早稲田大学大学院理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
Development and application of analytical methods
for
evaluating micro bio-inorganic compounds
生体微小無機化合物測定系の確立と応用
申 請 者
川﨑（鈴木） たまみ
Tamami Kawasaki-Suzuki
氏 名
生命理工学専攻 生体制御研究 専攻・研究指導
(課程内のみ)
2 0 0 4 年 11 月
１ ． 序 章
生 物 に と っ て は 有 機 化 合 物 に 加 え 無 機 化 合 物 も 必 須 で あ る 。生 体 内 に 存 在 す る 無 機 化 合 物 、 ま た そ の 鉱 物 化 の 過 程 （ バ イ オ ミ ネ ラ リ ゼ ー シ ョ ン ） が 、 そ の 生 物 の 生 活 史 全 体 を 特 徴 づ け る 例 が 報 告 さ れ て い る 。 生 体 内 の 無 機 化 合 物 と し て は 、 様 々 な 物 質 が 報 告 さ れ て い る 。昨 今 注 目 を 浴 び て い る 無 機 化 合 物 の 例 と し て 、① 植 物 プ ラ ン ク ト ン 円 石 藻 の 形 成 す る コ ッ コ リ ス と 呼 ば れ る 炭 酸 カ ル シ ウ ム 主 体 の 外 骨 格 や 、 ② 生 体 内 磁 石 （ マ グ ネ タ イ ト ：F e3O4) 、 が あ る 。 こ の 生 体 内 磁 石 の 研 究 の 発 端 と な っ た の は 、1 9 7 5 年 、B l a c k m o r eに よ る 、細 菌 内 に 平 均 5 0 - 1 0 0 n m 径 の マ グ ネ タ イ ト を 含 有 す る 磁 性 細 菌 の 発 見 で あ っ た 。こ の 磁 性 細 菌 の 発 見 を 機 に 、 生 体 と 生 体 内 磁 石 の 研 究 が 発 展 し 、 サ ケ 、 マ ス 、 エ ビ 等 で 、 そ の 存 在 及 び 帰 巣 行 動 等 と 関 連 し た 行 動 実 験 等 が 報 告 さ れ て い る 。従 っ て 、本 研 究 の 対 象 と し た 無 機 化 合 物 も 、① 生 体 外 骨 格 成 分 と ② 生 体 内 磁 石 、具 体 的 に は マ グ ネ タ イ ト と し た 。過 去 に お け る 生 体 内 磁 石 の 分 析 方 法 の 例 と し て は 、① 電 子 顕 微 鏡 (T E M) に よ る 磁 性 粒 子 の 画 像 観 察 と 元 素 分 析 に よ るF eの 検 出 （ 磁 性 細 菌 ） や 、 ② 外 部 磁 場 を 与 え 残 留 磁 化 を 測 定 （ ハ ト 、 ミ ツ バ チ 等 ） す る と い っ た 手 法 が 主 流 で あ っ た 。 し か し 、B l a c k m o r eの 報 告 か ら 既 に 約 3 0 年 ほ ど 経 過 し て お り 、 ま た 磁 性 細 菌 よ り も 高 等 な 生 物 に な る と 、 生 体 内 磁 石 をT E Mで 観 察 す る に は 困 難 が 伴 う 。 そ こ で 、 他 の 生 物 の 外 骨 格 成 分 は ど う な っ て い る の か 、も っ と 直 接 的 に 磁 気 的 性 質 を 検 出 で き な い か 、 他 の 生 物 で も 生 体 内 磁 石 は あ る の か 、 と い っ た 興 味 か ら 、 本 研 究 を 進 め る こ と と し た 。本 研 究 の 目 的 は 、① こ れ ま で あ ま り 生 化 学 分 野 で は 関 わ り の 少 な か っ た 磁 性 材 料 分 野 の 測 定 手 法 等 を 応 用 し 、生 体 微 小 無 機 化 合 物 の 測 定 系 を 確 立 し 、 ② 新 た な 外 骨 格 成 分 の 検 出 及 び 生 体 内 磁 石 含 有 生 物 の 探 索 と し た 。
２ ． ミ ジ ン コ (D a p h n i a m a g n a) 耐 久 卵 の 解 析
