• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2021 Fiscal Year Annual Research Report

Investigation the functional expression mechanisms of intracellular liquid droplets using in-cell magnetic resonance methods

Research Project

Project/Area Number 20H00453
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

白川 昌宏  京都大学, 工学研究科, 教授 (00202119)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大木 出  京都大学, 化学研究所, 特定研究員 (80418574)
五十嵐 龍治  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, グループリーダー (90649047)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords液滴 / 液液相分離 / 量子センサー / 光検出磁気共鳴法(ODMR) / アミロイド
Outline of Annual Research Achievements

近年、生体分子の液-液相分離が形成する巨大構造体「液滴」が細胞内の生化学反応の場所、タイミングなどの制御に関わっていることが明らかになってきた。液滴はまた相変化により神経変性疾患に伴うタンパク質線維を形成する場合があることが明らかになってきた。しかし液滴の成分や形成機構についてはその多くが不明である。その解明には、既存の計測・解析手法のみでは困難である。本研究では、代表者らが開発してきたIn-cell NMR、RheoNMR、ナノ量子センサー(ODMR)などの計測技術を開発し用いることで、液滴形成と維持、相変化における物性値を明らかにすることによって細胞内での液滴形成機講の解明を目指した。
液滴形成の解析手法として、特にダイヤモンドナノ粒子量子センサーの開発にとりかかった。これは、ナノダイヤモンド粒子を分子標識プローブとして用いて、光検出磁気共鳴法(ODMR)により量子センシングをする手法である。細胞内の微小空間における粘性、温度、pHなどの物性を10nmオーダーの空間分解能で計測し、細胞内の液滴や線維の空間分布と生成過程を明らかにする事が可能である。微小ダイヤモンド内の窒素空孔センター(NVC)をさまざまな物性パラメータの量子センサーとして計測する手法の開発として、以下の成果をあげた。NVCのスピン三重項電子を用いた室温における光超偏極技術を確立し、分散した5ナノメートル極微小ナノダイヤモンドを利用した量子センサーを開発した。加えて、ナノダイヤモンドの生体適合性向上のためのワンポット合成法を開発し、細胞内温度計測を行った。さらに、ナノダイヤモンドの表面官能基の改質、特にヒドロキシ化によるNVCのODMRコントラストの増強を達成した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

細胞内のセンシングに向けて、ナノダイヤモンドの細胞内送達技術に取り組んだ。また、ナノダイヤモンドを用いたT1強調イメージング技術を開発し、ナノ微小空間のpHの可視化を実現した。加えて、プローブの動態計測として、ナノダイヤモンドを用いた三次元ナノ回転運動トラッキング技術を開発し、これを活用した1分子構造変化の3次元検出、細胞粘弾性計測などを実証した。さらに、機械学習を適用した計測感度の向上、熱計測の解析感度・精度の向上、ナノ粒子中での格子欠陥形成メカニズムの解明、など、いくつかの大きな進展があり、これら開発技術を適用することにより精製タンパク質系におけるLCドメインが液滴を形成する最初期の機序について重要な知見を得た。また、選択計測技術の開発を進めたことにより、培養細胞系において極微量な生体分子の検出が可能となり、次年度に行う細胞計測の準備が進行した。

Strategy for Future Research Activity

2021年度までの研究で、特に手法の開発について顕著な進捗が見られた。RheoNMRをつかって、ALS と相関のあるSOD1 に関して線維形成のメカニズムに関する重要な知見を得た。またin-cell diffusion実験を行い細胞内のユビキチンに拡散速度が大きく異なる2つの分子種があることを示した。ODMRについても相当量の進捗が見られた。10-40 nmの大きさのナノダイアモンドで、温度、拡散係数、pH等の計測が可能であることを示した。
2022 年度はODMRの技術応用として、これまで主な計測対象としてきたFUSだけではなく、HP-1,TDP-43 やα-synuclein などの細胞内線維体を形成しうるタンパク質の高次構造体形成の観察と、それに必要なナノダイヤモンドセンサーの細胞内、核内への導入法の開発を進める。これらのLLPS を起すタンパク質については、細胞内での溶液状態ーLLPSー線維の状態変換における分子成分、物理化学量変化を精密に計測する。即ちODMRによりサブナノメートルレベルの空間分解能での物性値の高精度・高速計測を行う。統計的な分析に充分耐える規模の計測データの取得を目指す。さらに有機的にRheoNMR, in-cell NMR等からえられる知見と組み合わせて、個々の液滴の形成を特徴づける物理化学的パラメータの精密計測に基づきながら、熱力学的な要因を特に考慮してに般化されたロバストなモデルの構築を目指す。

  • Research Products

    (16 results)

All 2022 2021

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Anomalous Formation of Irradiation-Induced Nitrogen-Vacancy Centers in 5 nm-Sized Detonation Nanodiamonds2022

    • Author(s)
      So Frederick T.-K.、Shames Alexander I.、Terada Daiki、Genjo Takuya、Morishita Hiroki、Ohki Izuru、Ohshima Takeshi、Onoda Shinobu、Takashima Hideaki、Takeuchi Shigeki、Mizuochi Norikazu、Igarashi Ryuji、Shirakawa Masahiro、Segawa Takuya F.
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Pages: 5206~5217

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c10466

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structural Insights into Methylated DNA Recognition by the Methyl-CpG Binding Domain of MBD6 from <i>Arabidopsis thaliana</i>2022

    • Author(s)
      Mahana Yutaka、Ohki Izuru、Walinda Erik、Morimoto Daichi、Sugase Kenji、Shirakawa Masahiro
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Pages: 3212~3221

