hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
肺線維化病態におけるシクロオキシゲナーゼ(COX)発現の分子生物学的解析

肺の線維化は肺組織の非可逆的変化であり、組織傷害に引き続く治癒過程とも考えられ、進行性の場合は予後が不良である。炎症から線維化の過程には病変部への細胞浸潤とこれらの細胞を含む種々の肺細胞から産生される炎症性サイトカイン、増殖性サイトカインが深く関与している。プロスタグランディンE2(PGE2)は炎症の過程において重要なメディエーターであるが、線維芽細胞増殖、コラーゲン産生を抑制し、また、増殖性サイトカインの産生調節も行うことより線維化病態において重要な役割を演じていると考えられる。これまでの検討でTh2サイトカインであるIL-4,IL-10,IL-13は肺胞マクロファージや肺線維芽細胞のCOX-2発現を抑制することによりPGE2産生を抑制することを示した。生体でのPGE2産生の変化を確認するためブレオマイシン動物モデルを作成し線維化肺から採取した線維芽細胞のPGE2産生について検討し、病変部の線維芽細胞のPGE2産生能は対照に比し低下しており、このことが線維化発症の一因と考えられた。臨床的に重要な放射線肺臓炎の発症病態解析を目的に動物モデルを作成検討し、放射線肺臓炎では洗浄液中の線維芽細胞増殖能を有するトロンビンの活性が照射初期に増強することを示した。また、照射肺から採取した線維芽細胞は増殖性サイトカインの一つであるPDGFに対するレセプターの発現が亢進していることを見出した。臨床研究としてはサルコイドーシスとリウマチに伴なう間質性肺炎の病態について検討した。サルコイドーシス患者の肺胞洗浄液中CD13活性は増強し活動性と相関していた。また、CD13はリンパ球の遊走活性を示し、肺病変局所へのリンパ球集積にCD13が関与することが判明した。リウマチ肺を持つ患者では炎症性サイトカインであるIL-1αに対する自己抗体が高率に検出し活動性と関連していることが示された。これらの結果をもとに、治療法開発の基礎的検討を行っている。
悪性胸膜中皮腫に対する腫瘍特異的抗体療法の開発

悪性胸膜中皮腫はアスベスト由来の難治癌であり、新規治療法の確立が求められている。本研究では悪性胸膜中皮腫に対する特異的癌抗原を標的とした腫瘍特異的免疫療法の開発を目的として検討を行った。その結果、ヒト悪性胸膜中皮腫細胞株およびヒト悪性胸膜中皮腫組織においてHM1.24が高発現すること、抗HM1.24抗体が悪性胸膜中皮腫細胞株に対して有意な抗体依存性細胞障害(ADCC)および補体依存性細胞障害(CDC)を誘導することを明らかにした。本結果より、特異的癌抗原を標的とした腫瘍特異的免疫療法が悪性胸膜中皮腫に対する有効な新規治療法となる可能性が示唆された。悪性胸膜中皮腫はアスベスト由来の悪性腫瘍で今後症例数の増加が予想されているが、治療抵抗性の難治癌であり、治療成績向上のため新規治療法の早期確立が必須である。近年様々な悪性腫瘍に対して腫瘍特異的免疫療法の臨床応用が検討されており、既存の治療法では治療困難であった症例に対する著明な治療効果の報告もなされている。この腫瘍特異的免疫療法では有効な治療効果を得るうえで、標的とする癌抗原の選択が最も重要である。HM1.24(CD317)は種々の悪性腫瘍に特異的に発現する抗原性タンパク質であり、腫瘍特異的免疫療法への応用の可能性がすでに報告されている。しかし、これまでに悪性胸膜中皮腫におけるHM1.24抗原発現と腫瘍特異的免疫療法への応用については検討されていなかった。そこで特異的抗HM1.24抗体を用いて検討したところ、ヒト悪性胸膜中皮腫細胞株においてHM1.24が高頻度に発現することが明らかとなった。また、ヒト悪性胸膜中皮腫組織においてもHM1.24の発現が検出された。さらに抗HM1.24抗体の悪性胸膜中皮腫に対する抗腫瘍効果を評価するため、抗体依存性細胞障害(ADCC)および補体依存性細胞障害活性(CDC)の測定を行った。その結果、HM1.24陽性の悪性胸膜中皮腫細胞株に対してマウス脾細胞、およびヒト末梢血単核球をエフェクター細胞として用いた際に抗HM1.24特異的抗体は有意なADCC活性を発現することが明らかとなった。同様に有意なCDC活性も誘導することが示された。また、HM1.24以外の癌抗原を標的とした新規特異的抗体によっても悪性胸膜中皮腫細胞株に対する有意な抗腫瘍効果が誘導されることを明らかとした。以上の結果より、HM1.24をはじめとする特異的癌抗原を標的とした腫瘍特異的免疫療法が悪性胸膜中皮腫に対する有効な新規治療法となる可能性が示唆された。悪性胸膜中皮腫は治療抵抗性の難治癌であり、治療成績向上のためには新規治療法の確立が必須である。近年臨床現場では様々な癌に対して腫瘍特異的免疫療法が行われており、既存の治療法では治療困難であった症例に対しても著明な効果をあげている。腫瘍特異的免疫療法では有効な治療効果を得るうえで、標的とする癌抗原の選択が最も重要である。HM1.24 (CD317)は種々の悪性腫瘍に特異的に発現する抗原性タンパク質であり、腫瘍特異的免疫療法への応用の可能性が報告されている。しかし、これまでに悪性胸膜中皮腫におけるHM1.24抗原発現と腫瘍特異的免疫療法への応用については検討されていない。そこで特異的抗体を用いて実験したところ、ヒト悪性胸膜中皮腫細胞株においてHM1.24が発現し、高発現も存在することが明らかとなった。また、ヒト悪性胸膜中皮腫組織においてもHM1.24の発現が認められた。さらにHM1.24特異的抗体の抗腫瘍効果を評価するため、抗体依存性細胞障害(ADCC; antibody-dependent cell cytotoxicity)および補体依存性細胞障害活性(CDC; complement dependent cytotoxicity)の測定を行ったところ、HM1.24陽性の悪性胸膜中皮腫細胞株に対してHM1.24特異的抗体はADCC活性およびCDC活性を有することが示された。この結果より、HM1.24を標的とした腫瘍特異的免疫療法が悪性胸膜中皮腫に対する有効な新規治療法となる可能性が示唆された。研究実施計画において、本研究ではヒト悪性胸膜中皮腫組織におけるHM1.24の発現を確認すること、HM1.24特異的抗体の抗腫瘍活性を明らかにすることが平成23年度の目的であった。

