2020 Fiscal Year Annual Research Report
Measurement and control of scattering and optical fluctuation in living cells and tissues
| Project Area | Comprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance |
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| Project/Area Number |
20H05891
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| Research Institution | Utsunomiya University |
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Principal Investigator |
玉田 洋介 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 厚志 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 主任研究員 (20585723)
坂本 丞 基礎生物学研究所, 生命熱動態研究室, 特任助教 (80804145)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 生細胞・組織 / 散乱 / 揺らぎ / 蛍光イメージング / 透視 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生きた植物（ヒメツリガネゴケ）、動物（ミナミメダカ）、繊毛をもつ微生物（テトラヒメナ）を用いて、光の散乱・揺らぎを計測する研究を行った。本年度はまず、光の散乱・揺らぎを計測する基盤となる顕微鏡等を導入するとともに、イメージング手法の開発に取り組んだ。また、研究に使用するレーザーを既存の光学系に導入してレーザーの性能を評価し、十分に研究に使用できることを確認した。的場・粟辻との共同研究のもと、細胞核に局在した蛍光タンパク質からの蛍光の位相・振幅情報を計測することに成功し、論文として発表した。この手法は、生きた細胞や組織に発現させた蛍光タンパク質を用いて散乱・揺らぎ情報を計測する基盤となると考えられる。
また、遺伝子操作によって散乱の少ない生物を作出する研究、および生物における散乱が小さくなるような培養・生育条件を発見する研究を行った。すでに、植物細胞における散乱・揺らぎの主な原因は、葉緑体と液胞であることを明らかにしていた。葉緑体はクロロフィルなど油性の色素による高屈折率が、液胞は低屈折率と複雑な膜構造が、それぞれ光を乱す原因であると考えられた。そのため、遺伝子操作によって、これらの影響をなくす、もしくは小さくすることを試みた。具体的には、クロロフィル量が低下した遺伝子組み換え株、液胞の膜構造を固くして構造を単純化する遺伝子組換え株を作出中であり、一部についてはすでに組換え株が得られて表現型などを観察中である。また、生きたテトラヒメナには自家蛍光が多く、蛍光観察が困難であることが知られていたが、合成培地を用いることにより自家蛍光をほぼ完全に取り除くことに初めて成功した。ミナミメダカについては、研究に用いる系統の選定が完了した。
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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
本年度の目標である、生きた細胞や組織における散乱・揺らぎの計測と、遺伝子操作によって散乱の少ない生物を作出する研究、および生物における散乱が小さくなるような培養・生育条件を発見する研究について、順調な成果が得られている。さらに、領域内共同研究によって、生きた細胞や組織における散乱・揺らぎ計測のための有効な手法を確立し、論文として発表した。これらのことから、現在までの進捗状況を「(2) おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
生きた植物（ヒメツリガネゴケ）、動物（ミナミメダカ）、繊毛をもつ微生物（テトラヒメナ）における光の散乱・揺らぎを計測する研究を継続する。特に、的場・粟辻計画研究との共同研究のもと、ホログラフィーや強度輸送方程式などを用いて光の散乱・揺らぎを計測する研究を継続する。生きた動植物組織深部や微生物内部における散乱・揺らぎの解析のため、また透視の標的として、細胞核や染色質構造などを蛍光標識した植物、動物、微生物の作出を継続する。
上記に加えて、遺伝子操作によって散乱の少ない生物を作出する研究、および生物における散乱が小さくなるような培養・生育条件を発見する研究を継続する。すでに、ヒメツリガネゴケやテトラヒメナにおいては光の乱れの主な原因を突き止めつつある。遺伝子操作や培養・生育条件の工夫によって、これらの影響をなくす、もしくは小さくすることを試みる。ヒメツリガネゴケにおいては、クロロフィル量が低下した遺伝子組み換え株、液胞の膜構造を固くして構造を単純化する遺伝子組換え株の作出を継続し、順次実験室環境下で正常に生育できるか確認するとともに、生細胞・組織における散乱・揺らぎを計測する。テトラヒメナについては、光を強く乱す細胞内構造を同定しており、この構造の変異体を探索し、使用することで光学特性の向上を図る。ミナミメダカについては、選定した色素細胞欠失メダカ系統を用いて、光の散乱・揺らぎを引き起こす生体構造を解明する。
以上の生物に加えて、繊毛を持たない微生物（分裂酵母）でも光の散乱・揺らぎが高解像度イメージングの障害となっていることを確認したため、令和３年度からは大阪大学の平野 泰弘博士に研究分担者に加わっていただき、繊毛を持たない微生物（分裂酵母）についても光の散乱・揺らぎを計測する研究と遺伝子操作によって散乱の少ない生物を作出する研究を行う。
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| Remarks |
DIY Microscope Training Course 2021を開催した（領域共催）。坂本丞、亀井保博は企画・運営を行った。
https://sites.google.com/nibb.ac.jp/diy-microscope-tc/home
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[Journal Article] Surprising phenotypic diversity of cancer-associated mutations of Gly 34 in the histone H3 tail2021
Author(s)
Brandon R Lowe, Rajesh K Yadav, Ryan A Henry, Patrick Schreiner, Atsushi Matsuda, Alfonso G Fernandez, David Finkelstein, Margaret Campbell, Satish Kallappagoudar, Carolyn M Jablonowski, Andrew J Andrews, Yasushi Hiraoka, Janet F Partridge
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Journal Title
eLife
Volume: 10
Pages: e65369
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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