hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高屈折率コア/電気光学ポリマー導波路構造の低電圧動作光変調器

本研究では、高屈折率コア複合の電気光学(EO)ポリマー光変調器の低電圧動作と高速応答を目指して、光導波路構造化、電場配向条件、進行波型電極などの最適化を進め、光学特性の評価を行った。本研究で提案のハイブリッド型光導波路構造は、従来の逆リッジ型導波路に比べて、電場配向効率を高めるばかりでなく、光伝搬損失の低減などにも繋げることができた。特に薄膜シリコン導波路を用いたハイブリッドEOポリマー変調器は、半波長電圧特性が1V以下に達し、高周波応答も40GHzまで確認することができたことから、本研究目的を達成することができた。本研究の目的は、電気光学(EO)ポリマーを用いた光導波路変調器の低電圧動作を実現するため、高屈折率光導波路を応用したハイブリッド導波路を設計・作製し、その高性能な光変調特性を実証することである。本年度は、高屈折率コアにTiO2を選定し、ハイブリッド型リング共振器や細線導波路を応用した波長スイッチデバイスや光変調器の作製を行った。リング共振器による波長スイッチング特性を解析したところVp-p=1.9Vの電圧動作で3dBのスイッチ特性を得ることができ、デバイスEO係数として96pm/Vを達成した。本成果は高精度な波長スイッチング特性としてOpt.Expressに報告した。また、細線導波路の応用ではTiO2(300nm×300nm)をコアとするEOポリマー光変調特性を作製し、半波長電圧3.2Vを得た。本結果より光変調器導波路をマッハ・ツェンダー型に応用することによって、動作電圧1V台の低電力光変調器の実現を示唆した。本研究成果は新たなハイブリッド光導波路の作製とその低電圧動作としてAppl. Phys. Lett.に報告した。さらに伝搬光とEOポリマーを強く相互作用させることが可能な、スロット型細線導波路を発案し、デバイス構造の最適化と作製、光変調特性の解析を行った。その結果、デバイスEO係数140pm/Vを達成し半波長電圧が1.6Vの低電圧動作特性を得ることができた。理論的な光モード計算と電界計算による解析から、スロット型光導波路による電気光学特性の増強効果を見出し、デバイス性能の向上に繋げた。本研究成果はScientific Report (Nature publishing group)に報告した。本年度は、これまでに進めてきた最適化構造をもとに光導波路作製を進め光変調の低電圧動作と高速応答特性を評価した。本研究ではこれまでに高屈折率コアとしてTiO2を選定してハイブリッド導波路を進めてきているが、本年度は新たにシリコンを用いた導波路作製を行った。これによって研究の目標とする光集積への展開が期待できる。作製したシリコン/EOポリマーハイブリッド光導波路の基本的な光学特性評価を進めると同時に、マッハツェンダー型変調器に応用することで動作電圧2Vで10MHz応答の強度変調特性を確認することができた。さらにシリコン光集積回路への結合のためシリコン細線導波路との融合についても、低損失の導波路結合を実現した。本成果はApp.Phys.Lett.に報告した。さらなる光変調の広帯域化を目指し、作製したシリコン/EOポリマーハイブリッド導波路に進行波型電極を集積した高速光変調器の試作を行った。変調光の透過スペクトル解析から40GHzレベルの帯域特性を得ることができた。さらに電極構造をCPW型からサンドイッチ型に改良した光導波路を作製することによって、半波長電圧の低減と高周波応答特性を兼ね備えたハイブリッド型デバイスの作製を実現した。本年度は、ハイブリッド型光導波変調器の低電圧動作と高速応答を実現するため、TiO2、またはシリコンとEOポリマーを融合したデバイス作製と光学特性評価に注力して研究を進めた。その結果、光導波路の電気光学定数として100pm/Vレベルの特性を実現した。また、動作帯域をギガヘルツレベルに高めるため、高周波伝送が可能な電極作製を行った。その結果、最高で40GHzの明確な変調動作を確認することができた。これらの結果は、応用物理系誌(Appl. Phys.Lett.)に採択された。本年度の進展は、本研究課題で最終目的とするポリマー応用の超高速光導波路デバイスの小型化と低電圧動作につなげる上でも重要である。本研究では、電気光学ポリマーを用いた光変調デバイスの高性能化を目指し、特にシリコンなどの高屈折率導波路と複合化したハイブリッド変調器を作製することで低電圧動作と超高速応答を実現することを目的としている。本年度は研究目的の達成のためハイブリッド変調器の作製、モードの最適化、ポーリングの最適化、および高周波動作の解析など検討を行った。ハイブリッド構造の最適化では、薄膜シリコンを使った新たなハイブリッド構造について検討し、理論的なモード解析と相補的に考察することによって最大限に電気光学特性が得られる導波路構造を決定した。電気光学ポリマーの合成では、熱安定性向上のための化学構造の改良進めガラス転移温度の高温化をした。これらのポリマーの熱特性をもとに導波路のポーリング条件の検討を行った。以上の諸条件を検討して得られたハイブリッド光変調器の半波長電圧は0.9Vであり、本研究で目的とした1V以下の動作電圧の低減化を実現した。

高速変調の実験では進行波型電極を組み込んだ導波路の、帯域特性の評価を行った。その結果、3dB帯域で24GHzの帯域特性を得た。6dB帯域では40GHzの広変調も可能であり、ポリマー変調器特有の高周波数応答特性を確認した。作製したシリコンーEOポリマーハイブリッド導波路をシリコンフォトニクスの研究分野に展開するために、シリコン細線導波路への光結合について検討を行った。ハイブリッド導波路の薄膜シリコン導波路とシリコン細線導波路間をテーパー結合器を使って結合し、その結合損失等について評価を行ったところ低損失で結合できることを明らかにした。以上によって、シリコン光導波路技術にポリマー技術を融合した高度化デバイスの作製についても本研究で実施した。本研究では、高屈折率コア複合の電気光学(EO)ポリマー光変調器の低電圧動作と高速応答を目指して、光導波路構造化、電場配向条件、進行波型電極などの最適化を進め、光学特性の評価を行った。本研究で提案のハイブリッド型光導波路構造は、従来の逆リッジ型導波路に比べて、電場配向効率を高めるばかりでなく、光伝搬損失の低減などにも繋げることができた。特に薄膜シリコン導波路を用いたハイブリッドEOポリマー変調器は、半波長電圧特性が1V以下に達し、高周波応答も40GHzまで確認することができたことから、本研究目的を達成することができた。本年度は、光変調導波路の低電圧動作を実現するため、TiO2とEOポリマーを融合したハイブリッド型光導波路の作製に注力して研究を進めた。その結果、これまでに得られた半波長電圧(変調動作電圧)4-6Vに対して、大幅な低電圧動作を実証した。特にスロットを応用した光変調導波路では得られたデバイスEO係数は140pm/Vと高く、本研究目的で目標とした100pm/Vを大きく上回る性能を得ることができた。本結果は、世界的な研究動向と比べても優れており、関連の応用物理・光学系論文誌に採択された。本年度の進展は、次年度以降の光導波路の小型化や広帯域応答を実現する上でも重要である。本年度までに、研究目標とするデバイスEO特性の高性能化を実現する基礎特性を評価し、低電圧動作と高速応答に関する知見を得た。動作電圧の低減に関しては、導波路構造のさらなる改良によって最適化することが可能であり、最終的に1V台のデバイス駆動を目指す。また、高速動作については当初、10GHzレベルの応答を目指していたが、これまでの研究で40GHz越えの応答も期待できる。そのためさらに導波路構造の高精度化を進め、最終目標の達成とEOポリマー応用の高性能光導波路デバイスの実現を目指す。28年度が最終年度であるため、記入しない。ポリマー光デバイス本年度までに、研究目標とするデバイスEO特性の高性能化について基本的な方策を確立した。これまでは基本構造の直線型光導波路を位相変調器として評価してきた。次にマッハ・ツェンダー型光強度変調器へと発展させ、特に電圧制御をプッシュ・プル方式とすることで、半波長電圧を半減させることが期待できる。ハイブリッド光変調導波路の小型化の検討については、リング共振器構造を中心として光導波路構造の最適化と材料検討を平行して進め、例えばTiO2に代わりシリコン光導波路を応用するなどの検討を進める。
超平面配置の幾何学と組合せ論

