hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
FRETを用いたエキソサイトーシス時のリガンド、受容体の細胞内移動の解析

蛋白質をはじめとする生体内機能分子の働きを生きた細胞内で観測する手段として、蛍光蛋白質を利用したFRET(Fluorescence energy transfer、蛍光エネルギー移動)を用いたエキソサイトーシス時のリガンド、受容体の細胞内移動動態を観察するために設定したFRETを用いたシステムの立ち上げに困難さを経験している。そこで、まず、いままでに実績のある、細胞内メッセンジャータンパク質である低分子量G蛋白のRasとRhoとおよびそのエフェクター蛋白であるRaf, PKNとの間のFRET現象の観察を試みた。細胞は我々にとって使い慣れており、かつ管理および操作が容易なCaov3(ヒト卵巣癌細胞由来細胞株)を用いた。RASにYFP(黄色蛍光色素)、RafにCFP(青色蛍光色素)を含むプラスミドを作成した。両者を一時的に発現することには成功したが、その安定的観察のためにはなんらかの科学的捜査が必要である。またFRET現象を観察するためには2分子の安定的バランスが必要である。両蛋白を同時に等量づつ発現させるために2つのプラスミドをhinge(蝶番)でつないで一つのプラスミドとして均等に発現するようシステムを開発中であるが、未だ確立に至っていない。平行してRhoにCFP、PKNにYFPをつないだプラスミドを作成し、検討も行っているが同様の問題を解決できないでいる。以上の困難さより計画自身の遂行にも困難さを来している。FRET(fluorescence energy transfer)を用いたエキソサイトーシス時のリガンド,受容体の細胞内移動動態の解析には,まずFRETを用いたシステムを立ち上げることが必須である。そこでまず,扱いにくい受容体などの膜タンパク質でなく,いままでの実績のある(Mochizuki, Nature,411,1065,2001),細胞内のメッセンジャー蛋白質であるRas, Rhoとそれぞれのエフェクター蛋白のRaf, PKNとの間のFRET現象の観察を,今回のプロジェクトの前段階として行うこととした。細胞はわれわれの実験室で今まで多用してきた卵巣癌細胞株Caov3を用い,RasにYFP, RafにCFPが付いた蛋白を合成出来るプラスミドを作成した。次いで両者をCaov3に一時的強制発現させることに成功した。FRET現象を観察するには,2分子がそれぞれ均等に発現していなければ,安定したデータを得ることが出来ない。現在この発現系において,両者がコンスタントに発現できるような条件を検討中である。同時に両蛋白を等量ずつ発現させるため,二つのプラスミドをhingeで繋いで一つのプラスミドとし,均等な発現できるようなシステムを構築中である。またRhoにCFP, PKNにYFPを付けたプラスミドも作成し,同様の検討を行っている。そこでまず,扱いにくい受容体などの膜タンパク質でなく,いままでの実績のある(Mochizuki, Nature, 411,1065,2001),細胞内のメッセンジャー蛋白質であるRhoとそのエフェクター蛋白のPKNとの間のFRET現象の観察を,今回のプロジェクトの前段階として行っている。細胞はわれわれが今まで多用してきた卵巣癌細胞株Caov3を用い,RhoにCFP,PKNにYFPが付いた蛋白を合成出来るプラスミドを作成した。この発現系において,両者がコンスタントに発現できるような条件を検討したが、不安定で、一定した結果を得ることができなかった。そこで同時に両蛋白を等量ずつ発現させるため,二つのプラスミドをhingeで繋いで一つのプラスミドとし,均等に発現できるようなシステムを構築することが出来た。現在このシステムによるlysophosphatidic acid(LPA),あるいはEGFの刺激によるFRET現象の観察をCaov3細胞を用いて行っている。LPAあるいはEGFによる細胞運動能の亢進とFRETとの関係についての相関性についての検討を進めている。
超安定化酵素の創製-その極立った構造可逆性のメカニズム

本研究における主な成果は、以下の通りである。(1)高度好塩菌Halobacteriumsalinarum由来のnucloeoside diphosphate kinaseを大腸菌で活性のある形で発現させることに成功し、X-線結晶構造解析に成功したこと。その結果、多くの酸性アミノ酸の過剰な存在にもかかわらず、ポリペプチドの主鎖の構造は、他の生物のものとほとんど違いがなく、酸性アミノ酸側鎖を極めて巧妙に配置していることが判明した。(2)中度好塩菌からHaNDK遺伝子を分離し、ホモログである通常細菌由来PaNDKとともに、大腸菌での大量発現に成功し、その性質を比較検討した。特に、HaNDKは、これまで研究されてきたNDKでは初めて2量体構造を取っていることが分かった。(3)HaNDKとPaNDKのキメラ分子の構築と発現、精製、性質検討に成功し、PaNDKに、高い巻き戻り効率とSDS電気泳動での移動度の遅さという2つの好塩性酵素の指標を付与することができた。また、好塩性酵素の好塩性の指標は次の4点に集約される。(1)至適反応塩濃度が、より高い。(2)安定性は、塩の存在によって促進される。(3)高い可溶性からくる変性耐性、すなわち、高い巻き戻り活性をもつ。(4)そして、酸性アミノ酸含量が高いことに起因するSDS電気泳動での異常に遅い移動度。平成16年度の研究実施計画にそって、実験を進めた。1.β-lactamase(BLA)については、界面活性剤等による変性に対する影響を調べた。また、BLAの変性作用と凝集性についても調べた。BLAに対して非イオン性中性界面活性剤、酸性界面活性剤、また、カオトロピック塩などを加え、その構造と酵素活性について検討した。また、様々な種類と濃度の塩を、様々な温度で加えて、その酵素活性に対する影響を測定するとともに、円二色性により2次構造と昇温スペクトルによるTm値の測定も行った。結果を簡潔にまとめれば、BLAは多くの変性剤に対して、いったん変性しても変性要因を取り除けばきわめて効率よくまきもどること、また、塩濃度の影響が大きな効果を示すことが分かった。593NDKについて、強力なプロモーターであるT7プロモーターをもつpET vectorを用いることによって、大腸菌を宿主にして大量発現に成功した。593NDKと高い相同性をもつPseudomonas由来のNDK(PaNDK)とその遺伝子を分離し、酵素活性レベルの性質の比較を行うとともに、PaNDKの大腸菌における大量発現系も確立した。一方、593NDKとPaNDKの分子内キメラを作製し、比活性がほとんど低下していないキメラ酵素の大腸菌での大量発現に成功した。593NDKが持つ好塩性を反映する部分を推定した。詳細な内容については、特許出願準備、論文投稿準備の為に、公表はさし控えたい。調書を添付する。「極限環境微生物」である好塩菌の研究から、好塩菌が生産する酵素(好塩性酵素)は塩に強いことはもちろん、その他の変性作用に対して極めて高い安定性を有していることを発見し、そのメカニズムについて研究している。平成17年度は、当初計画どおり中度好塩菌由来酵素の主に熱安定性に注目して実験を進めた。まず至適反応温度、熱安定性について検討し、至適反応温度はPaNDKのほうが高く、熱安定性は593NDKのほうが高いという逆転した結果を得た。この結果より、593NDKは高温でいったん変性してもその変性条件が取り除かれれば速やかに巻き戻り、高次構造を再形成し活性化すると解釈できた。これは、昇温CD分析の結果でも支持された。次に、熱変性に対する構造可逆性と塩濃度の関係を検討した。593NDKの構造可逆性は、塩濃度の上昇とともに失われた。85C、5分の熱処理に対し、1M NaCl存在下において可逆性は60%程度に減少し、12M NaCl