ミ ジ ン コ は 、動 物 プ ラ ン ク ト ン で あ り 、か つ 食 物 連 鎖 の 底 辺 に 位 置 す る 微 小 甲 殻 類 で あ る 。 通 常 の 環 境 下 で は 、 ミ ジ ン コ は 単 為 生 殖 に よ り 増 殖 を 行 な う 。 し か し 、 環 境 が 悪 化 す る と 両 性 生 殖 に 切 り 換 わ り 、 雄 が 現 れ 耐 久 卵 を 形 成 す る 。 こ の 耐 久 卵 の ユ ニ ー ク な 性 質 、例 え ば 、数 十 年 以 上 経 過 し て も 生 存 能 力 が 保 持 さ れ た り 、捕 食 者 で あ る 魚 の 腸 内 で 消 化 処 理 さ れ て も 生 存 可 能 で あ る 、と い っ た 報 告 が さ れ て い る 。し か し 、こ れ ま で こ の 耐 久 卵 の 具 体 的 な 物 理 化 学 的 な 性 質 等 に つ い て の 報 告 は 、 ほ と ん ど 無 い 。 そ こ で 、 こ の ミ ジ ン コ 耐 久 卵 の も つ 物 理 化 学 的 な 性 質 を 明 ら か に す る た め 、物 理 化 学 的 手 法 を 用 い て 分 析 を 行 な う こ と と し た 。分 析 の 対 象 は 、 耐 久 卵 中 の 無 機 化 合 物 と し た 。 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 の 分 析 に あ た り 、 ま ず は O E C D の 基 準 に 従 い オ オ ミ ジ ン コ (D a p h n i a m a g n a) の 飼 育 系 を 確 立 し た 。 耐 久 卵 の 獲 得 は 、 過 密 条 件 下 に よ る 耐 久 卵 形 成 の 誘 導 に よ り 行 な っ た 。
耐 久 卵 の 物 理 化 学 的 な 性 質 を 分 析 す る に あ た り 、X線 分 析 顕 微 鏡 、 投 影 型X線 顕 微 鏡 、X線 回 折 （X R D） 装 置 、 超 伝 導 量 子 干 渉 磁 束 計 （S Q U I D）、 及 び 電 子 ス ピ
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ン 共 鳴（E S R）装 置 を 用 い た 。①X線 分 析 顕 微 鏡 に よ る 蛍 光X線 元 素 分 析 の 結 果 か ら は 、 耐 久 卵 の 構 成 元 素 が 、 主 にP、S、K、C aで あ る こ と が 分 か っ た 。 ② 投 影 型 X線 顕 微 鏡 に よ るX線 写 真 か ら は 、( 1 )内 部 に 存 在 す る 2 つ の 胚 の 様 子 、( 2 )胚 を 取 り 囲 む 卵 殻 が ハ ニ カ ム 構 造 を と る 、 と い っ た 内 部 構 造 が 明 ら か に な っ た 。 ③ S Q U I Dに よ る 結 果 で は 、 耐 久 卵 の磁 化 曲 線 は 、 約 0 . 2 テ ス ラ( T )で 飽 和 磁 化 を 示 し た が 残 留 磁 化 は 検 出 さ れ ず 、 ヒ ス テ リ シ ス を 示 さ な い 超 常 磁 性 の 性 質 を 示 し た 。 こ れ に よ り 、 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 中 に 強 磁 性 物 質 の 微 粒 子 が 存 在 す る と 結 論 し た 。 一 般 に 自 然 界 に 存 在 し 、 か つ 強 磁 性 を 示 す 物 質 は 、 酸 化 鉄 の マ グ ネ タ イ ト （F e3O4） で あ る 。 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 中 に 含 ま れ る マ グ ネ タ イ ト は 、0 . 0 1 5 %〜0 . 1 3 3 % ( W / W )で あ る と 概 算 さ れ た 。 飼 育 環 境 な ど に よ り 、 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 中 に 含 ま れ る マ グ ネ タ イ ト の 量 は 影 響 を 受 け る こ と も 示 唆 さ れ た 。④E S R測 定 結 果 か ら は 、F e3 +イ オ ン と 一 致 す る ス ペ ク ト ル が 確 認 さ れ た 。さ ら に 、ナ ノ サ イ ズ の マ グ ネ タ イ ト 微 粒 子 と 矛 盾 し な い ス ペ ク ト ル が 検 出 さ れ た 。⑤X R Dの 結 果 か ら は 、リ ン 酸 カ ル シ ウ ム の ス ペ ク ト ル が 検 出 さ れ た が 、 マ グ ネ タ イ ト の ス ペ ク ト ル は 検 出 さ れ な か っ た 。
