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2022 Fiscal Year Annual Research Report

ゆらぎと応答の基本限界から探索する生体分子の設計原理

Planned Research

Project AreaInformation physics of living matters
Project/Area Number 19H05795
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

岡田 康志  東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50272430)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 神原 丈敏  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 技師 (40451637)
池崎 圭吾  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10722960)
榎 佐和子 (苙口佐和子)  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (50467635)
佐々 真一  京都大学, 理学研究科, 教授 (30235238)
川口 喬吾  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 理研白眉研究チームリーダー (00787319)
岩城 光宏  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 客員研究員 (30432503)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Keywords情報熱力学 / 分子モーター / 1分子計測
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、1) 生体分子モーターの多様性と設計原理、2) 細胞内非平衡環境の計測、3) 非平衡多体現象の基礎理論、の3つの項目について研究を行う。
このうち 1) 生体分子モーターの多様性と設計原理については、トレードオフ関係式の理論を発展させるとともに、これに対応した計測系を実現するための装置開発を進めた。一分子計測で測定可能なパラメータを用いて分子モーターの性能にかかわるトレードオフ関係式に対応した一分子計測実験を行うために、高い空間分解能と時間分解能を両立する構造化照明一分子顕微鏡の構築を進め、ナノメートル精度を達成するなどの予備的な結果が得られた。さらに、1分子計測実験結果に熱力学的不確定性関係を用いてエントロピー生成を推定する手法について、実験結果を模擬したシミュレーションで有効性が確認できた。
2) 細胞内非平衡環境の計測については、並進拡散と回転拡散の同時計測を行うための6次元高速一粒子追跡顕微鏡の開発を進めた。この顕微鏡とマイクロ流体デバイスを組み合わせる実験系を構築した。また、細胞内で拡散粒子に力学的摂動を与えるための操作系の開発も進め、in vitroの系で多数の微粒子を一様に操作できることを確認した。新たに、細胞内での拡散計測のために、自己組織化蛍光ナノ粒子を細胞内に発現させる実験系を確立し、生細胞内での並進拡散計測を再現よく実施することで、細胞状態と細胞質の流動性の定量的解析が進展した。
3) 非平衡多体現象については、クロマチン構造転移が1次転移となり遺伝子スイッチとして機能する条件の理論を踏まえ、多色全反射顕微鏡を用いた再構成クロマチンの計測がスタートした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

前年度までのコロナ禍による遅れを取り戻し、概ね計画通りに進展できている。

Strategy for Future Research Activity

コロナ禍による影響での遅延の影響が当初懸念されたが、その後の研究の進展により、遅延の影響は概ね取り返すことができている。しかし、半導体不足などの影響で機器類の納期遅延が多々見られるので、できるだけ前倒しに発注するなど納期遅延の影響を最小限に抑えたい。

  • Research Products

    (35 results)

All 2023 2022

All Journal Article (13 results) (of which Peer Reviewed: 13 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 22 results)

  • [Journal Article] Macroscopic Stability of Time Evolution of Gibbs Measures2022

    • Author(s)
      Lefevere Rapha?l、Sasa Shin-ichi
    • Journal Title

      Journal of Statistical Physics

      Volume: 188 Pages: -

    • DOI

      10.1007/s10955-022-02943-1

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Phase Growth with Heat Diffusion in a Stochastic Lattice Model2022

    • Author(s)
      Hiraizumi Mao、Ohta Hiroki、Sasa Shin-ichi
    • Journal Title

      Journal of Statistical Physics

      Volume: 189 Pages: -

    • DOI

      10.1007/s10955-022-02990-8

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quasi-static Decomposition and the Gibbs Factorial in Small Thermodynamic Systems2022

    • Author(s)
      Sasa Shin-ichi、Hiura Ken、Nakagawa Naoko、Yoshida Akira
    • Journal Title

      Journal of Statistical Physics

      Volume: 189 Pages: -

    • DOI

      10.1007/s10955-022-02991-7

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] c-Src?mediated phosphorylation and activation of kinesin KIF1C promotes elongation of invadopodia in cancer cells2022

    • Author(s)
      Saji Takeshi、Nishita Michiru、Ikeda Kazuho、Endo Mitsuharu、Okada Yasushi、Minami Yasuhiro
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 298 Pages: 102090~102090

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.102090

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Gradual differentiation uncoupled from cell cycle exit generates heterogeneity in the epidermal stem cell layer2022

    • Author(s)
      Cockburn Katie、Annusver Karl、Gonzalez David G.、Ganesan Smirthy、May Dennis P.、Mesa Kailin R.、Kawaguchi Kyogo、Kasper Maria、Greco Valentina
    • Journal Title

      Nature Cell Biology

      Volume: 24 Pages: 1692~1700

    • DOI

      10.1038/s41556-022-01021-8

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A highly photostable and bright green fluorescent protein2022

