hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
白色脂肪組織形成におけるFGF10の役割とその分子メカニズムの解明

さらに、腸間膜白色脂肪組織における脂肪細胞肥大化に関する因子の発現に付いて検討したところ、特にエネルギー消費に関わることが期待されるUCP2の発現が上昇していることを見出した。以上の結果より、腸間膜白色脂肪組織の成熟脂肪細胞において、FGF受容体2を介するシグナリングは、UCP2の発現抑制を介して、エネルギー消費を抑制することが明らかにされた。本研究で得られた成果は、メタボリックシンドロームの発症基盤である内蔵脂肪肥満の発症メカニズムや、その治療法の開発に有益な知見を提供できるものと期待される。
優れた形態保持力ならびにリモデリング活性を有する生体模倣β-TCPの創製

我々日本人の顎骨の状態は,骨格的にデンタルインプラントを支えるのに不十分なケースが多く,患者さん本人の骨を,別部位から取り出し,患部に移植する方法がよく適用される.病気ではない部位にメスを入れる行為は,患者さんの抵抗も大きい.本研究では,そのような患者さんに対し,患者自身の体を傷つけることなく,移植可能であると考えられる人工骨の開発に成功した.骨増生に対する有効な材料,方法はいまだ確立されていない.臨床的に最も困難とされている外側性の骨増生では,自家骨移植が第一選択であるとされているが,ドナーサイドの侵襲の問題,形状付与の難しさ,吸収が起こることなどから満足のいく増生量を達成できないことが多い.また,従来の骨補填材は自家骨と混合して使うことが多く,自家骨の補助的な役回りが現状である.本実験結果から,当初の目的通り,機械的強度の向上と早期の骨のingrowthを刺激することができるバイオミメティック二層性柱状結晶β-TCPブロックの作製に成功したと言える.このバイオミメティック二層性柱状結晶β-TCPブロックは機械的強度に加え,これまでの研究成果を鑑みると,より早期かつ長期間に渡り骨形成を刺激することができる構造を有しているため,単独での使用が可能となる.骨補填材単独での骨増生が達成されれば,ドナーサイドの侵襲の問題はなくなり,さらに術前のCTデータ等から欠損部に合わせた形状を付与することも可能となる.また近年注目されている再生治療におけるスキャホルドとして応用可能であるため,臨床において画期的な材料となりうる.従来の骨移植や骨補填材に関する実験は,既存骨に人為的な内側性の窩洞を作り,その中にinlay graftするものがほとんどであり,このような実験モデルでは骨の自己修復能が強く影響するため,補填材そのものの骨誘導能,骨伝導能,機械的性質を探索することが困難である.本実験モデルは,補填材の真の骨誘導能,骨伝導能,材料学的特性を探索するモデルとしても適しているため,極めて有意義な実験と言える.しかしながら,本実験では,計測結果は出ているものの,まだ統計処理は行っていない.今後,統計処理後,結果をまとめ,論文作成・学会発表等で今回の結果を報告していく予定である。我々日本人の顎骨の状態は,骨格的にデンタルインプラントを支えるのに不十分なケースが多く,患者さん本人の骨を,別部位から取り出し,患部に移植する方法がよく適用される.病気ではない部位にメスを入れる行為は,患者さんの抵抗も大きい.本研究では,そのような患者さんに対し,患者自身の体を傷つけることなく,移植可能であると考えられる人工骨の開発に成功した.歯科インプラント治療において支持骨量の不足から骨増生が必要なケースは多く、人工骨補填材が注目されている。現在市販されている補填材は早期の骨形成を重視しているため、機械的強度が不十分であり、材料の強度が要求される部位において単独で使用することは困難である。本研究の目的は機械的強度と骨伝導性を向上させる目的で、皮質骨と海綿骨に類似した二層性構造、さらに柱状結晶微細構造を付与した新規β-TCPブロックを作製し、インプラント臨床において有用性の高い外側方向への骨増生に対する有効性を検討することである。そのため、本実験ではウサギ下顎骨を用いたonlay graftの実験モデルにより、二層性焼結β-TCP、市販β-TCPをネガティブコントロール、自家骨をポジティブコントロールとすることで、新規RSブロックの外側方向への骨増生に対する有用性を検討することを狙いとした。本年度は新規β-TCPブロックを、α-TCP粉末とポリビニルアルコール水溶液を出発材料とし、5mm×5mm×2tmmの形状で作製した。つぎに二層性焼結β-TCPブロックはβ-TCP粉末とポリビニルアルコール水溶液を出発材料とし、粉末の量により緻密部分、多孔部分を成形して乾燥させたのち、3時間、900°Cで加熱し、作製した。市販β-TCPブロックは従来品の気孔率を下げ、機械的強度を向上させたオスフェリオン60(オリンパス社製、気孔率60%)をブロック状に成形することで完成させた。さらに試料の機械的強度測定と組成分析(XRD; RAD-rA、理学電機社製)と観察(SEM;S-3500N、日立社製)も行った。試料作成のための物品納入が遅れ、実験全体に遅れが生じたため.実験期間は当初の計画より長くなっているが、内容自体に問題は無く、順調に経過しているため、次年度も実験計画に則り推進していく予定である.実験動物・手術時・組織標本作製時の消耗品に使用する予定である.
靴素材の衛生学的性能:着用靴内の汗と微生物の動向

着用が繰り返される靴内部の環境を衛生学的に評価するために、汗滞留の性能が異なる靴素材で蓄積する汗成分と生育する微生物について検討した。靴甲と靴甲裏の素材にそれぞれ中牛革と豚革及び人工皮革と合成の多孔不織布を使用した同じ靴型の婦人用靴を組で製作し、天然革靴及び人工皮革靴とした。3名の女子大生に天然皮靴及び人工皮革靴をそれぞれ合計が180時間になるまで着用させた後、解体して靴内部の足先部甲裏、足先部中敷、踵部中敷素材から試料を採取し、抽出成分の分析と微生物実験をした。靴素材の水移動特性:靴裏素材にした天然革は多孔不織布と透湿度、吸水度がほぼ同じであるが、吸湿度が非常に優れている。特に、天然革靴の中敷の上に水を含ませた綿を乗せると、そのほとんどが無くなってしまうほど早く移動する。これに対して多孔不織布は孔内に水が滞留して、移動しない。蓄積成分:足裏から分泌された汗成分のうちナトリウムや塩素イオンが中敷に蓄積しており、天然皮革靴より人工皮革靴の中敷に多かった。また、酪酸や吉草酸が検出されたことから、皮脂分解による異臭発生を起こしている。微生物実験:寒天培地で計測した微生物数は、天然革靴は中底に多くて、人工皮革靴では中底と甲裏が同程度に多かった。成育する微生物の種類は、着用が短い120時間以内では天然革靴、人工皮革靴ともほとんどが皮膚常在菌であるグラム陽性のMicrococcaccae、及びCladosporiumなど塵などに見られる真菌であった。180時間になると天然革靴にはAspergillusとPenicilliumが検出された。このように、素材の内に液体水を滞留する人工皮革靴は細菌数が優勢で、移動の早い天然革は低水分になりやすいためにPenicillium類が生育する。靴内気候:天然革靴は人工皮革靴より着用時に湿度が低いが、着用する靴下でこの差異が小さくなっていると考えられた。さらに、6ヵ月間の着用実験は4月まで継続している。
コバルト錯体の絶対不斉反応の機構