① 〜 ⑤ の 結 果 を ま と め る と 、 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 中 に は 、S Q U I Dの 結 果 か ら 、 強 磁 性 物 質 、具 体 的 に は マ グ ネ タ イ ト の 微 粒 子 の 存 在 が 示 さ れ 、ま たE S Rの 結 果 か ら 、 F e3 +イ オ ン 、か つ 、ナ ノ サ イ ズ の マ グ ネ タ イ ト 微 粒 子 と 矛 盾 し な い ス ペ ク ト ル が 検 出 さ れ た 。こ の よ う にS Q U I DとE S Rを 組 合 せ た 本 研 究 の 結 果 か ら 、ミ ジ ン コ 耐 久 卵 中 に ナ ノ サ イ ズ の マ グ ネ タ イ ト 微 粒 子 が 含 ま れ る こ と 、ま た 、 蛍 光X線 分 析 と
X R Dの 結 果 か ら 、ミ ジ ン コ 耐 久 卵 卵 殻 に は 結 晶 性 リ ン 酸 カ ル シ ウ ム が 存 在 す る こ
と を 確 論 し た 。 こ れ ま で 、 プ ラ ン ク ト ン に は 、 結 晶 性 リ ン 酸 カ ル シ ウ ム は 存 在 し な い と さ れ て い た の で 、 結 晶 性 リ ン 酸 カ ル シ ウ ム の 存 在 も 新 た な 知 見 で あ る 。
３ ． ヒ ト ス ジ シ マ カ （A e d e s a l b o p i c t u s）の 解 析
地 球 温 暖 化 に 伴 い 、伝 染 病 の 拡 大 が 非 常 に 懸 念 さ れ る 昨 今 と な っ て い る 。伝 染 病 の 伝 播 は 、吸 血 害 虫 に 媒 介 さ れ る 場 合 が 多 い 。マ ラ リ ア や 西 ナ イ ル ウ ィ ル ス な ど は 、カ の 吸 血 時 に ヒ ト へ 感 染 す る こ と が 知 ら れ て い る 。伝 染 病 の 拡 大 を 阻 止 す る に あ た っ て 、そ の 病 原 生 物 に 対 す る 研 究 は 精 力 的 に 行 わ れ て い る が 、病 原 菌 を 媒 介 す る 吸 血 害 虫 、具 体 的 に は 、カ の 生 理 や 生 態 に つ い て は ま だ 知 ら な い こ と が 多 い 。 そ こ で 、 本 研 究 で は 、 こ れ ま で ま だ 報 告 さ れ て い な い カ の 生 体 内 磁 石 の 存 在 の 有 無 か ら 研 究 を 着 手 す る こ と と し た 。カ の 分 析 に あ た り 、国 立 感 染 症 研 究 所 の 飼 育 手 法 に 準 じ て 、 ヒ ト ス ジ シ マ カ (A e d e s a l b o p i c t u s)) の 飼 育 系 を 確 立 し た 。 ヒ ト ス ジ シ マ カ を 分 析 す る に あ た り 、 第 2 章 と 同 様 に S Q U I D 磁 束 計 、 投 影 型 X 線 顕 微 鏡 、X 線 分 析 顕 微 鏡 、 を 用 い る こ と と し た 。 ①S Q U I D に よ る 結 果 で は 、 ボ ウ フ ラ 、 及 び 成 体 雌 雄 に お い て 、 磁 化 曲 線 が 飽 和 磁 化 を 示 し 、 か つ 小 さ な ヒ ス テ リ シ ス を 示 し た こ と か ら 強 磁 性 体 マ グ ネ タ イ ト の 存 在 の 可 能 性 が 示 唆 さ れ た 。
② 投 影 型 X 線 顕 微 鏡 に よ る X 線 写 真 か ら は 、 ボ ウ フ ラ 体 内 及 び 成 体 雌 体 内 に 、 質 量 数 の 高 い 元 素 を 含 む 粒 子 及 び 局 在 部 位 を 確 認 し た 。③X 線 分 析 顕 微 鏡 に よ る 蛍 光 X 線 元 素 分 析 の 結 果 か ら は 、ボ ウ フ ラ と 成 体 雌 か ら F e の ピ ー ク を 確 認 し た 。
