hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
モデルアウェアなデータ駆動制御理論の深化・実現・拡大

5つの研究項目に沿って以下の実績を得た.【1】データ駆動の理論や新規手法では,昨年提案したERITの理論解析を行うとともに,一自由度系に対する新しい制御器手法VIMTを提案した.制御器を変更しないデータ駆動参照値整形法も提案した.また,定値制御系におけるランダム外乱抑制問題においても最適化法を改善した.【2】制御器認証や実装という立場では,データから制御系応答を直接予測する新しいデータ駆動予測法を提案した.データベース駆動型制御法においては,メモリ容量の少ない場合の対応として,LASSOを併用したGMDHを提案し安定なパラメータ調節機構を得た.同じくデータベース実装上の問題であった近傍データ数の決定法と安定性解析を,カーネル密度関数を導入するなどして考察した.【3】クラス・問題の拡大では,ERITを多入出力系に拡張した.非線形系に対するセルフチューニングコントローラにカルマンフィルタを導入し分散情報を与えることで制御性能を向上させた.E-FRIT法にニューラルネットを適用した非線形PID制御器の設計法を提案した.非最小位相系に対する閉ループステップ応答データを用いた制御器更新法における最適性保証のためのプレフィルタ設計法も与えた.【4】制御器とモデルの同時獲得では,I-PD制御系への設計法,規範モデルの同時設計法,モデル情報を抽出したプレフィルタの研究を進めた.VIMTやERITにおけるモデル獲得手法も検討した.さらに局所線形モデルも構築するハイブリッドデータベース駆動型制御法の一設計法を与えた.また,一組のデータによる制御器と外乱信号の推定法についても考察した.【5】人間技能のモデル化やアシストについては,運動における人間の技能をデータ駆動型アプローチでモデル化するための検討をした.本年は段階的に考えるために反射運動に着目した一方で,光の知覚能力の適用も検討した.今年度の大きな進展としては,理論展開や新規手法の提案という点では,ERITのさらなる理論的解析,VIMTという方法を提案できたこと,また制御器に触れないデータ駆動参照値整形という考え方を提唱できたこと,など特筆すべき新しく大きな成果を得ることができた.制御器認証でも,昨年に引き続きいくつかの新しいデータ駆動予測法を提案できたこと,およびデータベース駆動型でも計算手法の効率化やスパースモデリングの適用など,実用に耐えうる手法を開発できたことも大きな進展である.クラス・問題の拡張でも,多入力系や非線形系への拡張も昨年に引き続き新しい多くの成果を得た.制御器とモデルの同時獲得でも,モデルの獲得法についていくつかの進展を得た.とくにデータベースの局所モデルの獲得は特筆すべき成果である.さらに,モデルと制御のみならず,そこに予測という要素も考えうることも想定されるため,その意味で,改めてデータ駆動予測のたくさんの進展は,非常に大きい.ヒューマンインターフェース系の実験は昨年に引き続き環境整備や実験方法の検討であったが,反射運動に着目するという考え方への到着は,一つの進展であると考えている.以上を総合して,研究は概ね順調に進展していると考えている.VIMT,ERIT,データ駆動参照値整形といった本年度得られた成果をさらに深化させ,そこにモデルがどのように絡むのか,モデルと制御の不可分性はどのように定量的に解決できるのか理論的に検討する.そして,これらも非線形系や多入出力系,外乱除去など,拡大を行っていく.データ駆動制御系設計におけるプレフィルタの設計や規範モデルの設計法に関する研究を進め,制御系設計に有効なデータからのモデル情報を抽出法を拡充する.また,非線形系への拡張,オンライン調整法への展開についても取り組む.データベース駆動型の産業応用を目指して,実装化に関する考察を加えると共に,データベースを故障検知/診断などにも用いる,いわゆるスマートシステム'の構築について,Alarm Management SystemやEvent Trigger Systemとの関連性から考察する.また,データベース駆動型制御系やニューラルネットワーク制御系では,FRIT法を,上記手法のオフライン学習に利用することで,非線形系に対しても1組の閉ループデータによって所望の制御器パラメータの調整が可能であることが示されている.しかしながら,これらの学習は勾配法に基づいた方法であり,得られるパラメータが初期パラメータに依存するという欠点を有する.また,システムがむだ時間を有する場合にも所望の学習が達成できないことがわかっており,これらのメカニズム解明ならびに改善手法の提案を行う.人間の持つ技量をデータ駆動型アプローチに基づいてモデル化する手法を考案し,深い思考を含まない反射などの単純動作を対象とする中で実験検証を試みる.その後,段階的に対象動作を拡大していき,モデル化の限界点を探る.以上の4年間の総括を考えて,問題点を整理し,今後の方向性を探る.また国内外の学会発表も積極的に行い,論文として多くの成果を投稿し,知財案件も申請する.本年は,5つの研究項目に沿って以下の実績を得た.【1】理論や新規手法では,二自由度制御系におけるデータ駆動型応答予測,およびそれに基づく新しい制御器更新法を提案した(29年中に発表予定).また,一般化内部モデル制御等にもデータ駆動制御を展開した.さらに確率外乱で駆動されるデータを用いた制御器調整法としてYoulaパラメータを調整する手法や一般化最小分散制御器のパラメータを調整する手法などを導出した.これらはデータ駆動制御理論の基礎を固め広く発展するための重要な成果である.【2】制御器認証や実装に関わる展開では今後につながる基礎的かつ重要な成果を得た.まず,あるクラスの不安定系に対して,感度関数を評価して安定化を図る手法を提案し,安定化制御器認証に関わる基礎的成果を得た.また,データによる性能評価により劣化と判定された場合,制御性能評価指数が向上する方向にパラメータを調整する方法を確立し実験により検証した(29年中に発表予定).

