２つの発振源からの波の干渉による繊毛メタクロナールウェーブ伝播方向の制御

• Project/Area Number: 21K19228
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 岩楯 好昭 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (40298170)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 沖村 千夏 山口大学, 大学院創成科学研究科, 学術研究員 (80895392)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: ゾウリムシ / メタクロナールウェーブ / 繊毛

Outline of Research at the Start

“繊毛”はゾウリムシ体表からヒトの気管、卵管、脳にまで存在する。隣接した繊毛は一定の位相差を保って屈曲するため、屈曲が波、即ち“メタクロナールウェーブ (MW)”として伝播する。細胞表面の MW 伝播方向は外液の粘性によって変わるが、方向の制御機構は長年不明で、この解明が本研究目的である。応募者は「２箇所の発振源からの波が互いに化学反応の BZ 反応のように干渉して MW の伝播方向が決まる」という仮説を立て、この仮説を生物学的な MW 観察、及び、物理化学的なBZ反応観察を組合せて実証する。

Outline of Annual Research Achievements

繊毛は単細胞生物ゾウリムシから高等動物の気管上皮、卵管等にまで普遍的に存在する。 細胞表面の多数の繊毛それぞれの前後非対称な屈曲により水流が生じ、ゾウリムシは遊泳し、気管では異物を排出、卵管では卵子を子宮に運搬する。繊毛は1本1本が独立に運動しているにも関わらず、隣接した繊毛は一定の位相差を保って屈曲する。このため屈曲が波として伝播する。この伝播する屈曲の波はメタクロナールウェーブと呼ばれる。
ゾウリムシ体表を伝播するMWの方向は、外液の粘性に依存して変化する。この事実は、まるでメタクロナールウェーブに発振源が存在し、それが外液の粘性に依存して移動することを示唆している。しかし、ゾウリムシの体表に発振源となる構造が存在するとしても、それが移動するとは考えにくく、繊毛のメタクロナールウェーブの伝播方向決定メカニズムは現在も不明である。研究代表者は、もし発振源が2つあれば、発信源が移動しなくても、双方からの波同士の干渉で伝播方向が制御可能ではないかと着想した。応募者はゾウリムシのメタクロナールウェーブが細胞前端と口部という2つの発振源からの波の干渉によって生じると推察し、本研究ではこの仮説を実証することを目指している。
今年度は、この仮設を実証するために、２次元平面でメタクロナールウェーブを観察可能な、ゾウリムシの表層シートを作成し、細胞前端部と細胞後部という２つの箇所からの波の発振を観察した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新型コロナウイルス感染症の流行により、各種研究集会が現地開催されず新しい知見を得ることが難しかったが、オンラインの開催による学会等からの知見の収集方法にも慣れ、順調に研究を遂行させることができた。

Strategy for Future Research Activity

細胞表層シートでの２次元平面でのメタクロナールウェーブの伝播を詳細に観察することと、それらを独立に阻害することで合成波の様子がどのように変換するかを観察する。

Research Products

• [Journal Article] Discovery of an F-actin-binding small molecule serving as a fluorescent probe and a scaffold for functional probes (2021)
  • Author(s): Takagi T, Ueno T, Ikawa K, Asanuma D, Nomura Y, Uno S, Komatsu T, Kamiya M, Hanaoka K, Okimura C, Iwadate Y, Hirose K, Nagano T, Sugimura K and Urano Y.
  • Journal Title: Science Avdances Volume: 7(47)
  • DOI: 10.1126/sciadv.abg8585
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative mapping of crawling-cell morphodynamics in deep learning-based feature space (2021)
  • Author(s): Imoto, D., Saito, N., Nakajima, A., Honda, G., Ishida, M., Sugita, T., Ishihara, S., Katagiri, K., Okimura, C., Iwadate, Y. and Sawai, S.
  • Journal Title: PLoS Comput Biol. Volume: 17(8) Pages: 1009237-1009267
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009237
  • Peer Reviewed / Open Access