Single Molecule Glycomics by Nanoscale Electrophoresis

• Project/Area Number: 19H02567
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28040:Nanobioscience-related
• Research Institution: Kyushu University (2020-2022); Institute of Physical and Chemical Research (2019)
• Principal Investigator: Kawai Takayuki 九州大学, 理学研究院, 准教授 (60738962)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷口 雄一 京都大学, 高等研究院, 教授 (90556276)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: キャピラリー電気泳動 / 一分子顕微鏡 / 糖鎖 / タンパク質 / ナノスケール電気泳動 / 一分子検出 / 電気泳動 / 一分子 / グライコーム / プロテオーム / グライコミクス / 一分子解析 / 一分子観察 / 微小流体デバイス

Outline of Research at the Start

ナノスケール電気泳動と蛍光一分子顕微鏡を組み合わせ，各構造の糖鎖分子を電気泳動によって分離した後，さらに一分子ずつ見分けてその数を計測する「一分子グライコーム解析法」を世界で初めて実現する。がん幹細胞やエクソソームなどを対象に一分子グライコーム解析を実践することで，生体内超微小領域における糖鎖研究を推進し，最終的に「一分子オミックス解析」という新たな研究領域を開拓することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

In this research we aim to realize "single molecule glycome analysis" by coupling micro/nano-scale electrophoresis and single fluorescent molecule microscopy. Biomolecules including glycans and proteins were electrophoretically separated and migrating behavior of each molecule was observed as a movie. By analyzing their apparent electrophoretic velocity, molecular species and their condition like conjugation with another molecule were well determined.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により，従来の化学分析法の感度限界がzmol (1000分子レベル) からymol (1分子レベル) まで大幅に向上し，これまで不可能だった一細胞小器官・エクソソームなどからのグライコーム解析を実現できると期待される。また本技術は糖鎖に限らず，タンパク質や核酸など蛍光標識可能なあらゆる物質に拡張可能であり，本研究が一分子計測が標準化する時代の幕開けを導く第一歩になると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative analysis of drug distribution in heterogeneous tissues using dual‐stacking capillary electrophoresis-mass spectrometry (2022)
  • Author(s): Koganemaru Shigehiro、Kawai Takayuki、Fuchigami Hirobumi、Maeda Naoyuki、Koyama Kumiko、Kuboki Yasutoshi、Mukohara Toru、Doi Toshihiko、Yasunaga Masahiro
  • Journal Title: British Journal of Pharmacology Volume: 180 Issue: 6 Pages: 762-774
  • DOI: 10.1111/bph.15988
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tracking metabolites at single-cell resolution reveals metabolic dynamics during plant mitosis. (2022)
  • Author(s): Okubo-Kurihara E, Ali A, Hiramoto M, Kurihara Y, Abouleila Y, Abdelazem EM, Kawai T, Makita Y, Kawashima M, Esaki T, Shimada H, Mori T, Hirai MY, Higaki T, Hasezawa S, Shimizu Y, Masujima T, Matsui M
  • Journal Title: Plant Physiol Volume: 189 Issue: 2 Pages: 459-464
  • DOI: 10.1093/plphys/kiac093
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recent Advances in Trace Bioanalysis by Capillary Electrophoresis (2021)
  • Author(s): KAWAI Takayuki
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 37 Issue: 1 Pages: 27-36
  • DOI: 10.2116/analsci.20SAR12
  • NAID: 130007966696
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2021-01-10
• [Journal Article] Hi-CO: 3D genome structure analysis with nucleosome resolution (2021)
  • Author(s): Ohno Masae、Ando Tadashi、Priest David G.、Taniguchi Yuichi
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 16 Issue: 7 Pages: 3439-3469
  • DOI: 10.1038/s41596-021-00543-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] iNucs: inter-nucleosome interactions (2021)
  • Author(s): Oveisi Mehrdad、Shukla Manu、Seymen Nogayhan、Ohno Masae、Taniguchi Yuichi、Nahata Sunil、Loos Remco、Mufti Ghulam J、Allshire Robin C、Dimitrov Stefan、Karimi Mohammad M
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 37 Issue: 23 Pages: 4562-4563
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btab698
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitation of Cell Membrane Permeability of Cyclic Peptides by Single-Cell Cytoplasm Mass Spectrometry (2021)
  • Author(s): Kawai Takayuki、Mihara Yasuhiro、Morita Makiko、Ohkubo Masahiko、Asami Taiji、Watanabe Tomonobu M.
