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スチルベンおよびその誘導体の電子励起状態と光化学的挙動の関連性に関する理論的研究

本研究課題では、光化学反応において数多い報告がありながら未だにその反応の描像が明確でないスチルベンおよびその誘導体くスチルベノイド)の電子励起状態とダイナミックスに関する検討を非経験的分子軌道計算により理論的立場から行った。その際、CI法による予備的なポテンシャル面の計算により、電子励起状態の定量的議論において用いられるCASSCFやMRMP2計算を現実的な規模にまで縮減した。以下、本年度、具体的に取り扱ったテーマについて述べる。スチルベンのフランク-コンドン領域の光化学的挙動:電子励起直後のトランススチルベンの光化学的挙動について、この領域のポテンシャル面の解析をした。その結果、光異性化に至るS_3状態への励起直後は、芳香属性が消失した平面キノイド構造への変化が優先することが分かった。スチレンの光化学的挙動:スチレンの光異性化が起き始めるS_2状態からS_2/S_1の円錐交差(CIX)、S_1の遷移状態、S_1/S_0-CIを経て、無輻射緩和する反応に関する大域的ポテンシャル面の計算を行い、多くの実験事実を合理的に説明する新たな描像を提唱した。スチレン誘導体のS_1/S_0-CIX:スチレン誘導体のS_1/S_0-CIXの電子状態的特徴はスチレンと同様であるが、電子吸引性基の場合、その電荷移動状態としての性質がより顕著になることが分かった。4-ジメチルアミノ,4'-シアノスチルベン(DCS)の光化学的挙動:DCSの気相中におけるポテンシャル面および極性溶媒中における自由エネルギー面の計算を行った。また、光異性化におけるS_1/S_0-CIXを求めた。その電子状態的特徴はスチルベン、スチレンおよびその誘導体と共通で、ジラジカル状態と電荷移動状態のポテンシャル面の交差領域に相当することが分かった。本研究課題では、光化学反応において数多い報告がありながら未だにその反応の描像が明確でないスチルベンおよびその誘導体(スチルベノイド)の電子励起状態とダイナミックスに関する検討を非経験的分子軌道計算により理論的立場から行った。スチルベノイドくらいの比較的大きな分子になると数原子分子の電子励起状態の定量的議論において用いられるCASSCFやMRMP2法などをそのまま適用することはできない。そのため、CI計算により問題とする電子励起状態を記述するのに必要な分子軌道群を見積もり、その分子軌道群内でCASSCFやMRMP2法を行うというスキームによって現実的な計算規模に減じ、スチルベノイド系分子の電子励起状態の定量的計算を可能とした。以下、具体的に取り扱った分子について述べる。1)スチルベン:トランス、シス体の電子励起状態やその安定構造等について検討した。その計算結果は実験的に報告されている種々の物理量と良好な一致をみた。また、シス-トランス光異性化が起きる円錐交差領域の幾何学構造およびその電子状態についても検討した。それはビラジカルと電荷移動状態の交差領域にあたるもので、実験結果に基づく推定を裏付けるものである。2)スチレン:スチルベンと同様な検討を行い、種々の実験結果に対する合理的な解釈を可能とする結果を得た。また、スチレンくらいの大きさであれば、上記の計算規模に関する縮約スキームを用いない計算も可能であり、両者の結果は本質的に変わらないことが分かった。これは本縮約スキームが実効的であること示すものである。3)4-ジメチルアミノ,4'-シアノスチルベン:気相中におけるポテンシャル面および極性溶媒中における自由エネルギー面の計算を行った。

その計算結果は、種々の実験結果を合理的な説明を可能とするものである。その一例として、極性溶媒中において大きくレッドシフトする蛍光はジメチルアニリノ捩れ型の分子内電荷移動状態によるものであることが分かった。本研究課題では、光化学反応において数多い報告がありながら未だにその反応の描像が明確でないスチルベンおよびその誘導体(スチルベノイド)の電子励起状態とダイナミックスに関する検討を非経験的分子軌道計算により理論的立場から行った。その際、CI法による予備的なポテンシャル面の計算により、電子励起状態の定量的議論において用いられるCASSCFやMRMP2計算を現実的な規模にまで縮減した。以下、本年度、具体的に取り扱ったテーマについて述べる。スチルベンのフランク-コンドン領域の光化学的挙動:電子励起直後のトランススチルベンの光化学的挙動について、この領域のポテンシャル面の解析をした。その結果、光異性化に至るS_3状態への励起直後は、芳香属性が消失した平面キノイド構造への変化が優先することが分かった。スチレンの光化学的挙動:スチレンの光異性化が起き始めるS_2状態からS_2/S_1の円錐交差(CIX)、S_1の遷移状態、S_1/S_0-CIを経て、無輻射緩和する反応に関する大域的ポテンシャル面の計算を行い、多くの実験事実を合理的に説明する新たな描像を提唱した。スチレン誘導体のS_1/S_0-CIX:スチレン誘導体のS_1/S_0-CIXの電子状態的特徴はスチレンと同様であるが、電子吸引性基の場合、その電荷移動状態としての性質がより顕著になることが分かった。4-ジメチルアミノ,4'-シアノスチルベン(DCS)の光化学的挙動:DCSの気相中におけるポテンシャル面および極性溶媒中における自由エネルギー面の計算を行った。また、光異性化におけるS_1/S_0-CIXを求めた。その電子状態的特徴はスチルベン、スチレンおよびその誘導体と共通で、ジラジカル状態と電荷移動状態のポテンシャル面の交差領域に相当することが分かった。
イオン駆動力供給体の電子線とX線による作動機構の解明

