2022 Fiscal Year Annual Research Report
顕微技術を駆使した計測と制御による細胞構造のしなやかさの高精度解析
| Project Area | Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system |
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| Project/Area Number |
18H05493
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
細川 陽一郎 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20448088)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微 / フェムト秒レーザー / フォースマッピング / 顕微細胞操作 / 液胞制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子間力顕微鏡（AFM）をもちいて植物細胞の力学構造の理解をすすめ、AFM計測により得られる外力に対する細胞の力学特性の解析に、従来法（ヘルツの接触理論）とは異なる、膨圧と細胞壁のたわみを考慮した解析理論（シェル理論）を、建築工学における構造力学の取り扱いを参考に構築した。この理論に基づき、外力による細胞の力学応答と外力が無い場合の膨圧による細胞壁形状のひずみを定式化し、細胞壁の弾性率と膨圧を導く方法を考案した。この方法を適用することで、AFMによる細胞形状計測とAFMによるインデンテーション試験による細胞壁のひずみ曲線（フォースカーブ）で決定されるパラメーターを用いて、細胞壁の弾性率と膨圧を導くことができた。この方法の妥当性を検証するために、タマネギ細胞に高濃度のマンニトールを添加し、膨圧が低下する中で細胞形状とフォースカーブを計測し、細胞壁の硬さと膨圧の変化を評価した。マンニトール添加により細胞の曲率が低下し、フォースカーブから見積もられる細胞の見かけの剛性も低下した。得られたデータから細胞壁の弾性率と膨圧を解析すると、マンニトール添加により膨圧（細胞の内外圧差）はほぼ０まで低下し、細胞壁の弾性率は数分の１まで低下する結果が得られた。また、シェル理論の妥当性を明らかにするために、シャジクモの摂間細胞を切り開き、細胞壁をシート状にした試料と無加工の細胞に対してAFMによるフォースカーブ測定をおこない、この計測で見積もられる見かけの弾性率が膨圧の影響を強く受けていることを証明した。さらに、セルロースシートが積層する細胞壁では面内方向の弾性率が、面外方向の弾性率よりも大きく、細胞壁のみでもヘルツの接触理論が適用できないことが示された。このように、植物細胞の持つ複雑な構造に起因する力学特性がひも解かれ、植物の力学構造を微視的な観点から理解する新たな道筋を拓くことができた。
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| Research Progress Status |
令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。
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