以上ではほぼ完全に不可逆的となった。PaNDKはいずれの塩濃度においても不可逆的であった。この塩依存性の相違のメカニズムを調べるために、593NDKとPaNDKのキメラ分子を作製し、その発現を試みた。593NDK, PaNDK,それぞれ分子の真ん中からN-末端側がPaNDKから成るPa/593chimera, N-末端側が593NDKから成る593/Pa chimeraの計4種類のNDK分子の大腸菌における発現に成功した。また、その熱安定性について検討した。好塩性酵素の変性作用に対する極めて強い耐性メカニズムを引き続き検討した。現在までに、中度好塩菌由来のβ-ラクタマーゼとnucleoside diphosphate kinase(NDK)について、主に検討している。β-ラクタマーゼやnucleoside diphosphate kinaseについては、その高い可溶性が、構造の高い可逆性を生み出しているという我々の仮説が適切であることが判明しつつあり、さらに詳細な分子構造と安定性、可溶性、可逆性の関係を明らかにすることを目的として、研究を進めた。具体的には、昨年度、大量発現に成功した中度好塩菌由来593NDKと通常細菌(Pseudomonas)由来のPaNDK分子のキメラ分子(593/PaNDKとPa/593NDK)の種々性質を比較検討した。その結果、これらキメラ分子の中では、593NDKのN末端部分が高い可溶性と高い構造可逆性を担っていることが判明し、593NDK分子のN-末端側に存在している酸性アミノ酸の働きが重要であることが、具体的に示された。593NDKおよびPaNDKの比較検討を進めた結果、そのサブユニット構造において、極めて興味深い結果が得られた。NDKは、ユビキタスな酵素で、真核生物、アーキア、グラム陽性細菌においては、そのサブユニット構造は6量体であり、グラム陰性細菌においては、4量体であることが報告されている。本研究で用いている中度好塩菌もPseudomonas菌も、いずれもグラム陰性細菌に属するので、そのサブユニット構造は4量体をとっているものと予想された。タンパク質を精製し、光散乱計で分子量を測定し、サブユニット構造を明らかにしたところ、PaNDKは、予想どおりに4量体であったが、593NDKは、2量体であった。2量体で活性を示すNDKの分離は、最初の例であり、構造形成・安定性との関係が注目される。中度好塩菌Halomonas由来のnucleoside diphosphate kinase (HaNDK)は好塩性を示し、通常細菌Pseudomonas由来のホモログNDK (PaNDK)は示さない。またHaNDKは2量体、PaNDKは4量体構造をとる。両酵素のC-末端付近の配列を比べると、HaNDKでは酸性アミノ酸であるGlu-Glu配列があるが、PaNDKではここがAla-Ala配列である。そこでC-末端付近に存在するこのGlu-Glu配列と、サブユニット構造、および好塩性との関係を詳細に調べた。HaNDKのGlu-Glu配列を部位指定変異によりAla-Alaに変換したところ(HaNDK/EE)、この変異体は4量体構造を示した。また、逆にPaNDKのAla-Ala配列をGlu-Gluにしたところ、この変異体は2量体構造を示した。
粉末結晶解析による有機ベイポクロミック結晶の創製と結晶転移機構の解明

結晶への蒸気暴露に反応し、可逆的に結晶が相転移し、色調変化を示すベイポクロミズム有機結晶は、「ソフトクリスタル」の典型例であり、また類例がないガスセンサー物質としても重要である。本研究は結晶構造科学に基づきベイポクロミズムの原理を明らかにすることで、蒸気暴露により結晶構造が変化するベイポクロミズム有機結晶を創製することを目的としており、三次元の詳細な分子構造・結晶構造変化を明らかにし、それに基づく研究展開が重要である。有機物結晶によるベイポクロミズム結晶のメカニズムや設計原理を明らかにできれば、多様な有害蒸気を検出するガスセンサーとしての応用も期待される。第1年目は、有機溶媒蒸気適用により結晶水が脱離するユニークな現象と、それに誘起される分子内プロトン移動(互変異性)によりクロミズムを発現する結晶系の探索を行った。これまでの知見から分子内にカルボキシ基(プロトン供与基)とアミノ基(受容基)を持つ分子のスクリーニングを行い、キノロン系抗菌剤である、ピペミド酸、エノキサシン、エンロフロキサシン水和物結晶をターゲットとして選定した。これらについて、蒸気適用によるベイポクロミズム観察、UV/Visによる色変化観察、結晶構造解析を行った。結果として、ピペミド酸三水和物結晶はアルコール蒸気により黄色から無色に変化し、水蒸気適用によりもとに戻るというベイポクロミズムを示したが、これは結晶水の脱離・吸収によることが熱測定から明らかとなった。さらに粉末未知結晶構造解析を行い、脱水和による分子配列変化と水素結合の組み換えにより、双性イオン構造が中性分子に変化するという互変異性を示しており、このことがベイポクロミズムの色変化の原因であると結論した。平成30年度の計画は、第1に結晶水を持つ結晶であり、分子内プロトン移動(互変異性)によりクロミズムを発現する化合物系・および結晶系を探索することであった。これに対し化合物スクリーニングを行い、キノロン系抗菌剤という有望な化合物系を見出した。この中でも特にピペミド酸、エノキサシンを対象として研究を進めた。事前に設定したベイポクロミズムのメカニズムは、(1)蒸気による脱水和・水和、(2)結晶構造変化による分子構造変化と色変化、という二段階のものであった。ピペミド酸・エノキサシン水和物結晶は(1)の目標に対し、いずれもアルコールおよびアセトニトリル蒸気により、結晶中から結晶水が脱離し無水和物結晶となり、逆に空気中の湿度(水蒸気)により水和物結晶に戻る、という興味深い性質を示すことが熱分析やXRD測定から明らかとなった。(2)の目標に対しては、ピペミド酸水和物結晶は脱水和・水和により黄色/無色(白色)の色変化を示すベイポクロミズム結晶であることがUV/VisとXRD測定明らかとなった。一方、類似した分子構造結晶構造を持つエノキサシン水和物結晶は脱水和・水和に関係なく無色(白色)結晶であり、ピペミド酸との比較からクロミズムメカニズムの導出が可能であると考えられた。これらの脱水和により単結晶状態が崩壊し粉末結晶となるため、近年発展した粉末未知結晶構造解析を行った。実際には放射光PXRD測定による精度の高いXRDデータから三次元の結晶構造を導出し、FT-IR, SS-NMR測定データを併せて検討することで、ピペミド酸は脱水和により分子が互変異性を起こし中性イオンとなるが、エノキサシンはそのような分子構造変化(電子状態変化)を起こさないことを明らかにした。以上より、対象分子のスクリーニングという当初の目的に加え、ベイポクロミズム原理の導出まで行う事ができたため、十分な進展があった。第2年目は、第1年目で得られた、脱水和と分子構造変化の組み合わせによるベイポクロミズムという原理から展開し、さらに新しいベイポクロミズム原理を持つ系の開発を行い、原理の確立を目指す計画である。新しいベイポクロミズム原理としては、脱水和ではなく、逆に分子を結晶内に取り込むことでクロミズム反応を引き起こすことが可能であると考えている。蒸気による結晶の脱水和/水和を示す系は非常に限られており、より汎用性のあり強い分子間相互作用を利用した分子取り込みを検討している。これまで検討を行ったキノロン系抗菌剤群は分子にカルボキシ基を持つため、塩基性分子との酸・塩基反応が期待できる。蒸気(ガス)となる塩基性分子としては、アンモニアやモルホリンなどが知られており、これらの分子が結晶中に取り込まれ酸・塩基反応による塩形成を起こすことができれば、分子構造、電子状態変化から色変化を起こすことが期待できる。一方、結晶の加熱により塩結晶から塩基性分子が脱離し、もとに戻ると想定される。また、引き続き脱水和/水和による結晶構造変化から結晶の色、あるいは結晶の特性が変化する系を広く探索する計画である。探索から見出された化合物については、固相でのクロミズム反応性と、X線解析による結晶構造を調べる。具体的には水和物・溶媒和物・塩結晶の存在は粉末X線測定(XRD)や熱測定(TG/DTA)、分光測定で調べ、得られた結晶には水蒸気ならびに有機蒸気を適用し、結晶相が相互に転移するかどうかをXRDで確認する。単結晶にならない粉末系、転移に伴い粉末化する結晶の場合は、粉末X線回折データから極限構造解析である粉末未知結晶解析を行う。また、研究の最終年度に当たるため、これまでの結果をまとめて、理論計算を交えた考察を行うことで、ベイポクロミズム原理に迫る計画である。

