向を制御する手法の開発が極めて重要である。本申請課題では、電気化学的刺激のスイッチングのみで、異なる特性を示す高分子鎖を簡便かつ機能的に基板上へ配置する新たな手法を開拓することを目的としている。初年度は、本計画の基盤的技術となる表面開始重合の電気化学的制御について検討を行った。具体的には、本課題の鍵となる電極界面での1還元反応に基づく表面開始重合と2酸化反応に基づく電解重合について、基板界面での反応について詳細に検討した。それぞれの重合反応について、印加電圧・電流量・反応速度等の観点から詳細に調べ、電極界面の反応活性種の生成・失活を精密に制御することを目指した。その結果、印可した酸化還元電流に応じて、基板表面で重合触媒の活性をON/OFFし、高分子鎖長・膜厚を容易に制御することが可能となった。また、基板表面に修飾する重合開始点の密度を、修飾剤の分子構造の嵩高さ・混合比率を変えることで厳密に制御できることを明らかにした。一連の成果は、電気化学的な制御だけで性質の異なる高分子鎖を独立して同一基板上へ構築するための基礎的な知見として非常に有用なものである。有機高分子を基盤とする薄膜材料において、その集積構造の精密な設計・構築はデバイス性能を左右する決定的な要因となる。特に、近年活発に研究開発されている有機材料を用いた機能性薄膜材料においては、界面構造の高密度化と配向を制御する手法の開発が極めて重要である。従来、2種類の高分子を複合化して薄膜化する際には、溶液中で分子間相互作用を利用して複合体を形成し、塗布等で基板上へ固定化する方法がとられてきた。しかしながら、溶液塗布で作成した複合体薄膜の配向はランダムであり、薄膜全体のナノ構造を精密に制御することは難しかった。本研究では、有機薄膜材料における異種接合界面の垂直配向・高密度化・膜厚制御を指向した精密界面重合反応の開発を目的とした。具体的には、電極界面で異なる2つの反応活性種の生成・失活を電気化学的に制御することで、2種類の高分子鎖を同一基板上で均一に生長させ、高分子複合薄膜を得る手法を確立することにある。本年度は、前年度で確立した表面開始重合反応の知見を元に、2種類の電気化学重合を利用した混合薄膜作成法の確立を目指した。具体的には、電気化学ATRP法で得られるポリマーブラシの空隙を、開始剤の電極表面被覆密度で調整することで、ポリマーブラシの層間を2段階目のチオフェンの電解酸化重合の鋳型反応場として用いた。得られた有機薄膜は、基板上にそれぞれの高分子が高密度かつ垂直配向した相分離構造を有しており、ナノサイズレベルで理想的な異種高分子の接合界面を形成している。また、電気化学反応を利用することで重合の開始・停止を容易に制御することができ、任意の膜厚で高分子複合薄膜を簡便に作成することが可能となった。一連の成果により、電気化学的刺激の切り替えのみで、異なる種類の高分子鎖を簡便かつ機能的に基板上へ配置する新たな手法を見出した。ナノ材料化学本計画の鍵となる基礎的な知見は、これまでの研究においてほぼ達成された。また、計画当初に懸念された問題点についても、表面処理・化学修飾・反応条件を最適化することで解決の見通しがついた。おおむね計画通りに進んでいる。当初計画の通り、これまでに確立した表面開始重合反応の知見を元に、異なる2種類の電極界面反応を利用してナノスケールの緻密さを持った異種接合高分子薄膜を作成する。得られた複合薄膜は、構造および物性について各種分光解析により総合的に評価し、主鎖・側鎖構造の設計へと適宜フィードバックすることで、高密度な異種接合高分子薄膜の構築を目指す。

消耗品の購入費用として計上していた物品費の一部が現有機器・試薬の利用により不要であったため。また、当初計画していた学会参加を中止したため旅費に未使用額が生じた。次年度の研究計画を迅速に遂行するため、未使用額は消耗品の購入費および学会発表の旅費として使用する。
嗅球における匂い地図形成の分子基盤

嗅球における匂い地図(嗅覚受容体と糸球の相関)の形成は、嗅上皮において、個々の嗅細胞が嗅覚受容体遺伝子群の中から一種類のみを発現すること(1細胞-1受容体)、並びに、嗅球において、同じ種類の受容体を発現する嗅細胞が、特定の糸球にその軸索を収斂させて投射する(1糸球-1受容体)という二つの基本ルールによって支えられている。私共は、マウス嗅覚系における嗅細胞軸索の投射、即ち、嗅球における匂い地図形成のメカニズムを解明する為、本研究を行った結果、特定の嗅覚受容体を発現する嗅細胞が軸索を収斂させて嗅球に投射する際、その投射位置の背腹軸は嗅細胞の嗅上皮における位置、即ち、受容体が嗅上皮のどの領域で発現するかによって規定されることが示唆された(投稿中)。