高等動物から原核生物に至るまで、生体膜内外のプロトン濃度勾配(プロトン駆動力)は、生命活動を担う重要なエネルギー源になる。このエネルギーを使って、ATP合成、栄養素や合成した蛋白質の輸送、薬剤の取り込みや排出、運動の駆動等が実現される。細菌では、同じファミリーに属する膜蛋白質がいろいろな生命活動にプロトン駆動力を供給しているが、その構造情報は不足していた。本課題では、このうち鉄輸送に関わるExbBD等の電子線及びX線結晶構造解析と電子線単粒子解析を進めている。これにより、いろいろなイオン環境下における構造やコンフォメーションの変化を高い空間分解能で捉える他、イオン通路等の機能部位の荷電状態を精密解析する。以上から、この膜蛋白質ファミリーに共通するイオン駆動力の利用、機能発現に繋がる分子機構の詳細を明らかにすることを目指した。X線結晶構造解析によりExbBの2.8Å分解能での構造決定に成功した。さらに単粒子解析からExbB/ExbD複合体の構造を明らかにし、pHの変化に伴いサブユニットの数が変化し、これがチャネル活性に大きな影響を及ぼすことを明らかにした(Maki-Yonekura et al., eLife, 2018)。これは膜タンパク質がダイナミックに構造を変化させることで活性化する新しい作動機構と考えられる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本課題では、このうちの、鉄輸送に関わるExbBD、べん毛を駆動するPomAB等の電子線及びX線結晶構造解析と電子線単粒子解析を行い、その作動機構の解明を目指している。電子線回折では非常に薄くて小さい結晶が構造解析の対象になり、かつ原子の荷電情報を得られる。この特徴を利用して、ターゲットのチャネル蛋白質の薄い微小結晶とそれと異なるpHで得られる50 - 100μm程度の結晶から、電子線とX線によりその結晶構造を決定、イオン通路等の荷電状態を明らかにする。さらに、単粒子解析により、結晶格子に縛られないいろいろなイオン環境下における構造やコンフォメーションの変化を高い空間分解能で捉える。以上から、この膜蛋白質ファミリーに共通するイオン駆動力の利用、異なる機能発現に繋がる分子機構の詳細を明らかにする。現在、X線結晶構造解析に成功し、さらに、低温電子顕微鏡の単粒子解析からpH変化に伴う大きな構造変化を捉えている(論文審査中)。また、微小結晶からの電子線回折で高分解能の回折点を取得できている他、荷電状態を精密決定する際の基礎となる基礎的な計算を行った(Yonekura & Maki-Yonekura, J. Appl. Cryst., 2016)。大きさ50 - 100μm程度の結晶とそれと異なるpH条件下で非常に薄い微結晶が再現性良く得られており、前者は、SPring-8のビームラインBL41XUにおいて2.8 Å分解能までのデータ測定し、構造を決定できた(論文審査中)。さらに低温電子顕微鏡の単粒子解析により、pHの異なる種々のイオン環境下で、大きく構造が変化することを示す結果を得た(論文審査中)。薄い微小結晶の電子線回折では、2Å分解能より良い回折点が得られている。電子線回折では電荷の荷電情報が得られるが、これまで電荷を含めた電子線の散乱因子を用いた構造解析の例は少なく、その取り扱い法も確立していなかった。そこで、電子線に対する散乱因子を精密に求めるため、非線形の最適化アルゴリズムを取り入れたソフトウェアScatCurveを開発した。これを用いて、さまざまな部分電荷を持つ原子の散乱因子の曲線に対する係数を正確に求めた。次に、荷電アミノ酸であるアルギニン、リジン、ヒスチジン、アスパラギン酸、グルタミン酸の側鎖の酸素原子、水素原子が持つ部分電荷の値を、カタラーゼの三次元結晶の電子線回折データに対して見積もった。回折パターンは、電子顕微鏡の特性周波数関数による改変を受けず、さらに、非弾性散乱した電子を除き弾性散乱した電子から得ているため、正確な部分電荷の推定が可能になると考えられる。与える電荷を少しずつ変えて、回折データに対して原子モデル精密化した結果、酸素原子に-0.3の電荷を与えた時に、Rfreeの値が極小になること分かった(Yonekura & Maki-Yonekura, J. Appl. Cryst., 2016)。以上から、この膜蛋白質ファミリーに共通するイオン駆動力の利用、機能発現に繋がる分子機構の詳細を明らかにすることを目指している。

X線結晶構造解析により、ExbBの2.8Å分解能での構造決定に成功した。さらに単粒子解析からExbB/ExbD複合体の構造を明らかにし、pHの変化に伴いサブユニットの数が変化し、これがチャネル活性に大きな影響を及ぼすことを明らかにした(Maki-Yonekura et al., eLife, 2018)。これは、膜タンパク質がダイナミックに構造を変化させることで活性化する新しい作動機構と考えられる。また、電子線三次元結晶構造解析や単粒子解析による荷電状態の精密解析の基礎データとなるが、これまで参照データが存在しなかった水素、炭素、窒素、リン、硫黄のイオン散乱因子を相対論的量子化学計算により決定した(Yonekura et al., IUCrJ, 2018)。X線結晶構造解析からExbBの6量体のリング状構造を決定し、クライオ電子顕微鏡の単粒子解析からExbDの3量体がExbBの6量体に取り囲まれた状態で存在していることが分かった。単粒子解析ではExbBの5量体とExbDの単量体からなる構造も得られた他、5量体はイオン透過活性が低下する低いpHで多く形成され、逆に、6量体は活性が上昇する高いpHで多くなることが明らかになった。さらに、脂質膜中でタンパク質が並んだ2次元の結晶を作製し画像解析したところ、より生理的な環境に近い状態においても5量体と6量体の両者が含まれることも分かった。また、陽イオン透過を計測するなど種々の解析を行った結果、この二つの構造が相互に変換することが示され、機能発現の際にこの形態変化が実際に起こっていること強く示唆する結果が得られた(Maki-Yonekura et al., eLife, 2018)。活性化状態の構造では、ExbDはExbBの6量体のリング内に非対称に配置し、周りのExbBは隣のサブユニットに対して生体膜に垂直に少しずつずれた、らせん状に配置する。この構造から、水素イオン流が渦を巻くことで回転力が生じ、ExbDの3量体がリング内を回転運動する力学的エネルギーに変換され、化学物質や栄養素の輸送が実現されるという作動機構のモデルを提案した(Maki-Yonekura et al., eLife, 2018)。電荷分布の解析に関しては、水素、炭素、窒素、リン、硫黄のイオン散乱因子を相対論的量子化学計算により決定し、電子線結晶構造解析、クライオ電子顕微鏡の単粒子解析の構造精密化で利用可能なようにモデル化した(Yonekura et al., IUCrJ, 2018)。高等動物から原核生物に至るまで、生体膜内外のプロトン濃度勾配(プロトン駆動力)は、生命活動を担う重要なエネルギー源になる。このエネルギーを使って、ATP合成、栄養素や合成した蛋白質の輸送、薬剤の取り込みや排出、運動の駆動等が実現される。細菌では、同じファミリーに属する膜蛋白質がいろいろな生命活動にプロトン駆動力を供給しているが、その構造情報は不足していた。
リン酸カルシウム系セラミックスの吸収機序に関する実験的研究-多核巨細胞による吸収に関する検索