① 〜 ③ の 結 果 を ま と め る と 、S Q U I D の 結 果 か ら 、 ボ ウ フ ラ 、 成 体 雌 雄 共 に 、 マ グ ネ タ イ ト の 存 在 が 示 唆 さ れ た 。 一 方 、X 線 写 真 の 結 果 か ら 、 マ グ ネ タ イ ト と 考 え ら れ る 粒 子 径 は 、 ボ ウ フ ラ で 最 大 約 3 0 µm あ る こ と が 分 か っ た 。 吸 血 害 虫 で あ る カ に お い て 、生 体 内 磁 石 の 存 在 を 示 し た 例 は こ れ ま で に 無 く 、新 た な 知 見 で あ る と 考 え る 。
４ ． ま と め
磁 性 材 料 分 野 で 磁 気 的 性 質 を 調 べ る た め に 用 い ら れ る S Q U I D と 、 電 子 状 態 を 調 べ る E S R 装 置 、 及 び 微 小 部 X R D、 投 影 型 X 線 顕 微 鏡 （X 線 写 真 ）、X 線 分 析 顕 微 鏡 （ 蛍 光 X 線 分 析 ） を 組 合 せ た 生 体 微 小 無 機 化 合 物 測 定 系 の 確 立 に よ り 、 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 及 び カ の 発 生 段 階 か ら 成 体 で 、マ グ ネ タ イ ト の 存 在 及 び そ の 可 能 性 を 示 し た 。 い ず れ に し て も 、 両 者 共 に 生 体 内 に 磁 石 、 マ グ ネ タ イ ト の 存 在 の 可 能 性 を 示 し た こ と は 新 規 な 知 見 で あ る 。
５ ． 今 後 の 展 開
今 後 は 、こ の 生 体 内 マ グ ネ タ イ ト が ど う い っ た 形 態 を と る の か 、ど う い っ た 制 御 を 経 て 形 成 さ れ る の か 、ど う い っ た 目 的 で 存 在 す る の か 等 、遺 伝 子 レ ベ ル で 明 ら か に し て い き た い と 考 え る 。ま た 、ミ ジ ン コ 耐 久 卵 と ヒ ト ス ジ シ マ カ に 含 ま れ る マ グ ネ タ イ ト の 異 な っ た 粒 子 径 は ど う い っ た 要 因 に 起 因 す る の か 等 も 探 求 し て い き た い と 考 え る 。一 方 、ナ ノ サ イ ズ の マ グ ネ タ イ ト 粒 子 を 人 工 的 に 作 成 す る に は 困 難 が 伴 う こ と か ら 、 こ う い っ た 生 体 内 に 含 ま れ る マ グ ネ タ イ ト を 抽 出 し 、 工 業 的 に 応 用 す る 研 究 に も 展 開 し て い き た い と 考 え る 。
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研 究 業 績
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
論文
○
○
講演
1. Elemental characterization of Daphnia resting eggs by X-ray analytical microscopy Zoological Science 21: p. 1019-1023 (2004)
Tamami Kawasaki, Masanobu Sakata, and Hideo Namiki
2. Crystalline calcium phosphate and magnetic mineral contents of Daphnia resting eggs Zoological Science 21: p. 63-67 (2004)
Tamami Kawasaki, Hideyuki Yoshimura, Toshimichi Shibue, Yuko Ikeuchi, Masanobu Sakata, Keisuke Igarashi, Hidekazu Takada, Kazuhito Hoshino, Kay Kohn, and Hideo Namiki
1 . 「 ミ ジ ン コ(D a p h n i a m a g n a)耐 久 卵 の E S R 測 定 」 日 本 生 物 物 理 学 会 第 4 2 回 年 会 2 0 0 4 年 1 2 月