それでは、嗅球における嗅細胞の投射位置の前後軸は、何によって規定されているのであろうか?本研究では更に、鳥類の視覚系において網膜・視蓋上に濃度勾配を作って投射マップの形成を支えているEph-ephrin系に着目した。これ迄Axelのグループにより、ephrin-A3/A5のダブルノックアウトマウスにおいて、嗅細胞の嗅球における投射位置が、野生型に比べ後方にシフトすることが報告された。嗅細胞においてはephrinのサブタイプのみならずEphのサブタイプも発現しているので、私共は、これらが嗅覚受容体分子と協調して、投射位置の決定に関与している可能性を検討している。これ迄、Eph-Aの下流で機能すると考えられているephexinのdominant-negative変異体を、Cre-loxPシステムを用いて、嗅細胞において特定の嗅覚受容体MOR28と共発現させたところ、嗅球の外側部において、本来の糸球よりも後方にectopicな投射先が観察された。このことは、Eph分子が嗅細胞の投射に際して、嗅球の前後軸に沿った位置の決定に関与している可能性を示唆するものであるが、嗅覚受容体の"identity"がこの投射位置の決定のプロセスにどう反映されているのかについては、今後、MOR28発現細胞で特異的な遺伝子破壊などにより検討される必要がある。
ピリドキサ-ル酵素モデルの研究

ピリドキサ-ルを補酵素とする酵素は溶液環境の変化や酵素反応の進行に伴い、吸収およびけい光スペクトルが多様に変化する。研究代表者はそれが補講素部分の化学構造変化を反映しているものと考え、補講素またはその類似体の化学修飾により種々の状態の酵素と同じ吸収スペクトルの化学種を生成させ、このモデルにより酵素の静的状態および不安定中間体を含む動的状態の活性部分の構造を解明してきた。従来の研究である種の金属錯体がthe key intermediateと言われる酵素不安定中間体と同じ吸収スペクトルを示し、そのモデル化学種となる可能性を見いだした。今回の研究では、これら錯体および関連の化学種について吸収、けい光スペクトルおよび生成消失の動力学を測定し、静的状態の吸収スペクトルモデルと合わせて、酵素活性中心の解明を目的とした。基質が存在しない時の酵素のモデルであるピリドキサ-ルおよびピリドキサミンのシッフ塩基について種々の溶存状態および他物質との会合状態での吸収およびけい光スペクトルを測定し、分子の構造や環境とスペクトル、生成反応平衡の関係を調べた。アルコ-ル性溶媒中では、ピリドキサ-ルはアミノ酸やアミンと容易にアルジミン型シッフ塩基を生成した。しかし、シッフ塩基生成反応の動力学デ-タは再現性が悪かった。これは、ピリドキサ-ルとアルコ-ルのアセタ-ル生成によることを証明した。また、当初の計画通り、各種の金属A1(III)およびランタノイドキレ-ト、Cu(II)混合配位子錯体として準安定化させたキノイド分子についても核種のスペクトル測定を行った。報告された酵素の吸収およびけい光デ-タを結果と比較し、この錯体は酵素の活性中心の構造を忠実に再現できる良いモデルであると結論した。
生体神経系と人工機器の双方向学習による統合制御システム

本研究は,生体神経信号による人工機器の制御性能を高めるために,人工機器側だけでなく,生体神経系側における学習を促進あるいは制御する双方向学習機能を備えたシステムを開発することを目的として行った.義肢や人工臓器の究極的な制御方法として,生体の神経系による制御方法が注目されているが,神経系は非常に柔軟なシステムであり,このような制御系を構築した場合,制御対象の動作特性に合わせてその出力を変化させていくだけでなく,最終的には制御対象の脳内表現を形成することで,外部機器と真に統合された自然な制御が行われるようになることが予想される.研究期間である平成17年度及び平成18年度において下記の課題を遂行した.1.柔軟神経電極,流路神経電極等の神経電極と計測系の改良柔軟神経電極や流路神経電極を慢性的に使用するための改良を施した.2.神経信号による外部機器制御システムの構築ラットの運動指令信号を計測し,制御信号へと変換した上で,車両へと出力するシステム(ラットカーシステム)の改良を行った.さらに,ラットがレバー押しによる車両制御を学習してから,神経信号解釈による制御に移行するタイプのシステムも構築した.3.慢性動物実験による神経系の可塑性の計測と解析システムの統合脳機能研究のッールとしての有用性を実証するために実験を行った.ラットの運動野に神経電極を埋め込み,慢性的に計測するとともに,制御対象(車両)の動作特性や解釈アルゴリズム,神経信号計測部位などを変化させた際のラット運動の推定結果に与える影響について,検討を行った.