これまでコバロキシム錯体結晶に可視光を照射すると、結晶格子を保ったまま反応が進行する結晶相光異性化反応を研究してきた。今回、この結晶相異性化反応をさらに進める目的で、トランス-2-ブテニル基をもつコバロキシム錯体結晶の結晶相トランス-シス異性化反応を取り上げた。軸配位子の塩基としては、ピリジン、4-ブロモピリジン、3-クロロピリジン、ジメチルスルフィドの4種に結晶について光照射前と照射後の結晶を解析した。また変化の速度も調べた。その結果、ピリジン錯体では約2時間の照射でも約66%がシス体に変化した。この錯体ではトランスのメチル基は外側に突き出しているが、シスのメチル基は空間をうまく埋めている。このためコバルト-炭素結合が開裂してラジカルが生じたとき、立体反発の少ないシス体に変化し、しかもそれほど大きな体積の変化がないため結晶格子が保たれていると推論できる。さらに塩基を4-ブロモピリジン、3-クロロピリジン、ジメチルスルフィドに変えた錯体を検討した。4-ブロモピリジンはピリジンと同様に光照射によって変化する。しかし反応速度は1桁以上遅い。一方、3-クロロピリジン、ジメチルスルフィドは光を照射しても変化しない。このような反応性の違いを明らかにするため、これまでと同様に反応空間を調べてみた。反応空間の体積を見ると、ジメチルスルフィド錯体は小さすぎるので反応出来ないと推論できる。しかし反応する4-ブロモピリジン錯体と反応しない3-クロロピリジン錯体はほぼ同じ体積である。反応空間の形を比較すると、反応しない3-クロロピリジン錯体ではシス型を収容するスペースが小さく、反応に寄与しない部分の体積が大きい。このために反応が起こらないと推論できた。
土壌の溶融に伴う有害元素の揮発挙動の解析と選択的除去プロセスの設計指針の構築

汚染土壌中の放射性元素や重金属元素を選択的に除去する方法として溶融揮発法が注目されている。しかし元素の揮発挙動は組成によって異なり,最適処理条件の探索は試行錯誤的に行われているのが現状である。本研究では,複雑かつ多様な組成をもつ実際の土壌に対しても有効な溶融・揮発挙動の解析手法の確立を目指す。多成分系の取扱いに有効な多変量解析に加え,塩基度を指標として導入することにより,理論的な裏付けを加える。これらの学術的な検討を行うことにより,土壌や廃棄物毎に最適な無害化処理プロセスの設計指針の構築を目指す。
3次元ナノ相分離膜構造と高感度分子認識能の動的解析

生体分子を感度よく選択性よく検出するために、生体分子の持つ特異的な相互作用を利用する場合が多く、分子認識の場であるソフトインターフェースの設計と構築、利用が大変重要である。本研究では、現行では抗原抗体反応のように利用することが難しかった糖鎖-タンパク質(レクチン)の相互作用を取り上げ、基板上に積極的にナノ相分離構造を有する分子認識界面を構築することで、弱い相互作用でも抗原抗体反応のような取り扱いができることを実証した。膜の動きに着目し、新規に非特異吸着抑制材料を採用するとともに、外部刺激による膜全体の動きを利用した高感度検出も実施した。本研究では、生体分子認識部位を有する分子と非特異吸着抑制分子とで構成する複合単分子層の機能発現と、機能界面の新規評価法を提案し、実現することを目指している。横(水平)方向および垂直方向の3次元の構造制御を行い、分子認識に最適なナノ相分離単分子膜を構築し、生体分子間相互作用を高感度、高選択的に検出するための分子認識ソフトインターフェースを構築し、これまで均一な分子層に限られていた膜評価手法を、複合膜評価法へと展開していく。分子認識能が3次元ナノ相分離構造体で高感度化されるメカニズムについても検討を行う。本研究では、生体分子認識部位を有する分子と非特異吸着抑制分子とで構成する複合単分子層の機能発現と新規機能評価法を提案することを目指している。特定生体分子を認識する分子(糖鎖分子)と各種非特異吸着抑制材料とで、基板に対し(1)横(水平)方向および(2)垂直方向の3次元の構造制御を行い、分子認識に最適なナノ相分離単分子膜を構築し、生体分子間相互作用を高感度、高選択的に検出するための分子認識ソフトインターフェースを構築し、これまで主に均一な分子層に限られていた膜評価手法を、複合系膜評価法へと展開していく。今年度は、まず、基板上への認識分子・非特異吸着抑制分子からなるハイブリッド膜が生体分子(タンパク質)の高感度認識において有効であることを実証し、この薄膜の有するセンシング能や基本特性について詳細に検討した。糖-レクチン(タンパク質)の相互作用は、抗原-抗体の相互作用などと比較すると大変弱いため(解離定数KD:糖-レクチン(10^<-4>10^<-5>程度)、抗原-抗体(10^<-9>程度))、溶液内ではある程度検出可能であっても基板上での検出は難しい場合が多かった。このような弱い相互作用の系でも、基板上で安定に感度よく検出できる系を構築するため、(1)分子認識部位の膜表面上での効率的な配置、(2)感度を下げてしまう原因となる非特異的吸着の抑制、に関して具体的な検討を行った。これらの知見を元に、次年度以降、新規基板材料の検討、分子認識薄膜の分子層・認識機構の新規評価法の確立等を進めていくための予備的検討にも着手した。レクチン(タンパク質)と相互作用する糖鎖分子とOH末端およびエチレングリコール末端などの非特異吸着抑制材料とで、金基板に対し1)水平方向および2)垂直方向の3次元の構造制御を行い、分子認識に最適なナノ相分離単分子膜を構築した。昨年度までは、非特異吸着分子の改良と、膜の緻密さ、これによるレクチン認識効果の変化について詳細に検討したが、この事実をさらに解明するために、今年度は、単純な水酸基末端チオールと糖鎖分子とで混合膜を構成した場合の糖鎖割合とレクチンの効率的な認識効果について詳細に検討した。100%糖鎖で構成される膜表面に比較して、糖鎖が低濃度(およそ20%前後)になるにつれて、レクチンの吸着量が上がること、また膜垂直方向では、糖鎖の高さに対して、水酸基末が低い位置に押さえられている時にレクチン認識効果が高いことを実験的に証明した。これは、最適条件では、レクチンと糖の認識ポイントが1対1から多対1になることを確認した。基板表面の電位を変化させることによりレクチン認識能の変化があることを予備的につかんだが、これについては来年度大きく展開を図ることとした。金以外の材料の利用と修飾法・評価法検討については、年度途中で修飾条件の変更などがあり、これも引き続き来年度行うこととした。本研究では、生体分子認識部位を有する分子と非特異吸着抑制分子とで構成する複合単分子層の機能発現と、機能界面の新規評価法を提案し、これを実現することを目指している。昨年度までに、非特異吸着分子の改良、新規作製と膜構築への利用、レクチン(タンパク質)認識膜表面の緻密さの評価、膜構造とレクチン認識効果の変化について詳細に検討した。今年度は、糖鎖分子を、電気化学活性機能を有する分子により表面上で分散させ、タンパク質(レクチン)の認識について予備的な検討を行った。