まず、ヒト悪性胸膜中皮腫組織におけるHM1.24の発現に関する検討では、ヒト悪性胸膜中皮腫組織アレイを用いて免疫染色を行うことにより、HM1.24抗原の発現が検出された。次に抗HM1.24抗体の抗腫瘍効果について明らかにするためADCC活性ならびにCDC活性の評価を行ったところ、HM1.24特異的抗体によりADCCおよびCDCの誘導が認められた。以上のように現時点において研究計画はおおむね順調に進展している。平成23年度に得られた結果を基にして、継続してヒト臨床組織におけるHM1.24の発現、および抗HM1.24抗体のADCC活性の評価を行う。ADCC活性はマウス脾細胞、もしくは健常成人の末梢血より単離した単核球をエフェクター細胞として用いる。採取されたエフェクター細胞と抗HM1.24抗体を放射性同位元素で標識したHM1.24抗原陽性ヒト悪性胸膜中皮腫細胞と一定時間共培養し、上清中に放出された放射性同位元素を測定する。次にマウス悪性胸膜中皮腫モデルを用い、抗HM1.24抗体の抗腫瘍効果について検討する。悪性胸膜中皮腫細胞を移植したSCIDマウスに抗HM1.24抗体を投与し、腫瘍サイズの変化や生存率について評価を行う。動物モデルを用いた実験であり、悪性胸膜中皮腫細胞株の種類によって異なる結果になると考えられるため、複数種類の悪性胸膜中皮腫モデルを用いることを予定している。次年度は研究計画に従い、組織アレイや細胞培養関連試薬、動物の購入を行い、in vitroおよびin vivo実験を進めていく。また、平成23年度は研究成果が得られた時期が遅かったため、期間中に成果発表を行う機会が限られており、繰り越しが生じた。次年度は平成23年度に得られた成果も踏まえて、研究成果の発表ならびに報告を積極的に行っていく。
多年相互作用反応場開発を指向した新規環状構造の構築と機能

適切な官能基の導入によって、x,y,z座標軸方向での相互作用の制御が可能なヘキサヒドロインダセン(ヒドリンダセン)骨格を主要構成単位とする大環状構造の構築と、その多点相互作用による基質特異的ゲスト分子の取り込み、さらに、立体選択的反応場としての機能開発を目指した研究をおこなった。1.電子供与性基を置換したヒドリンダセン骨格と、環内部への水素結合受容体の取り込みを目指した水素結合供与(アミド)基から成るマクロサイクルの設計と合成をおこなった。π-πstackingの効果と水素結合によってジニトロベンゼン、ジシアノベンゼン等との基質特異的ホスト-ゲスト錯体形成を狙ったものである。錯体形成は吸収スペクトルの変化によって検知できると考えており、上記の化合物に対する特異的センサーとして、また、反応場としての機能をさらに明かにしてゆく予定である。2.ヒドリンダセン骨格とジエチニルベンゼンを交互に繋ぎ、大きな空孔をもつ環状構造の構築を進めた。ベンゼン環上の置換基は配座間の相互変換によってその位置関係が大きく変化し、置換基との相互作用による基質の取り込みと排出に際して機能すると考えられる。これらの結果に基いてさらに、ヒドリンダセンのベンゼン環上への水素結合能や金属配位能を有する置換基の導入とそれらの基を利用したチャンネル構造の形成、官能基化された開閉機能を備えた側鎖の導入による篭形構造の構築と多点相互作用によって基質を構造特異的に活性化する反応場の形成に検討を加える予定である。
培養内皮細胞剥離モデルによる血小板粘着機構の解析

血管の内面を一層に被う血管内皮細胞は、血球成分、特に、血液凝固に関する血小板との接触を妨げるthromboresistantな性質を担っている。この内皮細胞が流体力学的ストレスによる物理的傷害、あるいは化学物質による傷害を受けると、抗血栓症が失われ、動脈硬化、血栓形成などの病態の引き金になりえるものと考えられている。本研究は、内皮細胞の剥離に伴って露出する内皮下基底膜への血小凝集粘着機構を解析するために、培養内皮細胞剥離時における血小板粘着モデルを作製した。さらに、本モデルを用いて内皮細胞における主アラキドン酸代謝産物、プロスタサイクリンの血小板の凝集粘着反応に及ぼす影響についても解析した。血小板の内皮細胞剥離部への結合量を測定するためには、まずゲル化したコラ-ゲンの上にテフロン性Oーリングを置き、ブタ胸部大動脈内皮細胞を培養した。細胞がconfluentになった後、リングを取り除くことにより内皮細胞を剥離する。そこに^<51>Cr標識ウサギ血小板を加え、一定時間インキュベ-ション後、ホルマリン固定し、結合した血小板をγーカウンタ-にて測定した。剥離内皮層に血小板を加えて2時間後の血小板結合量を測定したところ、コラ-ゲンゲル単独では内皮層を剥離しても血小板の結合がほとんど増えないことが分かった。そこで接着性蛋白であるfibrinogen、fibronectinをコラ-ゲンゲルに加えたところ、それぞれ単独時に比べ、相乗的に血小板結合量が増加した。剥離内皮層に結合した血小板の形態を、走査型電子顕微鏡にて観察したところ、剥離部に選択的に血小板が凝集粘着している像が得られた。また、剥離内皮層に血小板を加えると同時に、PGI_2を添加したところ、血小板結合はPGI_2の濃度依存的に抑制された。
イネにおける冠水抵抗性の分子機構解明とその応用研究

ヌクレオソームヒストンのアセチル化は、真核生物のクロマチン内のどの領域を活発に転写するのかを規定する機構のひとつである。高等植物においてもヒストンのアセチル化状態は遺伝子発現と相関があると考えられてきた。しかし、外界からの刺激に応答して遺伝子発現が活性化される場合において、その誘導性遺伝子を含む領域のヌクレオソームヒストンのアセチル化状態が動的に変化するかどうかは分かっていない。イネの根において、alcohol dehydrogenase 1遺伝子(ADH1)は冠水状態でその発現が活性化することが知られている。ここでは、私たちはADH1領域のヒストンH3およびヒストンH4が、冠水状態でアセチル化され、冠水を解除すると脱アセチル化されることを報告する。ヒストン脱アセチル化酵素の阻害剤を処理するとADH1座位のヒストンのアセチル化程度が上昇し、ADH1遺伝子の発現が活性化した。ヒストンのアセチル化状態をADH1領域についてマッピングした結果、冠水処理によってADH1領域全体が高アセチル化状態となり、特にタンパク質をコードする領域でより大きくアセチル化されていることが分かった。アセチル化状態の経時的な変化を解析した結果、ADH1のmRNAの増加が開始した後にヒストンアセチル化が上昇することが明らかとなった。さらに、イネにおけるヒストンアセチル化酵素(HAT)およびヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)の遺伝子発現を解析した結果、2個のHAT遺伝子、および9個のHDAC遺伝子が冠水によって誘導もしくは抑制されることが明らかとなった。植物は冠水状態を生き抜くために形態、代謝などを変化させ、これらの変化の多くは遺伝子発現の変化によってもたらされると考えられている。したがって遺伝子発現の変化を上流で調節する因子を特定し改変すれば、より冠水抵抗性の高い作物の分子育種につながると考えられる。DNAは核内でヒストンに巻き付いて存在しており、このヒストンがどう修飾されるかが遺伝子発現の調節に関わっていることが近年明らかになりつつある。ヒストンの修飾にはアセチル化、メチル化、リン酸化、モノユビキチン化などが知られており、一般にヒストンがアセチル化されると遺伝子発現が活性化され、脱アセチル化されると遺伝子発現が抑制されるといわれている。ヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)はヒストンの脱アセチル化を行う酵素であり、動物や酵母では遺伝子発現の抑制を通して寿命の延長など様々な働きをもっている。本研究ではイネからHDAC遺伝子を複数同定し、その発現を解析した。HDACは3つのファミリーに分けられ、イネゲノム中には少なくとも14個のHDACファミリー遺伝子、2個のSIR2ファミリー遺伝子、3個のHD2ファミリー遺伝子が存在していることがわかった。これらすべての遺伝子に対してその発現の器官特異性、低温、塩、乾燥、冠水に対する応答性を調べたところ、HDACファミリーに属するHDAC2とHDAC3のみが冠水を含む各種のストレスに対して発現誘導されることが明らかとなった。
海藻と微生物が生産するハロゲン化酵素類の構造と機能に関する研究

