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原, 武史

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報告番号 甲 第   15356 号 
主 論 文 の 要 旨 
論文題目 放射光 X線回折を用いた 
精密価電子密度解析による 
分子性結晶の研究 
(Research on Molecular Crystals by 
Precise Valence Electron Density 
Analysis Using Synchrotron X-ray 
Diffraction) 
氏  名 原 武史 
論 文 内 容 の 要 旨 
1. 序論
昨今の目覚ましい合成技術の発展により、世界中で新物質の合成が日々絶えまなく報告
されている。新たに合成された物質は、物理、化学、生物といった様々な視点・アプローチ
によって研究され、基礎科学の発展から科学技術の応用まで展開される。このように急速か
つ広い分野に渡り進化していく物質科学において、分子を基本的な構成要素とする分子性
結晶は一際大きな注目を集める。周期表に数えられる原子は 120 種類程度であるが、複数
の原子の集合体である分子は数千万種類を優に超える。この膨大な分子の組み合わせから
なる分子結晶は多彩な物性開拓の場として期待され、物性研究における重要な研究対象の
ひとつとなっている。例えば物理の分野では、分子の構造及び軌道が異方性であることに由
来した低次元な電子構造によって生み出される低次元物性や、分子修飾や分子置換により
生じる化学圧力によってバンド構造、電子物性を制御するなどの研究がなされてきた。近年、
物質中を伝搬する電子がまるで質量を持たないかのように振舞うことで物理学の分野で大
きな注目を集めるディラック電子系がバルクで発現する初の物質もこの分子性結晶の枠組
みで発見され、精力的な研究が展開されている。 
分子性結晶の物性を解明するためには、結晶中の分子配列と分子そのものの電子状態を
理解することが重要である。分子の構造や配列については X 線構造解析や核磁気共鳴法
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(Nuclear Magnetic Resonance: NMR)が一般的な手法として用いられている。一方、分子
の電子状態や分子軌道に関する情報は、分光学的な実験手法や密度凡関数理論(Density 
Functional Theory: DFT)などの第一原理計算をはじめとした量子化学計算がよく用いられ
る。近年ではMetavalent結合や Bent結合など単純な混成軌道では表現できない化学結合
が提案され、複雑な化学結合が次々と提唱されている中、実際に化学結合状態を実験的に明
らかにすることの重要性はますます高まっている。そこで、筆者は放射光 X 線回折により
結晶内部の価電子密度分布を実験的に観測する Core Differential Fourier Synthesis 
(CDFS)法に注目した。本研究ではこの CDFS法によって分子内部の価電子密度分布を観測
し、分子の電子状態を実空間から理解することを目的とした研究を行った。本論文は二つの
研究から構成される。前半では近年ディラック電子系候補物質であることが理論的に提案
された型分子性導体について、散漫散乱と超格子反射を含めた構造解析による化学ポテン
シャルの決定及び価電子密度解析による構造物性研究を実施した。後半ではより精密かつ
高分解能な価電子密度解析を追求するため、標準的な分子性結晶(Glycine及び Cytidine)を
対象とした研究を実施した。 
 
2. ディラック電子系候補物質型分子性導体に関する構造研究 
分子性導体-(EDO-S,S-DMEDT-TTF)2(AuBr2)1+y (y ~ 0.75) [EDO-S,S-DMEDT-TTF = 
ethylenedioxy-S,S-dimethylethylenedithio-tetrathiafulvalene]は 1996 年に合成されて以
来、その特殊な結晶構造と低温の輸送・磁気特性が注目を集め研究されてきた。平板分子か
らなる分子性結晶では、軌道間の遷移積分によるエネルギー利得を最大化するため分子が
積層する結晶構造をとることが一般的である。一方、本系は左右非対称な平板ドナー分子
EDO-S,S-DMEDT-TTFが直線型アニオン AuBr2 を取り囲むように直交しながら四回回転
対称性に近い二次元的な伝導面を形成する。このユニークかつ高対称な分子配列は型配列
と呼ばれ、型配列の二次元伝導面(EDO-S,S-DMEDT-TTF)2(AuBr2)1 と、不定組成比 y の
直線型アニオン AuBr2から構成される絶縁層(AuBr2)yとが交互に積層することで、正方晶
の結晶構造が形成される。2019 年に型配列に由来して本系はディラック電子系を実現す
るバンド分散を有することが理論的に示された。また、熱処理によって伝導面の構造を保持
しつつ絶縁層の AuBr2 分子を分解し、系全体の化学ポテンシャルをコントロール可能であ
ることが報告されており、ディラック電子系の研究において興味深い特性を有する。 
一方、先行研究における単結晶 X 線回折では、特徴的な散漫散乱が室温から低温まで存
在することに加え、240 K 以下では超格子反射が生じ構造相転移を示すことが報告された
が、これら散漫散乱の起源及び低温相の結晶構造については未解明であった。また実験的な
絶縁層の不定組成比 y の値の不一致も報告され、低温でのフェルミ面の形状も含めて議論
が収束していない。本系のディラック電子系としてのポテンシャルを追求するためにも、結
晶構造の詳細を明らかにする必要がある。そこで、本研究では単結晶試料を用いた放射光 X
回折実験を行なった。 
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まずは散漫散乱の起源解明に取り組んだ。単結晶 X 線回折のデータから、二次元的な広
がりを持つ散漫散乱面が絶縁層を構成する AuBr2 一次元鎖から生じていることを明らかに
した。この AuBr2一次元鎖内では、AuBr2分子がブラッグピークから求まる正方晶の格子
定数よりも大きな間隔で長距離秩序しており、この間隔は散漫散乱の周期から求めること
ができる。この散漫散乱の周期から本系の不定組成比yは0.88程度と見積もることができ、
この値は Shubnikov-de Haas振動の測定が報告された先行研究で見積もられた値とも良く
一致することがわかった。また散漫散乱内の強度分布は完全に一様ではなく、modulation
が存在する。この modulation のパターンを解析することで、絶縁層中では AuBr2 一次元
鎖間に C底心構造の短距離相関を持つことが明らかとなった。 
240 K 以下で観測された超格子反射は、伝導層内での EDO-S,S-DMEDT-TTF 分子の風
車型配列に起因することを、構造モデルを用いた回折パターンのシミュレーションによっ
て突き止めた。この超格子構造は EDO-S,S-DMEDT-TTF 分子が非常に大きな長軸をもつ
ことに由来して、伝導層-伝導層間が大きく隔たれることによって、積層方向にはユニット
セル 1つ程度の短距離秩序を示す。また、低温相では分子の非対称性が緩和され、電子状態
が変化している挙動も結合長や価電子密度分布から観測された。一方で、構造相転移に伴う
明確な物性の変化が観測されていないため、相転移のメカニズムは不明であるが、4回回転
対称性に近い高対称な型配列に特徴的な分子変位に関係する可能性がある。 
 
3. 分子結晶を対象とした超精密価電子密度解析の実現 
CDFS法では、測定する回折データのクオリティが得られる結果に直接反映されるため、
十分なデータの精度と分解能を考慮した実験を行うことが重要となる。CDFS 法を用いた
先行研究では、無機結晶内の価電子密度分布から、金属イオンに局在した電子の軌道状態の
解明に成功してきた。一方で、分子性結晶については、分子上に滑らかに分布する価電子密
度分布の報告にとどまっており、分子軌道の状態について波動関数のレベルで議論するた
めのデータの精度と分解能は明らかとなっていなかった。 
本研究では、アミノ酸の中で最も単純な構造を持つ Glycine 分子結晶及び RNA や DNA
の構成要素として知られる Cytidine分子結晶を用いて、分子性結晶における価電子密度解
析の精度と分解の限界に挑戦した。非常に高い実空間分解能(dmin < 0.30 Å)で観測した結果、
分子内の価電子密度分布は、分子全体を包絡的に分布するというよりは原子周囲や結合上
にノード構造を持つ微細な分布を示すことが明らかになった。これらの微細な構造は実験
誤差に由来したノイズではなく、結合に寄与する波動関数(炭素の 2s 軌道)のノード構造や
電子間相互作用の影響により本質的に生じるものであることを、孤立原子の波動関数を用
いた単純な理論モデルや、長距離電子相関まで考慮された高精度な LC-DFT 計算との比較
を通じて明らかにした。また、実験価電子密度分布は結合次数の差異を明瞭に識別できるだ
けの分解能と精度を有するだけでなく、化学共鳴に伴う電子状態や、結晶場及び分子間相互
作用の影響を反映した特徴も観測することができた。 
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さらに、実験価電子密度分布と理論価電子密度分布の間には、熱振動の影響と空間分解能の
取り扱いの違いに起因する定性的・定量的な差が存在することを明らかにした。これらの差
異を補正する方法を検討することは、価電子密度分布における実験と理論の完全な比較を
実現するための今後の課題である。 
 