結晶への蒸気暴露に反応し、可逆的に結晶が相転移し、色調変化を示すベイポクロミズム有機結晶は、「ソフトクリスタル」の典型例であり、また類例がないガスセンサー物質としても重要である。本研究は結晶構造科学に基づきベイポクロミズムの原理を明らかにすることで、蒸気暴露により結晶構造が変化するベイポクロミズム有機結晶を創製することを目的としており、三次元の詳細な分子構造・結晶構造変化を明らかにし、それに基づく研究展開が重要である。有機物結晶によるベイポクロミズム結晶のメカニズムや設計原理を明らかにできれば、多様な有害蒸気を検出するガスセンサーとしての応用も期待される。第1年目は、有機溶媒蒸気適用により結晶水が脱離するユニークな現象と、それに誘起される分子内プロトン移動(互変異性)によりクロミズムを発現する結晶系の探索を行った。これまでの知見から分子内にカルボキシ基(プロトン供与基)とアミノ基(受容基)を持つ分子のスクリーニングを行い、キノロン系抗菌剤である、ピペミド酸、エノキサシン、エンロフロキサシン水和物結晶をターゲットとして選定した。これらについて、蒸気適用によるベイポクロミズム観察、UV/Visによる色変化観察、結晶構造解析を行った。結果として、ピペミド酸三水和物結晶はアルコール蒸気により黄色から無色に変化し、水蒸気適用によりもとに戻るというベイポクロミズムを示したが、これは結晶水の脱離・吸収によることが熱測定から明らかとなった。さらに粉末未知結晶構造解析を行い、脱水和による分子配列変化と水素結合の組み換えにより、双性イオン構造が中性分子に変化するという互変異性を示しており、このことがベイポクロミズムの色変化の原因であると結論した。平成30年度の計画は、第1に結晶水を持つ結晶であり、分子内プロトン移動(互変異性)によりクロミズムを発現する化合物系・および結晶系を探索することであった。これに対し化合物スクリーニングを行い、キノロン系抗菌剤という有望な化合物系を見出した。この中でも特にピペミド酸、エノキサシンを対象として研究を進めた。事前に設定したベイポクロミズムのメカニズムは、(1)蒸気による脱水和・水和、(2)結晶構造変化による分子構造変化と色変化、という二段階のものであった。ピペミド酸・エノキサシン水和物結晶は(1)の目標に対し、いずれもアルコールおよびアセトニトリル蒸気により、結晶中から結晶水が脱離し無水和物結晶となり、逆に空気中の湿度(水蒸気)により水和物結晶に戻る、という興味深い性質を示すことが熱分析やXRD測定から明らかとなった。(2)の目標に対しては、ピペミド酸水和物結晶は脱水和・水和により黄色/無色(白色)の色変化を示すベイポクロミズム結晶であることがUV/VisとXRD測定明らかとなった。一方、類似した分子構造結晶構造を持つエノキサシン水和物結晶は脱水和・水和に関係なく無色(白色)結晶であり、ピペミド酸との比較からクロミズムメカニズムの導出が可能であると考えられた。これらの脱水和により単結晶状態が崩壊し粉末結晶となるため、近年発展した粉末未知結晶構造解析を行った。実際には放射光PXRD測定による精度の高いXRDデータから三次元の結晶構造を導出し、FT-IR, SS-NMR測定データを併せて検討することで、ピペミド酸は脱水和により分子が互変異性を起こし中性イオンとなるが、エノキサシンはそのような分子構造変化(電子状態変化)を起こさないことを明らかにした。
低毒性の半導体量子ドット蛍光体の合成と高輝度フルカラーデバイスの作製