海藻中には多種類のハロゲン化有機化合物の存在が知られているおり、そのいくつかは生理活性を有している。本申請者らの二つのグループは、それぞれ独立にかつほぼ同時に、世界に先駆けて海藻類と数種の微生物が、これらハロゲン化化合物の生合成に関与していると考えられるハロゲン化酵素、ハロペルオキシダーゼ類(ブロモおよびクロロペルオキシダーゼ)を大量に生産することを見いだしている。そして海藻由来のブロモペルオキシダーゼについては、両グループの酵素がいずれも遷移金属バナジウムを含むことが最近明らかになった。しかし、これら海藻は、我々のグループはCorallina pilulifera、オランダ、アムステルダムの大学グループはAscophyllum nodosumと、それぞれの国でしか採集、入手できない研究材料である。そこで、この2つの海藻由来のブロモペルオキシダーゼの構造と機能の比較を中心として、微生物由来の酵素に関する研究も含めて両グループ間での共同研究を実施するに至った。日本沿岸に生育する60種の海藻についてそのブロモペルオキシダーゼ活性を測定したところ、18種の海藻に高い活性が存在することを見いだした。なかでも紅藻サンゴモ科の海藻はいずれも高い活性を有しており、とりわけC.piluliferaはブロモペルオキシダーゼを総蛋白質の3%も生産していた。そこで、鳥取など日本海沿岸より本海藻を大量に採集し、この海藻の組織内部よりブロモペルオキシダーゼを種々のクロマトグラフィーを用いて約36倍に精製して均一の標品を得た。本酵素は分子量790,000、同一のサブユニット(Mw=64,000)12個からなるホモドデカマ-であり、酵素1モル当たりバナジウムが4g原子含まれていた。また、Fe,Mgも大量に含まれていた。この海藻以外にも褐藻、緑藻、紅藻を問わず数多くの海藻からハロペルオキシダーゼが均一にまで精製され、その諸性質が明らかにされている。アムステルダム大学のグループにおいては、褐藻A.nodosumよりブロモペルオキシダーゼが均一にまで精製され、分子量は67,000,1モル当たり0.4モルのバナジウムを含むことが明らかにされた。また、微生物にも原核生物、真核生物を問わずハロペルオキシダーゼが存在し、いくつかの菌株より均一にまで精製されている。そのなかで、アムステルダム大学のグループでは乾燥地から分離されたカビCurvularia inaequalisからクロロペルオキシダーゼが均一にまで精製され、その分子量は67,000,酵素1モル当たり1モルのバナジウムを含むことが明らかにされた。これはバナジウムを含む微生物ハロペルオキシダーゼの最初の例である。以上に述べた三つのハロペルオキシダーゼについて、それぞれの特性が調べられた。まずC.piluliferaのブロモペルオキシダーゼについては、本酵素を低pH条件下でアポ化し、それに各種金属塩を加えると、バナジウムを加えた時のみ顕著な活性の回復が認められた。そして、この活性回復はFeCl_3の添加によって促進されることを見いだし、MgCl_2にはそのような効果はないことを明らかにした。また、本酵素を化学反応プロセスへ応用することを考え、種々の有機物のハロゲン化を試みたところ、本酵素によりphenolはtribromophenolへ、anisoleはo-and p-bromoanisoleへ、1-methoxynaphthaleneは1-methoxy-4-bromonaphthaleneへ、thiopheneは2-bromothiopheneへそれぞれ変換されることがわかった。A.nodosumのブロモペルオキシダーゼについては、本酵素が40%のアセトン、メタノール、エタノール、n-プロパノール中で一カ月室温で放置してもほとんど失活が認められないほど安定であることが明らかにされた。さらにC.inaequalisのクロロペルオキシダーゼについてはバナジウム結合部位にヒスチジン残基が深く関与していることが示された。また、これらハロペルオキシダーゼの構造の相関性を検討するため均一に精製されたそれぞれの酵素をプロテアーゼ処理し、得られたペプチド断片を電気泳動で比較したところ三つの酵素の切断パターンに類似性が見られた。C.piluliferaのブロモペルオキシダーゼについてはプロテアーゼ処理のほか、臭化シアン等で酵素を切断し、HPLCで分取した後、得られたペプチド断片のアミノ酸配列を決定した。現在まで全アミノ酸489残基のうち253残基の配列を決定できた。その一方でイギリス、インペリアルカレッジのグループと共同で本酵素を結晶化するための基礎的条件についても検討を加えた。

