hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多様な環境に適応した隠消現実感の実現に関する研究

本研究課題では、現実物体を映像中からリアルタイムで視覚的に除去する、多様な環境に適応した隠消現実感の実現手法の開発を行った。具体的には、背景形状が平面でない、背景の材質に光沢がある、対象物体が背景から距離がありカメラの移動によって背景が観測できる場合などの環境を想定した手法の開発を行うとともに、隠消現実感の結果に大きく影響を与える静止画に対する画像修復技術の基礎的検証および、隠消現実感のテクスチャの光学的補正に関連する基盤技術の開発を行った。多様な環境に適応した隠消現実感を実現するため、平成27年度は以下の4項目に取り組んだ。1.背景画像の更新:除去対象物体の実際の背景がカメラの移動により観測された場合に、画像修復により得られた背景画像を実際の背景に置き換えることで、背景画像の違和感の低減、隠消現実感の処理の高速化を実現する手法を開発した。2.背景画像の幾何学的な補正:背景画像を除去対象物体周辺のテクスチャの動きに応じてリアルタイムに変形し、対象物体上に重畳することで、背景形状が未知でかつ平面でない環境に対応した隠消現実感実現手法を開発した。3.鏡面反射の再現:様々な視点から除去対象物およびその周辺を写した画像群から照明位置および強度を推定し、それを除去対象物体上に重畳する背景画像に反映させることで、鏡面反射が存在する環境においても高品質な背景画像を提示できる隠消現実感実現手法を開発した。4.背景推定画像の高品質化:機械学習により画像修復により得られた背景画像中の推定誤り領域を自動的に検出し、その領域に対して反復的に画像修復を適用することで、背景画像の品質を向上させる手法を開発した。また、入力画像に対し自動的な透視投影歪み手法を適用することで得られる透視投影歪みが除去された画像に画像修復を適用することで、背景画像の品質を向上させる手法も開発した。以上の通り、研究が着実に進捗し、その成果発表を行っていることから、おおむね順調に進展していると考える。多様な環境に適応した隠消現実感を実現するため、平成28年度は以下の4項目に取り組んだ。1.背景画像の幾何学的な補正:昨年度に引き続き、背景画像を除去対象物体周辺のテクスチャの動きに応じてリアルタイムに変形し、変形した背景画像を対象物体上に重畳することで、背景形状が未知でかつ平面でない環境に対応した隠消現実感実現手法を開発した。今年度は、より多様な環境への適応度を向上させるため、テクスチャの動きを計測する特徴点抽出およびパラメータ設定の方法の見直しを行った。また、評価のために屋内および屋外の新たな環境で実験を行い、提案手法の有効性および限界を示した。2.鏡面反射の再現:昨年度に引き続き、様々な視点から除去対象物およびその周辺を写した画像群から照明位置および強度を推定し、それを除去対象物体上に重畳する背景画像に反映させることで、鏡面反射が存在する環境においても高品質な背景画像を提示できる隠消現実感実現手法を開発した。今年度は、実装方法を見直すことで、処理速度を向上させ、実用に耐えうる処理速度を実現した。また、定性的かつ定量的な評価を行うことで、提案手法の有効性および限界を示した。3.除去対象物体背景の形状修復:除去対象物体の背景の任意の視点から見えを再現するためには、背景の詳細な形状が必要である。このため、除去対象物体の周辺の形状を事例として用い、周辺と調和する除去対象の背景の形状を修復する手法の開発に取り組んだ。4.テクスチャ修復:テクスチャ修復の一環として、事例に基づく画風変換手法を開発した。上記の研究実績の概要の各項目のうち、1.に関する論文が論文誌IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphicsに採択され、また昨年度に当該内容を複合現実感研究委員会で発表した論文に関しても平成27年度SIG-MR賞を受賞した。2.に関する論文が日本バーチャルリアリティ学会論文誌に採択された。3.に関しては、現在手法の開発に取り組み、成果を出しつつあり、今後、国際会議・論文誌に投稿予定である。4.に関する論文が論文誌Journal of Information Processingに採択された。以上より、研究が着実に進捗し、その成果発表を行っていることから、おおむね順調に進展していると考える。多様な環境に適応した隠消現実感を実現するため、平成29年度は以下の3項目に取り組んだ。1.背景画像の幾何学的な補正:昨年度に引き続き、背景画像を除去対象物体周辺のテクスチャの動きに応じてリアルタイムに変形し、変形した背景画像を対象物体上に重畳することで、背景形状が未知でかつ平面でない環境に対応した隠消現実感実現手法を開発し、その成果を国際論文誌で発表した。2.除去対象物体背景の形状修復:除去対象物体の背景の任意の視点から見えを再現するためには、背景の詳細な形状が必要である。具体的には、Microsoft Kinect等で計測し取得した形状の一表現方法である奥行き画像では、計測地点によって奥行き値が変化するため、従来の画像修復手法をそのまま奥行き画像に適用しても良好な結果を得ることが難しいことに着目し、奥行きの差を補償した事例に基づく奥行き画像修復手法を開発した。3.テクスチャと形状の同時修復:対象物体の背景画像と背景形状を同時に修復する手法を開発した。これまでの画像の類似度に加えて、法線を用いた形状の類似度も考慮したエネルギー関数を最小化することで、尤もらしい背景画像および形状を生成した。

これにより、これまでの背景形状に関する制約を緩和し、多様な環境において隠消現実感を実現できるようになった。本研究課題では、現実物体を映像中からリアルタイムで視覚的に除去する、多様な環境に適応した隠消現実感の実現手法の開発を行った。具体的には、背景形状が平面でない、背景の材質に光沢がある、対象物体が背景から距離がありカメラの移動によって背景が観測できる場合などの環境を想定した手法の開発を行うとともに、隠消現実感の結果に大きく影響を与える静止画に対する画像修復技術の基礎的検証および、隠消現実感のテクスチャの光学的補正に関連する基盤技術の開発を行った。今後は、これまでに行った研究の国際会議や論文誌での成果発表および、研究実施計画における項目(a)のテクスチャと三次元形状の同時欠損修復手法の開発、項目(d)の被験者実験による提案手法の有効性の検証・評価、に取り組む予定である。具体的には、項目(a)に関しては、より複雑な環境において隠消現実感が実現できるよう、除去対象物体の背景画像および三次元形状を同時に推定する。これにより、自由なカメラ移動に対しても、視点に応じた背景画像をレンダリングし、違和感のない背景画像を提示することが可能となる。項目(d)に関しては、本研究課題において、対象領域の真の背景を再現するのは本質的に不可能であるため、定量的に評価することは難しい。このため、本研究では複数の被験者に従来手法と提案手法による結果を主観的に評価してもらい、違和感を判定してもらうことで手法の有効性を検証する。今後は、上記の研究実績の概要の項目3で述べた、除去対象物体の背景形状の違和感のない修復手法の開発を行うとともに、それを応用したテクスチャと形状の同時修復手法の開発に取り組み、提案手法を定性的、定量的に評価する予定である。また、その成果を国内、国際会議および論文誌に投稿する予定である。画像・映像処理、複合現実感研究成果の発表を行った国際会議が国内で開催されたため、当初の予定より旅費がかからなかった。また今年度の研究成果を次年度に国際会議および論文誌で発表するにあたって、当初の予定より費用が大きくなりそうであるため、当該年度での経費の利用を控えた。これらにより、次年度使用額が生じた。研究成果を投稿した論文誌の掲載料が無料であったため、当初の予定より経費がかからなかった。また、今年度の研究成果を次年度に国際会議および論文誌で発表するにあたって、当初の予定より費用が大きくなりそうであるため、当該年度での経費の利用を控えた。次年度の当初の予定よりも多い旅費および学会参加費を計上する予定である。また、当初予定していた通り、計算機の消耗品、論文誌の投稿料等を計上する予定である。成果発表のため当初の予定よりも多い旅費、学会参加費を計上する予定である。また、当初予定していた通りの、計算機の消耗品、論文の投稿料にも使用する予定である。
飼料の硬度がラット顎骨の成長発育におよぼす影響に関する実験的研究