リン酸カルシウム系セラミックスはその特性から、人工骨や生体材料の担体として応用されている。リン酸カルシウム系セラミックスは生体内において、さまざまな吸収像を示し、その組成、焼結温度、表面性状等により左右される。吸収には多核巨細胞が関与しているといわれているが、詳細は不明である。本研究は、組成の異なる二相系リン酸カルシウム系セラミックス(BCP)を用い、この点を明らかにしようとするものである。使用したセラミックスは、ハイドロキシアパタイト(HAP)、beta-3リン酸カルシム(beta-TCP)、およびHAPとbeta-TCPからなる3種のBCPである。これらをアテロコラーゲンを用いてペレット状とし、ラット頭頂骨の欠損部に埋入した。経時的に屠殺し、通法に従いパラフィン包埋し、HE染色を施し光学顕微鏡で観察したところ、1週から2週にかけて多核巨細胞が数多く認められ、活性が高いことが推察された。またbeta-TCPを多く含む生体内において吸収の速いものほど多核巨細胞が多かった。2週移行は次第にその数が減少する傾向にあった。次にHAP、beta-TCP、BCP1種をそれぞれ埋入したものを埋入後1週、2週で屠殺し、EPONに包埋し標本を作製し、電子顕微鏡で観察した。その結果、現時点では詳細な判明はしていないが、顆粒表面だけではなく、顆粒の内部においても結晶構造の変化が見られ、この部位では多核巨細胞ではなく、他の吸収因子、体液により溶解が行われているものと思われた。今後は、多核巨細胞自体の構造、性状に着目し、材料の違いによる差異を観察する。同時に、酒石酸耐性酸性フォスファターゼ活性を判定し、破骨細胞との類似性、相異性について検索する予定である。
励起子系ボーズ凝縮体の安定化とコヒーレンスの制御

本研究では50年以上前からの懸案であった励起子のボーズアインシュタイン凝縮(BEC)に取り組んでいる。そこで以下の4点において大きな進展があった。まず1点目は、励起子の輻射再結合過程で一般的に無視される光子の運動量が、本研究で到達した100 mK代の極低温領域では重要な寄与となることを理論的に指摘し、発光強度と温度の関係から実験的に検証した点である。本結果は遷移時に要請される運動量保存則より、BECを含む低速な励起子は光子を放出できないことを意味し、発光観測によるBEC直接検出の問題点を明らかにしたこととなる。このことは国際学会(ICSCE7)や日本物理学会などで報告されている。2点目は、共同実験者と共に時間分解発光測定を行うことで、励起子の寿命や拡散係数という基礎的なパラメータを測定した点である。このことは凝縮体の安定的生成を論じる上で重要な情報となる。このことは、国際学会(CLEO,ICSCE7)や日本物理学会などで報告されている。3点目は、励起子の内部状態遷移に伴う誘導吸収を用いた、吸収分光法(Lyman分光法)を導入した点である。誘導吸収に寄与する励起子には制限がないため、凝縮体も吸収に寄与できると期待され、1点目で挙げた問題点を克服できる。また、双極子モーメントの値を用いて吸収量から正確な密度を算出できるのが利点である。しかし吸収される光が中赤外であるため、余計な熱輻射が冷凍機内に流入を防ぐのが課題となる。当研究員は、希釈冷凍機に取り付けられた光アクセス用の窓の帯域、大きさなどを制限し、格子温度120 mKという極低温下でのLyman分光を実現した。このことは、日本物理学会などで報告されている。最後の4点目は発光観測と誘導吸収分光を合わせた系統的解析をもとに、高密度励起子生成時に量子縮退を示唆する現象を観測した点である。このことは日本物理学会などで報告されている。26年度が最終年度であるため、記入しない。
高齢者の転倒予知検査システムの開発

高齢者の転倒に重要な因子と考えられる歩行時の危険予知能力を、事象関連電位および機能的MRIで明らかにするために、昨年に引き続き以下の研究をおこなった。被験者が実際に歩いている感覚を持つような、仮想現実空間を実現した歩行動画ビデオを昨年の段階で完成した(ソフト開発会社との共同作成)。動画ビデオの中には、歩行を妨害する刺激、すなわち突然接近する自動車やボールなどの場面を音と共に挿入した。本年度はこの刺激を用いて事象関連電位P3の測定を行った。まず若年の健常者において基礎的な検討を行った。被験者は動画中の標的刺激(アニメの犬)に対してボタン押しを行い、課題実行中の事象関連電位を測定した。そして妨害刺激に対する事象関連電位も記録し、標的刺激の反応と比較した。脳波は頭皮上16カ所から記録し、事象関連電位の頭皮上の分布も検討した。その結果、標的刺激に対する事象関連電位P3は潜時301ms、振幅13.3μVで頭頂後頭部優位に出現した。一方、妨害刺激に対する事象関連電位P3は潜時320ms、振幅11.4μVで前頭部優位であった。予期しない新奇な刺激に対する生体の反応は、定位反応(orienting response)として知られており、事象関連電位では新奇性関連P3が出現する。今回の妨害刺激に対する事象関連電位P3は、その潜時や電位の頭皮上の分布の検討結果から、新奇性関連P3と同様の反応を見ていると考えられる。その後さらに、歩行障害を呈する種々の神経疾患患者(パーキンソン病、進行性核上性麻痺、多発性脳梗塞等)での測定を行った。実際に歩行は行わないため、事象関連電位の測定は全例で可能であった。その結果、一部の患者で妨害刺激に対する事象関連電位の低下、遅延を認め、本システムによる測定が、歩行時の様々な危険物に対する認知能力の定量的評価に使用できる可能性が示唆された。今後さらに転倒の客観的指標との相関を検討することで、疾患との関連、脳内病変部位との関連、一般認知機能、特に前頭葉機能との関連、さらに歩行障害に対する治療の効果などの検討に応用が可能である。機能的MRIに上る検討も今後の課題であるが、妨害刺激に対する反応の脳内神経ネットワークの詳細が明らかになることが期待される。高齢者の転倒に重要な因子と考えられる歩行時の危険予知能力を、事象関連電位および機能的MRIで明らかにするために以下の研究をおこなった。1)事象関連電位および機能的MRIで使用する刺激用動画の作成。被験者が実際に歩いている感覚を持つような仮想現実空間を実現するため、歩行中の目線を想定して、実際に歩行しながらビデオ撮影を行った。歩行ビデオの作成はソフト開発会社(サンフュージョンシステムズ)と共同して行った。転倒を起こしやすい状況を再現するために、通常の歩道に加えて山道、雪道、屋内などで、実際に歩行しながらビデオ撮影を行い動画刺激を作成した。歩行中の突発的な出来事や障害物に対する注意、判断能力をみるため、ボール、枯れ木、動物、人、車、水たまり、階段などが急に出現する場面を歩行中の動画の中にランダムに挿入した。事象関連電位や機能的MRIでの脳内信号取り込みとの同期を計るため、これらの障害物の出現に同期して電気トリガーを出すように設定した。また歩行中の注意力を統制するために、一つは障害物そのものを数える課題、もう一つは注意分散(divided attention)課題として路面上にランダムに紙幣を呈示し、歩行しながら標的(紙幣)を数える課題を行わせることとした。ソフトはほぼ完成し、今後は脳MRIに異常のないことを確認した健常高齢者と中枢神経疾患を認めない易転倒高齢者において、障害物に対する脳内反応の比較を行う予定である。2)事象関連電位および機能的MRIによる前頭葉機能の計測。前頭葉機能の一つとして行動抑制機能が重要である。事象関連電位では従来から行っているNogo課題によるNogo-N2およびGo-P3の高解像度脳波システムによる測定を、パーキンソン病患者、前頭葉損傷患者等で行い、これらの対象者での抑制機能障害を電気生理学的に明らかにした。機能的MRIによる検討では、習熟行為の抑制に関与する脳内部位として左下前頭回前方部が特に重要な機能を果たしていることを明らかにした。今後、易転倒性の強い前頭葉白質障害を有する高齢者でも前頭葉機能の一つとして検討を予定している。

