hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高等教育機関の新設・統廃合に関する比較社会学的研究

本年度は、4年制大学と短期大学の入学定員割れおよび統廃合の要因を分析するための理論作りおよび実証データの作成・分析を行った。さらに、大学・短大の設置者である学校法人の新設統廃合の分析も行った。そのために以下の3種類のデータ・ベースを作成した。第1に、各大学に関して昭和61年度の定員充足率、社会的評価(偏差値等)、構成員の特性(研究状況、年齢分布、学歴等)、就職状況などの属性的情報を収集した。第2に、昭和24年度以降新設統廃合された大学および短大の学部別の入学定員数と在籍者数を調べた。第3に、昭和25年以降の学校法人の許可と廃止の状況について調べた。さらに、以上の数量的情報を補うため、各大学の学校案内の収集や関係者へのインタビュー調査を行なった。その結果、以下の新たな知見が得られた。1.定員割れしている大学は27校ある。2.定員割れの要因を、経営戦略、内部組織特性、外部環境特性の3つの観点から検討した結果、地方所在で小規模で偏差値ランクが低いという傾向がみられた。3.さらに、伝統的な女子教育を支えた学部で定員割れが目立っている。4.廃止となった45校の短大の平均存続年数は、14.2年であった。国立私立別では、それぞれ26.7年、17.4年、12.7年で私立の短大が設置されてから最も早く廃止される比率が高い。5.昭和50年当時の学校数で廃校数を割った廃校率をみると、短大のそれは2.9%で、幼稚園の4.2%、小学校の4.9%、中学校の4.5%、高等学校の5.9%についで高い値となっている。しかし、大学の廃校率は0.2%で、相対的にみてかなりひくい。6.高等教育への参入以前、それらの学校法人の約8割は各種学校や高等学校などなんらかの学校経営していた。これは特に短期大学に参入した学校法人に著しい。本年度は,高等教育機関の入学者定員割れ状況および新設統廃合の要因を分析するための理論作りおよび実証データの作成・分析を行った.すなわち各高等教育機関(特に短大)に関して昭和61年度の定員充足率,社会的評価(偏差値等),構成員の特性(研究状況・年齢分布・学歴等),就職状況などの属性的情報を収集しデータ・ベースを作成し,昭和35年度以降統廃合された高等教育機関の一覧表を作成し,さらに統廃合された高等教育機関を日本地図にプロットした.アメリカ合衆国に関しても同様のデータを作成し,さらに日本に関しては,以上の情報を補うため,各大学が出した文書資料を収集し,関係者へのインタビュー調査を実施した.その結果,以下の新たな知見が得られた.(1)統廃合の多いアメリカの高等教育機関の共通点として,小規模(学生数1000人以下),無名で基本財産をもたない授業料依存型の新設の短大,または教養中心のリベラルアーツ・カレッジ,または宗教系大学という特徴があげられること.逆につよい大学の特徴として,私立よりは公立,立地条件が良いこと,創立年が古いこと(100年以上の伝統をもつ大学はほとんど廃止されていない),威信の高い大学院をもっていること.(2)日本の高等教育機関の統廃合に関しては, 4年制大学では実質的に廃止校は存在しないけれども,短大に関しては42校あること,また,短大の統廃合の重要な原因の1つとして学生の定員割れがあること.各短大の定員割れの要因を,経営戦略,内部組織特性,外部環境特性の3つの観点から検討した結果,小規模で,設立年が浅く,偏差値ランクが低く,小都市にある短大に多いということ.(3)中国四国地方に所在する短大のインタビュー調査の結果,多角経営,学科の新設・改組,推薦制度の活用,男女共学化,等々の生き残り戦略が取られていること.本年度は、4年制大学と短期大学の入学定員割れおよび統廃合の要因を分析するための理論作りおよび実証データの作成・分析を行った。

5.昭和50年当時の学校数で廃校数を割った廃校率をみると、短大のそれは2.9%で、幼稚園の4.2%、小学校の4.9%、中学校の4.5%、高等学校の5.9%についで高い値となっている。しかし、大学の廃校率は0.2%で、相対的にみてかなりひくい。6.高等教育への参入以前、それらの学校法人の約8割は各種学校や高等学校などなんらかの学校経営していた。これは特に短期大学に参入した学校法人に著しい。
ウニ生殖周期の変異性の生態学的、集団遺伝学的解明

北海道におけるエゾバフンウニの生殖周期は海域によって異なる。本研究は遺伝学的な分化の有無を東北太平洋の個体群も含めて明らかにする。東北太平洋沿岸での本種の生殖周期は北海道日本海タイプと一致した。異なる生殖周期と1万年前以降に成立した海流、水温、コンブ属褐藻の分布とは対応する。しかし、遺伝学的な有意差は認められなかった。北海道南部太平洋産稚仔は、高水温により成長が著しく停滞するために宮城県中部沿岸には加入できないと考えられた。東北地方太平洋沿岸のエゾパフンウニの生殖周期を明らかにするために、岩手県広田湾の水深0.51mにおいて、殻径35mm以上のエゾパフンウニ成体を毎月10個体ずつ素潜りで採集した。採集したウニの殻径、体重、生殖巣重量を測定し、生殖巣指数(生殖巣重×100/体重)を求めた。また、生殖巣の小片を20%ホルマリンで固定し、常法に従ってパラフィン包埋して6μm厚の切片を作製し、マイヤーのヘマトキシリンとエオシンで二重染色した。そして、生殖細胞の形成過程から回復期、成長期、成熟前期、成熟後期、放出期の5つの発達段階に区分した。生殖巣指数は、9月10月に20以上のピークへ達し、11月に4未満へと急激に低下、3月以降水温の上昇にともなっで上昇する年周期を示した。生殖巣の発達段階は生殖巣指数の変化に対応して、9月10月に成熟後期の個体が優占、11月に放出期へと移行、1月2月に回復期、3月5月には成長期が占めた。広田湾のエゾパフンウニは北海道日本海と同様に、水温が20°Cから13°Cへと低下する10月に年1回産卵することが明らかになった。エゾバフンウニの生殖周期は北海道沿岸において、日本海型、オホーツク海・東部太平洋型、噴火湾・南部太平洋型の3タイプに区分され、海域間で移植しても原産海域の生殖周期は少なくとも3年間は維持される。タイプが異なる海域における本種個体群間の遺伝学的な分化の有無を、東北太平洋における生殖周期を含めて明らかにする。北海道の生殖周期を異にする3海域と東北太平洋の計7地区から各約50個体を入手し、顎骨伸筋からDNAを抽出し、mtDNAのCOI領域361塩基およびNDI領域262塩基の配列を決定し、地区間の変異性の有無を検定した。また、2007年11月から翌年10月までのほぼ毎月1回、宮城県大谷沿岸の水深0.51mでエゾバフンウニ約10個体を採集した。そして、生殖巣指数(生殖巣重量×100/体重)を求め、成熟段階を肉眼により未成熟期、成熟期、放出期に区分した。エゾバフンウニの生殖周期は、現在の環境が形成された1万年前以降に成立した海流、水温およびコンブ属褐藻の分布に対応していた。しかし、mtDNAの配列の変異性には海域間で有意な差は認められず、出現数の多いハプロタイプは4海域以上で共有され、海域による特異性は認められなかった。したがって、2領域の塩基配列にもとづくならば、現在のエゾバフンウニには海域毎に遺伝学的に独立した個体群が生じるほど地史的時間が経過していないと考えられる。大谷における生殖周期は、生殖巣指数が2008年3月から9月の18.6のピークへと上昇した後、10月に5以下へと急激に低下し、年1回秋産卵の北海道日本海型に類似した。しかし、南部太平洋型である14月に成熟期をもつ個体が20%の頻度で出現した。このことは、東北太平洋沿岸におけるエゾバフンウニ個体群は北海道日本海型と南部太平洋型が混在している可能性を示している。これまでの研究で、生殖周期の異なる海域に分布するエゾバフンウニ集団間で、mtDNAの変異性には有意差がみとめられないことが明らかになった。他の形質での相違の有無を明らかにするため、北海道南部太平洋の4月採苗と北海道日本海の8月に採苗した人工種苗群を、それぞれ8ヶ月後(殻径13.4mm)および10ヶ月後(12.2mm)に宮城県石巻市沿岸の海水を用いて同一環境で1年以上飼育した。日本海産と太平洋産種苗は原産海域を反映して、それぞれ秋季と春季に産卵する生殖周期を維持した。生殖巣指数の季節変化も生殖周期の相違を反映して両群で明瞭に異なった。年齢形質となる生殖板外縁部に形成される黒色帯の形成時期は、日本海産種苗では6月10月であり、他の月は白色帯を形成した。しかし、南部太平洋産種苗は黒色帯が2月11月までの長期間にわたりほぼ全個体で形成され、12月と1月にのみ約50%の個体で白色帯の形成がみとめられた。年間成長率は同一の食物条件であるにもかかわらず南部太平洋産種苗で低く、特に高水温の夏季に負の成長が顕著にみとめられた。

