hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
糖鎖プロセシング酵素を分子標的とする創薬探索

本研究は昨今問題となっている新興・再興ウイルス感染症に対する創薬シーズの探索を目的とする。新興・再興ウイルス感染症の多くは、ウイルスが生物種を超えて伝播することに起因する。従って、個々のウイルス感染症に対する薬剤だけでなく、ウイルス共通の感染機序に基づいた薬剤の開発が重要となる。そこで、殆どのウイルスの感染・増殖に必須である小胞体N-結合型糖鎖プロセシング酵素に注目し、それら酵素に対する特異的基質を設計・合成する事により「高感度・高速・簡便アッセイ法」を確立すると共に、抗ウイルス化合物の探索を行っている。本年度は、前年度に引き続いて小胞体N-結合型糖鎖プロセシングの1つであるマンノシダーゼIおよびマンノシダーゼIIの基質の合成法の確立とそれらの合成を行った。マンノシダーゼIは非還元末端から2番目のα-1,3結合を、マンノシダーゼIIはα-1,6結合を認識している。更に、ヒト由来小胞体マンノシダーゼのX線結晶構造解析が行われた事により、それらの質結合部位を3次元的かつ論理的解析することが可能となった。そこで、計算化学的手法を用いて昨年度設計したいくつかの基質分子と酵素のドッキングモデルの構築を行う事により、非還元末端側から、Manα-1,2Manα-1,2Man、Manα-1,2Manα-1,3Man、Manα-1,2Manα-1,4Man、Manα-1,2Manα-1,6Manとしたマンノトリオースを基質候補化合物とし、特異性の解析を行う事とした。これら基質となるマンノトリオースの合成は、それぞれの単糖ユニットへの修飾が容易に行えるように還元末端側から単糖ユニットをグリコシル化する合成法を採用し、アセチル基を脱離基としてマンノシル化を行う事により、主たる合成法の確立を行った。本鍵反応を用いて基質分子の合成を行った。本年度は、小胞体N-結合型糖鎖プロセシングの1つであるマンノシダーゼIおよびマンノシダーゼIIの基質の設計と合成を行った。更に、ヒト由来小胞体マンノシダーゼのX線結晶構造解析が行われており、その基質結合部位を解析することが可能となった。そこで、計算化学的手法を用いて基質分子と酵素のドッキングを行う事により、非還元末端側から、Man α-1,2 Man α-1,2 Man、Man α-1,2 Man α-1,3 Man、Man α-1,2 Man α-1,4 Man、Man α-1,2 Man α-1,6 Manとしたマンノトリオースを基質候補化合物とし、特異性の解析を行う事とした。これらマンノトリオースの合成は、それぞれの単糖ユニットへの修飾が容易に行えるように還元末端側から単糖ユニットをグリコシル化する合成法を採用し合成を開始した。
生体内におけるRNA結合タンパク質Stau1の筋分化抑制機構の解析

これまでに、ショウジョウバエStaufenの哺乳類オルソログであるStaulの筋分化過程における機能解析を行い、これまでにStaulが筋分化に対して抑制的に機能することを見出した。しかしながら、その詳細な機構については明らかになっていなかった。幾つかの報告から、StaulがWntシグナル伝達経路の構成因子であるDishevelled(Dvl)のmRNAと相互作用すること、さらにWntシグナルが筋分化制御に関与していることが示されており、そこから「StaulはDvl mRNAの転写後制御を介して筋分化を調節している」という仮説を立て検証をすすめた。結果1. StaulはDishevelledの3つの哺乳類オルソログであるDvl1,Dvl2,Dvl3 mRNAと相互作用した。しかし、Staulノックダウンにより発現に影響を受けたのはDvl2のみだった。2. StaulはDvl2mRNAの3'UTRと結合した。Dvl2 3'UTRが付加されたレポーターmRNAの半減期は、Staulノックダウンにより顕著に減少した。3.筋分化誘導処理に応答するようにStaulとDvl2 3'UTRの相互作用は減衰した。Dvl2 mRNAの発現は筋分化誘導処理後、顕著に減少した。Staulの細胞内局在は分化誘導の前後において変化しなかった。4. Dvl2の強制発現により筋分化は抑制された。Staulノックダウンによる筋分化調節因子myogeninの発現上昇は、Dvl2の強制発現により抑制された。以上の結果から、StaulはDvl2 mRNAの転写後段階で発現制御を通して、筋分化の調節を行っていることが示唆された。本研究の目的は、生体内でのStau1による筋分化抑制機構の解析を通して、前駆細胞が増殖するプロセスにおける増殖・分化のスイッチの分子機序の解明することである。まず、Stau1による筋分化抑制の分子メカニズムを解明する。次に、Stau1欠損マウスの作成を行い、生体内の筋分化過程におけるStau1の機能を解析する。平成21年度は、筋芽細胞C2C12の筋分化系をもちいて、Stau1による筋分化抑制機構の詳細なメカニズムの解析を行った。Stau1の免疫沈降物中に含まれるmRNAのとしてDVL(dishevelled)が報告されている。DVLは筋幹細胞で発現が高く、DVLが関与するplanar cell polarity(PCP)経路は筋幹細胞の増殖に寄与している。以上のことから、Stau1がDVLの発現をmRNAレベルで制御することによって筋分化を抑制しているのではないかと考え解析を行った。Stau1ノックダウン細胞においてDVLの発現を検討したところ、コントロール細胞と比較してDVL2の発現が顕著に低下していた。Stau1ノックダウン細胞では筋分化転写因子であるmyogeninの発現が上昇し筋分化が進行した。一方、DVL2を恒常的に発現している細胞では、Stau1ノックダウンによるmyogeninの発現上昇は抑制された。したがって、Stau1ノックダウンによりDVL2が減少することが筋分化の進行する要因になっていることが示唆された。また免疫沈降実験から、Stau1はDVL2 mRNAの3'untranslated region(3'UTR)に結合していることが示された。さらに、筋芽細胞の分化過程の細胞抽出液を用いて、Stau1とDVL23'UTRとの結合を検討したところ、分化が進行するにしたがってその結合が減少していた。また、DVL2の発現は筋分化誘導後、顕著に減少した。したがって、分化誘導後にStau1がDVL2mRNAから離脱することによって、DVL2mRNAの安定性が低下することが示された。Stau1欠損マウスの作製も併せて行っており、作製が完了次第、解析を行っていく。Stau1の免疫沈降物中に含まれるmRNAのとしてDvl(dishevelled)が報告されている。Dvlは筋幹細胞で発現が高く、Dvlが関与するplanar cell polarity (PCP)経路は筋幹細胞の増殖に寄与している。以上のことから、Stau1がDvlの発現をmRNAレベルで制御することによって筋分化を抑制しているのではないかと考え解析を行った。Stau1ノックダウン細胞においてDvlの発現を検討したところ、コントロール細胞と比較してDvl2の発現が顕著に低下していた。一方、Dvl2を恒常的に発現している細胞では、Stau1ノックダウンによるmyogeninの発現上昇は抑制された。したがって、Stau1ノックダウンによりDvl2が減少することが筋分化の進行する要因になっていることが示唆された。また免疫沈降実験から、Stau1はDvl2 mRNAの3' untranslated region (3' UTR)に結合していることが示された。さらに、筋芽細胞の分化過程の細胞抽出液を用いて、Stau1とDvl2 3' UTRとの結合を検討したところ、分化が進行するにしたがってその結合が減少していた。