この電気化学活性を有する分子自身にはタンパク質等が非特異的に吸着を起こすことはないことを確認の後、各種割合で糖鎖分子と混合させることで表面に混合膜を形成し、この上でレクチンの認識を行った。基板表面の電位を変化させることによりレクチン認識がより高感度化することを確認した。この現象の起こる理由については、来年度以降引き続き検討を行い、最適化していく。昨年度までに非特異的な吸着を抑える材料として採用してきた短鎖のトリエチレングリコール末端分子が、適度に緩い密生度の膜構築を行うという実験事実を活かし、抗原抗体反応の酵素標識・電気化学検出の際の、膜材料として採用した。形成された単分子膜は、抗原抗体反応や酵素標識にまつわる各種分子類による非特異的な吸着は完全に抑えることができ、その一方で、酵素反応により生じる電気化学活性種は膜内を透過できるので、分子一層で篩のように使用できることを確認した。本研究では、生体分子認識部位を有する分子と非特異吸着抑制分子とで構成する複合単分子層の機能発現と、機能界面の新規評価法を提案し、弱い相互作用でも高感度に高効率に検出可能な表面の作成と応用系を実現することを目指している。昨年度までに、非特異吸着抑制分子のさらなる改良とこれを積極的に用いてタンパク質認識膜の構築を行い、特にレクチン認識膜表面の緻密さの評価を主に電気化学的手法を使って進めてきた。今年度は、さらに我々の開発した非特異的な吸着を抑える材料の特性を活かし、抗原抗体反応の酵素標識・電気化学検出の際の機能性膜材料として採用する試みも行った。具体的には、表面プラズモン共鳴測定用の金チップ表面に形成された抗体固定分子と非特異吸着抑制材料とで構成したハイブリッド単分子膜が、抗原抗体反応や酵素標識にまつわる各種分子類による非特異的な吸着をほぼ完全に抑えつつ、その一方で、酵素反応により生じる電気化学活性種は膜内を透過可能な有効な材料であることを実証した。また、糖-レクチン(タンパク質)相互作用をできるだけ効率よく検出するための新規手法として昨年度より試みを行っていた、電気化学手法による高感度化を測定系に取り入れるために、電気化学表面プラズモン共鳴測定と電気化学水晶振動子マイクロバランス法による測定を行い、高感度化現象の確認と、実際に利用していくための問題解決に関して検討を重ねた。レクチン(タンパク質)認識ハイブリッド膜構造の微細な3次元的構造が、レクチン(タンパク質)認識に大きく影響する現象について、非特異吸着抑制分子として単純な水酸基末端のアルカンチオールをモデル分子として用い、分子膜構造の原子レベルでの観察結果をフィードバックさせながら詳細に検討した。人工合成糖鎖によりレクチン(タンパク質)を高感度に検出する際に、糖鎖の周辺を自由度の高い非特異吸着抑制能を有する分子で取り囲み、高感度な検出を行ってきたが、これに電気化学活性基を取り入れ、外部より電位刺激により認識膜の構造を変化させることにより、より一層の高感度検出の実現に向けて研究を進めた。糖鎖の周りを埋める分子として、一電子の酸化還元を行うフェロセンを末端に有するフェロセニルアルカンチオール類を採用し、非特異吸着抑制分子かつ電位によって膜のダイナミクスを変化させるための分子として用いた。
日常生活自立度Jランクの在宅高齢者における活動意欲の構造に関する研究

本研究の目的は,在宅で生活する厚生省障害老人の日常生活自立度(以下,自立度)Jランクの高齢者における活動意欲の構造を明らかにし,その影響要因を抽出することである。研究デザインは,帰納法的,質的因子探索型研究とし,具体的方法としてグラウンデッド・セオリー・アプローチを用いた。対象はI県内に居住する自立度Jランクの高齢者である。対象の選定条件は,自立度Jランク,有配偶者,痴呆なし,年齢は7580歳,自ら社会的活動を行っている,配偶者は自立度Jランク以上等とした。さらに,地域性,性別,家族構成による差異を考慮し,地域を限定すること,男女ほぼ同数にすること,家族構成に偏りがないように配慮した。対象の抽出にあたっては,市町村の保健師に研究の趣旨等を説明し,条件に該当する高齢者の選定を依頼したこと,保健師から事前に研究の趣旨等の説明と研究協力への意向を確認してもらい,内諾が得られた後に研究者から対象者に直接連絡をとり,訪問を行った。面接内容は,日常生活の中で楽しいと感じるのは何をしているときか,生きがいにつながっている活動にはどのようなものがあるか,現在の生活をどのようなものと感じているか,今までの人生を振り返ってご自分の人生をどのように感じているか等である。今年度は国内外の文献検討の実施とインタビューガイドの作成を行い,対象に対し,半構成的面接と参加観察を実施した。現在,面接・分析の途中段階であるが,活動意欲の構造や関連要因として,人生を切り開いてきた自信,健康でいられることの有難さ,今の健康レベルが1日でも長く続くための心構え,今を精一杯生きる,幸せな死を迎えるための準備,老いとの語り,自然とのコミュニケーション,地域や社会への感謝と生きた証を残すこと等が推察された。今後,順次,面接と分析を進めるとともに,対象を増やしていく予定である。
分子シミュレーションによる抗菌ペプチド生理機能の研究

