hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
看護師の道徳的発達段階と看護実践における倫理的課題の認識との関連

平成30年度は、研究者の出産・育児休暇取得のため研究を一時中断した。そのため、研究実績はなし。平成30年度は研究計画に基づき、質問紙で得られた内容の分析を進め、さらに看護師の道徳的発達段階との関連について検討する予定であったが、研究者の出産・育児休暇取得により研究を一時中断することになり、当初の予定から遅れている。平成30年度の研究計画を今年度(平成31年度)に移動させ、研究機関を1年間延長する手続きをとる。平成29年度は、看護師が日々の看護実践において認識している倫理的課題と対応について明らかにすることを目的とした質問紙を作成し、既存の「DIT日本版ー青年期における道徳判断の発達測定のための質問紙」と合わせて2種の質問紙調査を実施した。質問紙作成に向けて、看護分野における道徳的発達に関連する研究の動向と課題について文献検討を行い、さらに臨床で実際に倫理的課題として注目されている事象について検討を行った。文献検討の結果、看護分野における道徳的発達に関連する文献の多くが看護学生を対象としており、看護基礎教育において道徳的発達に関心が高いことがうかがえた。また、看護師を対象とした研究では、事例検討および特定の場面や状況下での看護師の道徳的発達や道徳的感受性を明らかにするものが多く見られ、看護師は日々倫理的な課題に直面しており、倫理的な実践という視点に重きが置かれていることが推察された。看護実践は患者の個別性や特殊な状況によって同じ場面はなく、看護師が葛藤を感じる場面も様々である。看護分野における道徳的発達に関連する研究数は少なく、引き続き看護師がどのような体験をして、どのような価値判断をしたのかを丁寧に分析し積み上げていく研究が必要があると考察した。文献検討で対象とした文献の中で、倫理的な課題として取り上げられている事象のうち、経験年数や診療科に影響されず、看護師が共通して理解できるものとして検討した結果「抑制の場面」を選出し質問紙を作成した。現在、質問紙の回収が終了しており、分析の結果をまとめ最終的に論文としてまとめていく予定である。研究実施計画に基づき、研究対象施設への研究協力依頼を平成29年10月より開始した。予定していた北海道および東北にある600床以上の病院20施設に事前連絡の上、書類を郵送し協力を求めたが、依頼先の看護師の勤務状況や、すでに協力している研究数が多いことを理由に協力を得ることが困難であった。そのため、研究実施計画に一部修正を加え、研究対象施設の規模を病床数500前後に修正し、追加で17施設に協力依頼を行った。このような経緯から、研究対象者への質問紙の配付が調査実施期間の直前となり、返送が調査期間の後半に集中したため、回収後のデータ入力が当初の予定よりも遅れている。質問紙回収後のデータ入力がやや遅れているが、想定内である。研究実施計画の大幅な変更はせず、平成30年度内でデータ入力、分析を進め、翌年度には中間報告を行えるよう研究を進めていく。研究対象施設へ協力を求めるため、直接現地に赴いて研究の趣旨を説明する計画であったが、すべての施設から資料郵送および電話や電子メールでの調整で問題が無いとの回答があり、「旅費」および「その他(手土産代)」の大半が未使用となった。また、質問紙回収が調査期間の後半に集中し、データ入力作業が次年度にずれ込んだため、データ入力作業の「謝金」も発生していない。次年度にデータ入力作業を依頼する予定であり、効率よく作業を進めるため貸し出し用のノートパソコン等の購入を行い環境を整えると共に、謝金として助成金を使用する計画である。研究者の出産、育児休暇取得のため研究を一時中断したため、次年度使用額が生じた。研究機関を1年間延長する手続きをとり、前年度使用予定の研究費を今年度(平成31年度)に使用して研究を継続する。
自己幹細胞誘導を用いた中耳粘膜再生による中耳真珠腫根治治療へ向けての研究

中耳真珠腫は中耳腔の陰圧化により嚢状に陥凹した重層扁平上皮に角化物が堆積し、感染と骨破壊を起こしながら、難聴やめまい、顔面神経麻痺などをきたす疾患である。中耳真珠腫に対する根治治療は手術による完全摘出であるが、手術による骨削開と中耳粘膜掻爬により、本来の中耳粘膜によるガス交換能・圧調節能が失われれば、再び鼓膜上皮が陥凹して真珠腫の再形成を生じてしまう。真珠腫再形成を防ぐには、効率的かつ実践的な中耳粘膜の再生治療が必要と考えられ、本研究ではhigh-mobility group box 1 (以下HMGB1)を用いて自己間葉系間細胞誘導を誘導し、中耳粘膜再生を促すことによって中耳真珠腫の根本的治療法の開発を目指す。平成30年度は正常中耳粘膜の組織的評価と障害モデルの確立を目指した。前年度までは、中耳粘膜層が側頭骨から剥がれてしまい組織評価が困難であったが、固定・脱灰方法を改良することでこの問題を解決することが可能となった。また、障害モデルを作製する際には、前年度までは、側頭骨を一部穿破した後に中耳粘膜を掻爬していたが、今年度は、1.9mm耳用内視鏡を用いて経外耳道的に中耳粘膜を掻爬した。これにより、良好な中耳粘膜障害モデルを確立することができた。平成30年度は正常中耳粘膜の組織学的評価と障害モデルの確立を目指した。前年度までは、中耳粘膜層が側頭骨から剥がれてしまい組織学的評価が困難であったが、モルモットから側頭骨を取り出した後、固定時間を3日間と長くし、固定液や脱灰液を直接側頭骨内に注入することで中耳粘膜層が側頭骨から剥がれてしまうのを防ぐことができた。処理した側頭骨で凍結標本を作製し、ヘマトキシリン・エオジン(H-E)染色で評価した。また、障害モデルを作製する際には、前年度までは、側頭骨を一部穿破した後に中耳粘膜を掻爬していたが、穿破した部位から肉芽組織が増生する問題点があった。このため、今年度は、1.9mm耳用内視鏡を用いて経外耳道的に鼓膜を穿破した後に、中耳粘膜を掻爬した。これにより、中耳粘膜以外の部位からの肉芽組織の増生を予防することができ、障害モデルを確立することができた。今後は、平成30年度に確立した障害モデルに、徐放製剤に含浸したHMGB1を投与し、中耳粘膜の評価を行う予定である。また、比較実験として、生理食塩水、ステロイド、レチノイド、Insulin-like growthfactor-1(IGF-1)を投与し、併せて中耳粘膜の評価を行う予定である。組織学的評価の時期としては、術後2週間を予定しており、H-E染色と免疫組織染色を行う。免疫組織染色では、上皮細胞マーカー、非上皮系細胞マーカー、基底膜マーカー、炎症性サイトカインなどの発現を検討し、中耳粘膜再生について評価を行う。中耳粘膜の再生を病理学的に評価するに当たり、以下の手順で、側頭骨中耳粘膜を採取し、凍結標本の作製を試みることとした。まず、モルモットを4%PFAで還流固定した後に、側頭骨を取り出し、一晩4%PFAにつける。その後、側頭骨全体をまるごと脱灰機にて脱灰し、側頭骨を内側(蝸牛がある側)と外側に分ける。中耳粘膜の断面が見える向きにOCTコンパウンドに包埋し、-80°Cで凍結させ、クライオスタットで切り出し、凍結標本を作製する。以上の操作を確立した後、実際に側頭骨中耳粘膜の病理学的評価を始めた。まず、手術操作を加えていない側頭骨で凍結標本を作製し、HE染色で評価したところ、粘膜と思われる層が一層確認できた。次に、モルモット中耳の粘膜再生について確認するために、耳後切開アプローチによる側頭骨耳包を露出・開放した後に、側頭骨中耳粘膜を機械的に掻爬したモデル、さらに掻爬部にトリアムシノロンアセトニド含浸メドジェル留置モデル、トリアムシノロン含浸ゼルフォーム留置モデル、High Mobility Group Box 1(HMGB1)含浸メドジェルを留置したモデルを作製した。4週後にHE染色を施行したが、いずれのモデルでも、組織学的に肉芽組織や中耳粘膜上皮の違いをはっきりと同定することができなかった。モルモットの中耳粘膜はヒト中耳粘膜と比較して薄いために、標本作製時に粘膜が剥がれやすい。また、ヒト中耳とことなり、モルモットでは乳突蜂巣が発達していないため、中耳粘膜操作に工夫が必要であった。この手術手技および組織標本作製の安定までに時間を要した。

