非線形ラマン散乱を用いた細胞内超硫黄分子のin situ検出と動的変化の解明
| Project Area | Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology |
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| Project/Area Number |
21H05261
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中林 孝和 東北大学, 薬学研究科, 教授 (30311195)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥72,930,000 (Direct Cost: ¥56,100,000、Indirect Cost: ¥16,830,000)
Fiscal Year 2024: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
Fiscal Year 2021: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000)
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| Keywords | 超硫黄分子 / ラマン顕微鏡 / 非線形ラマン散乱 / タンパク質 / 密度汎関数法 / 非線形ラマン / SOD1 / 酸化作用 / 機械学習 / 密度汎関数 / 蛍光寿命 |
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| Outline of Research at the Start |
超硫黄分子の生体内での役割を理解するためには、生細胞内にある超硫黄分子のその場観測と動的変化を理解することが必要である。本研究では、ピコ秒パルスレーザーを用いる非線形ラマン散乱と蛍光を組み合わせた新たな顕微システムを構築し、細胞内での超硫黄分子の細胞内分布、濃度、代謝のダイナミクス計測を目指す。さらに、分子動力学計算や機械学習などの様々な解析手法を用いて、超硫黄分子の生理機能の分子論的解明、超硫黄分子の発現と細胞内環境との相関についても検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) CARS (Coherent anti-Stokes Raman Scattering) 顕微鏡システムの立ち上げを引き続き行い、高信号雑音比の生細胞のラマンスペクトルを得ることができた。ピエゾステージを導入し、C-H伸縮振動バンド強度などを画像化した細胞イメージング測定も行うことができている。ラマン解析手法の整備も行い、多変量解析を用いた細胞内成分の分離、機械学習を用いた細胞状態解析などのプログラムの蓄積も行っている。細胞外の水のラマンバンドを強度標準とすることで単一細胞内の構成成分の定量が行えることを提案し、現有の共焦点ラマン顕微鏡を用いて単一生細胞内の核酸のその場定量化にも成功した。次年度では遅延光学系などに改良を加え、低波数測定領域の拡張、S8などのカテネーションされた硫黄分子の観測・定量を目指す。(2) 超硫黄化された様々なタンパク質および超硫黄化合物のモデル分子の合成・ラマンスペクトルの測定を行い、超硫黄化に伴うS-S伸縮振動バンドの変化について検討した。ジスルフィドからトリ、テトラなど超硫黄化するに従い低波数側にシフトし、S-S伸縮振動バンドの低波数シフトから、ラマン顕微鏡を用いた超硫黄化のラベルフリー検出を提案した。(3) ALS関連タンパク質であるSOD1について、S-S結合の解離・伸長に伴うSOD1の機能変化を検討した。解離によって酸化作用が増加するのに対し、S-S結合が伸長し超硫黄化することでSOD1の抗酸化作用が増加することがわかった。SOD1の機能がシステイン間の結合によって制御できることがわかる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
非線形ラマン散乱であるCARS顕微鏡を作成し、高信号雑音比の細胞のラマンスペクトルを得ることができた。また、水のラマンバンドを強度標準とすることで単一細胞内にある分子のその場定量法の開発にも成功している。ラマン顕微鏡を用いた超硫黄化構造のラベルフリー検出も提案している。
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| Strategy for Future Research Activity |
製作したCARS顕微鏡を用いた細胞内の超硫黄構造の検出を目指す。昨年度できなかった350 cm-1までの低波数測定ができるように改良を加え、硫黄原子カテネーションされた硫黄分子の細胞内観測を目指す。表面増強ラマン散乱（SERS)との組み合わせも引き続き検討する。さらに顕微蛍光寿命測定システムの整備を行い、ラマン顕微鏡と組み合わせた細胞状態計測のマルチモーダル化を行う。密度汎関数法を用いた超硫黄分子構造の理論解析については、様々なモデル化合物の実測のラマンスペクトルと計算の比較を行い、ラマンスペクトルを用いた超硫黄構造検出の可能性を探る。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
