hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
オルガネラの健常性を支えるオートファジー・脂質代謝の分子機構解明

本研究課題においては、細胞が持つ、オルガネラの健常性を維持するための分子機構を明らかにすることを主たる目的としている。またオルガネラの中でも特に、ミトコンドリア・ペルオキシソーム・脂肪滴の健常性(恒常性)維持について研究を進めている。本年度は、昨年度までに見出した、ミクロオートファジー(液胞、リソソーム膜が変形して対象オルガネラを直接包み込み分解する機構)に関する新たな分子メカニズムを考慮し、ミクロオートファジーの新たな分類法を提示した。これにより、従来困難であったミクロオートファジーの統一的理解を進めることができた。メタノール資化性酵母Komagataella phaffiiのメタノールを炭素源とした培養時に発達するオルガネラ、ペルオキシソームが、培地へのエタノール添加によってオートファジーにより分解される現象について分子機構を調べた。エタノール代謝産物によりペルオキシソーム内酵素の転写発現誘導は抑制される一方で、オートファジーによるペルオキシソーム分解にはエタノール代謝産物の生成は影響せず、エタノールによるペルオキシソーム機能の抑制メカニズムの多様性が示された。また同時に、K. phaffiiの持つオートファジー機能タンパク質、Atg5とAtg12が、他の大多数の生物種とは異なって共有結合せず、非共有結合によりその機能を担うことを見出した。これは生物進化に伴うオートファジーの分子メカニズム変化を示す貴重な報告となった。本申請研究においては、細胞内小器官(オルガネラ)の健常性を維持するための分子機構を、特にオートファジーと脂質に着目して解き明かすことが主たる目的である。オートファジーは、細胞質成分をリソソーム(液胞)に輸送して分解する仕組みの総称であり、ミトコンドリア、ペルオキシソーム等の活性酸素種発生の場となるオルガネラの機能維持に寄与すると考えられているが、その詳細には不明な点が多い。本年度の研究ではメタノール資化性酵母Pichia pastorisのペルオキシソーム内に変異型ペルオキシレドキシンタンパク質を導入することで、オルガネラ内部の酸化還元状態を変化させることに成功し、この際にペルオキシソームを標的とするオートファジーが誘導されることを見いだした。中性脂質蓄積の場となる脂肪滴は、細胞の置かれた状況によりその量が増減することが重要であり、その減少のメカニズムとして細胞質局在リパーゼによる中性脂質分解、リポリシスがよく研究されてきたが、本機構とオートファジーの関連に不明な点が多い、本年度の研究から、オートファジー機能タンパク質の1つAtg8が、出芽酵母においてリポリシスを抑制する作用をもつことを明らかにした。また、ミトコンドリア特有のリン脂質であるカルジオリピンの機能維持機構に関しても重要な知見を得た。カルジオリピンの脂肪酸鎖部分は不飽和脂肪酸が優先的となっていることがその機能に重要であるが、本年度の研究から、大腸菌において発現・精製された、出芽酵母Saccharomyces cerevisiae由来ミトコンドリアタンパク質Taz1の持つ、カルジオリピン前駆体に不飽和脂肪酸を転移する活性が、飽和脂肪酸を転移する活性よりも顕著に高いことを見いだした。オートファジー機能タンパク質Atg8が持つ、脂肪滴分解機構(リポリシス)抑制効果を見いだした研究成果は、従来ほとんど報告のない、オートファジーとリポリシスの関連性を明らかにした点において重要な意味を持つと考えている。ミトコンドリア脂質カルジオリピンの機能維持に関して、本年度の研究結果から得られた知見は、当該研究分野において重要性を有している。従来、ミトコンドリア内のカルジオリピン生合成過程の中で、どの反応において不飽和脂肪酸が優先的に組み込まれた状態がもたらされるのか、については確かな知見がなかった。これは、カルジオリピン前駆体への脂質転移酵素であるTafazzinの精製および活性評価法が完成されておらず、本酵素の実態把握ができていなかったからである。今年度の研究で出芽酵母のTafazzinであるTaz1の酵素学的性質が明らかとなったことにより、カルジオリピンの不飽和脂肪酸組み込みによる機能維持の分子機構が明確化したといえる。ペルオキシソームとオートファジーの関連についても、本年度の研究結果は今後の研究進展となる重要な礎となったと言える。これまでのペルオキシソームに対するオートファジー研究では、代謝経路の変換などにより量的に過剰となったペルオキシソームを対象とするオートファジーの分子機構解明が進められてきたが、本年度の研究で、ペルオキシソームの酸化還元状態を変化させることでもオートファジーの誘導が見られたことは、本オルガネラの質調節(quality control)にオートファジーが重要な働きを持つことを強く示唆している。平成29年度の研究成果としては、脂肪滴の分解に機能する分子機構の解明、およびミトコンドリア脂質であるカルジオリピンのアシル基リモデリングの分子機構の解明に関して大きな進展があった。まず出芽酵母における脂肪滴分解に関しては、酵母の生育炭素源の変換時に液胞膜が直接脂肪滴を取り囲む形態が見られ、オートファジーの中でもミクロオートファジーという様式の膜動態を介して脂肪滴が分解されること、またその分解には一般的なマクロオートファジーに機能するAtg1は必要ではなく、エンドソームにおける多胞体(Multivesicular body)形成に機能するESCRTタンパク質が必要であることを見いだした。ESCRTタンパク質のうちのひとつ