4週齢のウイスター系ラット30匹を、3群すなわちA群(普通飼料、船橋農場製)、B群(普通飼料の2分の1の硬度の飼料)、C群(普通飼料の1.5倍の硬度の飼料)に分け、それぞれの飼料を自由に摂取させ、6ケ月飼育し、以下の結論を得た。(1)顎の変位ならびに咬合状態実験全期間を通じて、顎の変位および異常咬耗の出現は認められなかった。(2)軟X線的観察顎骨の成長に関しては、実験開始より4週目まででは、C群において有意差が認められたが、6ケ月目ではほぼ同程度の成長発育を示した。下顎関節突起部の形態に関しては注意差は認められなかった。(3)血清学的検査所見実験開始後4ならびに8週目では、BGP値においては、A、C群に有意に高値を呈した。PTH値ではC群が有意に高値を呈した。ALP値では各群間には有意差は認められなかった。12週目では、BGP値、PTH値においてA群が有意に高値を示した。ALP値についてはB群が有意に高値を呈した。16週以後は各群間に有意差は認められなかった。(4)組織学的観察実験開始4週目では、C群がB群に比べ関節軟骨表層部の肥厚が認められた。実験開始8週目以後、顕著な差は認められなかった。4週齢Kb1のウイスター系ラット30匹を3群に分け、それぞれ普通飼料(船橋農場製)(実験対象):A群、普通飼料の硬度の2分の1の飼料:B群、普通飼料の1.5倍の硬度の飼料:C群を自由に摂取させ6か月間飼育を行ない、以下の2項目について観察を行なった。なお、予備実験として行なった大腿骨には飼料の差による成長に対する影響は認められなかった。1.私達が開発したラット用頭部X線規格写真撮影装置を用いて、実験開始時より1か月毎に6か月まで個々のラットにつき経時的に軟X線撮影を行ない、個々のラットの顎骨の成長過程につき、座標分析を行い、飼料の硬度による成長過程の比較検討を行なった。2.これら経時的な観察を行なった30匹のラットにつき6か月目における軟X線撮影の後、屠殺、断頭、頭蓋骨標本を作成し、その標本上にて計測点を設定し、計測を行なった。〔結果〕1.顎骨の発育に関し、A群に比べ、B群およびC群では飼料の硬度による影響が認められたが、全例に認められたわけではなく、対象群と何ら変化が認められないラットもあり、個体差が伺えた。2.C群に下顎頭頭頂上の扁平化傾向が認められた。(さらに詳細については現在分析中である)4週齢Kblのウイスター系ラット30匹を3群に分け、それぞれ普通飼料(船橋農場製)(実験対象)〔A群〕、普通飼料の2分の1の硬度の飼料〔B群〕、普通飼料の1.5倍の硬度の飼料〔C群〕をそれぞれ自由に摂取させ、6ケ月間飼育し、以下の2項目につき観察を行なった。1.個々のラットにつき軟X線撮影による観察を行なうとともに、組織標本を作成し、下顎関節突起部の観察を行なった。2.飼料の硬度が骨代謝回転への影響を観察するため、BGP値、高感度PTH値ならびにALP値についての検討を行なった。観察は実験開始8週目、12週目、16週目に行なった。結果:1.軟X線的観察について:顎骨の発育に関し、A群に比べ、B群、C群で影響が認められたが、飼料による影響か、固体差によるものか定かでない。(現在詳細な座標分析中である。)組織学的観察について:関節部ではC群では下顎頭頭頂部の扁平化傾向が認められる。さらに軟骨層における軟骨細胞の配列の乱れが認められた。なお、A群およびB群ではほぼ正常所見を呈していた。2.BGP値およびPTH値について:実験8週および12週目ではC群がA群より有意に高く、16週目では各群間での有意差は認められなかった。ALP値について:各群間に有意差は認められなかった。これらの結果より、飼料の硬度差が骨代謝回転、特に成長活発な磁時期に影響を及ぼすものと思われる。3.全実験結果につき総合的にまとめ、結論につき検討中である。

(4)組織学的観察実験開始4週目では、C群がB群に比べ関節軟骨表層部の肥厚が認められた。実験開始8週目以後、顕著な差は認められなかった。
スマートフォンによる保護観察対象者に対するアフターケア体制の確立について研究