坂 田 真 信 、 川﨑た ま み 、 渋 江 俊 道 、 高 田 篤 、 吉 村 英 恭 、 並 木 秀 男
2 . 「 ミ ジ ン コ(D a p h n i a m a g n a)耐 久 卵 の E S R 分 光 法 に よ る 測 定 」 第 7 5 回 日 本 動 物 学 会 2 0 0 4 年 9 月
坂 田 真 信 、 川﨑た ま み 、 渋 江 俊 道 、 高 田 篤 、 吉 村 英 恭 、 並 木 秀 男
3 . 「 投 影 型 X 線 顕 微 鏡 に よ る 生 体 内 微 粒 子 の 元 素 分 析 」 第 7 回 X 線 結 像 光 学 シ ン ポ ジ ウ ム 2 0 0 3 年 1 1 月
五 十 嵐 啓 輔 、 吉 村 英 恭 、 坂 田 真 信 、川 﨑た ま み 、 並 木 秀 男
4 . 「 投 影 型 X 線 顕 微 鏡 を 使 っ て の 元 素 分 析 」 日 本 生 物 物 理 学 会 第 4 1 回 年 会 2 0 0 3 年 9 月
五 十 嵐 啓 輔 、 坂 田 真 信 、 川 﨑 た ま み 、 並 木 秀 男 、 吉 村 英 恭
5 . 「 ミ ジ ン コ 表 皮 に お け る ミ ネ ラ リ ゼ ー シ ョ ン の 基 礎 的 検 討 」 第 7 4 回 日 本 動 物 学 会 2 0 0 3 年 9 月
坂 田 真 信 、 川﨑た ま み 、 米 持 賢 治 、 並 木 秀 男
6 . 「 ミ ジ ン コ 耐 久 卵 の 物 性 解 析 」 第 7 4 回 日 本 動 物 学 会 2 0 0 3 年 9 月 川﨑た ま み 、 坂 田 真 信 、 並 木 秀 男
7 . 「 投 影 型 X 線 顕 微 鏡 に よ る マ イ ク ロ C T と 元 素 分 析 」 日 本 顕 微 鏡 学 会 第 5 9 回 学 術 講 演 会 2 0 0 3 年 6 月
吉 村 英 恭 、 堀 亜 由 美 、 五 十 嵐 啓 輔 、 坂 田 真 信 、川 﨑た ま み 、 並 木 秀 男
その他
（総説）
（講演）
（国際）
1 . 「 鉄 道 施 設 に お け る 空 気 環 境 の 快 適 性 向 上 を 目 指 し て 」 R R R 2 0 0 3 年 4 月 号 p . 1 2 - 1 5
川 﨑 たまみ
2 . 「 鉄 道 に お け る 環 境 汚 染 浄 化 ― 生 物 機 能 の 応 用 − 」
日 本 鉄 道 技 術 協 会 誌 J R E A v o l . 4 5 , N o . 8 p . 2 8 5 7 0 - 2 8 5 7 2 ( 2 0 0 2 ) 川 﨑 た ま み 、 早 川 敏 雄 、 志 村 稔 、 金 原 和 秀
3. “The evaluation of environmental safety and the cleanup of pollutants using biological functions”
Quarterly Report of RTRI vol. 43, No. 1 p. 37-40 (2001)
Tamami Kawasaki, Toshio Hayakawa, Minoru Shimura, and Kazuhide
Kimbara
4 . 「 環 境 安 全 性 評 価 と 汚 染 浄 化 へ の 生 物 機 能 の 応 用 」 鉄 道 総 研 報 告 第 1 5 巻 第 1 0 号 p . 2 3 - 2 6 ( 2 0 0 1 ) 川 﨑 た ま み 、 早 川 敏 雄 、 志 村 稔 、 金 原 和 秀
5 . 「 微 生 物 を 用 い た 磁 場 の 安 全 性 試 験 」
鉄 道 総 研 報 告 第 1 2 巻 第 8 号 p . 4 3 - 4 8 ( 1 9 9 8 ) 池 畑 政 輝 、 川 﨑 た ま み 、 小 穴 孝 夫
6 . 「 タ ン パ ク 質 レ ベ ル で 見 た 超 強 磁 場 の 影 響 分 析 」 鉄 道 総 研 報 告 第 1 0 巻 第 1 0 号 p . 2 3 - 2 6 ( 1 9 9 6 ) 川 﨑 たまみ、小穴孝夫
1 . “Fundamental examination of hygienic assessment of the railway station environment”