予期しない新奇な刺激に対する生体の反応は、定位反応(orienting response)として知られており、事象関連電位では新奇性関連P3が出現する。今回の妨害刺激に対する事象関連電位P3は、その潜時や電位の頭皮上の分布の検討結果から、新奇性関連P3と同様の反応を見ていると考えられる。その後さらに、歩行障害を呈する種々の神経疾患患者(パーキンソン病、進行性核上性麻痺、多発性脳梗塞等)での測定を行った。実際に歩行は行わないため、事象関連電位の測定は全例で可能であった。その結果、一部の患者で妨害刺激に対する事象関連電位の低下、遅延を認め、本システムによる測定が、歩行時の様々な危険物に対する認知能力の定量的評価に使用できる可能性が示唆された。今後さらに転倒の客観的指標との相関を検討することで、疾患との関連、脳内病変部位との関連、一般認知機能、特に前頭葉機能との関連、さらに歩行障害に対する治療の効果などの検討に応用が可能である。機能的MRIに上る検討も今後の課題であるが、妨害刺激に対する反応の脳内神経ネットワークの詳細が明らかになることが期待される。
間葉系幹細胞を用いた再生医療技術開発の基礎的研究

内在性または細胞内で発現させたWntタンパク質は既にパルミチル化されていると考えられるので、mRNAを鋳型にした無細胞翻訳系によりWntタンパク質を合成する。翻訳と同時、または後にミクロソーム画分を添加し、Wntタンパク質への^3H-パルミチン酸の取り込みを測定する。現在までに、イヌ膵臓、マウス脳、肝臓、精巣、およびショウジョウバエ胚由来のミクロソーム画分を用いて実験を行なった。パルミチル化され得るWntタンパク質の調製法等について、さらに検討を行なう必要がある。ミツバチの視覚を担う2つの遺伝子の発現が、概日時計、光、加齢という複数の内的及び外的因子によって制御されることを見い出した。したがって、ミツバチの視覚系は、光と加齢に依存して羽化後段階的に成熟し、かつ視覚感受性は1日において変動することが明らかとなった。これらの結果は、ミツバチの1日あるいは一生における視覚の必要性と合致しており、視覚を担う遺伝子の発現が、視覚を必要とする動物行動と密接に関連していることを示唆した。また、我々はミツバチから異なるサブタイプに属する2つの代謝型グルタミン酸受容体(AmGluRAとAmGluRB)を同定した。2つの受容体遺伝子は、働き蜂脳内において同じ部位で強く発現することから、両者の受容体分子の相互作用により、Lグルタミン酸を介する神経伝達が修飾される可能性が示唆された。さらに、DmGluRAとAmGluRAはII型代謝型グルタミン酸受容体をコードするショウジョウバエとミツバチの相同遺伝子であるが、両者の脳内での発現パターンは大きく異なる。したがって、II型代謝型グルタミン酸受容体遺伝子は、分子レベルで同じ機能を持つ受容体をコードするが、その脳内での発現パターンは単独性のショウジョウバエと社会性のミツバチで大きく異なる神経伝達物質受容体遺伝子の代表の1つと考えられる。Wgにおいてパルミチン酸が付加されるアミノ酸残基の同定PorcはWgの83-106番アミノ酸から成るドメインに結合する。ショウジョウバエHedgehogのパルミチル化に働くSkinny hedgehogとの類似性、およびwg変異株の存在から、94番目のシステインがパルミチル化されると予想でき、このシステインをグリシンに置換したWg変異体(C94G)を作製した。野性型とC94G変異型WgをS2細胞で発現させ、^<35>S-メチオニンと^3H-パルミチン酸でラベルし、Wgタンパク質への取り込みを測定した。その結果、C94G変異体は^3H-パルミチン酸によってラベルされず、94番目のシステインがパルミチル化されることが明らかとなった。このシステイン残基はWntファミリーメンバー内で良く保存されているので、この位置におけるパルミチル化の普遍性が推定される。Wntタンパク質の無細胞パルミチル化系の確立生細胞を^3H-パルミチン酸でラベルする方法では、Wntタンパク質への3Hの取り込み効率が極めて低く、Porcの構造と機能の詳細な解析は困難である。そこで、無細胞パルミチル化系の確立を行なっている。現在までに、イヌ膵臓、マウス脳、肝臓、精巣、およびショウジョウバエ胚由来のミクロソーム画分を用いて実験を行なったが成功していない。

パルミチル化され得るWntタンパク質の調製法等について、さらに検討を行なう予定である。ミツバチ働き蜂の分業制のメカニズムを明らかにする目的で、加齢に伴い脳内で発現が変動する遺伝子を、マクロアレイ法によりスクリーニングした。この実験結果から、様々な機能を持つ遺伝子の発現が加齢により変動することを見い出し、加齢と行動変化に伴い脳内でダイナミックな遺伝子発現調節が行われていることを明らかにした。ミツバチの視覚を担う2つの遺伝子(緑色オプシンと視覚アレスチン)の発現が、概日時計、光、加齢という複数の内的及び外的因子によって制御されることを見い出した。したがって、ミツバチの視覚系は、光と加齢に依存して羽化後段階的に成熟し、かつ視覚感受性は1日において変動することが明らかとなった。これらの結果は、ミツバチの1日あるいは一生における視覚の必要性と合致しており、視覚を担う遺伝子の発現が、視覚を必要とする動物行動と密接に関連していることを示唆した。また、我々はミツバチから異なるサブタイプに属する2つの代謝型グルタミン酸受容体(AmGluRAとAmGluRB)を同定した。この受容体は、ジスルフィド結合非依存的に2量体を形成し、グルタミン酸に特異的に結合する活性を持つ。2つの受容体遺伝子は、働き蜂脳内において同じ部位で強く発現することから、両者の受容体分子の相互作用により、L-グルタミン酸を介する神経伝達が修飾される可能性が示唆された。さらに、DmGluRAとAmGluRAはII型代謝型グルタミン酸受容体をコードするショウショウバエとミツバチの相同遺伝子であるが、両者の脳内での発現パターンは大きく異なる。したがって、II型代謝型グルタミン酸受容体遺伝子は、分子レベルで同じ機能を持つ受容体をコードするが、その脳内での発現パターンは単独性のショウジョウバエと社会性のミツバチで大きく異なる神経伝達物質受容体遺伝子の代表の1つと考えられる。
がん増殖・転移抑制食品成分の解析