平成30年度は正常中耳粘膜の組織的評価と障害モデルの確立を目指した。前年度までは、中耳粘膜層が側頭骨から剥がれてしまい組織評価が困難であったが、固定・脱灰方法を改良することでこの問題を解決することが可能となった。また、障害モデルを作製する際には、前年度までは、側頭骨を一部穿破した後に中耳粘膜を掻爬していたが、今年度は、1.9mm耳用内視鏡を用いて経外耳道的に中耳粘膜を掻爬した。これにより、良好な中耳粘膜障害モデルを確立することができた。平成30年度は正常中耳粘膜の組織学的評価と障害モデルの確立を目指した。前年度までは、中耳粘膜層が側頭骨から剥がれてしまい組織学的評価が困難であったが、モルモットから側頭骨を取り出した後、固定時間を3日間と長くし、固定液や脱灰液を直接側頭骨内に注入することで中耳粘膜層が側頭骨から剥がれてしまうのを防ぐことができた。処理した側頭骨で凍結標本を作製し、ヘマトキシリン・エオジン(H-E)染色で評価した。また、障害モデルを作製する際には、前年度までは、側頭骨を一部穿破した後に中耳粘膜を掻爬していたが、穿破した部位から肉芽組織が増生する問題点があった。このため、今年度は、1.9mm耳用内視鏡を用いて経外耳道的に鼓膜を穿破した後に、中耳粘膜を掻爬した。これにより、中耳粘膜以外の部位からの肉芽組織の増生を予防することができ、障害モデルを確立することができた。耳後切開によるアプローチで掻爬した中耳粘膜欠損部にHMBG1およびその他の成長因子を、投与量を振って実験を行い、H-E染色では粘膜の上皮化の有無、浮腫や瘢痕の程度を評価し、正常中耳粘膜との比較を行う。免疫組織染色では、間葉系間細胞マーカー、上皮細胞マーカー、非上皮系細胞マーカー、細胞外マトリックスや基底膜マーカー、炎症性サイトカインの発現になどを検討し、HMGB1や栄養因子を用いたMSC誘導による中耳粘膜再生について多面的に評価する。今後は、平成30年度に確立した障害モデルに、徐放製剤に含浸したHMGB1を投与し、中耳粘膜の評価を行う予定である。また、比較実験として、生理食塩水、ステロイド、レチノイド、Insulin-like growthfactor-1(IGF-1)を投与し、併せて中耳粘膜の評価を行う予定である。組織学的評価の時期としては、術後2週間を予定しており、H-E染色と免疫組織染色を行う。免疫組織染色では、上皮細胞マーカー、非上皮系細胞マーカー、基底膜マーカー、炎症性サイトカインなどの発現を検討し、中耳粘膜再生について評価を行う。初年度に購入予定としていたテレスコープを未購入であったが、耳後切開による薬剤投与の実験が進んだあとには、経外耳道的内視鏡下操作による薬剤投与実験に移行し、その際にはテレスコープの購入が必要となる。これまでは旧式のテレスコープで予備実験を行っており、経外耳道的内視鏡下操作による薬剤投与実験に移行する際には新式のテレスコープを購入し薬剤投与を行う予定であったが、中耳粘膜障害モデル作成の遅れにより、新規テレスコープが未購入であり、使用する薬剤や実験動物も予定より少ない購入であった。今回、中耳粘膜障害動物モデルが確立したため、今年度は経外耳道的内視鏡下操作による薬剤投与実験に移行し、新規にテレスコープを購入した上で、薬剤投与実験のデータを集積することができる。
細胞運命決定転換におけるNotchシグナリングの新しい機能

器官のアイデンティティーがどのようにして決まるのかという問題は、発生生物学の重要な問題の一つである。これまでに、Notchシグナリングを活性化することにより、ショウジョウバエの複眼を翅、触角、肢へと改変できることを見出した。本研究の目的は、この系を用いて、細胞運命の決定転換におけるNotchシグナリングの新しい機能を明らかにすることである。そのために、酵母転写活性化因子GAL4のターゲット配列UASをゲノム上にランダムに挿入した系統(GS系統)を用いた、GAL4依存の機能獲得型変異体のスクリーニングを行った。これまでに、当初の計画通りおおよそ1万系統の解析を終了した。その結果、複眼が翅に変換する系統を3系統、複眼が触角に変換する系統を23系統、複眼が肢に変換する系統を11系統同定した。そのうちの1系統では、新規BAHドメインタンパク質の過剰発現により、複眼が翅に改変することを見いだした。さらに、その際、翅の決定に重要なvestigial(vg)遺伝子の翅特異的エンハンサーが異所印に活性化することがわかり、このBAHドメインタンパク質はvgの上位で翅のアイデンティティーの決定に関与していると考えられた。このBAHドメインタンパク質の過剰発現で誘導される翅は、背腹軸と前後軸を有するほぼ完全な翅であるのに対して、vgの異所的発現により誘導される翅は、背腹軸と前後軸を有さないボール状の構造を示す。このことから、BAHドメインタンパク質は、より上位で軸形成を含む翅形成プログラム全般の遂行を制御していると考えられた。さらに、このNotchシグナリングの細胞運命決定における新しい機能が脊椎動物の器官形成時にも存在するかどうか確認するため、アフリカツメガエルの眼の形成においてPax6遺伝子の発現をNotchシグナルが制御していることを明らかにした。本年度は、Notchシグナリングと共に働き、器官の改変を誘導する遺伝子を網羅的に同定するために、酵母転写活性化因子GAL4のターゲット配列UASをゲノム上にランダムに挿入した系統(GS系統)を用いた、GAL4依存の機能獲得型変異体のスクリーニングを行った。機能獲得型変異体9682系統のスクリーニングを行い、複眼から触角、翅、あるいは肢へと改変される系統をそれぞれ31、3、14系統ずつ得た。本研究では、2年間で1万系統の解析を目指していたが、1年目ですでに当初の目標を達成した。さらに、このNotchシグナリングの細胞運命決定における新しい機能が脊椎動物の器官形成時にも存在するかどうか確認するため、アフリカツメガエルの眼の形成においてPax6遺伝子の発現をNotchシグナルが制御していることを明らかにした(Proc. Natl. Acad. Sci. USA.99,2020-2025.2002)。これまでに、当初の計画通りおおよそ1万系統の機能獲得型変異体の解析を終了した。