CuInS_2ナノ結晶の発光機構の解明ホットソープ法により2.9nmから4.1nmまでの結晶サイズのコロイド状CuInS_2ナノ結晶を合成した。4.1nmのCuInS_2ナノ結晶では、近赤外の波長847nmにブロードな発光が観測された。サイズの減少に伴って、近赤外域の発光は短波長へとシフトし、2.9nmのCuInS_2ナノ結晶では759nmであった。吸収と発光のエネルギー差であるストークスシフトの大きさは600meVと大きいため、発光の起源は、励起子の再結合ではなく欠陥を介したものであった。有限の深さの井戸型ポテンシャルにおける有効質量近似を用いてCuInS_2ナノ結晶の電子と正孔の量子準位のエネルギーのサイズ変化を計算し、得られた各量子準位の計算値と観測された発光エネルギーから、観測された近赤外の発光の起源は、In_<Cu>またはV_Sのドナー準位の電子と価電子帯の量子準位の正孔との再結合に起因したものであることが明らかになった。ホットソープ法によるCu(In,Ga)S_2ナノ結晶の合成Cu(In,Ga)S_2ナノ結晶を合成するに当たり、どのように原料を選択すればよいかをCuInS_2ナノ結晶の合成に基づいて検討した。CuInS_2ナノ結晶の合成において、原料として銅のホスファイト錯体とインジウムのアミン錯体を用いた場合には、ウルツ鉱型のCuInS_2ナノ結晶が速度論的に生成し、一方、銅のアミン錯体とインジウムのホスファイト錯体を用いた場合には、熱力学的安定相の閃亜鉛鉱型CuInS_2ナノ結晶が生成することを見出した。この現象は、錯体の結合強度によって成長速度が制御されるという成長機構により説明できた。I族元素の前駆錯体とIII族元素の前駆錯体の結合強度を揃えることが重要であり、硬い酸塩基の概念に基づいて各元素の原料と錯形成剤を選択することが有効であることが分かった。研究目的:(1)ホットソープ法によりCuInSe_2およびCuInS_2量子ドットを合成し、光学的性質を調べる。(2)CuInS_2/ZnSおよびCuInSe_2/ZnSeコア/シェル型量子ドットを合成し、光学的性質の変化を調べる。(3)発光デバイスの作製に向けたエレクトロスプレーによる半導体量子ドットの成膜とその条件の検討。研究方法:(1)原料物質や、それらを溶解させるボスフィンやアミンなどの錯体形成剤の組み合わせを変えて、CuInS_2、CuInSe_2量子ドットが生成する反応溶液を探索した。光学的性質を蛍光発光スペクトルにより調べた。(2)ZnSe、ZnSが生成するように調製された被覆用原料溶液中にCuInSe_2、CuInS_2量子ドットを分散した溶液からCuInSe_2/ZnSe、CuInS_2/ZnSコア/シェル型ナノ結晶の合成を試みた。(3)エレクトロスプレー装置を用いて、先行開発したZn-Cu-In-S系混晶型ナノ結晶からなる薄膜の成膜を試みた。エレクトロスプレー装置のジェット噴出部のニードルに印加する電圧と溶液の流量、及び量子ドットの表面キャッピング剤を変えて成膜条件を検討した。研究成果:(1)ヨウ化銅と塩化インジウムには、亜リン酸トリオクチル、セレンにはトリ-n-オクチルボスフィン、硫黄には亜リン酸トリフェニルをそれぞれ錯体形成剤に使用した各元素の原料溶液を用いた場合に、結晶サイズ1.54nmのCuInSe_2および5nmのCuInS_2が得られた。CuInSe_2では結晶サイズに依存した発光波長のシフトが観察されたが、得られた発光は欠陥に起因したものと推察される。(2)コア/シェル複合化によって発光波長の短波長化が見られたことから、コア・シェル界面での混晶が生じていると考えられる。(3)エレクトロスプレーによりガラス基板上へZn-Cu-In-S量子ドットを成膜した。キャッピング剤の交換により膜質が改善された。CuInS_2量子ドットの合成条件の検討と光学的性質原料溶液を検討、最適化することにより、カルコパイライト型(もしくは閃亜鉛鉱型)のCuInS_2ナノ結晶の粒径を、反応時間により1.5nm3.5nmまで制御することに成功した。励起子の再結合に伴う光吸収の波長が結晶粒径に対応してシフトする様子が観測された。CuInS_2のナノ結晶の励起子エネルギーは、結晶粒径が1.5nmで2.25eVまで増大することが本研究で初めて示された。I-III-VI_2半導体量子ドットでフルカラーを実現するにはCuInS_2よりもバンドギャップが大きいCu(Ga_xIn_<1-X>)S_2混晶が適当であることが分かった。コアシェル型ナノ結晶の作製CuInS_2の結晶性の向上を図るためにZnSナノ結晶をコアとしたZnS/CuInS_2コア/シェル型ナノ結晶の合成を試みた。良質なZnSナノ結晶の合成方法を検討し、励起子による発光が観測されるほど良質なナノ結晶の合成に成功した。複合処理によって得られた試料からはCuInS_2ナノ結晶よりも発光波長が短波長へとシフトした。エレクトロスプレー堆積法によるドットの堆積膜の作製溶液の調製方法の最適化により、成膜時間が6時間でも安定して成膜できるようになった。EL素子の作製スパッタ条件の検討をした。

スパッタ法およびエレクトロスプレー堆積法によって、glass/ITO/Al_2O_3/ドット層/Al_2O_3/Alを作製した。CuInS_2ナノ結晶の発光機構の解明ホットソープ法により2.9nmから4.1nmまでの結晶サイズのコロイド状CuInS_2ナノ結晶を合成した。4.1nmのCuInS_2ナノ結晶では、近赤外の波長847nmにブロードな発光が観測された。サイズの減少に伴って、近赤外域の発光は短波長へとシフトし、2.9nmのCuInS_2ナノ結晶では759nmであった。吸収と発光のエネルギー差であるストークスシフトの大きさは600meVと大きいため、発光の起源は、励起子の再結合ではなく欠陥を介したものであった。有限の深さの井戸型ポテンシャルにおける有効質量近似を用いてCuInS_2ナノ結晶の電子と正孔の量子準位のエネルギーのサイズ変化を計算し、得られた各量子準位の計算値と観測された発光エネルギーから、観測された近赤外の発光の起源は、In_<Cu>またはV_Sのドナー準位の電子と価電子帯の量子準位の正孔との再結合に起因したものであることが明らかになった。ホットソープ法によるCu(In,Ga)S_2ナノ結晶の合成Cu(In,Ga)S_2ナノ結晶を合成するに当たり、どのように原料を選択すればよいかをCuInS_2ナノ結晶の合成に基づいて検討した。CuInS_2ナノ結晶の合成において、原料として銅のホスファイト錯体とインジウムのアミン錯体を用いた場合には、ウルツ鉱型のCuInS_2ナノ結晶が速度論的に生成し、一方、銅のアミン錯体とインジウムのホスファイト錯体を用いた場合には、熱力学的安定相の閃亜鉛鉱型CuInS_2ナノ結晶が生成することを見出した。この現象は、錯体の結合強度によって成長速度が制御されるという成長機構により説明できた。I族元素の前駆錯体とIII族元素の前駆錯体の結合強度を揃えることが重要であり、硬い酸塩基の概念に基づいて各元素の原料と錯形成剤を選択することが有効であることが分かった。
六朝隋唐時代における仏教譬喩経類の受容と道教