本研究は,生体神経信号による人工機器の制御性能を高めるために,人工機器側だけでなく,生体神経系側における学習を促進あるいは制御する双方向学習機能を備えたシステムを開発することを目的として行った.義肢や人工臓器の究極的な制御方法として,生体の神経系による制御方法が注目されているが,神経系は非常に柔軟なシステムであり,このような制御系を構築した場合,制御対象の動作特性に合わせてその出力を変化させていくだけでなく,最終的には制御対象の脳内表現を形成することで,外部機器と真に統合された自然な制御が行われるようになることが予想される.研究期間である平成17年度及び平成18年度において下記の課題を遂行した.1.柔軟神経電極,流路神経電極等の神経電極と計測系の改良柔軟神経電極や流路神経電極を慢性的に使用するための改良を施した.2.神経信号による外部機器制御システムの構築ラットの運動指令信号を計測し,制御信号へと変換した上で,車両へと出力するシステム(ラットカーシステム)の改良を行った.さらに,ラットがレバー押しによる車両制御を学習してから,神経信号解釈による制御に移行するタイプのシステムも構築した.3.慢性動物実験による神経系の可塑性の計測と解析システムの統合脳機能研究のッールとしての有用性を実証するために実験を行った.ラットの運動野に神経電極を埋め込み,慢性的に計測するとともに,制御対象(車両)の動作特性や解釈アルゴリズム,神経信号計測部位などを変化させた際のラット運動の推定結果に与える影響について,検討を行った.本研究は,生体神経信号による人工機器の制御性能を高めるために,人工機器側だけでなく,生体神経系側における学習を促進あるいは制御する双方向学習機能を備えたシステムを開発することを目的として行った.義肢や人工臓器の究極的な制御方法として,生体の神経系による制御方法が注目されているが,神経系は非常に柔軟なシステムであり,このような制御系を構築した場合,制御対象の動作特性に合わせてその出力を変化させていくだけでなく,最終的には制御対象の脳内表現を形成することで,外部機器と真に統合された自然な制御が行われるようになることが予想される.平成17年度末までに下記の課題を遂行した.1)柔軟神経電極,流路神経電極等の計測系の改良柔軟神経電極や流路神経電極を慢性的に使用するための改良を施した.2)神経信号による外部機器制御システムの構築(ラットカーシステム)ラットの運動指令信号を計測し,制御信号へと変換した上で,車両へと出力するシステム(ラットカーシステム)を製作した.さらに,ラットがレバー押しによる車両制御を学習してから,神経信号解釈による制御に移行するタイプのシステムも構築した.3)慢性動物実験による神経系の可塑性の検討ラットの運動野に神経電極を埋め込み,慢性的に計測するとともに,制御対象(車両)の動作特性や解釈アルゴリズム,神経信号計測部位などを変化させた際のラット運動の推定結果に与える影響について,検討を行った.本研究は,生体神経信号による人工機器の制御性能を高めるために,人工機器側だけでなく,生体神経系側における学習を促進あるいは制御する双方向学習機能を備えたシステムを開発することを目的として行った.義肢や人工臓器の究極的な制御方法として,生体の神経系による制御方法が注目されているが,神経系は非常に柔軟なシステムであり,このような制御系を構築した場合,制御対象の動作特性に合わせてその出力を変化させていくだけでなく,最終的には制御対象の脳内表現を形成することで,外部機器と真に統合された自然な制御が行われるようになることが予想される.平成18年度においては,下記の課題を遂行した.1)柔軟神経電極,流路神経電極等の神経電極と計測系の改良前年度に引き続き,柔軟神経電極や流路神経電極を慢性的に使用するための改良を施した.2)神経信号による外部機器制御システムの構築(ラットカーシステム)前年度に引き続き,ラットの運動指令信号を計測し,制御信号へと変換した上で,車両へと出力するシステム(ラットカーシステム)の改良を行った.3)慢性動物実験による神経系の可塑性の計測と解析システムの統合

脳機能研究のツールとしての有用性を実証するために,前年度につづき以下の実験を行った.ラットの運動野に神経電極を埋め込み,慢性的に計測するとともに,制御対象(車両)の動作特性や解釈アルゴリズム,神経信号計測部位などを変化させた際のラット運動の推定結果に与える影響について,検討を行った.4)研究の総括生体神経系と人工機器の統合システムにおける双方向学習の人工的コントロールの可否等について,ここまでに得られた知見をまとめ,研究の総括を行った.
