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2020 Fiscal Year Annual Research Report

細胞熱産生におけるジュール熱仮説の検証

Research Project

Project/Area Number 18H03987
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

永井 健治  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20311350)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords細胞熱化学 / ジュール熱 / 温度プローブ / 熱消光 / 熱感受性弾性ポリペプチド
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、細胞の生体膜上のチャネルタンパク質における膜電位で駆動されたイオン流によってジュール熱が発生し、細胞生理機能に関与する酵素活性がこの熱によって調節を受けることを提唱する「ジュール熱仮説」を検証することである。本年度は、ジュール熱仮説の検証についての結論を得るべく、本研究で開発した蛍光タンパク質融合ベースの温度指示薬の特性解析と細胞内温度イメージング、そしてチャネルタンパク質周囲の温度分布予測を行った。
昨年度までに、蛍光の熱消光を利用した緑色蛍光タンパク質-赤色蛍光タンパク質温度温度指示薬(緑色-赤色温度指示薬)、そして熱感受性弾性ポリペプチド、青色蛍光タンパク質、そして橙色蛍光タンパク質で構成される温度指示薬(ELP-TEMP)を開発した。緑色-赤色温度指示薬は、温度変化に対して高速(ミリ秒以下)に応答し、ELP-TEMPは温度変化に対して蛍光シグナルの大きな変化率(45%/℃)を示すことが分かった。これらの高速応答性や高い温度感受性は、従来の蛍光タンパク質温度指示薬では類例を見ないものである。さらに、緑色-赤色温度指示薬の高速応答性を生かして、哺乳類細胞内の熱拡散率の測定を行ったところ、純水の熱拡散率の数分の一程度とかなり低いことが明らかになった。
チャネルタンパク質で発生する熱に起因した温度上昇を予測するために、古典的な熱拡散モデルでの温度シミュレーションを行った。開口中のチャネルタンパク質分子から発生したジュール熱が細胞中や細胞周囲に拡散するとしてモデル化し、温度変化の予測を行ったところ、チャネルタンパク質分子集団が発生する熱により、細胞内の化学反応にも影響を及ぼしうる程度の温度上昇(~℃)が起こりうることが判明した。本研究の結果は、細胞の熱産生メカニズムについての従来の定説を変えうるものである。

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

    (49 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (40 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 22 results) Book (4 results)

  • [Journal Article] A photoswitchable fluorescent protein for hours-time-lapse and sub-second-resolved super-resolution imaging2021

    • Author(s)
      Wazawa Tetsuichi、Noma Ryohei、Uto Shusaku、Sugiura Kazunori、Washio Takashi、Nagai Takeharu
    • Journal Title

      Microscopy

      Volume: 70 Pages: 340~352

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfab001

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A highly-sensitive genetically encoded temperature indicator exploiting a temperature-responsive elastin-like polypeptide2021

    • Author(s)
      Vu Cong Quang、Fukushima Shun-ichi、Wazawa Tetsuichi、Nagai Takeharu
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 16519

    • DOI

      10.1038/s41598-021-96049-5

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Exploring rare cellular activity in more than one million cells by a transscale scope2021

    • Author(s)
      Ichimura T.、Kakizuka T.、Horikawa K.、Seiriki K.、Kasai A.、Hashimoto H.、Fujita K.、Watanabe T. M.、Nagai T.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 16539

    • DOI

      10.1038/s41598-021-95930-7

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Visible-Wavelength Multiphoton Activation Confocal Microscopy2021

    • Author(s)
      Kubo Toshiki、Temma Kenta、Sugiura Kazunori、Shinoda Hajime、Lu Kai、Smith Nicholas Isaac、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu、Fujita Katsumasa
    • Journal Title

      ACS Photonics

      Volume: 8 Pages: 2666~2673

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.1c00685

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hyperspectral two-photon excitation microscopy using visible wavelength2020

    • Author(s)
      Kubo Toshiki、Temma Kenta、Smith Nicholas I.、Lu Kai、Matsuda Tomoki、Nagai Takeharu、Fujita Katsumasa
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 46 Pages: 37~37

    • DOI

      10.1364/OL.413526

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 100万細胞をミクロの空間分解能で瞬時に撮像・解析するトランススケールスコープAMATERAS2022

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第15回情報計測セミナー
  • [Presentation] 光スイッチング蛍光タンパク質と偏光照明を用いた細胞に優しい超解像イメージング2022

    • Author(s)
      和沢 鉄一,野間 涼平,杉浦 一徳,鷲尾 隆,永井 健治
    • Organizer
      一般社団法人レーザー学会学術講演会第42回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] トランススケールイメージングが拓く生命科学の新たな地平2022