4. 総括 
本研究では、放射光 X 線を用いた分子性結晶の構造物性研究及び価電子密度分布に関す
る研究を行った。前半ではディラック電子候補物質である型分子性導体-(EDO-S,S-
DMEDT-TTF)2(AuBr2)1+yに取り組み、室温から低温まで存在する散漫散乱の起源及び低温
相の結晶構造を明らかにすることに成功した。これによって本系のディラック電子系とし
ての物性研究が進むことが期待される。 
続いて後半では、標準的な分子性結晶 Glycine と Cytidine を用いて、超精密な価電子密
度解析に取り組んだ。価電子密度分布から分子の電子状態を理解するために必要な精度と
分解能を明らかにするとともに、観測価電子密度分布と理論計算による価電子密度分布を
本質的に比較するためには分解能や熱振動の差を考慮する必要があることを突き止めた。
本研究を通じて分子性結晶を対象とした超精密な価電子密度解析に関する測定及び解析の
知見が蓄積され、価電子密度解析の手法が機能性分子や物性に興味が持たれる系に適応可
能であることを明確にした。 


Japanese

放射光X線回折を用いた精密価電子密度解析による分子性結晶の研究

廖, 聖豪

LIAO, Shenghao

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
Development of High-Temperature Latent Heat Storage Material
Containing Molten Salts
(溶融塩を内包した高温潜熱蓄熱体の開発)
第       15368
論   文   題   目
氏　　 　名 廖　聖豪
甲
論文審査の結果の要旨および担当者
論文審査担当者
教授 北　英紀主査 名古屋大学 工学研究科
准教授 山本　徹也委員 名古屋大学 工学研究科
教授 菊田　浩一委員 名古屋大学 工学研究科
教授 吉田　克己委員 東京科学大学 総合研究院
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
廖 聖豪君提出の論文「Development of High-Temperature Latent Heat Storage Material Containing 
Molten Salts（溶融塩を内包した高温潜熱蓄熱体の開発）」は、工業炉等から排出される高温廃熱の有効利用に資
する高温用潜熱蓄熱材の開発を目指し、コア材となる溶融塩/セラミックス粒子複合体、籾殻灰を主原料とした高
放射型セラミックスシェルの開発、及びそれらの技術を統合したコアシェル構造を有する潜熱型蓄熱体の性能と基
礎耐久性を明らかにしている。各章の概要は以下の通りである。
第1章では、当該研究の背景と既往研究の特徴や課題をふまえ、研究の目的を述べている。
第2章では、NaCl/Al2O3粒子複合材を開発し、同材料は溶融しても形状保持が可能であることを明らかにしてい
る。
第3章では、NaCl/Al2O3粒子複合材の溶融-凝固に伴う構造変化及び形状保持機構の解明と耐久性を明らかにして
いる。
第4章では、籾殻灰を主原料として還元剤などの助剤を添加して作製した焼結体が、透光性を有する母相中に放射
率が高い相が分散した構造を形成していること、同組織が特異な輻射伝熱機構をもたらすことを述べている。
第5章では、先行実験として、高い放射率を有する黒色アルミナ中空体を水素燃焼下で加熱した場合の昇温特性及
び蓄熱性能をエクセルギーに基づき評価し、輻射伝熱を利用した蓄熱の有効性を明らかにしている。
第6章では、第5章で評価した黒色アルミナをシェル材、NaCl/Al2O3粒子複合材をコアとして内包させた蓄熱材を
作製し、長時間暴露前後の性能評価結果から同部材が高い安定性を有することを明らかにしている。
第7章では、第4章で開発した籾殻由来のセラミックスをシェル、NaCl/Al2O3粒子複合体コア材として作製した蓄
熱体の特性評価を行い、優れた蓄熱性能を有していることを示している。
第8章では、本研究の結論を与えている。
以上のように本論文では、濡れ性を制御したNaCl/Al2O3粒子複合コア材、籾殻灰を主原料とする高放射率を有
するシェル材を開発した。それらの技術を統合することで溶融塩を内包した高温潜熱蓄熱体を作製し800℃以上の
高温環境で昇温速度が速く、繰り返し加熱安定性に優れた性能を有することを明らかにした。開発成果は、使用過
程だけではなく製造過程における環境負荷、エネルギー消費の大幅な削減が見込めるものであり、広く普及すれば
CO2削減にも寄与するところが大きい。よって、本論文の提出者である廖 聖豪君は博士（工学）の学位を受ける
に十分な資格があると判断した。
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English

Development of High-Temperature Latent Heat Storage Material Containing Molten Salts

