JP2740375B2 - 生体高分子結晶化装置 - Google Patents

生体高分子結晶化装置

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JP2740375B2
JP2740375B2 JP3202040A JP20204091A JP2740375B2 JP 2740375 B2 JP2740375 B2 JP 2740375B2 JP 3202040 A JP3202040 A JP 3202040A JP 20204091 A JP20204091 A JP 20204091A JP 2740375 B2 JP2740375 B2 JP 2740375B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、生体高分子結晶化装
置、特に宇宙等の微小重力環境下で使用する生体高分子
結晶化装置に関するものである。
【0002】近年、宇宙環境を各種結晶成長の場として
利用したり、半導体、合金、バイオマテリアル等の新材
料の製造に利用する試みが盛んになりつつある。しか
し、宇宙環境においては地上と異なり、微小重力に由来
する様々な物理現象が存在するために、各種の実験等を
行なう場合には、予め環境の特質を十分に考慮すること
が必要である。
【0003】また、宇宙で行なう実験は、宇宙への輸送
コストがかさむことはもちろん、機会も限られている。
さらに、無人人工衛星に搭載した場合には、装置が全て
自動化されている必要があり、有人実験でも搭乗者の一
つの実験にさける時間と手間は極めて限られている上
に、装置への試料の装填から打ち上げを経て実験を行な
うまでに長時間を要するという特殊性がある。
【0004】特に、蛋白質の結晶化実験は、分子構造と
その分子の機能を明らかにし、人工的な分子構造を設計
してより高機能な蛋白質を作ろうとする蛋白質工学など
の生物工学分野において基礎的、かつ重要なステップで
あるが、通常地上においては再現性が悪いため、同じ組
成、条件の実験を複数回行なったり、結晶化容器の形状
や洗浄等の前処理方法等、あらゆる条件を極力同じにす
る必要があること、また、それに加えて試料の変質が起
こりやすいこともあり、精製直後の試料を用いるのが常
であること、扱う試料が極めて貴重であるために、行な
う実験のスケールが小さい、等の独自の問題点を有する
もので、宇宙実験への期待が高まっているものの一つで
ある。
【0005】かかる事情の下、重力による対流がないと
考えられる宇宙の微小重力環境下において結晶化が可能
な生体高分子結晶化装置が求められている。
【0006】
【従来の技術】一般に生体高分子結晶化の手段として
は、(イ)被結晶化溶液および結晶化剤溶液を混合し、
そのまま放置する方法(以下「塩析結晶法」とい
う。)、(ロ)結晶化剤溶液の濃度条件を少しづつ異な
らせ、この内特定の条件で最良の結晶成長を実現する方
法(以下「塩濃度勾配法」という。)、(ハ)透析膜を
介して被結晶化溶液と結晶化剤溶液を隣接配置し、拡散
により両液の混合状態を実現する方法(以下「膜介在二
液拡散法」という。)、(ニ)上記透析膜を介すること
なく両液を隣接配置し、二液の混合状態を実現する方法
(以下「液液界面二液拡散法」という。)、(ホ)気相
を介して二液を対峙させ、互いの蒸気圧の差を利用して
二液の混合状態を実現する方法(以下「気体浸透法」と
いう。)、が多用されており、従来、結晶化装置とし
て、図15あるいは図16に示すものが提案されてい
た。
【0007】図15に示す従来例において、ブロック2
1内に複数のシリンジ1、1・・が形成され、両端のシ
リンジ1から被結晶化溶液2と結晶化剤溶液3とを中間
の結晶成長室4に供給、混合した後、放置したり、ある
いはブロック21内のシリンジ1に供給された二液2、
3を中間の空気を介して対峙させるように構成され、ま
た、図16に示す従来例においては、チューブ状の収納
容器22の両端部に予め二液2、3を封入しておき、実
験に際して二液2、3を封入する圧着子23を解除し、
二液2、3を空気層を介して対峙させるように構成され
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図15に示し