初年度は主に射影空間上の因子の対数的ベクトル場の層を代数幾何学的観点から調べた。Genericな超曲面のトレリ型問題(植田氏との共同研究)、超平面配置の重複度付き対数的ベクトル場の加群の自由性についての成果(阿部、寺尾氏との共同研究)があった。後半の2年は、極小性とその応用についての研究を中心に行い、基本群の新たな表示、局所系係数コホモロジーの消滅に関する進展が得られた。超平面配置の組み合わせ論、代数、幾何学的な側面とその相互関係に興味を持っている。最も重要な不変量は特性多項式であるが、それを背後から統制している対数的ベクトル場の加群を[自由性]と呼ばれる性質に注目して代数幾何的な視点から研究することをここ数年行ってきた。これらの研究を継続し、重複度付き対数的ベクトル場をより深く理解すること、また一般に射影空間上の超曲面の場合に何が起こるのかを明らかにすることを目標に研究を進めてきた。植田との共同研究では、射影平面上の三次曲線の対数的ベクトル場が(Dolgachev-Kaparanovの意味での)Torelli性を持つための必要十分条件を、古典的なj不変量を使って与えた。j不変量が消えていない三次曲線と、射影平面上のある種のランク2ベクトル束が完全に一対一に対応することがわかる。Wakefieldとの共同研究では、超平面配置のヤコビイデアルに関する類似の問題を扱ったヤコビイデアルの代数的性質は7対数的ベクトル場とも密接に関係していることが以前から知られていたが、本研究により、もとの超平面配置の情報を完全に持っていることが示された。阿部、寺尾、Wakefield等の研究により、重複度付き超平面配置の自由性がシステマティックに研究できるようになった。その研で、重複度を取り替えることによって、自由性がわれたり獲得されたりする例が観察されていた。今年度は阿部拓郎、寺尾宏明との共同研究により、どのような重複度を乗せても自由になる配置(Totally free arrangement)を完全に分類、自明なものしかないことが証明できた。超平面配置の補集合は極小CW複体という非常にセルの枚数の少ない空間とホモトピー同値になることが知られている。このことは超平面配置の補集合が非常に特殊な位相空間であることを意味し、セルの張り付き方が精密に分かれば、超平面配置の位相幾何的な研究において基本的な役割を果たすと考えられている。私は以前の研究で、Chamberの組合せ論的構造を利用することによる、最高次元セルの張り付き写像の表示を与えている。今年度はこの結果に基づいて、2次元の場合に局所系係数ホモロジーの消滅定理の精密化、補集合の基本群の表示を得た。またこれとは別に極小セル分割の「双対」として、今後重要な役割を果たすと思われる「極小ストラティフィケーション」の記述の研究を伊藤公毅氏(京大数理研)と開始した。超平面配置の補集合上の局所系係数ホモロジーの消滅/非消滅に関する振る舞いは、超幾何微分方程の応用の観点から、青本以来活発に研究されているテーマである。具体的にはgenericな局所系に対しては、中間次元以外のホモロジーが消え、中間次元ホモロジーはchamberで生成されるという現象が知られていた。今年度の結果により、2次元の場合には、この現象が起こるための必要十分条件を明らかにすることが出来た。また本年度得られた基本群の表示は、(関係式が)正の表示を持ち、これまで知られていた表示よりも単純な形をしている。語の問題等基本群の定性的な研究への応用が期待できる。超平面配置のトポロジーにおいて、極小セル分割の理解とその応用は、多くの研究者が興味を持っているテーマである。今年度は極小セル分割そのものではなく、「双対」にあたるものを、具体的に構成することを通して、極小性をよりよく理解することを目指した。この方針は、最も簡単な一次元の場合に、極小セル分割を構成するセルは超越的な方法で構成されるが、「双対」なセルは半代数的集合としての表示を持つという観察に基づく。昨年度から継続し、伊藤公毅氏(京大数理研)との共同研究を進め、超平面配置の補集合の可縮な半代数的集合による分割の記述を行った。応用として、ボレル・ムーアホモロジーの具体的な基底の記述をし、オーリック・ソロモンによる通常のコホモロジーの記述との対応を明らかにした。この成果は既に論文としてまとめ、学術誌に投稿済みである。また二次元の場合には具体的な半代数的集合を使い、より強い性質を持った極小ストラティフィケーションを構成することができた。これにより二次元の場合に限れば、極小性の最も明示的な理解に到達したと考えている。極小ストラティフィケーションから得られる基本群の表示や局所系チェイン複体の計算は今後の課題である。この結果については現在論文を準備中である。

超平面配置の補集合の基本群に関しては、「どの程度の組合せ論的データで基本群が決まるか」というのが基本的な問題であるが、これは直線配置のモジュライ空間の連結性と関わっている。モジュライが連結になるための条件の研究をShaheen Nazir氏と共同で行った。
らせん構造を鍵とした超分子色素集合体の新展開