河邉, 佑典

KAWABE, Yusuke

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主 論 文 の 要 約
論文題目 固液界面反応の解明に資するナノ電気化学
イメージング技術の開発と応用
(Development of nanoscale
electrochemical imaging techniques for 
the elucidation of solid-liquid interface 
reactions) 
氏  名 河邉 佑典 
論 文 内 容 の 要 約
研究背景および目的 
持続可能な社会の実現には、効率的なクリーンエネルギーの製造および貯蔵技術の発展
が重要であり、電解液-電極間で起こる固液界面反応が注目されている。触媒反応を利用し
たエネルギー製造の例として、水の電気分解による水素生成と酸素生成、CO2還元反応によ
る有用化学物質への変換が挙げられる。また、エネルギー貯蔵技術には、リチウムイオン電
池、燃料電池、電気二重層キャパシタ（EDLC）などが挙げられる。これらの効率を向上さ
せるため、結晶方位や結晶粒界などの構造に依存した固液界面反応を巧みに利用した材料
開発が進められてきた。さらなる効率化には、電極材料の表面構造と固液界面反応の関係を
理解することが不可欠である。 
材料表面における構造と固液界面反応の関係は、走査型プローブ顕微鏡（SPM）や分光
学的手法と、電極-電解液間の電子授受を捉える電気化学計測を組み合わせることで理解さ
れてきた。しかし、SPMは局所的な電子電導度や形状変化の計測には有効であるものの、
化学反応そのものを直接観察することはできない。分光学的手法は材料表面の構造や特性
を明らかにするものの、反応中間体の定量や直接的な電気化学反応の情報取得は困難であ
る。さらに、従来の電気化学計測では、試料全体を電解液に浸漬するため、電気化学応答が
平均化され、局所的な触媒活性を正確に評価することができない。そのため、表面構造と固
液界面反応を直接的に結び付けることが困難であった。 
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走査型電気化学セル顕微鏡（SECCM）は、ナノスケールでの表面形状と電気化学応答を
同時に計測できる技術である。本研究では、SECCMの計測技術の開発や、蓄電材料および
触媒材料の応用研究を行った。蓄電材料研究では、EDLC 電極材料である活性炭とプロピ
レンカーボネート（PC）の界面での構造特異的な劣化反応を評価した。触媒材料研究につ
いては、構造特異的な酸素還元反応（ORR）および CO2還元反応の評価を行った。SECCM
技術の開発と応用によって、構造と固液界面反応の関係を理解し、適切な電極材料設計のた
めの指針の提示を目指した。 
第一章 序論 
本研究で取り扱う蓄電材料および触媒材料の表面における構造と固液界面反応の関係解
明に関する先行研究について説明し、本研究全体の目的および意義について述べるととも
に、本研究の位置づけを明確にした。 
第二章 実験装置及び実験方法 
本研究で主に使用した SECCM の計測原理および装置構成に加えて、一般的に行われる
バルクでの電気化学計測手法や、試料の特性評価に用いる走査型電子顕微鏡などについて
説明した。 
第三章 蓄電材料研究への応用 
高出力エネルギーデバイスとして知られている EDLC の電極材料表面で起こる構造特異
的な劣化反応を、SECCMを用いて評価した結果を述べる。EDLCの電極には一般に、比表
面積が大きく電位窓の広い活性炭電極が利用される。一方でこの活性炭電極は、高い電位を
印加すると電解液と電極間で起こる酸化還元反応によって電極が劣化することが知られて
いる。活性炭は主にエッジ面とベーサル面の二つの構造を有しており、構造の割合を特定し
た電極材料の劣化反応を電気化学計測により評価することで、構造に依存して異なる劣化
反応が進行することが明らかにされてきた。しかし、従来の電気化学計測では、試料全体を
電解液に浸漬させるため、構造依存的な劣化反応を直接的に捉えることが困難であった。 
本研究では、エッジ面およびベーサル面の特定が比較的容易な炭素材料である高配向性
熱分解グラファイト(HOPG)を試料に用い、各面で起こる劣化反応を SECCM により直接
評価した。SECCM イメージングにより、HOPG におけるエッジ面およびベーサル面を識
別し、各面で局所的にサイクリックボルタンメトリー (CV) 計測を行うことで、各面での劣
化反応の違いを評価することに成功した。その結果、ベーサル面と比較してエッジ面におい
て優先的に劣化反応が進行することが分かった。さらに、電流応答と電位の関係を先行研究
と照らし合わせることで、エッジ面においては、PC による官能基の酸化や電解液中の水分
と酸素官能基の反応、ベーサル面においては電解液の分解および重合が優先的に起こるこ
とを示した。この結果は、エッジ面において優先的に電気化学的な劣化反応が起こることを
裏付けるものであり、エッジ面の少ない電極材料の開発による EDLC の性能向上が期待さ
れる。  
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第四章 酸素還元研究のための SECCM技術の開発及び応用 
燃料電池のカソード電極として使用される Pt の表面構造および電解液依存的な ORR 活
性を、SECCMを用いて評価した結果について述べる。燃料電池の効率向上には、カソード
での ORR活性の向上が重要であり、Ptはその高い ORR活性から最も有望な触媒とされて
いる。しかし、Pt は高価で資源も限られるため、活性の向上により使用量を削減する必要
がある。Pt触媒の ORR活性は、結晶構造（結晶方位や粒界）や表面へのアニオン吸着に大
きく影響される。そのため、高性能な Pt触媒を開発するには、これらの影響を正確に理解
することが重要である。先行研究では、低指数面における結晶方位依存的なアニオン吸着が
主に調査されており、H2SO4中では ORR活性の序列が Pt(110) > Pt(100) > Pt(111)、HClO4
中では Pt(110) > Pt(111) > Pt(100)であることが示されている。両電解液において Pt(110)
が最も高い活性を示す一方、Pt(111)と Pt(100)の活性序列は電解液によって異なり、H2SO4
中では Pt(111)への硫酸アニオン吸着が O2 吸着を阻害することが原因であることが知られ
ている。Pt 電極の ORR 活性に対するアニオン吸着の影響は、高指数面についても研究が
すすめられている。一方で、高指数面におけるアニオン吸着の影響についても研究が進めら
れているが、単結晶電極の製造が難しく、安定性も低いため、網羅的な調査は依然として困
難である。 
本研究では、SECCMと電子後方散乱回折法（EBSD）を用いることで、0.1 M HClO4お
よび 0.05 M H2SO4において、多結晶 Pt 電極の ORR活性に及ぼす結晶方位依存的なアニ
オン吸着の影響を評価した。また、結晶方位に依存した Pt 電極の ORR 活性を網羅的に調
査するため、SECCM による広範囲イメージング技術を開発した。さらに、Pt 電極のアニ
オン依存的な ORR 活性の正確な測定のため、SECCM の各計測点において LSV 測定の前
に CVによる電気化学クリーニングを行う手法を確立した。SECCMによる ORR活性イメ
ージングの結果から、(111)に近い配向を有する結晶粒は(100)や(110)に近い配向を有する結
晶粒よりも高い ORR 活性を示すことが明らかになった。さらに、結晶方位にかかわらず、
ORR電流はHClO4に比べて H2SO4で低い値を示した。これは、硫酸アニオンが Pt表面へ
の O2吸着を抑制していることを示唆しており、(111)に近い配向を有する結晶粒で特に顕著
であった。これらの結果は、効率的な ORR 活性を持つ Pt 系触媒の設計指針を示すもので
ある。SECCM は、単結晶電極を作製することなく、多結晶 Pt 電極の ORR 活性に対する
結晶方位依存的なアニオン吸着の影響を網羅的に研究するための強力なツールであること
を示した。 
第五章 二酸化炭素還元触媒研究への応用 
SECCM による CO2還元触媒材料の構造特異的な触媒活性の評価を行った結果について
述べる。地球温暖化は世界的に大きな課題であり、主要な温室効果ガスである CO2 の削減
が重要視されている。そこで近年、CO2をメタノールやオレフィン系炭化水素、ギ酸などの
有用な化学物質へ変換し、資源として再利用できる CO2 還元触媒が注目されている。特に
ギ酸は、水素への電気化学的変換が可能で、運搬も容易であることから、水素キャリアとし
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て期待されている。そのため、CO2をギ酸へ変換する高効率な触媒電極が求められている。
CO2還元反応によるギ酸の生成には、Sn電極が有効であることが知られている。 
本研究では、構造に依存した CO2 還元活性を有する Sn 電極に着目し、SECCM を用い
て触媒活性の分布を評価した。試料には、還元型酸化グラフェン（rGO）上に担持した Sn
（Sn/rGO）および、シート状に作製した SnS2を用いた。 
第五章第一節 錫/還元型酸化グラフェンにおける二酸化炭素還元反応 
Sn/rGOは、Snのみと比較して CO2還元に対して高い活性を有し、効率的にギ酸を生成
できることが知られている。この理由として、CO2が rGOの酸素官能基に吸着し、さらに
吸着した CO2 が隣接する Sn 表面に供給されるためであることが、計算化学によって予想
されている。この反応機構を実験的に確認するには、局所的な電気化学応答を捉えることが
不可欠であるが、従来法の電気化学計測は空間分解能を持たず、反応機構の実証が困難であ
った。 
本研究では、Sn/rGOにおける CO2還元の反応機構を実験的に確認するため、SECCMを
用いた Sn/rGO表面の電気化学イメージングを行った。その結果、Sn/rGOにおける CO2還
元活性の可視化に成功し、Sn 表面や rGO 表面に比べて、Sn と rGO 界面において CO2還
元活性が高いことを示した。これは、rGO と隣接する Sn 表面において CO2還元が促進さ
れること意味し、計算化学による予想を実験的に裏付けることができた。本研究ではギ酸生
成に有効な金属触媒である Snを用いたが、メタノールやメタン、オレフィンなど、他の生
成物の合成にも応用が可能であり、他の金属触媒を用いた触媒材料の開発が期待される。 
第五章第二節 シート状二硫化スズの構造依存的な二酸化炭素還元反応 
シート状に作製した金属ダイカルコゲナイド材料は、安価で大量生産可能なため、構造特
異的な高い触媒活性を示すため、触媒として注目されている。金属ダイカルコゲナイドシー
トのエッジ面はベーサル面と比較して高い HER 活性を示すことが知られている。一方で
HERは、CO2還元反応の競合反応であるため、金属ダイカルコゲナイドシート材料を用い
た CO2 還元による効率的な化成品の製造が困難である。そのため、金属ダイカルコゲナイ
ドの CO₂還元触媒としての利用には、金属ダイカルコゲナイドシート材料における構造と
CO2還元反応の関係を理解する必要がある。 
本研究では、ギ酸生成に有効な Sn の金属ダイカルコゲナイド材料である 1T/1H 二硫化
スズ (IV) (SnS2) シートの CO2還元活性を、SECCM を用いた電気化学イメージングによ
り調査した。その結果、1T/1H-SnS2シート上のエッジとテラスの両方において高い CO2還
元活性を示し、シート全面で CO2 還元が促進されることが分かった。また、エッジおよび
テラスで高い CO2 還元活性を示した理由を調査するため、密度汎関数理論により反応中間
体（H*、COOH*、OCHO*、HCOOH*、CO*など）の自由エネルギーを計算した。その結
果、1T-SnS2シートでは主にテラスで、1H-SnS2シートでは主にエッジで CO2還元反応が
進行することが明らかになった。したがって、SnS2シートは 1T-SnS2と 1H-SnS2の混合相
を形成することで、エッジおよびテラスにおける CO2 還元反応を促進し、シート全体を有
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効に利用することが可能となることが示された。これらの結果をもとに、他の金属元素を用
いた金属ダイカルコゲナイドシートを作製することで、炭化水素、アルコール、脂肪酸、オ
レフィンなどの合成への応用が期待される。 
第六章 総括 
第三章から第五章で得られた結論と考察を総括した。本研究では、SECCM技術の開発と
応用を通じて、蓄電材料および触媒材料における構造と固液界面反応の関係を明らかにし、
最適な電極材料設計に向けた指針を示した。 


固液界面反応の解明に資するナノ電気化学イメージング技術の開発と応用

木村, 祥吾

 ※ 号
別紙１－１
報告番号
非接触環状シールが鉛直回転軸系の安定性に及ぼす影響に関
する研究
(On the influence of non-contacting annular seals on the stability
of vertical rotating shaft system)
第       15387
論   文   題   目
氏　　 　名 木村　祥吾
甲
論文審査の結果の要旨および担当者
論文審査担当者
教授 井上　剛志主査 名古屋大学 工学研究科
教授 安達　和彦委員 中部大学 工学部
教授 福澤　健二委員 名古屋大学 工学研究科
准教授 部矢　明委員 名古屋大学 工学研究科
 論文審査の結果の要旨　別紙１－２
木村祥吾君提出の論文「非接触環状シールが鉛直回転軸系の安定性に及ぼす影響に関する研究」は，シールで発
生するロータダイナミック(RD)流体力が作用する鉛直ロータ系において液体平行環状シール，末広がり形環状
テーパシール，末窄まり形環状テーパシールを対象として解析を行い，テーパ角の大きさが鉛直ロータ・シール系
の安定性に及ぼす影響を明らかにし，さらに，不釣り合いとシール差圧が鉛直ロータ・シール系の振動特性と安定
性に及ぼす影響を明らかにしたものである．各章の概要は以下の通りである．
　第1章では，前記した本研究の背景について述べ，既存研究を概観すると共に，本論文の目的を示している．
第2章では，鉛直ロータ・シール系の解析モデルと解析手法について述べている．ロータ系のモデルとして2円板
モデルと有限要素モデルを用いた場合の運動方程式を立式し，シール隙間流れ解析によるRD流体力の算出法を示
した．そしてRD流体力をRD係数を用いて表し，RD係数を組み込んだ運動方程式を用いた固有値解析による不安
定化速度(OSI: Onset Speed of Instability)と得られた振動解の振れ回り方向の判別法，およびモード追跡法を示
している．さらにShooting法を用いた双方向の流体構造連成（FSI）解析により安定および不安定周期解の特性を
調べ，解の安定判別法を示している．
　第3章では，解析結果の検証のために用いる実験装置と実験手順について述べている．
第4章では，末窄まり形環状テーパシールと末広がり形環状テーパシールの両方で連続的にテーパ角を変化させ
ながら流体力の解析を実施し，各場合におけるRD係数を求め，その変化の様相を明らかにしている．そして，得
られたRD係数を鉛直ロータ・シール系の運動方程式に組み込み固有値解析を行うことでOSIを求め，テーパ角の
変化に伴うその変化を明らかにしている．得られたテーパ角の変化に伴うOSIの変化を実験的にも詳細に調べ，解
析結果とほぼ定量的に一致することを確認し，解析手法および得られた解析結果の妥当性を示している．
第5章では，Shooting法を用いた双方向FSI解析によりOSIと安定化速度(OSS: Onset Speed of Stability)を求
め，鉛直ロータ・シール系における複雑な安定性の変化をまとめている．特に，不釣り合いとシール差圧が鉛直
ロータ・シール系の不安定化現象と安定化現象の出現回数や出現する回転速度に与える影響を解析により調べて明
らかにするとともに，実験による検証も行っている．
　第6章では研究の成果と今後の展望について述べている．
本研究において，鉛直ロータ・シール系におけるシールのテーパ角が系の安定性に与える影響が詳細に明らかに
され，安定性を高めるためのテーパ角の設計方針が示された．また，不釣り合いとシール差圧が鉛直ロータ・シー
ル系の安定性に及ぼす影響が明らかにされ，不釣り合い量が大きくなるほど安定領域が広がり，鉛直軸系の安定性
が向上することが示された．これらの解析手法並びに得られた結果は，ターボ機械を中心とした工学分野の発展に
大きく寄与するものである．よって，本論文の提出者木村祥吾君は博士（工学）の学位を受けるに十分な資格があ
るものと判定した．
1