また、Dvl2の発現は筋分化誘導後、顕著に減少した。したがって、分化誘導後にStau1がDvl2 mRNAから離脱することによって、Dvl2 mRNAの安定性が低下することが示された。Stau1欠損マウスの作製も併せて行っており、作製が完了次第、解析を行っていく。これまでに、ショウジョウバエStaufenの哺乳類オルソログであるStaulの筋分化過程における機能解析を行い、これまでにStaulが筋分化に対して抑制的に機能することを見出した。しかしながら、その詳細な機構については明らかになっていなかった。幾つかの報告から、StaulがWntシグナル伝達経路の構成因子であるDishevelled(Dvl)のmRNAと相互作用すること、さらにWntシグナルが筋分化制御に関与していることが示されており、そこから「StaulはDvl mRNAの転写後制御を介して筋分化を調節している」という仮説を立て検証をすすめた。結果1. StaulはDishevelledの3つの哺乳類オルソログであるDvl1,Dvl2,Dvl3 mRNAと相互作用した。しかし、Staulノックダウンにより発現に影響を受けたのはDvl2のみだった。2. StaulはDvl2mRNAの3'UTRと結合した。Dvl2 3'UTRが付加されたレポーターmRNAの半減期は、Staulノックダウンにより顕著に減少した。3.筋分化誘導処理に応答するようにStaulとDvl2 3'UTRの相互作用は減衰した。Dvl2 mRNAの発現は筋分化誘導処理後、顕著に減少した。Staulの細胞内局在は分化誘導の前後において変化しなかった。4. Dvl2の強制発現により筋分化は抑制された。Staulノックダウンによる筋分化調節因子myogeninの発現上昇は、Dvl2の強制発現により抑制された。以上の結果から、StaulはDvl2 mRNAの転写後段階で発現制御を通して、筋分化の調節を行っていることが示唆された。
マンガン酸化物における電荷および軌道の相関と局所構造

最近我々は、ペロフスカイト型マンガン酸化物の巨大磁気抵抗効果の発現機構を明らかにすることを目的としてX線散漫散乱実験を行い、Jahn-Teller歪みをもつポーラロンとその相関による短距離秩序が常磁性絶縁体相で存在することを明らかにした。本研究では、磁場や高圧により磁性や原子間距離を変化させたときの、電荷と軌道の秩序・無秩序化過程をX線散乱法で調べた。実験は、電荷軌道整列現象を示す典型物質と、相分離状態が起こりやすいと考えられているMnサイトの一部をCrで不純物置換した物質について行った。主な結果は以下の通りである。1.電荷・軌道の短距離秩序を示す不整合ピークの磁場依存性を調べた結果、磁場の増加に伴い、一定の相関距離を保ったまま強度が減少し消滅する事がわかった。強度の磁場依存性は抵抗変化と良い対応関係にあることから、磁気抵抗効果は電荷軌道短距離秩序が不均一に消失していくことにより起こると考えられる。2.Crによる不純物置換をおこなった物質について、磁場により整合波数をもつ電荷軌道整列状態から金属相へと転移させた場合、その共存状態において不整合構造が現れることがわかった。このことは、相共存が不整合構造の発現に密接に関係していることを示している。3.電荷軌道整列を示す物質の静水圧効果を調べた結果、新たな圧力誘起相を見いだした。この相は、新しい電荷および軌道の再配列、もしくは相分離状態の変化に起因すると考えられる。ペロフスカイト型マンガン酸化物では、金属-絶縁体転移・磁気転移・構造転移が互いに関連しておこり、さらに巨大磁気抵抗効果や電荷整列現象を示すことから活発な研究が行われている。我々は、これらの現象の機構を明らかにする事を目的に、X線散乱実験をおこなった。主な結果は以下のとおりである。1.強磁性金属転移を示す物質についてX線散漫散乱の測定により、格子の局所歪みが常磁性絶縁体状態における電気抵抗率の増大に寄与していることを明らかにした。また、その局所歪みがJahn-Tellerポーラロンとして理解できることを示した。2.電荷整列現象を示す物質について同様の測定を行った。電荷整列転移温度以上で、Jahn-Teller効果に起因する歪み場間の相関が不整合波数で特徴づけられることが分かった。3.上記2の物質について磁場効果を調べた。電荷の局在化による歪み場間の相関が磁場の増加に伴い減少する事が分かった。さらに、低温で磁場により電荷整列絶縁体相から強磁性金属相へと転移させた場合、特異な相共存状態が現れることを明らかにした。4.原子散乱因子の異常分散効果により電荷整列状態を調べた結果、電荷配列と格子歪みを説明することができた。しかし、散漫散乱については十分な強度が得られなかった。5.電荷整列を示す物質の静水圧効果を調べた結果、新たな圧力誘起相を見いだした。この相は、電荷および軌道の再配列によると考えられる最近我々は、ペロフスカイト型マンガン酸化物の巨大磁気抵抗効果の発現機構を明らかにすることを目的としてX線散漫散乱実験を行い、Jahn-Teller歪みをもつポーラロンとその相関による短距離秩序が常磁性絶縁体相で存在することを明らかにした。
膜構造物の膜張力測定装置の開発に基づいた膜張力の維持管理システムの提案

