hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
テロメラーゼを標的とした子宮内膜癌に対するリボザイム遺伝子治療の基礎的研究

テロメラーゼを標的としたハンマーヘッド型リボザイムを用いた癌治療の可能性について検討した。ヒトテロメラーゼの構成成分のうちRNA成分(hTR),蛋白質成分として触媒成分hTERTのmRNAに対して様々なリボザイムおよびを作成し、その基質切断活性ならびに酵素活性抑制効果について比較検討した。作成したリボザイムとして1)hTRに対して36-59二価リボザイムを含めた4種、hTERTのmRNAに対してはORF内外に7種のリボザイムを作成した。HTRに対する36-59二価リボザイム以外はすべて一価リボザイムであった。1)hTRに対するリボザイムはすべてcell-free条件下では基質をよく切断し、切断活性に差は見られなかった。しかし細胞導入実験では、RNA鋳型領域近傍に標的部位がある36リボザイム、36-59二価リボザイムだけがテロメラーゼ酵素活性抑制が観察された。両者の抑制活性を比較したところ、36リボザイムが有意に強かった。したがってこのリボザイムが最も有用と考え、発現ベクターならびにレトロウイルスベクターを用いて36リボザイムの細胞導入実験を行った。発現ベクターによる導入実験では、導入したイシカワ株はすべて死滅した。AN3CA細胞では遺伝子導入後、発現クローンが得られ、これらは明らかなテロメラーゼ活性の減弱と細胞増殖能の低下が観察された。一方36-リボザイムをレトロウイルスベクターを用いてイシカワ細胞に感染させたが、リボザイム発現株は得られたがテロメラーゼ活性の減弱株は得られなかった。hTERTに対するリボザイムでは、OFR内に標的部位を設定したものには酵素活性抑制効果は観察されなかった。mRNAのキャップサイト直下を標的にした14リボザイムとhTERTpolyAtail直上を狙った3951リボザイムが遺伝子導入実験で酵素活性抑制効果が観察された。このリボザイムを発現ベクターを用いて細胞導入したところ、強い酵素活性抑制が観察された。特に14リボザイム遺伝子導入細胞は継代とともに細胞増殖が低下しそののち死滅した。以上より、これまで検討してきたテロメラーゼに対するリボザイムではhTRのRNA鋳型領域に対する36リボザイムと、hTERTmRNAのキャップサイト20塩基下流に対する14リボザイムが臨床応用として有望であると考えられた。我々は癌治療の標的分子としてテロメラーゼに注目し、ハンマーヘッド型リボザイムを用いた遺伝子治療の可能性について検討した。1)約450塩基長のヒトテロメラーゼRNA成分(450base長)の14箇所のGUC配列のうち、任意にの3カ所(5′端より36,170,313塩基端を切断するようなリボザイムでそれぞれ36-170-313リボザイムと命名)を選択し、まずin vitroでの切断活性を検討した。660塩基長のヒトテロメラーゼRNA成分すなわち、リボザイムの反応基質を作製し、これらのリボザイムとモル比5:1で反応させこれらの切断効率を検討したところ、試験管内ではこれらは同程度の切断活性を示した。2)次に、リボザイムそのものをリボソームに封入して、子宮内膜癌培養細胞に導入したところ、36リボザイムだけがテロメラーゼ活性を抑制した。

3)このリボザイム配列を発現ベクターにサブクローニングして再び子宮内膜癌細胞に遺伝子導入したところ、テロメラーゼ活性の滅弱がみられ、36リボザイムの癌治療への応用の可能性が示唆された。4)次に、36リボザイムの切断活性を高めるために、36GUC配列の15塩基下流にあるGUA配列をも同時に切断できるような2価のリボザイムを考案し、その有用性を検討した。試験管内でこの切断活性を36リボザイムと比較検討したところ、51GUAに対してより強い切断選択性を有し、しかも切断活性はこの2価リボザイムはより強力であった。5)しかしながらこれを子宮内膜癌細胞に導入したところ、テロメラーゼ活性の滅弱作用は弱かった。これらの一連の実験で、ヒトテロメラーゼRNA成分に対するハンマーヘッド型リボザイムでは36リボザイムが最も効果が期待でき、これはこの標的部位がテロメラーゼ分子の表面に露出しているからであり、一方51GUA部位はすでに蛋白質複合体内に入り込んでおり、もはや標的部位とはならないことが判明した。我々は癌治療の標的分子としてテロメラーゼに注目し、ハンマーヘッド型リボザイムを用いた癌治療の可能性について検討してきた。今回hTR,hTERTに対して様々なリボザイムおよびアンチセンスRNAを作成し、その酵素活性抑制効果について比較検討した。作成したリボザイム、アンチセンスRNAは1)hTRに対してtemplate領域上下流のGUC,GUAを標的にした一価、二価のリボザイム、その切断活性除去型、このリボザイムに相当するアンチセンスRNA,2)逆転写酵素成分であるhTERTのmRNAに対しては0RF内外に7カ所のGUCに対するリボザイムについて検討した。hTRに対するリボザイムでは投与後12時間後から酵素活性抑制がみられ、24時間後にはほぼテロメラーゼ活性は消失した。投与量も5X10^5細胞あたり0.1μgで36リボザイムでは酵素活性抑制が見られた。一方hTERTに対するリボザイムではhTERTに対するリボザイムでは、そのmRNAのキャップサイトから20塩基下流のGUC配列を標的にした14リボザイムがTransientな導入実験で最も強い酵素活性抑制効果が観察された。しかし、抑制効果が得るには15μgの反復投与を要した。このリボザイムを発現ベクターpHβAPr-1-neoにサブクローニングして細胞導入したところ、同様に強い酵素活性抑制が観察された。以上より、これまで検討してきたテロメラーゼに対するリボザイムではhTRのtemplate regionに対するものが酵素活性抑制効果が最も高く、次いでhTERTのキャップサイト20塩基下流に対する14リボザイムが有用であると考えられた。これらのリボザイムを臨床応用には、いかにこのリボザイムを活性型のままで癌細胞に導入するかにかかっていると考えられる。hTR,hTERTに対して様々なリボザイムおよびアンチセンスRNAを作成し、その酵素活性抑制効果について比較検討した。
ひずみ硬化型高靭性モルタルによる木造住宅耐震用制振壁部材の開発