日本沿岸に生育する60種の海藻についてそのブロモペルオキシダーゼ活性を測定したところ、18種の海藻に高い活性が存在することを見いだした。なかでも紅藻サンゴモ科の海藻はいずれも高い活性を有しており、とりわけC.piluliferaはブロモペルオキシダーゼを総蛋白質の3%も生産していた。そこで、鳥取など日本海沿岸より本海藻を大量に採集し、この海藻の組織内部よりブロモペルオキシダーゼを種々のクロマトグラフィーを用いて約36倍に精製して均一の標品を得た。本酵素は分子量790,000、同一のサブユニット(Mw=64,000)12個からなるホモドデカマ-であり、酵素1モル当たりバナジウムが4g原子含まれていた。また、Fe,Mgも大量に含まれていた。この海藻以外にも褐藻、緑藻、紅藻を問わず数多くの海藻からハロペルオキシダーゼが均一にまで精製され、その諸性質が明らかにされている。アムステルダム大学のグループにおいては、褐藻A.nodosumよりブロモペルオキシダーゼが均一にまで精製され、分子量は67,000,1モル当たり0.4モルのバナジウムを含むことが明らかにされた。また、微生物にも原核生物、真核生物を問わずハロペルオキシダーゼが存在し、いくつかの菌株より均一にまで精製されている。そのなかで、アムステルダム大学のグループでは乾燥地から分離されたカビCurvularia inaequalisからクロロペルオキシダーゼが均一にまで精製され、その分子量は67,000,酵素1モル当たり1モルのバナジウムを含むことが明らかにされた。これはバナジウムを含む微生物ハロペルオキシダーゼの最初の例である。以上に述べた三つのハロペルオキシダーゼについて、それぞれの特性が調べられた。まずC.piluliferaのブロモペルオキシダーゼについては、本酵素を低pH条件下でアポ化し、それに各種金属塩を加えると、バナジウムを加えた時のみ顕著な活性の回復が認められた。そして、この活性回復はFeCl_3の添加によって促進されることを見いだし、MgCl_2にはそのような効果はないことを明らかにした。また、本酵素を化学反応プロセスへ応用することを考え、種々の有機物のハロゲン化を試みたところ、本酵素によりphenolはtribromophenolへ、anisoleはo-and p-bromoanisoleへ、1-methoxynaphthaleneは1-methoxy-4-bromonaphthaleneへ、thiopheneは2-bromothiopheneへそれぞれ変換されることがわかった。A.nodosumのブロモペルオキシダーゼについては、本酵素が40%のアセトン、メタノール、エタノール、n-プロパノール中で一カ月室温で放置してもほとんど失活が認められないほど安定であることが明らかにされた。さらにC.inaequalisのクロロペルオキシダーゼについてはバナジウム結合部位にヒスチジン残基が深く関与していることが示された。
アクチン・ミオシン間の滑りの素過程のエネルギー変換効率測定装置の開発

平成5年から7年度にわたる本研究の主な研究成果は以下のように要約される。1.アクチン・ミオシン間の単位滑り距離の測定:単一グリセリン筋線維をcaged ATPのレーザー光分解で収縮させる手法により、caged ATPから放出されるATP量と筋フィラメント間の滑り距離を研究した結果、ミオシン1分子あたり1個のATPの放出により筋フィラメントは単位の滑りを起こし、この値は約10nm/half sarcomereであった(Yamada et al.J.Physiol.466:229-243,1993)。またアクチンとミオシンからなるin vitro assay系にATPを電気泳動的に与える方法によっても同じ値が得られた(Oiwa et al.J.Biochem.114:28-32,1993)。2.アクチン・ミオシン間の滑りのエネルギー変換効率の測定:単一グリセリン筋線維中にミオシン頭部と同数(同濃度)のATPをあらかじめ浸透させておき、caged Ca^<2+>のレーザー光分解により放出されるCa^<2+>による収縮時に筋線維のなす仕事量を測定した。一方筋線維が消費したATP量は収縮中任意の時点で筋線維の張力をゼロレベルに低下させた後におこる等尺性収縮張力の上昇値から測定した。結果の解析の結果、筋線維のATP消費量は筋フィラメントの滑り距離にほぼ比例して増大するのに対して、筋線維のなす仕事量は中程度の荷重値で極大となる“つりがね状"であることがわかった。上記の関係は収縮のごく初期でも成立することから、個々のミオシン頭部のエネルギー変換効率が荷重に依存して大幅に変化することがわかった。3.シャジクモミオシンとアクチン間の荷重速度曲線の測定:シャジクモの原形質流動の滑り速度は筋線維の最大滑り速度より約10倍大である。シャジクモミオシンとアクチン間の荷重速度曲線を求めた結果、曲線の形状からこのアクトミオシン系のエネルギー変換効率は骨格筋のアクトミオシン系に比べて著しく低いことが示唆された。本研究班の平成5年度の主要な研究成果は以下のように要約される。1.アクチン・ミオシン間の単一滑り距離の測定:われわれはすでにウサギ骨格筋のミオシンをコートしたガラス微小針をシャジクモ巨大節間細胞のアクチン線維束(アクチンケーブル)上に滑走させる実験系を開発し(Chaen et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,86:1510-1514,1989)、これを用いてアクチン・ミオシン間の滑りの荷重・速度関係をIn vitro実験で初めて測定し、さらにこの実験系とATPの電気泳動投与法とを組み合わせることにより、アクチン・ミオシン間の滑りの見かけ上の効率を測定することに成功している(Oiwa et al.,J.Physiol.London 437:751-763,1991)。われわれは後者の方法を用いてアクチン・ミオシン間の最小単位滑り距離の測定に成功した。あらかじめ実験液中にhexokinase-d-glucoseを適当量加えることにより、アクチンとミオシン間のATP投与に対する滑りを抑制することなく、実験系中に放出されたATPをすみやかに除去することが可能である。

これにより、電気泳動的に投与するATP量を徐々に減少させたところ、ATP投与量が電気量で10-20クローンの範囲で、アクチン・ミオシン間の滑り距離が約10nmを単位としてステップ状に変化することが見出された。この結果は、アクチン・ミオシン間の最小単位滑り距離が約10nmであることを強く示唆している。なお、この結果はわれわれが単一グリセリン抽出筋線維をcagedATPの光分解によるATP放出により活性化したさいの筋節の半分あたりの最小短縮距離、すなわちアクチンフィラメントとミオシンフィラメント間の最小滑り距離が約10nmである結果とよく一致している(Yamada et al.,J.Physiol.London 466:229-243,1993)。2.アクチン・ミオシン間の滑りの効率の荷重依存率の分子的機構:われわれはすでにミオシンをコートしたガラス微小針がアクチンケーブル上を滑走したさいになす仕事量を種々の初期荷重において測定し、アクチン・ミオシン間の見かけ上のエネルギー変換効率(電気泳動的に一定量のATPを投与したさいの仕事量から求められる)が初期荷重増大とともに増大することを見出している。(Oiwa et al.,J.Physiol.London 437:751-763,1991)。われわれはさらにこのような実験条件下でのガラス微小針の動き(つまりアクチン・ミオシン間の滑り)の時間経過を詳細に調べた結果、アクチン・ミオシン間の滑り速度の時間経過は初期荷重によらずほとんど一定であることを見出した。この結果は、従来生きた骨格筋の基本的性質である荷重・速度関係や荷重・エネルギー関係がHuxleyの滑り模型が説明するようなアクチン・ミオシン間の結合の数の増減によるものではなく、個々のアクチン・ミオシン間の結合のエネルギー変換効率が荷重によって変化する機構の存在を強く示唆している。本研究の平成6年度の主な研究成果は以下のように要約される。1.グリセリン抽出単一骨格筋線維におけるエネルギー変換効率の測定:われわれはグリセリン抽出単一筋線維内のATP濃度を約200μMに保ち、この筋線維をcaged-Ca^<2+>(DM-nitrophen)のレーザ光フラッシュによるfreeCa^<2+>の放出により活性化し、種々の力学的条件下に筋線維の短縮と張力変化を記録することにより、筋線維が収縮中になす仕事量、仕事発生率を測定した。一方、筋線維内のATP量(約200μM)が筋線維内のミオシン頭部の濃度(約150mM)とほぼ等しく、したがって収縮の後期には急速にATPが減少し硬直状態(rigor)に移行する状態を利用し、収縮の任意の時点で筋線維の短縮を止めたさいの張力発生度からATPの消費量を間接的に測定した。この結果、(1)ATPの分解速度は無荷重下の短縮のさい最も大で等尺性収縮張力発生のさいに最も小さいこと、(2)最大仕事発生率が同じであっても、短縮速度が大なる収縮のほうがATP分解速度が大であること、および(3)auxotonic条件下での収縮では、最大仕事率と仕事量の間には一義的な関係のあること等が見出された。これらの結果は、われわれの年来の主張である、“収縮のさいのエネルギー変換効率は筋線維に加わる荷重によって決定される"という考えを支持する。2.アクチン分子内のヌクレオチドのアクチン・ミオシン間の滑りにおける役割
植生キャノピーの生理・生態・光学特性に関する統合モデルと衛星観測