【3】クラス・問題の拡大という点でも有用な成果を得た.まず,周波数領域におけるデータ駆動制御器更新法FRITを提案した.また,1入出力連続時間非線形アフィン系に対し,フィードバック線形化制御則のパラメータを直接的に調整を行う方法を提案した.さらに,非線形系に対するカスケード制御系設計法として,データベースを援用したFRIT法による制御器の直接設計法を統合する手法を確立し液位制御実験により検証した(29年中に発表予定).【4】制御とモデルの同時獲得では,あるクラスの不安定極の同定可能性の見通しを得ることで,未解決であった不安定系に関する理論的裏付けを得た点は意義がある.【5】人間技能のモデル化・アシスト化への展開については,モーションセンサを用いて人の振舞データの収集システムを構築しているなど,次年度以降の実験遂行のための重要な準備的な資産を得ている.当初掲げた5項目の研究内容のうち,理論展開や新規手法の提案という点では,とくに,二自由度制御系において,データを直接用いた予測や推定法を提案でき,それに基づいた新しい手法を提案できたことは,制御器認証の重要なステップとしての大きな成果である.また,不安定化をしない制御器更新法の基礎を提案できた点も大きな成果である.また,確率外乱を扱うデータ駆動制御に関しても,従来の状況設定を拡大した形で成果を得ている.そして,性能評価を統合したデータ駆動制御について,より汎用化を目指して統合化できた手法が確立できた点は非常に大きい進展である.これらより,データ駆動制御の理論展開および,制御器認証・実装の観点では十分に大きく進展しているといえる.さらに,非線形系についても,フィードバック線形化や,非線形カスケード系など,理論および応用の観点からも大きく進展できており,予定通りである.モデルと制御の同時獲得という点でも,理論的な裏付けとともに,不安定系までも取り入れたより広いクラスの対象にまで拡張できた点も,進展しているといえる.また,初年度はヒューマンインターフェース系の実験は環境整備のみ計画していたため,この方面の実験成果がでていないのは予定とおりである.環境整備という点では順調に進んでいる.以上のような理由より,モデルアウェアなデータ駆動制御の理論展開・実現に関わる主題・各種の拡張に関する主題についておおむね順調に進展していると考えられる.本年は,5つの研究項目に沿って以下の実績を得た.【1】理論や新規手法では,二自由度制御系における全く新しいデータ駆動制御器更新法『ERIT』を提案し拡張を行った.また,定値制御系におけるランダム外乱抑制問題に関するデータ駆動制御に対し,L2正則化法を導入することで推定パラメータのばらつき抑制を行い,実験と調整を繰り返すことによって最適パラメータが導出できることを導いた.【2】制御器認証や実装に関わる基礎的成果では,あるクラスの不安定系に対してナイキスト軌跡に基づく制御器更新手法を提案した.
半導体量子ドットの形成・物性評価と光情報通信デバイスへの応用

量子ドットはその大きな量子効果・歪効果等を制御することにより、GaAs基板上で1.3或いは1.55μm帯でのレーザ発振を実現させるためのアプローチとして注目を集めている。既に多くのグループが量子ドットレーザの1.3μm帯でのレーザ発振を実現しているが、その殆どはMBEにより成長したものである。量産性や再成長・選択成長等を利用した光集積素子への応用を考慮するとMOCVDでレーザ発振を実現することは非常に重要である。MOCVDでの長波長レーザ発振を困難にしていたのは、pクラッド層成長時における量子ドットのアニール効果による発光波長の短波化である。そこで、InAs量子ドットをInGaAs歪緩和層で埋め込む構造を用いることにより量子ドットの発光波長を長波化させ、アニール効果による短波化を相殺することが可能である。今回、量子ドットのアニール温度及びアニール時間を変えたときのアニール効果による発光波長のシフト量を詳細に評価・検討した結果、あるアニール温度を境に急激にアニール効果による発光波長のシフトが起きることを見出した。以上のアニール効果を考慮し、減圧MOCVDで成長した積層InAs量子ドットを活性層に用いたリッジ型レーザ構造を作製し、両端面にHRコーティング(反射率92%)を施しその特性を評価した。まず、上部クラッド層を高温で成長したレーザについては、発振波長1.18μm、閾値電流6.7mA(共振器長700μm)にてレーザ発振が得られた。PL特性と比較した結果、今回得られたレーザ発振は量子ドットの基底準位からの発光と推定できる。また、より長波長帯での発光を実現するためには、上部クラッド層の低温成長によるアニール効果の抑制は必要である。今回、上部クラッド層を低温で成長したレーザについては、1.265μmでの室温連続発振を達成した。閾値電流値は27.8mA(共振器長1mm)となっている。この結果から、MOCVD法を用いた量産性に向く量子ドットレーザ実現の布石を打ったと言える。量子ドットはその大きな歪効果等に起因するバンドの自由度から、近年GaAs基板上で1.3或いは1.55μm帯でのレーザ発振を実現させるためのアプローチとして注目を集めている。今回、我々はMOCVD法を用いてGaAs基板上InAs量子ドットを活性層にもつ半導体レーザを作製し、室温連続発振を実現した。今回、InAs量子ドットをInGaAs歪緩和層で埋め込むことにより量子ドットの発光波長を長波化させ、アニール効果による短波化を相殺している。また高密度化に必要不可欠な積層化量子ドットを作製する際の問題点として、キャップ層成長後の表面モフォロジーがある。このモフォロジーを改善する方法として、Inフラッシュ法を用いた方法を今回試みた。その結果キャップ層成長後の表面モフォロジーは大幅に改善し、極めて均一な積層化量子ドットを作製することに成功した。以上の2点について改善を行い、減圧MOCVDで成長した3層InAs量子ドットを活性層に用いたリッジ型レーザ構造を作製し、両端面にHRコーティング(反射率92%)を施しその特性を評価した。その結果、発振波長1.18μm、閾値電流6.7mA(共振器長700μm)にてレーザ発振が得られた。この値は、全MOCVDで成長したGaAs基板上量子ドットレーザとしては世界最小値である。また、共振器長2mmのレーザ構造において低い閾値電流密度(147A/cm^2)でのレーザ発振を達成した。

まず、上部クラッド層を高温で成長したレーザについては、発振波長1.18μm、閾値電流6.7mA(共振器長700μm)にてレーザ発振が得られた。PL特性と比較した結果、今回得られたレーザ発振は量子ドットの基底準位からの発光と推定できる。また、より長波長帯での発光を実現するためには、上部クラッド層の低温成長によるアニール効果の抑制は必要である。今回、上部クラッド層を低温で成長したレーザについては、1.265μmでの室温連続発振を達成した。閾値電流値は27.8mA(共振器長1mm)となっている。この結果から、MOCVD法を用いた量産性に向く量子ドットレーザ実現の布石を打ったと言える。
画像処理技術を用いた着離棧操船支援