Vps27は脂肪滴分解が誘導されるタイミングで液胞膜上に移行することも見いだし、ESCRTタンパク質による液胞膜の直接的な変形作用が脂肪滴分解につながるミクロオートファジーに機能することが強く示唆された。カルジオリピンの機能解析については、本研究課題のこれまでの成果である、出芽酵母Taz1酵素が不飽和脂肪酸を優先的に組み込む活性の発見をさらに展開し、不飽和脂肪酸の構造差異(シス、トランス)や、不飽和脂肪酸の供給源となるフォスファチジルコリンの位置(sn-1、sn-2)をTaz1が認識することを明らかにした。本研究課題において明らかになった、脂肪滴の分解機構に関しては、これまで一般的なオートファジー(マクロオートファジー)に機能するAtgタンパク質が必要な機構が報告されてきたが、今回はAtgタンパク質に依存しない機構を見いだしたことに重要性がある。多くのAtgタンパク質は細胞質に新たな膜構造(オートファゴゾーム)を形成するために機能することがわかっているが、なぜそれらが液胞膜変形による脂肪滴取り込み(ミクロオートファジー)に機能するのか、ということについては詳細は不明なままである。今回の研究成果により、Atgタンパク質とは異なるESCRTタンパク質による膜変形の分子機構が明らかとなったことから、ミクロオートファジーの膜変形を支える分子機構の多様性が示された。カルジオリピンのアシル基リモデリングの研究に関しては、前年度の研究に引き続き、アシル基転移酵素Taz1の持つ基質特異性がより詳細に示されたことが重要な成果である。ヒトのTaz1ホモログであるタファジンは、その変異がバース症候群と呼ばれる疾患の原因となることが知られていることから、酵母Taz1酵素で見いだされた基質特異性がタファジンにも存在するのか、また存在するとすればその特異性を失うことが疾患をもたらしているのか、といった点について解析の進展が期待される。本研究課題においては、細胞が持つ、オルガネラの健常性を維持するための分子機構を明らかにすることを主たる目的としている。またオルガネラの中でも特に、ミトコンドリア・ペルオキシソーム・脂肪滴の健常性(恒常性)維持について研究を進めている。本年度は、昨年度までに見出した、ミクロオートファジー(液胞、リソソーム膜が変形して対象オルガネラを直接包み込み分解する機構)に関する新たな分子メカニズムを考慮し、ミクロオートファジーの新たな分類法を提示した。これにより、従来困難であったミクロオートファジーの統一的理解を進めることができた。メタノール資化性酵母Komagataella phaffiiのメタノールを炭素源とした培養時に発達するオルガネラ、ペルオキシソームが、培地へのエタノール添加によってオートファジーにより分解される現象について分子機構を調べた。エタノール代謝産物によりペルオキシソーム内酵素の転写発現誘導は抑制される一方で、オートファジーによるペルオキシソーム分解にはエタノール代謝産物の生成は影響せず、エタノールによるペルオキシソーム機能の抑制メカニズムの多様性が示された。
特別な幾何学的構造を持った物質系のデコヒーレンス理論

[背景・目的]超伝導体で絶縁層を挟んだ接合(ジョセフソン接合)において,その超伝導体間の位相差の振動を利用した量子ビットは,位相量子ビットと呼ばれる.ところで,環境ノイズのために位相量子ビットにおける量子重ね合わせ状態が失われてしまう.この現象は,デコヒーレンスと呼ばれ,量子重ね合わせを用いた量子コンピューティングにおいて,克服すべき現象である.本年度の研究では,複数個の結合したジョセフソン接合で構成される位相量子ビットを研究の舞台とした.結合のトポロジーが異なる位相量子ビット間でのデコヒーレンス過程の差異について,ミクロな環境モデルから探究した.[方法]はじめに,(i)静電結合した2つのジョセフソン接合を用いて,位相量子ビットを構成し,そのデコヒーレンスの原因となる緩和過程を定式化した.次に,(ii)3つの接合を並列に結合させた位相量子ビットとリング状に結合させた位相量子ビットでの緩和過程を定式化した.[結果・結論](i)量子ビット状態である0に対応したエネルギー準位のエネルギー緩和を消去する条件を示した.また,環境の温度と無関係に,エネルギー遷移を伴わない緩和である純粋位相緩和が除去できることを示した.(ii)2つの系で緩和過程は異なるが,特徴的な差異を明らかにするためには,今後の研究を要する.本研究の目的は,量子情報技術発展のため,物質の持つ幾何学的性質と量子干渉性との因果関係を明らかにすることと,そのデコヒーレンス過程を明らかにすることの2点にある.これらの目的を達成するために,物質の持つ幾何学的位相(Berry位相など)と曲率が量子干渉性に影響を与える現象に注目し,以下の2つの研究を行った.第1の研究では,曲率を持ったリングに広がる電子を扱い,リングの内と外に対するトンネル確率を考察した.定性的には,電子の感じる遠心力ポテンシャルの存在により,リング半径が増加する方向へのトンネル確率の方が減少方向のそれよりも大きいと予想されている.先行研究では,半古典的な手法(WKB法)を用いたため,幾何学的性質としての曲率に対する取り扱いが十分でないことが分かった.今後,トンネル確率に対しWKB法を超えた取り扱いを行うことで(数値計算等),上記因果関係が理解できるとの見通しを得た.第2の研究では,上記の目的を達するために,スピン空間の幾何学的性質を反映したBerry位相の量子干渉を考察した.単分子磁石の縮退したスピンの2状態間で量子コヒーレント振動が起こることが知られている.この振動数はBerry位相に依存すると予想されており,振動数の観測はBerry位相の量子干渉の証拠となる.今回,振動数の観測方法を考察した.これは,2準位系を囲んだリングを進む電子の量子干渉(Aharonov-Bohm効果)を用いる方法である.従来の観測方法では,振動数の大きさを正確に求められない.しかし,このモデルでは電子の存在確率の観測から,振動数の大きさを測定できる可能性があることが分かった.ただしこの系では,振動周期に比べて電子の通過時間が極めて短くなっている.したがって,振動数が電子の観測により得られるかについて,数値計算を用いた検証が必要である.平成20年度では,上記2つの研究を継続して行うとともに,Aharonov-Anandan位相(一般の幾何学的位相)を用いた結合型の超伝導位相量子ビットを研究する.この系に注目した理由は,この系が上記2つの目的を達成するための研究が一貫して行える系であるためである.[目的]本年度における研究の目的は,超伝導素子を用いた量子ビットの一種である位相量子ビットに対して,量子情報技術で問題となるデコヒーレンスを抑えた系を提案することである.[システム]超伝導層で絶縁層を挟んだ接合(ジョセフソン接合)において,クーパー対が絶縁層をトンネルすることが知られている.このトンネルのために,接合の両端に溜まる電荷が特定の振動モードを持って揺らぐ.このうち2つの振動モード(2準位系)を量子情報の0と1に対応させることができる.雑音によって引き起こされる2準位系の状態遷移は,0や1の情報が書き換わることを意味し,これがエラーとなる.このシステムに対して,以下2つの方法から研究を行った.[方法](1)幾何学的位相を用いた,雑音に強い量子演算の方法を解析的側面から検討した.(2)2準位の遷移過程を,ミクロなモデルにより解析した.すなわち,2準位系と相互作用する環境を任意の共鳴スペクトルをもつ粒子の集団とする.環境の影響により2準位系は2種類の緩和により遷移を行う.これらは,光を吸収・放出する緩和(縦緩和)と光学遷移を伴わない緩和(純粋位相緩和)である.解析的に2準位系の確率密度の時間発展を扱うことで,2種類の緩和を特徴づける緩和定数の表式を得た.その温度依存性と環境の周波数依存性について,数値的に調べた.[結果・結論](1)幾何学的量子計算を行うにあたり,幾何学的位相の厳密な取り扱いを要するため,より詳細な検討が必要である.(2)環境の温度や周波数分布と無関係に,純粋位相緩和の消える条件があることを明らかにした.この条件の下,位相量子ビットを操作することでデコヒーレンスを抑えた演算が可能となる.[背景・目的]超伝導体で絶縁層を挟んだ接合(ジョセフソン接合)において,その超伝導体間の位相差の振動を利用した量子ビットは,位相量子ビットと呼ばれる.ところで,環境ノイズのために位相量子ビットにおける量子重ね合わせ状態が失われてしまう.