た従来例においては、実験に必要な全ての機材を実験の
都度地上から打ち上げる必要があるために、地上と軌道
上を往復する質量が大きくなり、輸送コストが嵩む上
に、シリンジ1の操作を搭乗者が行なわなければならな
いため、搭乗者による実験のための作業量が多いという
欠点を有し、第16図に示した従来例においては、圧着
子23の解除等は自動的になされるために無人操作は可
能であるが、やはり、そのための機構部分を含む機材は
その都度地上から打ち上げる必要があり、輸送コストが
嵩み、さらに結晶化過程の観察に適さないという欠点を
有するものであった。
【0009】本発明は、以上の欠点を解消すべくなされ
たものであって、輸送コストを低減させ、かつ搭乗員の
作業量が少ない生体高分子結晶化装置を提供することを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明によれば上記目的
は、シリンジ1内に個別に密閉収容された被結晶化溶液
2、および結晶化剤溶液3を所定のシーケンスによって
結晶成長室4内に移送して該結晶成長室4内で生体高分
子結晶を得る生体高分子結晶化装置であって、前記シリ
ンジ1、結晶成長室4、および該結晶成長室4からオー
バーフローした溶液を回収する廃液溜5を互いに連結可
能なブロック6、7、8内に形成するとともに、 前記各
シリンジ1の結晶成長室4に至る管路を交叉させて被結
晶化溶液2と結晶化剤溶液3との界面を形成可能とし、
該界面を保持して両液を移送して液液界面二液拡散法に
より生体高分子結晶を得る生体高分子結晶化装置を提供
することにより達成される。
【0011】また、上述した手段は液液界面二液拡散法
による生体高分子結晶化装置を提供するものであるが、
塩濃度勾配法に対応させるには、各シリンジ1の結晶化
室4に至る管路に、結晶化剤溶液3と異なる濃度の結晶
化剤溶液3’を該管路に送出する結晶化剤溶液保存室兼
スターラ10を設け、結晶化条件を逐次変化させた溶液
を結晶成長室4に移送するように構成すればよい。
【0012】また、図10に示すように、上記結晶成長
室4内に予め被結晶化溶液2を収容しておき、シリンジ
1内の結晶化剤溶液3を結晶成長室4内に移送して前記
被結晶化溶液2と結晶化剤溶液3とを透析膜11を介し
て接触させるように構成することにより、膜介在二液拡
散法に特化された生体高分子結晶化装置を得ることも可
能であり、図14に示すように、シリンジ1内に密閉収
容された被結晶化溶液2を結晶化剤溶液3が収容された
結晶成長室4内に移送して前記被結晶化溶液2と結晶化
剤溶液3とを気相12を介して対峙させるように構成し
て気体浸透法による生体高分子結晶化装置を得ることも
できる。
【0013】さらに、これら結晶化装置を、図1ないし
図3に示すように、宇宙機内に設置されたフレーム15
に着脱可能に装着され、被結晶化溶液2と結晶化剤溶液
3とを個別に収容する複数のシリンジ1、1・・と結晶
成長室4、4・・とを有してなるセルユニット16と、
前記セルユニット16におけるシリンジ1のピストンを
各々所定のタイミングで個別に操作するシリンジ駆動機
構17と、前記各セルユニット16毎に結晶化温度を所
定値に管理する温調機構18とを有して構成することが
可能であり、上記セルユニット16には、結晶成長室4
内を観察可能な観察窓19を形成するとともに、各観察
窓19を同一方向に臨ませるべく各セルユニット16を
配置し、前記観察窓19が形成される壁面に沿って観察
装置20を移動させることにより結晶成長室4内を観察
可能に構成することもできる。
【0014】さらに、上記装置を、少なくとも2種以上
の試料を個別に密閉収容する複数のシリンジ1を有する
シリンジブロック6と、前記シリンジ1内の試料を所定
状態に保持して生成物を得る生成室ブロック7と、廃液
ブロック8とを相互に分離可能に連結してなり、前記シ
リンジ1を所定シーケンスによって駆動して該シリンジ
1内の試料を生成室ブロック7側に移送し、該生成室ブ
ロック7からオーバーフローした試料を廃液溜ブロック
8に移送するようにして、微小重力環境下で使用する材
料プロセッシング装置を構成することもできる。
【0015】
【作用】本発明において、被結晶化溶液2、および結晶