前年度の研究で宮城県最北部気仙沼大谷沿岸では、南部太平洋型の特徴である14月に成熟する個体が全体の20%の比率で出現した。しかし、北海道南部太平洋産種苗は、原産地より明らかに高い宮城県中部沿岸の水温には適応できず、日本海産種苗に比較して成長を顕著に停滞させることから東北太平洋南部には侵入できないものと考えられた。
都市高速道路の複数均一料金圏間の料金合理的調整法

都市高速道路の料金は、基本的には償還原則から決定される。しかし、料金設定が不適当であると道路機能が十分発揮されないばかりか、都市活動全般に悪影響を与えることになるので、現在の料金制度は、利用交通の特性と料金徴収の容易性を考慮して均一料金が採用されている。ネットワーク規模が小さく、1つの均一料金圏で対応できる場合は、料金圏半径や料金額の設定が主な研究課題であった。しかし、都市高速道路の拡充・延伸とともに、検討改題は多様化複雑化し、とくに京阪神都市圏のように多核型の都市圏においては、複数の均一料金圏をもち、料金圏相互の料金の設定・調整が重要となる。本研究では、複数の均一料金圏を持つ都市高速道路の料金設定において生じる諸問題を体系的に整理し、都市圏構造を考慮した料金体系の合理的な設定・調整方法を検討した。昭和62年度、昭和63年度の成果をまとめると以下のようである。【○!1】均一料金圏内の路線をプール採算制で運用するため、路線間の密接関連性の規定概念を明らかにするとともに、関連性の数値的評価指標として、補完性係数、代替性係数の評価式を新たに提案した。そして、阪神高速道路網を対象に、新規路線と既存路線の密接関連性について具体的な数値計算を行ない、その妥当性を検討した。【○!2】将来の阪神高速道路網を対象に、オーバーラップ料金決定問題を数理最適化問題として定式化するとともに数値計算を実行する。まず、需要固定の場合について計算し、つぎにOD需要が変動する場合へと拡張した。以上の結果から、密接関連性からみたプール採算性の是非、オーバラップ料金を含む料金体系の合理的設定方法について考察し、最終的に研究成果報告書としてとりまとめた。都市高速道路の料金は,基本的には償還原則から決定されるが,料金体系の設定が不適当であると,道路の機能が十分発揮されないばかりか,都市活動全般に悪影響を与えることになるので,現在の料金制度は,利用交通の特性と料金徴収の容易性を考慮して均一料金制が採用されている.ネットワークの規模が小さく, 1つの均一料金圏だけで対応できる場合は,料金圏半径や料金額の設定方法が主な研究課題であった.しかし,都市高速道路の拡充・延伸とともに,料金体系に関わる検討課題は多様化,複雑化してきており,とくに,京阪神都市圏のように複数の核都市を持つ多核型の都市圏においては,複数の均一料金をもつことになるため,料金圏相互の料金の設定・調整が重要となる.そこで本研究では,複数の均一料金圏を持つ都市高速道路の料金設定において生じる諸問題を体系的に整理し,都市圏構造を考慮した料金体系の合理的な設定・調整方法を検討した. 62年度に得られた主な成果を要約すると,次のとおりである.(1)均一料金圏内の路線をプール採算制で運用するためには,路線間に密接な関連が認められなければならない.そこで,密接関連性の規定概念を明らかにするために,従来の関連性評価指標の持つ問題点を文献資料により体系的に整理した.(2)関連性の数値的評価指標として,補完性係数,代替性係数の評価式を新たに提案した.

そして,阪神高速道路網を対象に,新規路線と既存路線の密接関連性について具体的な数値計算を行ない,その妥当性を検討した.(3)2つ以上の均一料金圏が接する(あるいは交わる)場合の料金区界付近の料金設定のうち,とくに,料金圈の重なりが大きい場合の料金設定法に関して,数理最適化手法の適用による問題の定式化を行なった.都市高速道路の料金は、基本的には償還原則から決定されるが、料金体系の設定が不適当であると、道路の機能が十分発揮されないばかりか、都市活動全般の悪影響を与えるので、現在の料金制度は、利用交通の特性と料金徴収の容易性を考慮して均一料金性が採用されている。道路網の規模が小さく、1つの均一料金圏だけが存在する場合は、料金圏の半径や料金額の設定が主な研究課題であった。しかし、都市高速道路の拡充・延伸とともに、料金体系に関わる検討課題は多様化、複雑化してきている。そこで、複数の均一料金圏をもつ都市高速道路の料金設定における諸問題を体系的に整理し、都市圏構造を考慮した料金体系の合理的な設定・調整方法を検討するために63年度は次の手順で研究を進めた。(1)複数の料金圏をプール採算性により運用することの是非に関する理論的根拠を明確にするために、路線間の密接関連性の議論を料金圏間の密接関連性へと展開した。関連性の定義を再考し、数量的な評価指標を提案するとともに、将来の京阪神都市圏における高速道路網の料金圏の関連性について数値的な検討を加えた。(2)将来の阪神高速道路網を対象に、オーバーラップ料金決定のための最適化問題の数値計算を実行した。まず、需要固定の場合について計算し、つぎにOD需要が変動する場合へと拡張する。そして、問題の感度分析を通じて、オーバーラップ部の料金の変化が、ネットワーク全体の交通パターンおよび料金収入に及ぼす影響について考察した。(3)オーバーラップ料金額により、高速道路の利用パターンは変化するが、それによる密接関連性指標への影響について、数値的検討を行った。その結果を通して、密接関連性からみたプール採算性の是非、オーバーラップ料金を含む料金体系の合理的設定方法について考察し、最終的に研究成果報告書をとりまとめた。
エントロピー変化に依存しない新規自由エネルギー変化予測手法の開発