その結果、複眼が翅に変換する系統を3系統、複眼が触角に変換する系統を23系統、複眼が肢に変換する系統を11系統同定した。そのうちの1系統では、新規BAHドメインタンパク質の過剰発現により、複眼が翅に改変することを見いだした。BAHドメインを有するタンパク質は、クロマチンのリモデリングに関わるものがあることから、器官アイデンティティーの決定とクロマチンのリモデリングの関係が示唆された。さらに、その際、翅の決定に重要なvg遺伝子の翅特異的エンハンサーが異所的に活性化することがわかり、このBAHドメインタンパク質はvgの上位で翅のアイデンティティーの決定に関与していると考えられた。このBAHドメインタンパク質の過剰発現で誘導される翅は、背腹軸と前後軸を有するほぼ完全な翅であるのに対して、vgの異所的発現により誘導される翅は、背腹軸と前後軸を有さないポール状の構造を示す。このことから、BAHドメインタンパク質は、より上位で軸形成を含む翅形成プログラム全般の遂行を制御していると考えられた。
新規キラル化合物群の創製を目指した触媒的不斉付加環化反応の開発

報告者は既に、カチオン性イリジウム錯体とBINAPから調製される触媒が、アリールケトンのアルキンによるオルト位アルケニル化反応に対して高い活性を示すことを明らかにした。さらなる検討の結果、カチオン性イリジウム錯体の対アニオンとしてトリフラートを適用すると、オルト位アルケニル化-環化-脱水が連続的に進行し、ベンゾフルベン誘導体が得られることを見出した。この結果から、カチオン性イリジウム錯体はルイス酸触媒能を併せ持つ「二機能性触媒」として機能するものと推察された。次に、カチオン性イリジウム触媒の二機能性を活用すれば、カルボニル基を有する側鎖を適切な位置に導入したアリールケトンを基質として用いた場合に、C-H結合活性化、引き続く側鎖上のカルボニル基への付加という連続反応が進行し得ると考えた。そこで、カルボニル基を有する側鎖がメタ位に置換したアセトフェノン誘導体を合成し、検討を行った。その結果、側鎖を酸素原子で架橋した基質を用いると、望みの環化反応、引き続く脱水反応が進行し、対応する4-アセチルベンゾフラン誘導体を位置選択的に与えることがわかった。また、さらなる基質検討の結果、側鎖を窒素原子で架橋したアセトフェノンを用いることで、窒素原子上の保護基を必要としない4-アセチルインドール誘導体の合成も達成した。さらに、基質としてアルキンとアリールアミドを用いると、アミドの窒素原子に隣接するsp^3 C-H結合のアルケニル化が進行し、多置換アリルアミド体が良好な収率で得られることを見出した。本反応は種々のアミド化合物やアルキンにも適用可能であり、概ね良好な収率で対応する付加体を与えた。ジインと炭素-ヘテロ元素不飽和結合との触媒的[2+2+2]付加環化反応は、原子効率よくヘテロ環化合物を合成できる優れた手法である。これまでに、ジインに対するカップリングパートナーとしてニトリルやイソシアネート、二酸化炭素を用いる例は多く報告されているが、カルボニル化合物を用いた例は少数である。また、それらの例は基質一般性に乏しいため、より効率的な手法の開発が求められている。報告者は、カチオン性ロジウム-racemic-BINAP触媒がジインとカルボニル化合物との[2+2+2]付加環化反応に高い活性を示すことを見出した。すなわち、1,2-ジクロロエタン溶媒中、アルキン末端にメチル基を有する炭素原子架橋1,6-ジインとケトエステルであるピルビン酸メチルとの[2+2+2]付加環化反応が室温で速やかに進行し、不安定な二環性α-ピランの電子環状開環反応を経て、単環性ジエノン体が高収率で得られた。本反応は、窒素原子及び酸素原子架橋1,6-ジイン、またカルボニル化合物として1,2-ジケトンやアルデヒドも適用可能であり、高い基質一般性を有することもわかった。さらに、アルキン末端にフェニル基とメチル基を有する非対称1,6-ジインを用いたところ、不斉四級炭素を有する二環性α-ピランが安定に単離できることを見出した。そして、キラルなロジウム-BINAP触媒を用いることで、これまでに例のないエナンチオ選択的な二環性α-ピラン合成を達成した。今後は、ジインの置換基がα-ピランの安定性に及ぼす影響を調べ、その知見を活かして様々な光学活性α-ピランの合成へと展開する。遷移金属触媒による活性化を伴う炭素-水素結合の直接的な変換反応は、原子効率と反応工程数の点から優れた手法として注目を集めている。中でも、配位性官能基を利用した芳香環への触媒的炭素-炭素結合形成反応は、オルト位選択的に進行するため非常に有用である。しかし、「オルト位への官能基導入-配位性官能基への付加」という連続プロセスにより環化反応が進行した例は非常に少なく、近年レニウム触媒を用いた例が報告されたのみである。また、配位性官能基はイミノ基のみが有効であり、カルボニル基では進行しない。報告者は、カチオン性イリジウム錯体とBINAPから調製される触媒を用いると、配位性官能基としてカルボニル基を有するアリールケトンでも上述の連続反応が効率的に進行することを見出した。すなわち、クロロベンゼン溶媒中、アセトフェノンとジフェニルアセチレンを基質として用いることで、「オルト位炭素-水素結合活性化-ジフェニルアセチレンの挿入-カルボニル基への分子内付加反応-脱水反応」という連続プロセスが一挙に進行し、ベンゾフルベン誘導体が高収率で得られた。本反応はカチオン性イリジウム錯体の対アニオンの選択が重要であり、トリフルオロメタンスルホン酸アニオンが最も良い結果を与える。また、メトキシ基やトリフルオロメチル基などが置換した種々のアセトフェノン誘導体にも適用できることがわかった。しかし、カップリングパートナーであるアルキンには、少なくとも一つのアリール基がアルキン末端に置換している必要がある。ベンゾフルベン誘導体は近年、機能性ポリマー合成における有用なモノマーユニットとして注目されている。そのため、今後は基質適用範囲のさらなる拡大を目指し、種々のベンソフルベン誘導体の合成へと展開する。