繊維補強セメント材料を用いた木造建物用制振壁の開発を行った。用いた壁材料は市販のFRCボードで,これに,工夫を凝らしたスリットを導入することにより,トラス機構破壊後,ラーメン機構へ移行する二つの破壊メカニズムを持たせることができた。開発した制振壁部材は,従来の一般的な面材張り壁が壁倍率2.5であるのに対し, 2.93.3と,十分な差異を有している。また減衰定数は, 1/120ラジアン時に23%を記録している。本年度の研究として、第一に壁部材の木造柱への取付方法の検討を行った。従来壁の木造軸組への取付方法について既往の金物等を調査してまとめ、これを参考に、ひずみ硬化型高靭性モルタルを軸組に取り付ける部分の詳細を決めた。現場打ちで製作するパネルの大きさが300mmx800mmの場合はボルト接合、工場製品になっているスレートの場合はビス止めとした。次に、高靭性モルタルの基礎物性の測定を行った。測定したのは、圧縮強度、引張に関する物性値(軟化開始応力、引張軟化曲線)、弾性率等である。取り付け部で最も重要なのはビスの材料端部からの縁端距離である。そこで縁端距離を15、20、25mmと三種類変えた試験体を製作し、ビスを介して荷重をかけ、破壊性状を観察した。その結果、縁端距離は25mm必要であることが確かめられた。上記の検討結果を用いて、木造フレームと高靭性モルタルを用いた載荷試験を実施した。載荷したのは、幅910mm、高さ2625mmの木造フレームだけの場合(R試験体)、そのフレームに真壁(HS試験体)または大壁(HO試験体)仕様で高靭性モルタルスレートを貼り付けたもの、現場打ち高靭性モルタルを穴あきパネルとしてボルト接合した(DP試験体)ものである。その結果、DP試験体のエネルギ吸収性能を示す等価粘性係数は1/60(rad)まで平均的に26.54%と他の試験体と比べ高い減衰性能を示した。しかし、剛性が低いため、等価耐力で比較するとHO試験体、HS試験体の方が高くなり、壁倍率表示ではDP試験体がO.88、HO試験体とHS試験体はほぼ1.9となった。以上の実験と合わせて、DP試験体の場合に関してFEMシミュレーションを行い、非線形解析によって最大の応力点とひび割れ箇所は一致することを確認した。今後、スリットを入れた試験体の製作やその解析を行う予定である。昨年度の実験結果ではエネルギ吸収性能は高いが、剛性が低いため等価耐力を高くすることが出来なかった。また壁に貼ったボードが面外にふくらみ、その面外曲げによって破壊してしまい、耐力を上げられなかった。今年度は、エネルギ吸収性能と剛性を両立させることを目標に研究を進めた。まず、壁の破壊モードについて、(1)ボードのビス回りひび割れ、(2)ボードの引張破壊、(3)ボードの剪断圧縮破壊に分類して、既往の研究と昨年の実験結果を参考に、それぞれの耐力式を確立した。なお(3)は鋼構造の充腹梁の勇断圧縮座屈の式から求めたものである。これらの耐力式が様々な条件で合うことを、小型試験体(450mm×900mm)による実験で確認した。あわせて壁のスリットを様々に変え、基準試験体、分散スリット試験体、配向スリット試験体の合計5体を載荷試験した。また構造解析汎用プログラムDIANAを用いてFEMによる構造解析を行って、スリット近辺の応力の状態を求めた。これらの結果を検討した結果、配向スリット試験体の性能が優れていたので、これを元に実大試験体を設計した。実大試験体は基準試験体(1体)、配向ボード試験体(1体)、配向ボードから発展させた双機構ボード試験体(2体)である。昨年と同様、幅910mm、高さ2625mmの木造フレームの中にこれらの特徴あるスリットを入れた繊維補強モルタルを貼った試験体で、載荷試験を実施した。その結果、双機構ボード試験体(HW)は、耐力が16.4KN,壁倍率が4.2となった。これはスリットのない従来の面材張りのフレームの壁倍率2.5よりも格段に性能の高い値である。今後、これら実験結果をまとめ、詳細な解析を行って、壁倍率が高い理由を探ると共に、モデル建物に本結果による制振壁を用いて限界状態設計法により構造解析を行う予定である。昨年に引き続き,幅910mm,高さ2625mmの木造フレームによる実大試験体の載荷試験を行った。昨年の試験体を含め,最終的に基準試験体(2体:F2,F3),分散ボード試験体(2体:HA,HS),配向ボード試験体(1体:HT),配向ボードから発展させた双機構ボード試験体(2体:HO,HW)の計7体の試験データが得られた。

その結果から,完全弾塑性モデルの各種数値,等価粘性減衰定数(heq),壁倍率を求めてそれぞれの性能を比較した。その結果,等価耐力,塑性率では,配向ボードと双機構ボードが有効であったが,壁倍率を比較すると,スリットのない一般的な7.5mm厚の面材張り壁(大壁)の壁倍率が2.5であるのに対し,スリットのある5.9mm厚の双機構ボードの壁倍率はHOが2.9,HWが3.3と2割以上の向上が見られた。またHWの減衰定数は,1/120ラジアン時に23%と大きな値を記録した。さらに破壊モードは昨年の検討で明確にした計算式によって検討した結果,計算した通り,HA,HSがせん断圧縮破壊,HT,HO,HWが引張ひび割れ破壊であり,計算式の有効性が確認された。以上の実験結果を基に詳細な解析を行って,双機構ボードの等価粘性減衰定数と壁倍率が高くなる理由を調べた。その結果,FEM解析による工夫を凝らしたスリットを導入した甲斐があり,ボードの応力場が均一になり,壁部分で最初はトラス機構が働くが,ボードひびわれの進展後,ラーメン機構へ移行する二つの破壊メカニズムを生じさせることが出来たためと判明した。開発した制振壁部材は,従来の一般的な面材張り壁の壁倍率と比較して20%以上高くなり十分な差異を有している。また等価粘性減衰定数は十分高く,制振壁として,所期の目標を達した。
複雑ネットワーク上のゲームダイナミクスの解析的研究