[研究目的]食生活と癌制圧との関係には,大別して二つの視点,即ち,発癌予防および既製の癌の増殖・転移を阻止する食品の設計ないし食事構成の確立が考えられる.本研究は,後者の視点に立っている.癌細胞は原発巣で増殖し,その一部は原発巣から離脱し脈管系を移動して遠隔臓器に定着,浸潤して転移先臓器で再び増殖するものと考えられる.浸潤は癌転移の過程の中でも最も重要な段階である.腹水肝癌AH109A細胞は培養系および腹腔内,皮下でよく増殖し,転移も起こす.本研究ではAH109Aを用い,既製の癌の増殖・浸潤・転移を阻止し結果として宿主の延命をもたらす食品成分の探索と分離を目的とし,まず一次スクリーニングとしてin vitroの増殖能測定系および浸潤能測定系で各種食品抽出物の癌増殖および癌転移に対する作用を解析する.[方法]1.検体調製:各種食品はよく洗浄して細切し,そのままあるいはリン酸緩衝液中でホモゲナイズ後の遠心上清,または煮出した煎じ液のろ液をとり,pH等を調整してろ過滅菌し供試検体とした.各検体の培地中濃度は0,0.1,0.5,1.0%とした.2.アッセイ系:(1)In vitro増殖能測定系;10%牛血清を含むDM-160培地中でAH109Aを培養後,[^3H]チミジンの取り込みまたはMTTアッセイによって増殖能を測定した.(2)In vitro浸潤能測定系;明渡らの方法に準じ,ラットの腸間膜より中皮細胞を分離・初代培養し,コンフルエントになったところでAH109A細胞を重層して検体とともに培養後,中皮細胞層下に浸潤した細胞数またはコロニー数を計測して浸潤能の指標とした.[結果]増殖も浸潤も抑制する食品として,緑茶,紅茶,ウーロン茶,カラス貝が,増殖を抑制する食品としてニンニクが,浸潤を抑制する食品としてホウレンソウ,ショウガ,ニンジン等が認められた.このように,現在までのところin vitroでの増殖,浸潤ともに抑制する食品として,特にお茶類の作用が強かった.さらに,in vitroスクリーニングを進めつつ,作用の強い食品についてはin vivoでの効果を検討する予定である.[研究目的]食生活と癌制圧との関係には,大別して二つの視点,即ち,発癌予防および既製の癌の増殖・転移を阻止する食品の設計ないし食事構成の確立が考えられる.本研究は,後者の視点に立っている.癌細胞は原発巣で増殖し,その一部は原発巣から離脱し脈管系を移動して遠隔臓器に定着,浸潤して転移先臓器で再び増殖するものと考えられる.浸潤は癌転移の過程の中でも最も重要な段階である.腹水肝癌AH109A細胞は培養系および腹腔内,皮下でよく増殖し,転移も起こす.本研究ではAH109Aを用い,既製の癌の増殖・浸潤・転移を阻止し結果として宿主の延命をもたらす食品成分の探索と分離を目的とし,まず一次スクリーニングとしてin vitroの増殖能測定系および浸潤能測定系で各種食品抽出物の癌増殖および癌転移に対する作用を解析する.[方法]1.検体調製:各種食品はよく洗浄して細切し,そのままあるいはリン酸緩衝液中でホモゲナイズ後の遠心上清,または煮出した煎じ液のろ液をとり,pH等を調整してろ過滅菌し供試検体とした.各検体の培地中濃度は0,0.1,0.5,1.0%とした.2.アッセイ系:(1)In vitro増殖能測定系;10%牛血清を含むDM-160培地中でAH109Aを培養後,[^3H]チミジンの取り込みまたはMTTアッセイによって増殖能を測定した.(2)In vitro浸潤能測定系;明渡らの方法に準じ,ラットの腸間膜より中皮細胞を分離・初代培養し,コンフルエントになったところでAH109A細胞を重層して検体とともに培養後,中皮細胞層下に浸潤した細胞数またはコロニー数を計測して浸潤能の指標とした.[結果]増殖も浸潤も抑制する食品として,緑茶,紅茶,ウーロン茶,カラス貝が,増殖を抑制する食品としてニンニクが,浸潤を抑制する食品としてホウレンソウ,ショウガ,ニンジン等が認められた.このように,現在までのところin vitroでの増殖,浸潤ともに抑制する食品として,特にお茶類の作用が強かった.さらに,in vitroスクリーニングを進めつつ,作用の強い食品についてはin vivoでの効果を検討する予定である.
新規エナンチオ場選択的閉環反応による含窒素複素環骨格の触媒的不斉合成

申請者らのグループで開発したシクロペンタノイド誘導体の触媒的不斉合成法はPdへの酸化的付加時にエナンチオ場を選択するという反応であり更なる展開が可能であると考え、検討を行なった。本反応を含窒素二環性化合物の触媒的不斉合成へと展開すべく、基質1に対しアミド型の求核剤2aを用い検討した。その結果、塩基として水素化ナトリウムを用いた場合は3aが2%ee程度でしか得られないのに対し、LDAを用いた反応においては最高57%eeの選択性で3aが得られた。これらの結果から、求核剤として2aを用いた反応においてはアミド基のNがPdに配位し、4のように配位子の部分乖離を引き起こし選択性の低下を招くと考えられ、これに対し塩基としてLDAを用いた反応ではLiにNがキレーションした5のような形で安定化し反応が進行するため、高い選択性が得られたと考えられる。求核剤として2bを用いても反応は良好に進行し、3bが収率64%、40%eeで得られた。3bは更にPd触媒で閉環させた後、脱炭酸反応により6へと導いた。6は分子内Heck反応によりテトラヒドロインドリノン誘導体7へと交換でき、さらに2工程を経て(+)-gamma-Lycolane8へと導くことができた。これらの結果は、8を光学活性体として合成した初めての例であり、また非常に短工程で高率の良い合成ルートを確立できた点からも興味深い。
合金ナノ粒子に出現する熱力学的に安定なアモルファス相の成因解明

