Basic research for molecular construction of ctenophore comb plates and development of motile photonic crystals

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K20583
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Inaba Kazuo 筑波大学, 生命環境系, 教授 (80221779)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大岩 和弘 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所, 主管研究員 (10211096) ; 岩本 裕之 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 客員研究員 (60176568)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Keywords: クシクラゲ / 櫛板 / X線繊維回折 / 軸糸 / ダイニン / フォトニック結晶 / 分子モーター

Outline of Final Research Achievements

In this study, we identified the components of comb plates to link cilia, conducted X-ray fiber diffraction analysis of its structure, and performed in vitro formation of comb plates to elucidate the fine structure of cilia and the principles of biological structural formation. As a result, we identified a total of five novel comb plate proteins comprising the comb plates, revealing their two-compartmented structure. Furthermore, we demonstrated that the comb plates exhibit a high degree of crystallinity comparable to protein crystals, and that this crystallinity is lost through freezing or chemical fixation. Additionally, by irradiating X-rays from various angles and analyzing diffraction patterns, we successfully achieved 3D reconstruction for the first time in the world, albeit with low resolution, and partially elucidated structural changes in the live state associated with ciliary bending movements.

Free Research Field

分子細胞生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、有櫛動物が多数の繊毛を束ねることにより、驚くべき結晶性の構造を形成していることが証明された。固定や凍結ではその高い結晶性が失われることから、この構造体が生の状態でしかも運動性を持っていることが重要であることが示された。これは、生物が作り出す構造の未知で重要な機能の存在を示唆している。流体と連動した新たな運動装置の原理や、生物間コミュニケーションにおける新たな伝達方法の可能性などが考えられる。今後の研究により、新たな生物機能の原理の発見に結びつくと期待される。この構造体は、フォトニック結晶の性質を持っているため、新たな通信技術の開発に大きなブレークスルーをもたらす可能性がある。