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Post-Koch Ecological Physical Chemistry Based on Molecular Spectroscopic Profiling

Planned Research

Project AreaPost-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
Project/Area Number 19H05681
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionKwansei Gakuin University

Principal Investigator

Shigeto Shinsuke  関西学院大学, 理学部, 教授 (10756696)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 劉 宗翰  関西学院大学, 理工学研究科, 助教 (10825475)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥93,730,000 (Direct Cost: ¥72,100,000、Indirect Cost: ¥21,630,000)
Fiscal Year 2023: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2020: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2019: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
Keywordsラマン分光 / 機械学習 / シングルセル解析 / 微生物識別 / アーキア / 希少放線菌 / 顕微ラマン分光 / 希少放線菌胞子嚢 / 土壌微生物 / スペクトルビッグデータ / 高密度培養デバイス / 分光ビッグデータ / シングルセルラマンデータ / ゲル充填マイクロウェルアレイ / メタン生成アーキア / 微生物分類 / 光ピンセット / マイクロゲルウェル培養デバイス / ポストコッホ微生物分離装置 / ラマンビッグデータ / 共鳴ラマン効果
Outline of Research at the Start

自発ラマンスペクトルおよび自家蛍光スペクトルを利用し、それら分子スペクトルを様々な測定条件(励起レーザー波長、表面/チップ増強、安定同位体標識)、外的摂動(温度変化、pH変化、電場印加、施肥を反映した栄養源、化学物質添加、酸素濃度変化など)の下で取得することによって、複合微生物系の分光データを超高次元化する。得られた分光ビッグデータをもとに、領域内の研究者と緊密に連携して情報学における最新のデータマイニング・機械学習技術を利用することで複合微生物を網羅的にプロファイリングし、それらの属種と生理的機能(代謝)の判別を可能にするポストコッホ技術を創出する。

Outline of Final Research Achievements

To develop a "post-Koch" technique that allows for nondestructive analysis of the species and functions of unknown microbes, we combined Raman-based molecular spectroscopic techniques with machine learning and gel-filled microarray devices. Using machine learning of single-cell Raman data, we achieved highly accurate species- and domain-level classification of bacteria and archaea. We demonstrated and established protocols in which soil microbes are cultured on newly developed gel-filled microarray devices, subjected to Raman measurements, and picked up for further analysis. We also measured, for the first time to our knowledge, characteristic Raman spectra of methanogenic archaea and rare actinomycetes.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発したラマンスペクトルの機械学習によるバクテリアとアーキアの非破壊識別法を用いれば、生分解性プラスチックやカロテノイドなどの有用物質を多く生産するバクテリアやこれまでまったく未知であったアーキアを環境中で高精度に発見することが可能になると期待される。本研究の成果は生態系の理解の深化やバイオものづくりの革新を導く高い学術的・社会的意義を有している。

Report

(6 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (60 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 8 results) Presentation (48 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 15 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Transcriptional heterogeneity of catabolic genes on the plasmid pCAR1 causes host-specific carbazole degradation2024

    • Author(s)
      Suzuki-Minakuchi Chiho、Yamamoto Natsumi、Takahira Saki、Yamaguchi Masataka、Takeda Yutaro、Okada Kazunori、Shigeto Shinsuke、Nojiri Hideaki
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: 90 Issue: 2

    • DOI

      10.1128/aem.01247-23

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simultaneous Imaging and Characterization of Polyunsaturated Fatty Acids, Carotenoids, and Microcrystalline Guanine in Single Aurantiochytrium limacinum Cells with Linear and Nonlinear Raman Microspectroscopy2023

    • Author(s)
      Sasaki Risa、Toda Shogo、Sakamoto Takaiku、Sakuradani Eiji、Shigeto Shinsuke
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 127 Issue: 12 Pages: 2708-2718

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c00302

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Raman Micro­spectroscopy and Imaging of Filamentous Fungi2022

    • Author(s)
      Shigeto Shinsuke、Takeshita Norio
    • Journal Title

      Microbes and Environments

      Volume: 37 Issue: 6 Pages: n/a

    • DOI

      10.1264/jsme2.ME22006

    • ISSN
      1342-6311, 1347-4405
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Resonance Raman analysis of intracellular vitamin B12 analogs in methanogenic archaea2022

    • Author(s)
      Kanno Nanako、Kato Shingo、Itoh Takashi、Ohkuma Moriya、Shigeto Shinsuke
    • Journal Title

      Analytical Science Advances

      Volume: - Issue: 5-6 Pages: 165-173

    • DOI

      10.1002/ansa.202100042

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nondestructive microbial discrimination using single-cell Raman spectra and random forest machine learning algorithm2022

    • Author(s)
      Kanno Nanako、Kato Shingo、Ohkuma Moriya、Matsui Motomu、Iwasaki Wataru、Shigeto Shinsuke
    • Journal Title

      STAR Protocols

      Volume: 3 Issue: 4 Pages: 101812-101812

    • DOI

      10.1016/j.xpro.2022.101812

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Non-destructive Biomolecular Analysis of Microbial Cells by Raman Microspectroscopy2022