本研究の目的は、フラグメント分子軌道法で得られるフラグメント間相互作用エネルギーと、エントロピー-エンタルピー補償側を利用することで、エントロピー変化を用いることなく阻害剤と蛋白質間の自由エネルギーを予測する手法の開発である。その前段階として、フラグメント分子軌道計算によるフラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との間に高い相関関係を有する必要があることから、種々の阻害剤-蛋白質間の複合体系における阻害剤のエンタルピー変化とフラグメント間相互作用エネルギーとの間にどの程度の相関があるかを検証する必要がある。本年度は主としてHIVプロテアーゼ阻害剤系に関する計算を実行し、フラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との相関を確認したところ、R2 = 0.5326という相関が得られた。さらに、各阻害剤の電荷によってフラグメント間相互作用エネルギーの結果が大きく変化したことから、電荷が0と+1に阻害剤の分類を行った。これらのフラグメント間相互作用エネルギーとの相関関係を確認すると、R2 = 0.8071というさらに良好な相関値が+1の電荷を有する阻害剤複合体で得られた。この結果より、阻害剤分子全体の電荷はフラグメント間相互作用エネルギーに大きな影響を与えることから、電荷の異なる阻害剤複合体においては、電荷ごとに阻害剤を分類して検討する必要があると考えられる。現在、HIVプロテアーゼ阻害剤の系に関するドッキングシミュレーションとその活性予測および直接トロンビン阻害剤の系におけるエンタルピー変化とフラグメント間相互作用エネルギーとの間の相関検証を行っているところである。本年度は、先述の自由エネルギー予測を達成するための前段階として、HIVプロテアーゼ阻害剤の系における、フラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との間の相関に関して検討を行った。タンパク質構造データバンクから、文献に報告されているHIVプロテアーゼとその阻害剤複合体の構造を23個ダウンロードし、DiscoveryStudioViewer、MOEにより構造修正を行った。複合体にはアンプレナビル、ネルフィナビル、ダルナビル、サキナビル、構造最適化では分子力場としてCHARMmを用いた。計算機はスーパーコンピューター「京」を、ソフトウェアにABINIT-MPを用い、MP2/6-31G並びにMP2/6-31G*の計算レベルの下、計算を実施した。計算によって得られた蛋白質-阻害剤間のフラグメント間相互作用エネルギーの和と文献中のエンタルピー変化との相関を求め、どの程度の相関関係が成立しているかを検討した。フラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との相関を確認したところ、R2 = 0.5326という相関が得られた。また、各阻害剤の電荷によってフラグメント間相互作用エネルギーの結果が大きく変化したことから、電荷が0と+1に阻害剤の分類を行い、フラグメント間相互作用エネルギーとの相関関係を確認すると、R2 = 0.8071というさらに良好な相関値が+1の電荷を有する阻害剤複合体で得られた。この結果より、阻害剤分子全体の電荷はフラグメント間相互作用エネルギーに大きな影響を与えることから、電荷の異なる阻害剤複合体系においては、電荷ごとに阻害剤を分類して検討する必要があると考えられる。現在進めているHIVプロテアーゼ阻害剤およびFimH阻害剤に関する活性予測を進め、これを完結させる。ただし、HIVプロテアーゼ阻害剤については文献での報告例が膨大である一方、トレーニングセットの数は文献報告例に限られることから、どの程度の範囲まで予測モデルを拡張できるかも合わせて検討する。そのほか、現在検討を行っている直接トロンビン阻害剤の系についても阻害活性とフラグメント間相互作用エネルギーとの相関を計算する。もし相関が低い場合はどのような点に問題があるのかを考察し、必要であれば再計算を行う。その他、等温滴定型カロリメトリーにより自由エネルギー、エンタルピー、エントロピー変化が測定されている論文をいくつか取得していることから、これらについても同様に計算を行い、相関の検証を行う予定である。フラグメント分子軌道計算において、ある程度構造や電荷がそろっていれば、フラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との間には良好な相関が得られることが、これまでの計算経験からわかっている。一方、本計算は真空中で計算を行っており、静電相互作用が大きな値を示すことから、阻害剤の電荷によってフラグメント間相互作用エネルギーが大きく変化する。それゆえ、阻害剤の電荷は同じもの同士に分類して検討する必要がある。また、結晶構造間の構造の歪みも相互作用に大きく影響するため、結晶構造間のRMSDなどを計算し、これを考慮してフラグメント分子軌道計算を行う必要がある。

この結果より、阻害剤分子全体の電荷はフラグメント間相互作用エネルギーに大きな影響を与えることから、電荷の異なる阻害剤複合体においては、電荷ごとに阻害剤を分類して検討する必要があると考えられる。現在、HIVプロテアーゼ阻害剤の系に関するドッキングシミュレーションとその活性予測および直接トロンビン阻害剤の系におけるエンタルピー変化とフラグメント間相互作用エネルギーとの間の相関検証を行っているところである。本年度は、先述の自由エネルギー予測を達成するための前段階として、HIVプロテアーゼ阻害剤の系における、フラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との間の相関に関して検討を行った。タンパク質構造データバンクから、文献に報告されているHIVプロテアーゼとその阻害剤複合体の構造を23個ダウンロードし、DiscoveryStudioViewer、MOEにより構造修正を行った。複合体にはアンプレナビル、ネルフィナビル、ダルナビル、サキナビル、構造最適化では分子力場としてCHARMmを用いた。計算機はスーパーコンピューター「京」を、ソフトウェアにABINIT-MPを用い、MP2/6-31G並びにMP2/6-31G*の計算レベルの下、計算を実施した。計算によって得られた蛋白質-阻害剤間のフラグメント間相互作用エネルギーの和と文献中のエンタルピー変化との相関を求め、どの程度の相関関係が成立しているかを検討した。フラグメント間相互作用エネルギーとエンタルピー変化との相関を確認したところ、R2 = 0.5326という相関が得られた。また、各阻害剤の電荷によってフラグメント間相互作用エネルギーの結果が大きく変化したことから、電荷が0と+1に阻害剤の分類を行い、フラグメント間相互作用エネルギーとの相関関係を確認すると、R2 = 0.8071というさらに良好な相関値が+1の電荷を有する阻害剤複合体で得られた。この結果より、阻害剤分子全体の電荷はフラグメント間相互作用エネルギーに大きな影響を与えることから、電荷の異なる阻害剤複合体系においては、電荷ごとに阻害剤を分類して検討する必要があると考えられる。現在進めているHIVプロテアーゼ阻害剤およびFimH阻害剤に関する活性予測を進め、これを完結させる。ただし、HIVプロテアーゼ阻害剤については文献での報告例が膨大である一方、トレーニングセットの数は文献報告例に限られることから、どの程度の範囲まで予測モデルを拡張できるかも合わせて検討する。そのほか、現在検討を行っている直接トロンビン阻害剤の系についても阻害活性とフラグメント間相互作用エネルギーとの相関を計算する。もし相関が低い場合はどのような点に問題があるのかを考察し、必要であれば再計算を行う。その他、等温滴定型カロリメトリーにより自由エネルギー、エンタルピー、エントロピー変化が測定されている論文をいくつか取得していることから、これらについても同様に計算を行い、相関の検証を行う予定である。
ゲイト・モーフィングによる不整地2足走行の研究

