Biogenesis of extracellular nano structures

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K20460
• Project/Area Number (Other): 19H05548 (2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2019)
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Hayashi Shigeo 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, チームリーダー (60183092)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩根 敦子 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, チームリーダー (30252638)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2023-03-31
• Keywords: 昆虫 / クチクラ / 細胞外マトリックス / ナノ構造 / 嗅覚器官 / FIB-SEM

Outline of Final Research Achievements

Insect cuticles are multifunctional by building nano-level structures that enable structural coloration and superhydrophobicity. To elucidate the mechanism of nano-pattern formation in the cuticle extracellular matrix, we investigated the mechanism of nano-pore formation in the olfactory organ of the fruit fly. We analyzed the olfactory organ on the second day of pupariation using three-dimensional electron microscopy (FIB-SEM). We discovered a network of endoplasmic reticulum (ER) significantly developed compared to non-sensory cells. In mutants of the gore-tex gene, disturbances in ER resulted in incomplete nano-pore formation. It is believed that the Gore-tex molecule localizes to intracellular membrane organelles and acts on the vesicles to control cuticle nano-patterns.

Free Research Field

発生生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

構造色などを示すナノレベルの表面構造は鳥類、昆虫、植物など広く生物界に観察され、バイオミメテイクスとして生体を模倣する工業素材の開発を促してきた。しかしこれらの構造の生物学的形成基盤は不明なため生体材料を用いた機能的ナノ構造の構築は実現していない。本研究で解明された昆虫嗅覚器官のナノポアは多糖であるキチンを主成分とするクチクラに構築される。ショウジョウバエで発達している遺伝子操作技術でナノポア形成を操ることで、生物適合性のある素材で機能的ナノ構造を構築し、生体に応用する手法への手がかりが得られたと考えられる。