本研究では、合金ナノ粒子に出現する熱力学的に安定なアモルファス相の成因を実験および熱力学計算によって調べた。まずSn-Bi系合金を用いて、表面および界面がナノ粒子の安定性に及ぼす影響を調べた。直径8nmのスズ粒子にビスマス原子を蒸着させると、ビスマス濃度の増加とともに固溶体から直接液相へ変化した。それに対して直径約8nmのビスマス粒子にスズ原子を蒸着させると、固液二相共存状態を経て液相に遷移した。しかし、ビスマス側でも粒子のサイズをさらに小さくすると、固溶体から直接液相へ変化した。これらの実験結果を熱力学的観点から考察した。その結果、表面のみならず界面もまた、合金ナノ粒子の熱力学的安定性を左右する重要な因子であることがわかった。すなわち、結晶異相界面の存在は、液相を安定化することがわかった。次にPb-Sn系合金を用いて、ナノ粒子における固溶体と液相の相対的安定性を検討した。純Pb粒子上へのSnの蒸着によって平均直径約15nmの合金粒子を形成した。それらの粒子の平均組成はPb-56at.%Snであることを確認した。このことから直径約15nmのPb粒子へのSnの固溶度はバルクの5倍以上に増加することが分かった。系のナノサイズ化にともない、こうした高溶質濃度の固溶体とアモルファス相とが相互に安定性を競いながら合金構造を支配してゆくことが分かった。以上より、合金ナノ粒子においては、(1)表面および界面の存在によりバルクの場合に比べて液相が結晶相よりも相対的に安定化される、(2)その結果、合金系によっては、共晶温度がガラス遷移温度以下にまで低下することとなり、この両温度の間の温度範囲にわたっては、熱力学的に安定なアモルファス固相が出現することが分かった。合金ナノ粒子においてはバルクに比べて結晶が不安定となる理由を調べる目的で、合金化にともなう固相→液相遷移を電子顕微鏡によって調べるとともに、得られた結果を熱力学計算と比較した。合金系としてはSn-Bi系を選んだ。試料温度は80°Cとした。直径約8nmのスズ粒子にビスマス原子を蒸着させると、ビスマス濃度の増加とともに固溶体から直接液相へ変化した。これに対して直径約8nmのビスマス粒子にスズ原子を蒸着させると、固液二相共存状態を経て液相に遷移した。まず、表面エネルギーを考慮した自由エネルギーの計算を行なった。次に固/液異相界面エネルギーの寄与も考えた計算を行った。その結果、(1)固/液異相界面エネルギーの寄与ΔXが固液二相共存状態と過飽和固溶体との自由エネルギーの差ΔGより大きい場合には、界面の形成による自由エネルギーの増加が大きいために固/液二相共存領域は現れない、(2)逆にΔXがΔGより小さい場合には、固/液二相共存領域が現れる、ことが予測された。これらの予測は、ここで観察された実験事実とよく一致していた。以上の実験および考察から、固液異相界面は合金ナノ粒子における相安定性の一つの重要な支配因子であることが分かった。これまでに、ナノ粒子の相安定性に対して表面エネルギーが重要な役割を果たすことはすでに明らかにされている。本研究では、異相界面エネルギーがナノ粒子における相平衡を具体的にどのような形でどの程度変化させるかが初めて実験的に明らかにされた。

平成16年度は、アモルファス相と熱力学的に競合する相の一つである固溶体に焦点をあわせて、その熱力学的な安定性を調査した。具体的な実験は、現有の超高真空電子顕微鏡に本研究費で昨年度購入した超高真空電顕用双源蒸着装置付試料加熱・冷却ホルダーをセットしたシステムにて行った。系としてはPb-Sn系を選定した。Pbナノ粒子中へのSnの合金化を110°Cで調べた。あらかじめ形成した純Pb粒子の平均直径は約7nmであり、バルクと同様FCCの結晶構造を有することが確認された。その上にSnを蒸着した。Snの蒸着によって平均直径約15nmの合金粒子が形成された。EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)によりそれらの粒子の平均組成はPb-56at.%Snであることを確認した。電子回折図形からこれらの合金粒子はPbと同じFCCの結晶構造を有していることが確認された。つまり固溶体の形成が確認された。110°CにおけるバルクのPbへのSnの固溶限は10at.%であることから、直径約15nmのPb粒子へのSnの固溶度はバルクの5倍以上に増加することが分かった。また、これを室温まで冷却させるとβ-SnとPbに二相分離し、その後再び110°Cに加熱するとPb固溶体に戻ることが確認された。このように温度に対する可逆的な相変化は合金ナノ粒子における固溶度増大が非平衡状態ではなく平衡状態でおこることを示している。系のナノサイズ化にともない、こうした高溶質濃度の固溶体とアモルファス相とが相互に安定性を競いながら合金構造を支配してゆくことが分かった。
PCRフリーなmiRNAの電気化学的検出法の確立

miRNAに基づくネットワークは分化制御に関わっていることから、miRNAの迅速かつ定量的検出法の開発によって医療分野への貢献が期待される。特に、唾液中や血中に含まれるmiRNAを増幅することなく、直接検出することができれば、初期がんの診断や大規模スクリーニングが可能になると期待される。著者らは、ナフタレンジイミド誘導体はDNA・RNAヘテロ2本鎖にも結合することを明らかにしている。ここでは、これとDNAプローブ電極を組み合わせて、迅速かつ簡便なmiRNA検出を試みた。miRNAは分化制御に関わっていることから、miRNAの迅速な定量的検出が急務となっている。そこで、申請者は発癌機構の解明や、スクリーニングのため、唾液中や血中に含まれるmiRNAを増幅することなく、直接検出することを目指す。DNA-RNA2本鎖に結合する指示薬はほとんど報告されていないが、申請者の開発したナフタレンジイミド誘導体はDNA・RNA2本鎖にも結合することが知られているため、これとDNAプローブ電極を組み合わせて、迅速かつ簡便なmiRNA検出の確立を目指す。本提案では、FNCの合成および検出試薬の決定、電気化学的miRNA検出の条件検討、臨床サンプル中のmiRNAの検出を行い、非増幅検出法の適用性を検証するが、平成26年度はこのうち、指示薬の決定として7種類のFND誘導体とDNA-RNA2本鎖との相互作用解析を行った。FNDをDNA-RNA2本鎖に添加したときの融解温度の算出した。その結果、FND6がDNA-RNA2重らせんを最も安定化することを見いだした。さらに、前立腺ガンのマーカーとして期待されているmiR141の電気化学的検出のための条件検討を行った。サンプルRNAと電極上に固定化されたプローブDNAとのハイブリダイゼーション時間と温度の検討を行い、最適な条件を探索した。また、miR141を検出するためのプローブと相互作用しない配列である、肺がんのマーカーや、がんで相対的に増加するマルチマーカー配列を作用させたところ、ほとんど電流増加が起こらず、前立腺ガンのマーカー特異的に検出できることを確認した。また、FNCについては、H27年度の研究内容であったDNA-FNC誘導体の会合体形成について、H26年度に先行して検討を行い、ある条件下で直線状のDNA状態が形成されることを明らかにした。本提案では、FNCの合成と電気化学的miRNA検出の条件検討、および口腔癌、肺癌、前立腺癌、膀胱癌について、miRNAの検出を行い、非増幅検出法の適用性を検証する。H27年度は肺癌のマーカーであるmiR-205に相補的なDNAを固定化した電極を調整し、RNAオリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーション効率をヘキサアンミンルテニウムによるクロノクーロメトリー測定によって算出したところ、RNA濃度0.002 μM-3.0 μMの範囲でターゲットRNAを検出することが出来た。肺癌のマーカー検出用の電極に対して、前立腺癌マーカーのRNAであるmiR-141を作用させたところ、RNA濃度0.002 μM-3.0 μMの範囲ではほとんどハイブリダイゼーションしないことが明らかとなり、明瞭にターゲットRNAを検出可能であることがわかった。臨床サンプルとして胸水に含まれるmiRNAの測定について、検討したが、胸水のサンプル中にふくまれるmiRNA量が少なく、検出することが出来なかった。そこで、共同研究先に血液サンプルを依頼したところ、3月末に到着したため。そこで、申請者は癌の発がん機構の解明や、スクリーニングのため、唾液中や血中に含まれるmiRNAを増幅することなく、直接検出することを目指した。DNA-RNA2本鎖に結合する指示薬はほとんど報告されていないが、申請者の開発したナフタレンジイミド誘導体はDNA・RNA2本鎖にも結合することが知られており、これとDNAプローブ電極を組み合わせて、迅速かつ簡便なmiRNA検出の確立を目指した本提案では、FNDの合成と電気化学的miRNA検出の条件検討、および口腔癌、肺癌、前立腺癌、膀胱癌について、miRNAの検出を行い、非増幅検出法の適用性を検証する。九州歯科大学、産業医科大学より供与された臨床サンプルについて、口腔癌(唾液)、前立線癌(血液)、腎臓癌(尿)、肺癌(肺洗浄液)のmiRNAの電気化学的検出を行う。最終年度は以下の検討を行った。(1)目的物の選択的検出を達成するために、miRNAファミリーの検出を試みた。前立腺がんのマーカであるmiR141に対して、同じファミリーの200a, 200bをターゲットとした。これらはmiR141と配列が2塩基、4塩基異なる配列を有しているため、それぞれ2塩基、4塩基ミスマッチとなる。測定条件の検討により、miR141を選択的に検出可能な条件を算出した。(2)肺がんのマーカーであるmiR205について、最も配列の近いmiR3130を比較対象として、検討したところ、miR205のみを選択的に検出することに成功した。