1.走行制御の基礎実験として,身長127cm,体重31kg,全12自由度の人間型2足ロボットHRP-2LRを用いて,平地における走行,横走行,うさぎ跳び,片足飛び(けんけん)などの動作を実現した.ここで実現できた走行速度は時速0.58kmであった,走行の高速化を図るため,つま先にバネを挿入する改造を行いHRP-2LTとした.つま先バネを利用する走行パターン生成プログラムを開発し,これによって時速3kmの走行が可能であることをシミュレータ上で確認した.また,両脚ジャンプの実験を行い,空中期0.1s,床面からの高さ約3cmのジャンプを実現した.高速走行時にロボットの姿勢が乱れる問題に対処するため,腰Yaw軸を追加したHRP-2LYを開発した.Yaw軸周りの角運動量を胴体の回転により補償することによって,安定な時速3kmの走行が実現できることをシミュレーションにより確認した.2.ゲイト・モーフィングの考え方に基づき,ZMPの未来軌道の時間伸縮によってバランスを維持する安定化制御方式を検討した.これに基づき安定化制御付きのパターンジェネレータを開発し,シミュレーション上の2足歩行で±3cmの凹凸路面を踏破可能なことを確認した.3.従来のロボットの人間に比べ不自然な走行を改善するため,出力零化制御に基づく走行制御法を提案し,予め計算したパターンを用いることなくシミュレーション上で不整地上の走行と,時速10kmの安定な走行を実現した.1.走行制御の基礎実験として,身長127cm,体重31kg,全12自由度の人間型2足ロボットHRP-2LRを用いて,平地における走行,横走行,うさぎ跳び,片足飛び(けんけん)などの動作を実現した.ここで実現できた走行速度は時速0.58kmであった,走行の高速化を図るため,つま先にバネを挿入する改造を行いHRP-2LTとした.つま先バネを利用する走行パターン生成プログラムを開発し,これによって時速3kmの走行が可能であることをシミュレータ上で確認した.また,両脚ジャンプの実験を行い,空中期0.1s,床面からの高さ約3cmのジャンプを実現した.高速走行時にロボットの姿勢が乱れる問題に対処するため,腰Yaw軸を追加したHRP-2LYを開発した.Yaw軸周りの角運動量を胴体の回転により補償することによって,安定な時速3kmの走行が実現できることをシミュレーションにより確認した.2.ゲイト・モーフィングの考え方に基づき,ZMPの未来軌道の時間伸縮によってバランスを維持する安定化制御方式を検討した.これに基づき安定化制御付きのパターンジェネレータを開発し,シミュレーション上の2足歩行で±3cmの凹凸路面を踏破可能なことを確認した.3.従来のロボットの人間に比べ不自然な走行を改善するため,出力零化制御に基づく走行制御法を提案し,予め計算したパターンを用いることなくシミュレーション上で不整地上の走行と,時速10kmの安定な走行を実現した.走行制御の基礎実験として,身長127cm,体重31kg,全12自由度の人間型2足ロボットHRP-2LRを用いて走行,横走行,うさぎ飛び,片足飛び(けんけん)などの動作を実現した.実現された走行動作は接地期0.3s,空中期0.06s,平均速度0.58km/hであり,床面に凹凸の存在しない平地上で実験を行ったものである.走行の高速化をはかるため,HRP-2LRの足部にバネを挿入する効果についてシミュレーションを行い,適切なバネ定数を決定した.このバネ定数を実現するために,板バネ,ねじりコイルばね等を検討し,ねじりコイルばねを用いることで,必要なバネ定数と動作範囲が得られることを見出した.これを用いて走行中にはバネによるエネルギーの吸収・開放を行う一方,歩行中には通常の足部として機能するメカニズムを設計し,HRP-2LRの足部にこの機能を付加する改造工事を行った.ゲイト・モーフィングによる走行安定化制御の基礎的な解析として,目標軌道の時間スケーリング変化によるダイナミクスへの影響をシミュレーションにより検討し,適切な軌道パラメータの時間スケーリングによって有望な制御性能を得られる見通しを得た.加えて,足部と床面との接地特性を考慮した制御系の設計とシミュレーションをいくつか行い,その性能を評価した.また,人間型の走行ロボットにおける足首の制御論的な意味を考察するため,簡略化したモデルを用いて出力零化に基づく走行制御系を設計し,上半身の姿勢変化による速度制御,足首の構造によるエネルギー効率の違いをシミュレーションにより検討した.この結果,足部なしの点接触の走行に比較して,足部を持ったロボットのほうがエネルギー効率に優れていることが示された.つま先にバネをもつ走行ロボットHRP-2LTに対応した走行パターンジェネレータの開発を行った.つま先バネの特性を生かした走行を行うことによって,現状の関節モータを変更することなく,時速3km(支持期間0.3s,跳躍期間0.06s,一歩0.3m)の走行が可能なことを確認した.さらに,シミュレータ上で関節角度再生だけによる時速3kmの走行が可能なことを確認した.ただし,現状では姿勢の乱れが大きいため実機による実験を行う前に適切な安定化制御系を構築する必要がある.次に,ゲイトモーフィングの考え方を用い,ZMPの未来軌道の時間伸縮によってバランスを維持する安定化制御方式を検討した.その結果,予見制御に基づく歩行パターン生成システムに逆システムを追加し,ZMPの未来軌道の位相を適切にコントロールすることでバランス制御が可能なことを見出した.この手法をパターンジェネレータとして実装し,シミュレーション上で±3cmの凹凸路面を踏破できることを確認した.