本研究では,大型貨物船を対象に,画像処理技術を用いて死角のない俯瞰画像と着離桟に必要な数値情報を一元的に提供する操船支援システムを開発した。本システムを使用すると,視覚情報によって周囲の安全確認や曳船の状態把握が容易になり,数値情報が直接得られるため,水先案内人の負荷軽減が可能であることがわかった。貨物船は載荷状態によって姿勢が大きく変化する。そこで,船首と船尾の喫水を用いて高さやトリムの影響を補正し,1画素当たりの距離が一定となる船体周囲の俯瞰画像を作成した。そして,俯瞰画像から岸壁を検出することによって離隔距離や着桟速力などの数値情報も俯瞰画像と共にリアルタイムに表示できるようにした。平成26年度の目標である,喫水やトリムの変化に対応した俯瞰図の作成のために,まず,ドック進水で船体が浮上する際の映像を,ボートデッキに設置した500万画素のカメラとマストに設置した130万画素のカメラを用いて,取得した。以前に試みたときはブリッジウィングから船体中央付近までであったが,今回はブリッジウィング付近から船首側水平線まで取得したので,舷側と岸壁との関係は船尾側を除き取得できた。双方の浮上前の画像からずれのない俯瞰図を作成し,その変換パラメータを用いて浮上後の俯瞰図を作成すると,二つの画像にはずれが生じるので,そのずれの量から船首と船尾の高さ変化を検出した。この時のカメラの設置位置,船体とドック,海面高さの位置関係は既知で有り,画像から検出した高さ変化と実際の浮上量を比較したところ,最大で1m程度の誤差が生じた。これは,岸壁上にある物体の影響を受けたためで,さらに,ロバストな手法を開発する必要があることがわかった。次に,平成27年度以降に行うことにしていた,岸壁の認識と数値情報の取得について,俯瞰図の範囲が広く,高精度になったことによる影響を調査したところ,岸壁が認識できている場合は離隔距離の精度が向上していたが,従来の方法ではやはり誤検出が有り,フィルターによるノイズ除去などを用いると,誤検出を減らせることがわかった。本年度はカメラを船体に取り付けた際の外部パラメーターの内の姿勢を造船所の現場で得る方法とトリム・喫水変化の補正方法,岸壁認識の精度向上,ロバスト性の向上について研究を行った。カメラの外部パラメータとは取り付け位置と姿勢のことであり,位置は設計図より得ることができ,数cm程度の誤差は問題にならない。しかし,船長が長いため,船尾に取り付けたカメラの姿勢の角度誤差の影響が船首側に及ぼす影響は大きい。そこで,実際に取り付けて工場内の基準となる既知の点を計測することによって姿勢を求める方法を開発した。トリム・喫水変化による画像の歪みは船首・船尾の喫水を入力することによって補正する方法を開発した。岸壁の認識の精度向上,ロバスト性の向上については検出領域を岸壁近傍に設定し,岸壁平行となる向きにメディアンフィルターを適用することで実用上差し支えない程度の誤差レベルにすることができた。複数カメラによる広範囲の画像取得,トリム・喫水の自動取得はできていないが,俯瞰図作成,トリム・喫水変化への対応,数値情報の取得等の要素技術は開発済みで有り,全体の進捗状況としては概ね順調と判断している。本研究では、船長200m程度の大型船を対象に、画像処理技術を着離桟操船支援へ適用し、船体近傍の俯瞰画像と離隔距離や着桟速力などの数値情報を提供することの、安全性向上や操船者負担軽減への効果を明らかにすることを目的に、システムを構築し、造船所においてドック進水後に艤装岸壁へ着桟する実船に搭載して試験を実施した。昨年度開発した複数カメラ画像の合成と、姿勢変化の補正法を実船試験に適用し、着桟側の片舷全体を3台のカメラを使用して俯瞰表示すると同時に反対舷側も前方1/3程度を1台のカメラで撮影して俯瞰表示することによって、岸壁との位置関係や曳船の状態を同時に確認できる、死角のない船体周辺映像の有用性を示した。また、姿勢変化に伴う画像のひずみ補正については、ドックにおいて建造時の姿勢と進水して浮上後の船首と船尾の喫水を入力して補正したのちの俯瞰図を比較することで、補正できていることを確認した。さらに、離隔距離や着桟速力等の数値情報の算出も、岸壁の検出に画像マッチング法によって求めた船体運動を考慮した動的な検出領域の設定や、メディアンフィルターを適用したところ、数値情報の誤差やノイズを減らすことができた。これらのシステムを開発することにより、船体周辺の状況や岸壁との位置関係、離隔距離、着桟速力、反対舷の曳船の状態等を一つの画面の中に集約して表示できるようになった。残念ながら、研究期間内に船長や水先案内人等の意見を聞くことはできなかったが、操船者負担を軽減させることができると思われるので、今後、実用化を目指したい。

そして,俯瞰画像から岸壁を検出することによって離隔距離や着桟速力などの数値情報も俯瞰画像と共にリアルタイムに表示できるようにした。平成26年度の目標を達成できていない部分があるが,平成27年度分を前倒ししているところもあるので,全体の進捗状況としてはおおむね順調と判断している。トリム・喫水の自動取得は有れば便利であるが,他の方法で数値は得られるため,その値を入力することとして,今年度は複数カメラによる広範囲の画像取得を行って,今まで開発してきた要素技術を統合して,システムとして完成させる。工学画像のずれの検出に用いているマッチング手法によってずれは精度良く検出されていたが,検出領域に高さのある物体があると誤差が生じるので,検出領域を現在の4点から増加させ,検出精度の向上を図る。また,岸壁検出時のノイズフィルターも岸壁のおおよその位置や船体との角度を考慮することによって,精度を向上させる。
明治期北方海域における日本の海洋進出と拡大に関する研究

本研究は、近代日本における海洋進出の意義とその過程を扱う。北方海域(オホーツク海・ベーリング海)は、1867年にアラスカがアメリカへ売却され、露米会社が解散したことによって無秩序状態となった。日本は、この海に対してラッコ・オットセイといった毛皮獣の保護を訴えるアメリカ・イギリス・ロシア三国の国際環境に対応し、海における勢力圏の確立を試みる。この勢力圏形成の過程を、日本海や太平洋の事例を組み合わせながら、陸とは異なる勢力圏の構築を明らかにしていく。
矯正的歯の移動時の歯根膜におけるTen-m/Odz3遺伝子の機能解析