出所した受刑者の社会復帰を促進するためのアフターケアの在り方は、刑事政策の重要な課題となっている。本研究では、保護観察対象者にスマートフォンを所持させて、発信する信号により電子的に監視するシステムを整備するとともに、保護司とのコミュニケーションの質の向上を図り、対象者の再犯の防止、円滑な社会復帰の促進というアフターケアを充実させることについて検討した。そしてスマートフォンをこのような刑事政策実現のツールとして利用することは今後、真剣に検討されるべきであるとの結論を得た。今年度は研究の初年度であるので、本研究テーマの概観、導入に重点を置いて、探索的研究スタイルを採り、広く知見を得た。(1)ドイツ、スイス、オーストリアにおける実情資料によりドイツ、スイス、オーストリアにおけるGPSによる位置情報管理の実施状況を検討した。ドイツにおいては、バイエルン州、バーデンヴュルテンベルク州、ヘッセン州において実施済み、オーストリアにおいては全土において実施済み、スイスでは新刑事訴訟法により実施済みである。(2)島根あさひ社会復帰促進センターでの調査島根あさひ社会復帰促進センターにおいて収容者の衣服に電子タグを着用させ、信号で居場所を確認するという管理方法が実施されており、この見返りに受刑者にかなりの移動の自由を認められ、収容者の自主性の促進に効果を上げている。この実際の運用を実地調査した。問題点として、個々の被収容者の位置を点として認識しているのではなく、各ブロックにおいて把握しているにすぎないということ、エラーがかなり出ること、とくに屋外作業においてはこれが著しいこと、被収容者によるいたずらが多いこと、が分かった。(3)インタビュー調査琉球大学の矢野教授に北欧諸国におけるGPSによる位置情報管理の実施状況について知見を得た。(4)研究報告本研究テーマとに関連する研究報告を2回行った。「刑罰論の展開」(2013年10月5日犯罪社会学会テーマセッション「社会における刑務所の意義とは」での報告者(北海学園大学)日本犯罪社会学会『第40回大会報告要旨集』48-50頁)と「ドイツにおける女子刑務所のあり方-とくにバイエルン州での現状」(2013年12月1日「女子刑務所のありかたを考える国際セミナー」(立正大学))である。本研究では、保護観察対象者にスマートフォンを所持させて、発信する信号により電子的に監視するシステムを整備するとともに、保護司とのコミュニケーションの質の向上を図り、対象者の再犯の防止、円滑な社会復帰の促進というアフターケアを充実することに伴う法的な問題について検討した。1社会復帰促進センターにおける電子タグによる被収容者の位置情報の把握島根あさひ社会復帰促進センターにおいては、被収容者の衣服に電子タグを着用させ、信号で居場所を確認するという管理方法が実施されており、この見返りに受刑者にかなりの移動の自由を認められ、収容者の自主性の促進に効果を上げていた。美祢社会復帰促進センターについても同様である。2国内研究者へのインタビュー調査と意見交換刑事政策研究者に聞き取り調査および意見を求めた。更生保護法の遵守義務の限界、刑罰論との関係、社会復帰促進の理念と自由の拘束の在り方について有益な示唆を得た。3外国研究者へのインタビュー調査と意見交換ドイツとフィンランドの研究者を訪問し、電子監視の実施情報について、およびそれに伴う法的な問題点の議論状況、さらに今後の展望についての貴重な意見を得た。両国においては、我が国と異なり、保安処分制度が法的に導入されており、電子監視の実施のための基盤が確立していることが着目された。4スマートフォンの技術に関する調査アップル社のiPhoneについて、本人確認の技術を実験し、コミュニケーションの手段としてのスマートフォンの有用性を実証できた。日本犯罪社会学会「ドイツの状況:ドイツ連邦共和国における刑事施設内の母子施設」では、本件挑戦的萌芽研究と密接に関連する部分も扱っているため、科研費基盤研究A「犯罪者を親にもつ子どもへの支援に関する総合的研究」(代表:矢野恵美)と並んで、研究成果として記載した。刑事法学本研究は、GPS位置情報を用いた対象者の位置情報の特定に伴う法的な問題を検討するものであり、(1)海外での実施状況の検証、(2)国内での実施状況の検証、(3)技術的問題の分析、(4)その他に分類される。(1)海外での実施状況の検証については、予算の関係上、2年目に集中的に行うものである。本年度については資料により問題点の抽出に集中し、2年目の実地視察時ために問題点を精錬し、おおむね順調に進展している。(2)国内での実施状況の検証については、当初の計画とは実施予定が前後したものの、電子タグを用いた刑事施設の視察を実施し、おおむね順調に進展している。(3)技術的問題の分析については、専ら2年目に先送りされており、遅れていると評価せざるを得ない。(4)その他については、関連するテーマの研究報告が2回行われており、おおむね順調に進展している。初年度を終えて、研究計画はやや遅れているが、本年度は海外視察、国内視察、技術関係者のインタビュー調査を実施する予定である。

(1)海外視察GPSによる対象者の位置情報管理の実施状況をドイツとフィンランドについて実地調査する。視察に関しては現地研究者に連絡を取っており、現在は訪問時期の確定を待っている。(2)国内視察当初の予定では初年度に視察予定であった山口県美祢市にある美祢社会復帰促進センターを訪問し、電子タグの実施状況を視察し、初年度に視察した島根あさひ社会復帰促進センターとの比較を行う。(3)携帯電話会社の技術部にインタビュー調査を行う。(4)今年度も関連するテーマでの報告を行う。予定では2年で2回海外視察を行うことになっていたが、これをまとめることで、効率的に視察するようしするため、海外視察の実施を2年目に繰越しした。また、そのための準備費用として、物品費も一部繰越している。さらに、人件費・謝金については演者の予定が合わず、繰り越した。繰り越した66,0140円の旅費については次年度に海外旅費として使用する予定である。物品費については、図書購入のため、納品にタイムラグが生じたため、年度内の予算執行ができなかったものであり、次年度中に予算執行できるものである。人件費・謝金については次年度に予算執行する。
鉄－細菌結合を用いた磁場による放射性物質除染プロセスの可能性探索