一方,出力零化制御に基づく人間型ロボットの走行運動制御系を構築し,2次元シミュレーション上で時速10kmの安定した連続走行を実現した.この手法は,目標時間軌道をまったく用いずにロバストな走行運動を作り出せる点できわめて有望である.ハードウェアに関しては足部に既存のCFRPを用いた義足を取り付けるアダプターの開発,および,HRP-2LTのオーバーホールを行った.また,2足走行ロボットに要求される大トルクの出力に適した減速装置を考案し,試作を行って基礎的な原理を確認した.つま先にバネをもつ走行ロボットHRP-2LTを実際に走行させる予備実験として,爪先バネを利用した両脚ジャンプの実験を行い,空中期0.1s,床面からの足裏高さ約3cmのジャンプを実現した.また,ジャンプ実験の際にCPUがハングアップを起こす問題について,各種ノイズ対策を施すことにより解決した.また,走行パターンジェネレータの改良を行い,時速3km(支持期間0.3s,跳躍期間0.06s,一歩0.3m)の走行に関して,関節速度限界までの余裕が昨年度より大きなパターンを作成した.また,シミュレータ上でロボットの姿勢が乱れる問題に関しては,腰Yaw軸を追加し,Yaw軸周りの角運動量を胴体の回転により補償することによって,安定した走行が実現できることを確認した.さらにこれを実現するために,新たに腰Yaw軸ユニットと自立走行を可能とするバッテリーを追加した走行ロボットHRP-2LYを試作した.従来の研究に見られる人間の走行と比較して不自然な走行を改善し,より人間に近い自然な走行を実現するために,人間の走行運動を直感的に解釈して得られた出力関数を設定し,出力零化制御を行うことであらかじめ人間型ロボットの関節軌道を与えることなく自然な走行運動を実現できることを鉛直2次元平面内の数値シミュレーションにより示した.また,設定した出力関数中において走行を実現する上で重要な変数を選択し学習により最適化することで,多少の不整地面においても走行が実現できることを数値シミュレーションにより確認した.
植物の栄養感知に関わるシグナル伝達のリアルタイム可視化解析

このプロジェクトにおいて、我々は新しい低発光水平イメージングシステムを開発した。この新しいシステムは、自然な成長段階を経て生息する植物の根がもつ蛍光タンパク質が低発光イメージングをするためのものである。この新しい植物イメージングシステムを使うと、成長過程にある植物の根の二色蛍光イメージングを可能にしたり、生息する植物の組織内に存在する個々の細胞を区別することができる。よって、新しいイメージングシステムは最初に定めた4つのおもな目的を達成したことになる。その四つの目的とは、i)水平方向に育つ植物の観察をすること。ii)根の組織全体に存在する個々の細胞を区別できること。iii)培地の状態を変更しながら、成長中の根を少なくとも10時間以上の間に渡ってイメージングできること。iv)二色発光イメージングを可能にすること。以上。成長過程の植物の根のホウ酸濃度とその分布をイメージングするための指示薬を東京大学藤原徹先生のグループと共同で開発している。これまでに、ホウ酸に高い親和性で特結合するペプチド配列は知られていなかったが、その存在は有望視されていた(Transue et al. Bioconjug. Chem.2006)。本研究では、ホウ酸に結合する7から12残基の短いアミノ酸配列をファージディスプレイ法でスクリーニングした。168の候補配列には通常のモチーフ検索では明らかな共通配列は見られなかったが、詳細な解析により2残基以上連続するプロリン、セリン、スレオニンが多く存在することが明らかになった。ホウ酸はcis配置の水酸基のペアに強く相互作用することが知られている。現在16配列について親和性をさらに詳細に解析している。さらに、魚住信之先生(東京大学)日び隆雄先生(福井県立大学)らのグループと共同して植物体内でのKAT1カリウムチャネルの活性化をイメージングするための指示薬を開発した。この指示薬はsplit-GFPの補完を利用している。この指示薬の植物への適応と改良を進めている。また、生育中の植物を微小な光の下でイメージングするための顕微鏡を自作している。この顕微鏡は重力に対して自然な方向に置かれた状態で成長が観察できるように水平方向に設置されている。さらに、この顕微鏡のために培養液や気体の交換のできる新しいイメージングチャンバーを開発している。イメージングのための観察光としては定常的な光励起を行うことなく植物の根の長時間観察を行うために生物発光を選択した。この顕微鏡では微弱光での観察に適したEMCCDを用いている。550umから数ミリメーターでの視野での観察が可能であり、多色イメージングを行うための電動フィルターホイールを装備している。以上。
為替管理とその貿易収支に及ぼす影響 : バングラデシュ経済のグローバル化と日本の役割

70年代、80年代のアジア諸国の急速存経済成長は、輸出志向の国際貿易政策が重要な経済政策であること示した。その後の研究により、経済発展のどの段階にある国であっても、輸出競争力の強化が高い経済成長の基本的条件となることが示された。また輸出競争力に大きな影響を与えるのは為替レートであり、実質為替レートを反映した輸出競争力の強さで輸出部門を中心に成長を実現する例と、過大な為替レートを維持し非輸出部門を中心に成長する例があること、知られている。今年度は、引き続き、バングラデッシュの為替管理をめぐる経済環境およびその特徴を解析し、国際貿易競争力の特徴分析、インフレの主要因の解析、金融自由化と長期貨幣需要要因分析、貨幣流通速度の計測とその要因分析などをを行った。これらの成果は、各々、関連する専門誌に投稿中である。今年度は、この他に、インド、バングラデッシュおよびパキスタン間の経済取引を開放化し、統合することによる各国の便益、費用を計測するためのCGEモデルを構築した。大インド圏での経済統合は、政治的には問題の多いところであるが、各国が独自に抱える貧困、経済的脆弱性、地域格差問題などを解決するためには、そのような経済統合の合意に向けて何らかの一歩を踏み出すことが必要であることは認識されている。本研究は、その可能性を経済的メリットから分析し、克服すべき課題を浮き彫りにしたものである。過去には、T.A.Srinivasanによってそのような経済統合のメリットを分析した研究があるが、本研究ではこれとの比較研究が可能になるように諸条件を設定している。焦点は、自由な経済取引を妨げている各国の障害を取り除くことによる様々な便益を計測することである。この研究成果は、来年度の環太平洋国際地域学会東京大会で発表する予定である。70年代、80年代のアジア諸国の急速な経済成長は、輸出志向の国際貿易政策が重要な経済政策であること示した。また輸出競争力に大きな影響を与えるのは為替レートであり、実質為替レートを反映した輸出競争力の強さで輸出部門を中心に成長を実現する例と、過大な為替レートを維持し非輸出部門を中心に成長する例があることも知られている。バングラデシュは輸出志向であり、比較的高い競争力を持つことが知られている。しかしその強さを実現する要因についての研究は、なされていない。この研究では、南アジア諸国の国際競争力を複数の指標により比較し、統計的な手法によりその決定要因を推定した。研究の成果として、全ての比較指標において経済の輸出志向性、実質内外価格差、名目内外価格差が決定要因と推定されることが示された。この事よりバングラデシュの経済政策は過去20年の間に、輸出競争力を強化するために適切な為替政策が取られるように適切に修正されてきたと言える。今後の課題としては、輸出競争力の決定に関する非価格的要因も含め、更に詳細な要因の分析が必要である。
窒素に基づく地球大気・マントルの進化に関する研究