本研究は、東京ドームで一般によく知られている膜構造物に導入されている膜張力の大きさを定量的に、二軸方向別々に、高い精度で測定でき、かつ現場で使用できる膜張力測定装置を完成した上、多様な膜構造物の張力を実際に測定することにより、膜構造物において、膜張力の維持管理の現状を把握し、張力の維持管理に適するシステムを提案することを目標としている。その二年目(平成21年度)の研究課題及び成果は、一年度目に完成した小型・軽量の膜張力測定装置を用い、竣工中および竣工後の、様々な形式の膜構造物を対象に膜張力測定を行うことにより、その膜面に設計通りの張力が導入されているか否か、また、経年変化によりどの程度の応力緩和が起きているのかを把握するのである。それに基づき、膜構造物の経年に伴って膜張力が設計どおりに維持・管理できるシステムの提案を目標とする。一年度目には膜張力測定装置が現場で容易に利用できるよう、可搬性や小型・軽量性を満足するコンパクトな装置を完成した。完成した小型・軽量の測定装置を現場で無理なく利用するため、実験室において測定装置の検証実験を行うことによりその精度を検証した。さらに、横浜国立大学内に建設された二重ETFE膜構造物の張力測定を行うほか、これまで行った実在する膜構造物の張力測定により、ほとんどの膜構造が設計通りの膜張力が導入されており、膜張力の維持管理が問題なく行われていることが分かった。これも本装置により、膜張力が定量的に、さらに精度良く測定できたことにより得られた結果である。今まで行われて来た膜張力の維持・管理は、その多くが膜構造物の点検者による目視、または手で触れることなどによる感触や勘に頼らざるを得なかったが、本膜張力測定装置の開発により、科学的ツールの現場提供が可能となった。その一年目(平成20年度)の研究課題及び成果は、膜材料、測定環境および測定者の相違による影響を考慮した膜張力測定装置の完成である。1、膜材料の相違に対応:現在恒久建築物として国に認められている膜構造物に用いられる膜材は、二軸補強繊維やコーティング材によってA,B,Cの3種に分けられている。ため、全ての膜種を対象に検証実験を行うことにより、膜材料の相違に依らない本装置の対応性を確認した。2、測定環境および測定者の相違の影響:これまでの検証実験では、膜面の上に測定装置を軽く載せることにより装置は安定し、張力の測定が容易に行われるようになっていたが、実測定においては、膜面の下からの測定法も想定されるため、測定環境の変化の影響を実験室で予め反映させて実験を行った。さらに、数名の測定者による測定を行っており、本装置の安定性を確認した。3、現場で要求する可搬性を満足させるコンパクトな測定装置:開発して来た第1世代の測定装置は、大きく三つのパーツから構成され、測定装置以外にも、音源作成部、増幅部、並びに記録装置から成っていた。このままでは現場で利用するのに不便であるので、測定装置と外部のパーツを一体化させた軽量で小型な測定装置を完成させた。さらに、完成した装置の性能を検証するために、実在するETFE膜構造物の張力測定を行っており、高精度々コンパクトな測定装置を完成することができた。

今まで行われて来た膜張力の維持・管理は、その多くが膜構造物の点検者による目視、または手で触れることなどによる感触や勘に頼らざるを得なかったが、本膜張力測定装置の開発により、科学的ツールの現場提供が可能となった。
ラマン分光と薄膜二軸引張試験技術によるマイクロ・ナノ構造体の応力定量評価法の開発

薄膜用二軸引張試験装置を設計・開発し,ラマン分光器のステージに組み込んで,一軸・二軸引張負荷下における単結晶Siのマイクロ・ナノ構造体周辺のラマンスペクトルの計測を行った.その結果,一軸と二軸の引張負荷を加えた状態では,得られた構造体周辺のラマンシフトマップは異なり,構造体周辺には多軸応力場ができていることを視覚的にとらえることに成功した.また,得られたラマンスペクトルパラメータ(ピークシフト,強度,半値幅)と有限要素解析に基づく応力成分・大きさとを比較することで,各パラメータと応力とには相関があることを確認した.この技術により,マイクロナノサイズの単結晶Si構造体の応力分布ならびに成分を,詳細に計測できる可能性があることがわかった.薄膜用二軸引張試験装置を設計・開発し,ラマン分光器のステージに組み込んで,一軸・二軸引張負荷下における単結晶Siのマイクロ・ナノ構造体周辺のラマンスペクトルの計測を行った.その結果,一軸と二軸の引張負荷を加えた状態では,得られた構造体周辺のラマンシフトマップは異なり,構造体周辺には多軸応力場ができていることを視覚的にとらえることに成功した.また,得られたラマンスペクトルパラメータ(ピークシフト,強度,半値幅)と有限要素解析に基づく応力成分・大きさとを比較することで,各パラメータと応力とには相関があることを確認した.この技術により,マイクロナノサイズの単結晶Si構造体の応力分布ならびに成分を,詳細に計測できる可能性があることがわかった.本研究の目的は, MEMSおよび電子デバイスの性能・信頼性評価試験の要素技術となり得るマイクロ・ナノ構造体の応力・歪み成分評価手法を,世界に先駆けて提案・開発することである.具体的には,薄膜等のマイクロ・ナノスケール寸法を有する微小試験片に対して二軸方向の引張応力を高精度に与えることが可能な二軸薄膜引張試験技術を新開発し,種々の応力・歪み状態を作り出したシリコン系材料のマイクロ・ナノ構造体に対してレーザーラマン分光その場計測を行うことで,応力・歪み量ならびにこれらの成分の定量評価を実現可能な試験技術を確立する.当申請研究の初年度にあたる平成20年度,上記目的を達成するために必要な薄膜試験片用二軸引張試験装置の設計・開発を行った.二軸引張試験装置をラマン分光器のステージ上に設置する必要があるため,小型化設計に努めた.nmオーダの分解能を有するピエゾアクチュエータを4機用い, 1軸上の相反する方向に2機ずつ設置することで,負荷の大きさによらず,試験片の中心を移動させることなく引張負荷を2方向に個別に与えることが可能な構成とした.また,変位の拡大機構を有するアクチュエータケースにピエゾアクチュエータを収納することで,小型化を実現した.拡大機構には,降伏応力が比較的高いアルミ合金(7075T6)を用い,放電ワイヤカットにより"てこ"の原理を用いた構造とした.同部分の構造設計には,汎用有限要素解析ソフトを用い,変位の増幅率が大きく,かつ,ヒンジ部に発生する応力が小さい最適形状・寸法を導出した.設計した装置の寸法は240×240×30mmであり,その中に,ピエゾアクチュエータ,ロードセル,差動変圧器を4機ずつ搭載した.試験装置の検定作業を,単結晶Si試験片を用いて行い,本研究の遂行に十分な性能を有していることを確認した,併せて,ラマン分光器直下に試験装置を設置し,引張応力とラマンスペクトルとの相関関係を調べた.本研究の目的は,MEMSおよび電子デバイスの性能・信頼性評価試験の要素技術となり得るマイクロ・ナノ構造体の応力・歪み成分評価手法を,世界に先駆けて提案・開発することである.具体的には,薄膜等のマイクロ・ナノスケール寸法を有する微小試験片に対して二軸方向の引張応力を高精度に与えることが可能な二軸薄膜引張試験技術を新開発し,種々の応力・歪み状態を作り出したシリコン系材料のマイクロ・ナノ構造体に対してレーザーラマン分光その場計測を行うことで,応力・歪み量ならびにこれらの成分の定量評価を実現可能な試験技術を確立する.最終年度となる平成21年度は,まず,初年度に設計・開発した薄膜用二軸引張試験装置を用いたシリコン薄膜の引張予備実験を行った.開発した試験装置を用いて,厚さ210μmの単結晶Si二軸試験片に,任意の大きさの引張応力を正しく付与可能なことを確認した.次に,試験装置をラマン分光器のステージ上に設置し,単結晶Si二軸試験片に引張負荷を掛けながら,ラマンスペクトルの計測を行った.この実験では,二軸試験片の中央付近に深さ200nm,4μm×4μmの窪み形状を形成し,2方向から任意の引張速度比で試験片に引張負荷を加えた状態で,窪み構造体周辺のラマンスペクトルを取得した.その結果,一軸と二軸の引張負荷を加えた状態で得られた構造体周辺のラマンシフトマップは異なり,構造体周辺には多軸応力場ができていることを視覚的にとらえることに成功した.また,得られたラマンスペクトルパラメータ(ピークシフト,強度,半値幅)と有限要素解析に基づく応力成分・大きさとを比較することで,各パラメータと応力とには相関があることを確認した.この技術により,マイクロナノサイズの単結晶Si構造体の応力分布ならびに成分を,詳細に計測できる可能性があることがわかった.
子宮内劣悪環境に起因する尿細管機能障害の検討