フォノニック結晶の作製とその光学デバイスへの応用

結晶を伝搬する音波などの弾性波は、散乱現象などを通して電子や光子と相互作用することにより、物質の光・電子物性を変化させる。弾性波の分散ゆあ空間閉じ込めの制御が可能となれば、関連する諸現象、特に光散乱や光弾性効果などの増強・制御が可能となりと期待できる。本研究では、弾性波の伝搬特性が制御された人工材料を構築し、その音響工学デバイスへの応用を目指す。具体的には、弾性率の異なる材料の周期構造で構成されたフォノニック結晶構造を利用して弾性波の低群速度状態や局在状態を実現し、位相変調器や偏向器などとして広く利用されている音響光学素子の性能向上を目指している。21年度には、理想的一次元フォノニック結晶(音波の進行方向と垂直方向のサイズは無限に大きい)を用いることで、一様材料に比べて、高い音響光学性能指数を実現できることを理論的にしめすとともに、その作製法を提案した。一方、実際の素子では、素子サイズの有限性を考慮した解析・設計が不可欠である。音響光学素子として用いようとする場合には、十分な光の回折効率を得るために、音波の波長に比べて大きな断面積を有する素子を作製する必要がある。この場合の一次元フォノニック結晶は弾性波のマルチモード導波路になるため、結晶内での歪および屈折率は複雑な分布を示し、音響光学素子としては好ましくない。今年度は、有限要素法を用いた数値解析によりこの問題を検討し、有限の断面積を持つ場合の一次元フォノニック結晶のバンド特性の解析と、弾性波モード分布の解析を行った。その結果、空間的に変調された弾性波励起源を用いることで理想系における歪および屈折率分布に近い空間分布を実現することができることを示すことができた。また、この励起方式を用いることにより、有限系においても低群速度領域で音響光学効果の明瞭な増強が生じることを示した。現在、これらの成果をまとめた学術論文の準備を進めている。弾性波の分散や空間閉じ込めの制御が可能となれば、関連する諸現象、特に光散乱や光弾性効果などの増強・制御が可能となると期待できる。本研究では、弾性波の伝搬特性が制御された人工材料を構築し、その音響光学デバイスへの応用を目指す。具体的には、弾性率の異なる材料の周期構造で構成されたフォノニック結晶構造を利用して弾性波の低群速度状態や局在状態を実現し、位相変調器や偏向器などとして広く利用されている、弾性波と光の相互作用を用いた音響光学素子の性能向上を目指す。今年度は、1次元フォノニック結晶中の弾性波に対するバンド解析を進め、その知見を基に特別な1次元フォノニック結晶構造を人工的音響光学結晶として用いることを提案した。例えば音響ブラッグ回折素子へ応用した場合では、フォノニックバンド近傍の波長をもつ弾性波を入射すると、その群速度が一様材料に比べて小さくなることに起因して、弾性波と光波の相互作用が増強され、素子長が同じであれば、従来よりも低パワーで高い回折効率を示す素子が実現できること、同じ弾性波投入パワーに対しては、回折効率を維持したまま素子長を短くすることでき、偏光角帯域を拡げることが可能となることを理論的に示した。また、このような1次元フォノニック結晶の作製法として、特定の結晶対称性を有する結晶材料を、ある結晶軸の周りに90度回転しながら繰り返し積層すること方法を提案した。今後は2次元フォノニック結晶構造の利用や他の音響光学素子への応用の可能性を検討する。
珊湖礁魚類の個体異変が種間関係や共存様式に及ぼす影響