近年、ネットワーク科学が様々な分野で複雑なシステムを解析する方法論として取り上げられている。本研究ではネットワーク上のゲームダイナミクスについて調べた。進化ダイナミクスがネットワーク構造によってどのような影響を受けるかを明らかにした。2体相関のみを考慮するペア近似という方法を拡張することで次数分布やクラスタリング係数の効果についての近似理論を構築した。さらに様々なネットワークモデルを用いてクラスタリング係数が意味についても考察した。近年,進化生物学から統計物理学におよぶまで進化ゲームをネットワーク上に拡張したモデルの研究が行われるようになっている。特に協力行動がどのようなネットワーク構造において進化しやすいかという問題が議論されている。この問題は,古くは1992年のNowakとMayによる格子における囚人のジレンマゲームの研究に始まり,ここ数年で様々なネットワーク上に拡張され著しく発展しつつある。しかし,既存研究のほとんどは数値計算に頼ったものでネットワークのトポロジカルな性質の影響は理論的に解明されていない。そこで本研究では次数分布とクラスタリング係数に着目してその影響を解析的に調べた。次数とはネットワークの各ノードが持つリンクの数であり,クラスタリング係数とはーつのノードに着目したときそのリンク先のノード間にもリンクがある比率のことである。これらの2つの指標は近年の複雑ネットワークの研究で特に重要とされているものである。次数分布の分散が大きいことはネットワークの非一様性(不平等性)に対応し,クラスタリング係数が高ことはネットワークの凝集性の高さた対応する,ペア近似を駆使することで次数分布の分散が大きくなることはネットワーク上の拡散と,クラスタリング係数が大きくなることは次数が小さくなることと等価な効果をもたらすことを示すことができた。ゲームの利得行列として一般的な2戦略対象ゲームを用いたので,この結果は囚人のジレンマやスノードリフトゲームなどのゲームにそのまま適用できる。これらの場合,次数分布の分散が大きくなると協力行動は抑制されることが示される。クラスタリング係数の影響は場合による。近年、複雑なシステムをネットワークとして表現し、その構造と機能の関係性を調べる研究手法が盛んに用いられている。進化ゲームをネットワーク上に拡張したモデルが注目されている。特に協力行動がどのようなネットワーク構造において進化しやすいかという問題が議論されている.既存研究の多くは数値計算に頼ったものでネットワークのトポロジカルな性質がどのような影響をおよぼすかについて必ずしも明らかではない。本研究ではクラスタリング係数の影響を解析的に明らかにした。社会的なネットワークの特徴を再現するモデルとしてWattsとStrogatzのスモールワールドモデルやBaraba前とAlbertによるスケールフリーモデルが有名である。ここでは特にネットワークのクラスター性に着目するためにKimが提案したネットワークモデルを拡張したものを採用して研究をおこなった。このモデルでは初期値として連結グラフを用意し、ランダムなリンクの張替をクラスタリング係数が大きくなるようなバイアスをかけて繰り返し行う。このようすることで次数分布が指定されたランダムネットワークからクラスタリング係数の高いものを抽出できる。モデルを用いた数値計算とペア近似による理論解析によってクラスタリング係数の増加が進化ゲームの共存解が存在する領域を減少させることが証明できた。さらに複雑ネットワークにおけるクラスタリング係数の数値の意味を考察した。クラスタリング係数は定義が比較的簡単なためクラスター性の指標としてよく用いられているが、その数値を比較・評価するのは必ずしも容易ではないことがわかった。この結果は複雑ネットワークの構造自体についても新しい知見を与えている。近年、複雑なシステムをそのネットワーク構造に着目して研究する手法が盛んに用いられている。システムの構成要素同士のつながり関係を見ることで、その構成要素が担う役割を調べ、システム全体の機能を解析する。ここではネットワーク上のダイナミクスとして進化ゲームを中心に考えた。特に協力行動がどのようなネットワーク構造において進化しやすいかという問題が着目される。このような協力行動の進化の問題は進化生物学における基礎的問題の一つであり、社会科学的にも人間関係構造の問題として重要だからである。本研究ではネットワークを特徴付ける指標としてクラスタリング係数について考察した。クラスタリング係数の定義はいくつか知られており、どの定義を用いるかで結果が異なっていた。モデルとしてはKimが提案したネットワークモデルを拡張したものを採用している。このモデルによって次数分布が指定されたランダムネットワークからクラスタリング係数の高いものを作成できる。数値計算とペア近似を駆使した理論解析によってクラスタリング係数とゲームダイナミクスの定常解がどのように相関しているかを調べた。クラスタリング係数は定義が比較的簡単なためクラスター性の指標としてよく用いられているが、その数値を比較・評価するのは必ずしも容易ではない。さらなる研究の必要も見出され、社会構造と人間関係について新しい知見を与える手応えが得られた。
骨形成蛋白(BMP)の新しい薬物伝達系を利用した非骨移植脊椎固定術の開発

本年度は,脊椎後側方固定におけるPLA-DX-PEG/β-TCP compositeのrhBMP-2に対する担体としての有用性を検証する為,家兎を用いた実験を行った.以下にその進歩状況につき記述する.前年度,粘土状の骨形成性人工骨・rhBMP-2/PLA-DX-PEG,/β-TCP compositeを使用し,家兎の腰椎後側方固定術を行った.その結果,この新しいインプラントの使用により移植部位に旺盛な新生骨形成を認め,片側につき最低15μgのrhBMP-2の使用において100%の脊椎固定率が得られた.過去の家兎脊椎固定術の報告では,BMP所要量は約100μgであり,それらと比し新しいインプラントの使用によりBMP量を約1/6に減量できた.そこで本年度はさらにBMP所要量を低減するために,BMPの骨形成作用を増強させる薬物を併用することを試みた.我々は過去にプロスタグランディンE2 EP4レセプターアゴニスト(EP4A)がBMPの骨形成効果を増強することを証明している.このEP4AをBMPと共にPLA-DX-PEG/β-TCPに混合し,家兎脊椎固定術に使用,BMPとEP4Aを同時に局所で徐放させ,さらに低容量のBMPでの脊椎固定術を行った.インプラントはEP4A・rhBMP-2・PLA-DX-PEG・β-TCPを混合,攪拌して作成.これを手術により,家兎の腰椎両側横突起間に架橋するよう埋植した.インプラント一つに対するBMPの含有量は7.5,3.75μgの2種,それぞれEP4A 45μgを混合した群,しない群を作成した。評価は2週毎の単純X線,CT撮影,6週後に屠殺,腰椎摘出し,徒手検査での脊椎固定率の評価,力学試験での定量的評価,脱灰標本での組織学的検討を行った.本実験により,BMPの骨形成作用を増強する薬剤の局所徐放の併用により,さらに低用量のBMPで脊椎固定が可能となることが示された.臨床使用を念頭に置けば,高価なBMPをより有効に使用するための有効な方法である.本年度は,脊椎後側方固定におけるPLA-DX-PEG/β-TCP compositeのrhBMP-2に対する担体としての有用性を検証する為,家兎を用いた実験を行った.以下にその進歩状況につき記述する.rhBMP-2,PLA-DX-PEG,β-TCPを混合,攪拌し,粘土状の骨形成性人工骨を作成,これを手術により,家兎の腰椎両側横突起間に架橋するよう,埋植した.インプラント一つに対するBMPの含有量を,30,15,7.5μgとした群を作成,各々n=5とした.また,対照群として,BMP非含有の群と,自家腸骨移植を行った群を作成した.評価は2週毎の単純X線,CT撮影,6週後に屠殺,腰椎摘出し,徒手検査での脊椎固定率の評価,力学試験での定量的評価,脱灰標本での組織学的検討を行った.その結果,X線像において,BMP30μg,15μg群ではインプラント埋植部の経時的な骨形成像を認めた.6週後摘出検体においては徒手検査でのBMP3μg,15μg群の脊椎固定率は100%であり,BMP7.5μg群,BMP非使用群,自家骨移植群は各々,40%,0%,40%であった.力学試験における評価では,BMP30μg,15μg群はBMP非使用群と比し,有意に高い強度を示した.組織学的検討ではBMP15μg群において横突起間の新生骨による架橋を認めたが,BMP非使用群において新生骨は認めず,残存したβ-TCPを認めた.本実験では,同じく家兎を使用した過去の報告と比し,脊椎固定に要するBMP量は約1/6と顕著に少なく,PLA-DX-PEG/β-TCP compositeのrhBMP-2に対する担体として有用性が示された.次年度は,さらに大型の動物を使用し,その有用性を検証する予定である.本年度は,脊椎後側方固定におけるPLA-DX-PEG/β-TCP compositeのrhBMP-2に対する担体としての有用性を検証する為,家兎を用いた実験を行った.以下にその進歩状況につき記述する.前年度,粘土状の骨形成性人工骨・rhBMP-2/PLA-DX-PEG,/β-TCP compositeを使用し,家兎の腰椎後側方固定術を行った.その結果,この新しいインプラントの使用により移植部位に旺盛な新生骨形成を認め,片側につき最低15μgのrhBMP-2の使用において100%の脊椎固定率が得られた.過去の家兎脊椎固定術の報告では,BMP所要量は約100μgであり,それらと比し新しいインプラントの使用によりBMP量を約1/6に減量できた.そこで本年度はさらにBMP所要量を低減するために,BMPの骨形成作用を増強させる薬物を併用することを試みた.我々は過去にプロスタグランディンE2 EP4レセプターアゴニスト(EP4A)がBMPの骨形成効果を増強することを証明している.このEP4AをBMPと共にPLA-DX-PEG/β-TCPに混合し,家兎脊椎固定術に使用,BMPとEP4Aを同時に局所で徐放させ,さらに低容量のBMPでの脊椎固定術を行った.インプラントはEP4A・rhBMP-2・PLA-DX-PEG・β-TCPを混合,攪拌して作成.

