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Development of cell manipulation technology using photothermal conversion

Planned Research

Project AreaNext-generation non-invasive biological deep-tissue manipulation by biomolecular engineering and low physical energy logistics
Project/Area Number 20H05757
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Imamura Hiromi  京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (20422545)

Project Period (FY) 2020-10-02 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥38,090,000 (Direct Cost: ¥29,300,000、Indirect Cost: ¥8,790,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
Keywords色素タンパク質 / 光熱変換 / レーザー / カルシウム / TRPチャネル / 蛍光タンパク質 / 温度生物学 / オプトジェネティクス
Outline of Research at the Start

細胞の機能を高い標的特異性と時間分解能で制御することは、細胞~個体レベルでの生命現象を理解するために極めて有効であり、将来的な医療への応用も期待される。本研究では、ナノサイズのヒーターによって温度の高い微小環境を作り出せることを実証するとともに、ナノヒーターから生じた熱を温度感受性チャネルに伝えることでその開閉を制御する新しい制御ツールを開発し、熱を介した組織・生体レベルの細胞機能の制御法を確立することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

We have developed a technique to induce the opening of temperature-sensitive channels by heat generated by laser irradiation of dye proteins. First, the feasibility of using the dye protein ShadowR as a nano-sized molecular heater was confirmed using Sirius, a temperature-sensitive blue fluorescent protein. Next, ShadowR was inserted into the temperature-sensitive channel TRPV4. When the fusion protein was expressed in cultured cells and irradiated with a laser pulse at a wavelength absorbed by ShadowR, calcium ion influx was observed through the opening of the TRPV4 channel. On the other hand, the influx of calcium ions did not stop even after the laser irradiation was stopped, indicating that the control of calcium ion influx by photothermal conversion remains an issue.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、光によって細胞機能を操作する「光遺伝学(オプトジェネティクス)」という手法が盛んに開発され、基礎研究分野で利用されている。従来の光遺伝学では光によって機能が変わるタンパク質を利用する。今回の研究では、色素タンパク質の光熱変換によって光を局所的な熱に変換し、その熱を熱感受性タンパク質に伝えることで細胞機能を制御できることを示した。このような細胞操作技術は従来にないものであり、色素タンパク質と熱感受性タンパク質の組み合わせを変えることで多様な細胞制御が可能になるかもしれない。

Report

(3 results)
  • 2022 Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Lactate is an energy substrate for rodent cortical neurons and enhances their firing activity2021

    • Author(s)
      Karagiannis Anastassios、Gallopin Thierry、Lacroix Alexandre、Plaisier Fabrice、Piquet Juliette、Geoffroy H?l?ne、Hepp R?gine、Naud? J?r?mie、Le Gac Benjamin、Egger Richard、Lambolez Bertrand、Li Dongdong、Rossier Jean、Staiger Jochen F、Imamura Hiromi、Seino Susumu、Roeper Jochen、Cauli Bruno
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 10

    • DOI

      10.7554/elife.71424

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Shear stress activates mitochondrial oxidative phosphorylation by reducing plasma membrane cholesterol in vascular endothelial cells2020

    • Author(s)
      Yamamoto Kimiko、Nogimori Yoshitsugu、Imamura Hiromi、Ando Joji
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 117 Issue: 52 Pages: 33660-33667

    • DOI

      10.1073/pnas.2014029117

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Single-cell dynamics of pannexin-1-facilitated programmed ATP loss during apoptosis2020

    • Author(s)
      Imamura Hiromi、Sakamoto Shuichiro、Yoshida Tomoki、Matsui Yusuke、Penuela Silvia、Laird Dale W、Mizukami Shin、Kikuchi Kazuya、Kakizuka Akira
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 9

    • DOI

      10.7554/elife.61960

    • NAID

      120006893984

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spatiotemporal ATP Dynamics during AKI Predict Renal Prognosis2020

    • Author(s)
      Yamamoto Shinya、Yamamoto Masamichi、Nakamura Jin、Mii Akiko、Yamamoto Shigenori、Takahashi Masahiro、Kaneko Keiichi、Uchino Eiichiro、Sato Yuki、Fukuma Shingo、Imamura Hiromi、Matsuda Michiyuki、Yanagita Motoko
    • Journal Title

      Journal of the American Society of Nephrology

      Volume: 31 Issue: 12 Pages: 2855-2869

    • DOI

      10.1681/asn.2020050580

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Intracellular ATP levels in mouse cortical excitatory neurons varies with sleep-wake states2020

    • Author(s)
      A. Natsubori, T. Tsunematsu, A. Karashima, H. Imamura, N. Kabe, A. Trevisiol, J. Hirrlinger, T. Kodama, T. Sanagi, K. Masamoto, N. Takata, K-A Nave, K. Matsui, K.F. Tanaka, M. Honda
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 3 Issue: 1 Pages: 491-491

    • DOI

      10.1038/s42003-020-01215-6

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 緑色蛍光タンパク質由来赤色蛍光タンパク質の創出2021

    • Author(s)
      今村博臣、大坪史歩、竹川宣宏、今田勝巳
    • Organizer
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 緑色蛍光蛋白質AzamiGreen変異体における赤色蛍光発生の構造基盤2021

    • Author(s)
      大坪史歩、竹川宣宏、今村博臣、今田勝巳
    • Organizer
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一細胞ATP濃度イメージングによって明らかとなったアポトーシス細胞内ATP濃度のダイナミクスとその制御2021

    • Author(s)
      今村博臣
    • Organizer
      第94回日本生化学会大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 緑色蛍光蛋白質AzamiGreen由来赤色蛍光蛋白質の結晶構造解析に基づく赤色蛍光団形成の構造基盤2021

    • Author(s)
      大坪史歩、今村博臣、竹川宣宏、今田勝巳
    • Organizer
      第59回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 緑色蛍光蛋白質由来赤色蛍光蛋白質の開発2021

    • Author(s)
      今村博臣、大坪史歩、西田水穂、竹川宣宏、今田勝巳
    • Organizer
      第59回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Imaging of ATP dynamics inside living and dying cells2021

    • Author(s)
      今村博臣
    • Organizer
      第5回日本循環器学会基礎研究フォーラム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 緑色蛍光タンパク質から赤色蛍光タンパク質を創り出す2021

    • Author(s)
      今村博臣、大坪史歩、西田水穂、竹川宣宏、今田勝巳
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第47回討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] アポトーシスにおいてパネキシン1によって駆動されるプログラムされたATP減少の単一細胞イメージング2020

    • Author(s)
      今村博臣
    • Organizer
      光塾2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一細胞ATP濃度イメージングによって明らかにされたアポトーシス時の細胞内ATP減少におけるパネキシン1の役割2020

    • Author(s)
      今村博臣、坂本修一朗、垣塚彰
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会 第46回討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-10-30   Modified: 2024-01-30  

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