化剤溶液3はシリンジ1内に個別に密閉収容されてお
り、結晶成長室4を有するブロック6、7および廃液溜
5を有するブロック8と連結されて、シリンジ1、結晶
成長室4、廃液溜5を結ぶ管路が形成される。
【0016】この結果、例えば厳重な温度管理等の必要
な試料を収納するシリンジ1部分を数回の実験に必要な
量だけ宇宙船内で管理し、結晶成長室4部分のみを地上
と往復させることが可能となり、より輸送コストを低減
させることができる上に、良質な試料による実験が可能
になる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の望ましい実施例を添付図面に
基づいて詳細に説明する。図2は本発明の実施例の全体
外観図を示すもので、フレーム15内に複数の実験部ユ
ニット24と、電源ユニット25を収納して形成されて
いる。
【0018】実験部ユニット24は、フレーム15に引
き出し可能に装着されるセルマウント26を有してお
り、ロックツマミ27を操作することによりフレーム1
5にセットされる。
【0019】また、各セルマウント26には、図1に示
すように、被結晶化溶液2あるいは結晶化剤溶液3の入
った多数のシリンジ1、1・・を有するシリンジブロッ
ク6と、結晶成長室4を内部に有するセルブロック7、
およびセルブロック7からオーバーフローした液体を収
容する廃液溜5を有する廃液溜ブロック8が連結、装着
されてセルユニット16を構成している。また、上記シ
リンジ1、結晶成長室4、および廃液溜5間は、各ブロ
ック6、7、8内に形成された配管系により相互に接続
され、液漏れ等を防止するために、各ブロック6、7、
8間には、Oリング28が装着される。
【0020】なお、この実施例においては、シリンジ
1、結晶成長室4を経由して廃液溜5に至る配管系は、
各ブロック6、7、8内に形成された管路を連結するこ
とにより構成されるが、この他に、チューブ等を使用し
て構成することも可能である。
【0021】さらに、各ブロック6、7、8にはスリッ
ト状の開閉弁29が装着されており、該開閉弁29を所
定のシーケンスに従って開閉させ、かつ、シリンジ1内
の溶液を結晶成長室4に移送することにより各種の方法
による結晶化実験を行なうようにされている。
【0022】一方、上記シリンジ1を駆動するためのシ
リンジ駆動機構17は、図3に示すように、シリンジブ
ロック6のピストン30に対向配置され、該ピストン3
0の長手方向に進退するプッシュプレート31と、該プ
ッシュプレート31に螺合されるボールネジ32と、こ
のボールネジ32を回転させるステッピングモータ33
とを有しており、図示しない制御部からの信号に基づき
ステッピングモータ33を駆動してピストン30を押圧
し、シリンジブロック6内の被結晶化溶液2、あるいは
結晶化剤溶液3を所定のタイミングでセルブロック7側
に送出するように構成される。
【0023】なお、このシリンジ駆動機構17は各シリ
ンジ1、1・・を個別に駆動することができるように、
シリンジ1毎に設けることもできるが、装置全体が複
雑、かつ大型になるのを防止するために、ある対をなす
複数のシリンジ1を同時に駆動するように構成するのが
望ましい。
【0024】また、結晶化が管理された温度条件下でな
されるように設けられる温調機構18は、ペルチェ素子
からなる温度調節部材34を有しており、該温度調節部
材34をセルブロック7の側壁部に設けられた伝熱材3
5に当接させることにより、セルブロック7内の温度が
管理される。
【0025】なお、図3において36は冷却水流路、3
7はセルブロック7を包囲するように設けられる断熱材
を示すものである。また、上記伝熱材35と温度調節部
材34との当接は、上述したロックツマミ27の操作に
連動して上昇する図示しないエレベータによりセルマウ
ント26を上方に押上げることによりなされる。
【0026】さらに、実験部ユニット24は、結晶成長
過程、あるいは成長結果を観察するための自動化された
観察手段を有している。この観察手段は、図4および図
5に示すように、LED38、反射鏡39、レンズ系4
0、およびCCDカメラ41からなる観察装置20と、
レール42、およびモータ43とから構成され、マトリ