これを手術により,家兎の腰椎両側横突起間に架橋するよう埋植した.インプラント一つに対するBMPの含有量は7.5,3.75μgの2種,それぞれEP4A 45μgを混合した群,しない群を作成した。評価は2週毎の単純X線,CT撮影,6週後に屠殺,腰椎摘出し,徒手検査での脊椎固定率の評価,力学試験での定量的評価,脱灰標本での組織学的検討を行った.本実験により,BMPの骨形成作用を増強する薬剤の局所徐放の併用により,さらに低用量のBMPで脊椎固定が可能となることが示された.臨床使用を念頭に置けば,高価なBMPをより有効に使用するための有効な方法である.
自己組織能を有する金属錯体の機能化

本研究では、Lehnらの自己組織化とは異なる「金属イオンが関与する自己組織化」を確立することを研究目的にしている。その基本概念は、単一の金属錯体それ自身が自己組織化能を内在し、外部情報の入力により自己組織化が誘起し、さらに単核構造と自己組織化された集合構造との間に相互変換が可能な自己組織化金属錯体の構築である。このような系では、外部情報の出し入れに対応して単核構造と自己組織化した集合構造との間に相互変換が可能であり、材料としての機能に動的なスイッチ機能が付加する。三座配位子(ヒスタミンと6-メチル-2-ピリジンカルボキシアルデヒドからなる三座シッフ塩基配位子)について検討した。プロトンの付加した単核錯体並びに脱プロトン化した自己組織化錯体の結晶構造を決定した。その自己組織化錯体は環状六核構造をもちその中央に空洞を有しているが、なにも包接されていない。本系では、プロトンの付加と解離により相互変換が生じる。単核錯体は750nmにd-d吸収帯をもち、六核錯体は640nmにd-d吸収帯をもつ。単核錯体のメタノール溶液に水酸化ナトリウム水溶液を滴下していくと、690nmに等吸収点をもつ単核種から六核種へのスペクトル変化が観測される。同じ配位子で金属イオンをPd(II)にすると環状4核構造が形成する。この例は、金属イオンの配位構造の違いが、自己組織化構造に違いをもたらすことを示している。[pH変化により多様な組織構造が形成される錯体系の合成および組織構造の機能性]本年度は、自己組織化に重点をおいて、どのような分子設計を施せば、目的とする組織構造を意図的に構築することができるかを探った。自己組織構造構築の条件を幼児玩具レゴブロックトノ相同性にもとめた。その条件として(1)凹凸を持つこと。(2)繋ぎ方が数通りあり多種類の構造物ができる可能性があること。(3)ばらばらに分解できること。を設定した。この条件を満足する錯体として、イミダゾール部位のプロトン解離により誘発されるイミダゾレート架橋構造構築に伴う自己組織構造に焦点をあてた。イミダゾール部位を含む四座配位子、三座配位子の銅(II)錯体[Cu(HL)]^+を合成した。この種の錯体は、高pH領域でのイミダゾールプロトン解離による特異構造を形成する。四座配位子系では、一次元鎖状高分子構造形成を、三座配位子系では四核構造が形成されることを見いだした。このことを磁化率の温度変化、結晶構造決定等で確立した。本年度は、金属錯体が自己組織化能を持つための基本的条件を詳細に検討し、「どのような分子設計を施せば自己組織能をもつのか」という問題に対する明快な定式化を行った。イミダゾールを含む四座配位子からなる銅(II)錯体は、配位供与性と配位受容性を兼ね備えた化合物であり、自己組織化する可能性をもっている。この化合物は酸性条件下では単核錯体として存在するが、アルカリ条件下ではイミダゾールプロトンが解離して配位供与性が現れて、自己組織反応が誘起される。理論的に予想されたように、軸位からの配位を受け入れる配位受容性能力と面内配位子場強度は逆の相関があることが、電子スペクトル、ならびにX線結晶構造決定から得られた金属まわりの結合距離の解析から明らかになった。配位子場強度は成分基により制御することができ、サリチルアルデヒドを含むtypeA型錯体とアセチルアセトンからなるtypeB型錯体とに分類することができた。typeAはより面内配位子場が弱く、typeBは面内配位子場が強い。これに対応して、typeAでは面内配位子場が弱いために、軸方向からの配位を受け入れる能力が増大し、安定な自己組織化錯体が得られる。

一方、typeBでは、面内配位子場が強いために、自己組織化しにくい。pH滴定を行ったところ、typeAでは、正滴定、逆滴定でヒステリシスが見られるのに対して、typeBでは正滴定、逆滴定がよい一致を示した。脱プロトン化したtypeBは固体状態で緑色、溶液中で赤色を呈し、スペクトルより溶液中では平面四配位、固体状態で四角錐型五配位構造をとっている。本研究では、Lehnらの自己組織化とは異なる「金属イオンが関与する自己組織化」を確立することを研究目的にしている。その基本概念は、単一の金属錯体それ自身が自己組織化能を内在し、外部情報の入力により自己組織化が誘起し、さらに単核構造と自己組織化された集合構造との間に相互変換が可能な自己組織化金属錯体の構築である。このような系では、外部情報を出し入れに対応して単核構造と自己組織化した集合構造との間に相互変換が可能であり、材料としての機能に動的なスイッチ機能が付加する。三座配位子(ヒスタミンと6-メチル-2-ピリジンカルボキシアルデヒドからなる三座シッフ塩基配位子)について検討した。プロトンの付加した単核錯体並びに脱プロトン化した自己組織化錯体の結晶構造を決定した。その自己組織化錯体は環状六核構造をもちその中央に空洞を有しているが、なにも包接されていない。本系では、プロトンの付加と解離により相互変換が生じる。単核錯体は750nmにd-d吸収帯をもち、六核錯体は640nmにd-d吸収帯をもつ。単核錯体のメタノール溶液に水酸化ナトリウム水溶液を滴下していくと、690nmに等吸収点をもつ単核種から六核種へのスペクトル変化が観測される。同じ配位子で金属イオンをPd(II)にすると環状4核構造が形成する。この例は、金属イオンの配位構造の違いが、自己組織化構造に違いをもたらすことを示している。
短波長Ｘ線回折による精密構造解析と分子軌道観測