    • Author(s)
      Hirano Masahiko、Ando Ryoko、Shimozono Satoshi、Sugiyama Mayu、Takeda Noriyo、Kurokawa Hiroshi、Deguchi Ryusaku、Endo Kazuki、Haga Kei、Takai-Todaka Reiko、Inaura Shunsuke、Matsumura Yuta、Hama Hiroshi、Okada Yasushi、Fujiwara Takahiro、Morimoto Takuya、Katayama Kazuhiko、Miyawaki Atsushi
    • Journal Title

      Nature Biotechnology

      Volume: 40 Pages: 1132~1142

    • DOI

      10.1038/s41587-022-01278-2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Interscale entanglement production in a quantum system simulating classical chaos2022

    • Author(s)
      Haga Taiki、Sasa Shin-ich
    • Journal Title

      Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment

      Volume: 2022 Pages: 123102~123102

    • DOI

      10.1088/1742-5468/aca2a1

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] LapTrack: linear assignment particle tracking with tunable metrics2022

    • Author(s)
      Fukai Yohsuke T、Kawaguchi Kyogo
    • Journal Title

      Bioinformatics

      Volume: 39 Pages: -

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btac799

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Geometric decomposition of entropy production into excess, housekeeping, and coupling parts2022

    • Author(s)
      Dechant Andreas、Sasa Shin-ichi、Ito Sosuke
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 106 Pages: -

    • DOI

      10.1103/physreve.106.024125

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterizing the Asymmetry in Hardness between Synthesis and Destruction of Heteropolymers2022

    • Author(s)
      Kobayashi Ikumi、Sasa Shin-ichi
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 128 Pages: -

    • DOI

      10.1103/physrevlett.128.247801

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unique extension of the maximum entropy principle to phase coexistence in heat conduction2022

    • Author(s)
      Nakagawa Naoko、Sasa Shin-ichi
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 4 Pages: -

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.4.033155

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] XY model for cascade transfer2022

    • Author(s)
      Tanogami Tomohiro、Sasa Shin-ichi
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 4 Pages: -

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.4.l022015

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Probing the rules of cell coordination in live tissues by interpretable machine learning based on graph neural networks2022

    • Author(s)
      Yamamoto Takaki、Cockburn Katie、Greco Valentina、Kawaguchi Kyogo
    • Journal Title

      PLOS Computational Biology

      Volume: 18 Pages: e1010477

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1010477

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 蛍光ライブセルイメージングの限界への挑戦2023

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      光塾
    • Invited
  • [Presentation] 蛍光ライブセルイメージングの限界への挑戦2023

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      大阪大学微生物病研究所アドバンストセミナー
    • Invited
  • [Presentation] 機械学習・人工知能を活用したライブセルイメージング2023

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
    • Invited
  • [Presentation] Topology and active matter physics in cultured nematic cells2023

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      The University of Cambridge Morphogenesis Seminar Series
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Toward super spatiotemporal resolution fluorescence microscope for live imaging of molecules and cells2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      OPIC, ALPS, 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 基礎研究と製品開発のニーズとシーズ2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      T-Gex研究成果エキシビション
    • Invited
  • [Presentation] 超解像技術と蛍光寿命を用いた最新バイオイメージング2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      ライカオンラインセミナー
    • Invited
  • [Presentation] シン・ライブセルイメージング2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      健都イメージングサポート拠点キックオフシンポジウム『シン・ミクロの世界』
    • Invited
  • [Presentation] ライブイメージングの限界を超える2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      順天堂大学イメージングセンターキックオフシンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 実験自動化からバイオDXへ2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      情報計算化学生物学会第433回講演会
    • Invited
  • [Presentation] 分子・細胞のライブイメージングからバイオDXへ2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      生物工学懇話会
    • Invited
  • [Presentation] 4次元イメージング2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      第33回細胞生物学ワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] 細胞や分子を見て、判るためのイメージング2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      奈良県立医大特別講義
    • Invited
  • [Presentation] ライブイメージングの限界を超える2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      北海道大学ニコンイメージングセンター学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] 超解像・一分子顕微鏡技術を用いた細胞内分子動態の計測2022

    • Author(s)
      岡田 康志
    • Organizer
      薬物動態学会第37回年会
    • Invited
  • [Presentation] Properties of cell-cell interactions shaping multicellular dynamics2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      Japan-Singapore Joint Developmental Biology Meeting 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Probing the rules of interaction in biological agents2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      OIST Workshop: Cells, energetics, and information
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Chirality in the collective migration of neural progenitors2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      World Congress of Biomechanics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topology and active matter physics in cultured nematic cells2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      World Congress of Biomechanics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 多細胞ダイナミクスや細胞内相分離現象における相互作用法則の探索2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
    • Invited
  • [Presentation] Interaction rules within multicellular dynamics and biological condensates2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      第60回 生物物理学会
    • Invited
  • [Presentation] 細胞間相互作用の異方性とキラリティとアクティブマター2022

    • Author(s)
      川口 喬吾
    • Organizer
      日本細胞生物学会大会
    • Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

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