クス状に配置された結晶成長室4の観察窓19に順次観
察装置20を移動させ、CCDカメラ41からの入力情
報を図示しない制御部内のメモリに蓄積するように構成
される。
【0027】以上の構成の下、本発明を使用した結晶化
実験は、所定シーケンスによりシリンジ駆動機構17を
駆動させてシリンジ1内の被結晶化溶液2等を結晶成長
室4側に移送し、該結晶成長室4内で結晶化を図るもの
で、各種の結晶化方法に対応させて適宜配管系が変更さ
れる。
【0028】なお、以下の実施例において、隣接するシ
リンジ1同士は同時に駆動されるようにシリンジ駆動機
構17が構成されている。図6は、塩析結晶法に適する
ように構成された配管系を示すものである。この方法に
よる結晶化実験は、予めシリンジ1内に密閉収容された
結晶化剤溶液3、および被結晶化溶液2を同時に配管系
に送り出し、結晶成長室4に至る配管系の途中で混合さ
せて結晶成長室4に移送することによりなされるもの
で、被結晶化溶液2と結晶化剤溶液3を同時に移送する
ために、両液2、3は、隣接するシリンジ1、1に収容
される。なお、厳格な温度管理を要求される被結晶化溶
液2を収容するシリンジブロック6は、実験開始まで冷
蔵装置内で所定温度環境で保存される。
【0029】この実施例において、隣接して配置される
2つ(一対)のシリンジ1内に収容される結晶化剤溶液
3と被結晶化溶液2との混合は、結晶成長室4に向かう
各シリンジ1からの管路を交叉させることにより実現さ
れており、混合溶液の結晶成長室4への移送に伴い、該
結晶成長室4内のエアーは廃液溜5に押し出される。
【0030】なお、塩析結晶法における2液の混合状態
は、必ずしも理想的である必要はないために、上述した
ように、管路を交叉させることによる程度のもので十分
であるが、必要ならば、配管系途中に混合器を配置する
ことも可能である。
【0031】さらに、上記シリンジ1から結晶成長室4
に至る管路には、気泡トラップ手段14が設けられてお
り、試験溶液内の気泡を捕捉する。この気泡トラップと
しては、疎水性の繊維から形成されるスポンジ材を使用
することができる。
【0032】上述した交叉状管路を有する装置は、図7
に示すように、液液界面二液拡散法による実験にそのま
ま適用が可能である。液液界面二液拡散法においては、
被結晶化溶液2と結晶化剤溶液3のいずれか一方を管路
中に送り出した後、他方を管路に送出して両液2、3の
間に自由界面を形成することが必要なために、被結晶化
溶液2と結晶化剤溶液3とは、個別に駆動が可能な位置
に配置されるシリンジ1に収容される。
【0033】図8ないし図14はある特定の方法による
結晶化実験が最適な条件で行なわれるように、上述した
装置に加えられた変更を示すものであり、図8、図9は
塩濃度勾配法、図10、図11は膜介在二液拡散法、図
12ないし図14は気体浸透法に有効な変形を示してい
る。
【0034】本発明において、これらの変形は、シリン
ジブロック6、セルブロック7、時には廃液溜ブロック
8の変形によりもたらされるもので、各変形されたブロ
ック6、7、8は、変形前のブロック6、7、8に対し
て共通の機械的連結用のインターフェイスを有してお
り、限られて特別なものを除いては、上述した標準装置
に対して、変更されたブロック6、7、8を付け代える
ことにより得ることができる。
【0035】先ず、塩濃度勾配法は、図9に示すよう
に、例えばpH濃度等、結晶化に影響を与える因子を結
晶成長室4の長手方向に沿って順次変化させることによ
り実現されるもので、シリンジブロック6内の個別に駆
動可能なシリンジ1には、被結晶化溶液2と、結晶化剤
溶液3が各々収納される。
【0036】また、上記シリンジブロック6にはシリン
ジ1内の結晶化剤溶液3と異なるpH濃度の緩衝溶液9
を収容するスターラ(緩衝機構10)が設けられ、結晶
化剤溶液3のpH濃度を徐々に薄め、あるいは濃くして
被結晶化溶液2が収容されるシリンジ1からの管路との
交叉部に移送される。
【0037】一方、セルブロック7側の結晶成長室4は
可撓性を有するチューブを配設して形成され、該チュー
ブ内に好適な濃度勾配が形成されるタイミングにより数
カ所から圧着してチューブ内を複数の濃度勾配を有する
領域に区画し、その条件を維持したままで結晶化実験が
