細胞構造構成分子の分子交換計測と数理解析に基づくメカノトランスダクション機能解明
| Project/Area Number |
20J10828
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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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| Review Section |
Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
齋藤 匠 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | バイオメカニクス / メカのバイオロジー / FRAP / 拡散 / 細胞内流動 / 細胞内変形 / ストレスファイバー / メカノバイオロジー / 化学反応 |
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| Outline of Research at the Start |
細胞内構造物であるストレスファイバー（アクチンを主成分として細胞内で張力を支持）の力学・生化学情報変換機構の解明を目指し、以下の2点に焦点を当てて研究を行う。1.ストレスファイバーが細胞内で張力を支えつつ、細胞外力に感知・応答する機構の解明。2.力学依存的な分子交換計測（分子交換は細胞の恒常性を保つために重要であり、恒常性の欠落は炎症など病気・疾患に関与する）。これらの統合的な研究により、細胞の力学的適応のメカニズムの一端を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究課題「細胞構造構成分子の分子交換計測と数理解析に基づくメカノトランスダクション機能解明」のために，制細胞内の分子交換計測手法を開発した。我々はまず、分子交換を3つのフェーズに分類した：1. 生化学反応と分子拡散の両方が支配的な場合（分子交換の時定数は数秒）、2. 生化学反応と細胞内流動が支配的な場合（時定数は数分を超える）、そして3. 生化学反応と細胞内流動に加え分子高次構造物が変形する場合（2と同様に時定数は数分を超える）。採用初年度には特に1に関する研究で進展があった。具体的には、従来のFRAP計測（代表的な分子交換計測手法）に反応拡散を考慮する数理および遺伝子工学実験を組み合わせ、細胞内分子の反応ドメインごとの化学平衡定数と拡散係数を分離する計測基盤を開発した。採用2年目には、上述した2および3に関する研究で進展があった。これまでの長時間FRAP計測では、取得したデータに含まれる化学反応（生化学情報）や細胞内の流動性や変形といった力学情報を複合的に解釈するモデルがなかった。そのため、ほとんどは比較的短時間の時間に対する輝度データのみを用いて、生化学情報のみを決定していた。また、代替的に、二つ以上の指数関数から成るモデルを用いて、それら指数関数の時定数を決定する手法もあった。それらに対して、我々は新たに、反応―移流方程式に基づくモデルをたて、その解析解をFRAP計測で得られた輝度の時間と空間のデータ（時空間輝度分布）にフィッティングすることで、生化学反応と移流速度を同時に計測する手法を提案した。さらに、連続体力学をFRAPに応用し、移流に加えて変形をとらえるモデルも開発した。これらの研究は細胞内の力学依存的な生化学反応（すなわち分子交換）を理解するための計測基盤を構築するものであり、工学だけでなく、細胞生物学・生化学・細胞力学等の分野に貢献したといえる。
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| Research Progress Status |
令和3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 |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
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[Journal Article] What factors determine the number of nonmuscle myosin II in the sarcomeric unit of stress fibers?2021
Author(s)
Saito, T., Huang, W., Matsui, T.S., Kuragano, M., Takahashi, M., Deguchi, S.
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Journal Title
Biomechanics and Modeling in Mechanobiology
Volume: 20
Issue: 1
Pages: 155-166
DOI
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Peer Reviewed
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