本研究は、1実験室における高周期元素化合物結晶の高精度・高確度X線回折法の開発、2分子軌道分布の直接観察法開発を目的として行っている。今年度は、ケイ素間、炭素-硫黄間の多重結合のπ軌道の観測、結合の性質を中心に研究を行った。また、高精度なX線結晶構造解析を担当し、当該新学術領域研究班員と共同研究を行った。以下の平成26年度の成果について述べる。1.Si間多重結合のπ軌道観測Trans-bent構造をもつ、ジシリンおよびジシランは、アセチレンやエチレンに見られる対称的なπ軌道とは異なり、trans方向に歪んだπ結合を有することが計算化学により予測されている。この軌道を実験的に観測することを目的に、ジシリン、ジシランについて電子密度分布解析を行った。ジシリンは、trans-bentした面内のπ軌道が歪み、もう一方のπは対称的である。電子密度分布解析の結果、trans-bent方向の軌道の歪みを観測することができた。しかし、σ軌道とπ軌道の分離ができないために、明瞭な結果は得られなかった。Si間二重結合を有するジシレンについても、歪んだπ結合を観測できた。結合距離が三重結合に比べ長いこと、結合を形成する電子の総数が少ないことから、電子密度がジシリンに比べ疎になり、σ結合の電子密度分布を分離しなくても、明瞭なπ結合が観測された。2.チオアロイルカチオンにおけるC-S結合チオアリロイルカチオンは、アロイルカチオンとは異なりC-S間で三重結合の寄与はないとされている。ところが、メシチレン環上にC+=S基をもつ化合物の電子密度分布解析を行った結果、C-S結合において、二重結合を形成するメシチレン環面内のπ結合だけでなく、これに垂直なπ結合も観測された。結合楕円率から、メシチレン環に垂直なπ結合の寄与はベンゼン環中のC-C結合におけるπ結合程度であると見積もることができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、1実験室における高周期元素化合物結晶の高精度・高確度X線回折法の開発、2フロンティア軌道分布の直接観察法開発を目的として行っている。今年度は、電子占有率の少ない軌道を高精度に観測できるデータ収集法の開発を行った。以下の平成25年度の成果について述べる。1.一重項ビラジカルの電子密度分布解析: P-C-P-Cによる4員環一重項ビラジカルにおいて、不対電子は主として4員環内の炭素原子の2p軌道に存在していると考えられる。そこで、この骨格を持つビラジカル2種の高精度単結晶X線構造解析、および、多極子展開法による電子密度分布解析を行った。この結果、解析した2種のビラジカルから同じ特徴の電子密度分布が得られた。不対電子は4員環上の炭素原子の2p軌道にほぼ局在化していることが実験的に明らかにした。また、4員環の中心にring critical pointが見られ、2つのラジカルの間に結合がないことを示すことができた。2.テトラアザポルフィリンの構造解析:当該研究領域のメンバーと共同研究で、結晶溶媒を多く含むために高精度な結晶構造解析が困難にあった、中心にリン原子が結合したテトラアザポルフィリン誘導体の構造解析を行った。その結果、激しく乱れた溶媒分子も含め解析に成功した。3.ジブロモジシレンとNHCの反応生成物の構造解析:空気中で不安定で構造および組成未知なジブロモジシレン-NHCの反応生成物微小結晶(0.14 x 0.03 x 0.01 mm)の構造解析に成功した。結晶のハンドリングには、顕微鏡横に導入した真空ライン等の不安定試料ハンドリングシステムを活用した。これによって、ハンドリングが困難なため、解析に堪える回折データ取得が困難であった、不安定微小結晶の測定と解析が可能になった。

2.チオアロイルカチオンにおけるC-S結合チオアリロイルカチオンは、アロイルカチオンとは異なりC-S間で三重結合の寄与はないとされている。ところが、メシチレン環上にC+=S基をもつ化合物の電子密度分布解析を行った結果、C-S結合において、二重結合を形成するメシチレン環面内のπ結合だけでなく、これに垂直なπ結合も観測された。結合楕円率から、メシチレン環に垂直なπ結合の寄与はベンゼン環中のC-C結合におけるπ結合程度であると見積もることができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。イメージングプレートを検出器としたX線回折装置にAgターゲットを導入し、吸収の少ない条件下で実験を行う予定であったが、当該装置に故障が相次ぎH25年度内に、この装置を利用した測定が行えなかった。一方、試料のハンドリング環境の整備が順調に進んでおり、成果に結び付けることができた。MoKa線を用いた実験ではあるが、微小な結晶を利用して、ビラジカル種の不対電子が占有している軌道を観測することに成功した。この測定およびデータ処理手法を用いて今後の研究を進めたい。H25年度に行えなかった、Agターゲットによる実験を行い測定条件を最適化する。良好な測定ができるようであれば、光照射による、HOMOの電子密度の減少、LUMOの電子密度増加をとらえ、HOMO-LUMOの分布を観測する手法開発を目指す。
水平伝播を利用した次世代型クローニング技術の開発