超低出生体重児53名の25.5%に糸球体障害を、82.6%に尿細管障害を認め、出生体重との相関を確認した。続いて母胎低栄養ラット(NR)胎仔後腎において尿管芽分枝と糸球体数の減少を、その原因として尿管芽分枝に関与する遺伝子のメチル化の変化を認めた。さらに成熟後のNRラット仔が、片側尿管結紮により尿細管壊死を伴う腎障害を呈すことを確認した。子宮内劣悪環境を経た超低出生体重児の腎機能障害、特に尿細管障害についての報告は少なく、本成果はその原因が胎児プログラミングにあり、また成長後の二次的侵襲の影響もより強く受けることを示した。今後、新生児医療において腎機能障害に着目したフォローアップが必要である。本研究の目的は、子宮内劣悪環境による腎疾患胎内プログラミングを超低出生体重児(以下ELBW児)の尿細管・間質障害に着目し、評価・解明することである。尿細管障害は糸球体障害に先行し、腎疾患の早期発見対応に繋がる診療指標となる可能性がある。昨年度迄の検証では、ELBW児に尿細管障害が82.6%と高頻度に認められることが明らかになった。今年度さらに症例を追加して検討し、各マーカーが在胎週数と強く相関し、出生体重とはほぼ相関しないことが明らかになった。腎機能に影響を与えると考えられる他の臨床経過の項目では統計学的に有意な関連は確認できず、出生時の腎の未熟性がその後の腎機能成熟にも影響を与えていると考えられた。また母体低栄養ラットモデルを用い、胎仔腎DNAメチル化への影響を網羅的に検討した。母体低栄養(NR、胎生1日より対照の50%に飼料を制限)および対照ラットの胎生18日後腎のDNAメチル化をMeDIP法、NimbleGen Rat ChiP-chip 385K Promoter arrayを用い検討した。尿管芽は胎生13、14、15、18日の胎仔腎をpancytokeratin染色で評価した。糸球体数は生後3週のラット腎をacid maceration法により評価した。NRの胎生13-15日の尿管芽分岐は対照に比し50%、生後3週の糸球体数は20%減少していた。15911のプロモーター領域のうち7330領域がNRでのみメチル化されていた。メチル化が増加した領域の遺伝子のほとんどは腎発生、尿細管分枝に関与しており、シグナル伝達、転写、トランスポート、アポトーシス、発生等の機能を有するものであった。母体低栄養により尿管芽分岐に関与する遺伝子のDNAメチル化が変化し、ネフロン数減少、および継世代的伝達に関与する可能性が示唆された。本研究の目的は、子宮内劣悪環境による腎疾患胎内プログラミングを超低出生体重児(以下ELBW児)の尿細管・間質障害に着目し評価・解明することである。尿細管障害は糸球体障害に先行し、腎障害の早期発見対応に繋がる診療指標となる可能性がある。生後7か月以上のELBW児52名(男:女は30:22)を検討、検体採取時の歴年齢中央値2歳0か月。在胎週数平均値26.5週、出生体重平均値726 g。尿細管機能は、尿中Ca/Cr (7-12か月>0.8、1-3歳>0.53、3-5歳>0.4、5-7歳>0.3、>7歳>0.2)、NAG/Cr (>5 U/g)、β2ミクログロブリン(β2m) (>200 mcg/L)、glucose/Cr(glu/Cr) (>100 mg/g)を、糸球体障害の指標としてミクロアルブミン(alb/Cr)>30 mg/gを異常とした。82.6%に尿細管異常を、25.5%にアルブミン尿を認めた。尿細管異常の内訳はCa/Cr高値37.2%、NAG/Cr高値71.7%、β2m高値30.4%、glu/Cr高値91.3%。超音波で34.6%に腎石灰化を認めた。在胎週数の平均値はβ2m高値群では25.2週(正常群27.0週)、alb/Cr高値群では24.8週(正常群26.8週)と有意に短縮、またβ2m値は出生体重、在胎週数と有意に相関した。いずれの尿細管異常もalb/Crとは相関を示さなかった。LBW児に尿細管障害が高頻度にみられることが明らかになった。

尿細管異常はアルブミン尿と相関せず、糸球体障害による二次性の障害ではなく、胎内、周生期の異常による一次的な障害であることが示唆され、一部の尿細管障害(β2m)は出生体重との関連がみられた。さらにIUGR、EUGR、仮死、慢性肺疾患、ステロイド・抗菌薬投与、新生児期における腎不全の有無との関連を検討中である。子宮内劣悪環境による胎児発育遅滞は、成人後の生活習慣病のハイリスク因子であり、その機序の一つとして、糸球体数減少による慢性腎障害が指摘されているが、詳細なメカニズムは未解明である。研究では、ラット母体低栄養(以下NR)モデルを用いて、糸球体形成に関与する遺伝子が受けるメチル化の変化、また出生仔に腎侵襲を与えた場合の変化について検証した。最終的に、機序の解明には至れなかったが、胎仔後腎の尿細管分岐が抑制され、その結果として糸球体形成が減少し、生後も胎仔の腎に負荷がかかると腎機能低下が顕在化するという結果を得た。・後腎形成に関与する遺伝子メチル化の変化の検証:NR(飼料を対照の50%に制限)および対照ラットの胎生18日後腎のDNAメチル化を検討。NRの胎生13-15日の尿管芽分岐は対照に比し50%減少、生後3週の糸球体数は20%減少。15911のプロモーター領域のうち7330領域がNRでのみメチル化されていた。メチル化により転写が制御されている可能性のある遺伝子のGOカテゴリーは頻度の多い順にシグナル伝達、転写、トランスポート、アポトーシス、発生。腎発生に関与する遺伝子のほとんどが尿細管分枝に重要であった。・子宮内劣悪環境により減少したネフロンへの二次的侵襲により影響の検証:NR胎仔を6週齢で片側左尿管結紮した。日齢7での体重、血圧、血清クレアチニン(Cr)、尿(浸透圧、蛋白/Cr、Na/Cr、NAG/Cr、Mg/Cr)に対照との差はBUNのみNRで有意に増加した。病理学的には、対照、NRともに閉塞腎腎盂の拡張を認め、NR閉塞腎には広範な尿細管壊死が認めた。健側腎に対する閉塞腎におけるcollagenの専有面積の増加率は、NR閉塞腎で顕著に増加。CD31の染色性はNRと対照で差はなかった。NR仔ラットは尿管結紮による腎傷害の程度が強く、虚血に対する脆弱性、線維化の亢進が示された。胎児・新生児学平成25年度は、当初の計画では虚血などの負荷に対する反応性を検討する予定であったが、実施できなかった。平成24年度から行っている母体低栄養モデルラットを用いた、トランスポーターの発現や、尿細管・間質病変の検討で検討を更に継続していたが、やはり有意な結果が得られなかったため、DNAメチル化の網羅的検討を行い、指標蛋白の再検討の参考とした。平成24年度は基礎的アプローチとして母体低栄養、ステロイド投与モデルラットを用いてトランスポーターの発現、尿細管・間質病変を検討することになっていたが、こちらはまだ有意な結果が得られていない。免疫組織染色、ウエスタンブロットに使用している抗体のクオリテイなど実験手法的に問題がある可能性も考えられ、本年は専門業者とさらに条件の設定を検討することにしている。またベースラインではモデル動物と対照群との間に有意な変化が得られない可能性もあり、もともと平成25年度に予定していたように、虚血などの負荷に対する反応性の大きさで有意差の有無を検討していく。平成26年度は、当初の計画では平成25年度に行う予定であった、片側尿管結紮、虚血再灌流負荷による、上記モデルラットにおける経時的変化の観察を行う予定である。計画当初は、ベースラインで対照群と母体低栄養群に有意さが出なくても、虚血再灌流の負荷で反応の大きさに変化が現れる可能性を考えたが、臨床症例のデータで、「新生児仮死」と尿細管機能マーカー、糸球体機能マーカーとの関連が確認できなかったため、長期の観察により、尿細管機能も糸球体機能も回復していくことも予想される。実験手法については、研究申請計画書に記載したとおりである。
細菌細胞表層への体腔提示と体腔への高分子ターゲッティング機構