本研究では、窒素から眺めた地球大気・マントルの進化史を理解するために、窒素のふるまいに関する基礎データとして、窒素の気相/液相分配(珪酸塩メルトへの溶解度)、固相/液相分配(珪酸塩メルトと輝石間の分配)の2点について実験をおこなった。窒素の溶解度に関しては、温度(1300°C-1600°C)圧力(窒素分圧が0.5-1000気圧)の他に酸素分圧(IWバッファーの2桁下-10桁上)を大きく変えて実験をおこなった。窒素分圧依存性はリニアーでヘンリーの法則が成り立っている。温度依存性は小さい。実験条件の範囲内で酸素分圧依存性はみられず、窒素の溶解度はほぼアルゴンの溶解度に等しい。これらの実験結果はすべて、窒素が分子状態で珪酸塩メルトに溶解していることを示唆している。また、酸化的な雰囲気下で気相中に質量数30の窒素分子を過剰に加えておこなった実験では、メルトへの溶解時に窒素の同位体交換がおこらないことが示された。これは窒素が分子状態で溶解していることの直接的な証拠である。固相/液相分配の実験はピストンシリンダー型の装置を用いて、1万5千気圧、1350°C-1270°Cの条件で珪酸塩メルト-輝石結晶のペアを合成しておこなった。鉱物分離の後、それぞれのフェイズの中の希ガスと窒素の濃度を分析して分配係数を求めた。得られた固相/液相分配係数は、窒素で0.06、アルゴンで0.11で大差はなかった。以上ふたつの実験結果を総合して考えると、火成活動によって窒素と希ガスの分別はあまり生じないと結論づけられる。したがって、現在の地球大気とマントルの窒素/アルゴン36の比(1万と100万)が2桁も異なっていることは、火成活動による窒素と希ガスの脱ガス過程の差ではなく、他の過程(たとえばコア形成の際の金属鉄の寄与)を考える必要がある。温度依存性は小さい。本年度は、窒素の玄武岩メルトへの溶解度は酸素分圧にどのように依存するかを調べる実験をおこなった。雰囲気をコントロールできる炉の中で玄武岩メルトをつくり、窒素ガスと数時間平衡に置いたのち急冷した。できた玄武岩ガラス中の窒素濃度を分析し、それと雰囲気中の窒素ガス分圧とを比較することにより、窒素の溶解度を求めた。炉の中に、窒素ガスと同時にCO、CO_2ガスを流して酸素分圧を10^<-5>気圧から10^<-11>気圧までコントロールした。また窒素ガスは、質量数15の窒素のみを成分とする窒素ガス(^<15>N^<15>N)でラベルしたものを用い、過剰な^<15>Nの量を分析することにより、大気窒素の二次的な混入の影響を避ける工夫をした。窒素の溶解度は、ヘンリーの定数として、mol/g/atmという単位で求めた。得られた窒素の溶解度は、摂氏1300度のとき、(2-18)x10^<-9>mol/g/atmである。これは同時に測定したアルゴンの溶解度と比較すると数倍高い。また、酸素分圧が下がるほど窒素の溶解度が高くなる傾向が見られるものの、今回実験に用いた酸素分圧の範囲においては、桁がかわるほど著しい依存性は見られなかった。窒素の溶解形態に関しては面白い知見が得られた。

もとの窒素ガスは同位体的には非平衡であり、質量数30の窒素分子だけが過剰な状態にある。酸素分圧が比較的高い雰囲気で作成した試料から抽出したガスには同位体非平衡が残っていたが、酸素分圧が低い条件で作った試料から抽出したガスは既に平衡化していた。このことは窒素がメルトに溶解する際に一度解離したことを示唆する。窒素の溶解形態に顕著な違いが見られるのに、溶解度の酸素分圧依存性が強くないのは不思議である。さらなる実験が必要である。本研究では、窒素から眺めた地球大気・マントルの進化史を理解するために、窒素のふるまいに関する基礎データとして、窒素の気相/液相分配(珪酸塩メルトへの溶解度)、固相/液相分配(珪酸塩メルトと輝石間の分配)の2点について実験をおこなった。窒素の溶解度に関しては、温度(1300°C-1600°C)圧力(窒素分圧が0.5-1000気圧)の他に酸素分圧(IWバッファー2桁下-10桁上)を大きく変えて実験をおこなった。窒素分圧依存性はリニアーでヘンリーの法則が成り立っている。温度依存性は小さい。実験条件の範囲内で酸素分圧依存性はみられず、窒素の溶解度はほぼアルゴンの溶解度に等しい。これらの実験結果はすべて、窒素が分子状態で珪酸塩メルトに溶解していることを示唆している。また、酸化的な雰囲気下で気相中に質量数30の窒素分子を過剰に加えておこなった実験では、メルトへの溶解時に窒素の同位体交換がおこらないことが示された。これは窒素が分子状態で溶解していることの直接的な証拠である。固相/液相分配の実験はピストンシリンダー型の装置を用いて、1万5千気圧、1350°C-1270°Cの条件で珪酸塩メルト-輝石結晶のペアを合成しておこなった。鉱物分離の後、それぞれのフェイズの中の希ガスと窒素の濃度を分析して分配係数を求めた。得られた固相/液相分配係数は、窒素で0.06、アルゴンで0.11で大差はなかった。以上ふたつの実験結果を総合して考えると、火成活動によつて窒素と希ガスの分別はあまり生じないと結論づけられる。したがって、現在の地球大気とマントルの窒素/アルゴン36の比(1万と100万)が2桁も異なっていることは、火成活動による窒素と希ガスの脱ガス過程の差ではなく、他の過程(たとえばコア形成の際の金属鉄の寄与)を考える必要がある。
軽元素同位体制御工学の実現に向けたダイヤモンドの物性解明

同位体制御した結晶材料は、シリコンでは材料物性そのものは不変であるが、ダイヤモンドで12C純化した結晶は物質中最高の熱伝導がさらに1.5倍になるなど、「別物質」のような物性を有する。本研究では弾性・熱、光学、電子・量子に関して、物性そのものにフォーカスして計測・解析を行い、同位体制御の効果が物性に及ぼす影響を研究している。「ありふれた軽元素から極めて有用な物質創生」を視野に、同位体に関する知見を得ることを目的として研究を進めた。同位体制御合成に関しては、昨年度見出した高品質ダイヤモンド成長条件を用いて、12C(99.95%)の自立結晶の成長に成功した。また13Cと12Cとの存在比を意図的に制御した結晶を、0.1mm以上の厚みで作製することに成功した。弾性・熱物性に関して、格子定数、弾性定数精密計測の展開として、最近の注目材料である高濃度ドープダイヤモンドの計測を行った。電気抵抗率が1015変化するのに対し、弾性定数はC11で-0.42%の変化に留まるなど、興味深い知見が得られた。光学物性に関して、深紫外CWレーザーを用いた極低温下フォトルミネッセンス(PL)測定により、12Cと13Cの励起子(エキシトン)発光を評価した。その結果、ダイヤモンドのフォノンおよびエキシトンに対する同位体効果を精密に定量することに成功した。電気電子物性計測用に、12C層のみ、13C層のみの厚膜エピタキシャル層および、60nm超薄膜の積層構造を形成した。スウェーデンのウプサラ大学において、飛行時間法(Time of flight)によるキャリア移動に関する実験を実施した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。「ありふれた軽元素から極めて有用な物質創生」を視野に、同位体に関する知見を得ることを目的とする。以下、項目ごとに概要を記載する。A-0)同位体制御ダイヤモンド合成:既合成の13C高温高圧基板(試料サイズは2mm角強)を計測のために、レーザー切断による切出し(表面(001)(00-1)、側面(110)(-110)(-1-10)(1-10))及び研磨加工を実施し、光学的計測を実施した。A-1)弾性・熱物性:格子の基本データとして、温度を±0.01°Cに制御した4結晶対称反射型モノクロによる超高測定精度を有するX線回折装置で、かつ各種補正及びブラッグ角依存補正関数を正確に求め、ダイヤモンドの超精密格子定数計測を行うことが可能になった。天然組成の高温高圧による絶縁性結晶で、これまでの最高精度(小数点以下7桁)で格子定数3.5670616Aを求めることができた。高精度かつ共焦点可能なラマン分光によりダイヤモンドの格子振動に関するマッピング計測を実施し、本年度は天然組成結晶で有効性を確認した。A-2)光学物性:高温高圧法によって作製された(001)面と(111)面ダイヤモンド(12C)に対して,極低温下における一軸性応力下フォトルミネッセンス・微分吸収分光法を行い、両実験結果の比較・検討を行った。本研究によって、ダイヤモンドの自由励起子遷移が一軸性応力によって分裂することが初めて観測された。項目ごとに進捗を記載する。A-0)同位体制御ダイヤモンド合成:既合成の13C高温高圧基板(試料サイズは2mm角強)を計測のために、レーザー切断による切出し及び研磨加工を実施し光学的計測を実施した。光学的に異質な部分が同位体濃縮結晶中に含有されており、測定に影響を及ぼした。今後、含有物の除去と併せて、最適条件で成長したCVD結晶の利用を検討していく。天然組成のHPHT絶縁結晶で、これまでの最高精度(小数点以下7桁)で格子定数3.5670616Aを求めることができ、計測手法として確立することができたので、今後同位体材料に展開する。A-2)光学物性: 12Cダイヤモンドの自由励起子遷移の応力依存性を実験的に得ることができたので,理論と比較することにより12Cダイヤモンドの物性定数の抽出を行っているところである.これらは同位体効果を抽出するための基盤的知見に繋がると考えている。A-3)電気・量子物性:本年度の計画外である。

「ありふれた軽元素から極めて有用な物質創生」を視野に、同位体に関する知見を得ることを目的とする。以下、項目ごとに概要を記載する。A-0)同位体制御ダイヤモンド合成:酸素を高濃度に供給する成長条件を適用することで、ダイヤモンド厚膜の結晶性を向上できることを見出し、この条件で12C同位体濃縮ダイヤモンド厚膜を成長できる条件を見出した。A-1)弾性・熱物性:超精密測定による格子定数に関して、12C,13C同位体制御ダイヤモンド結晶の計測を実施し、補正項の関連で、従来格子定数は小さく評価されていることが明らかになった。またブリルアン振動法を用いた13C同位体制御ダイヤモンドの弾性定数計測を行い、微小な差を計測することが出来た。A-2)光学物性:深紫外CWレーザーを用いて12Cと13Cのフォトルミネッセンス(PL)スペクトルの温度依存性を評価した。CWレーザーにより極低温励起子を生成することが可能となり、非常に線幅の細いPLスペクトルから12Cと13Cのバンドギャップ差を精密同定することに成功した。また12C/13C超格子試料の時間分解PLスペクトルを世界で初めて取得し、その時間ダイナミクスに関する考察を行った。A-3)電気量子物性:バルク及び薄膜に関して、移動度計測を低温から高温まで実施し、同位体制御の電子物性への依存性を計測するべく、ホール計測のための素子形成プロセスを実施した。項目ごとに進捗を記載する。A-0)同位体制御ダイヤモンド合成:酸素を高濃度に供給する成長条件を適用することで、ダイヤモンド厚膜の結晶性を向上できることを見出した。この条件で12C同位体濃縮メタンを原料に用いることで、12C同位体濃縮ダイヤモンド厚膜を成長できる条件を見出した。A-1)弾性・熱物性: H28年に計測技術を確立した超精密測定による格子定数に関して、12C,13C同位体制御ダイヤモンド結晶の計測を実施した。過去の計測結果と、比較評価することが出来た。補正項の関連で、従来格子定数は小さく評価されていることが明らかになった。例として、弾性定数C11は1075.4GPaと計測され、文献値に比べてわずかに-0.3%であることなどが判明した。A-2)光学物性:深紫外CWレーザーを用いて12Cと13Cのバンドギャップ差の精密評価を行うことができたので、本内容については現在論文に取り纏めているところである。また、12C/13C超格子試料の時間分解PL測定については実験結果が出始めたばかりであり、条件を振って実験を行うことで、そのキャリアダイナミクスの解明に取り組んでいる。次年度計測を行う予定である。同位体制御した結晶材料は、シリコンでは材料物性そのものは不変であるが、ダイヤモンドで12C純化した結晶は物質中最高の熱伝導がさらに1.5倍になるなど、「別物質」のような物性を有する。
分子レベル制御による細胞膜タンパク質の生体電子移動過程高速化の研究