なされる。
【0038】なお、シリンジブロック6の移送、保管中
にスターラ10中の緩衝溶液9と、結晶化剤溶液3等が
混合しないように、スターラ10への管路には、スリッ
ト状のバルブ29が設けられており、実験開始に当って
開かれて管路が開通するように構成される。また、図9
において、44はチューブを圧着するための櫛歯45を
有する圧着部材である。
【0039】次に、膜介在二液拡散法は、図10および
図11に示すように、透析膜11を介して被結晶化溶液
2と結晶化剤溶液3とを接触させるもので、セルブロッ
ク7側の結晶成長室4は透析膜11により2室に区画さ
れており、観察窓19側の室に予め被結晶化溶液2が収
容される。
【0040】一方、シリンジブロック6側には、低濃度
の結晶化剤溶液3と、より高濃度の結晶化剤溶液3’が
個別に収容されており、先ず、低濃度結晶化剤溶液3を
管路に送り込んで該管路内を洗い流して結晶化を開始し
た後、一定時間後、より高濃度の結晶化剤溶液3’を移
送し、結晶成長室4内の他の室内を飽和状態の結晶化剤
溶液3で満たして実験が行なわれる。
【0041】図12および図13は気体浸透法に有効な
変形を示すものであり、シリンジブロック6の各シリン
ジ1には結晶化剤溶液3、および被結晶化溶液2が収容
され、被結晶化溶液2を観察窓19の近傍位置に、結晶
化剤溶液3をその反対端部に移送することにより、両液
を気相12を介して対峙させるように構成される。
【0042】この場合、両液2、3の接触、混合を防止
するために、結晶成長室4にはスポンジ状の保持材13
が設けられ、シリンジ1から移送された結晶化剤溶液3
の移動を規制するのが望ましい。
【0043】さらに、この気体浸透法においては、図1
4に示すように、セルブロック7側の結晶成長室4に予
め結晶化溶液2を収容しておくことも可能である。以
上、各実験方法に最適なブロック6、7、8の変形を示
したが、この他に、各種の変形をブロック6、7、8に
施すことが可能であり、さらに、生体高分子結晶化装置
して構成された上記実施例を微小重力環境下において材
料等のプロセッシング装置として変形することも可能で
あり、この場合、適用される対象に起因する特殊性を考
慮した適宜の変形が該装置に加えられる。
【0044】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、地上において結晶化を簡便かつ自動的に行う
ことができる。また、本発明を宇宙で実施するにあたっ
ても、輸送コストを低減させることができる上に、搭乗
員の作業工数を減少させることができる。
【0045】また、各ブロックに適当な変更を与え、か
つこれらを同じインターフェイスにより連結することに
より各種の実験が可能となるので、装置全体の汎用性を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す図である。
【図2】本発明の全体図を示す図である。
【図3】シリンジ駆動機構を示す図である。
【図4】観察手段を示す図である。
【図5】観察装置を示す図である。
【図6】塩折結晶法による実験装置を示す図である。
【図7】液液界面二液拡散法による実験装置を示す図で
ある。
【図8】塩濃度勾配法に対する変刑を示す図である。
【図9】図8の概念図を示す図である。
【図10】膜介在二液拡散法に対する変形を示す図であ
る。
【図11】図10の概念図を示す図である。
【図12】気体浸透法に対する変形を示す図である。
【図13】図12の概念図である。
【図14】気体浸透法に対する変形を示す図である。
【図15】従来例を示す図である。
【図16】他の従来例を示す図である。
【符合の説明】 1 シリンジ 2 被結晶化溶液 3 結晶化剤溶液 4 結晶成長室 5 廃液溜 6 シリンジブロック 7 セルブロック 8 廃液溜ブロック 9 緩衝溶液 10 緩衝機構 11 透析膜 12 気相 13 保持材 14 気泡トラップ手段 15 フレーム 16 セルユニット 17 シリンジ駆動機構 18 温調機構 19 観察窓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−56400(JP,A) 実開 昭64−2073(JP,U)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリンジ内に個別に密閉収容された被結晶