細胞内で合成された高分子物質が、細胞外に分泌される過程に関しては特殊な分子機構が提出されているが、細胞が高分子物質を取り込む機構は殆ど不明である。微生物細胞が高分子物質を資化する場合には、先ず、菌体外酵素によって高分子物質を低分子化し、生じた低分子化物を取り込むのが一般的である。しかし、本研究で扱うSphingomonas属細菌(A1株)では、低分子化酵素は細胞質に存在し菌体外に分泌されない。また、A1株は、微生物学の歴史の中で初めて見い出した細胞表層に特殊な体腔を有する細菌であり、その体腔に高分子物質を濃縮する。従って、体腔を介した極めて斬新な高分子物質取り込み機構の存在が予想される。本研究では、微生物細胞が高分子物質(多糖アルギン酸)を細胞内に取り込む分子機構を明らかにすることを目的とした。先ず、高分子アルギン酸の細胞内取り込みに変異を有する株AL-Lを誘導した。次に、定法に従ってAL-L株の変異を相補する9kbのDNA断片をクローニングし、その全一次構造を決定した。その結果、取り込み遺伝子群が見い出された。本遺伝子群は、高分子物質取り込みの特異的膜トランスポーター[透過酵素領域(0.6kb)、ATPase領域(1.1kb)]をコードしており、微生物の高分子物質取り込み系の存在を初めて明らかにした。以上の結果より、高分子アルギン酸は、先ず、体腔に濃縮された後、トランスポーターによって細胞内に取り込まれ、細胞内で低分子化及び資化が行われることが判明した。これは、微生物細胞の高分子利用機構の新規発見である。尚、本研究で購入したタイテック振とう恒温槽LT-10F(470干円)は、本研究を遂行する上で非常に有用であった。
ナノスケールX線回折マッピング法の開発

放射光X線を100 nm程度に集光して用いる構造評価法では、試料上の各点でX線回折を測定し、それを実空間でマッピングすることが求められている。測定の空間分解能を上げるには、試料を回転しても試料上でX線の照射位置がずれないようにしなければならない。そのためには、試料の表面を回転ステージの回転中心に精度良く合わせる必要がある。本研究では、試料表面の形状を問わずに、試料上の任意の位置を回転ステージの回転中心に自動で精度良く合わせる技術を開発し、ナノビームX線回折を広い実空間スケールでマッピングすることを実現した。X線回折の空間分解能100 nmオーダーでの実空間マッピングを試料表面の形状に依らず実現することを目的として、試料表面を常にゴニオメーターの回転中心に合わせておくために必要な技術開発を行った。具体的には、小スポットの高精度レーザー変位計を導入し、表面に凹凸のある試料を表面内(y,z方向)で並進移動させたときに、試料表面の高さが表面法線方向(x方向)にどれだけ変化するかを測定するシステムを開発した。ビームサイズ100 nmと同程度の空間分解能でX線回折を測定するためには、試料表面を3 μm程度の精度でゴニオメーターの回転中心に合わせる必要がある。表面が回転中心からずれた状態では、X線回折の測定の際にX線の照射位置がずれていくため、必要な空間分解能が得られない。したがって、試料上の測定位置をゴニオメーターの回転中心に精度良く合わせる技術が必要となる。一般に、表面が平らな試料の場合は、試料によるX線の半割によってこれを実現する。しかし、基板上の厚膜試料の破断面など、測定面が平らでない場合には半割の手法は使えない。そこで本研究では、半割ではなく、レーザー変位計を用いて試料表面の変位を測定することによって、任意の形状の試料表面をゴニオメーターの回転中心に合わせるシステムを開発している。マイクロX線回折装置は試料周りの空きスペースが非常に狭いため、X線回折の測定とレーザー変位計による変位の測定を同時に行うことは困難である。レーザー変位計がX線のパスを遮ってしまうためである。そこで、オフラインに用意したマイクロ回折装置と同等のゴニオメーターにおいて変位測定のシステムを構築した。オンライン・オフラインのゴニオメーターは、回転中心に対するステージの位置の同期をとり、オフラインで測定した変位の値を用いて、オンラインでの試料位置を補正することができるようにする。X線回折の空間分解能100 nmオーダーでの実空間マッピングを試料表面の形状に依らず実現することを目的として、平坦ではない表面をもつ試料をゴニオメーターの回転中心に自動で合わせるシステムの開発を行った。具体的には、小スポットの高精度レーザー変位計によって試料表面の形状を予めオフラインで測定し、そのデータを用いてオンラインのゴニオメーターにおいて試料の任意の位置を自動で回転中心に合わせるというものである。試料位置の補正は、超音波モーター駆動の小型ステージ(分解能100 nm)を用いて行った。ビームサイズ100 nmと同程度の空間分解能でX線回折を測定するためには、試料を回転させてもX線の照射位置がずれない必要がある。そのためには、試料表面を3 μmより良い精度でゴニオメーターの回転中心に合わせなければならない。測定位置が回転中心からずれた状態では、試料の回転によってX線の照射位置がずれていき、必要な空間分解能でX線回折を測定することができない。したがって、試料の測定位置をゴニオメーターの回転中心に合わせる作業はとても重要となる。一般に、表面が平らな試料の場合は、試料によるX線の半割によってこれを実現するが、基板上の厚膜試料の断面など、測定面が平らでない場合には半割の手法は使えない。そこで本研究では、レーザー変位計を用いて試料表面の形状を測定しておくことで、任意の形状の試料表面をゴニオメーターの回転中心に合わせることが出来るようにした。平成27年度には試料位置補正のための超音波モーター駆動小型ステージを導入し、前年度に開発した高精度レーザー変位計を用いた試料形状測定システムに組み込むことで、試料表面を自動でゴニオメーターの回転中心に合わせるシステムを完成させた。研究の目的を達成するため、平成27年度の研究実施計画のとおりに研究は進んでいる。平成26年度に得られた結果をもとに、試料の任意の位置を自動でゴニオメーターの回転中心に合わせるシステムを完成させた。超音波モーター駆動の小型ステージを導入し、オフラインにおいてレーザー変位計で測定した変位と基準位置との差を補正するように、試料の位置を自動で制御するフィードバックシステムである。変位の補正は、次の2段階で行っている。1)試料をゴニオメーターにマウントした後、試料上のある1点に対して、基準位置とのx方向の差を補正する。この操作によって、その1点が、ゴニオメーターの回転中心に合う。2)試料をy,z方向に並進移動させると、試料表面の凹凸に応じてx方向に変位が生じる。そこで、この変位を打ち消すように小型ステージでx方向の位置を、予めオフラインで測っておいた値を使って自動補正する。基準位置の値は、平らな表面をもつSi標準試料を用いて求める。Si標準試料は、ビームの半割によって表面をゴニオメーターの回転中心に合わせた後、レーザー変位計によって距離を測定し、その値を基準とする。導入した超音波モーター駆動小型ステージは、エンコーダーを内蔵し、100 nmの分解能があるため、性能としては十分である。