仏と仏弟子たちの前世物語を記した譬喩経類(本生経類)は、仏教が中国社会に広まっていく上で大きな役割を果たした。長く繰り返される輪廻転生と因果応報という、中国にはもともと存在しなかった観念を物語によってわかりやすく説いた前世物語は、小説や絵画などの形式をも借りながら、人々の間に浸透した。それはさらに、道教にも影響を与え、六朝時代に作られた霊宝経の中には、道教の重要な神々の前世物語が書かれている。科学研究費の交付を受けた2年間のあいだに、漢訳仏典譬喩経類のひとつ『六度集経』について主に研究を行った。中国思想・中国仏教・インド仏教・仏教美術史・日本仏教の諸分野の研究者から成る『六度集経』研究会を組織し、毎月1回、会合を開き、『六度集経』を丁寧に読み解くとともに、関連のジャータカや本生図を検討した。2年間で、『六度集経』巻1から巻3までを読み終わり、その日本語訳は、研究成果報告書に収録した。また、六朝道教経典に見える神々の前世物語については、台北で開催された2006道文化国際学術研討会(2006年5月)と、西安で開催された中国首届道教美術史国際研討会(2007年5月)で口頭発表をし、海外の研究者と意見交換を行った。漢訳仏典譬喩経類の中で、六朝道教思想との関連を考える上で重要な『六度集経』について詳細な検討を行った。仏陀の前世物語を多く載せる『六度集経』は、仏教思想史・中国宗教思想史・仏教美術史・中国語法史などの方面で、以前から注目されてはいるが、原文の精密な読解に基づく体系的研究はまだ十分とは言えない。そこで、今回、本研究の科研費採択を契機に、インド仏教、中央アジア・中国仏教美術史、中国仏教思想の研究者十余名から成る『六度集経』研究会を組織した。研究会は毎月1回、名古屋大学文学部で開催し、『六度集経』を最初から丁寧に読み解きつつ、関連のジャータカや本生図などをあわせて検討している。学際的な視点からの興味深い意見交換ができて、刺激に富む研究会である。この研究会での検討をもとに作られた『六度集経』の現代語訳は、来年春、本研究の報告書の中に収める予定である。仏陀の前世物語は六朝道教に影響を与えている。『六度集経』に見えるスダーナ太子本生を模倣して、六朝道教の最高神の元始天尊の前世物語が作られ、霊宝経の中にその記述が見える。本年度に著した論文「天尊像・元始天専像の成立と霊宝経」は、六朝末から隋唐にかけて、天尊像・元始天尊像が出現し、次第にその数が増えていく状況を実際に現存する像例に即して考察するとともに、元始天尊の前世物語の作成が道教の布教と関連するであろうことを推論した。仏および仏弟子の前世物語は、中国において仏教が広まる上で重要な役割を果たした。長く繰り返される輪廻転生と因果応報という、中国にはもともと存在しなかった観念を物語によってわかりやすく説いた本生譚は、小説や絵画などの形式をも借りながら、人々の間に浸透していき、それは、道教にも影響を及ぼした。六朝道教思想との関連が濃厚な漢訳仏典『六度集経』について丁寧に読み解きつつ、本生譚が持っていた意義を考える研究会を昨年度から始めたが、本年度もそれを継続し、中国仏教のみならず、インド仏教や仏教美術史の専門家たちからの貴重な指摘をいただきながら、多角的な視点から『六度集経』の検討を行ってきた。「六度」のうち布施に関する話を載せた『六度集経』の巻1から巻3までの部分の日本語訳はすでに完成し、研究成果報告書の中に収録した。六朝時代の霊宝経においては天尊・元始天尊という神格が登場し、道教の最高神となっていく。

その過程で、仏教の本生譚の影響を受けて、天尊・元始天尊についても、前世の物語が作られるようになる。この問題に関連して、本年度5月には、中国・西安で開催された美術史関係の国際シンポジウムにおいて口頭発表を行った。漢訳仏典譬喩経類の研究は、思想・文学・美術・語学の諸方面の知識が求められる学際的な性格を持っている。『六度集経』研究会の継続、海外の研究者との意見交換などを通じて、今後もこの研究を続けていく必要性を感じている。
不合飽和官能基をもつヌクレオシドの制癌活性機序

がん治療においてすぐれた化学療法剤の開発は重要な課題である。我々は、従来の単純代謝型拮抗剤とは異なり、核酸構成分のヌクレオシドとしての形は維持しながら、全く異なる化学反応性をこれに付与して、それがDNA、RNAのご合成をその鎖伸長のステップで選択的に阻害することが出来るような化合物を創製することを目的としている。このような化学反応性を付与する方法として、ヌクレオシドの糖部または塩基部に不飽和炭素統合を導入することが有用であることを見出したので、それらの構造一活性相関及び作用機序の解明を目指した。糖部に不飽和基を有する2^1-deoxy-2^1methylidenecytidine(DMDC)は、ara-Cと同様に2^1-deoxycytidineのアナロ-グである。Ara-Cは白血病には著効を示すが固型がんには全く効果がない。しかしDMDCは、in vitroでは、血液ガン、固型がん由来細胞の両者に対して効果を示した。種々の誘導体を合成し活性発現に対する構造要求性を検討したところ、DMDCの糖部2^1、3^1-位のアリ-ルアルコ-ルシステムが重要であることが明らかになった。更にin vitroでの検討の結果、DMDCはヌ-ドマウスに移植したヒトメラリ-マ(SK-Mel-28)に著効を示すことが明らかになった。なおこのがんに対しては既存のara-C、5-FUは全く効果を示さなかった。一方、塩基部に不飽基を導入した5-エチニル-1-β-D-リボフラノシルイミダゾ-ル-4-カルボキサミド(EICAR)も各種ヒト固型がん由来の細胞に対して増殖仰制活性を示した。EICAR)のマウスがん細胞FM3Aを用したヌフレオチドプ-ルに対する影響を調べたところ、GTP及びdGTPの枯渇が観察された。このことはEICARがリン酸化されプリンヌクリオチド生合成上重要なIMPデヒドロゲナ-ゼを阻害していることが示唆された。
細胞増殖の制御とプロテアーゼ

1)細胞増殖におけるプロテアーゼ機能の解析:Rasがん細胞から大量に分泌されているカテプシンLの前駆体に増殖促進作用があることが確認された。プラスミノゲンアクチベーターの発現と癌の悪性度、転移形式に密接な関連がみられた。筋細胞で転写因子のレベルの調節に関与する新しいカルパイン分子種の構造と機能相関を解析した。PKCインヒビターと70%の一次構造上の類似性のあるトリプターゼTL2のシグナル伝達における役割を解析した。神経突起形成を誘導するプロテアーゼインヒビターの標的と思われるプロテアーゼを単離したところ、プロテアゾームの新しい活性であった。2)細胞周期の制御におけるタンパク質分解の役割とその機構の解析:M期の終了をもたらすサイクリンのユビキチン依存的な分解の開始機構の解析がなされた。ツメガエル卵の受精におけるMosの分解に、MosN末端から2番目のプロリンおよびそれに隣接する3番目のセリンの脱リン酸化が必須であること、また、その分解にユビキチン-プロテゾーム系が関与していることが示された。3)細胞外マトリックスの破壊・血管新生におけるプロテアーゼ系の役割の解析:MPP-9の大量産生は高転移能と関連があることおよび腫瘍由来のマクロファージは種々のメタロプロテアーゼの産生能を著明に亢進することを明確にした。基底膜の主要成分ラミニンがIV型コラーゲン分泌促進能と同時に増殖促進作用をもつこと、さらにその活性部位を同定した。
う蝕原因菌由来新規アセチル化酵素の機能解析とう蝕予防への展開