材料表面にバクテリアの作用により形成されるバイオフィルム水を大量に含むため、水溶液中に存在する元素はバイオフィルム中に取り込まれる可能性が大変高い。また形成されるEPSや膜の存在により、バイオフィルム中にて濃化する可能性が強い。そこで浄水中に混入させたストロンチウム、セシウムその他の金属をLBR中に循環させ、雑菌と混ぜ合わせることにより、系中の諸金属のバイオフィルム中への分離能力状況を観察した。その結果、ストロンチウム、セシウムなどはバイオフィルム中に分離されたが、濃縮は確認されなかった。濃縮には更なる工夫が必要である。一方亜鉛、鉄、シリコン、カルシウムの濃縮は認められた。放射性物質の浄化を目的として、環境負荷のかからないバイオフィルムによる分離濃縮の可能性について検討した。本プロジェクトでは、実験室的バイオフィルム反応容器(LBR)を開発した。これは底部に水槽を、上部に透明カラムを配し、これらを塩化ビニール製のパイプで連結して回路を構成する構造になっている。これによって大気中の雑菌を用いて加速的にバイオフィルムを実験室中において形成させ、その中にいくつかの金属を濃縮させることが期待された。ポンプで水槽から浄水をくみ上げ、カラム中に流し、カラムから水槽へと戻すサイクルを数日繰り返した。カラムから水槽へと流れる浄水は、一度パイプから出て中間板に落下し、ここで側面に配置したファンから吹き付けられる実験室雰囲気と混ざり合い、水槽に落下し、これを繰り返すことによって雑菌が浄水中に混入し、LBR中のカラム内に設置された試験片上でのバイオフィルム形成が促進された。実験終了後試料を取り出し、低真空SEM-EDXでバイオフィルム形成状況、元素分析を行った。あわせて3D可視化が可能な光学顕微鏡も用いて確認作業を行った。これにより、多くの金属元素とストロンチウム、セシウムのバイオフィルム中への濃縮挙動を観察した。水中(水溶液中)の含有金属成分(半金属も含む)はすべてバイオフィルム中に移行した。この点から、バイオフィルム中への分離は基本的に可能であることがわかった。これはすべての金属について成立すると言える。一方濃縮に関しては、著しく濃縮することが認められたものは、シリコン、カルシウム、鉄、亜鉛、クロムである。一方本プロジェクトのテーマとして取り上げられたストロンチウム、セシウムに関しては、著しい濃縮は認められず、確証が得られなかった。従って、現段階では、分離は可能であるが濃縮は認められないというのが結論である。この点については今後の検討が必要と考える。バイオフィルムは細菌の作用によって材料と水環境との界面において形成される。材料の劣化につながることが多い。しかし産業的な観点からは、これを積極的に利用した工業プロセス、材料創製が望ましい。環境修復技術もその一つであり、バイオフィルムを利用した分離濃縮技術が可能となれば、新しいリサイクル技術の可能性が開かれることが期待される。本年度は、大気中の雑菌を用いて加速的にバイオフィルムを実験室中において形成させ、その中にいくつかの金属を濃縮させる可能性を検討した。底部に水槽を、上部に透明カラムを配し、これらを塩化ビニール製のパイプで連結した循環水系を構成した。カラム中には支柱を挿入しこれを用いてガラスの板状試験片(10×20mm)を固定した。用いた装置は基本的に図に示す構成をしているが、そのサイズはタンク容量約20Lの大型装置と約2Lの小型装置の二種類からなる装置を用いている。カラムから水槽へと流れる浄水は、一度パイプから出て中間板に落下し、ここで側面に配置したファンから吹き付けられる実験室雰囲気と混ざり合い、水槽に落下し、これを繰り返すことによって雑菌が浄水中に混入し、ガラス試験片上でのバイオフィルム形成を促進した。元素分析は1000倍、10000倍の倍率で面分析を数点行ってその平均値を取り、ストロンチウムのバイオフィルム中への濃縮挙動を観察した。一日経過したあたりから、わずかずつSEMで観察した際に暗部のネットワークがみとめられ、これが暴露時間の経過とともに拡大するのが観察された。東北大震災によって原子力発電所から放射能漏れの問題が浮き彫りとなった。放射性元素の除染の問題は、現在日本が抱える重要な問題であるとともに、これからのエネルギー社会にとっても解決しなければならない問題である。

本研究は放射性物質の除染を想定して、ストロンチウムとセシウムについて、シリカと結合させてバイオフィルム中に濃縮・固化させることができる知見をもとに、鉄粉と上記化学物質を含む細菌含有水溶液の懸濁液中に磁場を適用し、鉄ータンパク質の結合を使って、鉄粉の動きを制御して細菌の運動を制御し、形成されるバイオフィルムの形態を制御して、その中にシリカを濃縮させ、上記化学物質の水溶液からの分離による除染の可能性を検討するのが本研究の最終目標である。本目的を達成するために、浄水を電磁ポンプにより循環させ、大気中の雑菌を系中に混入させ、この雑菌の作用によって、系中に別途も受けられたカラム中に設置された試料表面にバイオフィルムを形成させる装置を開発し、再現性などを確認した。この装置により、バイオフィルムを研究室雰囲気中に含まれている雑菌より再現性よく形成させる装置を反応容器として確立した。次にガラス基材上にバイオフィルムを同反応容器を用いて再現性よく形成させ、そのバイオフィルム中への元素の濃縮を主として低真空SEM-EDXにより観察した。その結果、浄水中に微量成分としての鉄、亜鉛が金属元素として濃縮し、また水中に含まれるシリコン成分、カルシウム成分が濃縮することがわかった。シリコンについては、ストロンチウムを担持することができる可能性があるために、そのあとに続く主目的であるところの、ストロンチウムなどの分離濃縮に期待できる。ストロンチウムにまず着目し、塩化物の形で、系内にppmオーダー混入させ、バイオフィルム中への濃縮を調べ、同元素が数パーセントのオーダーで濃縮することが確かめられた。最終的にストロンチウム、セシウムをバイオフィルム中に分離濃縮することが本研究の目標である。分離濃縮のための装置の開発は終了し、バイオフィルム形成は確認できた。また形成されたバイオフィルム中へのストロンチウムの濃縮も一応確認できている。今後は次の諸点について検討する予定である。装置の改良について:バイオフィルムの成長をより加速させるために、現在いくつかの改良案をたてている。現在の装置は冷却水系におけるパイプ内壁のバイオフィルムースケールにヒントを得て作製したものであるが、もっと簡易的で再現性よく短期間にバイオフィルムを人工的に形成させることができないかと考え新しいタイプの反応容器を作製中である。これに関しては、現在の装置系に対して基材に電気化学的信号を送ることができる装置の改良も視野に入れている。また当初計画通り磁場をかけることができる構成を検討する。これらの検討はすべて、バイオフィルムをより速く、また厚く材料表面に形成させるための方策である、その結果ストロンチウム濃縮の度合いを上げたいと考えている。ストロンチウムだけでなく、セシウム濃縮の可能性を検討する。これら濃縮可能な元素についてのメカニズムを検討する。当初予想しているシリコン化合物により担持されているか、あるいはEPS(細胞外重合物質)と金属元素が結合しているのかを明らかにすることは大きな意義があり、またよりいっそう大きな波及効果が期待できる。現在検討している濃縮のめどがついた段階で、分離プロセスの検討とその可能性の提案を行いたい。本年度購入予定の物品は、(1)装置の改良に関する消耗品、(2)薬品類、(3)分析関連の諸経費に集約できる。また旅費としては、成果発表のための国内移動費、国際会議出席のための海外渡航費滞在費を計画している。
シグナル伝達系におけるゆらぎの生成と伝搬の少数性生物学