オンラインとオフラインのステージ位置は1 um程度の精度で同期をとる必要がある。そのために、Si基板に200 nm幅の金の細線(厚さ50 nm)を付けた試料を作成した。この細線はレーザー変位計とX線の両方で見ることが出来る。これによって、十分な精度で同期をとることが出来る。平成28年度には実際にX線を使ってシステムの評価を行い、実試料への適用を進めていく予定である。表面形状を問わず任意の試料を自動でゴニオメーターの回転中心に合わせるシステムを開発し、空間分解能100 nmオーダーでのX線回折の実空間マッピングを実現した。システムの概要は、小スポットの高精度レーザー変位計によって試料表面の形状を予めオフラインで測定しておき、オンラインではそのデータを用いて試料表面の任意の位置をゴニオメーターの回転中心に自動で合わせるというものである。試料の位置調整には、超音波モーター駆動の小型ステージ(分解能100 nm)を採用した。平成28年度には、実際にX線ナノビームと評価用に作成した試料を用いて、前年度までに開発したシステムの評価実験を行った。評価用試料はシリコン基板の上に200 nmの幅50 nmの厚さで金をライン状にパターニングしたものである。これを2方向に傾けて用いることで平らではない試料を模擬した。金のラインパターンに200 nm程度に集光したX線を照射し、金からの蛍光X線強度をモニターしながら試料を回転させた。それぞれの金のパターン位置に対して、その位置が自動で回転中心に調整され、10°から90°の角度範囲で、試料の±1°の回転に対する横ずれが100 nm以下であることを確認した。これは、目的とした性能を有するシステムの開発に成功したことを示している。評価実験中に、ω= 35°あたりで試料位置が1 μmほど突然ずれる現象が発見された。ここは使用される頻度の高い角度であるため、ベアリングなどの摩耗が原因として考えられた。(その後に修理済み)今後は、本研究で開発したシステムを用いたナノスケールX線回折マッピング法の展開をはかると共に、定期的にゴニオメーター自体の評価も行っていく予定である。放射光X線を100 nm程度に集光して用いる構造評価法では、試料上の各点でX線回折を測定し、それを実空間でマッピングすることが求められている。測定の空間分解能を上げるには、試料を回転しても試料上でX線の照射位置がずれないようにしなければならない。そのためには、試料の表面を回転ステージの回転中心に精度良く合わせる必要がある。本研究では、試料表面の形状を問わずに、試料上の任意の位置を回転ステージの回転中心に自動で精度良く合わせる技術を開発し、ナノビームX線回折を広い実空間スケールでマッピングすることを実現した。研究の目的を達成するため、おおむね当初の研究実施計画のとおりに研究は進んでいる。小スポットの高精度レーザー変位計を導入し、表面に凹凸のある試料を表面内(y,z方向)で並進移動させたときに、試料表面の高さが表面法線方向(x方向)にどれだけ変わるかを測定するシステムを開発した。レーザー変位計による変位の測定は、表面が平らではない試料の表面をゴニオメーターの回転中心に合わせるために必要な技術である。
感温型ヘテロポリマーゲルによる極微量物質の高度分離・濃縮法の開発

(1)SSS-VBTAゲルの吸脱着特性を改良するために、SSSとVBTAに新たにDMAA(ベンゼン環を有しないDimethylacrylamide)を加えた結果、Bisphenol-A,4,4'-Biphenolに対する吸脱着能を向上させることができた。同時に、SSS-VBTA-DMAAゲルは室温下でこれら有害環境汚染物質を吸着分離し、40°C以上の温度下でこれらを脱離する感温型機能を有していることを確認した。(2)感温型ヘテロポリマーを実環境水の処理システム(温度スイング型カラム分離システム)に用いるために、大きなオープン細孔を有する多孔性シリカゲル粒子内にグラフトしたPSSS-PVBTAグラフトシリカ粒子を開発した。開発したグラフト粒子はBisphenol-Aを室温下で吸着・分離・濃縮し、40°C以上の温度レベルで濃縮されたBisphenol-Aを溶離・回収できることを確認すると共に、吸着・濃縮・溶離を温度スイングのみで操作でき、この機能は可逆的であることを実証した。(3)これまでの結果を基に、環境水中からの有害な環境汚染物質の分離・濃縮・回収のための温度スイング型カラム分離システムの設計指針を示すことができた。大量の環境水(廃水等を含む)中に極微量存在する内分泌撹乱物質(ビスフェノールA、ノニフェノール、ダイオキシン類)等の有害物質を室温レベルの温度下で抽出分離・濃縮が可能、かつ、室温より若干高い温度レベルの廃熱(60°C以下)を利用してこれら物質を回収除去する新規な分離材の開発を行い、初年度(平成16年度)は下記に示す成果を上げることができた。(1)弱い相互作用(静電的相互作用、水素結合、疎水性相互作用、ファンデルワールス力、配位結合)を単独又は複数利用して極微量物質を吸着(抽出)し得る分離材を探索した。その結果、静電的相互作用と疎水性相互作用により対象物質を室温下で吸着・濃縮可能なヘテロポリマーゲル吸着材の開発に成功した。(3)開発したSSS-VBTAゲルは、室温レベルの温度下でビスフェノールAを吸着・分離・高濃縮し、40°Cの温度レベルで溶離・回収できることを確認すると共に、吸着・溶離が温度操作のみで可逆的に起こることが判明した。(2)(1)の結果から、多環芳香族化合物の吸着量は単環芳香族化合物よりも大きいこと、疎水度(logP)が最も大きいp-tert-Butylphenolの吸着量が多環芳香族化合物よりも小さいこと、が明らかとなった。このことから、SSS-VBTAゲルの吸着挙動に、疎水度よりも吸着質の構造が大きく寄与していることが示唆された。(3)開発したSSS-VBTAゲルは室温レベルの温度下で、上記化合物を吸着・分離・濃縮し、40°C以上の温度レベルで濃縮されたこれら化合物をゲルから溶離・回収できることを確認するとともに、吸着・濃縮・溶離が温度操作のみで可逆的に起こることを実証した。(1)SSS-VBTAゲルの吸脱着特性を改良するために、SSSとVBTAに新たにDMAA(ベンゼン環を有しないDimethylacrylamide)を加えた結果、Bispheno1-A,4,4'-Biphenolに対する吸脱着能を向上させることができた。開発したグラフト粒子はBisphenol-Aを室温下で吸着・分離・濃縮し、40°C以上の温度レベルで濃縮されたBisphehol-Aを溶離・回収できることを確認すると共に、吸着・濃縮・溶離を温度スイングのみで操作でき、この機能は可逆的であることを実証した。(3)これまでの結果を基に、環境水中からの有害な環境汚染物質の分離・濃縮・回収のための温度スイング型カラム分離シスデムの設計指針を示すことができた。
遺伝子改変動物を用いた腎炎発症機序の解明と治療のエビデンスに関する研究