歯根膜はその機能を営むうえで、分化、石灰化することなく未分化な状態が保持されているが、そのメカニズムは不明である。本研究では、歯根膜の恒常性維持における分子制御機構の解明を目的に、Ten-m/Odz3に着目して解析を行った。その結果、歯根膜においてTen-m/Odz3mRNAが発現し、また機械的刺激によりその発現パターンが変化することが明らかとなった。これらの結果は、Ten-m/Odz3が歯根膜における細胞イベントを制御することを示唆する。Ten-m/Odz3遺伝子は、ショウジョウバエの体節形成遺伝子の中のペアルール遺伝子として同定され、ヒトからショウジョウバエにわたって様々な種で発現が認められているが、未だ機能は不明である。歯科矯正臨床において、不正咬合の治療には歯の移動が必要であり、歯の移動には歯根膜が不可欠である。歯に矯正力を付与すると、歯根膜および歯槽骨を含めた歯周組織の細胞が相互に活発に反応し、移動する歯根の前方部では歯根膜の圧迫後、破骨細胞が誘導され、歯槽骨の吸収が起こり、後方部では逆に歯根膜の牽引後、骨芽細胞が誘導され、歯槽骨の添加、形成が引き起こされて、歯は一定の方向に移動する。しかしながら、歯根膜自体は分化、石灰化することなく、未分化な状態を保持し、歯周組織の維持、再生に重要な役割を果たしているが、歯根膜細胞が、歯と歯槽骨の間で維持され石灰化しない分子メカニズムは未だ明らかになっていない。本研究では、矯正力という機械的刺激に対する歯根膜細胞の分化、恒常性におけるTen-m/Odz3遺伝子の機能解析を目的とする。本年度は、6週齢雄性ラットに0.014インチのニッケル・チタン製のワイヤーを装着し、上顎右側第1臼歯を口蓋側に移動させ、ラット歯の移動モデルを作成した。歯の移動開始後3,7,9,14日に上顎の模型作成のため印象を採得し、パラホルムアルデヒドによる灌流固定を行い、上顎骨を摘出した。厚さ5μmの薄切切片を作成し、ヘマトキシリン・エオジン染色を行い、I型コラーゲン遺伝子の発現パターンをin situハイブリダイゼーションを用いて検索した。その結果、経時的に歯の移動量は増加し、I型コラーゲン遺伝子は、歯根膜周囲の骨芽細胞で強く発現した。本年度は、昨年度に確立したマウス歯の移動モデルにおいてTen-m/Odz3遺伝子の発現をin situハイブリダイゼーションを用いて検索した。歯の移動開始後9日目にパラホルムアルデヒドによる灌流固定を行い、上顎骨を摘出した。厚さ5μmの薄切切片を作成し、歯の移動開始後9日時の上顎骨を摘出した。Ten-m/Odz3遺伝子は、圧迫側の歯根膜、骨芽細胞において牽引側に比べ強く発現した。歯根膜はその機能を営む上で、分化、石灰化することなく未分化な状態が保持されているが、そのメカニズムは不明である。本研究では、歯根膜の恒常性維持を分子レベルで解明することを目的に、下顎頭軟骨において未分化な軟骨線維層に強く発現し、軟骨細胞の分化の抑制に関与していると思われるTen-m/Odz3遺伝子に着目して、矯正的歯の移動実験ならびに培養歯根膜細胞を用いたin vitroでの分子メカニズムの解析を行うこととした。実験的歯の移動モデルとして、ラットの上顎第一臼歯に矯正歯科治療用金属線を用いて矯正力を適応した。まず、移動9日後の組織学的解析を行うために、H-E染色を行ったところ、第一臼歯の歯周組織において歯の移動にともなう牽引側と圧迫側認められた。

また、TRAP染色を行ったところ、圧迫側の歯槽骨表層にはTRAP陽性細胞が認められた。さらに、歯周組織におけるTen-m/Odz3 mRNAの発現パターンの解析のためにin situhybridizationを行ったところ、対照群の歯根膜と歯槽骨表層においてTen-m/Odz3の発現が認められた。また9日間の歯の移動群でも、歯根膜と歯槽骨表層においてTen-m/Odz3の発現が認められ、特に対照群と比べて圧迫側歯槽骨に近い歯根膜においてその発現が強く認められた。以上のことからTen-m/Odz3は歯根膜および歯槽骨表層において発現し、また機械的刺激によりその発現パターンが変化することが明らかとなった。現在、得られた成果を論文としてまとめており、国際的雑誌に投稿する予定である。また、今後歯根膜細胞を用いたin vitroの実験を行うことにより、Ten-m/Odz3の歯根膜における機能の解析を目指したい。平成23年3月に発生した東日本大震災により研究施設および機器の損壊が起こり、研究活動が2か月間行えなかった為。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後培養細胞を用いて、機械的刺激負荷実験とRNAiによるTen-m/Odz3発現抑制実験を行い、歯根膜細胞におけるTen-m/Odz3の機能解析を行う。さらに、得られた結果をもとに論文作成を行う。
革新的高輝度近赤外発光プローブの創製と生体内癌イメージングへの応用

本研究では世界標準となる人工生物発光イメージングプローブ作製を目標に、合成発光基質分子と遺伝子工学的手法に基づくタンパク質変異体とから独創的な“融合型人工生物発光分子プローブ"開発を行った。開発したアルキル化CTZ誘導体(6-Al3OH-CTZ)は、酵素RLuc8.6-535を用いると市販基質DeepBlueCTMの約50倍高輝度の発光バイオイメージングを実現した。また、分子歪みセンサーと呼ぶ人工酵素系発光プローブは発光酵素タンパク質に物理的歪みを加えることにより発光輝度の増減を制御でき、従来のスプリット型生物発光プローブの約100倍の強い発光輝度を示す高感度バイオセンサーの開発ができた。本年度は、高輝度蛍光分子骨格を有するボロンジピロメテン(BODIPY)誘導体に、ホタルルシフェリンの酸化発光部位であるチアゾリン環を直結させた新規の生物発光基質を設計、合成した。BODIPYは様々な置換基を入れることで発光波長のバリエーションを持つことが知られているため、高輝度かつ様々な波長を発する基質の開発が可能であると考えている。この新規BODIPY生物発光基質は、化学発光(化学的酸化反応)させると、最大発光波長523 nmを示したが、ホタルルシフェリンを使った生物発光の場合には、強度は小さく、正確な発光波長は確認できなかった。一方、ホタル以外ではウミシイタケルシフェラーゼ(Rluc)による発光系が、高輝度が期待できる生物発光系であり、Rlucの基質であるセレンテラジン(CTZ)の誘導体についても検討した。この目的のため、CTZ分子の5位の炭素部位に強固なフラン環構造を入れて架橋した新規誘導体(KCTZ-1)を設計し、その合成にも成功した。次に、KCTZ-1と反応して生物発光を生起する生物発光タンパク質(ルシフェラーゼ)をスクリーニングする目的で、様々な生物種由来のルシフェラーゼその変異体を用いて検討を行ったところ、1つのルシフェラーゼ変異体が当該合成基質に対して比較的高い生物発光活性を発揮することを見出した。しかもこの反応は、当該基質の化学発光に関する事前検討から予想される波長よりも、大幅に短波長の生物発光(430 nm)を生起することを明らかにした。KCTZ-1の生物発光は、同様の波長範囲で発光を示す市販のCTZ誘導体であるDeep Blue Cと比べ、27倍の発光と14倍の発光半減期を示した。従って、KCTZ-1は、青色発光を示すCTZ誘導体として、Deep Blue Cに代わる高輝度な基質として利用できることがわかった。今年度は、発光基質であるセレンテラジンの6位および8位の炭素を置換あるいは共役系で拡張した分子を設計・合成し、それらの分子構造と発光特性の構造相関を詳しく調べた。その結果、6位の炭素から基質分子骨格を拡張した分子とルシフェリン変異体を使用すると、天然のセレンテラジン生物発光系の発光量と同程度の発光量を示す結果を得た。一方、ホタルルシフェリンにおいては、酸化発光部位であるチアゾリン環に合成蛍光色素を直結させた新規の生物発光基質を2種設計、合成したところ、天然のホタルルシフェリンの水酸基の位置においてだけ、分子を拡張しても発光するという結果になった。どちらのルシフェリンも天然のルシフェラーゼを使うと発光条件に限界があるが、ルシフェラーゼ変異体を用いると、発光特性が異なることが観察された。このことはルシフェリンもルシフェラーゼも両方を変化させる必要があり、そのマッチが重要であることを示している。これにより、本研究の意義が実験的に証明されたことになる。合成したホタルルシフェリンの誘導体2種については、さまざまな生物種由来のルシフェラーゼに対する選択性を調べた。天然のホタルルシフェリンは、種々の生物種由来のルシフェラーゼに対して幅広く認識されて生物発光を生起するが、当該合成ルシフェリン2種はそれぞれ特定のルシフェラーゼに選択的に認識され生物発光を生起することを明らかにした。また、カイアシ類が分泌するルシフェラーゼの機能を探索したところ、同ルシフェラーゼがジスルフィド結合依存的に生物発光活性を獲得していることを明らかにした。さらに、このカイアシ類のルシフェラーゼに改変を加えることにより、細胞に対する化合物ストレスや紫外線ストレスによって生じた活性酸素種を検出する新たな生物発光センサーの開発に成功した。セレンテラジン(CTZ)を発光基質、ウミシイタケルシフェラーゼ(Rluc)を発光酵素とするRluc発光系は、発光に補因子を必要としない汎用的なレポータータンパク質として利用されている。これまでCTZの誘導体化に基づく優れた光学特性を持つ生物発光系の開発研究が数多く報告されているが、Rluc発光系における酵素認識メカニズムの詳細は未解明であるために困難なものとされていた。そのため、まずCTZの2位、5位、6位、8位の炭素からのCTZ誘導体の高輝度化及び長波長化の可能性を多種の誘導体合成から詳細に調べたところ、以外にも電子共役系の繋がりがあまりないとされたCTZ6位炭素からの共役系拡張が発光特性向上に寄与することを見いだした。このため、CTZ6位炭素改変体6種の新規誘導体合成を行い、Rlucおよびその変異体を用いて生物発光の評価を行った。この結果、Rlucの変異体(Rluc8.6)が高輝度な生物発光を与え、従来市販されている青色生物発光システムの約25倍の輝度を示し、世界で最も高輝度な青色生物発光システムの開発に成功した(鈴木・佐藤らChem.Commun. 2015に掲載)。