The 6th ICOH International conference on occupational health for health care workers (2004)
Tamami Kawasaki, Takashi Kyotani, Tomoyoshi Ushiogi, Yasuhiko Izumi, Kohei Fujinami, Hiroaki Suzuki, Tadashi Iino, and Toshio Hayakawa
2 . “Bioremediation of PCB-contaminated ballast and environmental safety evaluation”
World congress on railway research (WCRR) (2003)
Tamami Kawasaki, Toshio Hayakawa, Minoru Shimura, and Kazuhide Kimbara
（国内）
3. “Non-linear dose response relationship between magnetic field strength and enhancement of mutagenicity of chemicals”
Bioelectromagnetics society 20th annual meeting (1998) Masateru Ikehata, Tamami Kawasaki, and Takao Koana
4. “Trial for estimation of working environments by analyses of human physiological response applying autoregressive (AR) model”
25th International congress on occupational health (1996) Masayoshi Nakagawa and Tamami Kawasaki
5. “Exposure to a 5 Tesla static magnetic field causes a change in 2D-PAGE protein pattern of fruit fly Drosophila Melanogaster”
Bioelectromagnetics society 18th annual meeting (1996)
Tamami Kawasaki, Masateru Ikehata, Takao Koana, and Masayoshi Nakagawa
1 . 「 鉄 道 駅 に お け る 環 境 評 価 手 法 の 検 討 」 第 7 7 回 日 本 産 業 衛 生 学 会 2 0 0 4 年 4 月 川 﨑 た ま み 、 京 谷 隆 、 金 原 和 秀
2 . 「 定 常 強 磁 場 の 助 変 異 原 性 と そ の 機 構 に 関 す る 研 究 」 第 1 4 回 日 本 生 体 磁 気 学 会 1 9 9 9 年 5 月
池 畑 政 輝 、 川 﨑 た ま み 、 小 穴 孝 夫
3 . 「 定 常 強 磁 場 と 化 学 物 質 の 複 合 曝 露 に よ る 復 帰 突 然 変 異 へ の 影 響 」 第 1 3 回 日 本 生 体 磁 気 学 会 1 9 9 8 年 5 月
池 畑 政 輝 、 川 﨑 た ま み 、 小 穴 孝 夫
4 . 「 微 生 物 変 異 原 性 試 験 に よ る 定 常 磁 場 の 変 異 原 性 に 関 す る 研 究 」 第 4 0 回 日 本 放 射 線 影 響 学 会 1 9 9 7 年 1 1 月
池 畑 政 輝 、 川 﨑 た ま み 、 小 穴 孝 夫
5 . 「 化 学 物 質 に よ る 変 異 誘 発 に 与 え る 定 常 磁 場 の 影 響 」 第 1 2 回 日 本 生 体 磁 気 学 会 1 9 9 7 年 5 月
池 畑 政 輝 、 川 﨑 た ま み 、 小 穴 孝 夫
6 . 「 化 学 変 異 原 物 質 の 変 異 原 性 に 及 ぼ す 磁 場 影 響 」 電 気 学 会 マ グ ネ テ ィ ク ス 研 究 会 1 9 9 6 年 1 2 月 池 畑 政 輝 、 川 﨑 た ま み 、 小 穴 孝 夫
そ の 他 5 件