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第25回アディポサイエンスシンポジウム
  • [Presentation] Establishment Plan for the Next Generation Integrated Bioimaging Research Center2022

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第95回日本薬理学会年会
    • Invited
  • [Presentation] トランススケールスコープが拓く生命科学の新たな潮流-シンギュラリティ生物学2022

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第21回日本再生医療学会総会
    • Invited
  • [Presentation] トランススケールバイオイメージングが拓くシンギュラリティ生物学2022

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
    • Invited
  • [Presentation] ライブイメージング・操作のための高機能蛍光タンパク質の開発2021

    • Author(s)
      松田 知己, 永井 健治
    • Organizer
      レーザー学会 学術講演会 第41回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] A trans-scale-scope for exploring rare cellular activity in more than one million cells2021

    • Author(s)
      Nagai T
    • Organizer
      The 11th BRI International Symposium, From single cell to systems neuroscience
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞の個性を明らかにする細胞計測技術2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      リバネス 第6回インナーリソース ナレッジセミナー
    • Invited
  • [Presentation] Singularity created by fluorescent/bioluminescent protein technologies2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      Osaka University Anniversary Lecture Series 7 Advanced Biotechnology and Technology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Exploring rare cellular activity in more than one million cells by a trans-scale-scope2021

    • Author(s)
      Nagai T
    • Organizer
      8th Japan-China Symposium on Nanomedicine 2021 Zoom (Japan Nanomedicine Society)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 蛍光・生物発光イメージングの最前線2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第60回日本生体医工学会大会
    • Invited
  • [Presentation] トランスケープスコープによる大量細胞診断法の確立2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      上原記念生命科学財団第11回特定研究「AI・ビックデータ駆動型生命科学」研究計画発表会
  • [Presentation] 蛍光タンパク質を改変して機能指示薬を作成する方法2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第46回組織細胞化学講習会
    • Invited
  • [Presentation] 蛍光・生物発光タンパク質が変革する細胞農業2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第3回細胞農業会議
    • Invited
  • [Presentation] 部分と全体を同時に観察可能なトランススケールスコープ”AMATERAS"/オールインワン発光顕微鏡システム2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      ARO協議会第8回学術集会
    • Invited
  • [Presentation] 光スイッチング蛍光タンパク質「Kohinoor2.0」による長時間・高速超解像イメージング2021

    • Author(s)
      野間 涼平, 和沢 鉄一, 宇土 周作, 杉浦 一徳, 鷲尾 隆, 永井 健治
    • Organizer
      生理学研究所研究会 -細胞システム理解のためのシグナル応答原理解明の最前線-
  • [Presentation] トランススケールスコープが拓く生命科学の新たな潮流2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      未来医学研究会 マンスリーセミナー Vol.20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] トランススケールスコープAMATERASが拓くシンギュラリティ生物学2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      新学術三領域合同勉強会
  • [Presentation] 光スイッチング蛍光タンパク質「Kohinoor2.0」による,長時間・高速超解像イメージング2021

    • Author(s)
      野間 涼平
    • Organizer
      第77回学術講演会・第6回産研ホームカミングデイ 「ポストコロナ時代における産業科学」
  • [Presentation] Development of a genetically encoded fluorescent indicator for molecular crowding with large dynamic range and high sensitivity2021

    • Author(s)
      Sakai S, Matsuda T, Nagai T
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] SEMATERASでシンギュラリティをとらえる!2021

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会 バイオフィジックスセミナー
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 発色団および非発色団解離基間の相互作用は、蛍光タンパク質の光学的性質において重要な役割を担う2021

    • Author(s)
      和沢 鉄一, 野間 涼平, 杉浦 一徳, 永井 健治
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 社会性アメーバの時空間自己組織化過程におけるシンギュラリティ ~AMATERAS1.0 で実現した定量トランススケール解析~2021

    • Author(s)
      垣塚 太志 , 原 佑介, 市村 垂生, 永井 健治, 堀川 一樹
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 生体機能多重測定のための最短吸収・発光波長を持つ蛍光タンパク質の開発2021

    • Author(s)
      杉浦 一徳, 永井 健治
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 0.1 ℃の温度上昇をオルガネラレベルで可視化する:蛍光タンパク質を用いた高感度温度プローブの開発2021

    • Author(s)
      福島 俊一, 永井 健治
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exploring rare cellular activity in more than one million cells by a trans-scale-scope2021

    • Author(s)
      Nagai T
    • Organizer
      Nano Thailand 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 新規光スイッチング蛍光タンパク質Kohinoor 2.0による超解像イメージング2020