高齢者人口の増加により骨粗鬆症ならびに循環器疾患の罹患者が増加している。また、生活習慣の欧米化に伴って増加している糖尿病は、腎炎を発症して人工透析導入の最大のリスクファクターになっているが、腎症の発症機序は明らかでない。そこで、我々は腎性骨症の治療に関するエビデンスを提供する目的で本研究を行った。ビタミンDの活性型代謝産物(1α,25-ジヒドロキシビタミンD_3)の分解系の律速酵素である24-水酸化酵素を強制発現させると、巣状性糸球体腎炎を発症して骨量の減少が起こる。そこで、本動物を用いて、腎性骨症の治療法ならびに腎炎発症に関与する蛋白質の同定を行った。24-水酸化酵素を強制発現させたラットは、尿中蛋白質の排泄増加、血中脂質の増加など典型的な腎炎の症状を呈した。また、ビタミンDの代謝障害が原因と考えられるビタミンD代謝産物の低下ならびに副甲状腺機能の亢進による骨吸収の促進が観察された。そこで、腎性骨症の治療法に関するエビデンスを提供するため、活性型ビタミンDとその前駆体である25-ヒドロキシビタミンD投与による回復試験を行った。その結果、活性型ビタミンD投与では生体内半減期が短いため優れた治療効果を示さなかった。一方、活性型ビタミンDの前駆体である25-ヒドロキシビタミンDは安定な活性型ビタミンD供給を可能にするため顕著な治療効果を示した。次に、腎炎発症に関連した蛋白質を明らかにするため、二次元電気泳動法による解析を行った。野生型ならびに24-水酸化酵素を強制発現させたラットの腎臓で発現している蛋白質を画像解析装置により比較解析したところ、腎炎を発症している腎臓で6種類の蛋白質の合成低下と3種類の合成亢進が起こっていることが示された。現在、これらの蛋白質の詳細な解析と遺伝子のクローニングを継続して行っている。高齢者人口の増加により骨粗鬆症ならびに循環器障害の罹患者が増加している。また、生活習慣の欧米化によって増加している糖尿病は、神経または網膜に対する障害に加え、腎炎を発症して人工透析導入の最大のリスクファクターになっている。しかし、腎症の罹患者は増加しているがその発症機序は明らかでない。そこで、我々は、過去20年間にわたり、ビタミンDの代謝・作用機序ならびに骨代謝の調節機序について研究を行い、活性型ビタミンD合成の鍵酵素である25-ヒドロキシビタミンD_3[25(OH)D_3]-1α-水酸化酵素遺伝子のクローニング、本酵素の障害に起因する遺伝病の発症機序などを分子レベルで明らかにしてきた経験をもとにして、腎症の発症に伴うビタミンD代謝障害の機序の解明を計画した。本年度は、腎症の発症に伴う蛋白質の解析ならびに同定を目的に遂行し、蛋白質の検出は二次元電気泳動装置、IPGPhorならびにEttan DALTsixを用いて分離後、銀染色法により行った。活性型ビタミンD分解系の律速酵素である25(OH)D_3-24-水酸化酵素を強制発現させると、巣状糸球体腎炎を発症して骨吸収が亢進している二次性副甲状腺機能亢進症に類似した病態を呈した。また、本動物を用いて腎臓に特異的に発現する蛋白質を二次元電気泳動法で調べたところ、25(OH)D_3-24-水酸化酵素を強制発現させた動物の腎臓では、約10種類の蛋白質の発現が変動した。さらに、こららの蛋白質の発現は、活性型ビタミンDの投与によっては変化しないことも明らかになった。

そこで、これらの蛋白質と腎症発症との関連を調べるため、現在蛋白質構造解析を進めているところである。高齢者人口の増加により骨粗鬆症ならびに循環器疾患の罹患者が増加している。また、生活習慣の欧米化に伴って増加している糖尿病は、神経または網膜に対する障害に加え、腎炎を発症して人工透析導入の最大のリスクファクターになっている。しかし、腎症の罹患者は増加しているが、その発症機序は明らかでない。そこで、我々は腎性骨症の治療に関するエビデンスを提供する目的で研究を行った。ビタミンDの活性型代謝産物である1α,25-ジヒドロキシビタミンD_3の分解系の律速酵素である24-水酸化酵素を強制発現させると、巣状性糸球体腎炎を発症して骨塩量の低下が起こる。このことから、本動物を用いて、腎性骨症の治療法の検討ならびに腎炎発症に関与する蛋白質の同定を行った。24-水酸化酵素の強制発現により腎炎を発症したラットでは、尿中蛋白質の排泄増加の他、血中脂質の増加、ビタミンD代謝産物の低下が認められた。また、腎機能の低下が原因のビタミンDの代謝障害と骨塩量の低下に加え、副甲状腺ホルモンによる骨吸収の亢進が認められた。そこで、腎症に伴う骨塩の減少と副甲状腺ホルモンの上昇を防ぐ治療法の検討のため、活性型ビタミンDならびにその前駆体である25-ヒドロキシビタミンDの投与による回復試験を行った。その結果、活性型ビタミンDの投与では分解が早いため優れた治療効果を示さなかったが、前駆体である25-ヒドロキシビタミンDが安定な活性型ビタミンDの供給から顕著な治療効果を示した。次に、腎炎発症に関連した蛋白質を明らかにするため、二次元電気泳動法による解析を行った。野生型ならびに24-水酸化酵素の強制発現ラットの腎臓から調製した蛋白質を分離して画像解析装置により解析したところ、腎炎発症している腎臓で、6種類の蛋白質の合成低下と3種類の合成亢進が起こっていることが示された。
パルスレーザー堆積法による高品質・高機能薄膜の作製とその応用