この現象は,デコヒーレンスと呼ばれ,量子重ね合わせを用いた量子コンピューティングにおいて,克服すべき現象である.本年度の研究では,複数個の結合したジョセフソン接合で構成される位相量子ビットを研究の舞台とした.結合のトポロジーが異なる位相量子ビット間でのデコヒーレンス過程の差異について,ミクロな環境モデルから探究した.[方法]はじめに,(i)静電結合した2つのジョセフソン接合を用いて,位相量子ビットを構成し,そのデコヒーレンスの原因となる緩和過程を定式化した.次に,(ii)3つの接合を並列に結合させた位相量子ビットとリング状に結合させた位相量子ビットでの緩和過程を定式化した.[結果・結論](i)量子ビット状態である0に対応したエネルギー準位のエネルギー緩和を消去する条件を示した.また,環境の温度と無関係に,エネルギー遷移を伴わない緩和である純粋位相緩和が除去できることを示した.(ii)2つの系で緩和過程は異なるが,特徴的な差異を明らかにするためには,今後の研究を要する.
流域単位での河川水の総毒性スペクトル変動の把握と基本水質項目との相関解析

吉野川・高瀬橋で3年間毎月河川水を採取し、短期慢性毒性試験と海洋発光阻害試験、一般水質測定を実施した結果、のべ34試料中、藻類、ミジンコに対して毒性が検出されたのはそれぞれ4、6試料で、魚類は1試料、海洋発光阻害を引き起こす試料はなく、季節変動も明らかでなかった。また吉野川・淀川流域の7地点で毎年1回河川水を採取し、同様の試験を実施したところ、徳島市田宮川や淀川水系猪名川・利倉などでは毒性が検出された。主成分分析の結果、BOD、アンモニア等の生活排水等由来物質とミジンコや藻類への毒性との相関は低く、重回帰分析の結果と合わせて、一般水質項目以外の別の毒性原因物質の寄与が大きいと考えられる。一級水系吉野川の主要な環境基準点である徳島市近郊の高瀬橋を対象に,平成25年4月平成26年3月の間,1か月に1回程度採水した。現地でのpHやDO,EC(電気伝導度)など基本水質項目測定のほか,実験室内に持ち帰ってゼブラフィッシュ,ニセネコゼミジンコ,ムレミカヅキモの短期慢性毒性試験に加え,海洋発光バクテリアを用いたマイクロトックス試験を実施した。また,BODやCOD,硬度,アンモニア性窒素なども測定した。吉野川では,上記の高瀬橋での年間変動に加えて,上下流の4地点(大川橋,脇町潜水橋,高瀬橋,今切川河口堰)で11月に採水して試験を実施したほか,12月には淀川水系の3地点でも同様の試験を実施し,合計のべ19試料を対象とした。その結果,ニセネコゼミジンコについて毒性影響が検出されたのは6試料,ムレミカヅキモについては2試料,発光バクテリアでは1試料であった。得られた結果について,各水質値や毒性値を変数とした場合と,採水日と採水地点を変数にした場合の2パターンで,2変数間の相関解析ならびに主成分分析を実施して,傾向を調べた。水質と毒性値について主成分分析をしたところ,アンモニアとBOD, CODの3種について第1主成分が高く類似性が確認できたほか,ECとミジンコの繁殖毒性や遊泳阻害は第2主成分が高く,類似性が確認された。これらは2成分間の相関係数も比較的高かった。一方,採水日や採水地点を変数にした主成分分析では,ムレミカヅキモやニセネコゼミジンコの繁殖毒性が検出された採水日や採水地点が近接して類似性が比較的高い一方で,ニセネコゼミジンコの遊泳阻害と繁殖阻害の毒性が検出された地点は大きく離れる結果となった。また,上流から中流の地点(大川橋,脇町潜水橋)と,下流の地点(今切川,淀川流域河川)では同様の傾向が確認できた。今後,吉野川や淀川流域の調査を継続して実施する予定である。平成26年度もほぼ月に1回、吉野川高瀬橋による採水をおこない、ゼブラフィッシュ、ニセネコゼミジンコ、ムレミカヅキモの短期慢性毒性試験と発光細菌の阻害試験を実施するとともに、BOD, COD,アンモニア性窒素などの一般水質項目の測定を実施した。合わせて、吉野川流域圏の調査として、上流の大川橋、脇町潜水橋、下流の今切川・田宮川などで調査を実施したほか、淀川流域の桂川宮前橋、枚方大橋、猪名川・利倉、寝屋川・今津橋などでも採水を実施して、生態毒性試験や水質測定を実施した。得られた結果については、多変量解析として、昨年までの2変数間の相関係数の算出や主成分分析に加え、因子分析やクラスター分析を実施した。試験結果は、平成25年度よりは平成26年度の方が生態毒性を検出した地点、回数が少なかった。また、主成分分析を実施した結果、昨年度同様に第一主成分にBODやCOD、アンモニア性窒素などの有機汚染の関連する指標の主成分負荷量が高くなった。一方で、第二主成分および二変数間の相関係数からは昨年度に認められたミジンコの繁殖毒性や遊泳阻害と電気伝導度(EC)との弱い相関は認められなかった。これは、ミジンコへの毒性の特異性を表しており、有機汚染やECなどとは相関性が低いことがわかった。因子分析の結果でも、同様に、因子分析についても、第一因子はBOD、COD、アンモニア性窒素などが高く、生活由来の有機汚染が原因として考えられるほか、ECや硬度についてもその相関は高かった。第二因子もミジンコの毒性が高かったが、他の項目は特に傾向は見当たらず、ミジンコの毒性に寄与する別の因子の存在が示唆された。一方、地点間のクラスター分析の結果、吉野川流域の大川橋や高瀬橋、そして流量の多い枚方大橋が1つのグループ、下流の今切川、田宮川、猪名川、寝屋川などが別のグループになることがわかった。最終年度である平成27年度も,25,26年度と同様に徳島市近郊の吉野川・高瀬橋で月に1回の採水をおこない,現地でのpHやDO,電気伝導度(EC)など基本水質項目測定のほか,実験室内に持ち帰ってゼブラフィッシュ,ニセネコゼミジンコ,ムレミカヅキモの短期慢性毒性試験を実施した。上記の高瀬橋に加え,吉野川流域の4地点(大川橋,脇町潜水橋,今切川河口堰,田宮川)で同様に採水して試験したほか,淀川水系の3地点(桂川・宮前橋,淀川・枚方大橋,猪名川・利倉)で試験を実施した。