また、開発した青色の生物発光システムに近赤外蛍光タンパク質(iRFP)を融合して生物発光共鳴エネルギー移動(BRET)に基づく近赤外生物発光システムを作製し、その生体組織透過性等を評価したところ、透過性についての良好な結果を得た。さらに、このアプローチを発展させることを目的として、クロロフィルdを有する特殊なシアノバクテリア(Acaryochloris marina)の光受容ドメインを探索し、ビリベルジンを補因子とする世界で最も小さな近赤外蛍光タンパク質(AM1_1557g2,145アミノ酸)を発見した(上述のiRFPは316アミノ酸)(佐藤らSci. Rep. 2015に掲載;共同開発)。1)新規生物発光基質の開発セレンテラジン(CTZ)6位にアルキル化を施すことで、発光基質と発光酵素の構造活性相関を検討し、高輝度生物発光システムの構築を目指した。なお、生物発光特性評価においては酵素Rlucとその変異体、並びにCTZを発光基質とする酵素として、産総研の金博士の開発した高輝度を持つ人工発光酵素のAlucを用いた。開発したアルキル化CTZ誘導体の1つにおいて、Alucにおける発光輝度は、天然のCTZ・Aluc発光系の約4倍及びCTZ・Rluc発光系の約60倍と非常に高輝度であることが分かった。従って、極めて高輝度な人工生物発光システムの開発に成功したと言える。また、セレンテラジン(CTZ)については、6位により長波長領域に蛍光を示す有機蛍光色素を修飾し、生物発光共鳴エネルギー移動(BRET)現象を利用することで生物発光の近赤外化を試みた。CTZ6位に蛍光色素を結合したBRET型誘導体の生物発光酵素(Rluc, Rluc8, Rluc8.6)並びに人工発光酵素Alucとの反応性をそれぞれ調べた。BRET型CTZ誘導体は、CTZの発光波長に適合する蛍光色素にはBRET蛍光発光することが確認された。2)ルシフェラーゼ変異体の開発D-ルシフェリンの誘導化に基づいて、開発したアリルルシフェリンおよび合成基質(アカルミネ)について、さまざまな生物発光種由来のルシフェラーゼとの反応性に関する生物発光評価を行った。この検討の結果、アカルミネ(最大発光波長: 680 nm)とアリルルシフェリン(最大発光波長:580 nm)にそれぞれ特異的に反応するルシフェラーゼ(以下, “Luc-680"と"Luc580"とする)を発見した。この結果を受けて、新規アリルルシフェリンを設計・合成中であるが、現在680nmまでの長波長化までの目処がついた。セレンテラジン(CTZ)6位をアルキル化したCTZ誘導体の合成を多数行ったところ、CTZ誘導体の1つにおいて、Alucにおける発光輝度は天然のCTZ・Aluc発光系の約4倍及びCTZ・Rluc発光系の約60倍と非常に高輝度であり、世界で最も高輝度な人工生物発光システムの開発に成功した(論文投稿準備中)。今後、in vivoでの実用性を検討する。同時に高輝度化に関して、CTZ・Aluc発光系で多数の多価金属イオン存在下での生物発光特性評価を行った結果、Ca2+, Mg2+, Cr6+などを添加すると生物発光輝度が増加しすることが分かり、特にCa2+添加で強い発光効果があることを見出した。
認定こども園向け手指衛生教育プログラムの開発

認定こども園における手指衛生教育上の問題点と現場のニーズを調査し、その結果から教育プログラムを検討する。その後、認定こども園において、教育プログラムを使用した手指衛生教育を保育士と共同して実施する。教育プログラムの効果は、教育前後、および1か月後の手指衛生時の除菌効果の変化と、幼児の手洗い手技の変化によって有効性を検証する。同時に、教育プログラムを実施した保育士に対して利便性の調査を行い、教育プログラムの修正を行う。
植物病院及び植物医師の社会展開による多面的波及効果の検証