本研究では、哺乳類の代表的な抗菌ペプチドの一つであるディフェンシンファミリーに属する分子(Crp-4)に着目した。レプリカ交換分子動力学シミュレーションにより、進化的に保存されている3つのジスルフィド結合の有無が、負に帯電した膜近傍の環境における立体構造分布に及ぼす影響を明らかにした。ジスルフィド結合の数を減らすとともに、ペプチド分子に含まれる正電荷部位と疎水的部位の空間的分布が変化することを示した。特に、Cys11とCys28の間のジスルフィド結合の有無がもたらす影響が、抗菌活性と相関している可能性がある。さらに、脂質二重層と結合している状態における立体構造や相互作用を解析した。ディフェンシンはほ乳類の主要な抗菌ペプチドのファミリーの一つである。cryptdin-4 (crp-4)はマウスの小腸のα-ディフェンシンであり、その高い抗菌活性で知られている。また、ジスルフィド結合を欠損させた変異体が活性を持ち、いくつかの菌に対しては(野生型と比べて)高い活性を示す。野生型crp-4は3つのジスルフィド結合により安定化されたバレル様の構造を持つが、明確な疎水コアを欠く。そのため、ジスルフィド結合を無くすと天然構造を保てなくなると考えられる。このことと上述の実験事実等から、抗菌活性そのもののために構造揺らぎが重要であると言われている。我々は、ジスルフィド結合を失うことによりcrp-4の構造揺らぎが増すとしても完全なランダムコイルになるわけではなく、何らかの構造的な秩序が存在し、それが変異体の活性に対して何らかの役割を果たしているのではないか、と考えた。この問いに答えるために、野生型と変異型のcrp-4のシミュレーションによる立体構造探索を行っている。(1) 2013年度には、crp-4の野生型と7種類のジスルフィド欠損変異体の立体構造探索を、温度を交換するレプリカ交換法により実行した。その際、CHARMM力場と一般化Born陰溶媒モデルを使用した。得られたシミュレーションデータに基づき300 Kにおける立体構造分布を分析し、以下の結果を得た。(2) CHARMM27( + CMAP)力場を使用して得られたジスルフィド全欠損型の室温における構造集団において二次構造を調べたところ、ヘリックス含量が大きかった。元来crp-4はヘリックスを含まないので、不自然な結果であると思われた。そこで、最新の力場であるCHARMM36力場を用いることとし、計算をやり直した。(3) 300 Kにおける正電荷の分布を調べたところ、一定電場による分布の偏り具合に変異型毎の個性が見いだされた。この結果と、以前報告された活性に関する実験結果との間に相関が見いだされた。ヒトを初めとする多くの生物は自然免疫系の一部として抗菌ペプチドを持っている。我々は、ほ乳類の代表的な抗菌ペプチドの一つであるディフェンシンの構造揺らぎと活性の関係について分子シミュレーションにより研究している。本研究の対象であるクリプトジン4(Crp4)はマウスの小腸のパネート細胞にあるα-ディフェンシンであり、32アミノ酸残基からなる。Crp4はマウスの小腸のα-ディフェンシンの中で最も高い抗菌活性を持つことで知られる。活性には選択性があるものの、グラム陽性菌とグラム陰性菌に対して抗菌活性を示す。Crp4はジスルフィド結合を欠損させても活性が失われず、さらに、野生型が効かない細菌に対しても抗菌作用を示すようになることが実験的に知られている。そこで、野生型と各種ジスルフィド結合欠損変異体の水相における立体構造の分布を分子シミュレーションにより探索した。昨年度に陰溶媒を用いて実行したレプリカ交換分子動力学(REMD)シミュレーションを大幅に延長し、野生型および各変異体の(1)構造多様性,(2)天然構造の安定性,(3)疎水性側鎖の空間分布について解析し、既に知られている実験と比較した。その結果、シミュレーション結果が実験とよく一致していることが分かった。また、変異体の抗菌活性にとって、複数の正電荷残基による細菌の細胞膜との相互作用が重要であり、さらにペプチド分子が両親媒性の高い構造を取りうることが重要であることが示唆された。現在、この内容の論文を投稿準備中である。また、Crp4分子と脂質二重層の相互作用様式を探索するために、脂質分子(POPG)と水を陽に含む系で野生型Crp4の予備的な分子動力学(MD)シミュレーションを実施した。本研究の目的は、哺乳類の主要な抗菌ペプチドのファミリーの一つであるα-ディフェンシンについて、進化的に保存されている3つのジスルフィド結合が抗菌ペプチドの立体構造分布に及ぼす影響を明らかにし、ジスルフィド結合欠損変異体の活性の機構に関する知見を得ることである。平成26年度までに、マウスのα-ディフェンシンであるcryptdin-4 (Crp-4)の野生型と、ジスルフィド結合を13つ欠く変異体について、レプリカ交換分子動力学法(REMD)による立体構造探索を行った。その結果、立体構造分布がジスルフィド結合の有無に大きく依存すること、負に帯電した膜の近傍の水相では、ジスルフィド結合全欠損変異体でも疎水残基の側鎖の局在が観察されることなどが示された。平成27年度には(1) implicit membrane近傍におけるCrp-4野生型と変異型のシミュレーション,(2)粗視化モデルを用いた野生型Crp-4存在下における膜再構成シミュレーション,

(3)全原子模型を用いた、脂質二重層近傍におけるCrp-4野生型および変異体のシミュレーションを行った。(1)ではCrp-4分子が負に帯電した膜の表面に強く吸着する様子が観察された。これは過去に報告されている実験と定性的には一致している。しかし、温度を700 Kに上げても膜表面から外れないなど、近似に由来すると考えられる振る舞いも観察された。(2)は計画には無かったがCrp-4の抗菌メカニズムを探る上で有用な方法であると考えている。現在、予備的な計算の段階であり、さらに条件検討を行っていく。(3)では、上述のREMDのデータからジスルフィド結合全欠損型変異体の水相における代表的な立体構造を3種類選び初期構造として使用した。得られたデータに基づき、脂質二重層と相互作用しているペプチド分子の立体構造を分析した。本研究では、哺乳類の代表的な抗菌ペプチドの一つであるディフェンシンファミリーに属する分子(Crp-4)に着目した。レプリカ交換分子動力学シミュレーションにより、進化的に保存されている3つのジスルフィド結合の有無が、負に帯電した膜近傍の環境における立体構造分布に及ぼす影響を明らかにした。ジスルフィド結合の数を減らすとともに、ペプチド分子に含まれる正電荷部位と疎水的部位の空間的分布が変化することを示した。特に、Cys11とCys28の間のジスルフィド結合の有無がもたらす影響が、抗菌活性と相関している可能性がある。さらに、脂質二重層と結合している状態における立体構造や相互作用を解析した。ディフェンシンは3つのジスルフィド結合を持つ。ジスルフィド結合の存在とその結合パターンはディフェンシンの各サブファミリー内で高度に保存されていて、逆平行ベータシートを持つ天然立体構造の安定化に寄与している。昨年度実施した野生型と7種類の変異体のCrp4のREMDが短かった(各60 ns/replica)ため、これを大幅に延長した(各240 ns/replica)。また、負に帯電した細胞膜近傍の環境を模するため、外部電場を伴う系のREMDも460 ns/replicaまで延長した。得られたデータを解析して以下の結果が得られた。(1)得られた立体構造集団のクラスタリング解析を行ったところ、変位型は野生型と比べて著しく構造多様性が高いこと(2)7種類のジスルフィド結合欠損変異体のうちC6A+C21A変異体だけは天然類似構造をも取っていた。以上2点はNMR実験の知見と一致している。(3)疎水性側鎖の空間分布を行ったところ、Cys4-Cys29のジスルフィド結合により局在が促され、逆にCys11-Cys28のジスルフィド結合は局在化を妨げることが示唆された。また、荷電残基の空間分布も改めて調べ、昨年度と同様の結果を得ている。以上のように良好な結果が得られたため、水溶媒を陽に取り扱う系におけるCrp4と変異体の構造探索は優先度を下げ、脂質分子をも含む系のシミュレーションを実施することとした。平成26年度は予備的な計算として、野生型Crp4のMDシミュレーションをPOPGのみで構成される脂質二重層、イオン、水を含む系で実施した。
薬物トランスポータの発現量変動評価系の構築-薬物体内動態制御薬の開発へ向けて