非接触環状シールが鉛直回転軸系の安定性に及ぼす影響に関する研究

山本, 健人

YAMAMOTO, Kento

Embodiment Interface for Improving Operability in Teleoperation by Transferring Peri-Personal Space

SOE, THAN KUTAY

 
 
 
主  論  文  の  要  旨  
 
 
 論文題目  
 
  氏   名  
 
 
論  文  内  容  の 要  旨  
 
 イネの育種においては交雑が用いられるが、インディカ品種とジャポニカ品種、栽
培種と野生種などの遠縁交雑では生殖的隔離がしばしば観察され、育種の障壁となる。
生殖隔離の一種である雑種弱勢は、特定のアリルまたはアリルの組合せの喪失につな
がるため、育種においては有用なアリル組合せを得る際に問題となり得る。植物にお
ける雑種弱勢は複数の遺伝子の相互作用によって引き起こされる場合がほとんどで、
自己免疫反応および重複遺伝子の機能消失という 2 種類の分子メカニズムが原因とし
て知られている。雑種における自己免疫反応は、一方の親由来のヌクレオチド結合ド
メイン・ロイシンリッチリピート含有タンパク質（NOD-like receptor、NLR）ともう
一方の親由来の遺伝子産物の組み合わせにより生じる。重複遺伝子の機能消失では、
遺伝子座の重複後の系統分化で両親間でお互い一方の遺伝子が機能を喪失し、再度雑
種が形成された際に機能喪失アリルを併せ持つ個体において成育不良が起こる。本研
究は、台中 65 号（T65）と Lijiangxintuanheugu（LTH）の交雑に由来する F2 集団で
見出された雑種弱勢に着目し、その分子機構解明を目指して遺伝解析を行った。 
 まず、T65 と LTH の交雑に由来する 373 個体からなる F2 集団を圃場で育成し、雑種
弱勢に関する量的形質遺伝子座（quantitative trait loci、QTL）解析を行った。弱
勢植物は、出穂が遅れ、分げつ数と穂数が小さく、稈長が短いという特徴を示した。
そこで、F2 集団におけるこれらの形質の頻度分布を分析した。どの形質も連続分布を
示した。穂数の頻度分布には谷が見られ、正常個体と弱勢個体の区別に適していた。
さらに、穂数と稈長の相関を確認すると、穂数が 4 以下の植物が外観により判断され
た弱勢植物と密接に関連していた。373 個体の F2 個体のうち 126 個体の遺伝子型を次
世代 DNA シーケンサー利用による genotyping by sequencing によって決定し、862 個
の一塩基多型マーカーからなる連鎖地図を得た。この連鎖地図を用いて各形質の QTL
解析を行ったところ、QTL が染色体 1 と 11 で検出された。弱勢個体の分離はこれら 2
報 告 番 号  ※    第   号  
Genetic analysis of hybrid weakness in rice（イネにおける雑
種弱勢に関する遺伝解析）  
THAN KUTAY SOE 
つの QTL によって制御されており、染色体 1 上 QTL を hwj1（hybrid weakness j 1）、
染色体 11 上の QTL を hwj2（hybrid weakness j 2）と命名した。開花前に 29 個体が
枯死したが、残りの 344 個体の遺伝子型を hwj1 と hwj2 に連鎖する DNA マーカーを利
用して決定し、弱勢の遺伝様式を確認した。その結果、T65 と LTH の遺伝子型をそれ
ぞれ hwj1hwj1Hwj2Hwj2（aaBB）と Hwj1Hwj1hwj2hwj2（AAbb）とした場合、3 個の劣性
アリルを持つ個体（aaBb および Aabb）は弱勢を示し、2 重劣性ホモ個体（aabb）は重
度の弱勢を示した。すなわち、F2 集団における正常個体、弱勢個体、重度の弱勢個体
の予想される分離比は 11: 4: 1 であることが明らかになった。 
 自己免疫反応により引き起こされる植物の雑種弱勢は温度に影響されるという報告
があったため、弱勢表現型の温度に対する感受性と、弱勢からの回復に必要な閾値温
度を分析した。温度感受性テストでは、10 日齢の植物を使用して、24℃と 34℃で F2
における各遺伝子型のシュート長、根長、根数を水耕栽培により調査した。その結果、
24℃では雑種弱勢の表現型がより強く現れ、34℃では弱勢が回復することが観察され
た。重度の弱勢（aabb）および弱勢（aaBb、Aabb）遺伝子型は、24℃で正常遺伝子型
（AaBb、AABb、AABB、AAbb、AaBB、aaBB）と比較して成長が悪かった。重度の弱勢の
遺伝子型の根長は 1 cm 未満であり、冠根の伸長が見られなかった。さらに、F1 遺伝
子型（AaBb）の根の長さと根の数は、他の正常遺伝子型（AABb、AABB、AAbb、AaBB、
aaBB）のそれらと有意に異なり、弱勢の症状を示した。閾値温度テストでは、F2 種子
を 24、26、28、30、32、34℃で栽培し、播種から 10 日後にシュート長、根長、根数
を調査した。弱勢遺伝子型（aaBb、Aabb）は 28℃以上で完全に回復した。重度の弱勢
の遺伝子型（aabb）のシュート長は 28℃以上で回復したが、根長と根数は 32℃以上で
回復した。F1 遺伝子型（AaBb）の根長は 26℃以上で回復した。これらの雑種弱勢の温
度感受性は、hwj1 と hwj2 により引き起こされる雑種弱勢が自己免疫反応によること
であることを示唆し、また、雑種弱勢の表現型がシュートよりも根に強く表れること
を示した。 
 次に、hwj1 と hwj2 の単離同定を目指し、F2、F3、F4 集団の合計 6,653 個体を使用
してファインマッピングを行った。後代検定では、DNA マーカーを併用して精密に各
個体の遺伝子型を決定した。hwj1 は染色体 1 の 100 kb の領域に限定され、hwj2 は染
色体 11 の 17 kb の領域に限定された。hwj1 の候補領域には 14 個の遺伝子が、hwj2
の候補領域には 3 個の NLR 様遺伝子を含む 4 個の遺伝子の存在が予測されていた。
hwj1-hwj2 の相互作用による雑種弱勢では自己免疫反応が起こっている可能性が高い
ため、3 つの NLR 様遺伝子のうちのどれか hwj2 である可能性が示唆された。 
 さらに、雑種弱勢の分子メカニズムを明らかにするため、mRNA-seq 法によるトラン
スクリプトーム解析を行った。hwj1 と hwj2 の候補遺伝子の mRNA 発現を分析し、候補
遺伝子をさらに絞り込み、特に、hwj2 の候補遺伝子は 1 つの NLR 様遺伝子に絞り込ま
れ た 。 自 己 免 疫 反 応 を 示 す マ ー カ ー で あ る 感 染 特 異 的 タ ン パ ク 質
（pathogenesis-related protein、PR）遺伝子群では、mRNA 発現の誘導は見られたが
弱勢との明確な対応付けはできなかった。経路解析では、病原認識に関する経路の活
性化が示された。 
 T65 と LTH の交雑に加え、T65 と Shoni の交雑で見出された雑種弱勢の遺伝子マッピ
ングを行った。マッピング集団には、T65 と Shoni の交雑に由来する F7 および F8 世
代の残存ヘテロ系統の 1978 個体を用いた。染色体 1 と 11 に座乗する 2 つの遺伝子座
の相互作用により弱勢の分離が制御されていることが明らかとなり、染色体 1 の遺伝
子を hwk1（hybrid weakness k 1）、染色体 11 の遺伝子を hwk2（hybrid weakness k 2）
と命名した。hwk1 は染色体 1 上の 2.2 Mb に限定された。一方、hwk2 遺伝子座は 29 kb
に限定された。hwk1 の候補領域は 230 個の注釈付き遺伝子を含み、hwj1 と同じ領域を
共有していた。hwk2 の候補領域には NLR 様タンパク質をコードする遺伝子が含まれ、
hwj2 と同じ領域を共有していた。さらに、hwk2 の候補領域内の Shoni のゲノム塩基配
列は、hwj2 の LTH と類似していた。また、LTH と Shoni の交雑に由来する F2 では弱勢
個体の分離は見られなかった。これらの証拠は、hwk1 および hwk2 の Shoni アリルが、
LTH の hwj1 および hwj2 アリルと同一であることを強く示唆した。 
 以上、本研究では、hwj1 と hwj2 をイネの雑種弱勢を引き起こす新規の遺伝子座の
組み合わせとして見出し、その遺伝解析を行った。雑種弱勢を到穂日数・穂数・草丈
などの農業形質により評価し、QTL 解析によって hwj1 と hwj2 を染色体 1 および染色
体 11 に位置づけ、さらに弱勢の遺伝様式を明らかにした。この雑種弱勢は温度感受性
であり、その主な症状が低温時に観察される冠根形成の減少であること、高温ではこ
の症状は現れないことを示した。さらに hwj1 および hwj2 の候補ゲノム領域を絞り込
み、hwj2 が NLR 様遺伝子であることを明らかにした。この hwj2 の候補遺伝子および
弱勢の温度感受性から、hwj1-hwj2 による雑種弱勢が自己免疫反応によって引き起こ
されていることが強く示唆された。トランスクリプトーム解析では、雑種弱勢の分子
メカニズムをさらに理解する手がかりを得た。さらに、T65 と Shoni の交雑後代でみ
られた雑種弱勢は T65-LTH と同じアリルの組み合わせにより引き起こされている可能
性が高いことを示した。これらの結果は、イネ雑種弱勢の分子メカニズムを解明し、
交配における生殖障壁を克服するために有用である。 