平成26年度は、主に以下の2点を行った。1.効果測定の実施平成25年度に検討した効果測定手法に基づき、植物病院・植物医師を核とする取組がもたらす多面的な効果を測定した。具体的には、1農業活性化、2緑地保全、3低炭素化(温室効果ガスの排出量削減)、4市民の健康・生きがい増進、5地域社会活性化、の各項目について、植物病院・植物医師のサポートの有無によって生じる差を把握することを目指した。2.アンケート結果の分析平成25年度に実施したアンケート調査の結果を分析した。具体的には、千葉県柏市において延べ数百名の植物医師を対象とするアンケート結果から、植物医師自身に生じた変化(その活動を通じて、屋外での活動時間、外出頻度・範囲、交友範囲、健康状態等に生じた変化)を把握することを目指した。平成25年度は、主に以下の3点を行った。1.効果測定手法の検討:本研究の目的は、植物病院と植物医師による植物病の蔓延防止に向けた取組みが社会にもたらす多面的効果(地域社会活性化、農業活性化、高齢者等の健康増進、緑地保全等)を具体的に検証することである。これらの効果を適切に検証するための調査手法について、国内外の関連事例を幅広く参照しつつ、1調査対象項目、2調査対象者、3データ収集手法、4データ分析手法、の4点について検討を行った。2.アンケート調査の実施:上記検討結果を踏まえ、千葉県柏市において延べ数百名のコミュニティ植物医師を対象にアンケート調査を行った。コミュニティ植物医師は、同市の住宅地・緑地・農地において植物病の蔓延防止に向けた様々な活動を行っており、その活動のもたらす具体的効果をアンケート調査によって把握することを目指した。調査結果については、現在分析を進めているところである。3.海外の先進事例調査:韓国および台湾の研究者に対してヒアリングを行い、韓国および台湾における植物病院・植物医師の活動状況等について調査を行った。台湾における植物病院開設状況、専門人材(植物医師等)育成を目的とする大学院プログラムの内容、韓国における専門人材資格認定制度の内容等について有益な情報が得られたことから、これを踏まえて我が国における植物病院および植物医師に係る制度設計のあり方について検討を行った。当初の計画では、平成25年度に効果測定手法の検討を行い、平成26・27年度に具体的な効果測定を実施する予定であったが、実際には平成25年度に第1回目の効果測定のための調査を実施することができた。この調査実施を通じて、自治体および調査対象者との協力体制の構築、効果測定手法の精緻化に向けた課題の明確化を図ることができた。これらを踏まえて、平成26年度以降も研究を円滑に継続・発展させることができるものと考えている。第一に、平成25年度に実施したアンケート調査の結果の分析を進める。第二に、同調査の結果を踏まえ、効果測定手法の精緻化に向けた改善を行った上で、平成26・27年度にあらためて効果測定のための調査を実施する。第三に、海外の先進事例を参考にしつつ、植物病院と植物医師による植物病の蔓延防止に向けた取組みを全国各地に展開する上での課題を整理する。当初計画では、植物医師の活動が農業生産性に与える効果を測定するための圃場実験を平成26年度前半に実施する予定であり、そのために必要な物品を平成25年度中に購入する予定であった。しかし、平成25年度にアンケート調査の実施を先行して行ったため、圃場実験は平成26年度後半に延期することとし、実験に必要な物品の購入も平成26年度に行うこととした。以上の理由から、次年度使用額が生じた。次年度使用額については、平成26年度後半に実施する予定の圃場実験に必要な物品の購入に充てる計画である。
脂肪幹細胞で外部吸収の抑制は可能か

外傷により完全脱臼した歯を再植した場合,予後を左右するのは歯根膜細胞の状態である。そこで、本研究の目的は、完全脱臼歯の動物モデルを作製し、脂肪由来幹細胞(Adipose tissue Derived Mesenchymal Stem Cell:以下Ad-MSC)の脱臼歯への応用により、脱臼歯の合併症である歯根吸収を抑制することができるかを検討することである。Ad-MSCは多くの間葉系幹細胞を含み骨芽細胞などの間葉系に即する細胞への分化能を有するとされており、調整が容易である利点がある。平成28年度は、平成27年度に引き続き、完全脱臼歯の動物モデルによるAd-MSCの応用の検討を行った。生後3年齢のビーグル犬から脂肪採取を行い,無血清培地を用いて脂肪幹細胞培養を行い幹細胞マーカーであるCD13,CD29,CD105が検出できた。全身麻酔下で抜歯後、実験群は120分間牛乳に歯を浸漬し、Ad-MSCを歯根膜周囲に塗布し、再植後スプリントとコンポジットレジンにて固定を行った。対照群は、Ad-MSCを用いない歯とした。動物を安楽死させ、通法に従い、完全脱臼歯モデルにH.E.重染色およびTRAP染色を行った。対照群では、TRAP陽性細胞の存在から破歯細胞による歯の外部吸収が確認された。Ad-MSCを応用した実験群は、歯の外部吸収は抑制されている傾向が認められた。また、脂肪肝細胞の定着の局在について検討した。脂肪幹細胞を生細胞染色キットを用いてラベリングし、脂肪幹細胞局在を検討したところ、歯根の側壁において、実験群では明瞭な生細胞が確認できた。Ad-MSCに含まれる間葉系幹細胞による効果である可能性が示唆された。歯科臨床において,完全脱臼を伴う外傷に遭遇することかが多い。完全脱臼した歯を再植した場合,予後を左右するのは歯根膜細胞の状態である。脂肪細胞はエネルギー貯蔵庫だけでなく様々な生理活性物質を産生,放出する内分泌器官であることが明らかとなってきた。脂肪由来幹細胞(Adipose tissue Derived Mesenchymal Stem Cell:以下Ad-MSC)は,採取が容易である一方,多くの間葉系幹細胞を含み骨芽細胞などの間葉系に即する細胞への分化能を有するとされている。予め各イヌより脂肪採取を行い,無血清培地を用いて脂肪幹細胞培養を行った。生後3年齢のビーグル犬8匹(雄,約10 kg)を実験に供した。グループ1.乾燥(抜歯後120分で再植)グループ2.牛乳(抜歯後120分間牛乳浸漬後再植)グループ3.乾燥+Ad-MSC(抜歯後120分経過の後Ad-MSCを歯根膜周囲に塗布後再植)グループ4.牛乳+Ad-MSC(抜歯後120分間牛乳浸漬Ad-MSCを歯根膜周囲に塗布後再植)として再植した。再植後,スプリントとコンポジットレジンにて固定を行った。,通法に従いH.E.重染色およびTRAP染色を行った。TRAP陽性細胞の存在から破歯細胞による外部吸収が確認された。Ad-MSCを応用したグループ3,4はグループ1,2と比較して有意に外部吸収が少なかった(p<0.05)イヌ外傷モデルにおいて完全脱臼して60分経過すると歯根膜細胞の変性が生じてくる。今回120分経過してAd-MSCを応用して再植した場合、歯根膜周囲の治癒が良好であることが明らかとなった。Ad-MSCに多く含まれる間葉系幹細胞が歯根膜周囲で治癒していく中で有効に作用したものと考えられた。脂肪幹細胞の培養は順調に推移しており、動物実験においても当初予想していた結果を得られている。脂肪幹細胞を培養する上で、幹細胞マーカーである表面マーカーのCD13,CD29,CD105が確認されており、自家移植を行う上でのin vitro上での問題点は少ないと思われる。また脂肪幹細胞の品質においても問題は少ないと思われる。動物実験においても歯牙脱臼に伴う外部吸収モデルの作製は順調である。イヌ2匹を購入し、実験を実施し、研究調書に基づいた動物実験を行った。歯牙脱臼に伴う外部吸収モデルを作製し、歯根外部吸収を生じる状態の歯に対して脂肪幹細胞を応用して歯根外部吸収抑制効果を検討している最中である。実験終了時のマイクロCT撮影による結果は、外部吸収抑制に効果が認められる像を確認している。免疫染色の結果からも外部吸収抑制効果が認められる。