また,本年度は一部の地点の河川水について固相抽出によって有機物や金属カチオンの濃縮試料を作成し,本年は18試料+濃縮試料9×2種類ののべ36試料について試験を実施した。その結果,濃縮しない試料ではムレミカヅキモ,ニセネコゼミジンコ,ゼブラフィッシュでそれぞれ4,2,2試料から有害影響が検出された。一方で,濃縮試料では,毒性検出率は大きく向上し,特にキレート樹脂で濃縮した金属カチオン等の濃縮液では藻類で9割程度,発光バクテリアでも6割程度から毒性を検出することができた。有機物濃縮試料では検出率が比較的低かった。水質と毒性値について主成分分析等の多変量解析を実施したところ,主成分分析では,昨年度まで同様にBODほか各種水質項目(pHを除く)第1主成分は高かった。その一方で,ミジンコの繁殖や致死毒性は第2主成分が高く,その特異性は顕著であり,毒性同定評価などを進め,人為的汚染とは異なるミジンコ毒性に影響を及ぼす因子の特定が求められる。クラスター解析では,昨年度までと同様に上流部と下流部でおおよそ分けることができた。さらに,重回帰分析を実施したところ,3生物に対する毒性はいずれの水質指標でも表現できないことがわかり,主成分分析と同様の結果となった。吉野川・高瀬橋で3年間毎月河川水を採取し、短期慢性毒性試験と海洋発光阻害試験、一般水質測定を実施した結果、のべ34試料中、藻類、ミジンコに対して毒性が検出されたのはそれぞれ4、6試料で、魚類は1試料、海洋発光阻害を引き起こす試料はなく、季節変動も明らかでなかった。また吉野川・淀川流域の7地点で毎年1回河川水を採取し、同様の試験を実施したところ、徳島市田宮川や淀川水系猪名川・利倉などでは毒性が検出された。主成分分析の結果、BOD、アンモニア等の生活排水等由来物質とミジンコや藻類への毒性との相関は低く、重回帰分析の結果と合わせて、一般水質項目以外の別の毒性原因物質の寄与が大きいと考えられる。交付申請書に記載された目的において、環境基準点の定点(吉野川・高瀬橋)では順調に月に1回の試料採取が実施されている。また、吉野川流域圏の調査について2回、淀川流域圏についても2回と試験の検体数の観点では、当初の目標通りに実施されている。多変量解析の手法についても、主成分分析や2変数間の相関係数の算出のほか、因子分析、クラスター分析などが実施されて、その傾向は明らかになっており、順調といえる。生態毒性学、環境化学、環境工学試験検体数については、目標通りだが、やや生態毒性が検出された地点が予測よりも少傾向が平成26年度の試験で明らかになってきた。最終年度となる平成27年度はより生態毒性の強いと考えられる地点のデータの収集に努めていきたい。当初予定していたのは,吉野川流域に限り,予備試験で10地点,本試験で3地点,3季節の調査の合計19回の調査であったが,回数は同様であり,順調に実施したといえる。一方,予算や人員制限から,10地点ではなく,4地点とし,徳島市近郊の高瀬川に絞って,じっくりと詳細な年間変動を把握することとした。一方で,当初26年度以降に予定した淀川流域について,3地点の予備的な調査を12月に実施することができた。この調査は,26年度以降のもう少し大規模な調査に役立つものと考えられる。現在のところ,ほぼ順調に調査を実施していて,特に問題はない。ただ,吉野川・高瀬橋の定点を取って見ても,ニセネコゼミジンコやムレミカヅキモに対する毒性に変動が見受けられる。吉野川・高瀬橋については継続して実施するとともに,合わせて吉野川流域の他の地点(今切川,脇町潜水橋など)や淀川流域の各地点でも複数回のサンプリング調査を実施し,水質項目値との相関,季節変動や流域の傾向を十分に把握できればと考えている。
磁性人工格子の界面特性と磁気異方性

磁性人工格子における磁気ひずみ、ヤング率、応力などの人工周期依存性を測定し、ひずみ誘導異方性と垂直磁気異方性の関係について考察を重ねてきた。層の界面での垂直異方性の誘起は「界面異方性」と呼ばれているが、具体的機構の解明は十分にはなされていない。本年度の研究では、「界面異方性」の内、界面での逆磁気ひずみによる成分を明確にすることを一つの目的とし、それにより得られた成果は次の通りである。(1)上記の貴金属層の上のCo層は全て引っ張り応力を受けている。(2)逆にCo層上の貴金属層は全て圧縮応力を受けている。(3)Co/PdおよびCo/Auの場合、応力は1010dyn/cm2であり、それぞれ格子定数の相違から予想される値よりずっと小さい。(4)しかしコヒ-レントな界面となるCo/Cuの場合は、格子定数差から予想される格子欠陥を含まない場合の臨界せん断応力の値と一致し、それは実際の金属での臨界せん断応力の値を越えている。更に、垂直磁気異方性との関連を論ずるために(b)膜全体としての磁気ひずみ測定、応力測定、ヤング率測定を行ない、逆磁気歪み効果の垂直磁気異方性への寄与は小さい可能性が大きいことを報告した。
変形性顎関節症の新規治療法の開発を目指したLubricinの発現調節機構の解明

変形性顎関節症(TMJ-OA)は顎関節を構成する骨軟骨の破壊を特徴とし、関節痛や開口障害により患者のQOLを低下させる。これまで変形した関節を修復させる根本的治療法は確立されておらず新規治療法の開発が望まれるが病態が不明であることが多く発症機序の解明が必要である。Lubricinは滑液中に含まれるプロテオグリカンでPRG4遺伝子によってコードされる。軟骨面の摩擦抵抗を軽減し、軟骨を保護している。四肢関節ではTGF-βがLubricinの発現に重要であるとされており、本研究では顎関節のLubricin産生におけるTGFの役割と分子調節機構の解析を目的とした。これにより、TMJ-OAの発症機序の一因を明らかとし、予防法や新規治療法の確立を模索する。平成30年度はPRG4プロモーターの制御下において蛍光mCherryを発現するレポーターマウスの顎関節から単離した細胞を用いて各種の実験を行った。単離後の細胞を種々の濃度のTGF-β1で処理した際のPRG4遺伝子の発現量の違いをreal-time PCR、RT-PCRで確認を行った。関節最表層から単離された細胞(SF細胞)のみがTGF-β1刺激により遺伝子発現の促進が認められた。それよりも下層の軟骨細胞では遺伝子発現は認めなかった。PRG4遺伝子発現にはTGF-β1によりリン酸化されたSMAD2/3が重要であり、これらの阻害剤でPRG4の遺伝子発現を抑制できることをウェスタンブロットにて確認した。さらにレポーターマウスから下顎頭軟骨を摘出し器官培養を行いTGF-β1で処理した結果、PRG4遺伝子の発現は顎関節の最表層でのみ発現が認められた。またALK5、SMAD2/3の阻害薬で処理するとPRG4の遺伝子発現は完全に抑制され、TGF-β1によるPRG4遺伝子発現はALK5を介したSMAD2/3シグナルが重要であることが確認された。平成30年度はPRG4プロモーターの制御下において蛍光mCherryタンパクを発現するPRG4レポーターマウスの顎関節から酵素処理により単離した細胞を用いて各種の実験を行った。単離後の細胞を種々の濃度のTGF-β1で処理した際のLubricinの発現量の違いをreal-time PCR、RT-PCRで確認を行った。関節の最表層から単離された細胞のみがTGF-β1刺激によってLubricinの遺伝子発現の促進が認められた。それよりも下層の細胞ではLubricinの遺伝子発現は認められなかった.またLubricinの遺伝子発現にはTGF-β1によりリン酸化されたSMAD2/3が重要な役割をになっており、これらの阻害剤を用いることによりLubricinの遺伝子発現を抑制することをウェスタンブロットにて確認した。さらにPRG4レポーターマウスから下顎頭軟骨を摘出し器官培養を行いTGF-β1で処理してin vivoでのPRG4の発現を見た。その結果、PRG4遺伝子の発現はin vitroの実験と同様に顎関節の最表層でのみ発現が認められ、TGF-β1刺激によりPRG4遺伝子の発現が促進された。またALK5, SMAD2/3の阻害薬で処理することによりPRG4の遺伝子発現は完全に抑制されたことからTGF-β1によるPRG4遺伝子発現はALK5を介したSMAD2/3シグナルが重要な働きを担うことが確認された。