我々が単離したペプチドグリカン加水分解酵素"Aml"の細胞壁結合ドメインの13アミノ酸残基からなるリピート構造がう蝕原因菌のS. mutans, S. sobrinusの細胞壁にのみ結合することが確認されている。蛍光化Aml細胞壁結合ドメインを作成し、生菌に反応させた後フローサイトメトリー解析を行ったところ口腔連鎖球菌ではS. mutans, S. sobrinusに強く反応し、S. mitisに軽度反応する結果が得られた。またう蝕を持つボランティア唾液を用いたS. mutans, S. sobrinus迅速診断では唾液採取から約1時間で定量が可能であり、既存の臨床検査法より時間短縮の可能性が示唆された。フローサイトメトリーの応用として、唾液中の口腔常在菌に蛍光化Aml細胞壁結合ドメインを反応させフローサイトメトリーで蛍光陽性分画と陰性分画をセルソートより分離し、陰性分画を回収する手法により98%以上のう蝕原因除去が可能であることが明らかになった。口腔レンサ球菌(S. mutans, S.sobrinus, S.salivalius, S.sanguinis, S.mitis)の細胞壁ペプチドグリカンの構造を解析した結果、いずれの菌種も修飾率は異なるがグリカン鎖のMurNAcアセチル体が存在していた。その中で、S.sobrinusのみ架橋ペプチド鎖(Thr-Ala)のアミノ酸・Thrがアセチル修飾されたアセチル体を含んでいた。一方、S.salivalius H665の架橋ペプチド鎖(Thr-Gly)のThrはアセチル修飾を受けていないがS.cricetus及びS.downeiの架橋ペプチド鎖(The-Ala)のThrはS.sobrinus同様、2か所、2種類のアセチル修飾体が存在していた。S.sobrinusには、2種類のペプチドグリカン-アセチル化酵素が存在すると推測されたため、Staphylococcal OatA protein (SAV2567)をqueryとして、口腔レンサ球菌のゲノム情報をバイオインフォマティクス解析し、アセチル化遺伝子を探索した。得られたアセチル化酵素の数は、S.sobrinus, S.criceti, S.downeiは2個、他の口腔レンサ球菌は1個であった。ペプチドグリカンのアセチル化酵素は、N末端側に11個の膜貫通ドメインを有し、C末端側にSer-Asp-Hisを活性部位とするアセチル化酵素であった。S.sobrinus,S.cricetusおよびS.downeiにのみ見出された2種類のアセチル化遺伝子は系統樹解析から別種のグループに識別されたことから、グリカン鎖のMurNAcをアセチル化するアセチル化酵素と架橋ペプチドのThrをアセチル化するアセチル化酵素の責任遺伝子が特定できた。口腔レンサ球菌(S. mutans, S.sobrinus, S.salivalius, S.sanguinis, S.mitis, S.cricetus及びS.downei)の細胞壁ペプチドグリカンのアセチル化修飾構造を解析した結果、従来見出されていない修飾体が特定の菌種に見出され、特定の修飾体を有する菌種は、う蝕等において臨床細菌上重要な知見を提供する可能性が示唆された。口腔レンサ球菌のゲノム情報をバイオインフォマティクス解析(BLASTP program, TreeGraph 2, PRALINE algorithm, HMMTOP, in silico molecular cloning software等)し、アセチル化遺伝子を探索した。得られたアセチル化遺伝子について構造情報を膜貫通ドメイン、catalytic domain、立体構造などから解析し、いずれもアセチル化酵素遺伝子と特定できた。系統樹解析から、Thrをアセチル化するアセチル化遺伝子を特定できた。本研究は、特異的にう蝕原因菌を選択的に除去・検出する手法を志向している。そのための予備実験(例えば、抗体を用いてS.sobrinusを口腔常在菌叢から選択的に認識し除去できるか?という実験)を別途平行して行ったので、当初の予定から少しずれたが最終目標へのアプローチとしては変わっていない。口腔常在菌中、streptococcus mutans(ミュータンス菌)とS.sobrinus(ソブライナス菌)は,う蝕原因菌として知られている。う蝕は多くの国民が原因菌に罹患している細菌感染症の一つであるが、Lactobacillus属が根面う蝕に関連するとか、多くの口腔常在菌がmutans streptococciの歯面付着に関与する、など複雑な因子が絡み合って生じるとされ依然として効果的予防法は開発されていない。抗原抗体反応やbinding domainの結合特異性を利用することにより、口腔常在菌叢をかく乱することなく、う蝕原因細菌を選択的に除去・検出できる手法を志向し研究に着手した。う蝕原因菌に特異的に発現しているタンパク質を利用し、う蝕原因菌を選択的に除去する方法の開発を試みるための基礎的な検討としてFACScanによるmutans streptococci迅速定量法の可能性を検討した。健常ボランティアより唾液を採取し検体とした。使用抗体はウサギ抗Streptococcus mutans抗体(一次抗体)を用いた。FITCラベル抗ウサギIgG二次抗体、もしくはFITCを直接ラベルした一次抗体を用いて抗原抗体反応を行い、FACScaliburで唾液中のoral floraを展開した。蛍光顕微鏡を用いて、oral flora中streptococciに対する反応率を検討したところ、ほぼ100%の反応を示したが、非特異性反応、並びに自己蛍光発色菌の存在の可能性も存在していた。