(3)肺がんについて、血液サンプルの前処理方法を検討し、これからのmiRNA検出を試みた。miRNAに基づくネットワークは分化制御に関わっていることから、miRNAの迅速かつ定量的検出法の開発によって医療分野への貢献が期待される。特に、唾液中や血中に含まれるmiRNAを増幅することなく、直接検出することができれば、初期がんの診断や大規模スクリーニングが可能になると期待される。著者らは、ナフタレンジイミド誘導体はDNA・RNAヘテロ2本鎖にも結合することを明らかにしている。ここでは、これとDNAプローブ電極を組み合わせて、迅速かつ簡便なmiRNA検出を試みた。FND誘導体でmiRNAの検出を試み、7種類のFNDのうち、RNA検出に適した構造を選別することに成功した。本プロジェクトの最終目的であるPCRフリーなmiRNAの検出については、選別したFNDによってモデル系で達成することが出来た。また、他の配列も検討したところ、ほとんど他の配列では応答せず、目的配列のみ選択的に検出することが出来た。また、FNCについては、H27年度計画をH26年度に検討したが、検討段階でDNAが直鎖状になるというナノ材料分野で有用な知見を発見することが出来た。これまでにクロノクーロメトリーでは、DNAプローブ電極でRNAのハイブリダイゼーション効率が高いことが明らかになった。今後は、血中のmiRNAをターゲットとして、本システムの有用性を評価する。バイオ分析化学FNC誘導体については、バックグラウンド電流を減少させることが出来る可能性があるため、引き続き、検討を行っていく。
焼却灰のセメント原料化へのリサイクル

首都圏や大都市圏では下水道の完備が進み,それにともなって下水汚泥焼却灰の処理問題が起こっている.東京都でも汚泥焼却灰の処理は,新しい用途開発して肥料や固形ブロックなどに利用しようとしているが,いまだそのほとんどは埋め立て処理に頼っている.しかし,その処分場もあと数年でいっぱいになり,きわめて切実な問題になっている.また,下水汚泥焼却灰の利用法については,いろいろと考案されているが,処理量が少なかったり,処理費が高価であったりと現実性のある方法がなかなか見つかっていない.そこで本研究では,ゼロエミッションを意識した処理方法を前提として,下水汚泥焼却灰を安価に大量に処理できるセメント原料化への利用を検討する.一方、ゴミ焼却灰についても下水汚泥焼却灰と同様にその処分問題が起こっている。ゴミ焼却灰は下水汚泥焼却灰とは異なり、重金属成分が含まれているために安易には埋め立て処分できない。そこで有価な重金属成分を資源リサイクルし、最終的に残った処理物をセメント原料に利用する方法を検討するゼロエミッション処理を開発する.(1)汚泥焼却灰からのリン酸成分の溶出、分離・回収する方法の検討汚泥焼却灰中のリン酸基の形態は無機リン酸塩の形で固定されている.このことから,汚泥焼却灰を硫酸溶液で溶出処理することにより,有効的に焼却灰からリン酸成分を溶出させることができ,セメント原料化を可能にした.溶出したリン酸成分を溶媒抽出法によって回収した.有機溶媒層にn-ブタノールを用いた場合にリン酸の抽出に優れた選択性を有することを認めた.また,この選択性は抽出時のpHや有機溶媒相および逆抽出相の相比などにも影響していることを明らかにし,この方法によって溶出したリン酸だけを適当な濃度まで回収,濃縮することができた.(2)重油燃焼灰からのバナジウムおよびニッケル成分の回収重油燃焼灰からバナジウムおよびニッケル成分の有効な浸出条件を見いだし、溶媒抽出法によってニッケル成分の分離回収の条件と、冷却晶析法を用いて高純度のバナジン酸アンモニウムの合成条件を明らかにした.(3)ゴミ焼却飛灰からの銅、亜鉛および鉛成分の除去・回収ゴミ焼却飛灰から銅、亜鉛および鉛成分の除去・回収し、最終的に残った処理物はセメント原料にリサイクルできる方法を開発した首都圏や大都市圏では下水道の完備が進み,それにともなって下水汚泥焼却灰の処理問題が起こっている.東京都でも汚泥焼却灰の処理は,新しい用途開発して肥料や固形ブロックなどに利用しようとしているが,いまだそのほとんどは埋め立て処理に頼っている.しかし,その処分場もあと数年でいっぱいになり,きわめて切実な問題になっている.また,下水汚泥焼却灰の利用法については,いろいろと考案されているが,処理量が少なかったり,処理費が高価であったりと現実性のある方法がなかなか見つかっていない.そこで本研究では,ゼロエミッションを意識した処理方法を前提として,下水汚泥焼却灰を安価に大量に処理できるセメント原料化への利用を検討する.一方、ゴミ焼却灰についても下水汚泥焼却灰と同様にその処分問題が起こっている。そこで有価な重金属成分を資源リサイクルし、最終的に残った処理物をセメント原料に利用する方法を検討するゼロエミッション処理を開発する.(1)汚泥焼却灰からのリン酸成分の溶出、分離・回収する方法の検討汚泥焼却灰中のリン酸基の形態は無機リン酸塩の形で固定されている.このことから,汚泥焼却灰を硫酸溶液で溶出処理することにより,有効的に焼却灰からリン酸成分を溶出させることができ,セメント原料化を可能にした.溶出したリン酸成分を溶媒抽出法によって回収した.有機溶媒層にn-ブタノールを用いた場合にリン酸の抽出に優れた選択性を有することを認めた.また,この選択性は抽出時のpHや有機溶媒相および逆抽出相の相比などにも影響していることを明らかにし,この方法によって溶出したリン酸だけを適当な濃度まで回収,濃縮することができた.(2)重油燃焼灰からのバナジウムおよびニッケル成分の回収重油燃焼灰からバナジウムおよびニッケル成分の有効な浸出条件を見いだし、溶媒抽出法によってニッケル成分の分離回収の条件と、冷却晶析法を用いて高純度のバナジン酸アンモニウムの合成条件を明らかにした.(3)ゴミ焼却飛灰からの銅、亜鉛および鉛成分の除去・回収ゴミ焼却飛灰から銅、亜鉛および鉛成分の除去・回収し、最終的に残った処理物はセメント原料にリサイクルできる方法を開発した首都圏や大都市圏では下水道の完備が進み,それにともなって下水汚泥焼却灰の処理問題が起こっている.東京都でも汚泥焼却灰の処理は,新しい用途開発して肥料や固形ブロックなどに利用しようとしているが,いまだそのほとんどは埋め立て処理に頼っている.しかし,その処分場もあと数年でいっぱいになり,きわめて切実な問題になっている.また,下水汚泥焼却灰の利用法については,いろいろと考案されているが,処理量が少なかったり,処理費が高価であったりと現実性のある方法がなかなか見つかっていない.そこで本研究では,下水汚泥焼却灰を安価に大量に処理できるセメント原料化への応用を検討する.(1)汚泥焼却灰からのリン酸成分の有効な溶出方法の検討

