Elucidating the role of high-speed self-excited oscillations on the heartbeat using cross-layer measurement from one molecule to heart
| Project/Area Number |
15J07373
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Research Field |
Biophysics
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| Research Institution | Chubu University (2017)
The University of Tokyo (2015-2016) |
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Principal Investigator |
新谷 正嶺 中部大学, 生命健康科学部, 助教
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2017)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 収縮リズム恒常性 / 昇温誘起のサルコメア振動 / マルチスケール・シミュレーション / ミオシンの多機能性 / 階層縦断的生理学アプローチ / サルコメアレベルの筋肉の仕組み / 集団振動 / 心筋細胞 / 筋収縮 / 階層性 / ミオシン / モデルシミュレーション / ナノスケール計測 / 光学顕微計測 / 生物運動系階層構造・機能 / 生体分子モーター / 生物リズム / 心臓拍動 / 化学力学フィードバック / 生物物理 / 細胞熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
心拍は最も頑強な生体リズム現象の一つである。この心拍は、心筋細胞のカルシウム濃度の変動に伴った収縮振動によって生み出されている。近年、代表者は、新生児ラットの生きた心筋細胞を38~42℃に温めると、温めている間だけ可逆的に、カルシウム濃度変動と独立した振動数の収縮振動、HSOs (Hyperthermal Sarcomeric Oscillations)が発生することを発見した。この現象の発見は、深部体温が従来考えられていた以上に心拍にとって重要であることを示唆すると共に、心拍にとって、カルシウム濃度非依存な収縮特性が重要である可能性を強く示唆するものであった。
そこで、上記の温めた心筋細胞に生じる収縮振動、HSOsの特性に関して、高時間分解能(500frame/sec)のサルコメア長のnm精度計測を行なった。結果、HSOsが発生している状態のサルコメアの振動は、カルシウム濃度変動と同じ振動数の成分と、その数倍高い振動数のHSOs成分の2成分を持っていること、このHSOs成分の振動は、振動の振幅や収縮・伸展の時間が、カルシウム濃度変動の影響を受けて変化する一方で振動周期(収縮時間と伸展時間の和)は一定の値を保つ、収縮リズム恒常性と呼べるような性質を備えていることが明らかとなった。
ミオシン等の分子の状態遷移から心臓の拍動までを繋げたマルチスケールモデルから、心筋細胞モデルを取り出し、上記の実験事実の再現を試みたところ、ミオシンの挙動が、ミオシンのおかれた化学力学状態(状況)によって変わる、多機能性を意味するような仮定を置かないと現象を再現できないこと、そのミオシンの仮定を取り入れた心臓拍動のシミュレーションは、従来モデルよりも心拍のエネルギー効率がよくなることが明らかとなった。
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| Research Progress Status |
29年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
29年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(31 results)
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[Journal Article] Dynamic properties of bio-motile systems as a liquid-crystalline structure2017
Author(s)
Shin'ichi Ishiwata, Makito Miyazaki, Katsuhiko Sato, Koutaro Nakagome, Seine A. Shintani, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Norio Fukuda, Kazuya Suzuki, Jun Takagi, Yuta Shimamoto, and Takeshi Itabashi
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Journal Title
Mol. Cryst. Liq. Cryst.
Volume: 印刷中
Issue: 1
Pages: 127-150
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] In vivo cardiac nano-imaging: A new technology for high-precision analyses of sarcomere dynamics in the heart2017
Author(s)
Togo Shimozawa, Erisa Hirokawa, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Takako Terui, Yasuharu Kushida, Seiichi Tsukamoto, Teruyuki Fujii, Shin'ichi Ishiwata, and Norio Fukuda
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Journal Title
Prog. Biophys. Mol. Biol.
Volume: 124
Pages: 31-40
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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