全身麻酔下で抜歯後、実験群は120分間牛乳に歯を浸漬し、Ad-MSCを歯根膜周囲に塗布し、再植後スプリントとコンポジットレジンにて固定を行った。対照群は、Ad-MSCを用いない歯とした。動物を安楽死させ、通法に従い、完全脱臼歯モデルにH.E.重染色およびTRAP染色を行った。対照群では、TRAP陽性細胞の存在から破歯細胞による歯の外部吸収が確認された。Ad-MSCを応用した実験群は、歯の外部吸収は抑制されている傾向が認められた。また、脂肪肝細胞の定着の局在について検討した。脂肪幹細胞を生細胞染色キットを用いてラベリングし、脂肪幹細胞局在を検討したところ、歯根の側壁において、実験群では明瞭な生細胞が確認できた。Ad-MSCに含まれる間葉系幹細胞による効果である可能性が示唆された。今回、実験計画およびスケジュールは順調である。今後、脂肪幹細胞の外部吸収抑制効果の解明と実験の信憑性の観点からn数を増やすこと以上の2点をクリアしていくことが重要であると考えられる。外部吸収抑制の解明に関しては、脂肪肝細胞の局在(脂肪幹細胞がどこで定着していくのか)という疑問点と過去の論文などで報告されている抗炎症作用の証明が重要となると考えており、脂肪幹細胞を生細胞染色キットを用いてラベリングした状態での脂肪幹細胞局在解明を行っていく予定としている。局在を明らかとすることで外部吸収抑制の解明の一助となると思われる。抗炎症作用の証明はiNOSによる染色を行い、コントロール群との比較検討を行っていく予定としている。今後も同様の実験を繰り返しながら、n数の確保および上記した条件での実験を行っていく予定としている。動物実験を行い、病理組織学的検討を行っている最中である。イヌ顎骨および歯を脱灰を行い病理組織学標本作製を業者に依頼して実施している。脱灰期間を3か月と予定していたが4か月程度かかってしまい、委託分の見積もりや納品に時間がかかってしまったため、年度内での予算執行が困難であった。本年度分と併せて病理組織標本委託費として使用する予定である。
GTOPO30と既存の河道網データを利用した全球落水線モデルの作成と公開

URL http://edcwww.cr.usgs.gov/landdaac/gtopo30/hydor/index.htmlにて公開している.本研究を開始した時点ではアジア地域については公開されていなかったが,現時点では全球陸域(極を除く)で作成された.しかしながら,投影法が「Lambert Azimuthal Equal Areaprojection」のため,他のデータセットと重ね合わせて使う場合には「Lambert Azimuthal Equal Area projection」に統一する必要があるほか,別の空間スケールで作成する場合には再度手作業による編集作業が必要となり,実用性に欠いたものである.本研究では汎用的にスケーラブルな解像度で落水線モデルの開発が行えるよう,計算機によるアルゴリズムの開発を中心に研究を実施した.成果としては,標高データとして30秒メッシュスケールのGTOPO30,河道網データとしてDCWおよびWBD-II、30秒メッシュスケールの土地被覆データとしてUSGS・Land Cover Mapを入手・利用して,アジア地域の落水線モデルを作成した.作成した落水線モデルから河道網を再現すると教師データとしたDCW河道網図と一部の地域でずれることが確認できた.さらに,落水線モデルから再現できる河道網図が教師データとして利用した河道網図と一致するようにアルゴリズムの改良を行い,全球を対象に落水線モデルを作成した.一方で,グローバルな水資源を研究を行うグループからの要求を受け,0.1度メッシュスケールでのグローバル落水線モデルを作成した.メッシュデータの各メッシュに流水線方向を持たせた水系モデルは落水線図(落水線モデル)とも呼ばれ、流域(水系)の抽出、分析、洪水解析、地形解析などデジタル地形モデルとして重要な情報ソースとなる。一般に落水線モデルを作成するには数値標高データ(DEM)を利用して、最急勾配方向に落水線方向を定める方法が採用されているが、DEM作成時のエラーやDEMの解像度の制約により、落水線方向に無限ループが生じたり、不自然な形状の疑似河道が形成されるなど、様々な不都合が生じ、手作業による修正作業が伴っていた。今年度、本研究で開発したアルゴリズムでは、デジタイズした河道網データが教師データとなり落水線モデルが作成されるため、自動生成される疑似河道網は現実により近い形状として再現でき、手作業による修正作業もほとんど必要とならない。本研究では米国地理調査局(USGS)と作成した30秒メッシュの数値標高データ(GTOPO30)と、米国画像地図局(NIMA)が配布する地図情報(DCW)に含まれる河道網図を利用して、30秒メッシュでアジア地域(東経50゚180゚、北緯0゚80゚、15,600カラム×9,600ライン)の落水線モデルを作成した。教師データとなる河道網が正しくデジタイズされている地域では、良い精度で落水線モデルが作成され、開発したアルゴリズムの実用性が示された。本アルゴリズムは、メッシュサイズに依存せず、グローバルスケールだけでなく、数メートルのメッシュサイズでローカルスケールにも対応可能である。来年度は、他の大陸域でもデータを作成し、水資源モデルへの展開を行う。URL http://edcwww.cr.usgs.gov/landdaac/gtopo30/hydor/index.htmlにて公開している.本研究を開始した時点ではアジア地域については公開されていなかったが,現時点では全球陸域(極を除く)で作成された.しかしながら,投影法が「Lambert Azimuthal Equal Areaprojection」のため,他のデータセットと重ね合わせて使う場合には「Lambert Azimuthal Equal Area projection」に統一する必要があるほか,別の空間スケールで作成する場合には再度手作業による編集作業が必要となり,実用性に欠いたものである.本研究では汎用的にスケーラブルな解像度で落水線モデルの開発が行えるよう,計算機によるアルゴリズムの開発を中心に研究を実施した.成果としては,標高データとして30秒メッシュスケールのGTOPO30,河道網データとしてDCWおよびWBD-II、30秒メッシュスケールの土地被覆データとしてUSGS・Land Cover Mapを入手・利用して,アジア地域の落水線モデルを作成した.作成した落水線モデルから河道網を再現すると教師データとしたDCW河道網図と一部の地域でずれることが確認できた.さらに,落水線モデルから再現できる河道網図が教師データとして利用した河道網図と一致するようにアルゴリズムの改良を行い,全球を対象に落水線モデルを作成した.一方で,グローバルな水資源を研究を行うグループからの要求を受け,0.1度メッシュスケールでのグローバル落水線モデルを作成した.
温度ストレス耐性に関する遺伝子工学