    • Author(s)
      菅野 菜々子、重藤 真介
    • Journal Title

      Journal of Environmental Biotechnology

      Volume: 22 Issue: 1 Pages: 81-90

    • DOI

      10.50963/jenvbio.22.1_81

    • ISSN
      1347-1856, 2436-5041
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Machine learning-assisted single-cell Raman fingerprinting for in situ and nondestructive classification of prokaryotes2021

    • Author(s)
      Nanako Kanno、Shingo Kato、Moriya Ohkuma、Motomu Matsui、Wataru Iwasaki、Shinsuke Shigeto
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 24 Issue: 9 Pages: 102975-102975

    • DOI

      10.1016/j.isci.2021.102975

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  • [Journal Article] Deuterium-labeled Raman tracking of glucose accumulation and protein metabolic dynamics in Aspergillus nidulans hyphal tips2021

    • Author(s)
      Yasuda Mitsuru、Takeshita Norio、Shigeto Shinsuke
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1279-1279

    • DOI

      10.1038/s41598-020-80270-9

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  • [Journal Article] Raman spectroscopic signatures of carotenoids and polyenes enable label-free visualization of microbial distributions within pink biofilms2020

    • Author(s)
      Horiue Hiroto、Sasaki Mai、Yoshikawa Yuki、Toyofuku Masanori、Shigeto Shinsuke
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 7704-7704

    • DOI

      10.1038/s41598-020-64737-3

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Simple Calibration Method of Anti-Stokes-Stokes Raman Intensity Ratios Using the Water Spectrum for Intracellular Temperature Measurements2020

    • Author(s)
      Yoshikawa Yuki、Shigeto Shinsuke
    • Journal Title

      Applied Spectroscopy

      Volume: 74 Issue: 10 Pages: 1295-1296

    • DOI

      10.1177/0003702820933908

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ラマンスペクトルデータ解析による微生物細胞のイメージングと識別2024

    • Author(s)
      重藤真介
    • Organizer
      日本分光学会近赤外分光部会第17回シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] ラマン散乱を中心とした分子分光法による微生物イメージング2024

    • Author(s)
      宇佐美慶典、手塚武揚、大西康夫、重藤真介
    • Organizer
      第73回日本放線菌学会学術講演会
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 植物-アーバスキュラー菌根菌共生体のマルチモーダル非線形光学イメージング2024

    • Author(s)
      祖父江編、宇佐美慶典、竹下典男、市橋泰範、重藤真介
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ラマン分光を核としたマルチモーダルラベルフリーイメージングで迫る希少放線菌胞子嚢の特異な構成成分2024

    • Author(s)
      宇佐美慶典、手塚武揚、大西康夫、重藤真介
    • Organizer
      日本農芸化学会2024年度大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 1細胞ラマン・蛍光顕微分光分析により明らかにする葉圏微生物の色素多様性2024

    • Author(s)
      菅野菜々子、重藤真介
    • Organizer
      日本農芸化学会2024年度大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ラマン・蛍光スペクトルの同時検出による光合成細菌および葉圏微生物の1細胞色素分析2023

    • Author(s)
      菅野菜々子、重藤真介
    • Organizer
      第13回日本光合成学会年会
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  • [Presentation] バクテリア/アーキアドメインをラマン顕微鏡による非破壊・非染色分析法で見分けられるか?:アーキア細胞に見られるラマン分光学的特徴2023

    • Author(s)
      菅野菜々子、加藤真悟、伊藤隆、大熊盛也、小田和佳、大谷竜哉、高橋愛香音、重藤真介
    • Organizer
      第35回日本Archaea研究会講演会
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    • Invited
  • [Presentation] Novel Raman-Based Approaches to Nondestructive Microbial Analysis Using a Microwell Array Device and Machine Learning2023

    • Author(s)
      Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Taiwan International Symposium on Raman Spectroscopy
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multi-wavelength excitation Raman microspectroscopy for detecting different pigments in photosynthetic bacteria2023

    • Author(s)
      Takuya Miyagawa, Nanako Kanno, Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Taiwan International Symposium on Raman Spectroscopy
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct temperature determination in fission yeast spores using anti-Stokes to Stokes Raman scattering intensity ratios2023

    • Author(s)
      Rin Miyasaka, Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Taiwan International Symposium on Raman Spectroscopy
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Label-free molecular imaging of an arbuscular mycorrhizal fungus using multiplex CARS microspectroscopy2023

    • Author(s)
      Amu Sofue, Norio Takeshita, Yasunori Ichihashi, Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Taiwan International Symposium on Raman Spectroscopy
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Raman Microspectroscopic Observation of Microorganisms Cultured with a Glass Gel-Filled Micro Well Array Device2023

    • Author(s)
      Moka Ogawa, Fumihiro Sassa, Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Taiwan International Symposium on Raman Spectroscopy
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Raman microspectroscopy and imaging of oil-producing and degrading microorganisms2023