    • Author(s)
      和沢 鉄一, 野間 涼平, 宇土 周作, 杉浦 一徳, 鷲尾 隆, 永井 健治
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第76回学術講演会
  • [Presentation] 新規光スイッチング蛍光タンパク質を用いた超解像イメージング2020

    • Author(s)
      永井 健治,和沢 鉄一,宇土 周作,野間 涼平,杉浦 一徳,篠田 肇,Lu Kai,新井 由之,松田 知己
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第76回学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] トランススケールスコープが拓くシンギュラリティ生物学2020

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      鳥取大学特別講義Ⅵ
    • Invited
  • [Presentation] トランススケールスコープが見出す生命のシンギュラリティ2020

    • Author(s)
      市村 垂生, 垣塚 太, 堀川 一樹, 勢力 薫, 笠井 淳司, 橋本 均, 藤田 克昌, 渡邉 朋信, 永井 健治
    • Organizer
      生理研研究会 細胞システム理解のためのシグナル応答原理解明の最前線
  • [Presentation] A red-shifted version of genetically encoded ratiometric fluorescent temperature indicator for live-cell imaging with low phototoxicity and high time resolution2020

    • Author(s)
      Vu QC, Wazawa T, Lu K, Nakano M, Nagai T
    • Organizer
      生理研研究会 細胞システム理解のためのシグナル応答原理解明の最前線
  • [Presentation] 光るたんぱく質が拓く未来の社会2020

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      先端科学研修特別講義
    • Invited
  • [Presentation] Photoswitchable fluorescent protein with multiple equilibria states enables super-resolution imaging of intracellular dynamics2020

    • Author(s)
      Noma R, Wazawa T, Uto S, Sugiura K, Nagai T
    • Organizer
      第58回日本生物物理学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] トランススケールスコープが先導する次世代統合バイオイメージング2020

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      日本学術会議 公開シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] トランススケールスコープが拓く新たな地平2020

    • Author(s)
      永井 健治
    • Organizer
      高分子・ハイブリッド材料研究センター 2020PHyMシンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] A red-shifted version of genetically encoded ratiometric fluorescent temperature indicator for live-cell imaging with low phototoxicity and high time resolution2020

    • Author(s)
      Cong Quang Vu, 和沢 鉄一, Kai Lu, 中野 雅裕, 永井 健治
    • Organizer
      第29回日本バイオイメージング学会学術集会
  • [Presentation] 光スイッチング蛍光タンパク質Kohinoor2.0による,細胞内小器官動態の長時間/高速超解像イメージング2020

    • Author(s)
      野間 涼平, 和沢 鉄一, 宇土 周作, 杉浦 一徳, 鷲尾 隆, 永井 健治
    • Organizer
      第29回日本バイオイメージング学会学術集会
  • [Presentation] 生細胞のタイムラプス超解像イメージングのための光スイッチング蛍光タンパク質2020

    • Author(s)
      和沢 鉄一, 野間 涼平, 宇土 周作, 杉浦 一徳, 鷲尾 隆, 永井 健治
    • Organizer
      顕微鏡Onlineフォーラム 2020
  • [Presentation] Trans-scale bioimaging for singularity biology2020

    • Author(s)
      Nagai T
    • Organizer
      A3 Foresight & 5 Star Alliance Joint Workshop on Organic/Inorganic Hybrid Nano Materials and Bio Imaging
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] タンパク質プローブ, 先端の分析法 第2版2022

    • Author(s)
      永井 健治, 松田 知己, 鈴木 和志, 篠田 肇(監修:澤田 嗣郎 他)
    • Total Pages
      7 (1072)
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-737-4
  • [Book] Genetically Encoded Photosensitizer for Destruction of Protein or Cell Function, Optogenetics2021

    • Author(s)
      Riani Y, Matsuda T and Nagai T (Edited by Yawo H, Kandori H, Koizumi A, Kageyama R)
    • Total Pages
      15 (675)
    • Publisher
      Springer
    • ISBN
      978-981-15-8762-7
  • [Book] バイオイメージングのための蛍光タンパク質改変法, 細胞組織化学2021 -生体分子の機能・局在を正しく捉えるための組織細胞化学の基礎と応用-2021

    • Author(s)
      杉浦 一徳, 永井 健治 (日本組織細胞化学会 編)
    • Total Pages
      14 (254)
    • Publisher
      学際企画
    • ISBN
      978-4906514960
  • [Book] 光るタンパク質が拓く未来社会, HPOS文理融合ルネッサンス -先端的政策課題のゆくえ-2020

    • Author(s)
      永井 健治(遠藤乾・鈴木一人 編)
    • Total Pages
      13(109)
    • Publisher
      北海道大学公共政策大学院ブックレット

URL: 

Published: 2022-12-28  

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