薬物トランスポータは薬物の体内動態を規定する重要な因子の一つであり、その発現量の変動によって薬物体内動態の個体間変動が生じるものと考えられる。薬物の吸収・分布・排泄をコントロールしうる体内動態制御薬開発の基盤構築を目標とし、本年度は昨年度に引き続き種々の病態やホルモン等の内因性物質が薬物トランスポータの発現変動に及ぼす影響について解析を進めるとともに、ヒト腎臓における薬物トランスポータ発現量と薬物排泄との相関について検討した。その結果、小腸ペプチドトランスポータPEPT1の発現量が、甲状腺ホルモンや日内変動によって調節されることを明らかにし、その発現変動とペプチド類似薬物の吸収との相関について示した。また、高尿酸血症時に有機アニオントランスポータ(OAT1,OAT3)、有機カチオントランスポータ(OCT2)の発現が減少し、薬物の腎移行性が低下することを明らかにした。さらに、ヒト腎生検組織を用いた解析から、OAT1の発現が腎疾患時に低下すること、OAT3の発現量と抗生物質セファゾリンの消失速度に相関が認められることを明らかにした。薬物トランスポータの発現調節機構についてより詳細に調べるため、OCT2遺伝子の5'側非翻訳領域を単離し、転写調節領域の解析を行った結果、アンドロゲンレセプターを介したテストステロンによるOCT2の発現調節に関わる領域を明らかにした。本研究で得られた成果は、薬物トランスポータの発現変動に起因した薬物体内動態変動について示したものであり、薬物体内動態を制御しうる手法の開発に有用な基礎的情報となるものと考える。薬物の吸収・分布・排泄をコントロールしうる体内動態制御薬開発の基盤構築を目標とし、本年度は、まず種々の病態やホルモン等の内因性物質が薬物トランスポータの発現変動に及ぼす影響について精査した。その結果、小腸ペプチドトランスポータPEPT1の発現量が、甲状腺ホルモンや日内変動によって調節されることや、慢性腎不全時に有機カチオントランスポータOCT2の発現が顕著に減少し、その変動が血中テストステロン濃度によって調節されていることなどを明らかにした。一方、有機アニオントランスポータOAT1,OAT3の発現は慢性腎不全時に変化しなかったことから、薬物トランスポータによって異なる調節を受けていることが示唆された。また、種々ヒト型有機イオントランスポータ群のヒト腎臓における発現量について定量的に解析し、各薬物トランスポータ間でその発現量に大きな差が認められることを明らかにした。さらに、トランスポータ遺伝子の多型と発現量との関係をP-糖蛋白質について解析した結果、P-糖蛋白質をコードする遺伝子MDR1の多型は小腸・腎臓における発現量に影響しないことを示した。現在、薬物トランスポータの発現量変動評価系構築の基盤となる薬物トランスポータの転写調節領域の解析に着手し、有機カチオントランスポータOCT1,OCT2の5'側非翻訳領域の遺伝子を単離し、その転写調節領域に関する解析を進めている。
円形造波水槽による沿岸漂砂の解明と海浜地形変化の直接数値計算手法の構築

本研究では,端部の影響を受けずに沿岸流・沿岸漂砂を検討可能な円形造波水槽を新たに製作し,円周上に沿って形成した海浜に水槽中央部かららせん波を入射させ,沿岸漂砂を長時間にわたって生じさせる水理実験を行う.これにより沿岸漂砂の実態,特にバー・トラフに代表される特徴的な断面地形が沿岸漂砂に及ぼす影響を明らかにする.さらに,波・構造物・漂砂・海浜変形相互作用の数値モデル(FS3M)を円形造波水槽に拡張し,沿岸漂砂を再現可能なモデルに発展させる.そして,当該数値解析モデルにより海浜地形変化を予測するスキームを構築し,三次元波浪場における海浜変形の直接数値計算手法を確立し,現地海岸への適用を目指す.本研究では,端部の影響を受けずに沿岸流・沿岸漂砂を検討可能な円形造波水槽を新たに製作し,円周上に沿って形成した海浜に水槽中央部かららせん波を入射させ,沿岸漂砂を長時間にわたって生じさせる水理実験を行う.これにより沿岸漂砂の実態,特にバー・トラフに代表される特徴的な断面地形が沿岸漂砂に及ぼす影響を明らかにする.さらに,波・構造物・漂砂・海浜変形相互作用の数値モデル(FS3M)を円形造波水槽に拡張し,沿岸漂砂を再現可能なモデルに発展させる.そして,当該数値解析モデルにより海浜地形変化を予測するスキームを構築し,三次元波浪場における海浜変形の直接数値計算手法を確立し,現地海岸への適用を目指す.
自己重力系の非加法的非平衡統計力学の構築