DNAやタンパク質の高度な機能はそれらが形成する螺旋構造に基づいており、機能性材料の研究分野においても分子の集合状態における螺旋構造の制御は重要な課題である。本研究では、光学的・電子的に活性な機能性色素に着目し、水素結合を用いた手法により、様々な色素集合体の螺旋構造を制御することに成功した。本研究は、研空代表者らがこれまでに構築してきた色素集合体にキラル源を導入し、これまでにはないらせん構造の構築とその応用探索を目的としている。H20年度はまずオリゴフェニレンビニレン(OPV)尿素誘導体にキラル源を導入した。この分子はクロロホルム有機溶媒中で自己集合し、巻き方向が揃ったらせん構造を構築することが原子間力顕微鏡により明らかになった。また、室温でCDスペクトル測定を行ったところ、CDシグナルが確認され、キラルな会合体が構築されていることがわかった。一方、OPV尿素誘導体はデカンなどの低極性有機溶媒中で集合させると層構造を形成することが明らかになっている。よって、らせん構造と層構造を溶媒によって作り分けることができ、これらの構造の違いによって電荷輸送特性も異なることが予想される。そこでこれら構造体をミリグラム単位で収集し、時間分解マイクロ波伝導度測定を行おうと考えた。しかしながら、らせん構造は高濃度では層構造に構造変化してしまうことが考えられ、ミリグラム単位でらせん構造体を収集することが困難であることがわかった。そこで種々の溶媒へのらせん構造の溶解度を検討したところ、ジクロロメタン中でマイクロメートルオーダーのファイバーを形成することが明らかになった。このマイクロファイバーはらせん構造がさらに集積してできていることが示唆される。今後、このらせん構造のX線回折測定と、電荷輸送特性などを精査する。また、バルビツール酸を導入したOPV誘導体やペリレンビスイミドーメラミン複合体も極めてまれなコイル状のらせん構造を構築すことも見出した。これらについても集中的に研究を進めていく。本研究では、水素結合を用いた分子集合体を基盤として、新規なキラル化学の発現を目指す。H21年度は、新しいキラル分子集合体として、1)外部環境によってキラリティーが変化するπ共役超分子集合体の構築、ならびに2)放射状ペリレンビスイミド集合体によるキラル導電性ナノファイバーの構築、の2テーマを設定し、取り組んだ。1)に関して、アミド基を持つオリゴフェニレンビニレンを柔軟なリンカーにより連結し二量体としたところ、キラル側鎖を導入した誘導体に関しては、低極性溶媒中におけるCDスペクトルが濃度によって反転するという現象が観測された。この結果は、π共役部位のねじれが分子内および分子間で起こっているためと考えられ、現在詳細に調査中である。2)に関して、水素結合により放射状に集合するペリレンビスイミド誘導体にキラル側鎖を導入した。この分子は低極性溶媒中で会合による誘起CDを示した。濃濃度では溶媒のゲル化が観察された。このことより、放射状の集合体が積層し、一方向にねじれたカラム状の構造体を構築していることが示唆された。本研究では、水素結合を用いた分子集合体を基盤とした新規なキラル現象の発現を目的とした。前年度まで、半導体特性を持つオリゴフェニレンビニレンやペリレンビスイミド分子集合体の螺旋構造の制御に成功してきた。H22度は、同様の手法をオリゴチオフェンとメロシアニン色素に適応した結果、共にらせん構造を効率的に形成できることが実証された。また、H22年度は、光によってらせん構造のねじれの向きを制御できる分子集合体の構築にも挑戦した。キラル側鎖を有するアゾベンゼンを柔軟なリンカーにより連結し、二量体とした。水素結合部として、アミド基も分子構造の中に組み込んである。この分子は有機溶媒中で自己集合し、一方向にねじれた集合体を形成し、強い円二色性(CD)活性を示すことが明らかになった。この集合体に紫外光を照射すると、アゾベンゼンのトランス構造からシス構造への幾何異性により会合がほどけ、CD活性が消滅した。興味深いことに、可視光照射によって再びトランス構造へと戻すと、完全に反転したCDシグナルが観測され、光によって分子集合体のらせんの向きを完全に反転させることに成功した。集合体の構造を原子間力顕微鏡で観察すると、ロッド状のナノ構造を形成していることが確認できたが、らせん構造を可視化することはできなかった。しかしながら、本研究は分子の幾何異性化によって誘起される分子集合が、熱的に促進される分子集合体とは異なった機構によって形成されることを示唆しており、超分子集合体や高分子のねじれの向きを制御する新たな手法の基盤となりうると期待される。
溶液内電位勾配計測によるイオンの拡散パラメータ検出

本研究では,各種反応において電極表面への反応物質供給を理解するために,濃厚溶液中におけるイオンの拡散パラメータ導出についての研究を行った。振動電極法により溶液中の電位勾配を測定する予定であったが,残念ながら振動電極自身が溶液を攪拌してしまうために,微弱な電位勾配変化を測定することは出来なかった.しかしながら,反応により溶液の比重が大きくなる場合には,重力による溶液の対流が起らず,電極自身による攪拌から不安定に陥ることが比較的減少し,予測された電位勾配変化が,わずかに認められた.電位勾配測定が不成功のために,不確定ではあるが,濃厚溶液理論に基づく輸送現象解析プログラムを開発した.本プログラムにより,溶液の濃度変化と電気伝導度変化の比較から,ある程度のイオン拡散パラメータを推定した.これらのイオン拡散パラメータから,硫酸-硫酸銅-塩化銅といった多成分混合溶液の濃度変化と,電気伝導度変化の関係が予測可能となった.応用例として,硫酸-硫酸銅を主成分とする銅めっき浴中における微量の塩化物イオンの輸送について,本解析プログラムにより検討を行ったところ,実験結果を支持する結果を得ている.しかしながら,定量的な議論を行うためには,あらたな測定手法を開発する必要があることが明らかになった.はじめに、希薄溶液中における電位勾配を振動電極法により測定した。この測定結果を、従来より開発してきた泳動と拡散を考慮したNernst-Planckの式を用いた希薄溶液の輸送現象解析プログラムの計算結果と比較した。その結果、実測値がわずかに大きな値となることがわかった。この原因として、溶液内のpH変化にあるとして、新たにNernstの電極電位を考慮した数値解析プログラムを開発し、計算結果を実測値と比較した。全ての実測値は、上記の従来手法による計算結果と、新たにNernstの電極電位を考慮した計算結果の間に収まっており、精度の高いモデル化が行なわれていることを確認した。次に、溶液内のイオン間の相互作用をモデルに組み込み、より濃度が高い溶液に対応する数値解析プログラムを開発した。このプログラムによる計算結果より、濃厚溶液においては、一定電流を印加した場合に電位勾配が時間と共に大きくなることが予測された。そこで、振動電極法により計測を試みているが、現在までに予測された電位勾配上昇は観測されていない。そこで、モデルの妥当性や測定系の性能に関して再度検討する必要があると考えられる。現在、限界電流の測定等、異なる手法による予備的な実験を行い、種々の可能性について検討中である。振動電極法により溶液中の電位勾配を測定する予定であったが,残念ながら振動電極自身が溶液を攪拌してしまうために,微弱な電位勾配変化を測定することは出来なかった.しかしながら,反応により溶液の比重が大きくなる場合には,重力による溶液の対流が起らず,電極自身による攪拌から不安定に陥ることが比較的減少し,予測された電位勾配変化が,わずかに認められた.電位勾配測定が不成功のために,不確定ではあるが,濃厚溶液理論に基づく輸送現象解析プログラムを開発した.本プログラムにより,溶液の濃度変化と電気伝導度変化の比較から,ある程度のイオン拡散パラメータを推定した.これらのイオン拡散パラメータから,硫酸-硫酸銅-塩化銅といった多成分混合溶液の濃度変化と,電気伝導度変化の関係が予測可能となった.応用例として,硫酸-硫酸銅を主成分とする銅めっき浴中における微量の塩化物イオンの輸送について,本解析プログラムにより検討を行ったところ,実験結果を支持する結果を得ている.しかしながら,定量的な議論を行うためには,あらたな測定手法を開発する必要があることが明らかになった.
ロイシンリッチリピートを持つホスホリパーゼA_2阻害タンパク質の構造と機能