本研究では、シグナル伝達系におけるノイズの生成・伝搬の解明を目指して、以下の2課題を並行して進めた。1.適応現象のノイズと応答の関係に取り組んだ。適応は、環境の刺激に応答を示した後に、元の状態に戻ろうとする現象で、大腸菌の走化性や酵母の浸透圧応答などに見られる。完全な適応は、incoherent feedforward loop (iFFL)とnegative feedback loop (nFBL)の2種類のネットワーク回路によって実現されうることが知られている。数理モデルにおいて、これらの回路に刺激を与え、それに対する応答と適応に内在するノイズを定量した。理論的および数値的な解析から、次のことが分かった。a) iFFLとnFBLの両方について、また適応が完全な場合と不完全な場合のいずれでも、応答の大きさは内在ノイズの大きさに制限される。b)多くのパラメータ条件に対して、nFBLの方が一般に大きな応答を示す。一方、完全な適応を実現する上では、iFFLの方がよりロバストである。c)適応に内在するノイズ(intrinsic noise)に比べて、環境刺激に含まれるノイズ(extrinsic noise)の影響は小さい。今回得た結果は、適応現象を示す実際の細胞のシグナル回路にiFFLよりもnFBLが多いことの1つの説明になるかもしれない。2.細胞性粘菌を用いて、走化性に重要な役割を果たすイノシトールリン脂質シグナルのノイズの可視化に取り組んだ。このために、2重レポータイメージングという新しいノイズの可視化手法を開発した。これをPTENの反応にともなうintrinsic noiseと、PTENの上流のシグナルで生成し伝搬するノイズ(extrinsic noise)を精密に分けて定量することができた。現在さらにその動態の解析を進めている。2重レポータイメージングは、PTEN以外にも様々なシグナル伝達に応用可能なノイズ可視化手法であると考えられ、今後の発展が期待される。27年度が最終年度であるため、記入しない。細胞の走化性シグナル伝達系は、外部の誘引物質のきわめてゆるやかな濃度勾配を検出し、適切に応答することができる。細胞が微弱でノイズに満ちたシグナルからどのように適切に情報を取り出せるかは生物学が取り組むべき大きな課題である。本研究では、走化性情報処理の鍵となるイノシトールリン脂質反応において生成されるノイズと、その上流から伝搬してきたノイズを解析した。このため2重レポータ・イメージングを用いた新しいノイズ計測法の確立を目指す。また反応におけるシグナルとノイズの関係を示す式として以前に提案したgain-fluctuation relationを拡張して、適応反応のようなより複雑な反応や、その時間空間的なふるまいを記述できる理論を構築する。これにより走化性シグナル伝達系がノイズにどのように対処し、また利用しているのかを明らかにするとともに、他のシグナル伝達系にもあてはまる、確率的な情報処理システムの動作原理の解明を目指している。理論面では、適応現象のノイズと応答の関係に取り組んだ。完全な適応は、incoherent feedforward loop (iFFL)とnegative feedback loop (nFBL)の2種類のネットワーク回路によって実現されうる。今回、これらの回路に刺激を与え、それに対する応答と適応に内在するノイズをの関係を調べた。理論的および数値的な解析から、次のことが明らかになった。理論的アプローチにおいては、当初の予定通り、応答適応反応を示す、incoherent feedforward loop (iFFL)とnegative feedback loop (nFBL)について、内在性のノイズおよび、上流の反応からの外因性のノイズについて明らかにすることができた。実験面アプローチにおいては、細胞性粘菌を用いて、走化性に重要な役割を果たすイノシトールリン脂質シグナルのノイズを、2重レポータイメージングという新しいノイズの可視化手法を適用し、可視化できた。従って、これまではおおむね順調に進んでいると言っても良い。

c)適応に内在するノイズ(intrinsic noise)に比べて、環境刺激に含まれるノイズ(extrinsic noise)の影響は小さい。今回得た結果は、適応現象を示す実際の細胞のシグナル回路にiFFLよりもnFBLが多いことの1つの説明になるかもしれない。2.細胞性粘菌を用いて、走化性に重要な役割を果たすイノシトールリン脂質シグナルのノイズの可視化に取り組んだ。このために、2重レポータイメージングという新しいノイズの可視化手法を開発した。これをPTENの反応にともなうintrinsic noiseと、PTENの上流のシグナルで生成し伝搬するノイズ(extrinsic noise)を精密に分けて定量することができた。現在さらにその動態の解析を進めている。2重レポータイメージングは、PTEN以外にも様々なシグナル伝達に応用可能なノイズ可視化手法であると考えられ、今後の発展が期待される。今後は実験的アプローチにおいて、2重レポータイメージングによって可視化したノイズを、数理モデルで解析することによって、PTENが細胞膜と細胞質を往復することに伴うノイズ(intrinsic noise)と、PTENの上流のシグナルで生成し伝搬するノイズ(extrinsic noise)を精密に分けて定量することを目指す。27年度が最終年度であるため、記入しない。
リステリア脳炎の免疫組織化学的、分子生物学的解析

リステリア症の特徴病変は髄膜炎・髄膜脳炎であるが、臨床病変を解析するための良い実験モデルがない。今回は、前研究期間に確立したマウスのリステリア感染実験系を用いて病理発生を免疫組織染色及び電子顕微鏡により解析した。実験(1)感染経路の違いによる感染病変像。経口感染:脳内における血管周囲炎、小壊死巣、単核球を主体とした細胞浸潤巣が観察され、臨床で指摘される病巣に比較的類似の病理像が示された。脳内感染:急性の化膿性病変を示し、感染病巣は髄膜、脳室、脈絡叢が主である。感染24から48時間目の著しい脳室への好中球浸潤を特徴とする。感染部位への炎症性反応は溶血性株でのみ見られる。非溶血性変異株では病変形成が全く観察されない。実験(2)脳病巣の免疫組織化学、電子顕微鏡観察。経時観察:1)脳室上衣細胞・脈絡上衣細胞内へ菌が侵入。2)上衣細胞の剥離・細胞死。3)変性細胞周囲への好中球主体細胞浸潤、上衣細胞下毛細血管内へ菌が侵入。4)脳室周囲、脳内小血管周囲組織への菌侵襲。5)脳室内の著しい好中球浸潤と組織破壊。菌体抗原は、脳室に浸潤した好中球内・上衣細胞内・脈絡上衣細胞内・脳室上衣細胞周囲神経組織内に認められた。電子顕微鏡観察により、神経組織内の菌は軸索間・グリア細胞間に見られミクログリアによる食菌像が観察されたが、神経細胞内に菌体は観察されなかった。電子顕微鏡下では好中球内における菌体の破壊像は観察できなかった。脳内接種により菌の感染初期像を捉えることができ、神経病変形成に菌の溶血性が重要な因子であることが明かとなった。しかし、この感染方法では病変形成が急性なため、臨床例で見られるマクロファージを主体とした免疫応答像を再現することができない。よって今後の課題は、持続的なリステリア感染をマウス実験系で確立して臨床例に近い中枢神経系病変を再現することである。
アロフェンの微細構造と力学的挙動

