hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
植物の乾燥環境適応に寄与する水分屈性分子機構の解明

植物が水獲得のために発現する水分屈性の分子機構を解明するために、これまでに同定したMIZ1およびMIZ2 (GNOM)を軸に、その制御分子を解析した。まず、水分屈性に必須のMIZ1の機能を明らかにすることを目的に、MIZ1過剰発現体を作出して解析した結果、MIZ1の過剰発現が水分屈性を有意に亢進するだけでなく、側根形成を抑制することが明らかになり、これらの現象がオーキシン量の低下によって起こる可能性が示された。また、MIZ1が小胞輸送を担うGNOM/MIZ2およびオーキシン応答の上流で機能することもわかった。miz1-1突然変異体にGFPを付加したMIZ1 (MIZ1-GFP)を導入して解析した結果、MIZ1-GFPはmiz1-1突然変異体の表現型を相補して水分屈性を回復させること、MIZ1-GFPシグナルは、根の根端皮層細胞と側部根冠組織に認められ、且つ、可溶性タンパク質ならびに小胞体膜の原形質側表層に分画されることがわかった。さらに、免疫沈降法およびLC-MS/MS解析によって、MIZ1と相互作用するタンパク質を探索し、その候補を取得することに成功した。加えて、miz1およびmiz2の抑圧突然変異体の単離に成功した。一方、光照射およびアブシジン酸の処理がMIZ1の発現を正に制御し、光受容体フィトクロムおよび転写因子HY5を介した青色光シグナルが、MIZ1の誘導に機能することを見出した。また、光とアブシジン酸は独立にMIZ1を誘導することも示された。次に、側根の水分屈性にもMIZ1が必要なことを明らかにしたうえで、自然界(土壌中)において根の水分屈性が乾燥条件下での水獲得に機能し、根系形成、生存、生産性に大きく貢献することを証明した。本研究では、植物が乾燥環境適応戦略として獲得した根の水分屈性を制御する分子の同定と機能解析を行い、それら分子のネットワーク機構を明らかにし、これまでに未知であった水分勾配感受とそのシグナル伝達に関するモデルを構築することを目的としている。そのために本研究では、これまでに同定した水分屈性に必須且つ特異的な制御分子であるMIZ1の機能とともに、MIZ2が支配する水分屈性に特異的な小胞輸送系を明らかにする研究を行っている。また、miz1およびmiz2に加えて、これまでに単離することに成功した水分屈性欠損突然変異体miz3の変異原因遺伝子の同定を行うとともに、新規の水分屈性突然変異体を単離し、それらの変異原因遺伝子を同定し、それらがコードするタンパク質の機能を明らかにするための研究を行っている。さらに、これら水分屈性制御分子間の関係を解析することによって、根が水分勾配を感受して伸長方向を決定するまでの分子機構の全体像を明らかにするための基盤研究を行っている。MIZ1プロモーター下でGFPを発現する系統を作出して、MIZ1プロモーターの活性を解析したところ、GFPの蛍光は、コルメラを含む根冠で顕著に認められた。一方、MIZ1-GFPの局在を解析した結果、シグナルは主にlateral root cap、伸長領域皮層の細胞質および維管束にみられた。MIZ1のこれら環境刺激に対する応答を解析したところ、MIZ1の局在は水分屈性発現時に変化しなかった。一方、暗所芽生えでは、根冠におけるMIZ1の消失がみられた。この根冠における局在は暗所芽生えに水分勾配刺激を与えても変動しなかったが、光形態形成を誘導する白色光を長時間照射することで、みられるようになった。

さらに、光が水分屈性に与える影響を解析したところ、水分屈性は暗所で顕著に抑制された。以上の結果から、水分屈性が光制御を受け、それをMIZ1が担うことが明らかになった。GNOM/MIZ2の動態をGFP融合タンパク質および膜染色マーカーを用いて解析したところ、gnom^<miz2>は正常な小胞形成機能を有することが示唆された。さらに、GNOMが制御する小胞輸送により細胞内局在が制御されるPIN1の局在をmiz2において解析したところ、野生型とmiz2とで差異がみられなかったことから、gnom^<miz2>はPIN1の局在を担う小胞輸送系を正常に制御することがわかった。また、GNOMが制御する水分屈性制御系に機能する分子を分子遺伝学的に同定するため、miz2抑圧突然変異体の単離を試み、3系統の抑圧突然変異体を得ることに成功した。新たな水分屈性制御分子の同定を目指し、水分屈性欠損突然変異体miz3の変異原因遺伝子の同定を試みた結果、miz3はmiz1と比べて水分屈性の欠損程度が弱い変異体であり、miz3がmiz1のアリル変異体であること、MIZ1のORF中に2か所の塩基置換が存在することを見出した。これまで、水分屈性発現時に根冠でデンプンが分解すること、MIZ1およびMIZ2/GNOMが水分屈性に必須の分子であることを明らかにしてきた。MIZ2/GNOMは小胞輸送に機能するARF-GEFであり、MIZ1は機能未知のタンパク質である。そこで、水分屈性発現過程におけるMIZ1の作用点を同定することを目的として、水分屈性を欠損したmiz1、miz2および水分屈性の亢進が認められるMIZ1過剰発現体を用いた解析を行った結果、MIZ1は水分屈性発現過程において、水分勾配刺激依存的デンプン分解の下流、且つMIZ2/GNOMの上流で機能することが示唆された。また、miz2はGNOM機能のうち、水分屈性特異的に働く機能を欠損すると考えられるが、GEF活性中心に変異を持だないgnom^<B4049>、およびgnom^<R5>をそれぞれmiz2と交配したトランスヘテロ接合体は、いずれも水分屈性を完全に欠損していた。一方、GEF活性が失われたgnom^<emb30-1>とmiz2のトランスヘテロ接合体は、部分的に水分屈性を回復した。これらの結果から、水分屈性に必要なGNOM機能は、GEF活性以外にも存在することが示唆された。さらに、シロイヌナズナの重力屈性が異常な突然変異体の根の水分屈性を解析した結果、オーキシン誘導性遺伝子の転写の抑制因子をコードしているAXR2/IAA7の機能獲得型突然変異体であるaxr2突然変異体、およびオーキシン受容体を欠損したtirl afbl afb2 afb3四重突然変異体の根では、正常な水分屈性の発現が認められなかった。重力屈性異常を示すpgm、pin2、aux1突然変異体では、水分屈性が正常であるか、促進される傾向にあった。したがって、重力屈性と水分屈性では、刺激感受・情報伝達機構が異なるものの、いずれの発現にもオーキシン応答を必要とすることが示された。加えて、トランスクリプトーム解析の結果、水分屈性初期において、ABA応答および乾燥応答を介したシグナル伝達が重要な役割を担っており、そのシグナル伝達系は重力屈性および光屈性とは異なる新規なものであることが示唆された。根の水分屈性に必須のMIZ1の機能を解明するために、シロイヌナズナの根におけるMIZ1タンパク質の細胞内局在を解析した結果、MIZ1-GFPが細胞質側の小胞体膜上に存在することがわかり、MIZ1が小胞体機能に関係するものと考えられた。
配位高分子ナノ結晶におけるナノサイズ・外形効果の実証