単離後の細胞を種々の濃度のTGF-β1で処理した際のLubricinの発現量の違いをreal-time PCR、RT-PCRで確認を行った。関節の最表層から単離された細胞のみがTGF-β1刺激によってLubricinの遺伝子発現の促進が認められた。それよりも下層の細胞ではLubricinの遺伝子発現は認められなかった.またLubricinの遺伝子発現にはTGF-β1によりリン酸化されたSMAD2/3が重要な役割をになっており、これらの阻害剤を用いることによりLubricinの遺伝子発現を抑制することをウェスタンブロットにて確認した。さらにPRG4レポーターマウスから下顎頭軟骨を摘出し器官培養を行いTGF-β1で処理してin vivoでのPRG4の発現を見た。その結果、PRG4遺伝子の発現はin vitroの実験と同様に顎関節の最表層でのみ発現が認められ、TGF-β1刺激によりPRG4遺伝子の発現が促進された。またALK5, SMAD2/3の阻害薬で処理することによりPRG4の遺伝子発現は完全に抑制されたことからTGF-β1によるPRG4遺伝子発現はALK5を介したSMAD2/3シグナルが重要な働きを担うことが確認された。次年度の動物実験を一括して行うこととなり、次年度使用が生じた。次年度請求分と合わせて使用する予定である。
用法基盤モデルに基づく前置詞の文法・談話機能の研究：文法化と意味拡張の認知的基盤

本研究では、前置詞の文法機能と談話機能の体系的な記述を行い、前置詞の意味拡張や機能範疇の変化を動機づける認知的な基盤を考察した。本研究の成果は『A Cognitive Analysis of the Grammaticalized Functions of English Prepositions』(179頁)として開拓社より出版された。また、overとunderの非対称的な機能・意味を『English Linguistics』と『言語研究』に、upの完了用法を『言語の創発と身体性』で発表した。また、定量的な言語分析の研究手法を『認知言語学研究の方法』で提示した。平成24年度は研究計画の2年目として、主に、1年目に行った、英語の前置詞の三種類の機能(文法・談話・直示)の記述を発展させて、前置詞の機能が、前置詞の中心的な空間的意味から抽象的な意味を介して、派生する過程を身体性の観点から説明した。平成24年度に行った研究は、以下の5点にまとめられる。第一に、一つの語が複数の意味や機能を持つとはどういうことかという、語彙が持つ多義性に関して再検証を行った。具体的に言うと、先行研究において論じられてきた、具体的な意味から抽象的な意味への拡張だけでなく、具体的な意味から機能への拡張を論じることの重要性を、前置詞の機能を例にして論じ、認知言語学会で口頭発表を行った。第二に、垂直関係を表す前置詞(up-down, over-under, below,など)を例にして、日常での上下に関する様々な経験が、前置詞の文法機能を動機づけている点を明らかにし、認知言語学会でワークショップを行った。第三に、条件節の主要部となるunderの文法機能が、何かの下に居るという具体的な経験に基づいて、空間的な意味から広がっている点を、overとunderの意味拡張の非対称性を通じて明らかにした。第四に、前置詞の副詞的な用法(=不変化詞)が持つ完了用法に注目して、不変化詞による完了と文法的なhave完了の比較を通じて、不変化詞の完了は目的語指向であり、目的語が表す指示物の最終状態を表す点を論じた。また、第五に、方法論に関しては、本研究の理論的な背景となる認知言語学と方法論となるコーパス言語学の学際的な研究の可能性に関する論文「コーパスと認知言語学」を執筆した。また、以上の成果を応用した2つの研究を行った。まず、23年度に引き続き、コロケーション辞典の執筆を行い、次に、埼玉大学で25年度から導入予定のオンラインの英語教材CALL4の執筆を行った。本研究では、英語の前置詞が持つ文法機能と談話機能を体系的に考察し、前置詞の意味拡張や文法カテゴリーを動機付ける認知的な基盤を考察する。また、言語を実証的に分析するためのコーパスを用いた方法論を精緻化することを目的とする。研究が行われた2011-2013年度にかけて、12本の著書・論文を執筆した(2本の未刊行論文を含む)。また、国内外の学会においては、7本の発表が確定した(2本は2014年度に発表予定)。これらの研究では、認知言語学の理論的な研究だけでなく、コーパスを用いた言語研究の方法論に関わるものも含まれ、理論である認知言語学と方法論であるコーパス言語学の学際的な観点から多くの研究がなされた。本研究は、学際的な視点を持ちながら、英語の前置詞が持つ様々な統語的・意味的・談話的特徴を体系的に記述し、それらを動機づける基盤を考察するというものである。本年度は、研究計画の一年目である。そのため、研究計画を遂行するための方法論的な基盤を固めると共に、前置詞の文法機能と談話機能の考察を行った。方法論の面では、日本英語コーパス学会の東部支部で、「量」ではなく「文脈」を重視した新しいコーパス研究の方法論を提唱するシンポジウムを主催して、文脈的な要素を利用した言語研究を具体的に紹介した。前置詞の文法機能と談話機能に関しては、前置詞のoverとunderの非対称的な意味拡張に注目しながら、underが持つ、条件法の帰結節を導く談話機能の認知的な基盤を分析し、日本言語学会のジャーナル『言語研究』に論文を掲載した。また、現在、本研究の視点に立ったCALLの教材を作成中であるが、作成方法をまとめ、『最新言語理論を英語教育に活用する』に論文「言語理論を生かしたCALLのコンテンツ開発」を掲載した。