森林や農地の機能と構造を、複数種が混在して季節変化する状況で再現し、人工衛星などによる見え方と光合成特性を結合するモデルを作成した。そのためにまず、森林と水田で、様々な波長での光の反射率(分光反射率)の自動観測と、デジタルカメラ自動長期連続撮影、個葉の分光特性・生理特性の観測、衛星観測等を実施した。その結果、中間赤外光を使う分光植生指標の安定性・有用性を、世界で始めて、連続データ示した。衛星観測と合わせることで、近年の日本全国の植物季節の経年変化を衛星で検討した結果、中部日本の広い範囲で2009年の展葉と落葉が遅いタイミングで起きたことがわかった。岐阜大学高山試験地(森林)と、農業環境技術研究所真瀬水田試験地、筑波大学菅平高原実験センター(草原)、筑波大学陸域環境研究センター(草原)のぞれぞれで、植生キャノピー(樹冠)の構造と生理に関する定期観測を実施した。このうち、岐阜大学高山試験地(森林)では、樹冠構造(葉の量・葉の傾き・葉の色素量など)の季節変化に関する直接観測データを得た。また、岐阜大学高山試験地(森林)と、農業環境技術研究所真瀬水田試験地には、野外据え付け型の中間赤外分光放射計(英弘精機MS712)による観測の準備を整えた。これにより、世界でほとんど前例のない、植生樹冠に関する連続長期時系列中間赤外分光測定が開始された。これは現在運用中の経産省のTerra/ASTER衛星センサーの運用計画にかろうじて間に合ったことになり、衛星と地上の同期データがとれることが期待される。岐阜大学高山試験地(森林)と、農業環境技術研究所真瀬水田試験地、筑波大学菅平高原実験センター(草原)、筑波大学陸域環境研究センター(草原)のそれぞれで、植生キャノピー(樹冠)の構造と生理に関する定期観測を実施した。それによって、複数の樹種が混在する森林における、キャノピー反射スペクトルを数値モデルで再現することができた。スペクトルも植生指標も、年間を通じて、回転型分光放射計による実測データとよく整合した。従来のような単一樹種による近似がもたらす系統誤差も評価することができた。このモデルは、当初の計画のとおり、キャノピー光合成量も再現できた。それによって、年間の各時期において、どの樹種が最もキャノピー光合成量に寄与しているかが定量的に明かになった。また、岐阜大学高山試験地(森林)と、農業環境技術研究所真瀬水田試験地では、野外据え付け型の中間赤外分光放射計(英弘精機MS712)による観測を継続した。その結果、当初の予定どおり、世界でほとんど前例のない、植生樹冠に関する連続時系列中間赤外分光測定が通年で実施された。その結果、中間赤外を用いた植生指標は、可視近赤外を用いた植生指標より、ノイズに対して予想以上に頑健であり、人工衛星データと地上観測値の対応も良好であることがわかった。一方、従来使われてきた植生指標には、大気ノイズに対して脆弱であったり、積雪などの状況変化に追随してしまうという欠点があることがわかった。これらの結果を踏まえて、過去10年間の、日本を含む極東アジアの森林の季節変化を人工衛星で推定した。前年度に引き続き、岐阜大学高山試験地(森林)と、農業環境技術研究所真瀬水田試験地、筑波大学菅平高原実験センター(草原)、筑波大学陸域環境研究センター(草原)のそれぞれで、植生キャノピー(樹冠)の構造と生理に関する定期観測を実施した。岐阜大学高山試験地(森林)と、農業環境技術研究所真瀬水田試験地では、野外据え付け型の中間赤外分光放射計(英弘精機MS712)による観測を継続した。これらの観測データをもとに、森林の葉面積指数を簡便かつ精度よく推定する手法を開発した(Kume et al., in press)。森林の季節変化のタイミング(フェノロジー)に燗する測定・推定手法を高度化し、それによって過去10年間の日本の森林の季節変化を衛星データで再現した。その結果、2009年秋季の黄葉・落葉が、多くの地域で早かったことが明らかになり、それは地域によって、春の展葉の早期化と連動している可能性が見出された。
反応性テンプレート粒成長法によるチタン酸バリウム系セラミックスへの粒子配向付与

反応性テンプレート粒成長法(RTGG法)を用いて、<111>および<100>配向BaTiO_3を作製した。反応性テンプレートとして、<111>配向の場合は板状Ba_6Ti_<17>O_<40>(B6T17)粒子を、<100>配向の場合は板状Bi_4Ti_3O_<12>(BiT)粒子を用いた。これらの反応性テンプレートにBaCO_3粉体を加え、テープ成形で板状粒子が配列した成形体を作製した。<111>配向の場合は空気中で、<100>配向の場合は真空中で加熱することにより、反応性テンプレートから結晶配向したBaTiO_3粒子が生成した。これを1300°Cから1400°Cで焼結した。その結果、配向度の高いセラミックスが得られたが、焼結密度が理論密度の80から90%であった。成形体中に生成する板状粒子間の隙間が焼結過程で大きく細長い気孔に変化し、消滅しないために密度が高くならない。そこで、隙間を埋めるために平均粒径が0.1から0.5μmのBaTiO_3粒子をフィラーとして添加した。その結果、焼結密度は95から99%に上昇した。この場合、<111>配向では0.5μmの、<100>配向では0.1および0.3μmのBaTiO_3粒子の添加が有効であった。フィラー粒子の存在は配向度を低下させると予想されたが、焼結時に、反応性テンプレートから生成した配向BaTiO_3粒子の粒成長によりフィラー粒子が取り込まれ、フィラーなしの試料と同等の配向度である0.7から0.9の値が得られた。以上の研究により、高密度・高配向度の<111>および<100>配向BaTiO_3の作製に成功し、密度と配向度に及ぼすプロセス・パラメータの影響を明らかにできた。溶融塩法で合成した板状Ba_6Ti_<17>O_<40>およぴBi_4Ti_3O_<12>を用い、反応性テンプレート粒子成長法によりそれぞれ<111>および<100>配向した高密度・高配向BaTiO_3を作製できた。<111>配向BaTiO_3では、出発粉体として板状Bi_4Ti_3O_<12>とBaCO_3の混合物を用いた場合、配向度が最高0.8程度の焼結体が得られたが、密度は理論密度の80%程度であった。この場合、板状粒子間にできる大きな気孔が焼結密度低下の原因であった。そこで、粒径0.1μmと0.5μmのBaTiO_3をフィラーとして用いた。粒径0.1μmのフィラー添加ではフラー粒子間での焼結が早く起こるために粒内気孔が生成し、焼結密度はむしろ低下する傾向にあった。粒径0.5μmのフィラー添加では板状粒子間の大きな気孔がフィラー粒子に埋められ、密度が95%以上の焼結体が得られ、配向度も大きいものが得られた。こられの試料の圧電特性は測定中である。<100>