配位高分子は金属イオンと有機配位子の組み合わせから様々な多孔質空間を創生することが可能であり、無機多孔質材料とは全く異なる新たな多孔体としての機能が期待されている。本研究では、多孔性配位高分子の精密なサイズ・構造制御手法を確立し、サイズ・外形ごとに物理化学的に精査することで、ナノサイズ化した配位高分子の物理的・化学的性質を明らかにすることを目指す。
難結晶化有機非線形光学分子と無機分子の複合結晶化による新規テラヘルツ光源作製

本研究では、結晶成長が容易な非中心対称性無機結晶中に高い非線形性を有する有機分子を包括するという発想から、難結晶化有機分子を無機結晶に包括させた有機-無機複合型バルク結晶を開発し、THz光源素子としての基礎的性能を実証する。本年度は、先行研究で実施されている錯体結晶に分類される結晶スポンジを骨格として、その空孔部分に有機低分子を内包させた結晶開発に取り組んだ。初めに錯体結晶(ZnI2)3(tris-4-pyridyltriazine)2結晶(以下、錯体1結晶)作製を行った。ZnI2と2,4,6-tri(4-pyridyl)-1,3,5-triazineを2:3のモル比でニトロベンゼン-メタノール溶液中で反応させることにより、約2日で1mm角程度の空孔部分にニトロベンゼンを含んだ錯体1結晶を得た。この結晶スポンジ結晶をTHz光源として利用するため、本研究では1結晶の大型化、2シクロヘキサンを有機非線形光学分子に変換する溶媒交換の2つを実施した。40°Cの恒温槽内においてニトロベンゼン含有錯体1結晶を合成後、室温まで2日かけて徐冷しそのまま1カ月放置した。その結果、約4mm角程度のバルク単結晶を得ることに成功した。その後ニトロベンゼン含有錯体1結晶の入ったニトロベンゼン-メタノール溶液をシクロヘキサン溶液へデカンテーションさせた。しかしながら、この溶媒交換中でバルク結晶が粉砕破壊されるという問題が発生した。また、シクロヘキサンに溶媒交換した微結晶に対し、有機非線形光学分子として広く認知されているメタノール溶液に溶解させたMNAを用いて溶媒交換させた。Nd:YAGレーザーの1064nm光を得られた結晶に照射したところ、532nm由来の緑色の第二高調波光を観測できなかった。先行研究として実施されている錯体結晶(ZnI2)3(tris-4-pyridyltriazine)2結晶(以下、錯体1結晶)の作製を行った。ニトロベンゼンを含有させた錯体1結晶の作製後、その結晶のバルク単結晶大型化(4mm角程度)に成功した。しかしながら、得られた単結晶を用いて内包されている有機分子の溶媒交換の際、錯体1結晶は粉砕破壊されてしまう問題が生じた。考えられる原因として、内包分子と溶媒分子の交換の際に結晶格子を歪ませてしまうことが挙げられる。溶媒交換法と結晶大型化の併用技術に改良が必要である。ニトロベンゼ-メタノール溶媒中で結晶大型化を行った後、再度恒温槽の温度を上げて結晶中に溶媒の出し入れをスムーズにする方法を試みる予定である。大型結晶への溶媒交換が非常にシビアな操作のため、最終年度はこの溶媒交換法と結晶大型化の併用技術の条件出しを主に取り組む。有機低分子DASTは、広帯域テラヘルツ(THz)波を発生可能な有機非線形光学材料である。一方で、革新的なTHz技術の発展のためには高出力THz波を発生可能な汎用素子を開発する必要があるため、高出力THz波光源開発のためDASTを上回る有機材料研究が行われてきたが、材料の結晶成長の根本的な問題から新規有機結晶の開発には至っていない。本年度は、硫酸亜鉛無機結晶を骨格として、その空孔部分に有機低分子を内包させた結晶開発を実施した。硫酸亜鉛中に有機低分子グアニジンを内包させた結晶GZSは、容易に大型の結晶が得られる。このGZS結晶は、上記条件を満足して非中心対称性構造(I-42d)、グアニジン分子も水素結合により秩序正しく配置されている。本研究では、初めにグアニジンを有機非線形光学分子として広く認知されているMNAに変えて有機-無機複合型バルク結晶作製を行った。硫酸亜鉛7水和物とMNAを2:1のモル比で水溶液中かつ40°Cで溶解させた。その後室温で溶液を蒸発させて結晶を得た。Nd:YAGレーザーの1064nm光を得られた結晶に照射したところ、532nm由来の緑色の第二高調波光を観測し、非中心対称性を示すことが分かった。しかしながら、得られた結晶を単結晶X線回折により構造解析した結果、MNA分子が硫酸亜鉛骨格中に内包されていないことが分かった。硫酸亜鉛中にはグアニジンのような硫酸と水素結合しやすい分子のみが包括される傾向にあるようで、様々な有機分子を内包するような万能の無機骨格分子ではないことが分かった。硫酸亜鉛無機結晶を骨格として、その空孔部分にMNAを内包させた結晶開発を実施した。当初の研究予定から、方針を変更する必要がある。