火山灰土の物理・工学的な特異性は,その主要な粘土鉱物であるアロフェンの性質と,それによって形成される特殊な骨格構造に起因すると考えられる.火山灰土のこれらの性質は,最近の関連分野の研究によってかなり明らかにされてきたが,それを物理・工学的な観点から捉え直すことにより明らかにできると考えられる問題が多くある.ここではその中で,(1)風乾によるアロフェンの粘度,濁度,及び微細構造の変化,と(2)アロフェン懸濁液の分散特性に及ぼす遊離酸化物の影響,を中心に,アロフェンの微細構造と力学的挙動との関係について研究を進めた.これにより明らかになった点は次の通りである.1.風乾によるアロフェンの粘度,濁度,及び微細構造の変化について(1)中性アルカリ性側では,風乾によるアロフェン表面の物理化学的性質のわずかな変化が,アロフェン分散系の性質に大きく影響を与える.(2)しかし,自然の火山灰土のPH条件,すなわち弱酸性(PH6付近)では,生土と風乾土の違いがかなり小さく,風乾による火山灰土の物理・工学性の変化の原因は,アロフェンの粗粒化によるものと判断される. (3)以上のことを電子顕微鏡観察で確認し,特に鹿沼土アロフェンが風乾によって粗粒化することを確かめた.2.アロフェンの分散特性に及ぼす遊離酸化物の影響について(1)非脱鉄アロフェンがアルカリ側で分散しにくい理由は荷電特性だけでは説明し切れない.(2)その原因は,アルミニウム・鉄の和水酸化物による等電点の上昇,アルミニウムポリマーの直接的凝集作用,アロフェン表面の荷電の不均一分布などによると考えられる.(3)アルミニウム・鉄イオンを脱鉄アロフェンに添加して考察した結果,上記の性質の主な原因はアルミニウムによるものと考えられた.火山灰土の物理・工学的な特異性は,その主要な粘土鉱物であるアロフェンの性質と,それによって形成される特殊な骨格構造に起因すると考えられる.火山灰土のこれらの性質は,最近の関連分野の研究によってかなり明らかにされてきたが,それを物理・工学的な観点から捉え直すことにより明らかにできると考えられる問題が多くある.ここではその中で,(1)風乾によるアロフェンの粘度,濁度,及び微細構造の変化,と(2)アロフェン懸濁液の分散特性に及ぼす遊離酸化物の影響,を中心に,アロフェンの微細構造と力学的挙動との関係について研究を進めた.これにより明らかになった点は次の通りである.1.風乾によるアロフェンの粘度,濁度,及び微細構造の変化について(1)中性アルカリ性側では,風乾によるアロフェン表面の物理化学的性質のわずかな変化が,アロフェン分散系の性質に大きく影響を与える.(2)しかし,自然の火山灰土のPH条件,すなわち弱酸性(PH6付近)では,生土と風乾土の違いがかなり小さく,風乾による火山灰土の物理・工学性の変化の原因は,アロフェンの粗粒化によるものと判断される. (3)以上のことを電子顕微鏡観察で確認し,特に鹿沼土アロフェンが風乾によって粗粒化することを確かめた.2.アロフェンの分散特性に及ぼす遊離酸化物の影響について(1)非脱鉄アロフェンがアルカリ側で分散しにくい理由は荷電特性だけでは説明し切れない.(2)その原因は,アルミニウム・鉄の和水酸化物による等電点の上昇,アルミニウムポリマーの直接的凝集作用,アロフェン表面の荷電の不均一分布などによると考えられる.(3)アルミニウム・鉄イオンを脱鉄アロフェンに添加して考察した結果,上記の性質の主な原因はアルミニウムによるものと考えられた.火山灰土の物理・工学性にかかわる種々の問題点を、本研究の目的に照らして再整理しながら、特に次の点に重点を置いて研究を進めた。1.火山灰土の物理・工学的性質は、風乾処理によって著しく変化するが、そのときアロフェンの物理化学的性質がどのように変化するかを検討した。その方法は、生土と風乾度からストークス径90mm以下のコロイド成分(アロフェン)を採取し、その分散凝集挙動をpHを変えて追跡して行った。追跡の方法は次の2つによった。(1)比濁法:試料濃度の関係から、透過光を用いて比濁測定を行った。生土と風乾土から採取したアロフェンは、pHによる変化はパラレルであるが、全域で風乾土の濁度が生土のそれよりも低く出た。これは、風乾土のドメイン(の粒子量)の方が小さいか、または風乾によって脱色(鉄の色がやや薄くなった?)したかのどちらかであると考えられた。(2)粘度測定:毛細管粘度計を用いて、(1)と同じ試料の相対粘度を測定した。この場合もpHによる変化はほぼパラレルであり、全般に風乾土の方がやや相対粘度が低く出た。これから、風乾土のドメイン(粒子量)の方が生土のそれよりも小さくなることが予想された。以上の2つの実験結果から、風乾すると90mm以下のアロフェンの性質も変化することが確認された。今後は、この内容を明らかにすると共に、さらに粒径の小さなものについても確めていきたい。2.火山灰土に多量に含まれる活性アルミニウムが構造形成に及ぼす効果を知るために、非火山灰質粘性土にアルミニウムイオン(ヒドロキシアルミニウム)を加えてベーンせん断強度を測定した。そして、力学性から見たヒドロキシアルミニウムの構造形成効果・機能を考察した。
スポーツ傷害を通して語られる競技者からのメッセージ

本研究の目的は、競技者としてのアイデンティティーを危機的状況にさらす可能性の高いスポーツ傷害に関して、その背景に隠される心理的な意味の了解を試みることであった。平成12年度に行われた横断的調査により明らかとなった負傷選手の特徴(他選手への羨望、復帰後の高い不安、ソーシャルサポートの拒絶、対処能力の低さ等)に焦点をあてつつ、その背景にある無意識的な動機を心理投影法とインタビュー調査によりアプローチする作業が行われた。調査対象となった競技者は4名であった。内訳は大学生及びプロ選手であったが、このうち2名はすでに引退している選手であり、現役当時を回顧してもらう形式によるインタビュー調査であった。ここでは4名中1名の競技者について、その概略を報告する。【ケースA:31歳男性プロサッカー選手】Aは小学校から大学まで各年代の主要全国大会での優勝経験を持ち、さらにユース代表、オリンピック代表、日本代表歴も有するトップレペルの選手である。大学卒業後プロ選手となり、数回のチーム移籍後、現在も現役選手である。学生時代はそれほど目立った負傷歴はなかったが、プロ選手となってから重度の捻挫、大腿部肉離れを十数回繰り返している。本ケースの意識レベルでは、他選手以上に自己の身体に対するケアは十分すぎるほど行っており、自身の怪我の多さについては、認めるもののその心理的な解釈の可能性にっいてはまったく否定的は反応であった。パーソナリティと投影法からの情報では、異常に高い要求水準、対人関係の疎通性の低さなどが挙げられ、また、自己の経験を生かした対処が不十分であることが窺われた。本ケースの心理的背景に関する考察については紙面の都合上割愛せざるを得ないが、研究成果を発表する予定である。スポーツ選手にとっての怪我やその痛みは、競技者としてのアイデンティティーを危機にさらしてしまう危険因子である。身体(怪我・痛み)を通して非言語的に語られる意味合いの検討は、これまでの研究の視点では皆無であり、本研究ではスポーツによる怪我(痛み)を通して語られる意味の分析、つまり怪我(痛み)を心理学的に了解することを目的として行われた。本年度(平成12年度)では研究1として、横断的な質問紙調査を実施し、怪我の経験と心理・行動的観点からの検討を試みた。調査内容に関しては、リハビリテーション過程での心理的変容に関する質問20項目、リハビリテーション過程でのソーシャルサポートに関する質問8項目、およびリハビリテーション過程での行動的変容に関する質問12項目を作成した。調査対象者は、過去に1週間以上の活動停止を余儀なくされた怪我を負ったことのある大学生競技者230名を対象として行われた。主な結果としては、過去に重篤な怪我を負った経験のある選手、あるいは怪我を頻繁に繰り返してしまう傾向のあった選手は、他の選手を羨望する傾向が高く、リハビリテーション中の課題よりも復帰後の期待や不安、さらに負傷前のネガティブな状況要因を回顧する傾向が高いことが明かとなった。さらに、周囲からの人的サポートを受け入れる傾向が低く、行動的にも気分のリフレッシュや思考活動の切り替えに関して上手く処理できない者の割合が多い傾向であった。次年度(平成13年度)では、本分析に同一性形成という視点を加え再検討し、また一流競技者の中でも怪我や痛みが選手としてのターニングポイントとなったケースを対象として、インタビューによる質的分析を行う予定である。
水素雰囲気下における化合物半導体表面反応過程のその場観察法の開発