本研究の理論的背景となる認知言語学に関しては、認知文法論の最新の入門書であるRonald Langacker著のCognitive Grammar: A Basic Introductionの翻訳(邦題:「認知文法序説」)や、多義性に関する最新の知見をまとめたVyvyan Evans著のHow words mean: Lexical Concepts, Cognitive Models, and Meaning Constructionの書評を通じて、従来の認知言語学をより深く理解することに努め、談話的な視点を取り入れた認知的な研究を行う上での基礎を築いた。本年度は、研究計画の2年目である。計画書では、2年目以降の計画として、第一に、言語構造の非対称性とその認知的な基盤を分析する、第二に、前置詞の文法機能・談話機能とその認知的な基盤を分析する、第三に、研究成果を用いて言語学や英語教育へ応用する、という3つの具体的な目標を挙げている。まず、一点目に関しては、垂直関係を表す前置詞の対を考察することで、反意語間の非対称的な振舞いを明らかにして、その振る舞いが、「上」「下」に関する非対称的な経験を反映している点を論じた。また、この上下の非対称的な経験が、意味の拡張だけでなく、文法機能の定着にも深く関与している点を明らかにした。次に、二点目に関しては、前置詞が持つ文法・談話機能をいくつか取り上げ、具体事例の分析を行った。代表的なものには、不変化詞の完了用法、above・beyondの間接否定、underの仮定法を導く導入部の主要部としての用法などが挙げられる。また、具体的な事例研究を通じて、文法機能や談話機能の定着にも、身体的な経験が深く関与している点を明らかにした。最後に、三点目に関しては、認知言語学を定量的に行うための方法論に関して「コーパスと認知言語学」(25年度出版予定)を執筆し、量的な言語分析の方法論の紹介を、研究者向けに行った。また、研究成果の教育的な応用に関しては、特に、日常的な言語使用の用法に着目した、コロケーション辞典の執筆と、グローバルな人材を育成することを目的とした英語教材の開発を行った。以上のように、一点目と二点目に関しては、順調に研究が経過している。また、三点目の応用的な研究に関しても、研究が始まっており、最終年度の25年度に向けた準備が進んでいる。本研究では、一年目の計画として、(1)コーパスの整備、(2)コーディング手法の精緻化、(3)前置詞の体系的記述という、三点の具体的な目標を挙げた。この三点の計画はおおむね順調に進展している。このうち、特に(2)のコーディング手法の精緻化に関しては、日本コーパス学会東支部主催のシンポジウムを代表者として企画し、文脈を重視した言語コーパスの研究方法に関する発表を行った。ここでは、特に、独自のコーディングに基づくコーパス分析方法を紹介した。(3)の前置詞の体系的記述に関しては、前置詞の持つ機能を、文法機能、談話機能、直示的機能に分類したリストを作成した。前置詞の持つ機能とその基盤に関する研究の成果は、平成24年度に公開する予定である。最後に、(3)に関しては、これまでと同様に、British National Corpus、Brown Corpus、Frown Corpus、LOB Corpus、FLOB Corpus、ICE-GB Corpusなどを用いて研究を行っている。また英語母語話者と非英語母語話者による英語の会話を録音し、話し言葉コーパスを作成するためのデータを構築した。研究計画最終年度である25年度は、過去二年間の成果に基づき研究を完成させることを目的とする。まず、23-24年度に引き続き、これまでほとんど注目されてこなかった前置詞の文法機能の記述を行い、その振舞いを動機づける基盤の考察を行う。
RNAポリメラ-ゼII転写開始複合体の活性化機構

RNAポリメラ-ゼII(polII)による転写開始機構、特に転写開始複合体形成における、1.ATP水解要求性と、2.キャッピング酵素の関与、について解析し、以下の結果を得た。<1.ATP要求性に関与する因子の探索>___ー:HeLa細胞抽出液を用いたpolIIによる<in>___ー<vitro>___ー転写開始反応は、ATPのγ位のリン酸基の水解に依存する。アデノウイルス後期主要プロモ-タ-を鋳型として転写開始反応を行なわせた場合、ATPの存在に依存して40ー50Sの転写開始複合体が形成された。分離した複合体は活性状態にあり、4NTPを添加すると、正確な位置からスタ-トしたRNA鎖を合成した。さらに、ATP非存在下に開始反応を行なった場合についても検討したところ、ある種の不活性な複合体(前開始複合体、約50S)が形成されていることが明らかとなった。分離した前開始複合体は、4NTPの添加のみでは転写活性を示さなかったが、HeLa細胞核抽出液中のタンパク質性因子の存在とATPの水解に依存して、活性複合体に転換され、転写活性を示した。HeLa細胞核抽出液より、前開始複合体を活性化する因子の精製を試みたところ、活性は少なくとも二つの相補的な分画に分離された。目下、各因子の精製とその機能解析を進めている。<2.キャッピング酵素の機能>___ー:ATP水解に依存して形成される活性転写開始複合体にはキャッピング酵素が特異的に組込まれ機能している。キャッピング酵素の機能をより詳細に理解するために、酵母キャッピング酵素遺伝子を用いて、酵素の機能ドメインの解析を行なった。まず、種々の人工欠失変異体を用いた実験から、酵素分子全体がその活性発現に重要であることが示唆された。また、T7RNAポリメラ-ゼを用いた大腸菌発現系を利用し、キャッピング酵素を大量にかつ高度に精製した。現在、この酵素を用いて、活性中心近傍のアミノ酸配列の決定を試みると共に、polIIとの相互作用の有無について検討している。
超大規模巡回セールスマン問題に対する遺伝的アルゴリズムの適用と実問題への応用