さらなる検討の結果、カチオン性イリジウム錯体の対アニオンとしてトリフラートを適用すると、オルト位アルケニル化-環化-脱水が連続的に進行し、ベンゾフルベン誘導体が得られることを見出した。この結果から、カチオン性イリジウム錯体はルイス酸触媒能を併せ持つ「二機能性触媒」として機能するものと推察された。次に、カチオン性イリジウム触媒の二機能性を活用すれば、カルボニル基を有する側鎖を適切な位置に導入したアリールケトンを基質として用いた場合に、C-H結合活性化、引き続く側鎖上のカルボニル基への付加という連続反応が進行し得ると考えた。そこで、カルボニル基を有する側鎖がメタ位に置換したアセトフェノン誘導体を合成し、検討を行った。その結果、側鎖を酸素原子で架橋した基質を用いると、望みの環化反応、引き続く脱水反応が進行し、対応する4-アセチルベンゾフラン誘導体を位置選択的に与えることがわかった。また、さらなる基質検討の結果、側鎖を窒素原子で架橋したアセトフェノンを用いることで、窒素原子上の保護基を必要としない4-アセチルインドール誘導体の合成も達成した。さらに、基質としてアルキンとアリールアミドを用いると、アミドの窒素原子に隣接するsp^3 C-H結合のアルケニル化が進行し、多置換アリルアミド体が良好な収率で得られることを見出した。本反応は種々のアミド化合物やアルキンにも適用可能であり、概ね良好な収率で対応する付加体を与えた。
染色体複製開始における超分子構造の分子内クロストーク

本研究は出芽酵母の染色体複製開始点を特異的に認識するORCに着目し、ORC構成サブユニット間で特定の条件下に起こる特異な相互作用の機能構造と、その細胞内における重要性と制御系の解明を目指した。その結果、特異な相互作用に関わる領域をアミノ酸レベルで特定し、残基が細胞内機能に重要なことを見いだした。また、この残基を介した相互作用ネットワークの一端を明らかにした。染色体DNA複製は細胞が正常に増殖するためのまさに基盤である。申請者は、染色体DNAが正確に2倍化する分子機構を知るため、特に複製開始反応の全貌解明を研究の全体構想としている。これまでに研究代表者らは、染色体上の複製起点を認識する出芽酵母ORC蛋白複合体が特異的に構造変化するモデルを構造生物学的に提唱し、また、ORC構成サブユニット間で特定の条件下におこる特異的な相互作用を見出している。本年度はこのサブユニット間相互作用に関わるアミノ酸残基を同定するためのスクリーニングシステムを構築し、情報学的アプローチを併用することで実際に複数のアミノ酸残基を同定した。同定した残基の1アミノ酸置換変異によって試験管内での相互作用能が欠損すること、ならびに細胞内での機能が不活性になることが判明した。研究代表者は、染色体上の複製起点を認識する出芽酵母ORC蛋白複合体が特異的に構造変化するモデルを構造生物学的に提唱し、ORC構成サブユニット間で特定の条件下におこる特異的な相互作用を見いだしている。昨年度はこの相互作用に必須な領域をアミノ酸レベルで同定し、同定したアミノ酸が細胞増殖にも必須であることを見いだした。本年度は従来のバキュロウィルスを用いたORC多量生産システムの構築・維持が律速・煩雑であるという問題に対処するため、動物細胞のトランスフェクションを用いたシステムに転換した。これと並行して、同定したアミノ酸に変異を持つorc変異株の多コピーサプレッサーを探索し、これまでに有望な遺伝子を複数同定した。更に、昨年度行った情報学的アプローチを発展させ、出芽酵母を含めたほとんどの生物種で保存される特異的モチーフ群を見いだした。このモチーフに変異を持つ大腸菌は染色体複製開始が異常となったため、染色体複製開始を制御する新たなキープレーヤーを見いだした可能性がある。細胞内・試験管内ともに機能欠損するアミノ酸残基を所期の計画通り同定した。ORC複合体の蛋白精製は現在遂行中であるが、これは昆虫細胞・バキュロウィルスを用いた蛋白質多量生産システムの代わりに、他の細胞を用いてトランスフェクション法で多量生産する計画に変更し、このためORC遺伝子をサブクローニングすることが必要となったためである。従来、トランスファーベクターからバキュロウィルスを作成し、増幅、タイター測定し、その後も定期的なメンテナンスが必要となるため大変煩雑であったが、これらの手間が省けることにより、中期的な研究目的の達成はむしろ早まると想定している。25年度が最終年度であるため、記入しない。今後は同定したアミノ酸残基が染色体複製開始に及ぼす機能を生化学・構造生物学的手法を用いて具体的に解明し、当初の目的達成を目指す。ORCの構造変化が染色体複製開始に重要であるという実験的証拠が得られることがゴールである。
河川後背沼地とその多目的利用に関する調査研究及びデザイン手法

かつて、日本の国土には無数の沼地が存在し、河川環境との相補的関係を保ちながら表裏一体の自然環境、生態環境を形成するとともに独自の文化を育んでいた。近年ウォーターフロントアメニティが見直され水辺環境に注意が払われる一方、地域計画の中での沼の環境のあり方や文化的位置付けについては十分な研究が行われているとは言えない。以上の背景を踏まえ、本研究では沼環境と地域生活との関わりを歴史的に検証すると共に、環境の復元をを通じた地域計画のあり方についての検討を行った。ケーススタディの対象地には、現茨城県古河市近郊を選定し、地域空間の成り立ちを多層的に捉えるGISの分析枠組みを用いて地形環境、生活環境、文化環境の通史的変容を個別に捉えた。それぞれの粋組みには、地形及び植生・土地利用・集落立地・主要街路構造・農業・漁業・産業・余暇活動・地名の8つの分析項目を設け、各項目について渡良瀬川河川改修が行われる以前の明治初期より現在に至るまでの変容を、地図による検証、地域史料調査、ヒアリング調査により明らかにした。更に、これらの空間諸相の相互関係を明らかにすることにより、沼地消失前後での地域空間の成り立ちの違いを明らかにした。併せて、かつての河川後背湿地環境に見られた、多様な空間諸相による空間の重層的意味付けを示し、これら空間諸相相互の結びつきの再生を地域計画上の課題として示した。最後に、以上の結論を踏まえ、沼地環境の復元と重層的空間諸相の再現・断片化して残された地域遺産相互を結び合わせた地域空間計画・空間諸相の新たな結びつきに着目した空間計画、の3点を設計・地域計画上の目標として設定し、試験設計・計画を通じた実施上の検討を行った。1.水辺空間イメージの抽出:研究対象地において,明治40現在までの地形図を収集,郷土資料を参考にして,地域の地勢状況を把握するとともに集落分布,成立時期を明確にした.更に,同期における小字地名,行政地名,地域呼称の分布及び変容を取りまとめ,地域において把握されている沼領域,河川領域の明確化を図った.2.沼空間における自然空間の様態と人間活動との繋がり:対象地区住民7名に対するヒアリング結果を地域資料と共にとりまとめ,過去の沼空間における自然空間の様態や,沼に関連する人間活動の様態を明らかにした.これらの分布を地図上で捉え,地勢と人間活動との関係を考察した.3.沼辺空間の後背都市との繋がり:隣接する都市と沼との産業的関係を,対象地区住民に対するヒアリングの他,現地調査や商工業資料の通事的変容調査の結果を併せて,考察した.4.成果の取りまとめ:上記13の項目に関して考察を行い,地勢環境-自然環境-地域環境認識-人間活動の一連の繋がりとして捉え,取りまとめた.結果については,1997年度土木学会環境システム研究に投稿予定である.5.近自然工法を用いた沼復元のための基礎調査:湿地帯の現況調査に関して,新潟県阿賀野川流域,北海道石狩地方における現地予備調査を行った.同調査結果については,次年度以降の調査研究課題に反映させ,取りまとめる予定である.1.前年度成果の取りまとめ:前年度の調査事項であった研究対象地における・水辺空間イメージ、・沼空間における自然空間の様態と人間活動との繁がり、・沼辺空間の後背都市との繁がりの各項目を、地勢・自然環境-地域環境認識-人間活動の一連の繁がりに沿って整理を行った。ここから、河川後背沼地環境の変容を、重層的意味システムとしての空間の乖離・解体過程として説明し、(1)重層的空間システムを含めた環境の復元、(2)現代社会システムに対応した環境システムの再構造化の2点を空間設定・計画上の留意点として示した(結果は1997年度土木学会環境システム研究において発表)。