1.中国マムシ血清からPLA_2阻害タンパク質の大量精製と結晶化中国マムシ血清約10mlからBlue-Sepharose FFカラム、Q-Sepharose FFカラム、Phenyl-Sepharose HPカラム、およびSuperdex 200pgカラムを用いた各クロマトグラフィーを行うことにより、それぞれ10mg,5mg,20mgのPLIα,PLIβ、PLIγを精製することができた。Hanging Drop法を用いてこれらのPLA_2阻害タンパク質の結晶化の条件を検討しているが、X線結晶解析に適した結晶を得るまでには至っていない。2.大腸菌を用いたPLA_2阻害タンパク質の発現系の確立と部位特異的変異導入を用いた構造活性相関PLIαcDNAを発現ベクターpET-16bに組み込み、大腸菌で発現させて天然のPLIαと同程度のPLA_2阻害活性を持つ組換えタンパク質を得ることに成功した。また、シマヘビの血清に中国マムシPLIαのアミノ酸配列と約70%の相同性を持つにもかかわらず、PLA_2阻害活性を全く示さないPLIα様タンパク質を見いだしたので、これを精製し、そのcDNAをクローニングした。このシマヘビPLIα様タンパク質と中国マムシPLIαとの組換えキメラタンパク質を発現させその阻害活性を調べることにより、PLIαに含まれるCRD様配列は三量体構造の形成などの構造的な基盤としての役割を果たしており、PLA_2との相互作用にはCRD以外のN末端およびC末端の領域が必要であることが示唆された。3.ヒト血清からロイシンリッチα_2グリコプロテイン(LRG)の精製とPLA_2阻害活性の検討報告されているLRGのN-末端20残基に相当するペプチドを合成し、これを抗原としてウサギを免疫し、抗ペプチド抗体を作成した。この抗体はELISAによるLRGの検出に使えることがわかったので、これを指標としてヒト血清からLRGの精製を試みている。1.中国マムシ血清からPLA_2阻害タンパク質の入量精製と結晶化中国マムシ血清を透析後、Blue Sepharoseカラムに添加することによって吸着画分からPLIαを高収率で精製することができた。Blue Sepharoseカラムの素通り画分について、MonoQやPoros20QEを用いたイオン交換カラムクロマトグラフィー、ついでHi-Trap Phenyl HPを用いた疎水カラムクロマトグラフィーを行うことにより、PLIβおよびPLIγを精製することができた。しかし、出発材料としての中国マムシ血清を大量に手に入れることが難しく、まだ結晶化に必要な量の精製標品は得られていない。現在、部位特異的にアミノ酸置換させた組換え体を作成しつつある。PLIβcDNAについては発現ベクターpET-32に組み込み、チオレドキシンとの融合タンパク質として発現させたところPLA_2阻害活性がみられた。現在、チオレドキシンの切断条件や再構成条件の至適化を試みている。PLIγcDNAもPLIβの場合と同様に発現ベクターpET-32に組み込んで発現させたが、現在のところ阻害活性を示す組み換えタンパク質は得られていない。3.ヒト血清からロイシンリッチα2グリコプロテイン(LRG)の精製とPLA_2阻害活性の検討2次元電気泳動のゲルからLRGを含むスポットを取り出したがかなり少量しか得られなかったので、これを抗原として免疫することはできなかった。

そこで、報告されているヒトLRGのアミノ酸配列を参考にしてLRGのN末端20残基に相当するペプチドを合成し、これを抗原としてウサギを免疫し、抗ペプチド抗体を作成した。この抗体をリガンドとして結合させたアフィニティーカラムを作成し、このカラムにヒト血清を添加したところ、LRGはこのカラムに吸着しなかった。しかしこの抗ペプチド抗体はウェスタンブロットによるLRGの検出に使えることがわかったので、現在種々のクロマトグラフィーを用いてLRGを精製しつつある。1.中国マムシ血清からPLA_2阻害タンパク質の大量精製と結晶化昨年度に確立した精製方法を用いて、約10mlの中国マムシ血清からそれぞれ10mg、5mg、20mg、のPLIα、PLIβ、PLIγを精製することができた。現在、Hanging Drop法を用いてこれらのPLA_2阻害タンパク質の結晶化の条件を検討しているが、X線結晶解析に適した結晶を得るまでに至ってはいない。2.大腸菌を用いたPLA_2阻害タンパク質の発現系の確立と部位特異的変異導入を用いた構造活性相関昨年度に天然のPLIαと同程度のPLA_2阻害活性を持つ組換えタンパク質を発現させる系を確立しているので、この系を用いて部位特異的にアミノ酸置換させた組換え体を作成し、それらのPLA_2阻害活性を測定した。その結果、Asn-26をLysに置換した変異体N26KとTyr-144をSerに置換した変異体Y144Sにおいて中国マムシ酸性PLA_2に対する阻害活性の顕著な低下が見られた。一方、我々はシマヘビの血清に中国マムシPLIαのアミノ酸配列と約70%の相同性を持つにもかかわらず、PLA_2阻害活性を全く示さないPLIα様タンパク質を見いだしたので、これを精製し、そのcDNAをクローニングした。そこで中国マムシPLIαとシマヘビPLIα様タンパク質との組換えキメラタンパク質を発現させその阻害活性を調べることにより、PLA_2活性の阻害にかかわる領域を特定しつつある。現在のところPLIαに存在するCRD様配列は必ずしもPLA_2との相互作用に直接かかわるのではなく、PLIαの3量体構造の保持などの構造的な基盤としての役割を果たしており、PLA_2との相互作用にはCRD以外のN末端およびC末端の領域が必要であると考えている。
ナノディスクを用いた脂質膜反応場の創成