    • Author(s)
      Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Asian Spectroscopy Conference
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Single-cell analysis of a pyrene-degrading bacterial consortium using Raman microspectroscopy with deuterium labeling2023

    • Author(s)
      Megu Takemoto, Felipe Vejarano, Yuanhao Zhu, Chiho Suzuki-Minakuchi, Hideaki Nojiri, Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Asian Spectroscopy Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Label-free imaging of rare actinomycete sporangium using linear/nonlinear Raman microspectroscopy and multivariate curve resolution2023

    • Author(s)
      Keisuke Usami, Takeaki Tezuka, Yasuo Ohnishi, Shinsuke Shigeto
    • Organizer
      8th Asian Spectroscopy Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 線形・非線形顕微ラマン分光と多変量波形分解を用いた希少放線菌胞子嚢のラベルフリーイメージング2023

    • Author(s)
      宇佐美慶典、手塚武揚、大西康夫、重藤真介
    • Organizer
      第17回分子科学討論会
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      祖父江編、竹下典男、市橋泰範、重藤真介
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      第17回分子科学討論会
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    • Author(s)
      宮坂凛、重藤真介
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      第17回分子科学討論会
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    • Author(s)
      重藤真介
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      Nanako Kanno, Shinsuke Shigeto
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      Plant Microbiota Research Network (PMRN) 第3回オンラインシンポジウム
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      Nanako Kanno, Shingo Kato, Takashi Itoh, Moriya Ohkuma, Nodoka Oda, Tatsuya Ohtani, Shinsuke Shigeto
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      日本微生物生態学会第36回浜松大会・アジア微生物生態シンポジウム
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  • [Presentation] マルチプレックスCARS顕微分光によるアーバスキュラー菌根菌のラベルフリー分子イメージング2023

    • Author(s)
      祖父江編、竹下典男、市橋泰範、重藤真介
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Machine learning-assisted Raman microspectroscopy for microbial discrimination2022

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      Shinsuke Shigeto
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  • [Presentation] 顕微ラマン分光を用いた希少放線菌の胞子嚢構成成分のラマベルフリー可視化2022

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      宇佐美慶典、手塚武揚、大西康夫、重藤真介
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      小田和佳、菅野菜々子、重藤真介
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      2022年度日本分光学会年次講演会
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      竹本芽紅、Felipe Vejarano、Yuanhao Zhu、水口千穂、野尻秀昭、重藤真介
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      2022年度日本分光学会年次講演会
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      菅野菜々子、重藤真介
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      菅野菜々子、重藤真介
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      日本微生物生態学会第35回大会
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      重藤真介
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      前田大樹、菅野菜々子、佐々文洋、重藤真介
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      山口雅貴、水口千穂、野尻秀昭、重藤真介
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      日本農芸化学会2022年度大会
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      中務百花、プラサド マノージュ、ウタダ アンドリュー、重藤真介
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      日本農芸化学会2022年度大会
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      宮前靖弘、久能樹、重藤真介
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      日本農芸化学会2022年度大会
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      Shinsuke Shigeto、Nanako Kanno、Shingo Kato、Motomu Matsui
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      小田和佳、菅野菜々子、重藤真介
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      11th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy
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  • [Presentation] マイクロ流体デバイスを用いた細菌によるバイオフィルム形成及び油滴分解過程のラマン分光観察2021

    • Author(s)
      Momoka Nakatsukasa、Manoj Prasad、Andrew S. Utada、Shinsuke Shigeto
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      2021年度日本分光学会年次講演会
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  • [Presentation] 微生物細胞のラマンイメージング:代謝と相互作用を観る2021

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      重藤真介
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      東海コンファレンス 2021 in 愛知
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  • [Presentation] オーランチオキトリウム単一細胞の多成分同時イメージング2021

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      菅野菜々子、加藤真悟、松井求、重藤真介
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      日本農芸化学会2021年度大会
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    • Author(s)
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      分子科学オンライン討論会
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  • [Presentation] 微生物中の分子からの手紙―ラマンスペクトルーを読み解く2020

    • Author(s)
      重藤真介
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    • Invited
  • [Presentation] ラマンデータ解析と微生物研究への展開2019

    • Author(s)
      重藤真介
    • Organizer
      第13回バイオ関連化学シンポジウム
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  • [Book] ラマン分光スペクトルデータ解析事例集2022

    • Author(s)
      執筆者:63名(重藤真介、片山詔久、森田成昭、吉岡信明、杉江隆一、竹井弘之、下赤卓史、池田勝佳、藤井康裕、藤井直美、海野雅司、源川拓磨、中林孝和、梶本真司、山越博幸、袖岡幹子、藤田克昌、大嶋祐介、南川丈夫、奈良雅之ほか)、技術情報協会
    • Total Pages
      405
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861048722
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  • [Remarks] 重藤研究室ホームページ

    • URL

      https://sci-tech.ksc.kwansei.ac.jp/~shigeto/index.html

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Published: 2019-07-04   Modified: 2025-01-30  

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