2.都市計画、空間造形技術の収集・整理:研究対象地において1980年代以降に策定・実施された都市計画、空間造形事例を収集した。これらの事例の計画・設計プロセスを上記2項目に沿って分類し、その内容を計画・設計技術体系として整理すると共に、河川後背沼地環境における位置付けや意義を明らかにした。また、計画未策定地域にける試験設計・計画を行い、具体的な計画・設計案の策定プロセスを提示した。3.比較対象地における事例調査:1.の枠組みを、河川後背沼地に立地する他の都市変容事例に適用し、分析・比較考察を行った。古河市のケースでは、沼地環境の消失、社会システムの変容を主因として、河川後背沼地を中心とする既往の地域環境システムの崩壊が見られた。これに対し、(1)ある程度の河川・沼地環境が保全されながらも社会システムの変化に地域環境システムが影響を受けている場合(新潟県新発田市)、(2)古河市よりも早い時期に沼地環境の消失が起こり、現在まで度重なる社会システムの変容が起きている場合(東京都碑文谷地区)、の2ケースを選定し、事例調査を行った。これらの事例相互の比較を行い、取りまとめを行う。かつて、日本の国土には無数の沼地が存在し、河川環境との相補的関係を保ちながら表裏一体の自然環境、生態環境を形成するとともに独自の文化を育んでいた。近年ウォーターフロントアメニティが見直され水辺環境に注意が払われる一方、地域計画の中での沼の環境のあり方や文化的位置付けについては十分な研究が行われているとは言えない。以上の背景を踏まえ、本研究では沼環境と地域生活との関わりを歴史的に検証すると共に、環境の復元を通じた地域計画のあり方についての検討を行った。ケーススタディの対象地には、現茨城県古河市近郊を選定し、地域空間の成り立ちを多層的に捉えるGISの分析枠組みを用いて地形環境、生活環境、文化環境の通史的変容を個別に捉えた。それぞれの枠組みには、地形及び植生・土地利用・集落立地・主要街路構造・農業・漁業・産業・余暇活動・地名の8つの分析項目を設け、各項目について渡良瀬川河川改修が行われる以前の明治初期より現在に至るまでの変容を、地図による検証、地域史料調査、ヒアリング調査により明らかにした。更に、これらの空間諸相の相互関係を明らかにすることにより、沼地消失前後での地域空間の成り立ちの違いを明らかにした。併せて、かっての河川後背湿地環境に見られた、多様な空間諸相による空間の重層的意味付けを示し、これら空間諸相相互の結びつきの再生を地域計画上の課題として示した。最後に、以上の結論を踏まえ、沼地環境の復元と重層的空間諸相の再現・断片化して残された地域遺産相互を結び合わせた地域空間計画・空間諸相の新たな結びつきに着目した空間計画、の3点を設計・地域計画上の目標として設定し、試験設計・計画を通じた実施上の検討を行った。
運動発生におけるキネシン頚部の構造変化

微小管のモータータンパク質であるキネシンは、1分子が微小管上を数μmにわたり動くことができる。これはキネシンが双頭分子であり、各々の頭部が互い違いに微小管と相互作用を繰り返すというモデルによって説明されている。このためには頚部を介して2つの頭部の間で何らかの連絡が行われていると考えられ、運動連続性の起源を探ることは運動機構を明らかにする上で重要な情報をもたらす。本研究では、運動連続性を示すキネシンと運動連続性をもたないといわれるキネシン様タンパク質、さらに両者のキメラタンパク質についてナノメートルレベルの運動計測系で運動連続性を調べた。ショウジョウバエのキネシンのフラグメントのダイマーとモノマー、ショウジョウバエのncd、ヒトKidのモノマーを大腸菌で発現、精製し、これらのタンパク質をさまざまな濃度でポリスチレンビーズに結合させ、光ピンセットで微小管上へもってゆき、ATP非存在下で微小管に結合するビーズの割合と、ATP存在下で微小管上を20nm以上動くビーズの割合を調べた。その結果、NcdとKidは1分子では20nm以上の運動連続性を示さないことが明らかになった。さらに、キネシン頭部とKid頚部をつないだキメラタンパク質(Kined)とKid頭部とキネシン頚部をつないだキメラタンパク質(Kidsin)についても同様の実験を行ったところ、Kinedでは運動連続性がみられ、Kidsinでは運動連続性がみられなかった。このことは、キネシン頚部を持つものは1分子でも連続的に動くことができるが、Kidの頭部はキネシン頚部によりダイマーを形成していても連続的な運動が行えないことを意味する。従って、1分子の運動の連続性には、頚部を介した頭部どうしの共同性は必要でないと考えられる。キネシンは1分子で微小管上を数μmにわたり連続的に動くことが知られている。これはキネシンが双頭分子であるために各々の頭部が互い違いに微小管と相互作用を繰り返すというモデルによって説明されている。このためには、頸部を介して2つの頭部の間での何らかの連絡が行われていると考えられ、運動連続性の起源を探ることは、運動機構を明らかにする上で重要な情報をもたらす。本研究では、キネシン様タンパク質の1種で、キネシンのような運動性を持たないKidとキネシンの間で、頭部と頸部を入れ替えたキメラタンパク質を作成し、その運動連続性をナノメートルのレベルの運動計測系で調べた。キネシンの尾部を除いたフラグメント(a.a.1-410)はダイマーを形成し、Kidのフラグメント(a.a.1-448)はモノマーである。キネシン頭部(a.a.1-344)とKidの頸部(a.a.380-448)をつないだキメラタンパク質(Kined)と、Kid頭部(1-379)とキネシン頸部(a.a.345-410)をつないだキメラタンパク質(Kidsin)は、予想通りそれぞれモノマー、ダイマーであることをショ糖密度勾配遠心法によって確かめた。これらのタンパク質をさまざまな濃度でポリスチレンビーズに結合させ、光ピンセットで微小管上へもってゆき、ATP非存在下で微小管に結合するビーズの割合と、ATP存在下で微小管上を動くビーズの割合を調べたところ、キネシンとKinedではそれらが一致していたが、KidとKidsinでは動くビーズの割合がずっと少なかった。ATP非存在下での結合は頭部1つでももたらされると考えられるので、このことは、キネシン頭部をもつものは1分子で連続的に動くことができるが、Kidの頭部はキネシン頸部があってダイマーを形成していても連続的な運動が行えないことを意味する。