配向BaTiO_3では、板状Bi_4Ti_3O_<12>とBaCO_3の混合物を真空中で加熱することにより配向度が0.8程度の焼結体が得られたが、焼結密度は約75%であった。そこで、粒径0.1μmと0.5μmのBaTiO_3をフィラーとして用いた。この場合は<111>配向BaTiO_3の場合とは反対に、粒径0.5μmのフィラーでは焼結密度は向上しなかったが、粒径0.1μmのフィラー添加により密度が95%程度の焼結体が得られた。出発粉体間の反応において、Bi_4Ti_3O_<12>とBaCO_3からBaTiO_3が生成する反応と同時に、Bi_4Ti_3O_<12>とフィラーのBaTiO_3が反応し、これが配向度と焼結密度の向上をもたらした。Bi_4Ti_3O_<12>とBaTiO_3の反応において、BaTiO_3の粒径が関係することがわかった。<100>配向BaTiO_3の合成では、Bi_4Ti_3O_<12>とBaCO_3との反応により生じるBi_2O_3を除去している。しかし、完全には除去できず、少量残留Bi_2O_3が生成したBaTiO_3に固溶した。このBiはドナーとして働き、焼結体の電気抵抗を低下させた。そのため、圧電特性が測定できなかった。本年度は、溶融塩法で合成した板状Ba_6Ti_<17>O_<40>およびBi_4Ti_3O_<12>粒子を用い、反応性テンプレート粒成長法によりそれぞれ<111>および<100>配向した高密度・高配向BaTiO_3の作製条件を検討した。<111>配向BaTiO_3の調製では、スラリー作製時の粉体粒子の凝集挙動を調べ、粉体粒子が良く分散したスラリーの作製法を確立し、配向付与の再現性を高めた。また、この研究過程で、テンプレート粒成長法により粒子板状Ba_6Ti_<17>O_<40>粒子がBaTiO_3へ<111>配向付与できることを見出し、配向付与の機構を明らかにした。<100>配向BaTiO_3の調製では、緻密化と配向付与に及ぼすフィラーの影響を明らかにした。フィラーを添加することにより焼結密度は高くなるが、フィラー粒径(0.1、0.3、0.5μm)により緻密化挙動が異なった。フィラーの効果は成形体中の大きな隙間を埋めることにより生じるが、隙間を埋める効率が粒径に依存する。最適な粒径は0.3μmであった。一方、フィラーの配向度に及ぼす影響では複雑な挙動を示した。フィラーの少量の添加では配向度は低下するが、50%以上の添加では高配向度となった。Bi_4Ti_3O_<12>とBaCO_3との反応でBaTiO_3が生成するが、その間に生成する中間生成物の挙動が配向度を決めることが分かった。また、焼成中に試料に軽い重しをのせることにより焼結密度が飛躍的に高くなった。以上の研究により、高密度・高配向度の<111>および<100>配向BaTiO_3の作製に成功し、密度と配向度に及ぼすプロセス・パラメータの影響を明らかにできた。
西部北太平洋における海洋エアロゾルの水分量、吸湿特性、ＣＣＮ活性の長期観測

東アジアからの汚染物質の放出は、冬と春の時期における西部北太平洋の大気エアロゾルに深刻な影響を及ぼす。時には、太平洋を越えて北アメリカにまでその影響は到達する。この影響はこの数十年間に地球温暖化など環境変化に伴って変化が出てきている可能性がある。本年度は、アジア大陸からの汚染物質の西部北太平洋への大気輸送と大気中での光化学的変質過程を明らかにするために、小笠原諸島・父島で長期にわたり(2001-2012年)採取した大気エアロゾル試料の化学分析を行った。エアロゾル中の有機炭素(OC)・元素状炭素(EC)をSunset Lab社製の炭素計で、また水溶性炭素(WSOC)を島津製作所の炭素計で測定し、その季節変化・長期変動を解析した。その結果、OC, EC, WSOCは冬期から春期に最大を示し、夏に最低値を示した。この季節変化は、冬・春に強化される偏西風による汚染物質の大気輸送で説明された。一方、夏には、海洋性の清浄大気に覆われるため、低い濃度を示した。OC/EC濃度比は観測期間中に、増加傾向を示した(+0.46% y-1)。また、WSOC濃度は増加傾向を示した(+0.18% y-1)。これらの有機物の増加は、陸上植物の活性化とバイオマス燃焼の寄与の増加の可能性が指摘された。バイオマス燃焼のトレーサーであるカリウムとECの濃度比は観測期間中に増加傾向(+0.33% y-1)を示し、森林火災や農業廃棄物の野焼きなどのバイオマス燃焼がアジア域で増加していること、それらが西部北太平洋にまで輸送されていることを明らかにした。29年度が最終年度であるため、記入しない。しかし、西部北太平洋の大気エアロゾルの化学組成に関する長期観測はこれまでになかった。本研究では、小笠原諸島・父島における長期間にわたる大気エアロゾルの観測(2001-2012)で採取した大気エアロゾル試料の化学分析、すなわち、有機炭素(OC)、黒色炭素(EC)、水溶性有機炭素(WSOC)を測定し、同時に、微粒子の吸湿特性の測定をおこなった。これらの結果より、西部北太平洋における微粒子の吸湿特性の長期変動を議論することを目的とした。また、有機エアロゾルの組成、無機イオンの解析から、季節変化の特徴を解析した。その結果、OC/EC濃度比、WSOC/OC濃度比は、2001年より増加傾向にあることがわかった。また、WSOCもわずかに増加していることがわかった。このような増加傾向は統計学的に有意なものであった。この結果は、人為起源および自然起源の揮発性有機化合物(VOC)が増加していること、また、VOCの光化学的酸化反応がより進んでいることを示唆している。また、微粒子の吸湿特性と有機物との間には弱い正の相関があることがわかった。このことは、微粒子の吸湿特性は無機物だけでなく、水溶性有機エアロゾルによってもコントロールされていることを示唆している。エアロゾルの吸湿特性を測定し、その長期変動を解析した。28年度中に、本研究の成果が論文として国際誌に4報出版された。これは当初の計画以上の進展である。今後は、WSOC等の増加傾向を支配している原因について、気象情報などを取り込み、また、無機イオンの基づく吸湿特性・雲凝結核活性のモデル計算を行うことにより解明していく。
真核生物におけるピノサイトーシスメカニズムの保存性と多様性の解明