本研究においては過去2年ないし3年間に渡り、沖縄県瀬底島周辺、鹿児島県口永良部島、愛媛県宇和海沿岸にて調査区を設け、対象魚類を個体識別し個体レベルでの種間関係の把握を行ってきた。その結果、藻食性の縄張りを有するスズメダイ類の雄が三重なわばりを持つこと、その3つのなわばりのうち、同種雄に対する最も大きな配偶なわばりが、優位種の雄による場所占拠を阻害し、ひいては劣位種の微生息場所での同所的共存をもたらすことが示唆された。また、主に口永良部島で調査された、魚食魚にはその餌摂餌技術にかなり個体変異が認められた。この変異は各個体の行動圏の違いなどには起因できず、個体特有のものと見られる。このような個体変異は熱帯この魚食魚での報告例と相似的なものと思われ、「捕食共生」の効果をもたらすものと考えられる。これらについては、今後も同じ調査区で研究を継続するつりもである。また、宇和海で調べたベントス食魚の随伴関係では、随伴種の各個体が同程度に随伴するのではなく、大型個体が優先して随伴することがわかった。これは大型個体ほど種内で有利であり、大きな行動圏を持つためであることが明らかにされた。また大型個体ほど、大きなホストに随伴することもわかった。これらは、種内関係が種間関係に大きく影響することを示した研究と位置付けることができる。本研究によって、個体レベルから種間関係を捉えることの有用性が示されたものと考えている。スズメダイ類の共存機構や魚食魚の捕食共生など今後継続すべき調査項目もあるが、それらの結果は珊瑚礁や熱帯湖の魚類群集を把握する場合、個体性を重視し、個体の関係から種間関係を捉えるという、「種間社会」のアプローチの有効性を支持するものとなる。今年度は、近縁魚類の共存機構については、沖縄県瀬底島周辺域で、また魚食性魚の摂餌行動の個体変異については、鹿児島県口江良部等に於て調査した。共存機構は、なわばり性スズメダイ3種、クロソラスズメダイ、セダカスズメダイ,オジロスズメダイについて調査した。まず、これらの雄の縄張り構造は、巣周辺の狭い空間を卵の捕食者から防衛する卵保護なわばり、卵保護なわばりより大きい、主に餌の競争者を排除する、摂餌縄張り、さらにその外側に同種雄を防衛する配偶なわばりを袷もつことが確認できた。これらの種の雌は、摂餌なわばりのみを雄同様餌の競争者から防衛していた。調査区内では、同種雄の摂餌なわばりは、隣接する事なく配置されていたが、この配置は雄の配偶なわばりの存在のため生じていると思われた。この同種雄の空間配置は近縁種共存に一定の役割を果たしていると思われる。来年度は、このことを検証するための雄の除去実験を行うとともに、あらたに調査区をもうけ、3種以外のスズメダイでも同様の現象が生じているのか調査していく予定である。摂餌行動の個体変異については、ハナミノカサゴを材料に調査した。本種は各個体がかなり大きな行動圏をもち、個々には大きく重複している。餌魚を捕獲する行動の観察は困難であったが、待ち伏せ行動はかなり観察できた。餌の待ち伏せ行動は個体によって大きく違うことが明らかになった。ある個体は、ハゼ等のベントス魚の隠れ家の前で長時間待続けるのに対し、ある個体は流れ藻のように水中に漂い餌の接近を待った。これらの差異は生息場所環境の差異のためとは思われない。来年度も継続調査を行う予定である。

今年度は、鹿児島県口永良部島にて、ハナミノカサゴの摂餌行動の個体変異の調査を継続した。摂餌行動は基本的に、餌の存在様式と対応はしているが、同じ餌に対する摂餌行動でもハナミノカサゴの大きさによって変異のあることが分かった。しかし、同サイズ個体でも個体毎に摂餌行動に変異が存在することも否定はできなかった。この変異がいかに具現するのは不明である。また同島にて、魚食魚ヘラヤガラの摂餌行動も調査した。このヤガラは全長50cmと大型で、体模様から長期にわたり個体識別が可能である。調査した15個体は岸沿いに100-300mの行動圏を持っており、各個体の行動圏は大きく重複した。魚食魚である本種は、摂餌に際して他の魚種を利用した。予測されたとおり個体によって、ブダイ等の大型魚を頻繁に隠れ蓑にするもの、ハギ類の群を使うもの、岩が下など基質をよく利用するもの、と個体によりかなり変異があることが分かった。今年度も特に、餌魚の同定をしっかりさせこの調査を約6ヶ月続続させる予定である。また同島で、4種のナワバリ性スズメダイが広範に共存する区域を見いだした。3つの永久調査区をもうけ、それぞれで4種のナワバリ地図を作った。