Genetic analysis of hybrid weakness in rice

雨宮, 優奈

 
別紙１－１ 
 
 
論文審査の結果の要旨および担当者 
 
 
 
 
 
 
氏 名 雨宮 優奈 
論 文 題 目 mTOR 経路の Ca2+シグナルによる新規制御機構の解明 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
論文審査担当者 
 
主 査 名古屋大学大学院生命農学研究科准教授 髙原 照直 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科教授  佐藤 ちひろ 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科教授  柴田 秀樹 
 
委 員 名古屋大学大学院創薬科学研究科教授  人見 清隆 
 
 
 
 
 
学位報告１－１ 
報告番号 ※      第     号 
 
別紙１－２ 
雨宮優奈は，動物細胞におけるアミノ酸栄養やカルシウムの受容とその細胞内応答
について解析し、これらの栄養素が mTOR と呼ばれるタンパク質キナーゼを中心
とした細胞内シグナル伝達を制御する仕組みを分子レベルにおいて明らかにした。
以下にその要旨を記載する。 
生命を維持する上で重要な生理機能の調節にはセカンドメッセンジャーとして
の Ca2+の存在が欠かせない。そのため、細胞内の Ca2+濃度は非常に厳密に調節さ
れており、その恒常性の破綻はがんや心臓病などをはじめとする多種の疾患の要因
と成り得る。また近年それらの疾患が、細胞の増殖や成長の制御に中心的な役割を
果たす mTOR（mechanistic target of rapamycin）というキナーゼを介したシグナ
ル伝達経路の制御破綻と関連することが示されつつある。本研究では Ca2+シグナル
による mTOR 経路制御機構への理解を深めることを通じて、上記のような疾患の
発症メカニズムの解明や、予防法開発への貢献を目指した。 
 mTOR は mTORC1（mTOR complex 1）と mTORC2 （mTOR complex 2）と
いう異なる 2 種類の複合体を形成し、それぞれ別の細胞内機能を有している。アミ
ノ酸刺激によって引き起こされる細胞内 Ca2+濃度の上昇が mTORC1 の活性化を引
き起こす過程には、Ca2+センサーである calmodulin（CaM）とその新規結合パート
ナーとして同定した TSC2 が関わることをこれまでに明らかにしてきた。しかしな
がらその具体的な分子メカニズムは不明であったため、本研究の第一章では
Ca2+/CaM-TSC2 による mTORC1 活性制御の具体的な分子メカニズムの解明を目
指した。Ca2+/CaM が TSC2-Rheb 間の相互作用に与える影響を結合を定量評価で
きる HiBiT Lytic Assay を用いて解析した。その結果、CaM は Ca2+依存的に TSC2
と Rheb との結合を阻害することが明らかとなった。また Ca2+蛍光インジケーター
である R-GECO1 を改変し、細胞内 Ca2+濃度変化に応答して、TSC2 の CaM 結合
領域と CaM との結合が変化することを生細胞観察により示した。さらに細胞膜透
過性架橋剤を用いて細胞内 Ca2+濃度変化に応答して TSC2 と CaM との結合が増加
することも示した。加えて、アセチルコリン類似体である carbachol で処理すると、
細胞内 Ca2+レベルが上昇し、S6K1 のリン酸化の増大で示される mTORC1 の活性
化が観察された。注目すべきことに、carbachol 刺激による mTORC1 の活性化は
CaM 阻害剤によって阻害され、mTORC1 経路の促進における Ca2+/CaM の重要性
を裏付けた。また免疫染色画像の解析により、細胞内 Ca2+濃度の上昇が mTORC1
の主な活性化の場であるリソソームからの、TSC2 の解離を促進することがわかり、
これは TSC2 のリン酸化に影響することなく TSC2 の細胞内局在に影響していた。
このことは、Ca2+/CaM による TSC2 の制御機構が、これまでに確立された TSC2
の作用機構とは異なっていることを示唆していた。これらのことから、細胞内 Ca2+
レベルが上昇すると、それを CaM が感知し、CaM と TSC2 との結合が促進され、 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 
 
 
TSC2 と Rheb との結合が阻害される。それによって TSC2 がリソソーム膜表面か
ら解離し、活性化した Rheb が mTORC1 を活性化するという新規制御メカニズム
について明らかにした。さらに、同定した TSC2 断片の過剰発現により mTORC1
経路の活性調節が可能であることも示した。 
本研究の第二章では、以前明らかにした CaM が Ca2+依存的に mTORC2 構成要素
である Rictor と結合する事実を起点に、Ca2+/CaM と mTORC2 シグナルとの関連性
について明らかにすることを目指した。これまで、mTORC1 とは異なり、Ca2+シグナ
ルによる mTORC2 活性制御の存在はほとんど示されてこなかったが、本研究から
mTORC2 の構成因子である Rictor と mSin1 が Ca2+依存的に CaM と結合すること
が明らかとなった。さらに、細胞内 Ca2+キレーターや CaM 阻害剤処理によって、
mTORC2 の活性化が抑えられたことから、Ca2+/CaM による mTORC2 活性制御経路
の存在が示唆された。また、Rictor の N末端に存在する 2 か所の領域が CaM との結
合に重要な領域であることを明らかにし、この領域が Rictor と他の mTORC2 複合体
構成因子との結合にも重要な領域であることが判明した。また、Proximity Ligation 
Assay（PLA）によって Ca2+/CaM が mTORC2 複合体形成に影響する可能性が示唆
された。また広範な細胞種で carbachol 刺激による活性の上昇が観察された mTORC1
とは異なり、carbachol 刺激は特にヒト線維肉腫細胞である HT1080 で、mTORC2 活
性を上昇させることがわかった。この HT1080 細胞において、インスリンや carbachol
刺激依存的な mTORC2 活性上昇は Ca2+キレーター処理や CaM 阻害剤処理によって   
抑制されたことから、CaM は細胞内 Ca2+濃度上昇による mTORC2 の活性化に必要
であることが示唆された。これらのことから、細胞内 Ca2+レベルの上昇を感知した
CaM が Rictor と結合することで、mTORC2 の複合体形成が変化し、mTORC2 活性
に寄与していることが示唆された。 
  
以上のように、雨宮優奈は本研究において、アミノ酸やカルシウムシグナルがカ
ルモジュリン（CaM）という因子を介して mTORC1 と mTORC2 のいずれの経路
にも関与する具体的な仕組みを解明した。これらの成果は、mTOR シグナルが深く
関わる栄養感知と密接に結びついているがん化や老化を制御できる新規の予防薬
や治療薬の開発に資すると期待される。 
したがって，本委員会は本論文が博士（農学）の学位論文として十分な価値を有す
ると認め，論文審査に合格と判定した。 
 
 
 
 


mTOR経路のCa^2+シグナルによる新規制御機構の解明

中川, 貴博

 
別紙１－１ 
 
 
論文審査の結果の要旨および担当者 
 
 
 
