2022 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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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 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任研究員 (80804145)
平野 泰弘 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 特任講師(常勤) (10508641)
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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 |
早野計画研究の服部 雅之博士（国立天文台）、および三浦 則明博士（北見工業大学）との共同研究によって、点光源がなくても光の乱れを計測できる画像相関による波面計測法を、補償光学を用いた生細胞イメージングに高精度に適用する研究を継続した。さらに、画像相関による波面計測法を用いて生物の明視野像から光の乱れを計測する際に必要となる明瞭なコントラストを得るための適応的な光学系を用いて実際に生きた植物（ヒメツリガネゴケ）細胞の計測を行った。また、どのような生体物質が細胞内の光の擾乱に寄与するかを解明することを目標として、公募研究の渡部、計画研究の的場と強度輸送方程式について理論的な改変を行い論文として発表した。さらに、強度輸送方程式により測定した物体面の位相分布から瞳面の位相分布の導出を試み、導出した波面を用いて全視野顕微鏡における補償光学が実施可能かシミュレーションを行ったところ、光の乱れが補正され改善された像が得られた。
遺伝子操作によって散乱・揺らぎの小さい生物を作出する研究について、生きた植物細胞では葉緑体が散乱・揺らぎの主な原因であることを明らかにしており、クロロフィルなど油性の色素による高屈折率が光を乱す原因であると考えられた。これまでに作出した葉緑体の配置が変化する変異株や葉緑体における油性色素の量が低下するヒメツリガネゴケ変異株に加えて、薬剤に応答してクロロフィル分解酵素の発現が上昇する株などの新しい株の作出が進行中である。
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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
生きた細胞や組織における光の乱れの計測と補正、遺伝子操作によって散乱の少ない生物を作出する研究について、おおむね順調に進展している。強度輸送方程式の理論的な改変や、強度輸送方程式から得られた位相情報をもとに光の乱れを補正するシミュレーションに成功するなど新しい成果も得られている。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）、繊毛を持たない微生物（分裂酵母）における光の散乱・揺らぎを計測する研究と、それらを克服して生きた生物深部をイメージングする研究を継続する。的場・粟辻・渡邉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による光の散乱・揺らぎの計測と、光伝搬の直接可視化のための実験を進める。渡部、的場とともに理論的な改変を行い発表した強度輸送方程式を、これまでに遺伝子改変した生物試料へ適応し、どのような生体物質が細胞内の光の擾乱に寄与するかの検討を行う。また、公募研究との共同研究のもと、生きた生物における散乱・揺らぎを計測する研究を行う。以上の研究をもとに、的場・早野計画研究との共同研究のもと、散乱・揺らぎを打ち消す光波の入射や高精度補償光学の研究を進める。画像相関による波面計測法を、補償光学を用いた生細胞イメージングに高精度に適用する研究を継続する。また画像相関とは別の波面計測法として、強度輸送方程式により測定した物体面の位相分布から瞳面の位相分布を導出する方法を補償光学に応用する。そして、全視野顕微鏡において人工的に収差を付与した蛍光ビーズサンプル、または生物試料に対して光の乱れの補正と像の改善を行う。
上記に加えて、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生物の作出を継続する。また、遺伝子操作によって散乱・揺らぎの小さい生物を作出する研究について、昨年度までに作出した株に加え、薬剤に応答してクロロフィル分解酵素の発現が上昇する株などを作出する。これらの株についてホログラフィーや強度輸送方程式、位相差顕微鏡法、点像分布解析などを駆使して光の散乱・揺らぎを計測し、光学特性の改善を詳細に解明する研究を進める。
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| Remarks |
1, 平野泰弘ら、Hokkaido Summer Institute 2022、2022年8月29日-9月2日
2, 亀井保博、坂本丞ら、Optical Microscopy Principle Training Course 2022、2022年12月19-21日
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[Journal Article] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule2023
Author(s)
Ishikawa M, Fujiwara A, Kosetsu K, Horiuchi Y, Kamamoto N, Umakawa N, Tamada Y, Zhang L, Matsushita K, Palfalvi G, Nishiyama T, Kitasaki S, Masuda Y, Shiroza Y, Kitagawa M, Nakamura T, Cui H, Hiwatashi Y, Kabeya Y, Shigenobu S, Aoyama T, Kato K, Murata T, Fujimoto K, Benfey PN, Hasebe M, Kofuji R
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
Volume: 120
Pages: e2210632120
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] The inner nuclear membrane protein Lem2 coordinates RNA degradation at the nuclear periphery2022
Author(s)
Martin Caballero L, Capella M, Barrales RR, Dobrev N, van Emden T, Hirano Y, Suma Sreechakram VN, Fischer-Burkart S, Kinugasa Y, Nevers A, Rougemaile M, Sinnig I, Fischer T, Hiraoka Y, Braun S
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Journal Title
Nature Structural & Molecular Biology
Volume: 29
Pages: 910-921
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Measurement and control of optical disturbance in living cells and tissues2022
Author(s)
Shuto Hatsumi, Mana Nakamura, Chizuru Numata, Takeshi Kurokura, Yutaka Kodama, Yasuhiro Kamei, Hirotsugu Yamamoto, Yutaka Hayano, Masayuki Hattori, Yosuke Tamada
Organizer
First International Conference on Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy (SI-Thru2022)
Int'l Joint Research
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