宇宙あるいは天体での物理現象は,重力が本質的な役割を果たすという点で地球の物理現象と大きく異なっている.これは重力エネルギーが物体の質量の2乗に比例するため,天体のような質量の大きな系では他の加法的エネルギーより大きくなるからである.本研究では,Tsallisにより提唱されている非加法的統計熱力学の枠組みを重力多体系に適用に,この系の熱力学的性質とくに準定常状態の性質を明らかにすることを試みた.本研究の成果は3つに大別される.まず第1の成果は重力熱力学的不安定性(Gravothermal catastrophe)の一般化である.従来,この不安定性はBoltamann-Gibbsエントロピーを用いて解析されていた.これをTsallisエントロピーを用いたものに一般化した.その結果,極大状態としてポリトロープ状態が得られた.この状態は指数nをもち,より広いパラメタ領域で重力多体系の状態を記述できるようになった.第2の成果は,ポリトロープ状態が準定常状態の系列であることを発見したことである.N体数値シミュレーションにより重力多体系の進化を調べたところ,重力多体系はポリトロープ状態の系列を指数nを次第に増加させながら進化することを発見した.さらに,ポリトロープ状態とは異なる状態からシミュレーションを始めたとき,まず系はあるポリトロープ状態に近づき,その後はポリトロープの系列を進化するという,非常に興味深い結果を得た.このように重力多体系は準定常的にポリトロープ状態の系列を進化していく.本研究ではポリトロープ指数nの進化を記述する方程式をFokker-Planck方程式と一般化された変分原理より導出することに成功した.これが本研究の第3の成果である.宇宙あるいは天体での物理現象は,重力が本質的な役割を果たすという点で地球の物理現象と大きく異なっている.これは重力エネルギーが物体の質量の2乗に比例するため,天体のような質量の大きな系では他の加法的エネルギーより大きくなるからである.本研究では,Tsallisにより提唱されている非加法的統計熱力学の枠組みを重力多体系に適用に,この系の熱力学的性質とくに準定常状態の性質を明らかにすることを試みた.本研究の成果は3つに大別される.まず第1の成果は重力熱力学的不安定性(Gravothermal catastrophe)の一般化である.従来,この不安定性はBoltamann-Gibbsエントロピーを用いて解析されていた.これをTsallisエントロピーを用いたものに一般化した.その結果,極大状態としてポリトロープ状態が得られた.この状態は指数nをもち,より広いパラメタ領域で重力多体系の状態を記述できるようになった.第2の成果は,ポリトロープ状態が準定常状態の系列であることを発見したことである.N体数値シミュレーションにより重力多体系の進化を調べたところ,重力多体系はポリトロープ状態の系列を指数nを次第に増加させながら進化することを発見した.さらに,ポリトロープ状態とは異なる状態からシミュレーションを始めたとき,まず系はあるポリトロープ状態に近づき,その後はポリトロープの系列を進化するという,非常に興味深い結果を得た.このように重力多体系は準定常的にポリトロープ状態の系列を進化していく.本研究ではポリトロープ指数nの進化を記述する方程式をFokker-Planck方程式と一般化された変分原理より導出することに成功した.これが本研究の第3の成果である.これまでに申請者は,非加法的Tsallisエントロピーを用いて重力多体系の平衡状態の解析を行い,エントロピーの変分の極値から平衡状態を求め,圧力P,密度pに対する状態方程式がポリトロープ関係Pχp^<1+1/n,n=1/q-1+3/2に従うポリトロープ状態が存在することを示した.ところで,重力多体系には,collision time t_cという粒子間の2体重力散乱による緩和の時間スケールが存在する.従って,上で求めたポリトロープ状態は,実際にはcollision time t_cで時間変化すると予想されていた.現在進行中の断熱壁に閉じこめたN体数値シミュレーションの結果では,系は,まずあるポリトロープ状態に向かって緩和し,その後はポリトロープ状態の系列を等温状態に向かって時間発展して行くことが示唆されている.そこで今年度は,Tsallisエントロピーの極値で与えられるポリトロープ状態が重力多体系の準定常状態である,という理解を確立すること目的として研究を行った.具体的には,(1)より一般的な初期状態からの系統的な重力多体系のN体数値シミュレーションを実行し,ポリトロープ状態が準定常状態であることを確認下.さらに,まだ非常に特別な例しか得ていないが,ポリトロープ状態に漸近しない初期状態の系列を発見した.(2)"比熱が負"という重力系の本質が具現されているcore-collapseという現象にも本研究の視点・手法を適用することを計画し,そのための数値的手法の準備を行った.ポリトロープ状態から始まるCollapseを解析するため,(1)一般化された変分原理によるFokker-Planck方程式の解法,(2)連星形成を取り扱えるN体計算のコード開発,を行った.これまでに申請者は非加法的Tsallisエントロピーを用いて重力多体系の平衡状態の解析を行った.

具体的には,エントロピーの変分の極値から平衡状態を求め,圧力p,密度ρに対する状態方程式がポリトロープ関係p∝ρ'',n=1/(q-1)+3/2に従うポリトロープ状態が存在することを示した.そこで本研究では,Tsallisエントロピーの極値で与えられるポリトロープ状態が重力多体系の準定常状態である,という理解を確立し,そのポリトロープ状態を軸に重力多体系の非平衝現象を取り扱う理論的枠組みを構築する,ということを目的とした.具体的には,1.より一般的な初期状態からの系統的なN体数値シミュレーションを実行し,ポリトロープ状態が非常に広い初期条件に対して準定常状態であることを確かめた.2.ポリトロープ状態に漸近する初期状態が,どの指数nのポリトロープ状態にまず近づくか決定する条件を調べることは本研究の最終目的である.その準備としてポリトロープでない初期状態から出発しある指数n=n_1に一旦落ち着く場合に,Boltzmannエントロピーとさまざまな指数nに対するTsallisエントロピーの生成率を計算した.3.ポリトロープ状態を特徴づける指数nの発展方程式を導く手法について検討した.今までの研究から断熱壁に囲まれた重力多体系の準定常状態はポリトロープ指数nと密度比で記述されること明らかになっている.Boltzmann方程式とエネルギー保存則からこの2つのパラメタの時間発展が求められることが判った.しかしこの手法では途中で特異点が現れ,それ以上時間発展を追いかけることが出来なくなること問題があり,この解決方法を検討中である.これまでに申請者は非加法的Tsallisエントロピーを用いて重力多体系の平衡状態の解析を行った.具体的には,エントロピーの変分の極値から平衡状態を求め,圧力,密度に対する状態方程式がポリトロープ関係に従うポリトロープ状態が存在することを示した.そこで本研究では,Tsallisエントロピーの極値で与えられるポリトロープ状態が重力多体系の準定常状態である,という理解を確立し,そのポリトロープ状態を軸に重力多体系の非平衡現象を取り扱う理論的枠組みを構築する,ということを目的とした.具体的には,(1)より一般的な初期状態からの系統的なN体数値シミュレーションを実行し,ポリトロープ状態が非常に広い初期条件に対して準定常状態であることを確かめた.(2)ポリトロープ状態を特徴づける指数の発展方程式を導く手法を開発した.今までの研究から断熱壁に囲まれた重力多体系の準定常状態はポリトロープ指数と密度比で記述されること明らかになっている.さらに全エネルギーが保存するので,準定常状態を表す分布関数はポリトロープ指数nという1個のパラメターで記述される.また重力多体系の時間発展はFokker-Planck方程式を用いて解析できる.そこで本研究では上のFokker-Planck方程式を導く一般化された変分原理を利用した.変分の母関数に試行関数としてポリトロープ状態を代入しパラメタnについて変分をとることでnについての発展方程式を導出した.(3)上のnの発展方程式とN体数値シミュレーションの結果を比較し,極めて良く一致することを示した.
エリアマネジメント団体による景観マネジメント活動の実態とその効果に関する研究