従って、1分子の運動の連続性には、頸部を介した頭部同士の協同性は必要でないことが明らかになった。キネシンとキネシン様タンパク質のncdは、モータードメインの結晶構造が明らかにされており、両者は多くの点で良く類似している。それゆえ、微小管上で働キネシンやキネシン様タンパク質は同様な分子メカニズムで働くことが予想される。しかし、微小管上の運動方向や運動速度、運動連続性などの点で多様性を持ち合わせている。ncdは微小管上を連続的に運動できないことが示唆されているが、キネシンのように数百歩以上にわたり微小管から解離せずに運動できないとしても、数歩程度の運動連続性があるかどうかという点については明らかにされていない。本研究ではncdの運動の実態をナノメートルのスケールで計測し、数歩程度の運動連続性があるかどうかを検討した。ショウジョウバエのncdのモータードメインと尾部の一部を含むダイマーのフラグメント(MC1)をBCCPとの融合タンパク質として大腸菌で発現させ、精製した。このタンパク質のBCCP上のビオチンをアビジンコートしたビーズに結合させ、このビーズを光ピンセットで捕捉し、微小管との相互作用を観察した。ビーズの像は4分割フォトダイオードに投影され、20nm程度の動きを示せば検出できる。タンパク質とビーズの個数の比を変化させて、微小管との結合、微小管上の運動について調べたところ、運動に要する最小の分子数は結合に要する最小の分子数よりもはるかに大きかった。このことは、1分子のncdは微小管上を20nm以上連続的に進むことができないことを示しており、1歩の大きさが8nmであると仮定すると3歩以上の連続性がないということを意味している。モータードメインが類似しているにもかかわらずキネシンとncdで運動連続性が異なるのは、それぞれの分子の頚部が運動連続性に重要な働きを持つことを示唆している。
炭素-シアノ結合切断を経る触媒的官能基化

これまで私は、有機ケイ素化合物を用いる炭素-シアノ結合を報告している。この反応は、有機ケイ素化合物とロジウム錯体の反応により生成するシリルロジウム種を活性種とし、この活性種がシアノ基と反応することで生成するイミノアシル錯体からシリルイソシアニドが脱離することにより進行するという、これまでに報告された一般的な炭素-シアノ結合切断の機構(酸化的付加)とは異なる興味深い反応である。今回、ジシランを用いるニトリルのシリル化反応において、オルト位にフェノキシ基を有する芳香族ニトリルを用いた場合、元のシアノ基の位置とは異なる位置にシリル基が導入されることを見出した。これは、中間体として生成するアリールロジウム種でロジウムの1,5転位が進行することでフェノキシ基上にロジウムが移り、その後ジシランと反応することで進行したものと考えている。遷移金属の1,5転位の例は限られており、パラジウムの1,5転位を含む触媒反応が一例報告されているのみである。この興味深い現象に関する知見を得るために、転位する側のアリール基に種々の置換基を導入したニトリルを用いて検討を行った。その結果、ロジウムの1,5転位は電子的な影響を受け、転位する比率が変化することが分かった。また、配位子の添加効果についても検討し、未だ傾向等は分かっていないが配位子の添加によっても転位する比率が変化することも明らかとした。以上のように、ロジウムの1,5転位を含む触媒反応を見出した。この反応をさらに検討することで有機ケイ素化合物による炭素-シアノ結合切断の反応機構に関する知見が得られると考えている。我々はロジウム触媒による炭素-シアノ結合のシリル化反応を既に報告している。このシリル化反応は、炭素-シアノ結合切断の機構としては珍しいシリルイソシアニドの脱離を経る反応である。シリル化反応において、ベンジルシアニドを用いるとエナミン型の生成物が得られた。この生成物はシリル化反応と同じ中間体から生成していると考えられる。したがって、私が見出した炭素-シアノ結合のシリル化反応はシリルイソシアニドの脱離を経て進行しているという間接的な証拠となる。ニトリルの適当な位置にクロロフェニル基を導入した基質をシリル化反応の条件下で反応させると、炭素-シアノ結合切断を経て分子内アリール化が進行することを見出した。この反応において、シリル化反応が競争することが問題となるが、電子不足ホスフィンを添加することにより目的生成物を選択的に得られることが分かった。これまでクロスカップリング反応では、鈴木-宮浦カップリングに代表されるように有機金属試薬を求核剤として用いることが多い。私が見出したロジウム触媒による炭素-シアノ結合切断反応を用いることで、ニトリルを有機金属試薬の代わりに用いることができる。ニトリルは、カルボン酸から容易に合成可能であり、様々な構造を持つニトリルを容易に調製可能である。また、ニトリルは通常のクロスカップリング反応の触媒条件で安定であるため、ハロゲンを持つニトリルを用いることで逐次的に炭素-炭素結合形成反応を行うことが可能である。これまで、ロジウム触媒による炭素-シアノ結合切断を経る触媒反応の開発を行ってきた。これらの触媒反応はシリルイソシアニドの脱離という珍しい機構を経て進行していると考えている。昨年度、ニトリルの分子内に求電子剤を導入することにより、炭素-シアノ結合切断を経て炭素-炭素結合形成反応が進行することを見出した。この反応は、炭素-シアノ結合切断により生成するアリールロジウム種が求電子剤と反応することで進行する。つまりニトリルがアリールロジウム種の前駆体となり得ることを示唆している。しかし、ニトリルのカップリングパートナーとして、分子内求電子剤しか用いることが出来なかった。今回、ニトリルのシリル化反応の反応系中にビニルシランを添加することにより、ニトリルとビニルシランとのMizoroki-Heck型のカップリング反応が進行することを見出した。このニトリルのアルケニル化反応の結果より、分子間でのニトリルと求電子剤のカップリングが可能となった。これまでの検討結果では、求電子剤としてビニルシランしか用いることが出来ないが、生成物であるアルケニルシランは様々な反応に用いることが可能である。例えば、アルケニルシランをNBSで処理することによりアルケニルブロマイドへと変換することが可能である。このアルケニルブロマイドへの変換を利用して、逐次的にアリール基とビニル基を導入することでフェニレンビニレン骨格を構築することにも成功した。

これは、中間体として生成するアリールロジウム種でロジウムの1,5転位が進行することでフェノキシ基上にロジウムが移り、その後ジシランと反応することで進行したものと考えている。遷移金属の1,5転位の例は限られており、パラジウムの1,5転位を含む触媒反応が一例報告されているのみである。この興味深い現象に関する知見を得るために、転位する側のアリール基に種々の置換基を導入したニトリルを用いて検討を行った。その結果、ロジウムの1,5転位は電子的な影響を受け、転位する比率が変化することが分かった。また、配位子の添加効果についても検討し、未だ傾向等は分かっていないが配位子の添加によっても転位する比率が変化することも明らかとした。以上のように、ロジウムの1,5転位を含む触媒反応を見出した。この反応をさらに検討することで有機ケイ素化合物による炭素-シアノ結合切断の反応機構に関する知見が得られると考えている。
歯の漂白は酸素ラジカルの発生による(歯の漂白の機序と活性酸素による歯質への影響)