申請者は遺伝的アルゴリズム(Genetic algorithm, GA)をTraveling salesman problem (TSP)へ適用する一連の研究を行った.TSPは最も代表的なNP困難な組合せ最適化問題であり,新しい解法の枠組みを考案する際のベンチマーク問題として多くの近似解法や厳密解法が提案されているため,非常に競争が激しいベンチマーク問題である.考案したGAは(計算時間が比較的多く与えられた場合)世界で最も優れたTSPの近似解法として高い評価を受けている.また,Memetic algorithm (MA)とはGAと局所探索法を組合せた手法であるが,MAを用いて物流最適化やスケジューリングに関する組合せ最適化問題に対して,非常に優れた近似解法を考案した.申請者は遺伝的アルゴリズム(Genetic algorithm, GA)をTraveling salesman problem (TSP)へ適用する一連の研究を行った.TSPは最も代表的なNP困難な組合せ最適化問題であり,新しい解法の枠組みを考案する際のベンチマーク問題として多くの近似解法や厳密解法が提案されているため,非常に競争が激しいベンチマーク問題である.考案したGAは(計算時間が比較的多く与えられた場合)世界で最も優れたTSPの近似解法として高い評価を受けている.また,Memetic algorithm (MA)とはGAと局所探索法を組合せた手法であるが,MAを用いて物流最適化やスケジューリングに関する組合せ最適化問題に対して,非常に優れた近似解法を考案した.本年度の研究では,車両配送問題(VRP)と呼ばれる組合せ最適化問題に対し,計算速度と近似精度において優れたmemetic algorithm(MA)(遺伝的アルゴリズムと局所探索を組合わせた近似解法)を考案した.VRPは代表的な組合せ最適化問題の一つで,実用面の重要性と,ベンチマーク問題として様々なアイデアが試されるテストベッドとして,現在もこの問題を用いた研究が活発に行われている.VRPには新しい制約を課すことでいくつかの変形問題が提案されているが,最も基本的で多くの手法が適用されてきた問題がCapacitated VRP(CVRP)とVRP with time windows(VRPTW)である.本年度に開発したMAにより,この二つの問題のそれぞれの代表的ベンチマーク問題において,多くの最良解を更新した.これらの結果はメタヒューリスティックに関する国際会議と進化計算に関する交際会議において発表し多くの注目を集めた.しかし,ながら提案したMAは計算精度の面では優れていたものの,他の代表的手法とし比較して,計算コストの面では不利であった.そこで,発展研究として提案手法であるMAの計算コストを削減するための手法を開発した.この改良により,CVRPに対して考案していたMAの計算コストを約1/5にまで削減することに成功し,結果として提案したMAはCVRPにおいて,計算コストと計算精度の両面において,従来のstate-of-the-art近似解法を超える性能を示した.この結果を進化計算に関する国際会議で発表した.また,ここで提案したMAの枠組みはMAの一般的な問題点の一つである局所探索に要する計算コストをMAの性質を利用して削減したものであり,MAに付随する基本的な問題点を改良する一般的枠組みとして,今後の発展が期待される.現在,上記の内容を国際ジャーナルへ投稿中である.昨年度に車両配送問題(VRP)に対して高精度の近似解を得ることのできるMemetic algorithm (MA)(遺伝的アルゴリズムと局所探索法を組み合わせた手法)を考案したが,計算速が従来方法よりも多くかかるという点が問題であった.今年度の研究では, MA内で用いる局所探索を効率化することで解の精度を落とすことなく計算速度を4-5倍程度速めることに成功した.一般にMAの問題点として局所探索に要する計算時間が問題となることが指摘されて1いたが,本研究ではこの問題点を解決するための一般的な指針を与えた.VRPの中でも時間枠制約が課された問題であるVRP with time windows (VRBTW)は最も研究されている問題である。今年度の研究では, VRPTWにおけるトラック数最小化のための優れたメタヒューリスティクスを考案した。この手法は従来提案されてきた手法を計算速度・解の質の両面で上回ることができた.この結果は2009年に海外論文誌に掲載される予定である.また,この手法をさまざまな組合せ最適化問題へ適用可能なように一般化した枠組み(Guided ejection search, GES)を構築した.GESをジョブショップスケジューリング問題へ適用し,従来の最も優れた近似解法に匹敵する性能を持つことを示した.この成果は2009年の国際会議でBest paperawardを受賞した.上記以外にMAを効率的に設計するための研究として,MAで用いられる局所探索の計算コストを効果的に削減する方法を提案した.この方法をcapacitated vehicle routing problem (CVRP)に適用し,前年度に開発していたCVRPに対するMAの計算コストを劇的に改善した.この結果は人工知能学会論文誌に掲載された.また,ジョブショップスケジューリング問題を対象として,MAで用いる局所探索に簡単なタブ探索を用いることで,簡単な枠組みで非常に良い探索性能が得られることを示した.この結果は国際会議MIC2009で発表し,この成果を発展させた内容はpost conference volumeに掲載されることが決まった.
低重力および高重力環境での火災安全性評価のための凝縮相表面上燃え拡がりの基礎研究

宇宙環境での火災安全性の確立には,様々な重力場での可燃性液体・固体の燃焼特性を把握する必要がある.本研究は微小重力では落下塔,高重力では旋回腕装置そして低重力ではカウンターウェイトを有した落下塔を用いて,広範な重力環境での可燃性固体および液体上での燃え拡がり速度を明らかにした.更に,減酸素環境を利用し,微小重力場での燃え拡がりを地上で模擬する方法を明らかにした.また微小重力場でのろ紙の燃え拡がり限界酸素濃度の測定を行い,限界酸素濃度が流速の増加に対して下に凸のU字曲線を描くことを明らかにした.宇宙環境での火災安全性の確立には,様々な重力場での可燃性液体・固体の燃焼特性を把握する必要がある.本研究は微小重力では落下塔,高重力では旋回腕装置そして低重力ではカウンターウェイトを有した落下塔を用いて,広範な重力環境での可燃性固体および液体上での燃え拡がり速度を明らかにした.更に,減酸素環境を利用し,微小重力場での燃え拡がりを地上で模擬する方法を明らかにした.また微小重力場でのろ紙の燃え拡がり限界酸素濃度の測定を行い,限界酸素濃度が流速の増加に対して下に凸のU字曲線を描くことを明らかにした.宇宙環境として微小重力が注目され研究が進められてきたが,宇宙で人間が経験する重力環境は微小重力だけにとどまらない.例えば,月や火星で活動する場合,地球上の重力の1/6や1/3という低重力環境を経験する.そのため宇宙環境での火災安全性評価の確立のためには,微小重力環境だけでなく低重力環境での火炎現象の把握が必要となる.そこで本研究は重力を可変とする落下塔の建設を行い,その塔を利用して低重力環境での燃え拡がり現象を検討することを目的としている.平成19年度は,落下塔を弘前大学構内に建設した.その落下塔は,落下ラックと5枚の動滑車をワイヤーでつないでおり,この動滑車に制動をかけることで落下ラックにかかる加速度を調節する.落下塔の高さは約14mとした.その内,約10mを落下距離,約4mを落下ラックを静止させるための制動距離とした.落下塔はラック内に約100kgの実験装置の搭載を可能とした.ブレーキなどの動作抵抗を与える機構を動滑車部に備え付けることにより,月面の1/6Gであれば約1.6秒間の,火星の1/3Gならば約1.8秒間の低重力環境を実現できる.他方,微小重力に関しては日本無重量総合研究所の落下塔を利用して,微小重力場でのろ紙の燃え拡がり限界酸素濃度と酸化剤流速との関係を明らかにした.この結果から,微小重力場でのろ紙の燃え拡がりは,酸化剤速度が5cm/s以上では燃え拡がり限界酸素濃度が通常重力場より小さく,微小重力では火炎が消えにくくなることを示した.他方,酸化剤流速が5cm/s以下では,逆に通常重力場より微小重力場の方が消炎しやすくなり,燃え拡がり限界の酸素濃度が通常重力より増加することがわかった.以上の結果を踏まえ,次年度は落下塔を用いて低重力場でのろ紙などの燃え拡がり速度や限界酸素濃度等を明らかにする.宇宙で人間が経験する重力環境は微小重力だけにとどまらない.例えば月や火星では,地球上の重力の1/6や1/3という低重力環境を人間は経験する.また,地球から宇宙へロケットで行く場合,ロケット打ち上げ時に地上での重力よりも大きな高重力場を経験する.そのため宇宙環境利用における火災安全性の確立のためには,微小重力環境だけでなく低重力環境や高重力環境での燃焼現象の把握が必要となる.そこで本研究は,高・低重力環境を形成できる落下塔実験装置を製作し,それを用いて各重力環境での燃え拡がり現象を検討することを目的とする.平成20年度で完成した落下塔は,落下試験距離約8m,低重力実験時間は1秒以上となっている.落下塔は,制動をかけて落下させることによって,低重力場を形成できる.落下ラックへの制動のタイミングはコンピュータ上のプログラムによって制御できるようになっている.平成21年度は,この落下塔を用いて低重力場及び高重力場におけるろ紙またセロファンに関する燃え拡がり現象について,実験を行い重力場の変化による火炎伝播現象の違いを明らかにする.また微小重力に関しては,平成20年度は,日本無重量総合研究所の落下塔を利用して微小重力場でのろ紙の燃え拡がり限界酸素濃度と酸化剤流速との関係を調べ,その燃え拡がり限界マップを完成させた.この燃え拡がりマップにより,宇宙船内の酸素濃度に合わせた火災消火法の検討が可能となる.更に,ろ紙に比べて燃え拡がり速度が23倍程度大きいセロファンを用いて,ろ紙と同様の燃え拡がりマップの作成に着手している.宇宙・開発の進展に伴い人類は,月や火星では地球の通常重力(1G)の1/6や1/3の値となる低重力環境を経験し,また宇宙へ行く場合,ロケット打ち上げ時に地球の重力よりも大きな高重力環境(1G以上)を経験する.そのため宇宙環境利用における火災安全性の確立は,宇宙空間の微小重力環境だけでなく低重力や高重力環境での燃焼現象の把握が重要となる.そこで本研究は,高・低重力環境を形成できる落下塔実験装置を製作し,それを用いて各重力環境での燃え拡がり現象を検討することを目的としている.平成21年度は落下塔を用いて1/2Gまでの低重力環境を形成し,3つの燃焼現象について主に検討を行った.