汚泥焼却灰中のリン酸基の形態は処理場によって異なるが,そのほとんどは無機リン酸塩の形で固定されていることがわかった.すなわち,汚泥をカルシウム塩を用いて沈殿させている処理場の場合にはリン酸三カルシウムとして存在する.このことから,汚泥焼却灰を硫酸溶液で溶出処理することにより,有効的に焼却灰からリン酸成分を溶出させることができ,セメント原料化を可能にした.(2)溶出したリン酸分を分離回収する方法の検討溶出したリン酸成分を溶媒抽出法によって回収する基礎研究を行った.溶媒抽出法は溶出したリン酸成分を含んだ溶液と有機溶媒とを接触させ,リン酸成分だけを有機溶媒相に移動させて抽出分離する方法であり,リサイクル性にすぐれているという利点がある.実験の結果,有機溶媒層にn-ブタノールを用いた場合にリン酸の抽出に優れた選択性を有することを認めた.また,この選択性は抽出時のpHや,有機溶媒層および逆抽出層の層比などにも影響していることを明らかにし,この方法によって溶出したリン酸だけを適当な濃度まで回収,濃縮することができた.首都圏や大都市圏では下水道の完備が進み,それにともなって下水汚泥焼却灰の処理問題が起こっている.東京都でも汚泥焼却灰の処理は,新しい用途開発して肥料や固形ブロックなどに利用しようとしているが,いまだそのほとんどは埋め立て処理に頼っている.しかし,その処分場もあと数年でいっぱいになり,きわめて切実な問題になっている.また,下水汚泥焼却灰の利用法については,いろいろと考案されているが,処理量が少なかったり,処理費が高価であったりと現実性のある方法がなかなか見つかっていない.そこで本研究では,下水汚泥焼却灰を安価に大量に処理できるセメント原料化への利用を検討する.一方、ゴミ焼却灰についても下水汚泥焼却灰と同様にその処分問題が起こっている。ゴミ焼却灰は下水汚泥焼却灰とは異なり、重金属成分が含まれているために安易には埋め立て処分できない。そこで有価な重金属成分を資源リサイクルし、最終的に残った処理物をセメント原料に利用する方法を検討する。(1)汚泥焼却灰からのリン酸成分の溶出、分離・回収する方法の検討汚泥焼却灰中のリン酸基の形態は無機リン酸塩の形で固定されている.このことから,汚泥焼却灰を硫酸溶液で溶出処理することにより,有効的に焼却灰からリン酸成分を溶出させることができ,セメント原料化を可能にした.溶出したリン酸成分を溶媒抽出法によって回収した.有機溶媒層にn-ブタノールを用いた場合にリン酸の抽出に優れた選択性を有することを認めた.また,この選択性は抽出時のpHや有機溶媒相および逆抽出相の相比などにも影響していることを明らかにし,この方法によって溶出したリン酸だけを適当な濃度まで回収,濃縮することができた.(2)重油燃焼灰からのバナジウムおよびニッケル成分の回収重油燃焼灰からバナジウムおよびニッケル成分の有効な浸出条件を見いだし、溶媒抽出法によってニッケル成分の分離回収の条件と、冷却晶析法を用いて高純度のバナジン酸アンモニウムの合成条件を明らかにした。(3)ゴミ焼却飛灰からの銅、亜鉛および鉛成分の除去・回収ゴミ焼却飛灰から銅、亜鉛および鉛成分の除去・回収し、最終的に残った処理物はセメント原料にリサイクルできる方法を開発した。首都圏や大都市圏では下水道の完備が進み,それにともなって下水汚泥焼却灰の処理問題が起こっている.
気中放射性エアロゾルの呼吸器官への沈着量と肺線量の推定

これまで開発を進めてきたスクリーン型拡散法は大気中のラドン娘核種からなる粒子の粒径分布測定に使用しうることが実証されたが、今年度は、放射性粒子通過応答曲線のフィッテング方法、およびこれから粒径分布を求める手法とプログラムの改良を行い、さらに精度の向上をはかった。ついで、昨年度と同様、一般の住環境での測定を実施し、データの蓄積をはかった。得られた粒径分布の結果は、対数正規分布に近い分布が多く、粒径のピーク値は0.070.24μm、幾何標準偏差は1.83.8と概ねこれまでのデータと同様であった。以上のデータを基に、ヒトの呼吸器官へのラドン娘核種の沈着量の計算を行った。肺の構造モデルに用いたのはYeh and Shamのモデルで、単分散粒子の沈着量の評価を行っているTakahashi and Kawamuraの結果を参考とした。フリー原子は上部呼吸器にすべて吸入の段階で沈着してしまうこと、付着原子は肺の奥の方での沈着が多いものの、付着原子の2/3程度は再び呼気として排出されること、またフリー原子の存在比率によって沈着量全体はかなり変動することがわかった。さらに、使用する肺の構造モデルにも大きく依存することがわかり、今後の検討課題として残された。今年度備品として購入したPC9801VXパソコンは、上述のデータ処理および粒子沈着計算に使用した。