Development of sporulation/germination-inspired method for reversible single cell encapsulation

• Project/Area Number: 20K20641
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 江島 広貴 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00724543)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 肇 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50549269)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: 金属-ポリフェノール錯体 / 芽胞形成 / クラミドモナス / 金属ポリフェノール錯体

Outline of Research at the Start

本研究では植物性ポリフェノールコーティングを様々な細胞種に適応し、芽胞形成/発芽プロセスを模倣した可逆的単一細胞被包化技術の確立を目指す。細胞を生きたままコーティングし、オンデマンドに取り外すことができれば、細胞分裂や代謝の時空間制御、外部ストレスへの耐性付与、細胞の表面修飾等が可能となり、単一細胞レベルでの代謝や細胞間コミュニケーション解析等の分野において有用な基盤技術となることが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

アンフィバシラス属などの細菌は外部ストレスに対抗して耐久性の高い胞子膜を周囲に形成する。このプロセスは芽胞形成と呼ばれ、芽胞を形成した細菌は通 常の細菌と比べて耐性が高く、過酷な環境を生き残ることができる。過酷な環境が終わりを告げると、芽胞を分解して発芽し、再び増殖を始める。しかし、このような芽胞形成/発芽能力をもつ細胞は一部の特定種に限られている。本研究では芽胞形成/発芽プロセスを模倣した可逆的単一細胞被包化技術の確立を目的とした。細胞を生きたままコーティングすることによって被包化し、望むタイミングで脱被包化できれば、細胞分裂や代謝の時空間制御、外部ストレスへの耐性付与、細胞の表面修飾等が可能となり、細胞ベースのセンサー、有用物質生産、細胞療法、単一細胞レベルでの細胞代謝および細胞間コミュニケーション解析など の分野において有用な基盤技術となることが期待される。
四年度目となる令和5年度は、令和3,4年度に確立したクラミドモナスの被包化に用いた金属-ポリフェノール錯体からなる被膜の分解挙動を水晶振動子マイクロバランス法を用いて詳細に解析した。過酸化水素は低濃度でも幅広いpHにおいて効率的に金属-ポリフェノール錯体からなる膜を分解した。分解速度は温度依存的であり、低温では遅く、高温では速かった。例えば、5℃では完全に分解するのに6時間を要したが、60℃ではわずか20分で分解した。pH 5-8の緩衝溶液中での分解挙動を調べたところ、pH5での分解速度が最も速く、1時間以内に完全に分解された。pH8では3時間後に12％が残っていたが、過酸化水素による分解はpHの影響を受けにくいことがわかった。中性かつ塩存在下においても分解できたことから、クラミドモナスの脱被包化に向けて適用可能な条件を見出すことができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定どおり、生理的条件下で被膜を分解する条件を見出すことができた。そのため「(2)おおむね順調に進展して いる。」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

確立した被膜の分解条件を、細胞表面上の被膜に適用する。細胞が生きたまま脱被包化できるかどうか検討する。これらの実験により天然の芽胞形成/発芽プロセスを模倣した可逆的単一細胞被包化技術を開拓する。

Research Products

• [Journal Article] Using phenolic polymers to control the size and morphology of calcium carbonate microparticles (2023)
  • Author(s): Yurie Nakanishi, Bohan Cheng, Joseph J. Richardson, Hirotaka Ejima
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 13 Issue: 43 Pages: 30539-30547
  • DOI: 10.1039/d3ra04791a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tannic acid-inspired star polymers for functional metal-phenolic networks with tunable pore sizes (2022)
  • Author(s): Bohan Cheng, Sifan Lu, Wenting Liao, Chenyu Wang, Joseph J. Richardson, Hirotaka Ejima
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 14 Issue: 39 Pages: 14466-14470
  • DOI: 10.1039/d2nr02682a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Encapsulation of Chlamydomonas reinhardtii into a metal-phenolic network (2022)
  • Author(s): Nikolaj Kofoed Mandsberg, Wenting Liao, Yoshihiro Alexander Yamanouchi, Anja Boisen, Hirotaka Ejima
  • Journal Title: Algal Research Volume: 61 Pages: 102569-102569
  • DOI: 10.1016/j.algal.2021.102569
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 金属-ポリフェノール錯体によるセルロースナノ結晶の可逆的表面修飾 (2022)
  • Author(s): 山田江里子、江島広貴
  • Organizer: 2022年 繊維学会秋季研究発表会