過酸化水素の浸透我々が考案した人工根管を付与した、ヒト歯歯冠部に高濃度過酸化水素水を用い漂白操作を行った結果、大量の過酸化水素が根管中で計測された。これは漂白操作によって、過酸化水素が歯の構造物であるエナメル、象牙質を通過して浸透したことを意味する。過酸化水素の分解過酸化物を用いた歯牙漂白法には,(1)高濃度(約3035%)の過酸化水素に光を照射する方法(2)高濃度の過酸化水素に熱を与える方法と(3)過酸化水素に2価の鉄イオンを混ぜる方法があり,これらの方法では為害性が最も高い活性酸素種のヒドロラジカル(・OH)が発生する。すなわち,(1)では過酸化水素の光分解で、(2)では熱分解反応で・OHが発生する。鉄イオンが混ざると活性酸素が発生するとされている。さらに過酸化水素(H_2O_2)は電気的に中性なので細胞膜に対し大きな透過性を有することである。すなわち細胞に侵入し細胞内の微量金属(赤血球の鉄イオンなど)と反応して細胞機能を障害することが考えられる。また過酸化水素は露出した象牙細管やセメント細管に入り込み,細胞内で・OHとなってこれらの細胞に障害を与える可能性は高いと考えられる。漂白による歯の形態学的変化および成分の溶解漂白操作による歯の表面の粗造化は周知の事実である。この粗造化によって光が散乱し漂白効果を発現するとの説もある。我々は、漂白後の歯の割断面の観察によって微細組織の形態的変化を観察している。多少の変化を認めるがまだ断定できる状況にはない。しかし、過酸化水素水中への歯の浸漬で歯質成分の大量の溶解が認められた。このことは漂白によって歯質の構造物が溶解し、その間隙を通り歯髄腔、根管に漂白剤が到達する可能性を示唆している。歯の漂白の実施後にみられる副作用には、軽度疼痛および歯髄炎様疼痛を伴う術後の不快症状や歯の脆弱化などが挙げられる。術後にみられる軽度疼痛、知覚過敏様疼痛や歯髄炎様痛を伴う不快症状の報告は過酸化物を用いた漂白の場合に多くみられる。そこで、これらの不快症状に注目して、歯の表面に適用した漂白剤の成分が歯質を通り抜け歯髄腔まで到達するか否かについて、ヒト前歯抜去歯を用い模擬人工根管を作成して調べた。歯髄腔に100mMリン酸緩衝液を満たし人工髄腔液とした。漂白剤を通法に従い人工根管の歯冠部歯面に適用したときの、人工髄腔液中に漏出した過酸化物量を測定した。その結果、過酸化物を主成分とする漂白剤の場合、漂白剤中の過酸化物はすべて歯髄腔内に漏出移行していた。過酸化水素を主成分とする漂白剤では、過酸化尿素を主成分とするものに比べて歯髄腔内に移行した過酸化物の量が多く、過酸化水素分解で発生した酸素ラジカルによる歯質の破壊が関与していることが考えられた。つぎに過酸化水素と過酸化尿素の違いを考察した。1分子の過酸化尿素は2分子の尿素と1分子の過酸化水素から構成されていて、同モルの過酸化水素にくらべて作用は約1/3である。また、過酸化水素はpHが高くなるにつれて反応性が上昇して分解されやすくなることが知られている。過酸化尿素を主成分とした漂白剤のpHは過酸化水素を主成分としたものに比べて高いので、過酸化尿素を構成する過酸化水素は自動分解し酸素ラジカルを発生する。

この酸素ラジカルは、漂白剤中の過酸化水素が分解して生じた酸素ラジカルと同一であると考えられる。さらに、この酸素ラジカルは過酸化尿素中に含まれる尿素で捕捉消去される可能性が知られているので、過酸化水素を主成分とする場合に比べて余剰の酸素ラジカルの発生が少なく、歯髄腔への移行量が少ないことがわかった。前年度での人工根管モデルを作成した研究の結果、過酸化物の歯に対する影響が、過酸化物を主成分とした漂白剤では、過酸化水素を主成分とするものと過酸化尿素を主成分とするもので、大きな違いがみられた。そこで、過酸化物から発生する酸素ラジカルについて調べた。発生する酸素ラジカル種を推定するために、過酸化物を主成分とした漂白剤の成分と酸素ラジカルの発生系との関係について検討した。過酸化水素から発生が考えられる酸素種には、ヒドロペルオキシラジカルやヒドロキシルラジカルなどが考えられる。過酸化水素を化学分解や光分解して発生する酸素ラジカルの発生系には、1)Fenton反応による系2)Fenton様(類Fenton)反応による系、3)長波長紫外線・可視光線(UVA/Vis)照射による光分解系の3つが考えられる。この3つの反応系に関与するイオンとして、1)ではFe(11)(111)イオンの存在が必要であり、2)ではCuイオンやTiイオンの存在が必要となる。そこで漂白剤の成分にこれらの金属イオンが存在するかをX線マイクロアナライザ(XMA, EPMA)を用いて定性的に調べた。その結果、Cu, Mn, Feが、過酸化水素を主成分とする漂白剤の粉末成分に多く含まれていることがわかった。過酸化水素を主成分とする漂白剤は、可視光線照射器で照射されたUVA/Visにより光分解されるほかに、これらの遷移金属がFenton反応や類Fenton反応をおこすことにより分解され、酸素ラジカルを発生することが示唆された。一方、過酸化尿素では、pHが高いので過酸化水素が自動分解され、酸素ラジカルを発生することがわかった。さらに、前年度と今年度の研究から、漂白剤から癸生する酸素ラジカルは、これまでいわれていた、スーパーオキシドやその水和型であるヒドロペルオキシドではなく、ヒドロキシルラジカルであることが示唆された。過酸化水素の浸透我々が考案した人工根管を付与した、ヒト歯歯冠部に高濃度過酸化水素水を用い漂白操作を行った結果、大量の過酸化水素が根管中で計測された。これは漂白操作によって、過酸化水素が歯の構造物であるエナメル、象牙質を通過して浸透したことを意味する。過酸化水素の分解過酸化物を用いた歯牙漂白法には,(1)高濃度(約3035%)の過酸化水素に光を照射する方法,(2)高濃度の過酸化水素に熱を与える方法と(3)過酸化水素に2価の鉄イオンを混ぜる方法があり,これらの方法では為害性が最も高い活性酸素種のヒドロラジカル(・OH)が発生する。すなわち,(1)では過酸化水素の光分解で、(2)では熱分解反応で・OHが発生する。鉄イオンが混ざると活性酸素が発生するとされている。さらに過酸化水素(H_2O_2)は電気的に中性なので細胞膜に対し大きな透過性を有することである。すなわち細胞に侵入し細胞内の微量金属(赤血球の鉄イオンなど)と反応して細胞機能を障害することが考えられる。また,過酸化水素は露出した象牙細管やセメント細管に入り込み,細胞内で・OHとなってこれらの細胞に障害を与える可能性は高いと考えられる。漂白による歯の形態学的変化および成分の溶解漂白操作による歯の表面の粗造化は周知の事実である。この粗造化によって光が散乱し漂白効果を発現するとの説もある。
光と熱によって自由に動き回るメカニカル結晶の開発