水平伝播を利用した次世代型クローニング技術開発に向けて、供与菌(大腸菌)と受容菌(枯草菌)の適切な培養条件を確立するとともに、安定なDNAの移行操作についての菌株の種類やヌクレアーゼ阻害剤の効果を明らかにすることができた。特にビルレントファージ(λgt10)による溶菌システムを開発したことで、プラスミドを保持する既存の大腸菌株(ライブラリー)を手軽に使用することが可能となった。さらにエキソヌクレアーゼが高効率化のための促進剤として効果的であることも判明した。以上本研究によりDNAを精製せずに簡便に他の宿主に移行させる「水平伝播を利用したクローニングシステム」の基盤技術を確立できた。当該年度(平成24年度)は、「水平伝播を利用したクローニングシステム」の汎用性をさらに拡大させ、一般の大腸菌DNAライブラリーを供与菌として使用できるシステムの構築を行った。これまではλ溶源性の大腸菌株であったため、市販の大腸菌ライブラリーを直接使用できなかった。今年度はλgt10を用いたビルレントファージ(virulent phage)による溶菌システムの構築を試みた。感染させるファージの量と大腸菌の培養条件を調整することで、効率よく供与菌を溶菌させる条件を検討した。結果としてMOI(ファージ/大腸菌)が24で感染させると約2時間で溶菌が生じ、プラスミドDNAを効率よく溶液中に放出することを確認した。これにより培養温度を一定(37°C)として供与菌(大腸菌)から受容菌(枯草菌)へ簡便にDNAを水平伝播させることが可能となった。様々な大腸菌株で枯草菌への水平伝播実験を行った結果、ヌクレアーゼ(endA)欠損株を用いることで、溶液中に放出されたプラスミドDNAが30時間後でも安定して枯草菌へ移行できることを見出した。通常使用されている大腸菌株はendA欠損株であることが多く、一般の大腸菌DNAライブラリーにおいて非常に安定的に運用できるものと期待される。以上の汎用性システムを確立した上で、BAC(Bacterial Artificial Chromosome)ライブラーを保持する市販の大腸菌(DH10B)を用いた水平伝播クローニングを実施した。BACクローンとして以前の研究で使用したマウスゲノム110kbを有する環状DNAを使用した。受容菌は制限修飾酵素が欠損し、マーカーのないDNAを組み込むためのポジティブセレクションを可能にする枯草菌株を使用した。結果として枯草菌への水平伝播は生じるものの、バックグラウンドが高く、さらに選択法を工夫する必要があった。当該年度(平成25年度)は「水平伝播を利用したクローニングシステム」の効率を向上させるための条件検討を重点的に行なった。昨年度までに供与菌(大腸菌)が持つヌクレアーゼ(endA)が、溶菌液中でのDNA安定性に大きく影響することが認められたので、ヌクレアーゼ阻害剤の効果を検討した。その結果エンドヌクレアーゼ阻害剤の一つであるオーリントリカルボン酸(ATA)を加えることでendA保持株でも大腸菌から枯草菌への安定な水平伝播が可能になった。また溶菌液中には供与菌(大腸菌)のゲノムも大量に放出されており、受容菌(枯草菌)へのDNA取込みにおいて競合阻害を引き起こしていると予想されたため、ゲノムDNAを除去する目的でエキソヌクレアーゼを溶菌液に加えたところコロニー形成率が2倍10倍に上昇し、促進剤として有効であることも判明した。以上、「水平伝播を利用したクローニングシステム」の汎用性の拡大、クローニング効率上昇について一定の成果を上げることができた。これらの条件は複数の連続的なクローニングを行なう上で重要であり、従来の手法を簡略化、迅速化する上で非常に有効である。しかしながら複数の供与菌を同時に混合する手法については受容菌(枯草菌)の選択方法を工夫する必要がある。2つのcIリプレッサー遺伝子を用いたポジティブセレクション法は有効であったが、更なる選択法の改善を今後検討して行かなければならない。以上3年間の研究により、「水平伝播を利用したクローニングシステム」の基盤技術を確立することができた。これまでの研究で高効率化の条件や遺伝子集積、ゲノム合成に向けた様々な可能性を引き出すことができた。今後、本研究内容をさらに進展させ、より実用的なクローニング技術として確立させて行くとともに様々な応用範囲(供与菌と受容菌の組み合わせなど)を拡大させて行きたい。当該年度(初年度)では、GFP遺伝子を有するプラスミドを用いたモデル実験系を基盤として供与菌(大腸菌)から受容菌(枯草菌)へ水平伝播により効率良くDNAを移行させるための詳細な条件検討を行った。供与菌(温度感受性ラムダ溶源大腸菌株)について、溶菌させる温度を検討した結果、42°Cにおける溶菌が最も効率が良いことが判明した。また溶菌開始後12時間での水平伝播が最も効率の良いことが示された。

これは溶菌液中に放出されたプラスミドDNAの安定性に依存する結果だと推測される。80°C100°C(ボイル)による溶菌では、コロニーがほとんど得られず、受容菌へのDNA移行(水平伝播)効率が低いことが判明し、ラムダによる溶菌が重要であることが示された。大腸菌の菌株については当初使用したRecA+株(LE392)以外に、一般に大腸菌宿主として用いられるRecA-株についても供与菌として水平伝播に使用できることを確認した。この結果は今後一般的なDNAのクローニング技術として本技術を利用する場合、想定外の組み換え反応を防げるという意味で汎用性拡大に繋がる成果である。一方受容菌(枯草菌)については、最も形質転換効率が上昇するタイミングを詳細に検討した。菌株や振等速度、温度にもよるが、37°Cの場合、培養開始後45時間でピークに達し、その後急速に低下する。安定した水平伝播を実現するため、同一条件下で大量の高効率コンピテントセルを作成、凍結保存し、水平伝播に用いる系を構築した。制限修飾系酵素欠損株RM125株を使用することで移行させるDNAの汎用性を上げることを可能にした。以上、今年度の研究により供与菌、受容菌ともに効率向上、汎用性拡大に繋がる培養条件を確立することに成功した。当該年度は「水平伝播を利用したクローニングシステム」をさらに一般的に使用できるようにするため、ビルレントファージ(virulent phage);λgt10を用いた供与菌の溶菌システムの構築を行った。結果としてファージを感染させるタイミングと量が明らかとなり、市販の大腸菌ライブラリーにも対応したクローニングシステムの構築に成功した。ビルレントファージを用いる方法では、供与菌の培養温度を変えることなく溶菌を誘導できるので、より簡便に操作することが可能である。また様々な大腸菌株を用いた水平伝播実験を実施したところ、ヌクレアーゼ(endA)欠損株を供与菌として用いた場合、長時間(30時間)でも非常に安定に受容菌にプラスミドDNAを移行できることが判明した。この結果は市販の大腸菌ライブラリーを使用する時の注意点として重要である。もっとも通常遺伝子工学で使用される大腸菌株はヌクレアーゼ(endA)欠損株であることが多いので、このシステムは十分汎用性があると考えられる。ビルレントファージを用いた水平伝播クローニングシステムを大腸菌BACクローンに適用した。用いたBACは以前の研究で使用したマウスゲノム110kbを有する巨大環状DNAである。一方受容菌は昨年使用した制限修飾酵素を欠損した枯草菌株由来で、さらにBACのような枯草菌でのマーカーを持たないDNAを選択(ポジティブセレクション)できるように構築した株を使用した。結果として、水平伝播したコロニー(枯草菌)を取得できることは示せたものの、バックグラウンドが高いため今後選択法をさらに工夫する必要があると思われた。以上、今年度は当初予定していた通りのペースで本計画が進行しており、お旨順調に進展していると判断できる。当該年度は既に構築されたモデル実験系を用い、クローニング技術の効率向上、汎用性を広げるための詳細な条件検討を目標にしている。
ジョセフソン磁束状態の相転移とサイズ効果