また、う蝕原因菌が他の菌と共存した状態での検出の特異性等の評価のための基礎実験としてLactobacillus rhamnosusにおいてgreen fluorescein proteinを発現させ蛍光標識する実験を行った。う蝕原因菌に特異的に発現しているタンパク質としてペプチドグリカン-アセチル化酵素の責任遺伝子を特定しType I, Type II遺伝子の組み換えタンパク質を作成し、in vitroの活性評価系を構築し、基質特異性を評価する実験の準備が整った。FACScanによるmutans streptococci迅速定量法の可能性を、市販品試薬、ウサギ抗Streptococcus mutans抗体(一次抗体)、FITCを標識した蛍光標識抗ウサギIgGニ次抗体を用いて検討した。う蝕原因菌に発現している特異的結合部位の領域を蛍光標識し、これを検出試薬として用いる実験を行い、検出試薬としての特異性を評価した。また、Lactobacillus rhamnosusにgreen fluorescein proteinを発現させ、う蝕原因菌が他の菌と共存した状態での検出の特異性評価のための材料を作成した。口腔常在菌中、streptococcus mutans (ミュータンス菌)とstreptococcus sobrinus (ソブライナス菌)は、う蝕原因菌として知られている。これら原因菌の口腔内における数とカリエス罹患率の関係は議論の対象となっており、う蝕原因菌を対象とした種々の検査法・菌の定量法が提唱されているが、それぞれに改善の余地のある手法といわざるを得ない現状である。そこで、う蝕原因菌を定量する方法としてフローサイトメーターのFACScanを用いるう蝕原因菌定量法の基礎的検討を行った。健常ボランティアより唾液を採取し検体とした。口腔常在菌の中からう蝕原因菌を特異的に認識するものとして、申請者らが見出したS.mutansに発現しているAmlのdomainを用いて特異的にう蝕原因菌を認識するリガンド法と抗体を用いた方法によりう蝕原因菌を測定するFACScan法を検討し、その有用性や現時点における問題点を評価した。ウサギ抗Streptococcus mutans抗体(一次抗体)を用い、FITCラベル抗ウサギIgG二次抗体、もしくはFITCを直接ラベルした一次抗体を用いて抗原抗体反応を行い,FACSCaliburでoral floraを展開した。予備実験から、1次抗体並びにFITCラベル1次抗体の至適希釈率を求めた。FACS展開後のゲート設定により、抗体反応Streptococciと他のoral floraの分離定量が可能と思われる結果を得た。蛍光顕微鏡を用いてoral flora中Streptococciに対する反応率を検討したところほぼ100%の反応性を示したが,非特異的反応並びに自己蛍光発色菌の存在の可能性も残されていた。う蝕原因菌を認識するリガンド法は、抗体を用いるよりより
生体超分子系の機能制御を目指した人工超分子系の創出

cucurbit[7]urilの効率的合成法および分離精製法を確立したうえ、cucurbit[7]urilとアセチルコリンを含む多種多様のゲスト分子との包接挙動について検討を行った。アセチルコリンに対してcucurbit[7]urilはアセチルコリンレセプターに匹敵する結合親和性を有することを明らかにした。また、cucurbit[7]urilは、主に疎水性相互作用によりコリンなどのオニウムイオンを空洞に取り込み安定な包接錯体を形成すること、類似した形状の中性分子に対してはより高いエネルギー障壁を直面することを解明した。1前年度に引き続き、競争的蛍光滴定によるQ[7]とゲストとの分子認識を評価する実験を継続し、計二十数種のコリン類縁体・アミノ酸の結合定数を測定した。包接錯体の解離定数はμmole/Lまでのものも得ることができた。また、NMR滴定により、溶液におけるQ[7]-ゲストの超分子構造について特徴付けたうえ、分子認識能に影響を及ぼす主な要因について検討を行い、多くの知見を得た。2コリン、アセチルコリン、ネオペンタノールとQ[7]の分子認識について、カロリメトリー滴定を行い、熱力学的パラメーターを求めた。収集した情報を総合的に検討した結果、Q[7]はコリンのようなオニオン形ゲストを空洞の奥に取り込み、非常に安定な包接錯体を形成することを解明した。これは今後の分子設計に大いに活用できる重要な知見と思われる。3Q[n]のパーヒドロキシ化について条件検討を行い、パーヒドロキシQ[n]の生成を確認することができた。分離精製法については、更なる検討を重ねる必要がある。4一置換Q[n]の合成に関して、グリコウリルおよびホルムアルデヒド以外のアルデヒドを用いて、様々な条件で試みたが、目的生成物の入手に至らなかった。1Q[7]とアンモニウム、スルホニウム、ホスホニウムなど多種のオニウム化合物およびそれらと形状が類似した中性の分子との包接挙動について、競争的蛍光測定法およびNMRにより評価を行った。結合能はゲスト分子の大きさと形状に大きく依存することを解明した。また、トリメチルアンモニオなどのオニウムイオンおよびトリメチルシリル、tert-ブチルなどの中性基は、荷電状態を問わずいずれもQ[7]の空洞に強く結合するが、活性化エネルギーがそれぞれ明白に異なることを明らかにした。2Tulobuterol, vecuronium, neostigmine, succinylcholineを含む多種の薬物分子に対するQ[7]の結合能を測定した。vecuroniumに対して強い結合能が認められたが、文献に報告されたシクロデキストリンsugammadexのそれに及ばなかった。面白いことに、succinyl cholineに対してQ[7]はその空洞経に適したオニウム部ではなく中央のsuccinyl部に結合する。3脂肪族カルボン酸をQ[7]との結合挙動を競争的蛍光測定法およびNMRにより評価した。カルボン酸きがQ[7]の空洞に結合し、結合エネルギーは炭素数(C8まで)に比例して増加することを解明した。4Q[7]を30%以上の収率で得られる新しい合成法を確立した。5前年度から着手したQ[n]の酸化(Kimらによって報告されている)を継続し、多大な精力を費やしたが、目的物を得ることができず、Q[n]の官能化は今後の課題として残ることになる。グリコウリルからcucurbit[n]urilQ[n](n=5,6,7,8,etc)を合成し、その混合物からQ[5]、Q[6]、Q[7]を効率的に単離精製するはクロマトグラフ分離法を確立した。通常のゲスト分子の包接に適したサイズの空洞を有するQ[7]を確かな手法で入手できるようになったことは特筆すべき点である。アンモニウム陽イオンがQ[7]の空洞の奥に取り込まれる新しい包接現象を解明することは分子認識に対する理解を深めるだけではなく、超分子設計にも新たな可能性を生み出すと期待される。本研究では様々のコリン類縁体をゲスト分子として、競争的蛍光滴定やカロリメトリー滴定法などにより、Q[7]と各種のゲストとの結合能を評価する。これらの結果から、Q[7]の包接挙動に関する重要な知見を得た。グリコウリルおよび二置換グリコウリル誘導体から二置換Q[6]の合成は一例報告されているが、コリンの包接に適切な空洞径をもつQ[n]の一または二置換体について報告例は皆無である。本研究では、グリコウリルおよびメチルグリコウリルからメチルQ[n]誘導体の合成・分離法の確立を図った。現在、メチルQ[6]の合成・分離精製・構造決定に成功している。また、メチルQ[6]はQ[n]と類似した包接能を有することも確認した。