水素などガス雰囲気下で行われる化合物半導体の結晶成長過程のその場観察法の開発を目指して,特に非線型効果の一種である表面和周波発生に注目して,線型分光法の一種である反射率差分光法と対比すると共に,従来の表面分析手法である低速電子線回折,オージェ電子分光法を併用して,化合物半導体への適用可能性を検討した.その結果,以下のことを明らかにした.まず,反射率差分光法により,GaAs清浄表面への化合物半導体の成長雰囲気として用いられる水素及び窒素の吸着過程を観測した.まず,水素吸着に関しては,表面のGaおよびAsダイマーに起因する信号の減少からダイマーの解離を確認し,一方,窒素吸着に関しては,As-rich表面と比べGa-rich表面が,窒化が起こりやすく,窒化の進行と共に,Gaダイマーの解離とGa-N結合の形成に関連すると思われる3.5eV近傍のディップの増大を観測した.しかし,信号は一般にブロードで,スペクトルの起源を議論するには十分でないことを示した.表面和周波発生法の化合物半導体表面への適用可能性の検討に関しては,Nd:YAGレーザを一次レーザーとして,その2次高調波(532nm)とLiNbO_3結晶を用いた光パラメトリック効果により発生した2..63.8mmの赤外光による和周波光測定系を整備して,GaAs表面からの信号の検出を試みた.具体的にはメタノール吸着したGaAs表面からの和周波信号を観測して,バルクの信号に重畳したメチル基の対称伸縮振動に起因する共鳴を観測した.さらにその入射角方位依存性を簡単なモデルにより解析することにより,振動ベクトルの方向を決定できることを示した.以上により表面和周波発生の化合物半導体表面における解析法を示し,化合物半導体表面においても十分有力な方法となることを示した.本研究では,表面における非線型効果を観測するためのプローブ用の波長可変の赤外光源を整備することが第一の重要な鍵となるため,本年度は,まず,その一次光源となる高出力ピコ秒パルスNd:YAGレーザーを導入し,赤外光発生系および過渡光応答測定系の設計・整備を進めた.また,これと並行して,超高真空中での化合物半導体表面における非線型光学効果の観測を行うため,現有の超高真空排気装置中で低速電子線回折(LEED)およびオージェ電子分光(AES)を用いて,GaAs(001)表面の清浄化手法の検討を行った.通常のGaAsのMBE成長では,Asビーム照射下での熱処理により基板表面の清浄化が行われているが,電子分光系への汚染の問題から,本研究では,(1)真空中での600°C近傍での熱処理,(2)活性水素照射,(3)硫化アンモニウム処理によるパッシベーション,の3通りの手法を比較検討した.その結果,従来,高速電子線回折(RHEED)観測では,これらの手法によってストリーク状の回折像が得られているにも関わらず,LEED観測では,(1)の場合,ファセットが形成されること,(2)では,比較的低温で酸化膜が除去されるが,Ga安定化4×2再構成表面のダイマーに水素が吸着したと考えられている4×1再構成像が観測され,容易に熱処理によって水素が脱離しないこと,(3)では,600°C程度の熱処理無しでは,回折像が観測されないことが明らかとなった.これらは,LEED像が得られる表面の条件が,RHEEDと比較して狭いことに起因すると考えられるが,本研究では,LEED像が観測できる規定された表面状態を基準とする必要があり,清浄化手法の検討が優先課題であることが明らかとなった.水素などガス雰囲気下で行われる化合物半導体の結晶成長過程のその場観察法の開発を目指して,特に非線型効果の一種である表面和周波発生に注目して,線型分光法の一種である反射率差分光法と対比すると共に,従来の表面分析手法である低速電子線回折,オージェ電子分光法を併用して,化合物半導体への適用可能性を検討した.その結果,以下のことを明らかにした.まず,反射率差分光法により,GaAs清浄表面への化合物半導体の成長雰囲気として用いられる水素及び窒素の吸着過程を観測した.まず,水素吸着に関しては,表面のGaおよびAsダイマーに起因する信号の減少からダイマーの解離を確認し,一方,窒素吸着に関しては,As-rich表面と比べGa-rich表面が,窒化が起こりやすく,窒化の進行と共に,Gaダイマーの解離とGa-N結合の形成に関連すると思われる3.5eV近傍のディップの増大を観測した.しかし,信号は一般にブロードで,スペクトルの起源を議論するには十分でないことを示した.表面和周波発生法の化合物半導体表面への適用可能性の検討に関しては,Nd:YAGレーザを一次レーザーとして,その2次高調波(532nm)とLiNbO_3結晶を用いた光パラメトリック効果により発生した2..63.8mmの赤外光による和周波光測定系を整備して,GaAs表面からの信号の検出を試みた.具体的にはメタノール吸着したGaAs表面からの和周波信号を観測して,バルクの信号に重畳したメチル基の対称伸縮振動に起因する共鳴を観測した.