本研究は、地域の良好な景観形成に資する主体および活動として、エリアマネジメント団体による景観マネジメント活動に着目して国内外調査を実施する。東京・横浜・大阪などの先進事例調査を踏まえ、全国アンケート調査を設計・実施し、全国における団体の活動実態を解明する。更に、海外事例調査として北米、ドイツ、フランスや台湾などを対象に団体調査・行政調査から、効果実証調査のための枠組みを得る。また、全国アンケート調査の結果から各類型の代表事例を抽出して、団体調査と行政調査を進めると共に、効果実証調査として来街者アンケート調査、観察追跡調査などから景観マネジメントによる景観向上や賑わい効果を検証する。
シンクロロック法を用いた二次元フーリエ分光装置の開発と多粒子間相互作用の研究

二次元NMR法のアナロジーとして近年盛んに研究されている二次元フーリエ分光法は、優れた測定手法にも関わらず、その実験の難しさから物性領域においてそれほど研究が行われていない。本研究の目的は、シンクロロック法を用いることで、容易に高精度で行える二次元フーリエ分光測定法を確立することである。二次元フーリエ分光測定では,相対位相の決まった光パルス列を試料に照射する。今回行ったシンクロロック法では,音響光学素子を用いて周波数ラベリングを行うことで光パルス列の制御を行った。干渉計からの光パルス列の一部をロックインアンプの参照信号とすることで,干渉計の揺れの影響を受けずに,信号光の電場振幅と位相を直接測定することが出来る。これまでの研究から,二次元フーリエ分光測定を上記の方法で行えることを実証することができた。この過程で,シンクロロック法とヘテロダイン干渉法を用いて容易に光電場の振幅と位相を測定できるという利点を生かすことで,様々な干渉測定が行えることに気づいた。昨年度は,可視光領域のフーリエ分光がシンクロロック法をもちいてに行えることをRb原子ガスを用いて実証した。本年度は,光電流をプローブとすることで,可視光領域でのフーリエ分光測定を行えるかどうか検証した。入射パルス列の時間間隔と相対位相に依存して,光電流信号が変化することから,パルス列を走査することで,試料の光吸収プロセスを知ることができる。試料としてバルクの太陽電池材料を用い,試料の吸収と屈折率に対応する複素電気感受率スペクトルを測定することに成功した。今後は引き続き本手法を用いて太陽電池材料の物性測定を行う予定である。当初計画では,共焦点顕微鏡を作成し単一の半導体量子ドットにおいて二次元フーリエ分光測定を行う予定であった。しかしながら,シンクロロック法を用いることで,光電流をプローブとして可視光領域においてフーリエ分光測定を容易に行えることが分かったことから,こちらの実証実験を優先して実施した。今年度は,試料としてバルクの太陽電池材料を用いた。光電流のヘテロダイン干渉信号をシンクロロック法を用いて測定した。干渉計を走査することで光電流のインターフェログラムを取得しフーリエ変換を行うことで,試料の吸収と屈折率に対応する複素スペクトルを得ることができた。昨年度から,シクロロック法の有用性を追求していくという方針で研究を推進してきた。これまで,試料の透過光の振幅と位相を測定することで,可視光領域のフーリエ分光を容易に行えることと,試料の光電流を測定することで,複素電気感受率スペクトルを容易に得ることができることが分かった。太陽電池材料はクリーンエネルギーという観点から重要な材料であるので,引き続き太陽電池材料での複素スペクトル測定を行っていく。二次元NMR法のアナロジーとして近年盛んに研究されている二次元フーリエ分光法は,優れた測定手法にも関わらず,その実験の難しさから物性領域においてそれほど研究が行われていない。本研究の目的は,シンクロロック法を用いることで,容易に高精度で行える二次元フーリエ分光測定法を確立することである。二次元フーリエ分光測定においては,相対位相の決まった光パルス列を試料に照射する。今回用いる方法では,それぞれの光パルスに音響光学素子(AOM)を用いて周波数ラベリングを行う。干渉計に対してフィードバック制御を行わないと,干渉計は時間とともに揺れ,光パルス間の相対位相が変化することとなる。ここでは,光パルス列の一部を分光器に入射し干渉信号を得ることで、干渉計の揺れを知ることができる。これをロックインアンプの参照信号として用いる。信号光に対して参照光を干渉させロックイン検出する際に,予め得ている参照信号を用いることで,干渉計の揺れの影響を受けずに,信号光の電場の強度と位相をロックインアンプで直接測定することができるのである。本年度は,シンクロロック法を用いた二次元フーリエ分光測定の検証実験を行い,この手法でどの程度まで信頼できるデータが得られるのか実証した。試料としてGaAs量子井戸を用い,多励起子間に働く電子相関について研究を行った。この結果,通常の(一次元の)分光法では測定することが困難な2つの励起子対の反結合状態の観測に成功した。二次元フーリエ分光においてはエネルギーの近い2つの相互作用を,二次元マップ上の異なるピークとして分離できるためである。また,反結合状態のエネルギーが比較的大きかったことから,量子井戸中で井戸の厚さのゆらぎに起因する量子閉じ込め状態が実現していると考えられる。以上の成果を論文にまとめ,投稿した。本研究課題の平成28年度の研究内容は,「試料としてGaAs半導体量子井戸を用い,重い正孔励起子と軽い正孔励起子間の多体相互作用を二次元フーリエ分光法により測定する。バックグラウンドやアーティファクトに埋もれずにどの程度まで信頼できるデータが得られるか検証する。」としていた。干渉計のゆらぎを反映した参照信号を用いることで,干渉計のゆらぎの影響を受けずに,光電場の強度と位相を求めることができる。この測定方法の安定性を検証するために,連続実験を行った所,3週間に渡り安定して測定を続けることができることがわかった。これは,一連の実験を行うのに十分な期間である。また,GaAs半導体量子井戸を用いて二次元フーリエ分光測定を行った所,スペクトルの解析を行うのに十分なS/N比で測定できることがわかった。ただし,5次の信号を測定する時には,さらにS/N比を向上させる必要があることもわかった。