東日本大震災の影響で生じたNMR測定装置の不具合が解消されず、関東の施設に依頼しているNMR解析が一部(緩和時間測定など)実施されていないが、それ以外のすべての項目はおおむね当初の計画通りに実施することができている。東日本大震災の影響でNMR測定装置に不具合が生じたため、関東の施設に依頼しているNMR解析は多少遅れているが、それ以外のすべての項目は順調に進展し、おおむね当初の計画通りに推進することができている。おおむね当初計画通りに研究を推進する予定であるが、研究の進み具合に応じて多少の調整を行うことも用意しているおおむね当初計画通りに研究を推進する予定であるが、研究の進み具合に応じて多少の調整を行うことも用意しているこれまで得た知見を基に、1コリン類縁体とQ[7]の包接についての検討を継続すると同時に、アンモニウム形医薬品や生体分子も検討対象として視野に入れる。また、2一置換Q[n]の合成について、新たな合成案を考案しその合成法の確立を図る。例えば、尿素とグリオキサールから作った基本ユニットグリコウリルの代りに、チオ尿素やニトログアニジンなどを用いて作ったユニットを利用できないかなどを試みる。3Q[n]のヒドロキシ化について引き続き分離精製法を検討し、得たヒドロキシQ[n]を基にQ[n]二量体、Q[n]-シクロデキストリン連結体などを設計・合成し、コリン二量体のようなゲスト分子に対して優れた分子認識能をもつ人工的レセプターの創出を行い、本研究計画を完了させる。前年度に得られた結果を基にして、重要なコリン類縁体とQ[n]の超分子形成について、以下の検討を行い、超分子形成を制御するファクターを解明する。(1) NMR滴定および2D NMR測定により、溶液におけるQ[7]-ゲストの超分子構造について特徴付ける。(2)熱力学的検討を行い、超分子形成におけるエンタルピー変化およびエントロピー変化を求める。(3)超分子形成に伴う重要な核の緩和時間の変化を測定し、動的観点から超分子におけるゲスト分子の束縛状況を検討する。(4)単結晶を作ってX線屈折構造解析により固体における超分子構造を解明して、溶液における超分子形成を裏付ける。また、新規置換Q[n]誘導体を合成・構造決定し、その分子認識能を、競争的蛍光滴定、NMR測定、カロリメトリー滴定などにより検討を行う。さらに、Kimらによって報告され、Kim研究室以外では殆ど再現できていないQ[n]のヒドロキシ化について検討を行い、修飾可能なヒドロキシQ[n]の合成を図る。
土壌による酸性降下物の中和と陸水環境の酸性化予測 -気・液・固の3相系における物質移動論的解析-

本研究は,酸性降水の土壌による中和機能に関して,土壌中の気・液・固相の3相系における水素イオンの反応と物質移動によって解析できるとし,実験的検討に基づいた解析を行うことを目的とした。土壌の中和能によって河川水が弱アルカリ性に維持されているが,これは土壌の化学的作用のみでは説明出来ず,土壌中の生態系の影響が大きいことを既に,本研究申請者等によって明らかにしている。すなわち,土壌の化学的な側面ばかりでなく,生態学的な寄与を考慮し,酸性降下物による北陸地方の環境の酸性化の将来予測を試みた。土壌の中和反応に関して液相中の金属イオン濃度が大きく影響することが判った。特に日本海側の冬季に季節風とともに降水中に多量の海塩由来のアルカリ金属イオンが含まれる。これらが,土壌による降水の中和反応を妨害することが示唆された。土壌の中和能は酸性降水によって劣化するが,溶出した交換性金属イオンが補われることによって,土壌の中和能が回復することがわかった。ただし、この際人為的に塩化カルシウムなどの薬剤を散布するだけでは,先述の液相中の金属イオン濃度を高めてしまい,土壌の中和能を阻害することになるので,注意を要する。土壌気相中の二酸化炭素ガスは,中和反応によるpH上昇を促進するが,カラム実験でもそのことが確かめられた。しかしながら,土壌気相中の二酸化炭素ガスは土壌の劣化を速める現象も併せて見られた。土壌中和能の寿命を見積もる上で,土壌気相中の二酸化炭素ガスの土壌劣化の促進効果は見過ごせない現象であろう。以上のように,土壌の中和能は土壌中の気・液・固相の3相系で理解する必要があることを示した。地球環境問題の一つである,酸性雨として知られる,酸性降下物による環境の酸性化問題は,日本を始めとする東アジア全域で大きな問題となっている。酸性降下物の影響として,河川・湖沼の酸性化については,工業用水,農業用水,水産用水や飲料水としても不適となり,産業界ばかりでなく,社会的にも大きな問題となる。現在,河川水はほぼ弱アルカリ性に維持されているが,これは土壌による中和能によっている。本研究では,このような酸性降下物を中和する土壌を,気相,液相,固相の3相系と理解し,その中での物質移動の挙動を解析することを目的とした。その結果,河川水が弱アルカリ性に維持されている現象については,土壌の無機化学的中和能のみによって説明できないことを明らかにした。この説明として,土壌中の生態系によって放出された土壌気相中の炭酸ガスが,土壌の中和機構に重要な寄与をしていることが実験的に確かめられた。すなわち,土壌の中和能は土壌中の気・液・固相の3相系で理解する必要があることを示した。なお,当初計画していなかったが,土壌の中和反応に関して液相中の金属イオン濃度が大きく影響することが判った。これらが,土壌による降水の中和反応を妨害することが基礎的な回分実験などで明らかになった。これらの成果については,環境科学会等の学会で発表した。一方,カラム実験からは,2価のカルシウムイオン,マグネシウムイオンなどは土壌の中和反応に大きく寄与するが,1価のナトリウムイオン,カリウムイオンなどはほとんど中和反応を妨害することがないことを示すデータが得られた。現在さらに,カラム実験におけるイオン成分の物質移動に関する解析を行っている。本研究は,酸性降水の土壌による中和機能に関して,土壌中の気・液・固相の3相系における水素イオンの反応と物質移動によって解析できるとして,実験的検討に基づいた解析を行うことを目的とした。

土壌の中和能によって河川水が弱アルカリ性に維持されているが,これは土壌の化学的作用のみでは説明出来ず,土壌中の生態系の影響が大きいことを既に,本研究申請者等によって明らかにしている。すなわち,土壌の化学的な側面ばかりでなく,生態学的な寄与を考慮し,酸性降下物による北陸地方の環境の酸性化の将来予測を試みた。土壌の中和反応に関して液相中の金属イオン濃度が大きく影響することが判った。特に日本海側の冬季に季節風とともに降水中に多量の海塩由来のアルカリ金属イオンが含まれる。これらが,土壌による降水の中和反応を妨害することが示唆された。土壌の中和能は酸性降水によって劣化するが,溶出した交換性金属イオンが補われることによって,土壌の中和能が回復することがわかった。ただし,この際人為的に塩化カルシウムなどの薬剤を散布するだけでは,先述の液相中の金属イオン濃度を高めてしまい,土壌の中和能を阻害することになるので,注意を要する。土壌気相中の二酸化炭素ガスは,中和反応によるpH上昇を促進するが,カラム実験でもそのことが確かめられた。しかしながら,土壌気相中の二酸化炭素ガスは土壌の劣化を速める現象も併せて見られた。土壌中和能の寿命を見積もる上で,土壌気相中の二酸化炭素ガスの土壌劣化の促進効果は見過ごせない現象であろう。以上のように,土壌の中和能は土壌中の気・液・固相の3相系で理解する必要があることを示した。