初めに錯体結晶(ZnI2)3(tris-4-pyridyltriazine)2結晶(以下、錯体1結晶)作製を行った。ZnI2と2,4,6-tri(4-pyridyl)-1,3,5-triazineを2:3のモル比でニトロベンゼン-メタノール溶液中で反応させることにより、約2日で1mm角程度の空孔部分にニトロベンゼンを含んだ錯体1結晶を得た。この結晶スポンジ結晶をTHz光源として利用するため、本研究では1結晶の大型化、2シクロヘキサンを有機非線形光学分子に変換する溶媒交換の2つを実施した。40°Cの恒温槽内においてニトロベンゼン含有錯体1結晶を合成後、室温まで2日かけて徐冷しそのまま1カ月放置した。その結果、約4mm角程度のバルク単結晶を得ることに成功した。その後ニトロベンゼン含有錯体1結晶の入ったニトロベンゼン-メタノール溶液をシクロヘキサン溶液へデカンテーションさせた。しかしながら、この溶媒交換中でバルク結晶が粉砕破壊されるという問題が発生した。また、シクロヘキサンに溶媒交換した微結晶に対し、有機非線形光学分子として広く認知されているメタノール溶液に溶解させたMNAを用いて溶媒交換させた。Nd:YAGレーザーの1064nm光を得られた結晶に照射したところ、532nm由来の緑色の第二高調波光を観測できなかった。先行研究として実施されている錯体結晶(ZnI2)3(tris-4-pyridyltriazine)2結晶(以下、錯体1結晶)の作製を行った。ニトロベンゼンを含有させた錯体1結晶の作製後、その結晶のバルク単結晶大型化(4mm角程度)に成功した。しかしながら、得られた単結晶を用いて内包されている有機分子の溶媒交換の際、錯体1結晶は粉砕破壊されてしまう問題が生じた。考えられる原因として、内包分子と溶媒分子の交換の際に結晶格子を歪ませてしまうことが挙げられる。種々の有機低分子を内包可能な無機骨格を選別しなおす必要がある。有力候補として、結晶スポンジで用いられている2,4,6-tri(4-pyridyl)-1,3,5-triazineとヨウ化亜鉛からなる錯体結晶を用いて内包される溶媒交換法から、所定の有機非線形光学分子の内包を試みる。ただし、30年度以降の研究計画において、錯体結晶の結晶成長の報告が皆無であり、有機低分子の内包の有無だけでなく、全体の結晶の結晶成長も研究課題となる。溶媒交換法と結晶大型化の併用技術に改良が必要である。ニトロベンゼ-メタノール溶媒中で結晶大型化を行った後、再度恒温槽の温度を上げて結晶中に溶媒の出し入れをスムーズにする方法を試みる予定である。大型結晶への溶媒交換が非常にシビアな操作のため、最終年度はこの溶媒交換法と結晶大型化の併用技術の条件出しを主に取り組む。当初の研究計画であった硫酸亜鉛無機結晶を骨格として、その空孔部分に有機低分子を内包させた結晶開発において、得られた結晶を単結晶X線回折により構造解析した結果、所定の有機分子が硫酸亜鉛骨格中に内包されていないことが分かった。そのため、29年度の研究を基に、30年度以降の研究方針を変更する必要が生じた。有力候補として、結晶スポンジで用いられている錯体結晶を用いて内包される溶媒交換法から、所定の有機非線形光学分子の内包を試みる。
超流動ヘリウム３における微弱相互作用の巨視的増幅

超流動3HeのA相では、クーパー対が3Heという中性原子で構成されているにも関わらず、磁場と軌道角運動量の間に微弱な相互作用が生じ、マクロな性質に影響を及ぼす可能性がある。この現象の検証を行うため、超低温高磁場冷凍機と実験セルの整備を行った。これと同時に、3He-4He混合液表面に出来る3He薄膜の研究を行った。この3He薄膜では、上下の面はきれいな表面であるため、明確な検証実験が可能と考えられる。この3He薄膜の性質の解明のため、3He-4He混合液上の電子の移動度測定を行った。移動度の詳細な解析により、3He準粒子は表面で3He薄膜との間で異常な散乱をしている事が明らかになった。超流動などの巨視的量子現象では、熱ゆらぎに埋もれてしまうような微小な相互作用でも、マクロな数の粒子の凝縮により増幅され、巨視的な現象として観測されうることがある。そのような例として、Leggettは、超流動ヘリウム3のA相において、ヘリウム3原子の内部の電子密度の偏りによりクーパー対が磁気モーメントを持つことにより磁場とl vectorとの間に微弱な相互作用が生じ、それがマクロな性質に影響を及ぼすと提唱している。今年度は、まず、超流動ヘリウム3ーA相においてクーパー対の軌道角運動量と磁場との間に予想される微弱相互作用の存在を実験的に確認するための実験系を整備することに集中してきた。特に、14Tまでの磁場中でのl vectorの向きの出現確率の測定を行うための実験セルの作成と超低温高磁場冷凍機の整備に力を入れた。実験セルの作製は順調に進み、超低温高磁場中で使用可能なものに仕上がった。作製した実験セルは、イオンを生成するためのカーボンナノチューブ、イオンの輸送現象を測定するための電極、高磁場中でも液体3Heを100マイクロケルビン領域まで冷却するための熱交換器により構成される。実験セルを冷凍機にマウントし予備実験に入ろうとしたところ、超低温高磁場冷凍機に低温リークがあり冷却ができないことが判明した。リーク原因を詳細にチェックしたところ、1Kポットのスーパーリーク、あるいは4Kプレート付近の断熱真空管のリークであることが判明した。超低温高磁場冷凍機は大型であり、またリークが4K以下の低温でのみ出現するため、リーク部分の特定に非常に時間がかかり、多くのエネルギーを注いだ。この実験的検証を行うために、実験セル作製し冷凍機にマウントして実験に入ろうとしたところ、超低温高磁場冷凍機に低温リークがあり冷却ができないことが判明した。リークは、1Kポットのスーパーリーク、あるいは4Kプレート付近の断熱真空管のリークである。超低温高磁場冷凍機は大型であり、またリークが1K以下の低温でのみ出現するため、リーク部分の特定に非常に時間がかかり、多くのエネルギーを注いだ。また、これと並行して、微小電流を高感度で測定する測定系の整備を行った。それと同時に、3He-4He混合液上の電子の移動度測定を行った。この系では、3Heの量を調節する事により、混合液の表面にコヒーレンス長程度の厚さの3He薄膜を作る事が可能である。この3He薄膜は、上下の面が鏡面的なきれいな表面であるため、l vectorのドメイン壁などの欠陥が生成しにくい。そのため、明確な実験が可能な系だと考えられ、クーパー対の軌道角運動量と磁場との間の微弱相互作用の存在を検証するための理想的な実験系といえる。この系で微弱相互作用の存在を検証するための第一歩として、3He-4He混合液上の電子の移動度測定を行った。観測された移動度は、100 mK以上の高温では混合液の粘性で決まり、それより低温では混合液中の3He準粒子の鏡面的散乱で決まっていることが明らかになった。超低温高磁場冷凍機にあり、その原因の特定および修理に時間がかかった。リークは1Kポットのスーパーリーク、あるいは4Kプレート付近の断熱真空管のリークである。超低温高磁場冷凍機は大型であり、またリークが1K以下の低温でのみ出現するため、リーク部分の特定に非常に時間がかかった。そのため研究の進捗状況は当初の予定より遅れ気味である。一方で、3He-4He混合液上の電子の移動度測定が可能となり、理論との比較から、移動度には粘性領域とバリスティック領域があることが明らかになった。3He-4He混合液上の表面電荷を用いた実験が可能になったことは、混合液の表面の3He薄膜を舞台としたクーパー対の軌道角運動量と磁場との間の微弱相互作用の検証するための大きな前進である。

そのような例として、Leggettは、超流動ヘリウム3のA相において、ヘリウム3原子の内部の電子密度の偏りによりクーパー対が磁気モーメントを持つことにより磁場とl vectorとの間に微弱な相互作用が生じ、それがマクロな性質に影響を及ぼすと提唱している。この現象の実験的検証を行うために、実験セル作製し冷凍機にマウントして実験に入ろうとしたところ、超低温高磁場冷凍機に低温リークがあり冷却ができないことが判明した。超低温高磁場冷凍機は大型であり、またリークが1K以下の低温でのみ出現するため、リーク部分の特定に非常に時間がかかり、多くのエネルギーを注いだ。一方で、これと並行して、微小電流を高感度で測定する測定系の整備を行った。それと並行しえて、3He-4He混合液上の電子の移動度測定を行った。この系では、混合液の表面にコヒーレンス長程度の厚さの3He薄膜を作る事が可能である。この3He薄膜は、上下の面がきれいな表面であるため、l vectorのドメイン壁などの欠陥が生成しにくく、明確な実験が可能な系だと考えられる。そのため、クーパー対の軌道角運動量と磁場との間の微弱相互作用の存在を検証するための理想的な実験系といえる。この系で微弱相互作用の存在を検証するための第一歩として、3He-4He混合液上の電子の移動度測定を行った。観測された移動度は、100 mK以上の高温では混合液の粘性で決まり、それより低温では混合液中の3He準粒子の散乱で決まっていることが明らかになった。詳細な解析により、3He準粒子は表面で3He表面状態との間で異常な散乱を行うことにより、鏡面散乱よりも高い移動度を示すという異常な現象が明らかになった。超低温高磁場冷凍機にあり、その原因の特定および修理に時間がかかった。リークは1Kポットのスーパーリーク、あるいは4Kプレート付近の断熱真空管のリークである。超低温高磁場冷凍機は大型であり、またリークが1K以下の低温でのみ出現するため、リーク部分の特定に非常に時間がかかった。そのため研究の進捗状況は当初の予定より遅れ気味である。一方で、3He-4He混合液上の電子の移動度測定が可能となり、理論との比較から、移動度には粘性領域とバリスティック領域があることが明らかになった。バリスティック領域では、移動度は混合液中の3He準粒子の表面での散乱で決まる。詳細な解析により、3He準粒子は表面に存在するで3He表面状態との間で異常な散乱を行うことにより、鏡面散乱よりも高い移動度を示すという異常な現象が明らかになった。現在、この実験結果を論文にまとめている。3He-4He混合液上の表面電荷を用いた実験が可能になったことは、混合液の表面の3He薄膜を舞台としたクーパー対の軌道角運動量と磁場との間の微弱相互作用の検証するための大きな前進である。超流動などの巨視的量子現象では、熱ゆらぎに埋もれてしまうような微小な相互作用でも、マクロな数の粒子の凝縮により増幅され巨視的な現象として観測されうることがある。この現象の実験的検証を行うための超低温高磁場冷凍機と、実験セルの整備を行った。さらに、微小電流を高感度で測定する測定系の整備を行った。これと並行して、3He-4He混合液上の電子の移動度測定を行った。
フェノール性物質を介した樹木根の根圏形成機構の解明

根冠から脱落する境界細胞の連結様式や細胞数は植物種間で大きく異なる。境界細胞形成過程やその機能のより良い理解は不適環境での根保護に役立つ。本研究では、熱帯造林種アカシアマンギウムの根端から新奇の境界様細胞が剥離することを発見するとともに、この細胞に集積するプロアントシアニジンが根伸長跡根圏の死細胞内に3日以上滞留することを初めて明らかにした。さらに微生物忌避や多種根への他感バイオアッセイにより、根から根圏に散布されたプロアントシアニジンを含む境界様細胞が根表層の微生物増殖制御に関与する可能性を見出した。根冠は脱落細胞の集合体であり、構造上の物理障壁として根の頂端分裂組織を保護する。しかしながら、根冠の細胞構成成分の役割の詳細はほとんどわかっていない。当該年度の本研究により、プロアントシアジニンを充填した境界様細胞が木本種であるアカシアマンギウム根端周囲に散布されることを見出した。組織細胞学的解析により、プロアントシアジニンは発芽2日後にはじめて幼根の側根冠、表皮、皮層を含む外部表層組織に集積することがわかった。これらの中で細胞分裂域の側根冠細胞の内層が最もプロアントシアジニン集積性を示した。表皮や皮層では、プロアントシアジニンは細胞移行域にて増加し、肥大化する液胞ではなく細胞質に局在する傾向を示した。脱落側根冠および根端は、10以上の構成単位から構成される4-A-8型結合型の重合性プロアントシアジニンを含んだ。脱落細胞の速やかな細胞活性の消失にもよらず、剥離した境界様細胞におけるプロアントシアジニンは最低3日以上細胞外への流出の少ない状態を維持しながら、成熟根の周囲を覆って存在した。レタス根を用いたバイオアッセイの結果は根由来プロアントシアジニンの他感作用を支持しなかった。一方、病原性リゾビウムリゾゲネス菌の根の侵入および増殖が、ダイズ根に比べてマンギウム根で遅くなる傾向が認められた。これらの結果はプロアントシアジニンがマンギウム根成長において表層ならびに脱落した境界様細胞で保護的な役割を果たす可能性を支持する。根冠細胞におけるプロアントシアニジン(PA)の蓄積は、クスノキの強力なアルミニウム(Al)の抵抗に寄与する。しかし、根のPA蓄積と構造特性が、他植物のAl耐性に関連するか不明である。本研究では、Al耐性の明確な違いを持つ木本性メラルーカ2種の根におけるPAの組織および細胞分布と構造特性を調べた。Melaleuca cajuputi根は、M. bracteataとダイズの根の伸長を停止させる100倍濃い、500μMのAl溶液中にて有機酸放出にほぼ依存せず伸長を継続した。DMACAとTBOによる組織化学的染色から、フラバン-3-オールが両メラルーカ種の根表面で蓄積されることがわかった。しかし、根伸長域表皮細胞のPA集積が、M. cajuputiでは細胞周縁である一方、M. bracteataでは細胞全体にわたる違いを有した。LC-MSを用いた構造解析から、根頂端域のPA量と重合単位は、M. bracteataよりM. cajuputiでそれぞれ約3倍高いことがわかった。PA成分のカテキンガレート量は、M. bracteataよりM. cajuputiで10倍多く、後者の総単量体の半分強を占めた。これらのM. cajuputiに特徴的なPA特性は、強いAl耐性を有する他のメラルーカ3種でも保持されることがわかった。カテキンガレートは、カテキンやエピカテキンなどの非ガレート性フラバン-3-オール類よりも10倍高いAl3+との結合親和性を有することが結合試験から判明した。Al耐性の異なるメラルーカ2種のPAサイズ分画から、重合性PAは、オリゴマーPAよりもはるかに高いAlとの結合活性をともに有した。これらの知見は、根頂端表皮細胞でのPAの組成、縮合、細胞内分布の特性が、メラルーカ種の高Al耐性に一定の役割を果たす可能性を支持する。重合性フラボノイドの1種でアルミニウム(Al)と結合活性を有するプロアントシアニジン(PA)の木本植物根における防御的役割が示唆されているが、この物質の存在部位や放出特性はAlの毒性発現部位とよく対応していない点が疑問として残されている。本年度では、Al応答時における細胞小器官でのPA重合とその動態を理解するため、根からシート状に剥離するボーダー様細胞に着目して組織化学的解析を行った。また細胞内PAとAlとの関連性を細胞学的に調査するため、Al耐性の異なる樹木種根からプロトプラストを調製した。蛍光観察から、Alのシンプラスト流入は死細胞のみで、Al由来蛍光はアポプラストにほぼ限定された。

プロトプラスト系でも細胞質内AlとPAの存在部位は一致せず、中央液胞への隔離もなかったことから、マンギウムの高Al耐性はAlとPAの直接結合による細胞内無毒化にほぼ依拠しないことがわかった。Al耐性の異なるPA集積性樹木種の根端からプロトプラストを調製し、トルイジンブルー染色から細胞内PA分布を調べた結果、高Al耐性種では最大の中央液胞以外の複数の小胞に局在すること、Al中耐性種や感受性種では中央液胞や、単一小胞に集中して局在する傾向が認められた。今後、エンドサイトーシスの動態を解析することで、PA胞体が細胞内外のベシクル輸送に含まれるか検討する必要性が明らかになった。26年度が最終年度であるため、記入しない。造林学・樹木生理学26年度が最終年度であるため、記入しない。アカシアマンギウムの境界様細胞に集積するフェノール性物質を解析することで、脱落細胞が機能性物質を根圏に輸送するキャリアとしての役割を担うことを世界で初めて明らかにすることができた。さらに、病原性土壌微生物の定着増殖の制御にプロアントシアジニンが関与する可能性を明らかにすることができた。これらの発見はそれぞれ当初計画をさらに発展させて初めて得られた成果であり、計画ならびに進捗の妥当性を示していると考える。当初計画していた根圏土壌のゲノム解析が抽出条件の再検討が必要となったため未完了となっている。これについて平成25年度に再度抽出条件の検討を行い、データの妥当性を評価する予定である。アルミニウム耐性の異なるメラルーカ種根端のフェノール性物質を解析することで、プロアントシアニジンの重合度や構成単位、ならびに細胞局在が強力なアルミニウム耐性に関与する可能性を世界で初めて明らかにすることができた。さらに、これらのフェノール性物質の結合活性が有力なAl結合物質である有機酸と比較してもはるかに強いことをin vitroの系で確認することができた。これらの発見はそれぞれ当初計画をさらに発展させて得られた成果であり、計画ならびに進捗の妥当性を示しているといえる。当初計画していた根圏土壌中や菌根形成のPAの影響評価、およびPAの循環再吸収評価については興味深い予備知見を得つつあり、平成25年度の本研究計画の繰越年度を利用して最終的な結論としてまとめる予定である。<PA耐性菌の選抜>土壌中のPAの動態に関与する主要生物因子を同定するため、PAを唯一の炭素源とする選択培地を用いてPAを利用する耐性菌を選抜し同定を行う。PAに対する濃度依存性やPA構成の違いに対する基質特異性を評価する。<線虫に対するPAの影響評価>根を介したマツノザイセンチュウの移動の有無とPAの関与を明らかにするため、感染木デトリタスを土壌にマルチした場合の線虫の移動特性をPA集積程度の異なるマツ種、系統間で比較する。線虫の組織成分を蛍光ラベルした組織化学染色法によって根における線虫の有無や空間分布を測定する。また、マツの抵抗性品種と感受性品種の値におけるPA組成を解析する。センチュウに対してPA集積を分ける切除根をそれぞれ投与し、食餌性を評価する。<土壌動物に対するPAの影響試験>土壌動物による根食害性に対するPAの影響を明らかにするため、PA集積性種と非集積性種の実生に対してコガネムシ幼虫を投与し、地上部成長および切断根の本数からPAの効果を評価する。また傷害に対するPAの効果を明らかにするため、食害前後の根PAの酸化状態をLC/MS分析による構造解析から推定し、根の酸化活性を組織
低分子量G蛋白質Rab12が制御する新規膜輸送経路の生理学的意義の解明

本研究では当研究室で同定した、低分子量G蛋白質Rab12が制御するリサイクリングエンドソームからリソソームへの新規膜輸送経路の生理的意義の解明を目的にしている。前年度までに私はRab12が上記新規膜輸送経路を介してアミノ酸トランスポーターPAT4の分解を制御しており、それにより細胞内アミノ酸濃度、mTORC1の活性化状態、及びオートファジーの効率を調節していることをすでに明らかにしている。(Matsui and Fukuda EMBO Rep. 2013)しかしRab12がどのようにして新規膜輸送経路を制御するのか、その詳細な分子メカニズムは明らかでなかった。一般的にRabはGEF(活性化因子)とGAP(不活性化因子)によりその活性化状態が制御されている。これまでRab12のGEFやGAPに関する報告はなかったが、最近、In vitroにおいてRab12に対するGEF活性を持つ分子としてDennd3が報告された。しかしDennd3が実際に細胞内においてもRab12-GEFとして機能するかはわかっていなかった。そこで今年度ではRab12の時空間的制御機構を明らかにする目的でDennd3の機能解析を行った。その結果、Dennd3のノックダウンによりRab12ノックダウンと同様にPAT4蛋白質量が増加し、細胞内のアミノ酸量も増加することがわかった。さらにDennd3ノックダウンによるPAT4蛋白質量の増加は、同時にRab12の活性化型変異体の過剰発現により打ち消され、また、Dennd3ノックダウンにより内在性の活性化Rab12量も減少する事が、活性化Rab12結合蛋白質を用いたpull-down法によりわかった。以上の結果から実際に細胞内においてもDennd3がRab12のGEFとして機能していることが明らかとなった。(抄録なし)本研究では修士課程において明らかにした、低分子量G蛋白質Rab12が制御するリサイクリングエンドソームからリソソームへの新規膜輸送経路の生理的意義の解明を目的にしている。これまでの予備実験から、Rab12のノックダウンが細胞内成分の分解機構であるオートファジーを阻害することがわかっていたが、Rab12が制御する膜輸送経路とオートファジーの関係性はほとんど明らかになっていなかった。当該年度において、Rab12ノックダウンのオートファジーへの影響を詳細に解析したところ、Rab12はオートファジーを直接制御しているわけではなく、間接的にオートファジーの誘導を制御していることが明らかとなった。オートファジーの誘導にはmTORC1というkinase複合体が制御していることが知られている。興味深いことにRab12ノックダウンによりmTORC1の活性が上昇し、さらにRab12はmTORC1の上流で機能するAktの活性には影響を示さなかったことから、Rab12がAkt非依存的にmTORC1を活性化する、アミノ酸によるシグナルを制御している可能性が考えられた。一般的に細胞内のアミノ葭量は細胞膜上のアミノ酸トランスポーターに制御されている。そこでRab12と高い共局在性を示すアミノ酸トランスポーターPAT4に注目した。詳細な解析の結果、Rab12は上述の新規膜輸送経路を介してPAT4のリソソームによる分解を制御していることがわかった。面白いことにRab12ノックダウンは細胞膜上のPAT4量も増加させたことから、Rab12はPAT4の分解(品質管理)をコントロールすることで、細胞内アミノ酸量及びmTORC1活性を制御することで間接的にオートファジーを制御していると考えられる。この仮説はRab12とPAT4のダブルノックダウンによりRab12ノックダウンのmTORC1、オートファジーへの影響がキャンセルされたという事実からも裏付けられている。本研究結果は、既にEMBO Reports誌に筆頭著者として本年3月に論文発表を行っている。

当初の研究計画では当該年度は実験データの取得と解析を主に行う予定だったが、実際は国際誌に投稿を行い、年度内に掲載するに至った。本研究課題の中心テーマの一つについては当該年度に論文発表することができたが、その他のテーマはまだすべての実験結果を得るには至っていない。そこで本年度においても当該年度と同様に論文投稿を行い、掲載を目標に研究を推進する。(抄録なし)
ハイスループット食物アレルゲンエピトープ解析ダイヤモンドコーティングチップの開発

近年先進国ではアレルギーが国民病として位置づけら大きな社会的な関心が集まっているがその原因物質(アレルゲン)と原因(エピトープ)の診断方法は遅れている。本研究では、アレルゲン診断の諸問題を克服する画期的な方法を提案、検討した。2.5Åのダイヤモンドの結晶格子にカルボキシル基を導入した蛋白チップの作成に関する基本設計と基本反応系の技術をこれまでに確立している。このチツプはこれまでに無い高密度集積技術が実現され、DNAで従来型の約1000倍、蛋白質で約20倍の濃密度に検体を共有結合が可能である。しかも基質と結合するカルボキシル基は、結合基板と90度の角度で垂直に整列しているため、結合する蛋白質やDNAの変性を最小限に止める事が可能である。この技術を用いて、僅かな血液(1μl)で約60検体の食物アレルゲンの診断が可能な食物アレルギーの診断チップを作成するための基礎研究を実施した。その結果、現在世界で最も良く用いられているCAPRASTが、1検体に要する血清が50μlを必要とするのに比べ、1μlで60検体が検査可能になり、血清の利用効率を約3,000倍促進した。さらに抗原特異的IgEの最低検出限界を1/5にまで下げることができ、測定の高感度化も達成できた。このような技術革新を背景に、臍帯血を用いた新生児のアレルギー診断が世界で最初に可能となった。乳幼児のアレルギーは生後3ヶ月頃より始まり、母乳を介する抗原移行に原因していることが予測されている。乳幼児でアレルギー反応がでるためには、新生児が出生時にすでにIgE抗体を持つことが原因と考えられる。今回提案した臍帯血を用いた新生児のアレルギー診断で、予め乳児のアレルギー状態を把握できると、母親の食事制限で母乳を飲んでいる乳児のアレルギーの阻止とアレルギー体質の増悪化を防ぐことができると期待された。
海洋付着生物コケムシ類の調査と有用な生理活性物質の探索

海洋生物コケムシBryozoa類を調査し、その中に含まれる有用な生理活性物質を発見することを目的として研究を行い、次のような結果と新しい知見を得た。(1)日本沿岸のフサコケムシの調査を行い、岩手県でフサコケムシ、ホソフサコケムシ、アミコケムシ、チゴケムシおよびヒラハコケムシなどを採集し、細胞毒性試験を行った。特に神奈川県真鶴にて大量のフサコケムシ(130kg)を採集し、成分検討に入った。(2)中国沿岸についても、海南島のほか、三亜およびDaya Bayで採集、全量約1000kgを得、成分検索に入った。(3)以上の各フサコケムシについてエキスを作成し、ウニ受精卵々割阻害作用およびKB、PC-3、HeLa-S3、P388などに対する細胞毒性を検討した。いずれも有意な活性を示した。(4)米国フロリダ産コケムシの一種、Amathia convolutaから、新たにconvolutamine Gを単離・構造決定した。一方、これらのalkaloidsの生物活性試験を実施しており、さらに、convolutamine類の合成を行い、convolutamine Fの全合成を完成した。(1)日本沿岸のフサコケムシの調査を行い、岩手県、瀬戸内海、四国および九州を調査し、生物を採集した。特に新たにホソフサコケムシが大量に採集できた。別途、中国海南島を調査しフサコケムシを採集した。(2)米国フロリダ産コケムシAmathiaconvoluta中の有用成分として、新たに新インドールアルカロイド4種のconvolutamydinesAD(論文参照)と新β-フェニルエチルアミンアルカロイド2種lutamidesAbを単離・構造決定(1995 International Chemical Congress of Pacific Basin Societiesにて発表)した。特に、convolutamydineAは、ヒト急性骨髄性白血病細胞HL-60に対して、強力な分化誘導作用を示し、今後の展開が注目される。(3)bryostatin10を用いて生物活性を検討した。発見した新しい抗HIV活性とホルモン産生促進作用について、特許を申請し学会発表(第37回天然有機化合物討論会・要旨pp,672-677.徳島1995年)した。(4)brysotatin10の誘導体を合成し、細胞毒性を検討し、白血病細胞P388およびウニ受精卵々割阻害作用の強い△^<19(20)>-bryostatin10を見出した。一方、米国フロリダ産フサコケムシの研究家から、この誘導体が成分(bryostatin16)として単離できた(J. Med. Chem.へ投稿中)。(5)bryostatin10そのものの60MHzNMRによるCDCl_3中のconformationを検討した(論文参照)。今後、さらに未調査の日本沿岸のコケムシの調査および中国各地のコケムシ調査を行う。採集したコケムシ成分の検討は続行させる。bryostatin10とconvolutamydineAの詳細な生物活性の検討を行う。海洋生物コケムシBryozoa類を調査し、その中に含まれる有用な生理活性物質を発見することを目的に、研究を継続し、以下の成果と新しい知見を得た。(1)日本沿岸のフサコケムシの調査を行い、特に沖縄県大宜味村(塩屋湾)で大量(10kg)のフサコケムシを採集した。おなじく(2)中国の海南島でも10kgのフサコケムシを採集した。(3)岩手県大槌湾および山田湾で数種のコケムシを発見、中でもホソフサコケムシおよびウデコブコケムシをかなり大量に採集した。(4)上の(1)(3)で得られたフサコケムシおよびウデコブコケムシについては成分の検索を行っている。(5)フサコケムシの沖縄産、菅島産および中国産については、成分の分離を行い、既に一部抗腫瘍性成分のBryostatin類の存在を確認している。(6)米国フロリダ産フサコケムシの詳細な成分研究から、新たにBryostatin 10の23位異性体であるBryostatin 18と^<Δ19(20)>-Bryostatin 10(Bryostatin 16)およびこの化合物の23位異性体であるBryostatin 17の三種を単離し、構造を決定した。いづれも、白血病細胞P388に対して強い活性(IC_<50>値は10^<-2>10^<-3>μg/mlのレベル)を示し、将来の開発に期待できる(論文参照)。(7)一方、米国フロリダ産の一種Amathia convolutaからも、新規アルカロイドとして、Lutamide CとConvolutamine Fを単離し構造を決定した。この成果は、「日本化学会第72春季年会」にて発表(3月30日)する(論文作成中)。特にLutamide Cは、各種抗腫瘍細胞に対して有意な活性を示し、今後の成果が期待できる。

(2)中国沿岸についても、海南島のほか、三亜およびDaya Bayで採集、全量約1000kgを得、成分検索に入った。(3)以上の各フサコケムシについてエキスを作成し、ウニ受精卵々割阻害作用およびKB、PC-3、HeLa-S3、P388などに対する細胞毒性を検討した。いずれも有意な活性を示した。(4)米国フロリダ産コケムシの一種、Amathia convolutaから、新たにconvolutamine Gを単離・構造決定した。一方、これらのalkaloidsの生物活性試験を実施しており、さらに、convolutamine類の合成を行い、convolutamine Fの全合成を完成した。
進化的手法によるPCR用耐熱ポリメラーゼの創製

遺伝子工学手法を用いて実験室内進化の系を考案し、モデル酵素タンパク質、さらに平行して最終目的であるDNA関連酵素を改変し、高活性でかつ耐熱性の酵素を創製することを目的に、高度好熱性細菌の酵素を常温適応させること、逆に常温酵素を進化的に耐熱化することを試みた。すでに昨年成功したように、高度好熱菌Thermus thermophilusのイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼをモデル酵素として常温に適応させると、ある場合には高い耐熱性を維持したまま、常温での活性が著しく改善できることが分かった。今年度はさらに多くの高活性、高安定な変異体の分種に成功した。その機構を探るために、タンパク質工学的な研究を展開した。すなわち、得られた変異体の変異部位を他のアミノ酸残基に置換し、側鎖の置換の効果を解析した。同様な手法を用いて、RNAポリメラーゼの改良を試みている。目的遺伝子を高度好熱菌の主染色体に組み込み、RNAポリメラーゼ用のプロモーターの下にマーカー遺伝子をつなぐ系を試みているが、その改良として同一プラスミド上に両者を乗せる系を開発した。現在も探索中である。同様にPCRに用いられているTaqポリメラーゼの改良も試みている。同酵素をコードする遺伝子を保持する大腸菌用いてランダムライブラリーを作りの分断し、その中から特定の活性を保持している変異体をスクリーニングしている。今なお、条件を検討中である。現在も探索中である。実験室内進化的手法により、酵素の活性を変化させることにより、有用酵素を創製することが本研究計画の目的である。このため、本年度は安定で酵素工学的に有利な性質を持つ好熱菌由来の酵素の常温への適応を試みる進化実験系の開発と、基質特異性の変換を試みるための進化実験系の開発を行った。これまでに、常温酵素の高温環境への適応進化を行わせるための実験系は開発に成功し、大腸菌、枯草菌、酵母からの酵素の耐熱化に成功している。そこで、大腸菌のゲノムを改造して、好熱菌の遺伝子を挿入できるよう変異株を作った。プラスミドを利用せず、インテグレーションを利用したのは、過去の経験からプラスミド系は役に立たないことを知っているからである。開発された大腸菌を宿主として、高度好熱菌由来の熱安定なイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼをコードしている遺伝子leuBを導入した。転換株を40度でロイシン合成を指標として強い選択圧をかけ、活発に生育してくる変異株を得た。選択された変異株の生産するイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼを単離、精製して活性を調べた。その結果、酵素は耐熱性を失うことなく、常温における活性を改善していた。その機構を調べ、アレニウスの活性化エネルギーの値が著しく低下することで、温度に依存しないで高い活性が維持されていることが分かった。この結果は、酵素は活性を犠牲にすることなく、熱安定化が可能であることを暗示している。基質特異性の変換については、イソクエン酸デヒドロゲナーゼをイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼに転換するための遺伝子操作系を開発したが、選択実験は次年度の課題である。高度好熱菌の生産する熱安定な、しかし常温での活性の低い酵素をコードしている遺伝子を大腸菌内で発現させ、さらに、大腸菌の増殖に、組み換え酵素の活性が必須となるよう条件を整えると、急速に実験室内進化が起こり、酵素の常温での活性が上昇した変異株が得られる。驚くべき発見は、このとき熱安定性は失われないことがある。そこで、この方法を用いると、常温で高い活性を示し、かつ、熱安定性の高い酵素が得られる。本年は、モデル酵素としてイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼを用い、多重変異体を作成し、変異部位に関する系統的な解析を行った。すなわち、V151、I11V、N237G、S92F、V126M、などこれまでの低温適応において見いだされた変異を組み合わせて、多数の多重変異体を、また、126位のVを様々なアミノ酸に置換した変異体を作成し、熱安定性、kcat、Kmがそれぞれどのように変化するかを調べた。

その結果、これらのパラメータは相関することなく、それぞれ独立に決められていると結論した。平行して、新たな低温適応酵素を分離することを試み、PCRによる変異導入法を改善し、多くの変異体を得た。変異部位の同定は進行中である。逆に、常温における活性を維持したまま、耐熱化出来るかどうかについては酵母のイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼの進化工学的耐熱化を多く試み、安定化が必ずしもkcatの犠牲を伴わないというこれまでの結論を確認した。PCRに用いられる実用酵素の改変は進行中である。遺伝子工学手法を用いて実験室内進化の系を考案し、モデル酵素タンパク質、さらに平行して最終目的であるDNA関連酵素を改変し、高活性でかつ耐熱性の酵素を創製することを目的に、高度好熱性細菌の酵素を常温適応させること、逆に常温酵素を進化的に耐熱化することを試みた。すでに昨年成功したように、高度好熱菌Thermus thermophilusのイソプロピルリンゴ酸デヒドロゲナーゼをモデル酵素として常温に適応させると、ある場合には高い耐熱性を維持したまま、常温での活性が著しく改善できることが分かった。今年度はさらに多くの高活性、高安定な変異体の分種に成功した。その機構を探るために、タンパク質工学的な研究を展開した。すなわち、得られた変異体の変異部位を他のアミノ酸残基に置換し、側鎖の置換の効果を解析した。同様な手法を用いて、RNAポリメーラーゼの改良を試みている。目的遺伝子を高度好熱菌の主染色体に組み込み、RNAポリメラーザ用のプロモーターの下にマーカー遺伝子をつなぐ系を試みているが、その改良として同一プラスミド上に両者を乗せる系を開発した。現在も探索中である。同様にPCRに用いられているTaqポリメラーゼの改良も試みている。同酵素をコードする遺伝子を保持する大腸菌用いてランダムライブラリーを作りの分断し、その中から特定の活性を保持している変異体をスクリーニングしている。今なお、条件を検討中である。
新合繊を中心とした我が国の繊維産業の技術革新に関する知識基盤化に関する調査研究

本研究課題では、我が国の化学繊維産業に関する資料や、その開発目標の基盤となった膨大な蚕糸関連の資料を用いて、繊維産業の技術革新に関する徹底的な調査と分析を行ない、知識の基盤化を行うことを目的としている。本年度は、本研究課題の最終年度であるため、昨年度から行ってきた、日本国内の化学繊維、天然繊維の統計的調査を引き続き行うとともに、研究代表者・研究分担者が兼務としている本学科学博物館に収蔵されている繊維関連資料の調査を開始した。昨年度から行っているナイロン・ポリエステル繊維に関しては、データの正確性についての問題点が見られたため再度検討を行ない、時代の変化に伴う生産量と技術革新意欲を因子とした技術的イノベーションの傾向の考察を行った。ナイロン・ポリエステル繊維と生糸を比較した結果、生糸に関しては現在も工業的な生産が成されていないのが現状であったが、絹の高機能化の研究が推進されており、生糸としては生産高の大幅な増加は見込めないが、完全に淘汰される可能性は低いことが分かった。ナイロン・ポリエステル繊維に関して、生産量では国際競争力が失われているが現状であるが、高度な製造技術と研究開発によって高機能性を持たせた差別化品種の生産と、従来品よりも良好な品質をアピールすることで、高級品分野でのシェアの確保を行っていることが、我々のデータからも明確になった。上記の繊維統計調査と合わせて、これまでの繊維産業の発展に深く貢献した繊維機械の保存状況や使用状況に関しても調査を行ない、2件の口頭発表および1件の報告書として発表を行った。また、本研究計画で得られたこれらの成果を、研究代表者・研究分担者が兼務としている本学博物館での一般公開に向けた準備を行った。本研究課題では、我が国の繊維産業に関する資料やその開発目標の基盤となった膨大な蚕糸関連の資料を基盤とし、繊維系大手各社と連携を取りながら繊維産業の技術革新に関する徹底的な調査と分析を行ない、知識の基盤化を行うことを目的としている。本年度は、代表的な合成繊維や天然繊維に関して、統計的調査を行なうことともに、他分野との比較を行う事で、繊維産業の技術革新の推移を検討する。本年度では、代表的な合成繊維であるナイロンとポリエステルに関して、時代の変化に伴う生産量と技術革新意欲を関数とした傾向の考察を行った。ナイロン繊維においては、昭和40年から45年に非常に大きい技術的イノベーションの可能性が見られることや、ナイロンとポリエステルを比較すると、生産量のピークが、大きく異なっていることがアキラかとなった。さらに、両繊維とも昭和50年代にプロットが右下への減少傾向を示している。これは、技術革新意欲、生産量ともに減少している低迷状態があり、その後、若干持ち直しているものの、生産量に関しては大きく減少してしまっている。この結果は、上述したような中国およびASEANの生産能力の向上が背景としてあることが考えられる。決定的な統計情報を得、本調査の信頼性を向上させるためには、各年度の特許件数や繊維企業毎に立ち上がったプロジェクト数等を新規のパラメータとして採用し、網羅的な件数調査の実施が必要不可欠である。来年度は本結果を基盤とし、更に詳細な考察を重ね、関連学会などにおいて発表する予定である。
複数原子イオンによる電子励起と照射効果

複数原子イオンを固体に入射したときの電子励起に伴うエネルギー損失および2次電子のカイネティック放出について理論的に調べた。まず、単一イオンの平均電荷をイオン速さの関数としてユニバーサルに表現する式を統計モデルで導いた。その式に、周囲のイオンの影響を取り入れて、着目するイオンの平均電荷を自己無撞着に決定する理論である。これにより,複数原子イオンの平均電荷は単一イオンのそれよりも小さいこと(「平均電荷のクラスター効果」)、および、クラスター平均電荷の粒子数依存性、速さ依存性、イオンの空間構造依存性、膜厚依存性などが明確に理解できるようになり、この結果は最近の実験結果と非常によく一致した。つぎに、クラスターの平均電荷を考慮し、複数原子イオンのエネルギー損失を、クーロン爆発による膨張効果をも取り入れて「波束モデル」で評価した。その結果、入射エネルギーと膜厚によって、イオン1個あたりのエネルギー損失量は、同速の単一イオンと比較して、閾速度以下では小さく、閾速度以上では大きくなる(「エネルギー損失におけるクラスター効果」)ことを見出した。この結果も最近の実験結果と非常によく一致した。さらに、2次電子のカイネティック放出について、入射イオンによる固体内部での電子励起、電子の表面までの伝播、表面ポテンシャルからの脱出、という3段階モデルで考察した。計算結果は、最近の筑波大のグループによるC_n+(n=1,4,8)クラスターイオン照射によって炭素薄膜(HOPG)から放出される2次電子のエネルギースペクトルと定性的に矛盾しない。また、2次電子収量は平均電荷およびクラスターのエネルギー損失と強い相関があることが判った。このほか、内殻電子の多重電離に関して、ユニタリティーを満足する「エネルギー移送モデルによる電離確率の公式」を開発し、フィッティング・パラメーターなしで実験データとの良い一致をみた。複数原子イオンを固体に入射したときの電子励起に伴うエネルギー付与を理論的に調べた。われわれは,流体モデルによる平均電荷の理論評価式を提案した。それによると,1原子あたりMeV程度の運動エネルギーをもつ炭素クラスターイオンCn(n=2-10)が炭素薄膜を透過したときの平均電荷について,イオン1個あたりに平均したクラスターの電荷Q_nと同速のCイオンの電荷Q_1にはQ_n/Q_1【less than or equal】1の関係がある,膜厚が増加するにつれてQ_nがQ_1に近づく,同じ膜厚では粒子数nが増加するにつれてQ_n/Q_1の値は減少する,という3つの特徴を見出した。これらは,ブルネリらの実験事実を定量的に説明している。また,この理論式では,複数原子イオンの構造が線状かリング状かによってQ_nの値に違いが現れた。こうして決めた平均電荷値を用い,「波束モデル」に基づく誘電関数に基づいて電子励起によるイオンのエネルギー損失量を調べた。1原子当たり約2-6MeVのエネルギーで膜厚25nmの炭素薄膜を通過したC_nイオンのエネルギー損失量をΔE_n,同速のCイオンのそれをΔE_1とすると,RΞΔE_n/n-ΔE_1が正であること,Rのn依存性は弱いことなどがわかった。これらはバゥディンらの実験結果と非常によく一致した。一方,1原子当たり約1MeVのときはRが負となり,実験データと同じ傾向であった。さらにクラスターの構造による差異も理論的に示された。また,18-40MeVのC60に対しても同様の計算を行い、Rが負となることがわかった。また,しきい速度(R=0となるイオン速度)の出現を大局的に見るために,イオン速度と膜厚を2次元座標としてRの等高線図を描いた。