当該年度までに、光トリガー相転移という興味深い現象を見出していたため、当該年度はその光トリガー相転移について詳細に調べ、発現機構を明らかにした。光トリガー相転移は、熱的な構造相転移が起きる光反応性結晶において発見された現象である。この結晶は2度の構造相転移が起こり、温度変化に応じてα、β、γ相の間を変化できる。これまでに-50°Cで結晶に光照射すると光トリガー相転移が起きることは見出していた。これはβ相の結晶に光を当てるとγ相の結晶構造に変化することを意味する。新たに、α相およびγ相の結晶に光照射したところ、光トリガー相転移は起こらず、結晶相は変化しなかった。したがって、光トリガー相転移はβ相において特有の現象であることがわかった。このβ相からγ相への光トリガー相転移の発現機構を考察するため、光異性化による生成物trans-keto体の分子構造を量子化学計算により最適化した。その結果、元のenol体とは二面角が大きく異なり、光異性化による構造変化が大きいことがわかった。この分子構造変化が結晶中で起きると、trans-keto体は周りの分子にひずみを与えると考えられる。実際の結晶において、光照射前は全ての分子がEnol体である。光照射すると、照射面から光異性化が進行し、trans-keto体ができ、ひずみを与え始める。ある程度trans-keto体が生成すると、そのひずみを解消するように結晶全体の構造がドミノ倒しのように進む。これが、光トリガー相転移の発現機構である。この時、β相からγ相へのエネルギー障壁が0.2 kJ/molと小さいことも光トリガー相転移の発現に寄与していると考えられる。光照射によって、光異性化と光トリガー相転移を起こすことができ、それらを組み合わせた複雑なメカニカル機能を創出することができた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。申請者は当該年度までに、145度で構造相転移するキラルアゾベンゼン結晶において、加熱・冷却を繰り返すことで結晶自体が基板の上を移動していく現象を見出していた。当該年度中に、顕微鏡とサーモグラフィーによる同時観察を行うことで結晶が方向性をもって移動していく機構を明らかにした。厚みに勾配がある結晶は、結晶の伸び縮みを利用して、尺取り虫のように歩いていくことがわかった。また、より薄く幅に勾配のある結晶は1回の加熱または冷却のみで基板上を転がって尺取り虫歩行の2万倍の速さで動いた。このように結晶外形の非対称性が方向性のある移動につながっていることを明らかにし、本研究成果をNature Communications誌に報告した。次に、より低い温度で相転移する結晶を見つけるために様々な分子を合成した。そのうち、あるサリチリデンアニリン系の結晶は約40度で相転移することがわかった。単結晶X線構造解析により、相転移前後の結晶構造を明らかにした。平板状の単結晶に紫外光を照射すると、段階的な屈曲挙動が観察された。光を当てた直後はねじれながら曲がるが、そのまま光を当て続けると突然ねじれが解消され、そのあとは屈曲のみ起こった。この段階的な屈曲挙動から、光反応と熱相転移が動きを創出していることが分かった。結晶表面温度を測定した結果、光照射によって40度までは温度上昇していないことが分かった。これは、熱ではなく光によって相転移を誘起したことを意味しており、期せずして「光トリガー相転移」と呼べる現象を発見した。この機構は、光異性化した分子が結晶中に微小なひずみを発生させ、ある程度光反応が進行するとひずみを解消するように結晶全体の構造が変化すると推察できる。光異性化は結晶全体から見たら数%程度しか起こっていないにも関わらず、結晶全体の構造が変化するという興味深い相転移現象を発見することができた。当該年度までに、145°Cで構造相転移する分子結晶が相転移時に屈曲し、加熱・冷却を繰り返すことで基板の上を移動することを見出していた。当該年度中に結晶外形の非対称性が方向性のある動きを引き起こしていることを見出し、結晶があたかも歩いたり転がったりするという現象をNature Communications誌に報告した。結晶が移動する現象は世界で初めての発見であり、本研究成果はいくつかの新聞・メディアにも掲載された。上記の成果に加え、より室温に近い温度で相転移する光反応性サリチリデンアニリン系結晶の発見にも成功した。光反応と構造相転移を組み合わせて、段階的なねじれと屈曲を示すことが見出された。また、予期していなかったことだが、同じサリチリデンアニリン系結晶が光によって「光トリガー相転移」という特異な相転移現象を示すことが分かった。

新たに、α相およびγ相の結晶に光照射したところ、光トリガー相転移は起こらず、結晶相は変化しなかった。したがって、光トリガー相転移はβ相において特有の現象であることがわかった。このβ相からγ相への光トリガー相転移の発現機構を考察するため、光異性化による生成物trans-keto体の分子構造を量子化学計算により最適化した。その結果、元のenol体とは二面角が大きく異なり、光異性化による構造変化が大きいことがわかった。この分子構造変化が結晶中で起きると、trans-keto体は周りの分子にひずみを与えると考えられる。実際の結晶において、光照射前は全ての分子がEnol体である。光照射すると、照射面から光異性化が進行し、trans-keto体ができ、ひずみを与え始める。ある程度trans-keto体が生成すると、そのひずみを解消するように結晶全体の構造がドミノ倒しのように進む。これが、光トリガー相転移の発現機構である。この時、β相からγ相へのエネルギー障壁が0.2 kJ/molと小さいことも光トリガー相転移の発現に寄与していると考えられる。光照射によって、光異性化と光トリガー相転移を起こすことができ、それらを組み合わせた複雑なメカニカル機能を創出することができた。サリチリデンアニリン系結晶の光反応と構造相転移による複合的な動きを制御する。そのために、光照射の強度や波長、測定温度を変えて動きのパターンを観察する。結晶を固定せずにガラス基板上に置き、複合的な動き制御で得られた知見を元にして基板上を自由に移動させることができるようにする。本実験で観察されたサリチリデンアニリン系結晶の移動現象について、推進力の働く機構を明らかにする。また、上記の実験と並行して、光トリガー相転移の機構解明を行う。光トリガー相転移とは、熱的相転移温度の40度より低い温度においても、光照射によって結晶構造変化が誘起される現象である。そのため、室温より低い温度で結晶構造解析を行い、光照射前後の構造変化を確認する。また、赤外線サーモグラフィーを用いて、光照射による結晶表面温度の変化を測定する。さらに、スーパードライルームなどの結露しない条件下で、低温時の光による結晶形状変化を観察する。これらの結果を元に、光トリガー相転移という特異な相転移現象の発現機構を明らかにする。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。