ZnOは高い励起子結合エネルギーを持ち、製造過程がGaNよりも単純でZnの埋蔵量がGaよりも多いために、高効率な発光とLEDの低コスト化が期待できる。しかし、ZnOはII-VI族酸化物半導体であるため、良質なp型薄膜が作製困難である。近年では、p型ドーパントとして原子半径が大きなV族元素を用いる研究が盛んになり、その中でも有望なSbを用いた研究には未開発な部分が多い。そこで、p型ZnO薄膜の成長条件について検証し、SbドーピングZnO薄膜のp型化を試みた。ドーピング量を1at.%、酸素雰囲気圧を10mTorrに固定し、成長温度を200°C、400°C、600°C、800°CにしてSbドーピングZnO薄膜を作製した。その結果、600°Cで作製した薄膜がアニーリング後にp型伝導性を示した。この薄膜のキャリア密度、移動度はそれぞれ1.42×10^<17>cm^<-3>、6.76cm^2/V・sとなった。800°Cで作製した薄膜はキャリア密度が1.32×10^<17>cm^<-3>から3.08×10^<15>cm^<-3>へと減少したが、n型のままであった。これは、800°Cの高温成長ではZn_7Sb_2O_<12>が形成されることがXRDから分かり、Sbがホールを形成しないためだと考えられる。400°C以下で作製した薄膜は高抵抗化した。これは、400°C以下の成長ではZnO薄膜に取り込まれるSbの量が減少し、ZnOの残留キャリアを全て補償するには不十分であることが確認できた。あらゆる酸化物の中で、Zn0ほと多種多様の用途を持っている物質はなく、近年になり青色LEDやセンサーなどの用途が期待されている材料である。本研究はPLD法を利用して、発光デバイス応用可能な高品質Zn0の作製を行っている。またナノ構造体にも注目し、様々な機能を組み合わせたデバイス作製を目指している。デバイス応用に向けたZn0を作製するには結晶成長技術を完成さた、pn制御を可能にする必要がある。As-grown成長条件はアルゴン10mTorr下、成長温度350度であり、これを更に700度でポストアニーリングを行うことで膜表面形状が大きく改善する事が分かった。これは3次元方向に成長を始めると酸素欠陥が薄膜中に存在してしまうこと、またステップ構造のような2次元方向の成長は結晶性が良くなり欠陥も少なくなるということを示している。またZn0を様々な形態にして特性を引き出すナノ構造体の大きな長所として、表面積が大きくなることや高アスペクト比が挙げられる。アプリケーション作製にあたって、まずナノロッドの成長制御や再現性の問題を改善する必要がある。本研究では従来のPLD法にoff-axis法によるナノロッドのサイズ制御法と金属catalyst-freeプロセス(seed層利用)によるナノロッドの位置制御法を組み合わせる事でロッドの構造制御を可能にした。実際にSi基板上にZn0ナノロッドを成長させ、またアプリケーションとしてSERS特性について調査を行った。具体的には、ナノロッドにSERS活性を持たせるため金をコーティングし、さらにRhodamine6Gを修飾させることでSERS活性試料を作製した。この金コートZn0ナノロッドにより濃度1マイクロMという非常に低濃度なR6Gを明瞭に検出できることが分かった。ZnO(酸化亜鉛)はGaN(窒化ガリウム)に代わる新たな青色LEDやLDの材料として注目されている。しかし現状としてはZnOからの発光は非常に弱い。2007年S.H.Parkらによってナノ構造層を利用することで光の取り出し効率が上昇することが報告されているが、ナノ構造体の成長制御は非常に困難である。よって平成20年度はデバイス構造作製に不可欠な2D(高品質薄膜成長),3D(ナノ構造成長)の構造制御を行った。2D成長として平成19年度の研究によってGaN/Sapphire基板上に圧力P(Ar)=10^<-2>Torr、成長温度T_g=350°Cで成長させた緩衝層が、epi-ZnO層の結晶性に大きく関わる事を示した。3D成長として従来のPLD法にoff-axis法によるナノロッドのサイズ制御法とcatalyst-freeプロセス(seed層利用)によるナノロッドの位置制御法を組み合わせる事でロッドの構造制御を可能にした。実際にSi基板上に成長させたZnOナノロッドを成長させることに成功し、ロッドの直径はoff距離で50700nmまでの制御可能であることを示した。またロッド成長の場所制御にはSeed Layerの位置を制御することでロッドの位置を制御できることも示している。成長方向は基板とナノ構造のepitaxial relationshipに注目することで垂直、ランダムを制御できることを示した。また2008年10月16日から2009年2月24日までの約4ヶ月間Harvard University(USA)、Eric Mazur教授の元で共同研究を行った。ハーバード大学Mazurgroupでは、シリコン基板に対してフェムト秒レーザによるトップダウン加工を行い、ユニークな構造を基板表面上に作製することで光の反射率をほぼゼロとする「ブラックシリコン」の技術を確立し、世界中から注目を集めている。今回の滞在では将来、様々なデバイス応用が期待されているZnOの加工およびドーピングに関する研究を行った。

ZnOは高い励起子結合エネルギーを持ち、製造過程がGaNよりも単純でZnの埋蔵量がGaよりも多いために、高効率な発光とLEDの低コスト化が期待できる。しかし、ZnOはII-VI族酸化物半導体であるため、良質なp型薄膜が作製困難である。近年では、p型ドーパントとして原子半径が大きなV族元素を用いる研究が盛んになり、その中でも有望なSbを用いた研究には未開発な部分が多い。そこで、p型ZnO薄膜の成長条件について検証し、SbドーピングZnO薄膜のp型化を試みた。ドーピング量を1at.%、酸素雰囲気圧を10mTorrに固定し、成長温度を200°C、400°C、600°C、800°CにしてSbドーピングZnO薄膜を作製した。その結果、600°Cで作製した薄膜がアニーリング後にp型伝導性を示した。この薄膜のキャリア密度、移動度はそれぞれ1.42×10^<17>cm^<-3>、6.76cm^2/V・sとなった。800°Cで作製した薄膜はキャリア密度が1.32×10^<17>cm^<-3>から3.08×10^<15>cm^<-3>へと減少したが、n型のままであった。これは、800°Cの高温成長ではZn_7Sb_2O_<12>が形成されることがXRDから分かり、Sbがホールを形成しないためだと考えられる。400°C以下で作製した薄膜は高抵抗化した。これは、400°C以下の成長ではZnO薄膜に取り込まれるSbの量が減少し、ZnOの残留キャリアを全て補償するには不十分であることが確認できた。