膜平行電界の実証とそれに基づく膜タンパク質機能計測法への展開
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23H00251
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
平野 愛弓 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (80339241)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小宮 麻希 東北大学, 電気通信研究所, 特任助教 (00826274)
山本 英明 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10552036)
但木 大介 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (30794226)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥47,190,000 (Direct Cost: ¥36,300,000、Indirect Cost: ¥10,890,000)
Fiscal Year 2024: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000)
Fiscal Year 2023: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
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| Keywords | 膜平行電圧 / 膜タンパク質 / イオンチャネル / 細胞膜 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，“膜平行電圧・電界“という新パラダイムに基づいて，膜タンパク質のための新規機能計測場を創出する．細胞膜における電気現象は，細胞膜越しの電位差を制御する電圧固定法によって計測されてきた．本研究では，膜平行電圧の導入によって初めて見える膜タンパク質機能も存在するのではないかとの仮説に基づき，膜平行電界の存在とイオンチャネルに対する効果を実証する．同時に，膜平行電圧の作用機構や薬物スクリーニング系への展開可能性についても検討し，細胞膜科学の新学理の構築に計測手法の観点から貢献する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞膜内外の電位差である膜電位は，細胞膜の基本特性の一つである．イオンチャネル等の膜タンパク質の実験的な機能解析は，膜貫通電位を固定した際に生じるチャネル電流を記録する電圧固定法によって行われてきた．我々は，従来の膜貫通電圧に加えて，膜平行電圧という新機軸を導入することを着想し，これまでに膜平行電圧が電位依存性Naチャネル電流の変調を引き起こすことを報告してきた(Faraday Discuss., 2022; Membranes, 2022)．しかし，膜平行電圧の印加からチャネル電流変調に至る機構は不明であり，その発展の障壁となっていた．2023年度は，膜平行電圧の作用機構を調べるための種々の観測系を構築し，膜物性に及ぼす膜平行電圧の効果を定量的に評価し，その作用機構の概要を明らかにした（投稿準備中）．一方，１分子レベルのチャネル電流は数pA程度と非常に小さく，ノイズ電流との識別が難しいため，膜平行電圧による単一チャネル電流の変調作用を数値化することは極めて困難であった．そこで，ノイズを含む単一チャネル電流をイオンチャネルの開・閉の2状態に分類する適応的解析方法(AI2)を開発し，新規解析法として提案した(Biophys. J., 2023)．AI2は，従来の解析手法に比べて低S/Nデータへの適応性が高く，実チャネルデータに対する解析能力が著しく向上していた．これを用いて，膜平行電圧のチャネル電流変調作用の定量化にも成功した．一方，イオンチャネルは神経信号伝達におけるキープレイヤーでもあるため，培養神経細胞を対象とした研究も並行して進めている．2023年度は，大脳皮質を特徴づけるモジュール構造をもつ培養神経細胞回路を構築し(Sci. Adv., 2023)，神経細胞が汎化フィルターとして機能することを報告した（PNAS, 2023）.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の主テーマである膜平行電圧の実証とその機構解明について，種々の膜物性観測系を構築して解析を進めており，その作用メカニズムを解明しつつある（論文執筆中）．膜平行電圧によるチャネル電流変調作用の定量化については当初は極めて困難であったが，ノイズを含む単一チャネル電流データを開・閉の2状態に分類する適応的解析方法(AI2)の開発により，これも達成した．AI2については，成果の論文発表に加えて，アルゴリズムの性能評価のために作成した擬似チャネルデータと解析プログラムを研究データリポジトリZenodo上で公開しており，オープンサイエンスの観点からも貢献している．また，イオンチャネルがキープレイヤーとして機能している神経信号伝達現象を対象とした研究も並行して進めているが，こちらにおいても論文成果を挙げており，初年度として順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に引き続き，膜平行電圧の実証とその機構解明を進めるとともに，その生理学的意義付けや新規計測基軸としての展開可能性についても検討する．また，膜平行電圧系の汎用性を高めるため，電極寿命の長い膜平行電圧電極チップの作製プロセスも確立する．
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Report
(2 results)
Research Products
(41 results)
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[Journal Article] Modular architecture facilitates noise-driven control of synchrony in neuronal networks2023
Author(s)
H. Yamamoto, F.P. Spitzner, T. Takemuro, V. Buendia, H. Murota, C. Morante, T. Konno, S. Sato, A. Hirano-Iwata, A. Levina, V. Priesemann, M.A. Munoz, J. Zierenberg, J. Soriano
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Journal Title
Science Advances
Volume: 9
Issue: 34
Pages: 1-12
DOI
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Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] キトサンナノファイバ薄膜を基盤としたフレキシブル電極作製と神経インターフェースしての応用2023
Author(s)
安藤大貴, 手島哲彦, Francisco Zurita, Hu Peng, 小倉孝太, 近藤兼司, Lennart Weiss, 平野愛弓, Markus Becherer, Joe Alexander, Bernhard Wolfrum
Organizer
第84回応用物理学会秋季学術講演会
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