有殻アメーバの被殻建築から学ぶ卵型サステナブル構造システム

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 19H05367
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: University of Tsukuba (2020); Kyoto University (2019)
• Principal Investigator: 野村 真未 筑波大学, 生命環境系, 特任助教 (40770342)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 有殻アメーバ / ライブイメージング / 被殻構築 / 卵型被殻 / シリカバイオミネラリゼーション

Outline of Research at the Start

有殻アメーバは卵型の殻をもち、仮足以外の細胞質は頑丈な殻に守られている。有殻アメーバの殻は細胞分裂に先立ち、細胞外のパーツによって、細胞外に母細胞と同じサステナブルな卵型に形成される。有殻アメーバの殻構築中の数理モデルの構築ができれば建築技術に非常に有益な情報をもたらすはずである。しかし、目や手、脳のない単細胞の生物がどのようにして細胞外のパーツを操作し、鋳型のない空間に頑丈な卵型の殻を形成することができるのかは全く分かっていない。本研究では、有殻アメーバの持続可能な卵型構造を形成するシステムの数理モデリングへ向けた情報を得るため、殻構築過程を4Dイメージングにより明らかにすることである。

Outline of Annual Research Achievements

有殻アメーバのポーリネラは細胞骨格を建機の様に利用し、珪酸質の鱗片を巧みに操作して細胞外の鋳型のない空間に卵型サステナブル被殻を形成する。ポーリネラの卵型被殻は大きさの異なる鱗片が規則正しく並べられた構造をしている。小さい鱗片は開口部と細胞後方に、大きい鱗片は中間層に配置されるため卵型の形態をとる。つまり、卵型被殻を構築するには大きさの異なる鱗片を正しい位置に配置する必要があり、立体的なパズルの様に、あらかじめ鱗片が配置されるべき場所が決まっていると考えられる。ポーリネラの被殻構築中の細胞挙動から数理モデルの構築ができれば建築技術に非常に有益な情報をもたらすはずである。しかし、形の異なる鱗片がどのようにして力学的に最適な位置に配置され、規則正しく鱗片の並んだ殻が構築されるのかはわかっていない。そこで、本研究では有殻アメーバが持続可能な卵型構造を形成するシステムの数理モデリングへ向けた情報を得るため、ポーリネラの被殻構築過程における鱗片の挙動を４Dイメージングにより明らかにすることを目的とした。蛍光染色した鱗片の挙動を共焦点レーザー顕微鏡を用いてタイムラプス撮影を行い、鱗片の挙動を解析した。画像解析の結果、細胞外に分泌された鱗片は正確な位置に配置される直前に仮足の中央付近に運ばれ、内側から押し付けられるように配置されていた。また、被殻構築が始まる前の鱗片配置は最終的な卵型被殻上での鱗片配置を反映していることがわかった。被殻構築において鱗片の方向は激しく変化することがわかっている。そこで、鱗片の方向を定量するため、細胞長軸に対する鱗片のなす角を解析した。その結果、配置される直前まで各鱗片によって方向が異なり、ランダムに動かされていることがわかった。これらの結果から、ポーリネラは被殻構築における鱗片の挙動には一定の法則が見られたが、比較的ランダムに動かされていることがわかった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Rappemonads are haptophyte phytoplankton (2021)
  • Author(s): Kawachi Masanobu、Nakayama Takuro、Kayama Motoki、Nomura Mami、Miyashita Hideaki、Bojo Othman、Rhodes Lesley、Sym Stuart、Pienaar Richard N.、Probert Ian、Inouye Isao、Kamikawa Ryoma
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 11 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.03.012
  • NAID: 120007002681
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A dynein-associated photoreceptor protein prevents ciliary acclimation to blue light (2021)
  • Author(s): Kutomi O, Yamamoto R, Hirose K, Mizuno K, Nakagiri Y, , , , , , , Shibata D, Shibata M, Shiba K, Kita M, Kigoshi H, Tanaka Y, Yamasaki Y, Asahina Y, Song C, Nomura M, Nomura M, Nakajima A, Nakachi M, Yamada L, Nakazawa S, Sawada H, Murata K, Mitsuoka K, Ishikawa T, Wakabayashi K, Kon T, Inaba K
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3621
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fine Structure Observation of Feeding Behavior, Nephroselmis spp.-derived Chloroplast Enlargement, and Mitotic Processes in the Katablepharid Hatena arenicola (2020)
  • Author(s): Nomura Mami、Kamikawa Ryoma、Ishida Ken-ichiro
  • Journal Title: Protist Volume: 171 Issue: 2 Pages: 125714-125714
  • DOI: 10.1016/j.protis.2020.125714
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Publisher Correction: Calaxin is required for cilia-driven determination of vertebrate laterality (2019)
  • Author(s): Sasaki Keita、Shiba Kogiku、Nakamura Akihiro、Kawano Natsuko、Satouh Yuhkoh、Yamaguchi Hiroshi、Morikawa Motohiro、Shibata Daisuke、Yanase Ryuji、Jokura Kei、Nomura Mami、Miyado Mami、Takada Shuji、Ueno Hironori、Nonaka Shigenori、Baba Tadashi、Ikawa Masahito、Kikkawa Masahide、Miyado Kenji、Inaba Kazuo
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 2 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0512-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-cell genomics unveiled a cryptic cyanobacterial lineage with a worldwide distribution hidden by a dinoflagellate host (2019)
  • Author(s): Takuro Nakayama, Mami Nomura, Yoshihito Takano, Goro Tanifuji, Kogiku Shiba, Kazuo Inaba, Yuji Inagaki, Masakado Kawata
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 116 Issue: 32 Pages: 15973-15978
  • DOI: 10.1073/pnas.1902538116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 有殻アメーバ直伝、卵型シェルターの作り方 (2021)
  • Author(s): 野村真未、西上幸範、市川正敏、中山卓郎、太田啓介、中村桂一郎
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Invited
• [Presentation] 有殻アメーバの卵型被殻建築の4Dイメージング解析 (2020)
  • Author(s): 野村真未、西上幸範、市川正敏、中山卓郎、太田啓介、中村桂一郎
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] A biosilica-related protein newly identified from a rhizarian testate amoeba: a key enzyme of eukaryotic silica-biomineralization? (2019)
  • Author(s): Mami Nomura, Takuro Nakayama, Shin-ichi Miyamura, Masaki Yoshida, Kazuo Inaba, Ryoma Kamikawa, Ken-ichiro Ishida
  • Organizer: VIII ECOP-ISOP JOINT MEETING
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] MAMI NOMURA Unicellular Morphogenesis
  • URL: https://true82future.wixsite.com/maminomura