ディスク状の脂質ーポリペプチド複合体、ナノディスクは最小の脂質二重層構造をもつナノ粒子である。本研究では物理化学的なアプローチによって、ナノディスクの形成や構造安定に寄与する因子として、脂質組成の影響やポリペプチドの構造的特徴を明らかにした。また、ナノディスクが自発的に生成する系や、ナノディスクが連銭状に会合する系を構築することに成功した。これらの知見により、ナノディスクの応用展開を図る上での分子基盤を構築することができた。コール酸透析法により、アポリポタンパク質とリン脂質からなるディスク状複合体(ナノディスク)を調製した。調製時の温度やリン脂質とapoA-Iのモル比(25:1100:1)、リン脂質の種類を変え、得られる粒子の大きさ(流体力学的直径)をサイズ排除クロマトグラフィーにより評価した。調製条件に依存して、流体力学直径が約9.6nm (large size)、および7.9 nm (small size)のナノディスクが得られた。リン脂質としてホスファチジルコリン(PC)のみを用いて調製すると、37°Cにおいてはlarge sizeのナノディスクが生成したが、ホスファチジルセリン(PS)やホスファチジルエタノールアミン(PE)を含む条件ではsmall sizeのナノディスクの生成量が増加した。蛍光寿命および蛍光異方性データから、PSはsmall sizeナノディスクの鞍状構造を安定化し、一方、PEはlarge sizeナノディスクの平面構造を不安定化することが示唆され、両脂質がsmall sizeのナノディスクの形成を促進する機序が異なることが明らかになった。次に、ナノディスクの高次構造化について検討した。アニオン性、あるいはカチオン性のリン脂質を含むナノディスクを調製し、透過型電子顕微鏡により観察したところ、両ナノディスクを等量混合した試料は、混合前の試料に比べて連銭状の構造体の割合が顕著に増加した。このことから、静電相互作用を利用してナノディスクをスタックさせることが可能であることが明らかになった。2種類の短鎖ペプチドを連結させるNative Chemical Ligation (NCL)反応を利用し、脂質ベシクルと2種類のペプチドを含む系からナノディスクが生成する系を構築した。ナノディスク生成反応はあらかじめ少量のナノディスクが存在していると効率よく進行し、その反応機構を詳細に調査した結果、ナノディスクが自己複製的に生成していることを明らかにした。NCL反応によってhead-to-tailで逐次連結できるペプチドをデザインし、このペプチドを脂質膜と混合してナノディスクを調製した。得られたナノディスク中には、数分子から十分子ほど連結したペプチドが存在することを確認した。また、この方法で得られたナノディスクは、連結能をもたないペプチドで調製したナノディスクに比べ、非常に高い熱安定性を示した。ナノディスクの高次構造化を検討するため、アポリポタンパク質と酸性リン脂質からなるナノディスクをコール酸透析法により調製し、この粒子にカルシウムイオンを添加した際の変化を観察した。蛍光エネルギー移動の観察から、イオン添加に伴い、粒子間距離が近接することが明らかになった。また、透過型電子顕微鏡観察により、イオン添加前に比べて添加後の試料中には連銭状の構造体の割合が多く含まれていることが判明した。このような特性は、ナノディスクの脂質組成や脂質膜の相状態に依存することも明らかになった。これらのことから、イオンの添加によって溶液中でスタックさせるという、ナノディスクの高次構造化の制御を達成することができた。生物物理化学当初の計画通りに評価を行うことができた。特に、ナノディスク形成における脂質組成依存性の評価においては、負の自発曲率を有するPEがsmall sizeのナノディスクの生成を促進することから、この粒子が鞍状構造をもつという我々の従来からの主張を支持する結果を得ることができた。また、静電相互作用を利用したナノディスクの高次構造形成を確認することができた。当初の予定に沿って実施する。すなわち、ナノディスクに蛍光脂質を導入し、ナノディスクの集積に伴い蛍光の励起エネルギー移動を生じさせるシステムを構築することで、集積・離散化をリアルタイムに捉える手法について検討を行う。ほぼ当初の予定通り使用したが、物品によっては予定よりも購入価格を抑えることができたため。増税分を考慮し、当初の計画通り使用する。
Geant4を用いた体内病変線量の同定法開発

予定の項目であるシミュレーションを実施した。細胞に放射線を照射した時のヒドロキシラジカルを実測により測定し、それと同様の条件にてシミュレーションによってもヒドロキシラジカルの発生量を計算し、それらを比較した。具体的には、1シミュレーションの環境設定を行い、PC上にてシミュレーションを行うために必要な仮想的な空間、照射室、金属ナノ粒子を再現した。2がん細胞・正常細胞の線量応答性を測定するために、コロニーアッセイを行った。コロニーアッセイを行うことにより、金属ナノ粒子の放射線増感効果を検討した。3シミュレーションにより、放射線照射時に発生するヒドロキシラジカルをはじめとするフリーラジカルを全て検出した。放射線による殺細胞効果はフリーラジカルにより大部分がもたらされるので、フリーラジカルの発生量と生存率とを結び付けようとした。4実測値とシミュレーション値との比較を行った。実測値とシミュレーション値のフリーラジカル発生量に差が認められた。フリーラジカルの反応時間は極めて短いので、実測により全てのフリーラジカルを検出するのは難しい。実測値とシミュレーション値との差は試薬による影響、測定時間による影響と考えられた。しかし、研究結果から実測値とシミュレーション値との対応付けが可能と考えられ、今後、線量計算モデルに応用することで、より高精度な放射線治療の線量分布計算が可能となることが示唆された。膵がんを代表とする腹部難治がんの治療成績は世界的にもまだ低いままである。これまで我々は、腹部難治腫瘍に対する新たな治療法をいくつも開発してきた。我々は放射線増感剤に金属ナノ粒子(過酸化チタンナノ粒子)を用い、放射線と金属ナノ粒子の併用効果に関して、いくつか有益な報告をしてきている。我々の先行研究から、放射線増感剤と放射線を併用した時の抗腫瘍効果の増強効果は実証されているが、実際に腫瘍に付与される放射線の線量については、今まで研究されていないのが課題である。この課題を解決するために、放射線増感剤と放射線を併用したとき、腫瘍に付与されている実際の線量の同定法の開発をシミュレーションを利用して行い、今後の臨床応用へ発展させたい。昨年度はフルモンテカルロシミュレーションツールであるGEANT4とGEANT4-DNAの環境設定を行い、シミュレーション環境を設定した。さらに、シミュレーション上で、水に放射線を照射した時に生じる活性酸素のデータ取得にも成功した。また、エックス線に限らず、電子線、粒子線のシミュレーションもできるようにした。シミュレーションと同時進行で、がん細胞であるHCT116+/+を用いて、コロニーアッセイを行った。放射線増感剤として金ナノ粒子を用い、照射線量を変更させて、surviving fractionカーブの取得を行った。現在、水に放射線を照射した時に生じる活性酸素の実測を試みている。シミュレーションの計算時間が非常に長く、予定よりもやや遅れている。実測データに関しては随時取得していく予定である。シミュレーション時間の改善に、GPU搭載のPCを利用し、シミュレーション時間の短縮を図り、本研究を推進していく予定である。細胞実験による実測データは随時取得していく予定である。シミュレーションに要する計算時間が長く、思うように計算データ取得ができず、プログラミング改良に時間を要したため、細胞を用いた実測実験を行うのに難渋したため、細胞、試薬の購入費用等に差異が生じたため。次年度に本年度の実験を一部行うこととなるため、それに必要な細胞、試薬等を購入する。
液胞と細胞骨格による植物の環境応答および細胞・オルガネラ分化の解析