高温超伝導体の超伝導状態の理解には、高品質の単結晶における実験結果が必要不可欠である。しかしながら、現実には、完全にピン止め効果を排除することは不可能である。そこで、できる限り理想的な状況を作るため、表面バリヤ効果を排除することが不可欠である。このような実験はこれまで行われることはなかった。高温超伝導体の最も大きな特徴である強い2次元的な超伝導状態は磁場中での超伝導状態に大きな影響を与える。2次元異方性が最も強いBi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>系ではその効果が極めて顕著で、磁束状態の相図がもはや従来の金属系の磁束相図とは全く異なった様相を呈する。さらに、磁場が2次元面に平行であるとき、ジョセフソン磁束を形成し、温度、磁場などの関数として様々な相が発現すると考えられている。磁場が少し傾くと、交叉磁束状態が発現し、パンケーキ磁束のピン止め効果が加わり、現象はさらに複雑になっていく。本研究では、表面効果を排除する方法として電気抵抗測定にはコルビノ法を、交流磁気応答の測定には微小コイル磁気透磁率法を使った。その結果、パンケーキ磁束状態から交叉磁束状態、ジョセフソン磁束状態まで、固体状態から液体状態に渡る全角度領域でBi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>系の磁束状態の相図を解明することができた。その中で特徴的なことは、1.ジョセフソン磁束状態には磁場の強さによって2相が存在し、その間は2次の相転移の可能性が強いこと2.交叉磁束状態にピーク効果が見られること3.磁束液体状態に2相存在し、ピン止め効果により誘起される相転移と考えられること4.高磁場のジョセフソン液体領域でのダイナミックスがパンケーキ液体状態と全く異なること等である。このように、本研究によってジョセフソン磁束状態の相図に関する新しい知見が得られ、高温超伝導体の磁束状態の理解に大きく貢献した。磁場中における高温超伝導体の磁束状態は従来の超伝導体と比較し、きわめて特徴的な違いがあることが明らかにされてきている。その中で最近明らかになった最も重大なことは、コヒーレンス長が従来の超伝導体より12桁短いため、結晶構造に由来する層状性が超伝導の空間的対象性を破ってしまい、もはや、3次元的なスケーリング則が成り立たないことにある。磁束状態の相転移にそのままこれが反映されており、c-軸方向で観測される1次相転移である磁束格子融解転移は、すなわち、スケーリング則によってそのままab-軸方向の議論に適用できないことを意味している。このことは、予想されるc-軸方向の相転移からそれをそのまま投影した相転移とは全く違った性質の相転移がab-面方向で起こっても不思議ではないことを示唆している。我々はこれまで行ってきたコルビノ法を用いた電気抵抗測定や微笑コイル法による磁気応答の精密な実験的研究から典型的な2次元性の強い高温超伝導物質(異方性パラメーター-γ300-500である。)であるBi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>においてこのような結論に最近到達した。さらに最近、これらの結果から、ab-面内ごく近傍においてc-軸方向の相図からは予想できない新しい1次相転移線の存在が磁束線固体相内で発見された。

この相転移はKoshelevや後にSavel'evらによって明らかにされたように、磁束パンケーキの磁束格子とジョセフソン磁束格子の交叉磁束におけるピン止め相互作用によるものである。磁場がab-面内のロックイン角内にあるとき、T_c以下数Kでは1次相転移が復活することも実験的に明らかになった。これは、T_c近傍では現象に支配的な長さのスケールが発散的に長くなるので、層状性はもはや失われ、連続的となり、スケーリング則が復活し、1次転移が復活すると理解できる。また、スメクティック相の存在も予想されている。高温超伝導体の最も大きな特徴である強い2次元的な超伝導状態は磁場中での超伝導状態に大きな影響を与える。2次元異方性が最も強いBi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>系ではその効果が極めて顕著で、磁束状態の相図がもはや従来の金属系の磁束相図とは全く異なった様相を呈する。さらに、磁場が2次元面に平行であるとき、ジョセフソン磁束を形成し、温度、磁場などの関数として様々な相が発現すると考えられている。磁場が少し傾くと、交叉磁束状態が発現し、パンケーキ磁束のピン止め効果が加わり、現象はさらに複雑になっていく。できる限りピン止め効果を排除するため、高品質の単結晶を用いるが、完全にピン止め効果を取り除くことは現状では不可能である。また、Bi系の試料の場合、試料の端がピン止め効果を示す表面バリア効果があるのでそれを排除しなければならない。このような実験的な要請を満たす研究はこれまで行われていない。本研究では、表面効果を排除する方法として電気抵抗測定にはコルビノ法を、交流磁気応答の測定には微小コイル磁気透磁率法を使った。その結果、パンケーキ磁束状態から交叉磁束状態、ジョセフソン磁束状態まで、固体状態から液体状態に渡る全角度領域でBi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>系の磁束状態の相図を解明することができた。その中で特徴的なことは、1.ジョセフソン磁束状態には磁場の強さによって2相が存在し、その間は2次の相転移の可能性が強いこと2.交叉磁束状態にピーク効果が見られること3.磁束液体状態に2相存在し、ピン止め効果により誘起される相転移と考えられること4.高磁場のジョセフソン液体領域でのダイナミックスがパンケーキ液体状態と全く異なること等である。このように、本研究によってジョセフソン磁束状態の相図に関する新しい知見が得られ、高温超伝導体の磁束状態の理解に大きく貢献した。
新たなマウスH-43抗原系を用いた自己MHC拘束性T細胞レパ-トリ-形成の機構解明

本年度は研究計画(1)で挙げた抗H-43^a及び抗H-43^bCTLのクロ-ンを作製し、そのTCRレセプタ-解析を行う予定であったが、安定なCTLクロ-ン作製に時間を費やし、現時点において約20種の株を樹立するにとどまった。今後は、それぞれのクロ-ンの表面マ-カ-を検索すると共に、TCRのV_βファミリ-を各種V_βgeneや抗V_βモノクロナ-ル抗体をprobeとして追求する予定である。研究計画(2)に挙げた骨髄キメラマウスを用いての抗H-43CTL応答におけるMHCクラスI拘束性の追求では満足すべき進展が得られた。すなわち抗H-43^a及び抗H-43^b両CTL応答とともに約21種のMHCクラスI分子中のH-2K^b(K^b)とK^p and/orD^pでのみ拘束されて出現するがF_1→Parent骨髄キメラ成立によって胸腺のMHC型とは異なるが不応答(自己寛容)となったクラスI分子に拘束される抗H-43TCRレパ-トリ-を検索した結果、やはりK^bとK^p and/or D^pにのみ拘束されてCTL応答が出現することを確認した。K^bとK^p and/or D^p以外のMHCクラスIは拘束分子たり得ないblind spot(BS)であるが、これらの成績よりblind spotの起因が胸腺でのnegative selectionやpositive selectionに依存するものではないことが示唆される。言いかえれば、抗H-43^<a,b>CTLのMHCクラスI拘束性において観察される一大特性はTCRレパ-トリ-のレベルではなく抗原提示のレベルで決定されることが明らかになった。
溶液内擬縮退系に適した多配置型電子状態理論と溶液積分方程式理論の融合と展開