その結果、4種のナワバリ分布は、ある程度は基質との対応性はあるものの、むしろ同種同士では、排他的に分布する傾向が認められた。調査時期は繁殖期が終わった後であり雌雄の判定は確かではないが、おそらく同種雄同士の摂餌ナワバリは隣接することなく分布しているものと思われる。このことは、同種雄間の配偶競争が、近縁種の共存を促進するとの仮説を支持するものと思われる。来年度は、繁殖期に配偶行動の観察とあわせて除去実験を行い、この仮説の検証を行う。今年度は、摂餌行動の個体変異については、魚食魚ハナミノカサゴ、ヘラヤガラについて行った。前者では5つの摂餌行動が区別されたが同所的に棲む各個体はそれらのうち一つか二つを主に使用している傾向が見られた。また、個体のサイズも摂餌行動と関係が見られた。摂餌行動と餌魚種に対応があり、結果として本種は個体ごとに、摂餌場所、餌種を分割使用している。またヘラヤガラでは、水中から直接襲うほか、他の非餌魚種の大型単独個体や、藻食魚の混群、大きな岩を餌に近づくため利用することが確認され、各方法の利用頻度も個体によってかなり固定的である。共存するアオヤガラには、このような摂餌行動の個体での特殊化は見られず、多くの個体が水中から水平あるいは下に飛び出して摂餌した。ヘラヤガラのこの個体変異は「捕食共生」として働くものと考えられ現在資料を分析中である。沖縄県瀬底島では、ナワバリ性スズメダイの雄の縄張り構造が、近縁種共存に果たす役割についても継続調査した。ただ、昨年は水温上昇のため、多くの珊瑚の死滅もあり、十分な成果は得られなかった。この点は、今後も継続課題としていきたい。また、過去二年間に得られた資料の分析、その成果の発表準備も行った。タカノハダイと2種のベラの随伴関係については、関与種を種単位で捉えるだけでは見いだせない、実に多様な関係が個体レベルで検討していくと見えてくることが明らかとなった。すなわち、随伴種、ホスト種の体サイズの組合せは全くランダムではなく、サイズ同調的に起こること、そしてこれはそれぞれの種の種内関係によりもたらされていることが明らかとなった。
生体高分子複雑系のナノカ学と工学操作

原子・分子のナノ力学の領域で、我々は生体高分子、特にタンパク質立体構造の力学的特質を明らかにする実験に従事し、タンパク質ナノ力学という新しい研究分野を開拓することに成功した.非常に複雑な原子間相互作用の上に成り立っているタンパク質の立体構造の幾何学的な解析はX-線結晶解析及びNMRによりなされているが、その構造が持つ力学的な固さ、あるいは固い部分と柔らかい部分の分子内分布については従来研究手段が無かった.我々は原子間力顕微鏡を使用することにより、単一タンパク質分子をその両末端から引き伸ばす実験に成功し、その延伸における張力と延伸距離の関係を詳細に調べる方法を確立した.この方法を炭酸デヒドラターゼおよびカルモジュリンという典型的な球状タンパク質に適用したところ、それぞれ分子内に外力による破壊に対してとりわけ耐性を持つ固い芯(コア)と言ってよい構造が存在することがわかった.炭酸デヒドラターゼでは全長の60-70%まで伸ばすと、このコア構造は協同現象的に破壊される.同様な構造破壊はカルモジュリンにおいても見ることができた.カルモジュリンについては、機能部位に結合するメリチンなどの低分子との相互作用によりその力学的性質が大きく変わることも確認した.同じタンパク質を生物機能を持たない状態にするとこのコア構造は失われる.原子間力顕微鏡による研究では張力と延伸距離の関係の情報以上は得られないので、並行して分子動力学シミュレーションによる研究を行った.その結果、炭酸デヒドラターゼにおけるコア構造はβシート構造によって構成され、亜鉛イオンの配位によって活性中心を作っている部分であることが強く示唆された.このような基礎的な力学物性に対する知見から、生体構造の複雑性を解明するさらに高次な研究への展開を目指している.新規のナノ力学測定装置の構築生体分子に力がかかっている状態、あるいは力によって変形している状態の構造の特徴と生化学的機能を光学的に測定するための基本装置の構成を決め、要素部分の選定と導入を行った。