 
 
 
氏 名 中 川 貴 博 
論 文 題 目 細菌および脊椎動物におけるシアル酸 
代謝システムの特徴と重要性の解明  
 
 
 
 
 
論文審査担当者 
 
主 査 名古屋大学大学院生命農学研究科教授 佐藤 ちひろ 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科教授 邊見 久 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科助教 羽根 正弥 
 
委 員 名古屋大学生物機能開発利用研究センター助教 呉 迪 
 
委 員 名古屋大学大学院医学系研究科教授  岡島 徹也 
 
委 員 名古屋大学糖鎖生命コア研究所特任教授  北島 健 
 
  
学位報告１－１ 
報告番号 ※      第     号 
 
別紙１－２ 
中川貴博は、細胞表面の糖鎖の非還元末端に存在するシアル酸 (Sia) に焦点をあ
てて、その合成と分解代謝システムの特徴と重要性に関する理解を深めるための研
究を行った。以下にその要旨を記載する。 
Sia は酸性 9 炭糖であり、炭素 5 位の置換基の違いから N-アセチルノイラミン酸 
(Neu5Ac)、N-グリコリルノイラミン酸 (Neu5Gc)、デアミノノイラミン酸 (Kdn)の 3
種に大別される。これらシアル酸は受精・発生、免疫系、神経新生、腫瘍形成など
様々な生物学的現象に関与している。Siaの合成および分解経路は主に細菌および脊
椎動物において研究されており、本研究も細菌および脊椎動物におけるシアル酸代
謝システムに着目した。まず、細菌のシアル酸分解経路に着目した研究を行った。細
菌がシアル酸含有糖鎖を分解する経路は、まずシアリダーゼが糖鎖上からシアル酸
を遊離する段階と、次に遊離したシアル酸がシアル酸アルドラーゼによって Neu5Ac
の場合は N-アセチルマンノサミン (ManNAc)とピルビン酸に、Kdn の場合はマンノ
ース (Man)とピルビン酸に分解される段階からなる。多くの細菌および哺乳類シア
リダーゼは Kdn 残基を加水分解できないことが知られているが、一部のシアリダー
ゼは Kdn 残基の加水分解活性を有するものもあり、本研究ではその中でニジマス養
殖場の土壌由来の細菌である Sphingobacterium sp.が発現する Kdn特異的なシアリダ
ーゼ (KDNase)に着目した (第 2章)。この KDNaseはシアル酸アルドラーゼなどのシ
アル酸代謝関連遺伝子とともにオペロンを形成している可能性が示唆されており、
KDNaseが Kdn特異的であるように、オペロン中のシアル酸アルドラーゼも Kdn特
異的な Kdn アルドラーゼである考えた。そこで酵素学的性質を解析した結果、この
アルドラーゼが予想通り Kdn アルドラーゼであることが判明した。また、大腸菌由
来アルドラーゼとのアミノ酸配列や分子モデリングの比較および 1 アミノ酸変異体
の解析から、Kdnアルドラーゼの Kdn特異性決定に重要な 1アミノ酸残基を証明し
た。さらに、KDNaseについても同様の方法で解析を行い、基質特異性に重要なアミ
ノ酸残基を推測した。KDNaseおよび Kdnアルドラーゼがともに Kdn特異的である
ことから、このオペロンが Kdn 特異的であることが明らかになった。そこで、この
ような Kdn 特異的オペロンが他の Sphingobacterium 属細菌に存在するのかを調べる
ため、分子系統解析を行った。その結果、このような Kdn 特異的オペロンが他の
Sphingobacterium 属細菌にも存在する可能性が示され、細菌における Kdn 特異的代
謝システムの存在と自然界における Kdn代謝の重要性を示すことができた。 
また、Kdn遊離能をもつ細菌シアリダーゼのうち、Sphingobacterium sp. HMA12が
発現する Kdn-sialidaseに着目した (第 3章)。Kdn-sialidaseは Neu5Ac、Neu5Gc、Kdn
の全てを糖鎖から遊離する万能シアリダーゼであり、有力なシアル酸研究ツールと
なることが期待される。そこで Kdn-sialidase を海棲生物のシアル酸の生物学的機能
の解析に用いることを考え、その活性に金属イオンが及ぼす影響の解析を行った。 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 
 
 
その結果、Kdn-sialidaseの活性には Ca2+イオンが必須であること、Ca2+の結合によっ
て Kdn-sialidase の安定性が向上することが明らかになった。また、アミノ酸変異体
の解析などから、Kdn-sialidase内の Ca2+結合部位も決定した。  
次に、モデル脊椎動物であるメダカ (Oryzias latipes)を用いてシアル酸代謝の個体
レベルへの効果を明らかにすることを目的に研究を行った (第 4 章)。シアル酸代謝
の異常はヒトにおいて様々な疾患の原因となることが知られている。例えば、シアル
酸 9-リン酸を合成する Sia-9-P synthetase (SPS)に変異をもつヒトでは知的発達障害や
骨格の形成不全を主症状とするNANS-CDGと呼ばれる先天性疾患を生じる。しかし、
その発症機序や個体発生におけるシアル酸の重要性には不明な点が多い。そこで、シ
アル酸合成経路のうち、SPS、Sia-9-P phosphatase (SPP)、SPL、silain をそれぞれ
CRISPR/Cas9 法によってノックアウト (KO) したメダカを樹立した。これらのメダ
カの生化学的、分子生物学的解析の結果、これらの KOメダカはそれぞれ異なる表現
形を示すことが明らかになった。特に、SPS-KOメダカに関しては受精後約 1か月で
致死になることから、SPSが生存に必須であることが示された。そのメダカの RNA-
Seqの結果から、SPS-KOにおいて変動するシグナル経路の存在が示唆された。 
さらに、ヒトにおける Kdn代謝の意義を解明するための研究を行った (第 5章)。
末期腎不全患者の血清中に遊離 Kdnが蓄積することが知られている。KdnはManを
前駆体として合成されること、過剰 Man は細胞毒性を示すことから、腎不全状態に
おける Kdnの蓄積は過剰Manの細胞毒性を軽減する解毒機構であるとの仮説を立て
た。Kdn が血清中に蓄積するためには、細胞内で Kdn が合成されること、その Kdn
が細胞外に放出されることの 2 点が必要である。そこで、細胞における Kdn 合成経
路および Kdnの排出機構に着目した実験を行った。SPSおよび SPLを KOした細胞
を用い、Man添加培養を行うことで Kdn合成経路を調べたところ、Kdnのほとんど
が SPS により合成されることが明らかになった。また、排出機構に関しては、細胞
からの Kdn放出を調べる実験系および腎不全モデルメダカの樹立の検討を行った。 
また、個体老化と糖鎖の関連を明らかにするため、公共データを用いた糖鎖関連遺
伝子の発現変動解析を行った (第 6 章)。これまでに個体老化に伴って Neu5Ac のホ
モポリマーであるポリシアル酸 (polySia)が脳において変動することが明らかにされ
ている。polySiaは神経の機能維持や神経新生において重要な役割を果たすことから、
このような現象は個体老化に伴う脳機能の変化に重要である可能性がある。しかし
ながら、個体老化に伴ってなぜ polySiaが変化するのかについてはこれまで不明であ
った。そこで、polySia に着目し、個体老化における糖鎖の変化の原因を明らかにす
ることを目的として、公共データベース上の RNA-Seqデータを用いた糖鎖関連遺伝
子の発現変動解析を行った。その結果、老化個体の海馬では、シアル酸生合成に関わ
る遺伝子の発現が減少する傾向にあることが明らかになった。また、老化マウスの臓 
 
 
器の RNA-Seqデータを用いた解析から、個体老化に伴う糖鎖関連遺伝子の変化は臓
器ごとに異なる特徴を有していることが明らかになった。 
以上、本研究では、細菌から脊椎動物に至るまでの幅広い生物におけるシアル酸代
謝システムとその生物学的重要性の解析を行い、細菌における Kdn 代謝の重要性と
脊椎動物におけるシアル酸代謝の重要性の一端が解明された。今後さらなる研究を
行うことで脊椎動物におけるシアル酸代謝不全による疾患や腎不全などの治療法や
診断法の開発につながることが期待できる。したがって、本委員会は本論文が博士
（農学）の学位論文として十分な価値を有すると認め、論文審査に合格と判定した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


細菌および脊椎動物におけるシアル酸代謝システムの特徴と重要性の解明

WANN, Chinda

別紙１－１
論文審査の結果の要旨および担当者
氏 名 WANN Chinda 
論 文 題 目 Parasite infection situation of cows and antiparasitic treatments 
contributing to calf growth in Cambodia（カンボジアにおける牛の
寄生虫感染状況と子牛の成長に寄与する抗寄生虫処置）
論文審査担当者
主 査 名古屋大学大学院生命農学研究科准教授 松山秀一
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科教授 大蔵 聡
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科教授 村井篤嗣
委 員 名古屋大学アジアサテライトキャンパス学院　特任准教授　中村　翔
委 員 岐阜大学応用生物科学部教授 村瀬哲磨
学位報告１－１
報告番号 ※ 第 号
 