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 93 Issue: 7 Pages: 3370-3377
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c03901
• [Journal Article] PHi-C: deciphering Hi-C data into polymer dynamics (2020)
  • Author(s): Shinkai Soya、Nakagawa Masaki、Sugawara Takeshi、Togashi Yuichi、Ochiai Hiroshi、Nakato Ryuichiro、Taniguchi Yuichi、Onami Shuichi
  • Journal Title: NAR Genomics and Bioinformatics Volume: 2 Issue: 2
  • DOI: 10.1093/nargab/lqaa020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A top-down algorithm for identifying the multi-scale hierarchical structure of chromosomes (2020)
  • Author(s): Kumar, V., Leclerc, S., Taniguchi, Y.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 48 Issue: 5 Pages: e26-e26
  • DOI: 10.1093/nar/gkaa004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrasensitive Single Cell Metabolomics by Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry with a Thin-Walled Tapered Emitter and Large-Volume Dual Sample Preconcentration (2019)
  • Author(s): Kawai Takayuki、Ota Nobutoshi、Okada Kaori、Imasato Akiko、Owa Yuri、Morita Makiko、Tada Misa、Tanaka Yo
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 91 Issue: 16 Pages: 10564-10572
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b01578
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proteome-wide Quantification of Labeling Homogeneity at the Single Molecule Level (2019)
  • Author(s): Leclerc Simon、Arntz Youri、Taniguchi Yuichi
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 146 Issue: 146
  • DOI: 10.3791/59199
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] キャピラリー電気泳動に基づく超高感度N結合糖鎖分析法の開発と組織微小環境分析への応用 (2022)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 第41回日本糖質学会年会
  • Invited
• [Presentation] 超高感度CE-MS分析プラットフォームの開発と微量バイオ分析への応用 (2022)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 第42回キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 一細胞メタボロミクスへの挑戦 (2022)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 第95回 日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 微量脳内分子の網羅解析に向けた超高感度分析技術の開発 (2022)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 第96回 日本薬理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Development of Ultra-sensitive Capillary Electrophoresis toward Trace N-glycan Profiling (2022)
  • Author(s): Takayuki Kawai
  • Organizer: Asian Glyco Webinar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キャピラリー電気泳動を駆使した超高感度グライコーム分析法の開発と応用 (2021)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 第18回JCGGシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] キャピラリー電気泳動における技術開発から応用まで (2021)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 第41回キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 極微量・定量的メタボローム分析技術の開発と応用 (2021)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 日本質量分析学会 イオン反応研究部会 2020年前期研究会
  • Invited
• [Presentation] Development of Ultra-sensitive Capillary Electrophoresis and Application to in vitro/vivo Trace Bioanalysis (2021)
  • Author(s): Takayuki Kawai
  • Organizer: Pittcon 2021
  • Invited
• [Presentation] 超高感度キャピラリー電気泳動－質量分析法の開発と一細胞メタボローム分析への応用 (2020)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 日本分析化学会 第80回分析化学討論会
  • Invited
• [Presentation] 超高感度キャピラリー電気泳動法の開発と組織微小環境のオミックス分析 (2020)
  • Author(s): 川井 隆之
  • Organizer: 日本分析化学会 第69年会
  • Invited
• [Presentation] 超高感度キャピラリー電気泳動を用いた微量オミックス分析 (2019)
  • Author(s): 川井隆之
  • Organizer: 日本プロテオーム学会2019年大会・第70回日本電気泳動学会総会 合同大会
  • Invited
• [Book] CE-MS Approaches for Single Cell Metabolomics in a Book "Capillary Electrophoresis - Mass Spectrometry for Proteomics and Metabolomics: Principles and Applications" (2022)
  • Author(s): Takayuki Kawai
  • Total Pages: 400
  • Publisher: Wiley
  • ISBN: 9783527349210
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/takayuki.kawai/
• [Remarks] Research Map
  • URL: https://researchmap.jp/takayuki.kawai/