構成は、分子の力学的操作を目的とする原子間力顕微鏡(東京インスツルメンツ(TIIと略記)製Nanofinder)を備えた共焦点蛍光顕微鏡(既存)と蛍光励起のためのパルス光源(Avesta社製TiF50組み込み)、試料蛍光の分光光学系、蛍光スペクトル、蛍光寿命および蛍光像をそれぞれ測定するための検出器からなっている.この装置を用いてタンパク質の単一分子延伸実験を以下の準備のもとに行なっている.生体高分子複雑系に対するナノカ学測定方法の開発状況タンパク質系の蛍光測定に用いられるCy3という色素を結合したキモトリプシン及びα2-マクログロブリンの単一分子同定を蛍光顕微鏡により行なった.またタンパク質自身が天然の蛍光発色団をもつグリーン蛍光タンパク質の遺伝子を入手し,大腸菌により発現したタンパク質の単一分子同定を行なった。このような単一分子同定が可能であることが示されたので,さらに原子間力顕微鏡部分の取り付けにより,単一タンパク質分子に力学的摂動を加えた状態での構造や機能の特徴を測定する方法の確立を行なっている。タンパク質のN-末端側とC-末端側を反対側にひくことにより立体構造をもって丸まっているタンパク質を引き伸ばす実験は炭酸デヒドラターゼ,カルモジュリンなど球状の酵素タンパク質を対象として選び,その単一分子を延伸する際の力学測定を行なっている.原子間力顕微鏡の力学測定モードを利用したタンパク質の延伸・収縮の力学をナノメートル・ナノニュートン領域で測定した.まずαヘリックス構造をとるポリペプチドを合成してそのバネ力学を世界ではじめて明かにした.ついで球状タンパク質ある炭酸デヒドラターゼについてN-末端とC-末端をそれぞれ原子間力顕微鏡の基板と探針に共有結合で固定したあと延伸し,その硬さを力学的に評価した.その結果,炭酸デヒドラターゼはC-末端側にある「結び目」構造の有無で非常に異なるフォース・エクステンションカーブをしめすことがわかった.さらに活性中心に結合することが知られている阻害剤を共存することにより,酵素分子内に非常に柔かい部分と硬い部分が生じることがわかった.結び目のない時の酵素の延伸曲線の両対数プロットが直線を示すことから,炭酸デヒドラターゼがパワーローに従う複雑系として振舞っているという仮説を立ててその挙動の詳細な検討を始めた.また,理論班の分子動力学的研究との共同研究の推進を図っている.今後の研究課題として取り上げる問題として,αヘリックス構造を主構造とするミオグロビン及びカルモジュリンの延伸と立体構造再生力学の測定,βシート構造をとるOspタンパク質と呼ばれる新規な非球状タンパク質の延伸力学がある.これらのタンパク質のナノ力学を解明することによりこれまで研究の行き届かなかった,タンパク質を中心とする生体高分子複雑系のナノ力学と工学操作を本格的な学問分野として開拓する.本年度は次の研究課題を実行し各項目に記す成果を得た。1)昨年度から引き続き、血液中に存在する酵素、炭酸デヒドラターゼの変異体を使用してタンパク質立体構造における「結び目」の意味についてナノ力学的手法を用いて研究を進めた。まず炭酸デヒドラターゼの変異体の結晶解析により「結び目」構造の存在を確認した。ついでこの変異体(D253C)の張力に対する応答を測定し、「結び目」構造のあるなしでの立体構造力学特性の差を明らかにした。2)細胞内情報伝達機能を持つカルモジュリンの力学特性がエフェクターであるカルシウムイオンの有無によって変化することを世界で初めて証明した。カルモジュリンはカルシウムの有無で異なるエフェクター分子と相互作用する結果その機能が変化することが報告されており、多様な機能変化に対応する力学特性の測定が興味ある課題となっている。本年度の研究によってこの点が明らかにされた。