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c04917

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] All-Optical Wide-Field Selective Imaging of Fluorescent Nanodiamonds in Cells, <i>In Vivo</i> and <i>Ex Vivo</i>2021

    • Author(s)
      Yanagi Tamami、Kaminaga Kiichi、Suzuki Michiyo、Abe Hiroshi、Yamamoto Hiroki、Ohshima Takeshi、Kuwahata Akihiro、Sekino Masaki、Imaoka Tatsuhiko、Kakinuma Shizuko、Sugi Takuma、Kada Wataru、Hanaizumi Osamu、Igarashi Ryuji
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 15 Pages: 12869~12879

    • DOI

      10.1021/acsnano.0c07740

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Machine-Learning Optimization of Multiple Measurement Parameters Nonlinearly Affecting the Signal Quality2021

    • Author(s)
      Fujisaku Takahiro、So Frederick Tze Kit、Igarashi Ryuji、Shirakawa Masahiro
    • Journal Title

      ACS Measurement Science Au

      Volume: 1 Pages: 20~26

    • DOI

      10.1021/acsmeasuresciau.1c00009

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Overcoming humidity-induced swelling of graphene oxide-based hydrogen membranes using charge-compensating nanodiamonds2021

    • Author(s)
      Huang Guoji、Ghalei Behnam、Pournaghshband Isfahani Ali、Karahan H. Enis、Terada Daiki、Qin Detao、Li Conger、Tsujimoto Masahiko、Yamaguchi Daisuke、Sugimoto Kunihisa、Igarashi Ryuji、Chang Bor Kae、Li Tao、Shirakawa Masahiro、Sivaniah Easan
    • Journal Title

      Nature Energy

      Volume: 6 Pages: 1176~1187

    • DOI

      10.1038/s41560-021-00946-y

  • [Presentation] 生体ナノ量子センサーによる高感度バイオセンシング技術2022

    • Author(s)
      五十嵐 龍治
    • Organizer
      2022年応用物理学会春季講演会, 応用物理学会, 2022-03-23
    • Invited
  • [Presentation] 生体ナノ量子センサーを用いた高感度バイオセンシング技術2022

    • Author(s)
      五十嵐 龍治
    • Organizer
      第99回日本生理学会大会(「日本生物物理学会連携シンポジ ウム バイオセンシング研究の最前線」)での発表, 日本生理学会, 2022-03-16
  • [Presentation] Investigation of irradiation induced nitrogen-vacancy centers in 5-nanometer-sized Detonation nanodiamonds2021

    • Author(s)
      Frederick T.-K. So, Alexander I. Shames, Daiki Terada, Takuya Genjo, Hiroki Morishita, Izuru Ohki, Ohshima Takeshi, Onoda Shinobu, Hideaki Takashima, Shigeki Takeuchi, Norikazu Mizuochi, Igarashi Ryuji, Shirakawa Masahiro, Takuya F. Segawa
    • Organizer
      The 4th International Forum on Quantum Metrology and Sensing, Q-LEAP, 2021-12-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 全光学的スピン占有数操作に基づく選択蛍光イメージング2021

    • Author(s)
      柳 瑶美, 神長 輝一, 鈴木 芳代, 阿部 浩之, 山本 啓貴, 大島 武, 桑波田 晃弘, 関野 正樹, 今岡 達彦, 柿沼 志津子, 杉 拓磨, 加田 渉, 花泉 修, 五十嵐 龍治
    • Organizer
      量子生命科学会 第3回大会, 量子生命科学会, 2021-09-16
  • [Presentation] 『蛍光ナノダイヤモンド』と『ナノ量子センサー』2021

    • Author(s)
      五十嵐 龍治
    • Organizer
      量子生命科学会 第3回大会, 量子生命科学会, 2021-09-16
  • [Presentation] 生体ナノ量子センサー2021

    • Author(s)
      五十嵐 龍治
    • Organizer
      第1回 Q-LEAP次世代レーザー領域ジンポジウム, Q-LEAP次世代レーザー領域 先端レーザーイノベーション拠点(ALICe), 2021-08-12
  • [Presentation] Micron-scale high-resolution NMR spectroscopy using Nitrogen-Vacancy centers in diamond2021

    • Author(s)
      Izuru Ohki, Kohki Morita, Norikazu Mizuochi
    • Organizer
      第22回国際磁気共鳴学会・ 第60回NMR討論会合同大会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] SiVセンタを含む爆轟法ナノダイヤモンドを用いた温度センシング2021

    • Author(s)
      藤原正規, 内田岳, 大木出, 鶴井明彦, 劉明, 西川正浩, 水落憲和
    • Organizer
      第35回ダイヤモンドシンポジウム
  • [Presentation] 爆轟法ナノダイヤモンド中のSiV中心を用いた温度感度測定2021

    • Author(s)
      内田岳、藤原正規、大木出、鶴井明彦、劉明、西川正浩、水落憲和
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋期学術講演会
  • [Presentation] ダイヤモンド中のNV中心でのドレスト状態による温度センシングっt2021

    • Author(s)
      中村将也、山下峻吾、森下弘樹、藤原正規、大木出、Ernst Herbschleb、徳田規夫、水落憲和
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] NV中心量子センサのための広領域・広帯域マイクロ波アンテナの研究開発2021

    • Author(s)
      竹村祐輝、林寛、小野田忍、阿部浩之、大島武、谷口尚、藤原正規、森下弘樹、大木出、水落憲和
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会

URL: 

Published: 2022-12-28  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi