hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
シクロデキストリンの乳化特性とその乳化安定剤に関する研究

大豆油の構成脂肪酸中、約89%を占めている炭素数18の脂肪酸長の約19.5A、CD分子の高さの7.8Aの値から計算した包接数は2.5となり、実験値の平均包接数2.4とほぼ一致した。このことを確かめるために中鎖脂肪酸で構成されているヤシ油を用いて同様の実験をおこなうと、実験値(α-CDは1.8、β-CDは1.7)と理論値(1.7)は一致した。以上より、CDとトリグリセリドの包接化合物はトリグリセリドの脂肪酸長に応じてCD包接数が決まり、包接化合物のCD部分が水相に、CDが包接していない脂肪酸残基部分が油相に配向して界面に並び、界面活性を示すことが明らかとなった。当研究の一環として、平成5年度は乳化安定剤存在下でのシクロデキストリン(CD)の乳化特性について研究をおこなった。CDはグルコースが環状に結合したもので、環内部な種々の物質を包接する機能をもつ。もしCDが油脂を包接すると、この包接化合物はCD部分が親水性、CDから突き出た部分が親油性となるため界面活性(乳化性)を示す。このCDエマルションにおける乳化安定剤(グァーガム、キサンタンガム、トラガントガム、ペクチン)の影響について各エマルションの乳化活性ならびに平均粒子径について測定した。その結果、乳化安定剤を添加して調製したCDエマルションの活性活溶性は、ペクチン<トラガントガム<キサンタンガム<グァーガムの順にその添加濃度が高くなるにつれて上昇した。また油粒子の平均粒子径は、ペクチン>トラガントガム>グァーガム≧キサンタンガムの順に粒子が小さいことが認められた。そして水相の粘度が高い乳化安定剤を添加したエマルションほど乳化活性が高く、平均粒子径は小さいことが認められた。また低分子化した低粘度のグァーガムとキサンタンガムでは乳化活性が低く、平均粒子径も大きくなった。食品に用いられているO/W系乳化剤のショ糖脂肪酸エステル、カゼインナトリウムを用いてエマルションを調製し、それらのエマルションの粒度分布とCDエマルションを比較すると、平均粒子径においては差が認められなかったが粒度分布においてはCDエマルションが最も狭い分布を示した。また、CD酸性下においても良好なエマルションを形成した。以上よりCDは他の乳化剤に比べて高粘性の乳化安定剤の存在下で均一な油粒子からなる安定なエマルションを形成し、広いpH範囲において良好なエマルションを形成することが認められた。
移民支援におけるコミュニティ文化開発と多文化ソーシャルワーク

2年目にあたる平成30年度は、オーストラリアでコミュニティ文化開発の先進的事例調査及び論文執筆を実施した。2018年5月から研究関連書籍および文献の収集開始するとともに、2018年8月にはシドニーのミドルクラス移民コミュニティ(日系コミュニティ)に関するアンケート調査結果分析の一部についてオーストラリア学会誌に論文投稿し、2018年10月には、Asian Pacific Sociological Association conferenceにて、同調査の国際結婚対象者に注目した研究の意義について報告した。2018年9月には日本側分担研究者がオーストラリアでコミュニティ文化開発の先進的事例調査を実施し、主に多文化ソーシャルワークにおけるデジタルメディアの活用に関するインタビュー調査を実施した。2019年2月には、次年度以降のデジタルメディア・ワークショップ実施に向けた学生対象の研修会を複数回実施し、ワークショップのファシリテーションに関する教材検討やiPadによる撮影技術の検討を行った。2019年3月には、オーストラリア・シドニーでコミュニティ文化開発の先進的事例に関するフィールド調査を実施した。対象者は、コミュニティ文化開発分野でデジタルメディア実践を行う移民支援関係者で、コミュニティ・エンゲージメントにおけるコミュニティ文化開発の効果に関する聞き取りを行った。オーストラリアでのフィールド調査及び文献収集調査を実施し、今後のコミュニティ文化開発の先進的な実践に関する課題を整理し、次年度以降の日本国内での実践研究へ準備基盤を築くことができた。前年度までに調査してきた成果を元に、実践者・支援者に向けてデジタルメディア・ワークショップを実施することができた。今後は、前年度の調査結果を参考に、デジタルメディアを活用したコミュニティ文化開発が多文化ソーシャルワーク実践においてどのような意義を持つかについて検討する。新しい多文化ソーシャルワーク実践のモデルプログラム開発に向け、福井県内のソーシャルワーク実践者と共同的な調査研究していきたい。1年目にあたる平成29年度は、平成29年度は、オーストラリアでコミュニティ文化開発の先進的事例調査、ミドルクラス移民コミュニティを対象としたインタビュー調査を実施した。2017年5月から研究関連書籍および文献の収集開始するとともに、2017年6月には、オーストラリア学会にて、シドニーのミドルクラス移民コミュニティ(日系コミュニティ)に関するアンケート調査結果分析と社会的結束に関する研究の意義について報告した。2017年6月には日本側分担研究者及び研究協力者らと研究打合せを実施し、研究全体の分担及び今後の調査スケジュールについて検討した。2017年7月、9月には、次年度以降のデジタルストーリーテリング・ワークショップ実施に向けた支援者向けの研修会を複数回実施し、ワークショップのファシリテーションに関する教材検討を行った。2017年8月には、オーストラリア・シドニーでコミュニティ文化開発の先進的事例に関するフィールド調査、ミドルクラス日系移民コミュニティの社会包摂に関する調査を実施した。対象者は、コミュニティ文化開発の先進的実践を行う移民支援関係者(NSW州政府関係者)、ミドルクラス移民であるシドニーの日系移民コミュニティとし、社会包摂の状況についての実態把握およびコミュニティ・エンゲージメントにおけるコミュニティ文化開発の効果に関する聞き取りを行った。10月には研究協力者がメルボルンを訪問し、日系コミュニティの社会的包摂に関する聞き取り調査を行い、専門的知識の提供を受けた。平成29年度は、オーストラリアでコミュニティ文化開発の先進的事例調査、ミドルクラス移民コミュニティを対象としたインタビュー調査を実施することに加えて、次年度以降のデジタルストーリーテリング・ワークショップ実施に向けた支援者向けの研修会を複数回実施することができた。今後のコミュニティ文化開発の先進的な実践に関する課題を整理し、次年度以降の日本国内での実践研究へ準備基盤を築くことができた。今後は、前年度の調査結果を参考に、日豪の研究者らと共同で、移民コミュニティに対するコミュニティ文化開発の実践的・政策的課題をテーマに、コミュニティ・エンゲージメントを通した文化的市民権の確立が、多文化ソーシャルワーク実践においてどのような意義を持つかについて理論的考察を行う。また、新しい多文化ソーシャルワーク実践のモデルプログラム開発に向け、福井県内のソーシャルワーク実践者と共同的な調査研究していきたい。

昨年度は、日豪の研究者らと共同で、移民コミュニティに対するコミュニティ文化開発の実践的・政策的課題を検討してきたが、幾つかの計画については次年度に繰り越すことになった。次年度以降は、新しい多文化ソーシャルワーク実践のモデルプログラム開発に向け、福井県内のソーシャルワーク実践者と共同的な調査研究していきたい。予定していた支援者向けのデジタルメディアワークショップを翌年度に実施することとなったため。
高温超伝導体Bi2212を用いたテラヘルツ波の発振機構の解明

本研究は、2007年に新たに発見された高温超伝導体Bi2212結晶構造中に内在している固有ジョセフソン接合を利用した電磁波発振現象に関するものであり、特に矩形型メサ構造の場合のテラヘルツ電磁波の発振強度とその磁場効果を実験的に詳細に調べた.単結晶試料の酸素量、メサの幅や高さといった形状パラメータ、加工法の制御により、100を超える試料を試作し、高強度発振の実現条件を見い出した.放射分布の測定から素子全体からの発振強度を見積もると、30μWとなり、2007年の報告に比べ、60倍という進展が見られた.高強度化の要因は、加工プロセスの改善による試料へのダメージの低減に加え、発振条件での印加電流の増大により実現された.本研究で用いた試料の発振領域での印加電流値は1060mAであり、そのうち最大の発振強度が得られた1520mAは、2007年の報告に比べ3倍程度大きい.また、発振領域における印加電流の変位は、2mAと20倍近く大きくなっており、強度の増強が電流-電圧特性の振る舞いからも確認された.多様な磁束状態との関連から、電磁波発振現象に対する高温超伝導体への磁場の効果は非常に興味深い.本研究では、H<230 Oeの範囲で、発振強度、周波数の磁場依存性を評価した.発振強度は、c軸方向に磁場を印加した場合に強く抑制され、ab面内では強度変化は小さく、寧ろ磁場の領域によっては発振強度が強まる傾向がみられた.この磁場効果の異方性は2次元性の強い結晶構造や、パンケーキ磁束、ジョセフソン磁束といった磁束状態と、発振との間に強い相関があることを示唆している.発振周波数は、磁場に拠らず、ほぼ一定であった.発振強度が印加磁場強度に大きく依存することから、磁場印加により、発振強度を時間スケールで動的に制御可能であることが初めて示された.本研究は、2007年に新たに発見された高温超伝導体Bi2212結晶構造中に内在している固有ジョセフソン接合を利用した電磁波発振現象に関するものであり、特に矩形型メサ構造の場合のテラヘルツ電磁波の発振強度とその磁場効果を実験的に詳細に調べた.単結晶試料の酸素量、メサの幅や高さといった形状パラメータ、加工法の制御により、100を超える試料を試作し、高強度発振の実現条件を見い出した.放射分布の測定から素子全体からの発振強度を見積もると、30μWとなり、2007年の報告に比べ、60倍という進展が見られた.高強度化の要因は、加工プロセスの改善による試料へのダメージの低減に加え、発振条件での印加電流の増大により実現された.本研究で用いた試料の発振領域での印加電流値は1060mAであり、そのうち最大の発振強度が得られた1520mAは、2007年の報告に比べ3倍程度大きい.また、発振領域における印加電流の変位は、2mAと20倍近く大きくなっており、強度の増強が電流-電圧特性の振る舞いからも確認された.多様な磁束状態との関連から、電磁波発振現象に対する高温超伝導体への磁場の効果は非常に興味深い.本研究では、H<230 Oeの範囲で、発振強度、周波数の磁場依存性を評価した.発振強度は、c軸方向に磁場を印加した場合に強く抑制され、ab面内では強度変化は小さく、寧ろ磁場の領域によっては発振強度が強まる傾向がみられた.この磁場効果の異方性は2次元性の強い結晶構造や、パンケーキ磁束、ジョセフソン磁束といった磁束状態と、発振との間に強い相関があることを示唆している.発振周波数は、磁場に拠らず、ほぼ一定であった.発振強度が印加磁場強度に大きく依存することから、磁場印加により、発振強度を時間スケールで動的に制御可能であることが初めて示された.
自己免疫動物の内耳病態に関する研究

我々は、自己免疫異常が、難聴やめまいなど内耳障害の原因の一つとなりうるとの仮説をたてており、さらには、自己免疫異常がメニエール病の病態である内リンパ水腫を生じる可能性もありうると推測している。この仮説を解明する目的で、SLEの動物モデルとされるMRL/lprマウスに注目し、この動物の内耳病態を透過電子顕微鏡による観察を中心に研究している。本年度は、光顕標本の観察と通常染色による透過電顕標本の観察を中心に研究をおこなったが、内耳の主な障害部位と推定される蝸牛血管条を含め、内耳の明らかな変化を認めることはできなかった。この原因として、血管条の変化がわずかなものであること、通常染色では血管条の基底膜が染色されにくいため、血管条のわずかな病的変化を観察することが困難であったことが推定される。この問題を解決する手段として、現在、血管条基底膜が特異的に染色されるメテナミン銀法による染色をおこない、さらに検討を行うことを予定している。
ＧＰＵを用いた高速プラズマ粒子シミュレーション手法の研究

本研究ではGPUを用いたプラズマ粒子シミュレーションの高速演算手法を開発し、将来的に必ず必要となる大規模プラズマ粒子シミュレーション計算の高速化を目的としている。GPU演算のボトルネックとなることは、ホスト側(CPU側)とデバイス側(GPU側)とのデータ転送である。このボトルネックを解消するため、演算データを複数のブロックに分割し、ブロックごとにデータ転送と演算をオーバーラップさせることで転送時間の隠蔽を実現した。この手法によりCPU1コアに比べて8倍程度のGPU高速演算を実現し、これを用いてプラズマ波動非線形発展に関する研究成果を挙げた。本研究では、大量の計算コアを用いるメニーコア演算器であるGraphics Processing Unit(GPU)を用いたプラズマ粒子シミュレーション計算の高速化手法の開発に取り組んでいる。本研究で用いているkeplerと呼ばれるGPUは2000以上のコアを有しておりそれらを同時に使い処理させることで大量の処理を短時間で実行させることが可能である。しかし、GPUに処理をさせるためにはPCI-Expressを介したデータ転送処理が必要であり、またGPU内にあるメモリもCPU内にあるそれより小容量(8GB程度)である。そのため大規模な演算を行うためにはGPUへのデータ転送手法が重要となる。そのため、使用メモリ量が多い手法である粒子シミュレーションに対してGPUは適用し難いというのが現状である。この問題点の解決を目的とし、非同期でデータを転送させながら同時に演算を行う手法を開発し、粒子シミュレーション手法へ適用した。これによりGPU演算での1つのボトルネックと言われているデータ転送時間の隠蔽を実現している。この倍精度演算において、Xeon-E5系1コアの7-8倍程度の計算処理速度の向上が得られている。この手法を用いたシミュレーション計算を実行し、運動論的プラズマ乱流のイオン加速プロセスについて研究成果を得、これについて学会発表および論文投稿準備を行った。(論文は2014年4月1日にPhysics of Plasmasにおいて出版された。)GPUの性質としてランダムアクセスや同じメモリ領域へのアクセスがCPUに比べて低速でああり、この部分のチューニングが十分に行われていないため、さらなる効率化が現状実現されていない。今後はこの部分を解決する方法を模索するとともに、GPUを用いたコードによる研究成果の発展を狙う。24年度においては、最新版GPUを搭載した大容量メモリ計算機を導入し、GPU-CPU間のデータ転送およびメニーコア計算手法の検討を行った。特に非同期データ転送に着目し、GPU計算でのボトルネックであるデータ転送時間とGPUメモリ量の制限をどのように解消するかについて検討を行った。この検討の結果、非同期転送とストリーム計算を導入することで上記問題点を同時に解消することが出来るということを見いだした。この手法のイメージとしては、特定量のデータ単位パッケージをベルトコンベア式に計算機からGPUへ送り、結果を計算機へ滞りなく流す、というものである。この手法を適用することで、データ転送時間を隠蔽しながらGPU計算が可能となるだけではなく、GPUに搭載されているメモリ量よりも大きな計算メモリを必要とするシミュレーションが実行可能となった。これはGPUへのデータの入力と出力を同時に実行出来ることからきている。24年度末においては、この手法を粒子シミュレーション計算へ適用し、CPU内の1コアに対してどの程度の計算の加速が得られるのかを試みた。この結果、倍精度演算において最大で89倍程度の加速が得られた。8coreのCPUと比べるとほぼ同程度の計算能力を意味する。この手法および結果について、3月に行われたSTEシミュレーション研究会において口頭発表を行った。24年度においてはGPUへのデータ転送時間の隠蔽手法とGPUメモリ量の問題を解消することに焦点を置いた。25年度においては、GPU内でのチューニングに着手し、また複数GPUを用いた計算手法について検討を行う。これに加えて今年IntelからリリースされたXeon Phiを用いたメニーコア演算についても情報を集め、GPUとの比較を検討出来ればと考えている。本研究では、GPUを用いたプラズマ粒子シミュレーション手法を開発し、将来的に必ず必要となる大規模プラズマ粒子シミュレーション計算の高速化実現が可能かどうかを見定めることを目的としている。初年度にGPUを搭載した計算機を導入し、これを用いてGPUを用いた高速計算手法の開発を開始した。2年目において、基本的な手法を確立し、この手法を用いて実際のプラズマ物理計算への実装を行っている。GPU演算において最も特徴的なことは、GPU(デバイス)側とCPU(ホスト)側がPCI-Expressを介して接続されていることにある。このためGPUに演算を実行させるためには必要なデータを転送する必要があり、この転送時間コストがGPU演算のボトルネックとなっている。このボトルネックをできる限り解消するため、本手法では計算データを複数のブロックに分割し、ブロック単位でデータ転送とGPU内での演算をオーバーラップさせることで転送時間の隠蔽を行っている。

この演算手法を用いることで、GPU1枚でCPU1コアの8倍程度の演算高速化を実現し、このGPU計算手法を実装したプラズマ粒子シミュレーションコードを用いて、プラズマ中の波動の一つである、whistler波動の非線形発展について研究成果を挙げた。その成果については、Physics of Plasmasにおいて論文として出版している。最終年度においては、得られた研究結果をさらに発展させ、国内外において研究成果発表を行った。また、現在実装しているものとは別の手法の開発を行っており、より効率の良い高速演算の実現を今後の課題として狙っている。宇宙プラズマ物理本研究ではGPUが内蔵するメモリ量以上の計算をGPU上でCPUより効率的に計算する手法の開発を目的としている。これまで非同期データ転送手法において1つのボトルネックである転送時間の隠蔽は実現出来たものの、ランダムアクセスおよび同メモリ領域へのアクセスによる処理遅延の解決には現状まだ至っていない。このため研究期間を1年延長し、上記遅延要因の解決に挑戦するとともに、将来的にGPUを用いたプラズマ粒子シミュレーション計算の有効性について考察を行う。計画通りに必要機器(GPU+大規模メモリ計算機)の導入が行われ、またそれを用いたGPU演算手法の開発も順調に行われている。実施計画にあるGPU計算の粒子シミュレーションへの適用も年度内に実施され、現状で予想以上の高速化が得られた。一方で年度内で着手予定であった高速化チューニングまではまだ実行されていないので、25年度前半期にこの部分を集中的に着手する予定である。GPU演算のボトルネックの1つである、ランダムアクセスおよび同メモリ領域へのアクセスによる処理遅延の解決に取り組む。これまでの計算アルゴリズムを1から考え直し、上記アクセスを極力減らすような計算アルゴリズムの構築を行う。またこれと同時にGPUを用いた運動論的プラズマ乱流計算を行い、これに関する研究を発展させる。25年度においては、GPU内でいかに粒子計算部を高速化するのかについて検討する。現状ではGPUに与える1スレッドの計算において複数粒子の計算を実行しており、1スレッドの対する負荷が大きい状態になっている。GPU演算においては大量のスレッドを立てることが高速化の基本であるため、これを1スレッドに1粒子のみを割与える方法へ変更し、スレッド数を増やしたときにどの程度計算効率が上がるのかを検討する。また、GPU計算内でのキャッシュや共有メモリを用いたメモリチューニングに注目した高速化を検討する。これに加え同様のGPUをもう一枚追加し、Multi-GPUでの演算手法についても検討する。また、GPUを用いた計算で粒子シミュレーションを実行し、物理研究での成果も出して行く予定である。
移植骨髄拒絶機構解析のためのin vitro実験系の開発

骨髄移植の際に宿主の細胞はアロ抗原に加え、造血幹細胞や造血系腫瘍細胞株に特異的に表現されている形質を認識して移植骨髄細胞を拒絶することが知られている。この形質はhemopoietic histocompatibility(Hh)と呼ばれ、これを認識する宿主細摘はNatural killer細胞と多くの類似点を持つことが指摘されてきた。しかしながら、移植骨髄細胞拒絶の実験系がすべてin vivoでの実験系であることが大きな障害となり、骨髄細胞拒絶機構の詳細な解析や、さらにHh抗原の分子レベルでの解析、エフェクタ-細胞の同定等重要な問題が未解決のままである。本研究はHh抗原の認識による骨髄細胞拒絶反応を再現しうるin vitroの実験系を確立することにより、骨髄細胞の拒絶機構の一部を解析することを目的とした。我々は前年度までに、1)Hh抗原が骨髄progen it or細胞に分化段階に関わりなく広く発現し、2)拒絶反応は移植後3時間で観察され24時間後には90%のprogenitor細胞が消失し、3)拒絶の強弱は必ずしもアロの違いによらないことを明らかにした。今年度は、この拒絶機序を詳細に解析するために前年度の結果を踏まえてin vitro実験系の開発を行った。その結果、1)ナイロンカラム通過後比重遠沈法でB6D2F_1脾細胞を分離するとB6骨髄progenitorに対する増殖抑制はT細胞層でなくNK細胞層に一致して認められた。2)抗asialo GM1処理によりNK活性の除去すると骨髄progenitorに対する拒絶も消失した。3)拒絶は広い範囲の骨髄系progenitor細胞に対して認められた。4)B6脾臓stromal cell line存在下では、B6脾細胞はD2骨髄progenitorに対してむしろ増殖を刺激した。以上の結果から、in vitroにおけてもin vivoでみられる拒絶と同様のprogenitorに対する増殖抑制がみられたが、その抑制はin vivoにおける拒絶に比較して、強さ特異性に関して非常に低いものであると言わざるをえなかった。骨髄移植細胞の拒絶は宿主の免疫担当細胞、おそらくT細胞あるいはNK細胞により拒絶される。in vitroにおける移植骨髄拒絶機構解析のための実験系を作るにあたって、先ず、移植骨髄細胞が造血臓器、マウスにおいては脾臓内で拒絶が起こるか否か、CFU-S以外のprogenitorが拒絶のtargetとなりうるかを確かめる実験を行った。Allogeneic resistanceおよびHybrid resistanceの組合せとして、それぞれ、DBA2(D2)骨髄細胞を放射線照射C57BL/6(B6)に(D2→B6)、B6骨髄細胞を(C57BL/6×DBA/2)F1(B6D2F1)に(B6→B6D2F1)尾静脈より移植し、移植後宿腫脾細胞を用いて計時的にcolony assayを行った。この結果、移植骨髄補胞は移植後3時間から48時間以内に脾臓内で拒絶され、さらにCFU-S以外にも、in vitroで解析可能なprogenitor,CFU-GEMM,BFU-E,CFU-GM,CFU-G,CFU-Mが宿主による拒絶のtargetとなりうることがわかった。次に,宿主マウスをNK細胞にたいする抗体で処理したり、NK活性増強剤で処理することにより拒絶の強弱を比較すると、前者では拒絶が著しく弱まり、後者では無処置の場合拒絶の見られないB6→D2の組合せでも拒絶が認められる等、拒絶を著しく増強した。このことから移植骨髄細胞の拒絶には宿主のNK細胞が関与していることが確認された。一方、B6及び、B6D2F1脾細胞を用いてのNK細胞とT細胞の分離はB細胞を取り除いた後、percol density gradientを用いて行った。Fraction 1及び2では強いNK活性がみられ、Fraction 4ではほとんどNK活性が見られなかった。表面抗原的には前者にはasialo GM1陽性細胞が多く、後者ではほとんどがThy 1陽性であり、NK細胞とT細胞の分離に成功した。現在、これらの細胞を用いてのin vivoにおける拒絶反応実験を行うと共に、B6およびB6D2F1脾臓から骨髄progenitorの増殖が可能なstromal cell lineの作製を試みている。

その結果、1)ナイロンカラム通過後比重遠沈法でB6D2F_1脾細胞を分離するとB6骨髄progenitorに対する増殖抑制はT細胞層でなくNK細胞層に一致して認められた。2)抗asialo GM1処理によりNK活性の除去すると骨髄progenitorに対する拒絶も消失した。3)拒絶は広い範囲の骨髄系progenitor細胞に対して認められた。4)B6脾臓stromal cell line存在下では、B6脾細胞はD2骨髄progenitorに対してむしろ増殖を刺激した。以上の結果から、in vitroにおけてもin vivoでみられる拒絶と同様のprogenitorに対する増殖抑制がみられたが、その抑制はin vivoにおける拒絶に比較して、強さ特異性に関して非常に低いものであると言わざるをえなかった。骨髄移植の際に宿主の細胞はアロ抗原に加え、造血幹細胞や造血系腫瘍細胞株に特異的に表現されている形質を認識して移植骨髄細胞を拒絶することが知られている。この形質はhemopoietic histocompatibility(Hh)と呼ばれ、これを認識する宿主細胞はNatural killer細胞と多くの類似点を持つことが指摘されてきた。しかしながら、移植骨髄細胞拒絶の実験系がすべてin vivoでの実験系であることが大きな障害となり、骨髄細胞拒絶機構の詳細な解析や、さらにHh抗原の分子レベルでの解析、エフェクタ-細胞の同定等重要な問題が未解決のままである。本研究はHh抗原の認識による骨髄細胞拒絶反応を再現しうるin vitroの実験系を確立することにより、骨髄細胞の拒絶機構の一部を解析することを目的とした。我々は前年度までに、1)Hh抗原が骨髄progenitor細胞に分化段階に関わりなく広く発現し、2)拒絶反応は移植後3時間で観察され24時間後には90%のprogenitor細胞が消失し、3)拒絶の強弱は必ずしもアロの違いによらないことを明らかにした。今年度は、この拒絶機序を詳細に解析するために前年度の結果を踏まえてin vitro実験系の開発を行った。以上の結果から、in vitroにおけてもin vivoでみられる拒絶と同様のprogenitorに対する増殖抑制がみられたが、この抑制はin vivoにおける拒絶に比較して、強さ特異性に関して非常に低いものであると言わざるをえなかった。
糖質加水分解サイボーグリニア分子モーターの創生

1.リニア分子モーターキチナーゼのキチナーゼの運動方向性を変える試みキチナーゼには、キチンを還元末端および非還元末端から分解するChiAとChiBの二種類が存在する。キチナーゼの運動方向性を決める仕組みを明らかにするため、野生型の酵素をどこまで改変しても一方向に運動できるのかの検証を行った。まず、ChiAのキチン結合モジュールの表面に存在する芳香族アミノ酸をアラニンに変異させたChiA W69A、およびChiA W69A/W33Aを作製した。高速AFM1分子観察の結果、これらの変異体は野生型と同じ方向に運動することが明らかとなった。また生化学アッセイにおいて、野生型よりも有意に低いキチン分解活性を示した。しかしながら予想外に、高速AFM1分子観察では野生型よりも高い運動速度を示した。この結果から、キチンへの親和性(結合速度定数)と運動速度にトレードオフの関係があることが示唆された。現在、このトレードオフの関係を実証するため、1分子蛍光観察により結合速度定数の定量計測を行っている。2.リニア分子モーターキチナーゼの1分子計測キチナーゼの運動素過程である1ナノメートルのステップを可視化することに成功した。また、様々な基質結合状態のキチナーゼのX線結晶構造解析、および決定した構造を元にした全原子分子動力学シミュレーションを行い、基質結合サイトにおける糖鎖のダイナミックな動きと結合エネルギーを見積もることに成功した。これらの複合的な取り組みにより、キチナーゼの化学力学共役の素過程の詳細を解明することに成功した。さらに、キチナーゼの一方向性の運動のメカニズムとして“Burnt-bridge"機構を提案した。これらにより、キチナーゼがセルラーゼに比べて10倍速い速度で運動する仕組みを明らかにした。29年度が最終年度であるため、記入しない。1分子蛍光イメージングを用い、カビTrichoderma reesei由来のエキソ型セルラーゼTrCel6Aおよび細菌Cellulomonas fimi由来CfCel6Bがリニア分子モーターであることを実証することに成功した。さらに、すべてのドメインを含む全長分子、糖質結合モジュール(CBM)のみ、CBM+リンカー、触媒ドメイン(CD)のみといった組合せについて、結晶性多糖分解反応の素過程(結合、運動、解離)の速度定数の定量計測を行い、それぞれのドメインの反応素過程における役割を解明した。また、タンパク質デザインアルゴリズムのロゼッタを用い、エキソ型キチナーゼである霊菌Serratia marcescens由来SmChiAとSmChiBを融合したハイブリッドサイボーグ分子SmChiABの創生を試みた。しかしながら、計算機デザインで高いスコアを示した分子はほとんどの場合、発現させた大腸菌内でフォールディングせずに凝集体を形成し、機能解析に十分な量の可溶性分子を得ることが困難であった。この結果は、1.野生型タンパク質はde novoデザインされた理想タンパク質に比べ安定性が著しく低い、2.フォールディングしたタンパク質分子の熱力学的な安定性ではなく、フォールディングのしやすさが天然タンパク質を再デザインするうえで重要であることを示している。上記の問題を克服するため、計算機を用いた合理的デザインに加え、1本の反応チューブ内で簡便に網羅的な変異体の作製が可能となる手法を新規に開発した。GFPの蛍光回復変異体をコントロールサンプルとして本手法を適用し、DNAディープシークエンシングによって網羅的な変異導入が可能であることを確認した。さらに、本手法を適用し、SmChiABの可溶性と収量を向上させることに成功した。1分子蛍光イメージングを用い、カビTrichoderma reesei由来のエキソ型セルラーゼTrCel6Aおよび細菌Cellulomonas fimi由来CfCel6Bがリニア分子モーターであることを実証することに成功し、各ドメインの役割を解明することに成功した。さらに、計算機合理デザインと網羅的変異導入を組み合わせ、霊菌Serratia marcescens由来SmChiAとSmChiBを融合したハイブリッドサイボーグ分子ChiABの可溶性と収量を向上させることに成功した。

これらの複合的な取り組みにより、キチナーゼの化学力学共役の素過程の詳細を解明することに成功した。さらに、キチナーゼの一方向性の運動のメカニズムとして“Burnt-bridge"機構を提案した。これらにより、キチナーゼがセルラーゼに比べて10倍速い速度で運動する仕組みを明らかにした。1.サイボーグ分子の創生:計算機合理デザインと網羅的変異導入を組み合わせSmChiABの可溶性と収量のさらなる改善を行う。また、エキソ型のCBM、リンカー、CDを入れ替えたサイボーグ分子、CBMとCDをdsDNAで繋いだサイボーグ、エキソ型とエンド型をリンカーやdsDNAで繋いだサイボーグを創生する。高い活性を持つサイボーグを活性測定で選択する。2.1分子蛍光観察によるサイボーグ分子の反応速度定数の定量計測:創生したサイボーグ分子の反応素過程の速度定数の1分子計測を行って野生型と比較し、活性変化の機構を明らかにする。3.高速1分子計測による野生型、サイボーグ分子の運動素過程の解析:金ナノ粒子をプローブに用いた高速1分子計測で、運動素過程(化学反応待ちのポーズの長さ、推進力発生時のステップの大きさや速度)の解析を行う。野生型とサイボーグで計測を行い比較する。4.野生型、サイボーグ分子全長の構造解析:CfCel6B、TrCel6Aの全長の結晶化条件の検討と構造解析を行う。サイボーグ分子も同様に行い、性能の違いを生み出す構造基盤を明らかにする。29年度が最終年度であるため、記入しない。
四肢再生とレンズ再生に共通する再生開始の初期メカニズムの解明

本研究は、四肢やレンズを再生できる脊椎動物であるイモリを用いて、再生開始の分子メカニズムを解明するため、再生開始に関わる未知のレセプター様分子と、血液凝固因子唯一の膜蛋白である「組織因子」に注目し、解析を行った。成果としては、(1)得られた分子は全くの新規分子であり、ペプチドのモチーフレベルでもホモロジーのないものであったこと、(2)「組織因子」が再生中のイモリ虹彩上部に特異的に発現しており、レンズ再生と密接に関連していることを見つけたことである。本研究は、四肢(手足)や眼球内のレンズを再生できる唯一の脊椎動物であるイモリを用いて、再生開始の分子メカニズムを解明しようというものである。これまでの我々の研究結果により、脊椎動物の四肢再生とレンズ再生は共通の分子メカニズムにより引き起こされることが予想され、その仮説に基づいて遺伝子レベルだけではなく、組織・細胞レベルで再生開始の初期メカニズムを解明しようとしている。この研究成果は、今後iPSによる再生医療の発展にも大きく貢献できるものと期待できる。平成19年度は、再生開始を直接誘導する可能性の高い未知のレセプター様分子と、膜蛋白質である「組織因子」と呼ばれる分子の全長cDNAのクローニングを行うとともに、その分子の発現パターンをin situhybridization法やreal time PCR法で解析してきた。しかしながら、完全長のcDNAが依然得られておらず、現在さらなるRACEによる伸長を進めている。また前述の原因についても現在検討中であり、平成20年度前半には解決できるものと思っている。さらに発現パターンをin situ hybridization法などで解析しているが、細胞内での発現量がすくないためか、また明瞭な発現パターンの記述できることまでにはいたっていない。この点についても発現感度の向上などで解決していく予定である。さらに、現在予想されるタンパク質について抗体も作成中である。現在進めているこれら分子の構造解析、発現解析、機能解析により、再生開始の初期段階の分子メカニズムが解明できるものと期待している。また、細胞内でのシグナル伝達はイモリとマウスで共通であるという結果もあり、本研究の成果を応用すれば、iPS細胞を使用しなくても、マウスやヒトで再生開始を誘導できる可能性も高いと考えている。平成20年度は、平成19年度に続き、再生開始を直接誘導する可能性の高い未知のレセプター様分子と、血液凝固因子唯一の膜蛋白である「組織因子」と呼ばれる分子の全長cDNAのクローニングを行うとともに、その分子の発現パターンをin situ hybridization法やreal time PCR法で解析してきた。完全長のcDNAが依然得られておらず、RACEによるさらなる伸長を進めている。さらに発現パターンをin situ hybridization法などで解析しているが、細胞内での発現量が少なく、また明瞭な発現パターンの記述できることまでには至っていない。この点についても発現感度の向上などで解決していく予定である上、現在予想されるタンパク質について抗体も昨年より作成検討中である。この研究成果は、今後iPS細胞による再生医療の発展にも大きく貢献できるものと期待できる。平成21年度は、平成20年度に続き、再生開始を直接誘導する可能性の高い未知のレセプター様分子と、血液凝固因子唯一の膜蛋白である「組織因子」と呼ばれる分子の全長cDNAのクローニングを行うとともに、その分子の発現パターンをin situ hybridization法やreal time PCR法で解析を進めた。完全長に近く、全翻訳領域を含むcDNAが得られたので、RACEによるさらなる伸長を進め、完全長のものを得るように解析を進めた。さらに発現パターンをin situ hybridization法などで解析しているが、細胞内での発現量がすくなく、また明瞭な発現パターンの記述できることまでにはいたっていないが、PCRによる解析により再生上皮に発現していることがわかった。この点についても発現感度の向上と昨年度より進めている抗体染色によりさらに明確にできればよいと考えている。

今年度全翻訳領域を含むcDNAが得られたので、分子の構造解析、発現解析、機能解析により、再生開始の初期段階との関連性の解析をさらに進められるものと期待できる。また、本分子は依然として既知分子との相同性がないが、上皮に発現していることから、本研究の成果を応用すれば、iPS細胞を使用しなくても、マウスやヒトで再生開始を誘導できる可能性もありうると考えている。
悪性神経膠腫に対する腫瘍特異的増幅型ハイブリッドベクターを用いた遺伝子治療

悪性神経膠腫をはじめとする脳腫瘍の遺伝子治療に適したベクターの開発を目標として、異種のウイルスのハイブリッドを応用した治療ベクターの開発を推進した。(1)悪性神経膠腫における自殺遺伝子治療の効果を高めるため、細胞内で治療ベクターを産生させるアデノ-レトロハイブリッドの治療効果を検討した。HSV-tk発現レトロウイルスベクターのゲノムを有するハイブリッドウイルスを用い、従来得られたin vitroにおける感染実験の結果を参考にマウス皮下腫瘍モデルにて、レトロウイルスベクターを誘導しGCVを腹腔内投与すると、抗腫瘍効果の増強が確認された。また、腫瘍細胞内の治療ベクターのコピー数が約170倍以上増加し、In situ hybridizationにおいて治療遺伝子の発現がより広範に認められた。また、治療遺伝子の効果を高める工夫として、BH3因子とHSV-tkとの相乗効果を確認した。(2)頭蓋内における遺伝子導入においては、より安全性の高いベクターの開発が将来期待される。このため、炎症反応を起こしにくいAAVベクターの悪性脳腫瘍への応用を検討した。各種の神経膠腫細胞株を用いてeGFPを発現する1-5型のAAVベクターの感染様式を比較した結果、2型での発現が高い群、2および5型での発現が高い群、および5型での発現が高い群の3種類に分類された。E1B55kを欠失し腫瘍において優位にウイルスを増幅させるAAVベクターAAVE1、HSV-tkおよびRepを発現するAAVベクターAAVTRや、Capを発現するアデノウイルスベクターAVCapを構築した。AAVTRを、AAVE1、AVCapと共に神経膠腫細胞に感染させ、腫瘍細胞内でのAAVTRの増幅を確認した。動物モデルにおいて感染条件と副反応を詳細に検討することにより、この技術を応用した治療システムの開発が期待される。悪性神経膠腫に対する新規遺伝子治療システムを開発するため、以下の検討を行なった。(1)悪性神経膠腫細胞内でレトロウイルスベクターを産生させる系を開発した。HSV-tkおよびEGFPを発現するハイブリッド治療ベクターAVC2GCTKおよびAVC2GCEGFPを構築した。レトロウイルスを産生させるため、AVC2GCTKまたはAVC2GCEGFPをgag-polおよびVSV-Gを発現するAxTetGPおよびAxTetVSVG、rtTAを発現するAV-rtTA等のアデノウイルスベクターとともに神経膠腫細胞株に感染させた。Doxyの誘導下に様々な組み合わせのMOIにて各々のウイルスの感染を行い、腫瘍細胞からのレトロウイルス産生量および遺伝子発現効率について至適条件を検討した。(2)正常組織に対して安全性が高いAAVを腫瘍細胞内において増幅し、優れた遺伝子導入効率を有するシステムを検討した。しかし、腫瘍細胞におけるp53の機能異常に依存するだけでは腫瘍特異性が完全ではないことが臨床治験において報告されており、さらに高い腫瘍特異性を獲得するためにAAVの構造蛋白質を腫瘍特異的に発現させる工夫を検討している。(3)治療遺伝子の効果を上げる手法として、細胞周期非特異的にアポトーシスを誘導するBim遺伝子(BH3因子)およびHSV-tk遺伝子をアデノウイルスベクターを用いて悪性神経膠腫細胞株に導入し、マウス皮下腫瘍モデルにてその相乗作用を検討した。以上の様に、遺伝子導入方法、治療遺伝子および治療方法の各段階における基盤技術の検討を行なうことにより、臨床応用に向けた治療システムの開発が期待される。
アンドロゲン依存性ラット前立腺癌のアポトーシスにかかわる遺伝子の解明

我々が確立し、継代維持しているSV40T抗原トランスジェニックラットは早期より前立腺癌を全例に発症し、去勢によってアポトーシスの過程を経て癌細胞は消失し、萎縮した腺管をみるのみとなる。このラットにtestosterone propionate(TP)をシリコンチューブ(30mg,3週間で入れ替え)にて5週齢から15週齢までの10週間皮下投与し、その後TPチューブの除去と両側精巣摘出を行い、癌の退縮過程を経時的に観察した。この過程において変化をきたす遺伝子を、前立腺腹葉から抽出したRNAを用いてcDNAアレイ、定量的RT-PCRにより検索した。その結果、Caspase 3,6、BAX、Bcl-x、MMP7、TRPM-2、annexin 1,3,4,7の発現が前立腺癌の退縮過程で上昇することが明らかとなった。これらの遺伝子はアポトーシスにかかわるものとして知られているが、本実験により、アポトーシスの過程でその発現は変化し、前立腺癌の退縮と深い関りがあることが示された。これらの遺伝子の働きを解明することにより、前立腺癌の治療に資する有用なデータが得られると考えられる。またこのラットに10週齢から7週間、抗アンドロゲン剤である5α-還元酵素阻害剤のFinasteride(10mg/kg,1週間に5回)、またはアンドロゲンレセプター拮抗剤であるFlutamide(5mg/kg or 20mg/kg,1週間に5回)を投与し、2,5,7週目に屠殺・剖検し、病理組織学的解析を行うと、前立腺癌の部分的な退縮が観察された。抗アンドロゲン剤の効果がこのトランスジェニックラットにおいて明らかに認められたことにより、より効果的な抗アンドロゲン剤のスクリーニングのためのモデル動物としてこのラットが有用であることが示唆された。
中性子小角散乱測定を活用した新規リビングアニオン重合系の設計

昨年度は、中性子小角散乱測定(SANS)と同時に紫外可視吸収スペクトル(UV-Vis)測定とゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定を行うための装置の整備と手順の確立を行い、ホモポリスチレン、ホモポリイソプレンなどの比較的コンベンショナルなリビングアニオン重合系についての検討を行っていた。本年度は、昨年確立した装置と手法を用い、より発展的な検討を行った。すなわち、触媒研究の最先端で検討されているフォスファゼン触媒によるメチルメタクリレート重合系について、触媒・助触媒・重合末端が形成する超分子構造という観点から検討を行い、新規触媒開発の鍵となる触媒分子およびリビングポリマーの会合状態を明らかにした。触媒溶液のSANS観察では、半径1.1-1.8nmの球の形状因子でフィットされる散乱曲線が得られた。PZN1分子の大きさは半径約0.6nmであるので、溶媒中で数十のPZN分子が会合して存在しているものと考えられた。リビングポリマー溶液のSANS測定では、溶液中には会合していない単独のリビングポリマー鎖がPZN会合体と共存していることが明らかとなった。このことから、リビングポリマー鎖とPZN触媒の間には強い相互作用は存在しないことが推測された。この結果はアルキルリチウム化合物を開始剤として用いた非極性溶媒中でのリビングアニオン重合とは対照的である。アルキルリチウム系ではリチウムイオンと重合末端のカルバニオンの間の強い静電相互作用により重合末端が集合し、リビングポリマーはスターポリマー状の会合体として存在する。一方本系のPZNカチオンは電荷密度が極めて小さいことからリビングアニオン末端との相互作用が非常に弱く、このような会合体は形成されなかったものと考えられる。PZN触媒が有機金属化合物触媒に比べて極めて高い反応活性を示す原因の1つは、上述のような末端の会合状態の違いにあると推測された。本年度はまず、中性子小角散乱測定(SANS)と同時に紫外可視吸収スペクトル(UV-Vis)測定とゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定を行うための装置の整備と手順の確立を行った。設備備品費で購入したCCD型の分光器や光ファイバを原子力機構所有のSANS-J装置に組み込むことで、SANS測定と紫外可視吸収スペクトル(測定波長範囲:200-800nm)の測定を行うことができる装置を構築した。またコックとジョイント付きのセルを独自に設計することで、中性子散乱測定中の溶液を不活性雰囲気に保ったままで試料を逐次抜き出しゲル浸透クロマトグラフィー測定を行う手順を確立した。上記装置を用いて、実際にsec-butyllithiumを開始剤とするリビングアニオン重合過程のその場観察を行った。まずはポリイソプレンおよびポリスチレンの重合過程を観察した。得られたSANSおよびGPCデータの解析から、アニオン性の重合末端が重合中に会合することと、その会合状態が重合の進行とともに変化していることが明らかとなった。開始剤濃度、モノマー濃度の異なるいくつかの系について検討したところ、特に高分子の分子量と会合数に相関関係があることがわかった。さらに、イソプレンモノマーとスチレンモノマーが共存する系からの重合反応過程の観察も行った。この系では、重合前半でイソプレンのみが、後半でスチレンのみが重合し結果としてイソプレンースチレンブロックコポリマーが合成されていることがUV-Vis測定による末端種の定量により明らかとなった。同時に行ったSANS測定結果をGPC、UV-Vis結果を利用して解析したところ、反応前半と後半で会合状態が異なっていることが明らかとなった。
極限光源光電子分光によるトポロジカル磁性体の研究

強い電子相関と強いスピン軌道相互作用の両者を兼ね備えた電子系は未開拓であり、新奇なトポロジカル量子相が理論予想されることからも、次なるフロンティアとして注目されている。昨今次々と報告される弱相関なトポロジカル量子相に関する実験結果は、理論予想を忠実に再現するものがほとんどで、理論先攻型の研究テーマと言える。対照的に、強相関を舞台とするトポロジカル状態は、第一原理計算でも再現しきれない新奇量子相が発現する可能性を秘めている。本研究では、極限光電子分光を駆使する直接バンド観察を通じて、理論研究を駆り立てる実験先攻型の研究を目指すことを目的とした。トポロジカル絶縁体を代表とするトポロジカル物質の非自明なバンドトポロジーは、強いスピン軌道結合によって生じるバンド反転で決まる。これに伴い、結晶表面に特異な電子状態が現れることから、「見かけ(表面)で中身(バルク)のトポロジーを知る」ことが可能であり、表面敏感な角度分解光電子分光(ARPES)で観測される電子状態を表面状態のバンド計算と比較して、バンドトポロジーの同定が行われてきた。しかしながら、狭ギャップ半導体や半金属などでのバンド計算では、予測される表面状態やトポロジーが計算パラメーターに敏感に変化してしまうため、これまで行われてきた見かけに頼る方法では不十分であった。本研究で我々は、バルク敏感ARPESを利用することで、バンドトポロジーに対する直接的な実験をCeモノプニクタイドで実現させた。この実験は、Ceモノプニクタイド物質群のバルク電子構造の系統的な観察に基づく。そしてプニクトゲンのスピン軌道結合効果によるバンド反転を直接観ることで、トポロジカル相図を実験的に決定するものである。これにより、見かけの測定に頼らない、バンドトポロジーを直接決定する新たな実験方法を確立した。バルク敏感なARPESを利用してCeX物質群のトポロジカル相図を実験的に決定した。特に、プニクトゲンのスピン軌道結合とキャリア補償型の半金属的なバンド構造が発端となり、非自明なバンドトポロジーの素になるバンド反転が発生する姿を捉えた。これまで、実験的なトポロジカル物質群の同定は、表面敏感なARPESを利用した表面観測に限られていたが、本研究によりバルク敏感ARPES測定の新しい実用性が示された。バルク敏感ARPESによるバンド反転観測から、表面に影響されない物質のバンドトポロジーを直接知ることができるので、今後の多彩なトポロジカル物質の発見や開発に向けて強力な実験手法として期待される。室温でも巨大な異常ホール効果を示すことから、次世代の磁気メモリ材料として大きく期待される磁性物質のトポロジカル量子状態の解明を目指す。これまで、異常ホール効果は強磁性体でしか発現しないとされてきた。2015年11月に、マンガン化合物Mn3Snにおいて初めて反強磁性体での異常ホール効果が発見された。Mn3Snのスピン構造はキラリティを有しており、これに起因する電子構造のトポロジカルな性質が自発的異常ホール効果の機構に関与していることが理論的に提案されている。特に、大きなベリー曲率を持つワイル半金属状態が、巨大異常ホール効果の有力候補であることが第一原理計算から示唆されており、角度分解光電子分光を用いてトポロジカル磁性物質が持つ電子構造を直接確認する必要がある。ワイル半金属状態は今世界的に物性研究の中心的課題となっているトポロジカル状態であり、2015年8月にTaAsで実験的に初めて証明された。そこで用いられた実験手法が角度分解光電子分光である。ワイル状態は、空間反転対称性あるいは時間反転対称性の破れに伴い発生する。空間反転対称性の破れた結晶構造を有するTaAsに対し、トポロジカル磁性物質では反強磁性秩序がもたらす時間反転対称性の破れに起因する初めてのワイル金属の実現が期待される。複数のグループで発表が相次いだTaAsのワイル半金属電子構造は、バルク敏感性が増す光源を用いたことで、ワイル点の同定に成功している。本研究の対象となるトポロジカル磁性物質においても、新奇なワイル半金属と言える上記の特異な電子構造を証明する上で、バルク敏感な光源を用いる角度分解光電子分光が威力を発揮するものと考えられる。

しかしながら、狭ギャップ半導体や半金属などでのバンド計算では、予測される表面状態やトポロジーが計算パラメーターに敏感に変化してしまうため、これまで行われてきた見かけに頼る方法では不十分であった。本研究で我々は、バルク敏感ARPESを利用することで、バンドトポロジーに対する直接的な実験をCeモノプニクタイドで実現させた。この実験は、Ceモノプニクタイド物質群のバルク電子構造の系統的な観察に基づく。そしてプニクトゲンのスピン軌道結合効果によるバンド反転を直接観ることで、トポロジカル相図を実験的に決定するものである。これにより、見かけの測定に頼らない、バンドトポロジーを直接決定する新たな実験方法を確立した。バルク敏感なARPESを利用してCeX物質群のトポロジカル相図を実験的に決定した。特に、プニクトゲンのスピン軌道結合とキャリア補償型の半金属的なバンド構造が発端となり、非自明なバンドトポロジーの素になるバンド反転が発生する姿を捉えた。これまで、実験的なトポロジカル物質群の同定は、表面敏感なARPESを利用した表面観測に限られていたが、本研究によりバルク敏感ARPES測定の新しい実用性が示された。バルク敏感ARPESによるバンド反転観測から、表面に影響されない物質のバンドトポロジーを直接知ることができるので、今後の多彩なトポロジカル物質の発見や開発に向けて強力な実験手法として期待される。室温でも巨大な異常ホール効果を示すことから、次世代の磁気メモリ材料として大きく期待される磁性物質のトポロジカル量子状態の解明を目指す。これまで、異常ホール効果は強磁性体でしか発現しないとされてきた。2015年11月に、マンガン化合物Mn3Snにおいて初めて反強磁性体での異常ホール効果が発見された。Mn3Snのスピン構造はキラリティを有しており、これに起因する電子構造のトポロジカルな性質が自発的異常ホール効果の機構に関与していることが理論的に提案されている。特に、大きなベリー曲率を持つワイル半金属状態が、巨大異常ホール効果の有力候補であることが第一原理計算から示唆されており、角度分解光電子分光を用いてトポロジカル磁性物質が持つ電子構造を直接確認する必要がある。ワイル半金属状態は今世界的に物性研究の中心的課題となっているトポロジカル状態であり、2015年8月にTaAsで実験的に初めて証明された。そこで用いられた実験手法が角度分解光電子分光である。ワイル状態は、空間反転対称性あるいは時間反転対称性の破れに伴い発生する。空間反転対称性の破れた結晶構造を有するTaAsに対し、トポロジカル磁性物質では反強磁性秩序がもたらす時間反転対称性の破れに起因する初めてのワイル金属の実現が期待される。複数のグループで発表が相次いだTaAsのワイル半金属電子構造は、バルク敏感性が増す光源を用いたことで、ワイル点の同定に成功している。本研究の対象となるトポロジカル磁性物質においても、新奇なワイル半金属と言える上記の特異な電子構造を証明する上で、バルク敏感な光源を用いる角度分解光電子分光が威力を発揮するものと考えられる。
量子情報理論における基礎的問題の検討と解決

本研究の目的は、いくつかの具体的な問題を通して量子(非可換)確率論の基礎を検討することにある。現在の量子情報に関わる様々な理論は量子確率論をベースにしているが、そこに存在するいくつかの問題点を明らかにし、その解決を試みる。そこで、本研究では以下の順に研究を遂行した。(1)量子情報理論、特に、量子エントロピー論、量子テレポーテーション理論、量子アルゴリズム論に存在するいくつかの問題点を取り上げ、それらを整理した。(2)(1)で掲げた問題はどこまで従来の量子確率論の公理系で議論できるか検討した。(3)(2)の検討の下に、量子確率論の新たな数理を考えた。そこで、本研究では以下の順に研究を遂行する。(1)量子情報理論、特に、量子エントロピー論、量子テレポーテーション理論、量子アルゴリズム論に存在するいくつかの問題点を取り上げ、それらを整理する。(2)(1)で掲げた問題はどこまで従来の量子確率論の公理系で議論できるであろうか?(3)(2)の検討の下に、量子確率論の新たな数理を考える。上記の目的に基づき,本年度は以下のような研究成果を得た.(i)量子テレポーテーションの新しいスキームの提示とその解析,(ii)量子チューリング機械の定式化と量子計算の複雑さの定義,(iii)リフティング写像を用いた量子相互エントロピーの定式化,(iv)エントロピー進化率を用いたインフルエンザウイルスの分類,(v)合成量子パイこね変換についてのカオス尺度を用いた特徴付け.また,これらの研究成果の発表を数多く行った.本研究の目的は、いくつかの具体的な問題を通して量子(非可換)確率論の基礎を検討することにある。(2) (1)で掲げた問題はどこまで従来の量子確率論の公理系で議論できるであろうか?(3) (2)の検討の下に、量子確率論の新たな数理を考える。上記の目的に基づき,本年度は以下のような研究成果を得た.(i)量子アルゴリズムを用いたEXPTIME問題の解法,(ii)新しいスキームを用いた量子テレポーテーションの定式化,(iii)リフティング写像を用いた量子相互エントロピーの定式化,(iv)エンタングルメントの数理を取りいれたアライメント,(v)エンタングルメント尺度を用いた2量子状態の分類,(vi)エンタングルメント通信路とOhya相互エントロピーを用いた判定.また,これらの研究成果の発表を数多く行った.さらに,これらの量子論の基礎研究から副産物的生まれた,新しい暗号理論について,以下のような研究を行った.(vii)非可換代数を基にしたストリーム暗号の開発,(viii)新しい非対称鍵交換プロトコルの開発.これらの成果は日本イタリア共同開催の国際ワークショップを通じて発表され,新聞などに報道された.