本研究では、溶液内の擬縮退した複雑な電子状態の記述法としての多配置型電子状態理論、および、溶液内あるいは生体内などの環境の効果を有効に取り込み、自由エネルギー面を構築する溶液積分方程式理論の手法をあわせ開発し、溶液内の生体系・遷移金属系で、従来の方法では十分に明らかにすることのできない問題に適用することを目的としている。本年度は、方法論の開発として、擬変分法に基づくRISM-SCFおよび3D-RISM-SCFへの状態平均多配置SCF法の導入、および、3D-RISM法における溶媒分子配向を取り込んだ溶媒和自由エネルギー表式の導出と評価、等を行った。また、これまでに開発した手法を基に、(1)トルエン溶液中のペンタセンジケトンの光解離反応の研究、(2)KcsAカリウムイオンチャネルのイオン選択性におけるイオン間相互作用の研究、等を行った。(1)では、有機電解トランジスターのp型半導体材料として利用されるペンタセンの前駆体6,13-ジヒドロ-6,13-エタノペンタセン-15,16-ジオンのトルエン溶液中での光分解反応について調査した。その結果、2つの可能な反応経路を明らかにした。1つはS1に励起した後、S1/S0の交差点を経由し、S0状態でC-Cα結合が解離するもの、もう1つはS1からT1に項間交差し、T1状態でC-Cα結合が解離するものである。(2)では、KcsAカリウムイオンチャネルのK+イオンへの選択性に対するイオン間相互作用の影響を調査した。K+イオンの最小自由エネルギー経路に沿った、1つのイオンを陽溶媒として移動させた自由エネルギープロファイルは、K+イオンとNa+イオンの聞にエネルギー的な違いは確認されず、一方、陽溶媒として扱うイオンの数を2つすると、K+/K+とNa+/Na+の組み合わせでは、異なる自由エネルギープロファイルを示すことを明らかにした。本年度は、研究実施計画に従い、多配置型波動関数理論および擬縮退系の相対論的電子状態理論の開発を行った。多配置型波動関数理論として、多配置SCF法の一種であるoccupationrestrictedmultiple active spaces (ORMAS)SCF法を拡張した、一般化ORMAS-SCF法を開発した。一般化ORMAS-SCF法では、従来のORMASを完全活性空間(CAS)の積和空間ととらえ、これを一般活性空間の積和空間とすることによって拡張している。また、擬縮退系の相対論的電子状態理論として、これまで開発してきた四成分相対論的摂動論relativistic GMC-QDPT法の効率的な近似形式を新たに導出し、分子系に適用した。この近似形式では、GMC-QDPTのエネルギー分母の一部を中間状態に依存しない近似形とすることによって計算が高速化される。新たな近似形式では、内部縮約励起状態とターゲット状態とのエネルギー差をエネルギー分母の近似として用いている。評価に用いた分子系では、励起エネルギーで誤差約0.1 eVの精度を得た。なお、非相対論に対応するGMC-QDPTの近似形式の開発も同時に行っている。多配置型波動関数理論、擬縮退系の相対論的電子状態理論の開発、いずれの項目においても予定した手法の開発を当該年度中に行うことができた。本年度は、初年度の成果を基に、多配置型波動関数理論である一般化ORMAS-SCF法をの活性空間定義をさらに一般化するとともに、擬縮退理論GMC-QDPT法の新たな近似形式を開発しプログラムを整備した。また、これらの手法を基盤として、(1)分子動力学法および3D-RiSM法によるCBM36の糖鎖結合に対するイオン種依存性の研究、(2)3D-RISM-SCF法によるブルッカーメロシアニンの選択的溶媒和と電子状態に関する研究、(3)3D-RISM-SCF法による金属錯体の溶液内での溶媒和構造および擬縮退電子状態の研究等を行った。(1)では、セルロースやキシラン等の糖鎖を選択的に結合し、酵素の触媒モジュールの基質認識を助ける働きをもつ糖質結合モジュール(CBM)について、分子動力学シミュレーションと積分方程式理論3D-RISM法を用いた自由エネルギー解析を行い、キシラン結合のメカニズムおよびキシラン親和性に対するイオン種依存性の解明を行った。CBM36のキシランに対する親和性は、結合サイトにあるイオンとキシランのヒドロキシ酸素、結合サイト近傍の親水性アミノ酸残基、および、水間の相互作用による自由エネルギー均衡によって決定されることなどを明らかにした。(2)では、3D-RISM-SCF法を溶液内分子への選択的溶媒和の問題に適用し、水/メタノール混合溶媒中におけるブルッカーメロシアニンの励起エネルギーの非線形的挙動のメカニズムを明らかにした。

(3)では、3D-RISM-SCF法を用いて3d金属錯体の溶液内での構造、溶媒和構造、擬縮退電子状態を明らかにした。多配置波動関数理論、擬縮退系の相対論的電子状態理論の開発が計画通り進行した。また、開発した手法を基盤として、生体系・溶液内の遷移金属系への適用を計画通り実施することができた。本研究では、溶液内の擬縮退した複雑な電子状態の記述法としての多配置型電子状態理論、および、溶液内あるいは生体内などの環境の効果を有効に取り込み、自由エネルギー面を構築する溶液積分方程式理論の手法をあわせ開発し、溶液内の生体系・遷移金属系で、従来の方法では十分に明らかにすることのできない問題に適用することを目的としている。本年度は、方法論の開発として、擬縮退摂動論GMC-QDPTを、RISM法とスピン軌道相互作用diabatic摂動論と組み合わせることによる、スピン軌道相互作用と溶媒の両効果を含む形式への拡張、擬縮退摂動論に基づく相対論二成分法の定式化と数値的評価を行った。また、開発した手法を基に、(1)プルシアンブルー・ナノ粒子の吸着サイトに関するイオンサイズ依存性、(2)ATP加水分解反応における水和効果と塩効果、(3)VHH抗体による亜鉛イオン親和性の解析等を行った。(1)では、放射性Cs+を選択的に吸着する吸着材として期待されるプルシアンブルーについて、電解質溶液中のアルカリイオンの特異吸着を、3D-RIS法を用いて調査した。その結果、小さなイオン(Li+、Na+)は、水・イオン交換機構なしにチャネル入口部位に吸着され、対照的に、大きなイオン(K+、Cs+)は、水・イオン交換機構によって吸着されること等を明らかにした。(2)では、ATP加水分解に果たす水和の役割、塩の役割について、3D-RISM-SCF理論を用いて、ATPおよびそのモデル化合物であるピロリン酸の加水分解反応の解析を行い、反応系・生成系における水和およびイオンとの相互作用の変化を明らかにした。(3)では、ZnOとVHHの相互作用の詳細を調べるため、3D-RISM法を用い、VHH抗体の周りのZnOおよびZn(II)イオンの分布関数を求め、結合部位および亜鉛の状態の違いによる親和性の変化を明らかにした。溶液内擬縮退系の電子状態理論等、方法論の開発が予定通り進行し、それを溶液内・生体内のいくつかの問題に適用し、成果を得ることができたため。本年度は、方法論の開発として、擬変分法に基づくRISM-SCFおよび3D-RISM-SCFへの状態平均多配置SCF法の導入、および、3D-RISM法における溶媒分子配向を取り込んだ溶媒和自由エネルギー表式の導出と評価、等を行った。また、これまでに開発した手法を基に、(1)トルエン溶液中のペンタセンジケトンの光解離反応の研究、(2)KcsAカリウムイオンチャネルのイオン選択性におけるイオン間相互作用の研究、等を行った。