これまでに確立した浸透栄養性真核微生物の培養株を用いて、分子系統解析と電子顕微鏡による形態観察を実施した。これまで環境DNA解析でのみ認識されていた系統群に複数の新規浸透栄養性生物が含まれることを発見し、報告した(Prokopchuk et al. 2019)。またその過程で細胞膜構造についても注目し観察を進め、外界に存在する栄養分の吸収に関わる可能性のある構造を今後特定するための足がかりとなる情報を得ることに成功した。また、浸透栄養性真核微生物の多くが細胞内に共生細菌を有するという事実を把握するに至り、飲作用にのみ依存した生活へとシフトした進化的背景に共生細菌からの何らかの物質供給が存在する可能性とその検証に向けた研究の展望が開けた。今後は、細胞内共生菌が担う役割の理解とともに近縁種でありながら共生細菌の有無がある生物グループに着目した研究展開も視野に入れている。さらには、これまで共生細菌の存在が全く報告されていない生物群も飲作用に依存した生活を行うことが可能であるという知見も獲得し、同じ『飲作用』という栄養摂取様式に依存した生活様式の進化にも、そこに至るまでには多様性があることが示唆された。これまで環境DNA解析でのみ知られていた系統群に、本研究計画の中で新たに確立された浸透栄養性真核微生物が多く含まれるという事実は、それらがこれまでの培養条件では増殖しない生物であった可能性と共に海洋環境中には浸透栄養性真核微生物が従来の想定を大きく超えて存在している可能性を示している。浸透栄養性真核微生物は、多様な餌生物を利用できるジェネラリスト生物と比較し、増殖には外界の環境が大きく影響する可能性も考えられた。一昨年度の成果にもとづき研究が進展し原著論文が公開され、またそこから新たな展開を見出すことにも成功したため。具体的には、飲作用能を有するディプロネマ生物において共生細菌が存在することが普遍的である一方で、一部のディプロネマ生物は共生細菌を持たず、両者の間には増殖のために要求する栄養に違いがある可能性を見出したことがあげられる。さらに、一部の浸透栄養性ケルコゾア生物は培養条件を変更することで、原核生物あるいは珪藻、およびその両方を捕食可能であることを見出した。これは自然環境下でも浸透栄養性生物が柔軟に栄養摂取様式を変えながら生活していることを示唆している。また本知見にもとづき、異なる条件下で培養した当該生物に飲作用に関わる小胞形成機構などの微細構造に差が生じるのか、遺伝子発現にどのような違いが見られるのか、を検証することが可能になり、実験基盤が整ったことも昨年度の進捗が順調であったことを示している。浸透栄養性真核微生物が外界環境の変化に対し鋭敏に反応する可能性を考慮し、その在不在の把握が環境変動を予兆も含めより勘弁に捉える手法の開発につながる可能性を見出せたことも昨年度の潜在的成果の一つと捉えている。以上、一昨年度、および昨年度に得られた知見に基づき今年度も効率的な研究展開が期待できることから、本研究課題は概ね順調に進捗していると判断した。既に確立している培養株を用いた形態観察と系統的所属の解明を続けるとともに、その比較から飲作用プロセスの多様性及び進化に関する知見を得る。飲作用プロセスに特に違いが大きいと判断された2つ以上の培養株を材料に次世代シーケンサーを用いた配列解析を実施し、分子情報にもとづき飲作用メカニズムの多様化プロセスを議論する。さらに多くの浸透栄養性真核微生物から共生細菌の存在を見出したことから、それら共生細菌の機能に着目した研究展開を目指す。共生細菌のゲノム情報の収集・解析のみならず、共生細菌を持たない原生生物への感染実験や、共生細菌の有無に伴う浸透栄養に依存した増殖速度の違いの解明に着手したい。さらにケルコゾア生物では、餌生物の捕食に依存し生活しているステージと飲作用のみに依存し生活しているステージの両方を誘導できることが可能となったため、2つの条件間での飲作用プロセスに関わる形態、および遺伝子発現プロファイルの違いの把握も推し進めたい。これまでの2年で確立した培養株は、系統分類学的にも新規性が高いものが多く、その正式な記載報告に関する研究も並行して実施したい。また当初の計画通り確立した培養株は、関連研究分野の進展を駆動するための材料と積極的に公開し提供していく所存である。これら一連の取り組みを通じて、飲茶用能を有する真核微生物の細胞機能全体についての理解の深化を目指す。その過程で、飲作用に関連すると考えられる微小な小胞形成を確認し、今後より詳細な観察を進める上での基盤的情報の獲得につながった。観察を行った幾つかの培養株については、系統分類学的な新規性が新たに確認されたため、新属新種、あるいは既知属の新種として記載・報告した(Tashyreva*, Prokopchuk*,Yabuki*, Kaur*et al.2018[*co-first authors], Tashyreva et al. 2018)。さらにその過程で、細胞内に新規共生細菌が含まれることも発見し、浸透栄養能を有することと細胞内共生細菌が存在することの細胞機能における関連性、さらに浸透栄養性生物でありながら共生細菌が細胞内に侵入するメカニズムに関する研究の展開に通じる知見を得た。新たに獲得した試料からも浸透栄養性の培養株の確立を進めた。