3)αヘリックス構造を持つタンパク質に加えて、本年度からβシート構造をもつOspAタンパク質に関する力学特性測定をロチェスター大学のKoide博士の協力を得てスタートした。その結果αヘリックス構造より柔らかい特徴を示す結果が得られている。4)以上のようなの力学特性測定結果の解釈のためには、分子動力学的計算機シミュレーションが不可欠であるとの認識に立ち、01班との協力を進めるとともに本A04班でもより具体的なタンパク質モデルを利用した計算機シミュレーションを開始した。原子・分子のナノ力学の領域で、我々は生体高分子、特にタンパク質立体構造の力学的特質を明らかにする実験に従事し、タンパク質ナノ力学という新しい研究分野を開拓することに成功した.非常に複雑な原子間相互作用の上に成り立っているタンパク質の立体構造の幾何学的な解析はX-線結晶解析及びNMRによりなされているが、その構造が持つ力学的な固さ、あるいは固い部分と柔らかい部分の分子内分布については従来研究手段が無かった.我々は原子間力顕微鏡を使用することにより、単一タンパク質分子をその両末端から引き伸ばす実験に成功し、その延伸における張力と延伸距離の関係を詳細に調べる方法を確立した.この方法を炭酸デヒドラターゼおよびカルモジュリンという典型的な球状タンパク質に適用したところ、それぞれ分子内に外力による破壊に対してとりわけ耐性を持つ固い芯(コア)と言ってよい構造が存在することがわかった.炭酸デヒドラターゼでは全長の60-70%まで伸ばすと、このコア構造は協同現象的に破壊される.同様な構造破壊はカルモジュリンにおいても見ることができた.カルモジュリンについては、機能部位に結合するメリチンなどの低分子との相互作用によりその力学的性質が大きく変わることも確認した.同じタンパク質を生物機能を持たない状態にするとこのコア構造は失われる.原子間力顕微鏡による研究では張力と延伸距離の関係の情報以上は得られないので、並行して分子動力学シミュレーションによる研究を行った.その結果、炭酸デヒドラターゼにおけるコア構造はβシート構造によって構成され、亜鉛イオンの配位によって活性中心を作っている部分であることが強く示唆された.このような基礎的な力学物性に対する知見から、生体構造の複雑性を解明するさらに高次な研究への展開を目指している.
炭素-炭素シグマ結合のイオン解離に基づく炭化水素の新しい物性と反応性の探索

1.立体混雑が極めて大きい新規化合物、7-(9-X-フルオレン-9-イル)-1,3,5-トリ-t-ブチルシクロヘプタトリエン(1a:X=CN、1b:X=Ph、1c:X=MeO)を合成し(交付申請書に記載の化合物1)、その熱解離様式(イオン解離またはラジカル解離)を調べた。その結果、1acはいずれも比較的低温(100°C)で解離を起こし、溶媒極性が低いほど、またXの電子供与性が大きくなるほどラジカル解離の選択性が高くなることが示され、解離様式に対する溶媒と置換基の効果が明らかとなった。さらに化合物1bはTHF中、空気下では室温でも容易にラジカル解離を起こして自動酸化生成物を与えることが確認された。一方、1acがイオン解離した場合に生成するイオンの酸化還元電位をCV法により測定し、これを用いてラジカル対とイオン対の相対安定性の尺度である電子移動自由エネルギー(ΔG_<ET>)を計算したところ、溶媒極性が小さく、置換基Xが電子供与性になるほどその値は小さくなることが判明した。これにより、生成物の熱力学的安定性がC-C結合の解離様式を決定する主な要因の一つであると結論できた。2.化合物1bは、分子中のC-Cシグマ結合が二つのタイプの解離を同時に起こす極めて特異な炭化水素である(MeOH-THF等量混合溶媒中ではラジカル解離:イオン解離=3:7)ことが示された。また、イオン解離生成物として、中間体イオン対とMeOHとの反応によるメトキシシクロヘプタトリエン誘導体と9-フェニルフルオレンが単離されたことから、この反応は一種の加溶媒分解(S_N1)であることが明らかとなった。従来のS_N1反応の基質が例外なくヘテロ原子を含むのとは対照的に、本研究の結果は炭化水素がS_N1反応を起こし得る事を示した最初の例である。