本研究では植物の環境適応とオルガネラ分化の研究対象として特に液胞と細胞骨格に着目し、分化・形態形成、細胞分裂周期、環境応答の各過程でのそれらの動態をリアルタイムで観察するとともに、得られた画像情報から独自に開発した立体画像構築プログラムを用いて、空間的かつ定量的解析を行っている。本年度は、細胞分裂、細胞肥大(伸長)の切替えの調節メカニズムを解明するためにカリウムイオン(K^+)を細胞内外に輸送するK^+チャネルの解析を行った。その結果、細胞肥大のみならず、細胞分裂にもK^+チャネルを介したK^+吸収が必要であることが明らかになった。そこで、K^+チャネル遺伝子の発現解析を行ったところ、K^+吸収に関与するK^+チャネル遺伝子NKT1は細胞伸長時でも細胞分裂時でも発現していたが、K^+排出に関与するK^+チャネル遺伝子NTORK1およびNtTPK1は細胞分裂時にのみ発現していた。また、タバコ培養細胞のプロトプラストから液胞を除去したミニプロトプラストの伸長誘導系を確立し、最終的に液胞への水の輸送を担う分子実体である液胞膜型アクアポリン(Nt・TIP)の発現・生理機能解析を行った。その結果、Nt・TIPの過剰発現により液胞の発達と細胞生長が促進され、Nt・TIPが液胞の発達および細胞の体積増加に関与することを明らかにした。一方、シロイヌナズナの気孔開閉運動におけるアクチン繊維の役割について、画像解析により配向、束化、密度などを定量的に評価した結果、気孔開口過程において一過的な束化が生じ、それが解消されることが気孔開口の重要な要件であることを見出した。本研究では植物の環境適応と細胞・オルガネラ分化の研究対象として特に液胞と細胞骨格に着目し、分化・形態形成、細胞分裂周期、環境応答の各過程でのそれらの動態をリアルタイムで観察するとともに、得られた画像情報から独自開発の立体画像解析ソフトウェアを用いて、時空間的かつ定量的解析を行っている。多様な構造をもつ液胞をはじめとする細胞内構造の動的な構造変化を、細胞骨格および遺伝子発現との関連で解析することで、植物細胞の形態形成・制御をベースとした成長・分化および環境適応に伴う細胞内構造の機能、生理的意義や相互作用を明らかにしていくことを目指している。本年度は主に、以下の2つのアプローチによりアクチン繊維の動態を検討し、気孔開閉時や細胞質分裂時における機能解析を行った。1)孔辺細胞アクチン繊維の立体的配向の解析:気孔の開閉に関するアクチン繊維の機能解析を行うべく、GFP-ABD2により可視化したシロイヌナズナ形質転換体を作出し、その共焦点像からアクチン繊維の配向を定量的に解析する手法を考案した。それにより、気孔開口時にアクチン繊維が放射状に配向して閉口時にはランダム化することなどが分かった。アクチン繊維の分布や配向をさらに詳細に明らかにするためには立体情報の理解が不可欠だが、光学顕微鏡像から細胞骨格系の立体再構築を行う有効な方法は確立していない。そこで、孔辺細胞アクチン繊維の立体的配向の解析を目的として、連続光学切片から細胞骨格の立体再構築を行う方法を検討した。2)タイムラプスイメージングによる細胞板の発達におけるアクチン繊維の機能解析:アクチン繊維をGFP-ABD2で可視化したタバコBY-2細胞の細胞板を蛍光試薬FM4-64により染色し、両者の動態をタイムラプスイメージング法により解析した。その結果、細胞板形成の初めにはアクチン繊維は赤道面には局在せず、娘核近傍から細胞板の方向に向かってアクチン繊維が出現し、徐々に細胞板を縁取るように移動することが明らかになった。
細胞質流動から迫る細胞質におけるゆらぎから構造が生じるメカニズム

細胞質流動は細胞内で細胞質全体が流れるように移動する集団的な現象である。本研究課題では、流動場が自発的に形成される3つのタイプ(Circulation型、Saltation型、Rotation型)の細胞質流動を統一的に「ゆらぎと構造の協奏」のコンセプトから説明するモデルを構築する。そして、その妥当性を実験的に検証することを目的とする。本研究では線虫(C. elegans)の「減数分裂時細胞質流動(MeiCS)」に着目して研究をすすめた。昨年度末までに3つのタイプを説明するモデルの構築と、流動の原動力を発生する微小管の長さを制御することによってCirculation型からRotation型への変換が起こることを実験的に検証できた(Kimura K., et al., Nat Cell Biol, 2017)。そこで、本年度はSaltation型からCirculation型への変換を実験的に再現することを試みた。具体的には、微小管の上を移動し、流動を引き起こすモータータンパク質の活性を変化させることによって変換させることができるかどうかについて検討を行った。これまでに、変換が生じることを確認しているが、定量的な解析については現在進行中で、確定的な結果を得るまでにはさらなる研究が必要である。29年度が最終年度であるため、記入しない。今年度は「減数分裂時細胞質流動(MeiCS)」に着目して研究をすすめた。MeiCSの流動方向はあらかじめ決まっていないばかりか、流動の途中で時折逆転することが知られている。このことから、流動の原動力を提供する微小管細胞骨格がある方向に自発的にそろい、また、そろった方向が時間とともに変化することが予想された。我々は、微小管の方向性がそろうために細胞内の小胞体(ER)の網目状構造が必須な役割を果たしていることを明らかにした。網目状構造を実験的に阻害すると流動方向や微小管の方向がそろうことはなかった。このことから、微小管上を小胞体が動くことによって、周囲の微小管を同じ方向に揃えるポジティブフィードバック機構によって流動方向がそろうとするモデルを提唱した。一方で、そろった方向が時間に変化するしくみには「ゆらぎ」が積極的な役割を果たしていることを示した。まず、理論モデルを用いて、微小管が確率的に生成と消滅を繰り返す「ゆらぎ」によって、流動の方向が変化し得ることを示した。さらに、ゆらぎの度合いを抑える実験を行うことにより、理論モデルで予想された通り、流動の方向の変化を抑えることに成功した。さらに、このようにして生じた流動が受精後の胚の機能に寄与することも明らかにした。今年度、本課題の成果を論文発表することができた。査読過程で多くの課題を克服することを要求されたが、その全てについて解決し、受理につなげた。成果はプレスリリースを行なった。実験的及び理論的にモデルのパラメータを変化させ、実験結果とモデルの挙動を比較し、必要ならばモデルの改良を行う。これまでに構築したモデルではSaltation型とCirculation型の違いは定性的には説明できているものの、定量的な説明には至っていない。今年度は領域内共同研究を進め、この問題にも取り組む。
高齢者に特化した口腔ケア訓練・評価システムによる適切な口腔ケア技術についての研究