特にケルコゾア門内では、複数の系統的に離れた種がそれぞれ浸透栄養能を有することが確認された。本知見は、ケルコゾアにでは飲作用メカニズムが比較的保存された形質であることを示すとともに、(比較的)近縁な生物間においてもそのメカニズムに違いがあるのかを検証するための適したモデルとなる可能性がある。今回新たに培養株化されたケルコゾア生物は、これまでに環境クレードのメンバーとして知られていた生物であったことから、ケルコゾアの多様性の理解にも通じる成果であるとともに、浸透栄養性の新規ケルコゾア生物が自然環境中、特に微生物生態系内において担う役割についての知見も今後得られると期待される。初年度から原著論文としての成果公表ができたことに加え、今後も着実な成果公表が見込まれる基盤的成果が得られたため。具体的には、ディプロネマ綱において飲作用能が普遍的に存在することを明らかにし、また多様性の理解に貢献しただけでなく、ケルコゾア門内においても複数の飲作用能をもった新規系統を同定することに成功したことがあげられる。確立した培養株の研究的価値はすでに多くの研究者から認識され、新たな研究協力体制確立に向けた打診を受けている。本研究計画で使用している培養方法はすでに他社の研究の中でも活用され始めており、研究成果の波及効果が見え始めている状況にある。平成30年度に注力予定である培養条件の検討、およびより効率的な培養株作成手法の確立は、まさに研究分野全体で期待されている状況にある。平成29年度の取り組みの中で、本研究計画の目的にも関係する新たな展開(飲作用機能と共生細菌の存在に関する細胞機能の理解)にも波及する成果が得られたことも、当初の計画以上の進展を支持していると言える。これまでに確立した浸透栄養性真核微生物の培養株を用いて、分子系統解析と電子顕微鏡による形態観察を実施した。これまで環境DNA解析でのみ認識されていた系統群に複数の新規浸透栄養性生物が含まれることを発見し、報告した(Prokopchuk et al. 2019)。またその過程で細胞膜構造についても注目し観察を進め、外界に存在する栄養分の吸収に関わる可能性のある構造を今後特定するための足がかりとなる情報を得ることに成功した。また、浸透栄養性真核微生物の多くが細胞内に共生細菌を有するという事実を把握するに至り、飲作用にのみ依存した生活へとシフトした進化的背景に共生細菌からの何らかの物質供給が存在する可能性とその検証に向けた研究の展望が開けた。今後は、細胞内共生菌が担う役割の理解とともに近縁種でありながら共生細菌の有無がある生物グループに着目した研究展開も視野に入れている。さらには、これまで共生細菌の存在が全く報告されていない生物群も飲作用に依存した生活を行うことが可能であるという知見も獲得し、同じ『飲作用』という栄養摂取様式に依存した生活様式の進化にも、そこに至るまでには多様性があることが示唆された。これまで環境DNA解析でのみ知られていた系統群に、本研究計画の中で新たに確立された浸透栄養性真核微生物が多く含まれるという事実は、それらがこれまでの培養条件では増殖しない生物であった可能性と共に海洋環境中には浸透栄養性真核微生物が従来の想定を大きく超えて存在している可能性を示している。浸透栄養性真核微生物は、多様な餌生物を利用できるジェネラリスト生物と比較し、増殖には外界の環境が大きく影響する可能性も考えられた。
魚類を中心とする色可変な構造色の研究

自然界にはタマムシやモルフォチョウのように、輝くような色(構造色)を持つ生物が数多く存在している。構造色の反射波長は、主として微細構造の周期によって決定されるため、例えばチョウの翅のように乾燥した部位が持つ構造色では、色が能動的に変化することはない。しかし、魚類においては、微細構造を変化させることで色可変性を実現した構造色が存在する。本研究では、そのような構造色持つ典型例としてネオンテトラを中心に、その仕組みに関する研究を行った。自然界にはあたかも人工物のような輝きを持つ生物が存在する。例えば身近な昆虫タマムシは、金属のように輝く緑色を持ち、樹上を高く飛んでいるときでさえ容易に見つけることができる。このような輝きのある色は、周期的な微細構造にその起源があるため、構造色と呼ばれている。構造色は古くから科学者の注目を集めてきたが、本研究では色が変化する構造色に注目して特に研究を進めている。本年度は小型の淡水熱帯魚・ネオンテトラに注目し、色が変化する物理的な仕組みを明らかにすることを目的に研究を行った。ネオンテトラの構造色は側部の青いストライプ部分(虹色素胞)に見ることができる。その色は、周囲の光量などに依存して紫や黄色へと変化する。これまでの研究結果から、虹色素胞内部のグアニン結晶板の配列の変化には二つの仕組みが提案されていた。一つは英国のLythgoeらによって提案されたもので、浸透圧を制御して色変化を誘導する実験の結果から、水が虹色素胞へ流入すること、すなわち細胞が膨張することが小板の間隔を変化させていると考えた。一方、東邦大学の大島らは、ブラインドモデルと呼ばれるモデルを考案した。それはちょうど窓にかかるブラインドのように、小板の傾き角度が変化することで、問隔が変化する仕組みである.本研究では、二つのモデルを区別するために、顕微鏡下において反射光のスペクトルと光の反射される方向を同時に測定できる装置を開発した。その装置を用いて実験を行った結果、虹色素胞は、色変化と同時に反射方向も変化することがわかった。このことは、小板の傾きが変化することを意味している。さらに、複数のモデルを可能性として考慮しながら反射スペクトルのピーク波長と反射方向の関係を詳しく解析した結果、ブラインドモデルがネオンテトラの色変化モデルとして妥当であることを定量的に結論付けた。色変化する構造色の代表例、ネオンテトラの虹色素胞には、10μm程度の大きさを持つグアニン結晶の反射板が周期的に配列している。その光学特性を調べるためには、微小領域から反射された光の方向とスペクトルを同時に計測する測定システムが必須であり、これまでそのような顕微分光装置の開発とその改良を継続して行ってきた。本年度は、これまでの装置と比較して、(1)より広い角度範囲の観測が可能であること、(2)より微小な領域において測定を可能であること、を特徴として持つ新しい装置光学系の開発と既存の装置の改良を行った。(1)は楕円鏡を用いたスキャッタロメータと呼ばれる測定装置である。既に光学系の主要部分の構築は終了し、現在その評価を行っている。(2)に関しては、既存の顕微分光装置を元に、空間分解能を高める改良を行った。実際に、改良された装置を用いてジャイロイド型の微細構造を持つ蝶の鱗粉において光学測定を行った。鱗粉構造は複数のドメイン構造に分かれていることが知られているが、その単一ドメインで測定を実行することが可能となり、改良した装置の有効性を確認できた。また、ジャイロイド型の微細構造が示す光学特性の理論的な計算を行う数値計算プログラムを開発し、実験結果との比較を行うことを行っている。一方、角度によって色変化を起こす多層膜タイプの構造色の例・タマムシを対象として、その発色機構に関するを詳しい研究をおこなった。特に、多層膜構造を形成する二種類の材質の屈折率が未知であったため、その決定方法を新しく開発した。新しい方法では、膜に沿った超薄切片を準備することで、二種類の材質それぞれの部位で顕微分光測定を行う。そのスペクトルを定量的に開発することで屈折率を決定することに成功した。研究課題の最終年度にあたる今年度は、これまでの成果を土台にして研究を進めた結果、幾つかの新たな成果が得られた。具体的には、タマムシの多層膜干渉に関する定量的評価とそれによる位相整合層の発見、その原理を応用したタマムシ発色基板の製作、シジミチョウの構造色に関する研究、色変化する構造色を評価するための顕微鏡システムの改良などである。前年度、タマムシの多層膜構造を形成する二種類の材質の屈折率を決定した。一方、多層膜構造の厚さを電子顕微鏡観察から決定することで、任意なパラメータ無しに光学特性を解析することが可能となった。その結果、タマムシの多層膜構造は単純な周期的構造ではモデル化することはできず、表層付近の層が内部と比べて厚いことが、緑色の光を強く反射させるために重要な役割を果たしていることが分かった。