さらにその入射角方位依存性を簡単なモデルにより解析することにより,振動ベクトルの方向を決定できることを示した.以上により表面和周波発生の化合物半導体表面における解析法を示し,化合物半導体表面においても十分有力な方法となることを示した.前年度,超高真空中でのGaAs(100)基板表面の清浄化法の確立が大きな課題であることが明らかとなったため,まず,表面清浄化の手法の検討を進めた.新たに,Arイオンビーム照射に基づく清浄化手法の処理条件の検討を行った結果,加速電圧1kV,基板温度480°Cにおける60分間のイオンビーム照射と,580°C30分間の熱処理を行うことによって,低速電子線回折およびオージェ電子分光によって清浄と認められる表面状態を実現できることを見いだした.また,熱処理直後は,LEEDにより4×2の表面再構成パターンが観測されるが,500°C以下まで降温すると,4×6に変化する.さらに,Wフィラメントにより,原子状化した水素を照射すると,LEEDパターンは,4×1に変化した.この変化に伴う表面電子状態の変化を明らかにするため,異方性反射率スペクトルを測定したところ,酸化膜で覆われた表面では,2.9eVにピークを有する正の信号が支配的であるが,酸化膜を除去すると,2.5eVに負のピークが現れる.さらに,原子状水素の照射を行うと,2.5eVのピークが消失し,再び2.9eVのピークが現れることを見いだした.従来の報告との対応から,2.9eVのピークは,Asダイマーまたはバルクに,また,2.5eVの負のピークは,Gaダイマーに起因するものと予測されるが,ピークエネルギーなどの点で不一致があり,詳細な検討が必要と考えられる.表面非線型効果に関しては,YAG:Ndの基本光である1.064nmの入射光に対する4×2表面からのSHG光の観測に成功した.45°入射の場合の偏光方位依存性を測定した結果,2回対称性があることを確認した.一方,赤外光源の作製には遅れがあるが,偏光方向依存性を測定するための基板回転機構の付加を含めて,現在,遅れを取り戻すべく,早急に整備を進めている.アルゴンイオン・スパッタと熱アニールにより得られる清浄GaAs(100)(4×2)表面に対してAsセルからAs_4ビームを供給することにより表面ストイキオメトリィの異なる(4×6),(2×6),(2×4),c(4×4)再構成表面が得られることを低速電子線回折(LEED)により確認した。さらに,反射率差分光(RDS)スペクトルに現れる2.1および2.9eVのピークから,それぞれGaダイマーおよびAsダイマーの存在を確認した.これらの結果を基に,H_2,N_2分子をタングステン・フィラメントにより解離させた原子状のII,Nを表面再構成の異なる表面に照射し,GaAs表面の水素化および窒化過程を観察した.水素化の過程では,まずLEED観測によりダイマーに起因する2_×側の長周期が消失し,続いて4_×側の長周期構造が失われることを見いだした.さらに,RDSによってダイマー起因の信号が消失することが観測し,ダイマーの断裂が起こっていることを明らかにした.一方,窒化過程においては,LEED観測では,超周期の消失は,ダイマー方向と,それに垂直方向でほぼ同時に起こることを明らかにした.また,RDSによってダイマー起因の信号が消失することが観測し,ダイマーの断裂が起こっていること,さらに窒素吸着量の増大に伴い,Ga-Nのボンドの形成と関連すると考えられる3.6eV近傍の新たな信号を観測した.また,照射量に対する表面構造の変化とAESによる表面窒素の半定量分析から,N吸着が,As過多の表面と比較してGa過多の表面の法が,速く起こることを明らかにした.一方、窒化に起因する新たな長周期構造の形成は確認されなかった.一方,遅れていた赤外波超可変レーザー光源および基板面内回転機構の整備をすすめ,基板回転機構の整備は完子し,表面二次高調波発生の結晶方位依存性の測定が可能となった.
4つのATP結合部位による細胞質ダイニンの活性調節機構

細胞質ダイニンは、ATPのエネルギーを利用して微小管上を運動するモータータンパク質である。この運動は、細胞分裂・細胞内小器官の位置決定・ウィルスから核に至る種々の小胞の細胞内輸送といった多様な生命現象に深く関与している。ダイニンは1つの重鎖の中に、4箇所のATP結合部位を持つユニークな構造を取っており、これら4箇所でのATP結合がいかにダイニンの運動を制御しているのか、という問題は未だ不明な点が多い。本研究において、我々はダイニン1分子に対するATP分子の結合・解離の様子を可視化することに、世界に先駆けて成功した。細胞質ダイニンは逆行性細胞内輸送を担い、多岐にわたる生命機能に深く関わるモータータンパク質である。近年、本研究代表者らによってモータードメインの結晶構造が解明されるなど、ダイニンの動作機構が徐々に明らかになりつつある。しかし、ダイニンは1つのモータードメイン内に4箇所のATP結合部位を有するというユニークな構造をとっており、これら4箇所へのATPの結合がいかにダイニンの運動を駆動するのかというダイニン動作機構の根幹をなす問題が未解決である。我々は一連の先行研究にて、1番目のATP結合部位(AAA1)のヌクレオチド状態がダイニンの運動と連動しており、他の3箇所の状態がAAA1の活性に強く影響することを示したが、その詳細は明らかでない。研究の進展を阻む大きな要因として、各運動ステップ中にダイニンと結合しているヌクレオチドの数や結合のタイミングを実測できていないことが挙げられる。我々の先行研究から、ダイニンのATPに対する解離定数はμMのオーダーであることが分かっている。しかし、全反射蛍光顕微鏡など従来の一分子計測法では、蛍光分子をnM領域以下の低濃度に抑えねば各輝点を弁別できないため、この測定は非常に困難であった。この問題点を解決するため、本研究では次世代シーケンサーに採用されている1分子イメージング法のZero-mode waveguide法(ZMW法)を用いることにした。ZMW法は直径100 nmほどの微小穴に局所励起光を照射するため、μMオーダーの蛍光分子が存在しても背景光が劇的に低減した状態で分子の結合・解離を精度よく、しかもミリ秒以下の時間分解能で実測できる。実際に本年度の研究で、ダイニン1分子に対しての蛍光ATPの結合解離を高時間分解能で実測することに成功した。現在までに、ZMW法を用いて、1分子のダイニンに対するATPの結合解離を実測することに成功している。これは本研究の根幹をなす大きな成果で、今後の詳細な解析により、ダイニンの複雑な活性調節機構を明らかにできるものと期待している。これまで、研究の進展してこなかった大きな要因として、運動中にダイニンと結合しているATPの数や結合のタイミングを実測できていなかったことが挙げられる。我々はこの問題点を、次世代シーケンサーに採用されている1分子イメージング法のZero-mode waveguide法(ZMW法)を用いて解決できた。ZMW法は直径100 nmほどの微小穴に局所励起光を照射するため、μMオーダーの蛍光分子が存在しても背景光が劇的に低減した状態で分子の結合・解離を精度よく、しかもミリ秒以下の時間分解能で実測できるものである。このシステムを用いて計測したところ、1分子のダイニンに複数のATP分子がほぼ同時に結合及び解離する現象が観察され、ATP結合部位の間で協同性があることが示唆された。そこで平成28年度には、このATP結合部位間での協同性についてさらに計測を進めた。すると、高濃度ATP条件下だけでなく非常に低濃度のATP条件下においても、協同的なATP結合が見られ、ダイニンのATP結合部位間では緊密なATP結合・加水分解サイクルの調整が行われていることを支持する結果を得た。今後はさらに解析を進め、各ATP結合部位の役割を解明し、雑誌論文等で発表したいと考えている。今後は、まずどのATP結合部位へATPが結合したのかの弁別について、変異体解析などの手法を用いて詳細な解析をすすめる。また、微小管によるATP加水分解活性の上昇、およびモータードメインの二量体化による活性調節の際に、4箇所のATP結合部位が受ける影響について明らかにしていく予定である。生物物理