今年度は、これまでに製作した歯ブラシの正面・側面の2方向と下顎の片側7本の歯根部とに力学センサを設置した口腔ケアシミュレータと、力学データの解析のために独自に開発したプログラムを用いて、教育的背景の異なる学生を対象として基礎データを収集し、分析した。口腔ケアを行う対象はヒトではなくシミュレータであり、倫理的な問題は小さいと考えられたが、対象となる被験者が自由意思に基づいて研究に参加できることを配慮して、研究計画について学内倫理委員会の承認を得たのち研究に着手した。対象としては、歯科衛生士養成課程の3年生(最高学年)女子10名,看護大学の3-4年生女子10名,医系以外の大学の3-4年生男性・女性各10名ずつ、計40名の力学データを収集した.歯ブラシと歯根部のすべてのセンサについて、最大力、力の積算総和、時間当たりの平均、検出ピーク数、ピークの力の総和、ピーク当たりの平均の6つの指標を求めた。各データについて、一元配置分散分析と多重比較を行ったが、4群間に統計的な有意差は認められなかった。しかしながら、歯科衛生士養成課程の学生では、他群に比べて、比較的短時間に規則的にブラッシングを行い,奥歯も前歯も均等に磨く傾向がみられ,被検者間のばらつきも小さかった。この結果は、歯科衛生士過程の学生に対する教育効果の表れであると考えられ、今後、このシミュレータを教育訓練システムとして応用するにあたっての基準データとして活用する予定である。倫理委員会への申請を行ったため、若干の遅れは生じたが、当初の予定通り、口腔ケアの専門的な教育を受けた学生から、口腔ケアには無縁の学生まで40名の基礎データを収集して独自のプログラムでデータ分析を完了した。この結果は、本年6月に開催される第7回看護理工学会での発表を予定している。今年度収集した基礎データをもとに、現在のシミュレータを口腔ケアの教育・訓練システムとして利用する研究へと発展させ、その教育的効果を評価する。さらに、現在のシミュレータは、片側7本のみに力学センサが設置され、しかも下顎骨のみがむき出しの状態である。被検者の利き腕や右側と左側の口腔ケア手技の違いを明らかにするとともに、実際に近い口腔ケア手技が要求されるように、両側14本の歯牙に歪みセンサーを埋め込んだ歯列モデルを作製し、人体の硬さに近いシリコンで頬と口腔のモデルを作製し、その中に歯列モデルを設置したよりリアリティーのある口腔ケアシミュレータの製作を目指す。今年度は、力覚センサーを取り付けた独自の歯列モデルの製作に着手した。これまでは、市販されている口腔ケアシミュレータに加速度センサーを取り付けたもので検討を行ってきたが、義歯のように一体化した歯列をはめ込む構造であるため、周波数は検知できるものの、一本ずつの歯にかかる力の情報を得ることができなかった。本研究では、教育・研究目的であれば自由に使用可能なインターネット上に公開されている精細なCTデータを用いて、3Dプリンターで歯列モデルを製作することとした。3D構築した顔面のデータから下顎部分のみを抽出した後、片側7本の歯と残りの下顎骨部分を別個に造形した。シリコン系接着剤を用いて、7本の歯牙を固定し、裏側の各歯根部に箔ひずみゲージを埋設した。また歯ブラシの柄の正面と側面にも箔ひずみゲージを貼り付け、先端部分は交換可能な構造として、歯ブラシの形状、毛の硬さについての検討も可能とした。ひずみゲージの感度を標準化するため、ロードセルを用いてキャリブレーションしてgf(グラムフォース)としてリアルタイムで表示できるようにした。また、高齢者の歯列を模して数本の歯牙を欠損させたモデルも作製した。この歯列モデルの概略については、10月に開かれた第5回看護理工学会で発表した。ひずみセンサーの設置位置の最適化などの改良を行ったのち、歯科衛生士と口腔ケア未経験者の基礎データを収集し、そのテストデータをもとに、力覚データ処理プログラムの開発を行い、被験者を拡げた研究に向けての準備態勢を整えた。歯列モデルについては前歯から奥歯まで全ての歯にセンサーを埋め込むとともに、先端の交換のできるセンサーつきの歯ブラシを製作し、歯ブラシの力とそれぞれの歯にかかる力を同時にコンピュータ画面に表示するとともに、記録してデータ解析を行えるシステムを作り上げることができた。このシステムは、口腔ケアの手技の教育訓練のみならず、歯ブラシの性状の検討などにも応用できることが期待され、当初考えていたより研究の発展が期待できる。ただシミュレータのセンサーの数が予定していたよりも多くなり、調整に手間どったが、被験者を拡げた研究をおこなうための準備態勢は整えた。

各データについて、一元配置分散分析と多重比較を行ったが、4群間に統計的な有意差は認められなかった。しかしながら、歯科衛生士養成課程の学生では、他群に比べて、比較的短時間に規則的にブラッシングを行い,奥歯も前歯も均等に磨く傾向がみられ,被検者間のばらつきも小さかった。この結果は、歯科衛生士過程の学生に対する教育効果の表れであると考えられ、今後、このシミュレータを教育訓練システムとして応用するにあたっての基準データとして活用する予定である。倫理委員会への申請を行ったため、若干の遅れは生じたが、当初の予定通り、口腔ケアの専門的な教育を受けた学生から、口腔ケアには無縁の学生まで40名の基礎データを収集して独自のプログラムでデータ分析を完了した。この結果は、本年6月に開催される第7回看護理工学会での発表を予定している。被験者として、歯科衛生士さんを集めるのは困難であるので、歯科衛生士学校の学生、看護学科学生、医系以外の学生などを対象者とした研究を立案中である。口腔ケアを行う対象は、ヒトではなくシミュレータであるので、倫理面での問題は少ないと思われるが、被験者には、完全な自由意志で研究に参加できるよう十分な配慮を行うこととしている。今年度収集した基礎データをもとに、現在のシミュレータを口腔ケアの教育・訓練システムとして利用する研究へと発展させ、その教育的効果を評価する。さらに、現在のシミュレータは、片側7本のみに力学センサが設置され、しかも下顎骨のみがむき出しの状態である。被検者の利き腕や右側と左側の口腔ケア手技の違いを明らかにするとともに、実際に近い口腔ケア手技が要求されるように、両側14本の歯牙に歪みセンサーを埋め込んだ歯列モデルを作製し、人体の硬さに近いシリコンで頬と口腔のモデルを作製し、その中に歯列モデルを設置したよりリアリティーのある口腔ケアシミュレータの製作を目指す。当初ひずみセンサーのキャリブレーションのデータ記録のためにデーターロガー(約30万円)の購入を予定していたが、現有の他社製のデーターロガーを利用することができたため、その予算を翌年度に繰り越し、センサーとタイプの異なるシミュレータの製作に充当することとした。前年度購入を予定していたデータロガー(約30万円)を現有の他社製品で代用したため今年度に繰り越していた。今後の研究計画に記載したように、来年度には、両側14本の歯牙にセンサーを埋め込んだ歯列モデルとシリコンで人体の硬さに近い頬と口腔のモデルを作製する計画であるため、今年度はほぼ当初予定していた支出にとどめ、来年度のよりリアリティーのある歯列モデルの作製に予算を充当する予定である。
T細胞分化におけるDNA脱メチル化酵素TETの機能解明