1つはロウソクの火炎で,低重力へと変化することで火炎高さが1Gに比較して減少することがわかった.2つめは,エタノールを用いて形成したプール火災で生じるフリッカリング周波数への重力の影響について検討した.その結果,重力が低下することで,フリッカリング周波数も減少することがわかった.また,その振動するプール上の火炎の平均的な火炎高さは重力の減少と供に小さくなることが分かった.3つめは,ろ紙上を伝播する火炎の低重力環境での伝播速度の測定を行った.その結果,ろ紙の伝播速度は重力の減少に伴い,これも減少することが分かった.また微小重力環境での実験に関しては,平成21年度は,日本無重量総合研究所の落下塔を利用してろ紙の燃え拡がり火炎が消炎する条件である限界酸素濃度へのろ紙幅の影響について検討し,火炎の幅が大きくなると微小重力・低流速環境では,火炎は小さな火炎片へと分離し,火炎の体積に比して表面積を増大させて酸素の取り込みを維持するように振る舞い,その結果,燃え拡がり限界マップの形がろ紙幅によって変化することを明らかにした.
廃棄物を原料とした混合焼結リサイクル材の水質浄化材への応用

主に4種の産業廃棄物(ペーパスラッジ灰、アルミ灰,ガラス屑、港湾底泥)の中から混合焼結生成物を作製し、汚水水質浄化材としての適用性を検討した結果、以下のことが明らかになった。1.ペーパスラッジ灰とガラス粉末を用いて混合焼結・アルカリ水熱処理して吸着性について評価したが、陽イオン交換容量値が合成・人エゼオライトに比べて1/10程で吸着性は不十分であった。2.さらに2種類の無機系発泡剤(炭化ケイ素、炭酸ナトリウム)や活性炭を添加して焼成・アルカリ水熱処理して吸着性の向上を検討したが、期待するほどの効果が得られなかった。3.これまで作製した各種の混合焼結物についてアルカリ水熱処理を行い、陽イオン交換容量やメチレンブルー吸着試験および摸擬汚水浄化試験により、NH_4^+,PO_4^<3->の吸着性が比較的良好な試料を選定した。4.次の4試料について、本大学構内の貯水池、沼川の下水処理場放水口の2箇所に水面と水底に試料を設置して約1年間の野外試験を行った。試料A:底泥,アルミ灰,ガラス粉末を混合焼結したもの試料AZ:試料Aをアルカリ水熱処理したもの試料AZF:試料AZに鉄分を付着したもの試料BZ:PS灰,アルミ灰,ガラス粉末を混合焼結した後、アルカリ水熱処理したもの定期的に試料を採取して吸着物や付着生物を観察・分析した結果、河川では試料AZ、AZFの吸着性(NH_4^+,NO_3^-)が高く、貯水池では特に水面に設置した試料AZの有機物の吸着が顕著であり繁藻程度と相関があった。吸着能力(汚水浄化性)順位は次のように推測される:AZ>AZF>BZ>A。5.他の廃棄物として砕石汚泥と発泡ガラスについても検討した結果、発泡ガラスのアルカリ水熱処理物の吸着性が天然ゼオライトに匹敵する程あった。6.今後、試料表面だけでなく内部まで吸着できるゼオライト化多孔質材料を開発する必要がある。大量に排出され品質が安定している3種の産業廃棄物(PS灰、アルミ鉱さい,ガラス屑)の中からペーパスラッジ(PS)灰とガラス粉末に絞って、その混合焼結生成物を作製し、汚水水質浄化材としての適用性を検討する。この混合焼結生成物は、原料の配合量や焼結条件を調整することにより、ゼオライトや活性炭素に匹敵するような吸着活性の高い多孔性材料になりうるし、また鉄分添加により生物が付着しやすい材料になりうるので、河川・湖沼・港湾などの水質浄化材として再利用が期待できる。ここでは,混合焼結生成物の吸着性・汚水浄化性能の基礎実験および野外試験を通して,最適焼結条件と基本物性の関係を明らかにする。本年度(H16年度)では、主に2種類のPS灰と2種類のガラス粉末を用いて混合焼結実験(6001200°C)と以下の基礎物性・構造解析を行った。・PS灰、ガラス粉末との配合割合・粒度・焼成温度/時間など混合焼結条件の評価・焼結体の基本的物性評価(気孔率,比重,pH, CEC測定)混合焼結生成物の吸着性評価においてCEC(陽イオン交換容量)実測値が市販の合成ゼオライトや人工ゼオライトの最高値(150200cmol/kg)に比べて1/51/10程であった。