    化溶液、および結晶化剤溶液を所定のシーケンスによっ
    て結晶成長室内に移送して該結晶成長室内で生体高分子
    結晶を得る生体高分子結晶化装置であって、 前記シリンジ、結晶成長室、および該結晶成長室からオ
    ーバーフローした溶液を回収する廃液溜を互いに連結可
    能なブロック内に形成するとともに、 前記各シリンジの結晶成長室に至る管路を交叉させて被
    結晶化溶液と結晶化剤溶液との界面を形成可能とし、該
    界面を保持して両液を移送して液液界面二液拡散法によ
    り生体高分子結晶を得る 生体高分子結晶化装置。
  2. 【請求項2】シリンジ内に個別に密閉収容された被結晶
    化溶液、および結晶化剤溶液を所定のシーケンスによっ
    て結晶成長室内に移送して該結晶成長室内で生体高分子
    結晶を得る生体高分子結晶化装置であって、 前記シリンジ、結晶成長室、および該結晶成長室からオ
    ーバーフローした溶液を回収する廃液溜を互いに連結可
    能なブロック内に形成するとともに、 前記各シリンジの結晶成長室に至る管路には、前記結晶
    化剤溶液と異なる濃度の結晶化剤溶液を該管路に送出す
    る結晶化剤溶液保存室兼スターラを設け、結晶化条件を
    逐次変化させた溶液を結晶成長室に移送して塩濃度勾配
    法により生体高分子結晶を得る 生体高分子結晶化装置。
  3. 【請求項3】微小重力環境下において、シリンジ内に密
    閉収容された被結晶化溶液を結晶化剤溶液が収容された
    結晶成長室内に移送して前記被結晶化溶液と結晶化剤溶
    液とを気相を介して対峙させ、気体浸透法により生体高
    分子結晶を得る生体高分子結晶化装置であって、 前記シリンジ、結晶成長室、および該結晶成長室からオ
    ーバーフローした溶液を回収する廃液溜を互いに連結可
    能なブロック内に形成するとともに、 前記結晶成長室内の結晶化剤溶液は、保持材により保持
    されていることを特徴とする 生体高分子結晶化装置。
  4. 【請求項4】前記シリンジと結晶成長室とを連結する管
    路に気泡トラップ手段を有する請求項1、2または3記
    載の生体高分子結晶化装置。
  5. 【請求項5】宇宙機内に設置されたフレームに着脱可能
    に装着され、被結晶 化溶液と結晶化剤溶液とを個別に収
    容する複数のシリンジと結晶成長室とを有してなるセル
    ユニットと、 前記セルユニットにおけるシリンジのピストンを各々所
    定のタイミングで個別に操作するシリンジ駆動機構と、 前記各セルユニット毎に結晶化温度を所定値に管理する
    温調機構とを有してなる 生体高分子結晶化装置。
  6. 【請求項6】前記セルユニットを、複数のシリンジを含
    むシリンジブロックと、結晶成長室が形成されたセルブ
    ロックとを分離可能に連結して形成したことを特徴とす
    る請求項5記載の生体高分子結晶化装置。
  7. 【請求項7】前記セルユニットには、結晶成長室内を観
    察可能な観察窓を形成するとともに、各観察窓を同一方
    向に臨ませるべく各セルユニットを配置し、 前記観察窓が形成される壁面に沿って観察装置を移動さ
    せることにより結晶成長室内を観察可能とした請求項5
    または6記載の生体高分子結晶化装置。
  8. 【請求項8】少なくとも2種以上の試料を個別に密閉収
    容する複数のシリンジを有するシリンジブロックと、前
    記シリンジ内の試料を所定状態に保持して生成物を得る
    生成室ブロックと、廃液溜ブロックとを相互に分離可能
    に連結してなり、 前記シリンジを所定シーケンスによって駆動して該シリ
    ンジ内の試料を生成室ブロック側に移送し、該生成室ブ
    ロックからオーバーフローした試料を廃液溜ブロックに
    移送する微小重力環境下で使用する材料プロセッシング
    装置。
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