I. T細胞特異的Tet2/3欠損マウス(CD4DKO)におけるT細胞異常増殖分化メカニズムの解明CD4DKOマウスをTh17関連サイトカインシグナルを欠失したマウスと掛け合わせたところ、いずれもT細胞の異常増殖は抑制できなかったが、Il17-/-, Rorgt-/-, Il23-/-マウスとの掛け合わせによりTreg割合は回復し、Il21R-/-マウスとの掛け合わせではTfh細胞分化を抑制できた。この結果より、CD4DKOマウスにおいてはTet2/3の欠損によりTh17関連サイトカインが優位に産生されることが、Th17/Tfh細胞分化に重要であることが明らかとなった。また、異常増殖に関しては、T細胞分化とは独立して引き起こされることが示唆された。II.制御性T細胞特異的Tet2/3欠損マウス(FDKO)を用いたTreg不安定化メカニズムの解明「I. T細胞特異的Tet2/3欠損マウス(CD4DKO)におけるT細胞異常増殖分化メカニズムの解明」については、各種欠損マウスとの掛け合わせによる解析をほぼ終えることができた。CD4DKOマウスで増殖しているT細胞を用いた原因腸内細菌由来抗原の同定は進行中であり、また発症前後のT細胞を用いたマイクロアレイおよびRNA-seqはサンプルを準備段階で、いずれも次年度中に解析を終える予定である。「II.制御性T細胞特異的Tet2/3欠損マウス(FDKO)を用いたTreg不安定化メカニズムの解明」については、DNAメチル化、遺伝子発現、オープンクロマチン状態の統合解析を終え、論文発表を行った。CRISPR/ Cas9法によるFoxp3遺伝子のCpG領域欠損マウス作製については着手したところである。よって、概ね順調に進展しているといえる。今後はCD4DKOマウスのT細胞異常増殖のメカニズム解明のため、腸内細菌に焦点を当てて検討する予定である。腸内細菌叢の解析や腸由来抗原の同定を目指す。また、発症前後のT細胞を用いたマイクロアレイおよびRNA-seqの解析を行い、原因遺伝子の特定を試みる。また、FDKOマウスにおいて、TregがTh17細胞に分化するメカニズムの解明を引き続き行う。さらに、CRISPR/ Cas9法によるFoxp3遺伝子のCpG領域欠損マウス作製を行い、Treg不安定化への影響を解析することを計画している。「I. T細胞特異的Tet2/3欠損マウス(CD4DKO)におけるT細胞異常増殖分化メカニズムの解明」については、各種欠損マウスとの掛け合わせによる解析をほぼ終えることができた。購入予定であった消耗品が海外製品で欠品であったため、今年度中に納品できず差額が生じてしまった。次年度使用額となった分は消耗品費として使用する予定である。
ソリッドロータを支持する磁気軸受のゼロパワー非線形制御

通常の磁気軸受では、バイアス電流を供給してロータの平衡点近傍で線形近似を行い、線形制御を適用していた。しかし、バイアス電流により磁極には常に磁場が形成されているため、この磁場中をロータが回転するとロータには磁場変動が作用する。これにより、ロータには磁場変動を打ち消すように渦電流が発生し、回転損失となる。提案している非線形制御は電磁石吸引力が非線形であることを考慮した方法であるため、線形化のためのバイアス電流が不要である。非線形制御は、ロータが離れた方の電磁石にのみ電流を供給し、近づいた方の電磁石には制御電流を流さない。制御に必要な磁場以外を発生させないために、ロータが受ける磁場変動が減り渦電流による回転損失が最小限に抑制できる。本研究では、以前より提案していた手法をさらに省電力とするため改変した。従来方法では、ロータの位置と速度の情報を元に使用する電磁石を4つの場合分けで切替えていたが、場合分け判断のために演算量が多くなり、高速なサンプリング周期では処理時間を圧迫していた。そこで、使用する電磁石の切り替えをその時点で必要な力の正負で判断することにした結果、場合わけは2つとなり高速なサンプリング周期に対応可能となった。また、定常回転時の電力供給を最小にすることを目的として、ロータが平衡点近傍にある場合には弱い力で支持し、大きく変位した場合には制御器のばね係数を切り替えて支持力を大きくする方式を採用した。これにより、磁場の発生を極力抑えることができるため渦電流損失を小さくすることが可能となる。さらに、変位信号から回転同期成分とその整数倍の成分を除去することを目的としてPLL(Phase-Locked Loop)とVCO(Voltage Controlled Oscillator)により回転数を正確に同定、除去する手法を開発した。これらの有効性をシミュレーションによって確認した。著者らが提案しているゼロパワー非線形制御は、従来から磁気軸受の制御で用いられてきた線形制御よりも、磁気軸受の回転損失を低減することが可能であり、NEDOプロジェクト「フライホイール電力貯蔵用超伝導軸受技術研究開発」において有効性が確認されている。本研究では、ソリッドロータに生ずる渦電流の特性を定性的に評価した上で、渦電流による特性変化を考慮したゼロパワー非線形制御を導出し、ソリッドロータ磁気軸受を実現することを目的とし、(1)渦電流を考慮したソリッドロータ磁気軸受のモデル導出と評価、(2)上記モデルを用いたゼロパワー非線形制御系の導出、(3)提案システムの性能評価、以上の点を明らかにすることを目指している。今年度は装置の設計を行い、磁気軸受システムの設計および、制御システムの構築を行った。計画では今年度に装置を製作し試験運転を行う予定であったが、度重なる設計変更のために次年度に持ち越しとなった。制御システムの構築では、制御用DSPの立ち上げと同時に、非線形制御の改良を行った。以前提案した手法では、ロータの位置と速度の情報を元に、使用する電磁石を4つの場合分けによって切り替えていたが、場合分けが多いためにDSPの演算量が多くなり高速なサンプリングタイムでは処理時間を圧迫する要因になっていた。そこで、新しい手法では使用する電磁石の切り替えをその時点で必要な力の正負で判断することにした。その結果、場合分けは2つとなりより高速なサンプリングタイムに対応可能となった。この手法の有効性はシミュレーションで確認した。また、変位信号から回転同期成分およびその整数倍の成分を除去することを目的として、PLL(Phase-Locked Loop)により回転数を同定・除去する手法を開発した。この効果はシミュレーションによって確認された。次年度は早急に実験装置を製作し、本年度の成果を評価および当初目標の実現を行う。