1.Dr.Gombosは1995年9月6日1995年12月1日(87日間)基礎生物学研究所に招へいされ、村田紀夫・林秀則と共同してラン藻Synechocystis sp.PCC 6803の低温下における光化学系IIの光阻害をクロロフィル蛍光を指標として研究した。Synechocystis細胞を種々の長さの強光に曝し、その後の回復を調べたところ、低温光阻害には2つの成分が存在することが明らかとなった。第1の成分は従来から知られている可逆的な成分で、光阻害から約2時間で回復する性質を持っていた。この可逆的な成分は、光化学系II反応中心タンパク質複合体内のD1タンパク質の光存在下における代謝回転によって説明された。第2の成分は、従来あまり知られていなかった非可逆的な成分で、この成分は全く回復しないか、あるいは数日以上かかって回復する成分であることがわかった。この非可逆的成分に関わる過程は全く不明であるが、クロロフィルの分解のような葉緑体全体の破壊と関連しているように推定される。光合成生物の生理学としては、強光下における光化学系複合体の非可逆的な破壊が深刻な意味を持つと思われる。逆に可逆的な失活は、強光条件から解放されれば回復するわけで、一時的に光合成能が低下するだけで深刻な意味を持たないと推察される。奥山英登志は1995年7月14日7月29日(16日間)Biological Research Centerに滞在し、Dr.GombosとDr.Szalontaiと共同して南極海産の藻類の好低温性と膜脂質の相転移に関する研究をおこなった。南極海産のハプト藻Prymnesiophyte strain B(以下B株)の生育温度域は10°C以下であり、低温環境に高度に適応していることがわかった。さらに低温適応の生理・生化学的側面を明らかにするため、B株の光合成活性の温度依存性とB株細胞全脂質の相転移温度を酸素電極法とFT-IR法によりそれぞれ測定した。比較のため、生育の至適温度が約25°Cにある常温性の海産ハプト藻Isochrysis sp.も用いた。5°Cで培養したB株の光合成活性では、5°Cで光合成の活性が最も高かった。一方、25°Cで培養したIsochrysisにおいては光合成の最大活性は約30°Cにあらわれた。Isochrysisの全脂質を用いたFT-IRの分析から、脂質の相転移温度は約17°Cにあった。一方B株の全脂質では、相転移温度は5°C以下であった。B株を25°Cの暗黒条件下で3時間インキュベートすると光合成活性は完全に失われた。しかし、これを光で照射すると、光合成活性は再び回復した。この現象はIsochrysisではおこらなかった。この現象は光合成のdarkinhibitionともいうべきもので、本研究で初めて発見された。3.村田紀夫は1996年3月10日3月30日(20日間)にBiological Research Centerを訪問し、Dr.Gombos、Dr.Hideg、Dr.Szalontaiと共同しえ熱ショックタンパク質の遺伝子を破壊したSynechococcus sp.PCC 7002の形質転換株の高温耐性能を研究した。その結果、groEL-β遺伝子を破壊すると、熱ショック処理後の生存率が低下することがわかった。一方ラン藻は高温環境において酸素発生の熱安定性を獲得するが、groEL-β遺伝子の破壊は酸素発生複合体の高温耐性には影響を及ぼさなかった。この事実から、ラン藻における熱ショック応答と高温への適応には異なった機構が作用していることがわかった。南極海産のハプト藻

Prymnesiophyte strain B(以下B株)の生育温度域は10°C以下であり、低温環境に高度に適応していることがわかった。さらに低温適応の生理・生化学的側面を明らかにするため、B株の光合成活性の温度依存性とB株細胞全脂質の相転移温度を酸素電極法とFT-IR法によりそれぞれ測定した。比較のため、生育の至適温度が約25°Cにある常温性の海産ハプト藻Isochrysis sp.も用いた。5°Cで培養したB株の光合成活性では、5°Cで光合成の活性が最も高かった。一方、25°Cで培養したIsochrysisにおいては光合成の最大活性は約30°Cにあらわれた。Isochrysisの全脂質を用いたFT-IRの分析から、脂質の相転移温度は約17°Cにあった。一方B株の全脂質では、相転移温度は5°C以下であった。B株を25°Cの暗黒条件下で3時間インキュベートすると光合成活性は完全に失われた。しかし、これを光で照射すると、光合成活性は再び回復した。この現象はIsochrysisではおこらなかった。この現象は光合成のdarkinhibitionともいうべきもので、本研究で初めて発見された。3.村田紀夫は1996年3月10日3月30日(20日間)にBiological Research Centerを訪問し、Dr.Gombos、Dr.Hideg、Dr.Szalontaiと共同しえ熱ショックタンパク質の遺伝子を破壊したSynechococcus sp.PCC 7002の形質転換株の高温耐性能を研究した。その結果、groEL-β遺伝子を破壊すると、熱ショック処理後の生存率が低下することがわかった。一方ラン藻は高温環境において酸素発生の熱安定性を獲得するが、groEL-β遺伝子の破壊は酸素発生複合体の高温耐性には影響を及ぼさなかった。この事実から、ラン藻における熱ショック応答と高温への適応には異なった機構が作用していることがわかった。1.シアノバクテリア(Synechocystis sp. PCC6803の脂肪酸不飽和化酵素の遺伝子を順次破壊して、膜脂質の不飽和化の程度を段階的に変化させた突然変異株を種々作成した。またシアノバクテリアSynechococcus sp. PCC7002の熱ショックタンパク質の一種GroEL-βの遺伝子を破壊した突然変異株を作成した。(以上は申請者のグループでおこなった。)2.Dr.Gombosを1994年8月21日1995年2月22日(6カ月間)に基礎生物学研究所に招へいし、不飽和化酵素の遺伝子を破壊した形質転換株の光合成および生育に対する温度特性を研究させた。その結果、膜脂質の不飽和化は、低温下における生育にとって必須であることがわかった。また短時間で測定する光合成には影響を及ぼさないことがわかった。3.村田紀夫は1995年3月12日3月25日(14日間)に、坂本敦(研究協力者)は3月12日3月23日(12日間)にBiological Research Centerを訪問し、持参した熱ショックタンパク質の遺伝子を破壊した形質転換株の高温耐性能を、Dr.Gombos、Dr.Hideg、Dr.Lajkoと評価した。その結果、GroEL-βは高温耐性能をin vivoで増強することを明らかにした。4.奥山英登志は1995年2月14日3月6日(4週間)