別紙１－２ 
WANN Chinda は、カンボジアのメコン川沿いの 6 地域における牛の寄生虫感染状
況およびカンボジアの在来牛におけるルーメン寄生虫の形態学的、分子学的特徴を
明らかにした。さらに、抗寄生虫薬投与が子ウシのルーメン微生物叢と代謝に及ぼ
す影響について明らかにした。以下にその要旨を記載する。 
 近年の世界的な人口増加により、畜産物の生産性向上が求められている。現在、
カンボジアでは人々のタンパク質消費量は低く、栄養所要量を満たすタンパク質源
としてより多くの動物性食品が必要とされているため、牛などの家畜の生産性を向
上させる必要がある。カンボジアでは多くの場合、牛は小規模農家で飼育されてお
り、2021 年には地元市場要求量の約 87％が生産されている。したがって、小規模
農家における牛の生産性向上は、農家の利益を向上させ、増加するカンボジア国内
市場の食肉要求量を満たす大きな可能性を秘めている。通常、小規模農家は粗放的
な方法で牛を飼育しており、健康管理や給餌システムなどの管理が不十分であるこ
とが課題となっている。農家の管理方法の不備は、繁殖に大きな損失をもたらすな
ど、農村部における小規模生産の主な制約条件となっている。小規模農家の劣悪な
経営慣行と関連し、疾病管理やバイオセキュリティに対する理解不足も、家畜の健
康管理における主要な問題である。寄生虫感染は、体重増加率の低下、性成熟の遅
延、貧血、乳生産量の低下を引き起こすだけでなく、幼若家畜の死亡率も上昇させ
る。したがって、寄生虫の種類と生産性に及ぼす影響を理解し、疾病、特に寄生虫
疾病を防除することは、地域の市場要求を満たすべく生産量を増加させるために考
慮されるべきである。また、牛の生産性を向上させるためには抗寄生虫薬が不可欠
であるが、各地域で流行している感染症によって有効な薬剤の種類が異なるため、
それぞれの地域における感染状況を把握することが不可欠である。そこで、WANN 
Chinda は、カンボジアにおける牛の寄生虫感染状況を把握するとともに、子牛の
成長に及ぼす抗寄生虫薬の影響を明らかにすることを目的として本研究を行った。 
本研究の目的は、カンボジアのメコン川沿いの 6 地域における牛の寄生虫感染状況
を把握し、カンボジアの在来牛におけるルーメン寄生虫の形態学的および分子学的
特徴を明らかにすることである。さらに、子牛の成長に及ぼす抗寄生虫薬の影響を
明らかにするため、抗寄生虫薬投与が子ウシのルーメン微生物叢と代謝に及ぼす影
響について検討した。 
 まず、カンボジアのメコン川沿いの Phnom Penh 市、Kampong Chhnang 県、
Kampong Thom県、Pursat県、Siem Reap県、Battam Bang県における牛の寄生
虫感染状況を調査した。消化管線虫および吸虫に感染している動物の割合は、Phnom 
Penh 市で 88.0％、Kampong Chhnang県で 95.2％、Kampong Thum県で 93.5％、
その他の 3 地域で 100％であり、地域間に有意差は認められなかった。全地域におけ
る主な感染属は Paramphistome属と Trichostrongylus属であった。血液寄生虫の 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 
 
別紙１－２ 
感染率は Kampong Thum 県で最も低く 75.9％で、Kampong Chhnang 県では
95.7%、その他の地域では 100％であり、6 地域間で有意差は認められなかった。以
上の結果から、メコン川沿いの 6 地域では非常に高い感染率であることが示された。 
 次に、カンボジアの在来牛におけるルーメン寄生虫の形態学的、分子学的特徴を明
らかにするため、17頭のカンボジアの在来牛から第一胃内の寄生虫を採取した。カン
ボジアの在来牛の第一胃には少なくとも 5 種類の双口吸虫が寄生しており、これらの
双口吸虫のうち、詳細な形態学的な解析により同定した Fischoederius elongatus
（F.elongatus）について DNA の多様性を評価するため、ミトコンドリアの
cytochrome c oxidase subunit I（COI）遺伝子の塩基配列に観察される突然変異を解
析した。その結果、COI遺伝子の塩基配列は極めて多様であり、星のようなハプログ
ループも検出された。また、一部のハプロタイプはインドやタイなど近隣諸国のもの
と同一であり、国特有のハプログループは認められなかった。したがって、古代の家
畜化、人為的な移動、そして今日の宿主牛の輸入は、これらの国の間の遺伝的集団に
関与している可能性があると考えられた。 
 続いて、抗寄生虫処置が子ウシのルーメン微生物叢と代謝に及ぼす影響について検
討を行った。抗寄生虫薬は、主に消化管内線虫と肝臓内吸虫に有効な Ivermec-F と、
主に消化管内線虫と第一胃内吸虫に有効な IvocloCare を用い、0週目から 8週間毎に
3 回投与した（0 週目、8 週目、16 週目）。2 週目から 24 週目までにおける線虫の卵
数は、Ivermec-F 投与群と IvcloCare 投与群で、無処置群と比較して有意に少なかっ
た。吸虫の卵数については、IvocloCare 投与群で 8週目および 12週目に他群と比較
し有意に少なかった。Ivermec-F 投与群の 24週目における血漿中β-ヒドロキシ酪酸
（β-HBA）濃度は、他群と比較し有意に高い値を示した。各処置群における第一胃内
細菌叢の構成は、処置前の 0 週目では類似したクラスターであったが、処置後 24 週
目では異なるクラスターであった。特に Ivomec-F 投与群では、Bacteroidota門が減
少し、Firmicutes-A 門が増加した。Firmicutes 門の細菌は酪酸産生に寄与している
ことから、Ivomec-F を投与した子牛の 24週目における高β-HBA濃度は、第一胃内
の Firmicutes門の構成割合が高いことと関連している可能性が考えられた。 
また、GO 解析により、Ivomec-F を投与した子ウシの第一胃内に脂肪酸リガーゼ活性
とホスホリパーゼ活性に関係する微生物が多く含まれることが示されており、
Ivomec-F によって変化した微生物叢の集団が、β-HBA濃度の上昇を引き起こした可
能性が示された。さらに、Ivomec-F と IvocloCare を投与した子ウシでは、異なる機
能を持つ第一胃内細菌群の割合が増加することが示された。これらのことから、主成
分の異なる抗寄生虫薬は、第一胃内細菌と代謝に異なる影響を与え、子牛の成長に異
なる影響を及ぼす可能性があることが示された。 
 以上本研究は、カンボジアの在来牛が双口吸虫属の消化管線虫および吸虫に高率 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 
 
別紙１－２ 
に感染していることを示した。また、カンボジア在来牛の第一胃内の双口吸虫であ
る F. elongatus において、ミトコンドリアの COI 遺伝子の塩基配列に観察される
突然変異を解析した結果、遺伝的に極めて多様であることが明らかとなった。さら
に、抗寄生虫処理によって子ウシのルーメン微生物叢と代謝が変化し、それらの変
化は抗寄生虫薬により異なることが示された。これらの結果は寄生虫の種を同定し
て適切な抗寄生虫薬を選択するのに有用であり、肉牛の生産性向上に寄与するもの
である。 
 したがって、委員会は本論文が博士（農学）の学位論文として十分な価値を有す
ると認め、論文審査に合格と判定した。 
 
 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 


Parasite infection situation of cows and antiparasitic treatments contributing to calf growth in Cambodia

上坂, 一馬

Uesaka, Kazuma

 
別紙１－１ 
 
 
論文審査の結果の要旨および担当者 
 
 
 
 
 
 
氏 名  上坂 一馬 
論 文 題 目  Function prediction based on the whole genome 
 sequencing analysis in prokaryotes（原核生物に 
おける全ゲノムシーケンス解析に基づく機能予測） 
 
 
 
 
 
 
 
 
論文審査担当者 
主 査 名古屋大学大学院生命農学研究科 教授 藤田祐一 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科 教授 中野秀雄 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科 教授 中道範人 
 
委 員 名古屋大学遺伝子実験施設 准教授 井原邦夫 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科 准教授 山篠貴史 
 