また,GaAs半導体量子井戸において2つの励起子の反結合状態を観測することができた。以上より,今年度の課題はおおむね達成しているといえるだろう。二次元NMR法のアナロジーとして近年盛んに研究されている二次元フーリエ分光法は、優れた測定手法にも関わらず、その実験の難しさから物性領域においてそれほど研究が行われていない。本研究の目的は、シンクロロック法を用いることで、容易に高精度で行える二次元フーリエ分光測定法を確立することである。二次元フーリエ分光測定では,相対位相の決まった光パルス列を試料に照射する。今回行ったシンクロロック法では,音響光学素子を用いて周波数ラベリングを行うことで光パルス列の制御を行った。干渉計からの光パルス列の一部をロックインアンプの参照信号とすることで,干渉計の揺れの影響を受けずに,信号光の電場振幅と位相を直接測定することが出来る。本年度は,この技術を応用することで,可視光領域でのフーリエ分光測定の検証実験を行った。フーリエ分光測定を行う装置は赤外領域ではFTIRとして市販されており,高分解能のスペクトルを得るために広く利用されている。しかしながら,可視光領域では波長が短いことから干渉計を精密に制御することが難しく,フーリエ分光測定は困難であることが知られている。そこで,シンクロロック法を用いることで干渉計の揺れの影響を受けずに容易に可視光領域でフーリエ分光測定を行えることを実験的に確かめた。試料としてRb原子ガスを用い,D1・D2遷移のスペクトルを測定することが出来た。また,強度スペクトルの他に位相スペクトルを測定することも可能であり,ガスセルの石英の群速度分散も正しく測定できることが分かった。当初計画では,共焦点顕微鏡を作成し単一の半導体量子ドットにおいて二次元フーリエ分光測定を行う予定であった。しかしながら,シンクロロック法を用いることで,可視光領域においてフーリエ分光測定を容易に行えることが分かったことから,こちらの実証実験を優先して実施した。フーリエ分光測定はFTIR装置によって広く利用されている方法であり,干渉計の揺れの影響を受けずに容易に可視光領域で測定することができるようになれば,応用上の利点が大きいと考えられる。これまでの研究から,二次元フーリエ分光測定を上記の方法で行えることを実証することができた。
InP系化合物半導体をベースとしたメタマテリアル装荷型光メモリの創製

光通信帯では、全ての物質の比透磁率μは1であり"透磁率の制御"という概念は存在しない。レーザ・変調器・スイッチなどに代表される従来の光通信素子が、誘電率のみを制御することで動作特性を得ていることは、この事実の裏返しともいえる。本研究では、光通信素子において、この制約を超える-すなわち誘電率と透磁率で与えられる材料定数を2次元的に制御する-ことで、光メモリのような従来技術では実現が難しい素子特性が実現することを目的とする。その前段階として、半導体キャリアを利用することにより、透磁率の制御によるInP系導波路型スイッチを作製し6.9dBの強度変化を得ることに成功した。また、新しい解析手法も提案し、実験データと合わせることで詳細な理論解析ができるようになった。本研究は、従来の化合物半導体をベースとした導波路型光素子に、誘電率や透磁率の値を人工的に制御できるメタマテリアルの概念を融合することによって、既存の技術では不可能であった新しい機能をもった素子を実現することを目指している。研究目的の前段階として、化合物半導体のキャリア密度を制御することでメタマテリアルの動的制御を行った。制御の概要であるが、化合物半導体基板上に浅い溝を掘り、その内部に金属微細共振器を作製する。このとき入射光の周波数が共振器の共振周波数と一致すると、入射光と金属共振器が共鳴して透磁率・誘電率に変化が生じる。ここで、デバイス上部からゲート電圧を印加することで、化合物半導体内に伝導キャリアを生成し、それに伴って金属共振器のギャップ容量を変化させることができる。この状況下では、金属共振器の共鳴周波数が変化し、対象周波数(光通信帯)において共振器としての性質を持たなくなる。つまり、ゲート電圧印加によるキャリアがあるときの比透磁率は通常の物質と同じく1に固定され、キャリアがないときの比透磁率は1以外の値を取ることになる。以上の議論にもとづいて、MZI構造を設計した後、実際に半導体基板上に作製した微細共振器アレイの評価を行った。基礎データとしてゲート電圧印加に伴う透過特性の測定を行うことで、実際に透磁率の変化量を見積もった。結果、ゲート電圧2-12V印加時において最大で6.0dBの強度変化が得られた。実際のメタマテリアル特性の解析には実験結果にフィッテングする形で電磁界解析が必須であり、ATLAS TCADソフトウェアおよびCOMSOL3次元解析から、素子内のメタマテリアル領域の透磁率変化による屈折率は電圧印加に伴って2.75から2.85の範囲で変化していることが見て取れた。これまで物質固有だと思われてきた誘電率や透磁率の値を人工的に制御して、自然界に存在しない物質(代表例として負の屈折率をもつような物質)を作り出そうという研究が最近注目を集めている。このような人工物質は、「メタマテリアル」と呼ばれる。メタマテリアルの中でも、特にテラヘルツ(THz)から可視光領域(波長100μmから0.5μm程度)の高周波において動作するものは、プラズモニック・メタマテリアルと呼ばれており、現在のトレンドの1つとなっている。上記のようなプラズモニック・メタマテリアル(以降、メタマテリアル)を利用することで、高周波領域において全く新しい動作原理や構造を持った機能素子を実現できる。実際に、メタマテリアルを機能素子として利用するためには、何らかの外部入力によって、メタマテリアル自体を動的に制御させる必要がある。しかし、現行のメタマテリアルの研究は、その構造上の理由から作製した物質自体の静的特性のみを調べることに特化している。ロスアラモス国立研究所などの一部のグループのみが動的特性について研究をしているが、まだまだ数は少ない。そこで、本研究では「メタマテリアルを動的に制御すること」に主題を置いた。従来の化合物半導体をベースとした導波路型光素子に、誘電率や透磁率の値を人工的に制御できる「メタマテリアル」の概念を融合することによって、既存の技術では不可能であった新しい機能をもった素子(メタフォトニクスデバイス)を実現することを目指した。具体的には、光通信帯域におけるメタマテリアルの動的制御(誘電率および透磁率の値を独立に制御することを意味する)、及びそれをベースとした光通信機能素子の実証を行った。本研究の焦点の1つは、メタマテリアル動作周波数の高周波数化であり、THz・光通信帯・可視光域での動作を目指して、各国の研究機関から多くの報告がなされている。しかし、現状のメタマテリアルはガラス基板上に微細共振器構造を作製することで実現されているものがほとんどであり、光通信素子のような実際のデバイスとの整合性は未知数である。