本研究課題の目的である、生体電子移動の高速化へ向けて、鉄還元細菌Shewanellaをモデル細胞として用い、その細胞外電子移動をその場観察するための分光、ならびに電気化学的手法の開拓を行った。これまでにも、微生物の界面電子移動機構については、精製タンパク質や遺伝子解析を用いた研究が盛んに行われている。一方で、in-vivo条件下において細胞膜上で機能するタンパク質の働きを直接捉えることは実験的に大きな困難を伴うため、多くの点でその機構は未解明のままであり、報告されている電子移動機構の多くは、推測の域を出ないものになっていた。以上の観点から、本研究員は微生物アノード電流密度の向上を目的として、該当分野のモデル微生物である鉄還元細菌Shewanellaを研究対象に、生体電気化学、ならびに分光学的手法の開拓を行うことで、in-vivo電子移動機構にこれまで3年間迫ってきた。その中で、in-vivo電子移動追跡法を開拓し、世界で初めて膜タンパク質の電気化学シグナルの帰属をタンパク質レベルで決定し、EET追跡法の確立を行った。これらの成果は総説執筆の依頼を受け、書籍RecentTrend in Electrochemical Science and Technologyの中の一章として掲載されている。本年度、これまでに開拓したin-vivo電子移動追跡法を基に本研究員は鉄還元細菌Shewanella自己分泌物であるフラビンのEETにおける役割を検討した。フラビン分子によってEETが10倍程度直ちに高速化することが既報において実験的に確かめられており、微生物と電極の間をフラビン分子が電子メディエーターとして拡散・往復する「シャトリングモデル」がそのEET高速化機構として考えられていた。しかし、この高速化モデルには膜タンパク質からフラビンへの間に大きなエネルギー障壁があり、電子移動が熱力学的にほとんど進まないという決定的な矛盾があった。そこで、本研究員がフラビン分子と膜タンパク質の相互作用に関して、in-vivo電気化学の手法を用いることで詳細に調べたところ、膜タンパク質のひとつMtrCとフラビン分子が特異的に相互作用していること、さらにそのMtrCと相互作用しているフラビン分子の量が微生物代謝電流値と正比例の関係にあることを実験的に確かめた。さらにこのような膜シトクロムとフラビン分子の相互作用は、既存のフラビン結合サイトを持っていない膜タンパク質を持つ他微生物においても普遍的な現象であることがその後の実験から明らかになっており、新たなフラビン分子結合サイトの発見に繋がる、生化学の分野において極めて学術的意義の高い成果となることが期待される。本研究員はこの他にも、微生物が集団内で長距離の電子移動過程を媒介する機構にin-vivo電子移動追跡法を基に迫り、微生物燃料電池など実用的な分野へ貢献する成果を世界的学術雑誌であるBioelectrochemistryにおいて発表した。また、EET機構の成果を基に鉄パイプライン防蝕技術の共同開発をJX日鉱日石エネルギー株式会社と行っている。申請者は、今年度の研究において最近微生物燃料電池の分野で盛んに研究されているモデル微生物である鉄還元微生物Shewanellaを用いて、微生物と電極界面における電子移動反応の動力学を分子レベルで検討した。その結果、これまで長年に渡り直接的な証明がなされていなかったShewanella細胞の酸化還元波という電気シグナルの帰属に世界で初めて成功し、その成果を世界的な学術雑誌であるChemBioChemに報告した。具体的な内容としては、まず計画書に書いたようにShewanella細胞内中でも細胞外内膜に存在するシトクロムの吸収スペクトルだけを観測するシステムを用いて、細胞膜シトクロムの活性中心であるヘム鉄と酸素、ならびに一酸化炭素との反応を直接的に分光追跡した。ここで、一酸化炭素とシトクロムが反応すると酸化還元電位は大きく安定化するので、反応後の細胞膜シトクロムを電気化学的に評価してやると、観測していた酸化還元波が一酸化炭素との反応に伴い、期待した酸化還元電位の安定化を示した。以上の結果は、酸化還元波が細胞膜シトクロムに帰属されることを直接的に示す初めて結果となる。さらに、我々は培養条件を工夫することで微生物が一層から二層程度の厚さで電極に張り付いた電極を作成し、その時の酸化還元波を解析した。その結果、これまでわかっていなかった生細胞における電子移動過程の動力学や細胞表面におけるシトクロムの表面被覆率を明らかにすることに成功した。また、以上の成果に基づいて、現在までに研究が大きく進展している。生細胞を用いてシトクロム電子移動過程の温度依存性を検討したところ、5Kという非常に小さい温度変化によって電子移動速度が急速に上昇するという現象を発見した。さらにこのような電子移動速度の加速現象は、9個ある細胞膜シトクロムのうちの一つを遺伝子破壊した際には全く観測されなかった。このことは、細胞膜に存在するシトクロム群が協同的に電子移動機能を発現していることを示す初めての結果であり、燃料電池の実働を考える際に重要な温度条件における知見として重要であるため、現在マイクロアレーなどの分子生物学低手法を用いてより詳細に検討を行っている。Shewanella菌は、細胞膜表面に局在化したシトクロムを介して、細胞外に存在する電極などの固体物質に電子を放出することが報告されている。しかし、生細胞は種々の酸化還元分子をその外部に分泌することから、生細胞の電気化学シグナルを特定の蛋白質に帰属し、かつその細胞外電子移動過程を追跡することは困難であった。

そこで、申請者は、シトクロムの活性中心であるヘム鉄がNOに高い反応性を有することに着目し、ヘム鉄-NO錯体を生細胞において形成させることで、シトクロム酸化還元特性を選択的に変調させることに成功した。さらに、細胞外シトクロムの遺伝子破壊株を用いることによって、電気化学シグナルのタンパク質レベルでの同定を行った。その結果、細胞膜タンパク質複合体であるOmcA-MtrCAB複合体が直接型電子移反応を媒介し、その電子移動過程が分泌酸化還元分子と比較して100倍以上もの速度で進行することを明らかにした。以上の成果は、Electrochemica Acta(Elsevir)にフルペーパーとして受理された。また、申請者は、長距離電子伝達経路構築によって微生物代謝電流値を増加させる目的で様々な導電物質と微生物の相互作用を検討した。その結果、Shewanella菌が酸化鉄や硫化鉄など自然界に豊富に存在する鉱物材料と共存する環境において、細胞外電子伝達能が飛躍的に向上すること、そして微生物の代謝過程に由来する電流値が100倍程度にまで大幅に増大する現象を見出した。分光学的ならびに電気化学的解析より、この現象が、微生物が鉄鉱物の金属や半導体特性を利用することでシトクロムを介した長距離電子伝達経路の形成に由来することを明らかにした。これまで、細胞外電子移動の効率化を目的とし、電子メディエーターの添加や電極の表面修飾法が用いられてきた。酸化鉄や硫化鉄のような豊富に存在している鉄固体材料によって電流密度が大幅に増加したことは、環境調和型エネルギー変換システムへの構築に向けて、重要な知見であると考えられる。本研究課題の目的である、生体電子移動の高速化へ向けて、鉄還元細菌Shewanellaをモデル細胞として用い、その細胞外電子移動をその場観察するための分光、ならびに電気化学的手法の開拓を行った。これまでにも、微生物の界面電子移動機構については、精製タンパク質や遺伝子解析を用いた研究が盛んに行われている。一方で、in-vivo条件下において細胞膜上で機能するタンパク質の働きを直接捉えることは実験的に大きな困難を伴うため、多くの点でその機構は未解明のままであり、報告されている電子移動機構の多くは、推測の域を出ないものになっていた。以上の観点から、本研究員は微生物アノード電流密度の向上を目的として、該当分野のモデル微生物である鉄還元細菌Shewanellaを研究対象に、生体電気化学、ならびに分光学的手法の開拓を行うことで、in-vivo電子移動機構にこれまで3年間迫ってきた。その中で、in-vivo電子移動追跡法を開拓し、世界で初めて膜タンパク質の電気化学シグナルの帰属をタンパク質レベルで決定し、EET追跡法の確立を行った。これらの成果は総説執筆の依頼を受け、書籍RecentTrend in Electrochemical Science and Technologyの中の一章として掲載されている。