委 員 名古屋大学大学院生命農学研究科 助教 山本治樹 
 
学位報告１－１ 
報 告 番
号 
※       第     
号 
 
別紙１－２ 
 地球において微生物はあらゆる環境に適応して生息している。砂漠や塩湖や熱水
鉱床、極地といった極端な貧栄養、動物の消化管内といった栄養が豊富な環境、さ
らには真核生物の組織内部から細胞内部での共生体として、ありとあらゆる環境に
適応している。これら多様な微生物の環境適応を解析する方法としてゲノム解析は
もはや必須の研究手法として定着している。ゲノム解析は、当初のサンガー法から、
いわゆる次世代シーケンサー（NGS）の開発により解析速度とデータ量の増加が急
激に加速した。NGS の進歩に伴って、バクテリアのシーケンス解析で得られるデー
タ量は 24〜48h で株あたり数億塩基長を数百サンプル分出力するスループットに
達している。大量のシーケンスデータの取得に伴って、解析するためのバイオイン
フォマティクスのツールも進歩してきた。その結果、新規微生物のゲノム解読の速
度が急速に加速した。原核生物では、2010 年にはゲノム解読数は 2,570 であった
が、2015 年に 86,500、そして 2025 年 1 月には 277 万に達している。しかし、完
全に解読されたゲノムは、このうちわずか 2.1%（59,584）にとどまり、その多くは
ドラフト状態のままである。精度の高い完全解読ゲノム情報が増加すると、近縁種
のゲノム比較により、種や属レベルでの固有の表現型の予測が可能となり、バクテ
リアの種分類に大きく寄与することが期待される。これまでモデルとされてきたバ
クテリア種では、この状況を利用し、生じた変異を形質の変化に結びつける順遺伝
学的アプローチが行われるようになってきた。この解析過程では、変異型のゲノム
と参照となるゲノムとの違い（バリアント）を正確に検出するバリアントコールパ
イプラインが重要である。これまでに確立されたワークフローは、ショートリード
データに対して調整されており、最近の NGS で取得できるようになってきたロン
グリードデータに対して十分な精度が得られない。さらに、原核生物のゲノムに生
じる変異には、単純な塩基置換・挿入・欠失だけでなく、内生挿入配列の転座、大
規模な一領域の欠失や反転など多様である。これら多様な変異を精度高く検出する
ためには、バリアントコールのための新しいパイプライン開発が必要である。本研
究において上坂一馬は、NGS から得られる膨大なデータに基づき、バクテリアの示
す表現型を正確に解析するためのワークフローと方法論の開発を目指した。 
 第 1 章では、ショートリードデータに基づく構造変異（SV）検出の限界を克服す
るために、SV 検出アルゴリズム“SV-Quest”を開発した。SV-Quest は、シングル
エンドまたはペアエンドのショートリードのマッピングから任意のサイズの SV の
特異的なミスマッチの蓄積の特徴を検出し、そのブレークポイントを呼び出すこと
で精度の高い SV 検出を可能としている。実際に、SV-Quest を、Tn5 タグがゲノム
に導入されたシアノバクテリア Synechocystis sp. PCC 6803 と長期にわたって暗所
従属栄養条件に適応したシアノバクテリア Leptolyngbya boryana のバリアントに 
 
論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 
学位報告１－２ 
 
別紙１－２ 
適用した。その結果、精度高く、Tn5 及び挿入配列を検出することができ、バリアン
トの形質とその原因変異の特定に大きく貢献した。 
 第 2 章では、細菌ゲノムアセンブリの主要なボトルネックとなっている過程を取
り上げ、2 つのきわめて効率的な細菌ゲノムアセンブリパイプラインを開発した。一
つは、4 個の近縁の Vibrio alginolyticus 株の完全なゲノムを構築するための PCR
支援ショートリードアセンブリパイプラインであり、もう一つは、ショートリードと
ロングリードの両方のシーケンス技術を統合したハイブリッドアセンブリパイプラ
インである。後者のパイプラインは 405 の細菌分離株に適用され、99.7% (403/405)
の成功率で完全なアセンブリに再構築することに成功した。第 1 章で開発した SV-
Quest もパイプラインに組み込まれ、誤ってアセンブリされた可能性のあるブレー
クポイントを検出する過程で貢献した。 
 第 3 章では、窒素固定能をゲノム情報から精度高く予測するシステムの開発を行
なった。窒素固定は空気中の窒素をアンモニアに変換するプロセスである。これまで
にシアノバクテリアの約半数種が窒素固定能を有するとされてきたが、窒素固定の
能力を確定するには実際に培養する必要があり、培養自体が確立されていない難培
養性種もある中でこれを網羅的の試すことは容易ではない。そこで、ゲノム情報から
容易にその能力を予測するプログラムの開発を行うために、まず、ほぼすべてのシア
ノバクテリアの分類系統をカバーする 586 のシアノバクテリアゲノムを利用して、
窒素固定酵素ニトロゲナーゼの最小遺伝子セット：6 遺伝子 nifHDKENB の有無の
パターンを調べた。nifHDKENB を含む株は、ヘテロシスト形成種には普遍的に分
布していたが、単細胞および糸状性種においては全体にモザイク状に分布していた。
この観察結果に基づき、クエリとなるゲノム配列から nifHDKENB の有無を正確に
予測するバイオインフォマティクスパイプライン“Nif-Finder”を開発した。Nif-
Finder を利用して、NCBI データベースの現在のシアノバクテリア単離ゲノム、海
洋および淡水環境からの公開メタゲノムアセンブリゲノム（MAG）コレクションお
よび著者自身が収集したコレクションに適用した。NCBI に登録されているシアノバ
クテリアゲノムコレクションでは窒素固定種の比率は 40%であった。一方、MAG コ
レクションでは淡水環境で 13%、海洋環境で 3%という窒素固定種の比率が得られ
た。すなわち、それぞれのシアノバクテリア母集団における窒素固定種の比率に大き
なギャップがあることがわかった。これは、自然環境におけるシアノバクテリアによ
る窒素固定が限定された数の種によって支配されているか、または自然環境におけ
る地理的または季節的な変動が大きいことを示唆している。 
 第 4 章では、第 3 章の nifHDKENB を含むゲノムのマイニング中に同定されたヘ
テロシスト形成糸状性シアノバクテリア Calothrix sp. NIES-4101 (NIES-4101)に 
 
 
 
          
 
別紙１－２ 
焦点を当てた。NIES-4101 のゲノムアセンブリでは、4 つの窒素固定に必須の遺伝
子 (nifB、nifH1、nifD および nifK ) は、コード領域が長い挿入配列によって分断
され、13 もの断片となっていた。さらに、これらの部分のうち 4 つは逆鎖にコード
され、nifH1 の 4 断片と nifB の 3 断片の配置はゲノム上で混在しており、単純な挿
入配列の切り出しの繰り返しでは完全なコード領域の復活は不可能である。そこで、
実際に、NIES-4101 を取り寄せて、培養を行ったところ、窒素固定条件下で良好に
成長し、高いニトロゲナーゼ活性が検出された。したがって、何らかのメカニズムに
より栄養細胞のゲノムで分断化された遺伝子は、ヘテロシストへの分化過程でゲノ
ム再編成により完全な遺伝子が再構築されると考えるほかない。窒素固定条件で培
養した細胞から抽出したゲノム DNA を使って改めてゲノムをアセンブリしたとこ
ろ、全長 nifH1DK および nifB 遺伝子をカバーする 2 つのコンティグが低い率で
検出された。これは PCR によっても確認された。これらの結果は、4 つの nifH1DKB 
遺伝子の13 断片が正確に再配置され、ヘテロシスト細胞内によく保存された nif 遺
伝子クラスターが再構築されることを示している。著者は、6 回の特異的切り出し、
それに続き、短い逆位反復間での逆位が 2 回連続し、そして最後に 1 回の特異的切
り出しによって再構築が完結すると推定した。7 回の切り出しと 2 回の逆位から成
る再構築過程は、細菌で最も複雑な遺伝子再編成と見なすことができる。 
 最終の第 5 章では、60 の Vibrio diabolicus 株と 172 の Vibrio alginolyticus 株
の比較パンゲノム解析を行った。V. alginolyticus はヒトの日和見病原体として知ら
れており、中耳炎、結膜炎、敗血症を引き起こすが、V. diabolicus はヒトの病原細
菌ではないとされている。しかし、系統学的に V. alginolyticus に最も近い別種 
(ANI 値は 92% から 93% の範囲) である V. diabolicus は、従来の細菌分類では
この違いを区別することができない。コアゲノム比較により、2 つの種は 3,422 個
の遺伝子をコアとして共有しており、毒性/病原性因子の有無では区別できないが、
いくつかの遺伝子レパートリーが異なっていることを見出した。V. alginolyticus で
だけ保存される aguAB および puuABCDE-gabD 遺伝子は、アグマチンからプト
レッシンを生合成し、γ-アミノ酪酸を介してプトレッシンをコハク酸に分解する経
路の存在を示している。一方、5-ヒドロキシエクトイン/エクトインの取り込みと 5-
ヒドロキシエクトインの分解に関与する uehABC-eutABC 遺伝子クラスターと、嫌
気性 CO2 固定と嫌気性呼吸の遺伝子群は、V. diabolicus でだけ保存されている。
実際に、これらの化合物を唯一の炭素源として使用する培養実験を行ったところ、こ
れらの遺伝子の存在と増殖能力とが明瞭に相関していることが確認された。すなわ
ち、エクトインとプトレッシンの代謝の違いは、V. diabolicus と V. alginolyticus を
区別するための明確な遺伝学的および生理学的根拠となることを提案する。 
 
 
 
 
 
別紙１－２ 
 以上の結果より、上坂一馬はゲノムシーケシングで得られる大量ゲノムデータを
活用するために精度の高い複数のパイプラインを開発し、それを実際の研究に適応
することでその有用性を実証した。本研究は、ゲノム解析の高度な利用に大きく貢献
しうるものであり、ゲノム微生物学における今後の展開が大きく期待される。したが
って、審査委員会は本論文が博士（農学）の学位論文として十分な価値を有すると認
め、論文審査に合格と判定した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Nagoya University

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