データ同化を蛍光顕微鏡イメージングに適用する試み

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21836
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 渡部 匡己 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, 研究員 (70599480)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 生物画像シミュレーション / 細胞モデリング / 蛍光イメージング

Outline of Annual Research Achievements

細胞内のオルガネラや生体分子などの特性や動態を測定するには、GFPなどの蛍光分子を細胞内の生体分子にタグして観測する「蛍光顕微鏡イメージング」が よく使われている。しかし、これらの方法ではタグされた生体分子が存在する領域の要素の分布や動態について知ることはできるが、それ以外の細胞内領域は観 測できていないため、その構成要素の分布や動態を解析することはほとんどできていない(図1)。また、タグされた生体分子が、どのようにして観測できてい ない領域に存在する要素と相互作用しているのかは、ほとんど明らかになっていない。
本研究では、「データ同化」を蛍光顕微鏡イメージングに適用して、観測できていない細 胞内領域の物理情報、特に「屈折率」と「吸光係数」を再構築することを計画している。蛍 光分子が発した光が、細胞の複雑な形状や細胞内のオルガネラなどの障壁により、屈折/反 射/吸収などの光学的効果を起こすため、実際の画像は、細胞の真の像から多少なりとも 違って写っていることがわかっている。具体的には、これらの物理変数をベースとして細胞 シミュレーションの画像を生成し、実際の画像に変数フィッティングを行ない、観測できて いない領域における細胞内の各オルガネラに対応する屈折率と吸光係数の分布を再構築する ことを目指す。現時点では、研究計画の「細胞モデリング」と「生物画像シミュレーションの実装」に取り掛かっている。具体的には、以下の3つを主に進めている。
(1) 細胞モデル:シゾン細胞の電験データをインプットとして細胞モデルを構築
(2) PALMシミュレータの実装
(3)上記の課題の成果として論文を２つ執筆中

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

電鍵データの位相解析の結果を論文にしているため、やや遅れ気味だが、計画通りに進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

今年度中に、上記の3つの課題をクリアし、執筆中の論文を投稿したら、モデルフィッティングの実装に移行することを目標としている。

Causes of Carryover

(理由) 当初、海外で行われる学会に参加するために海外出張の旅費に割り当てることを予定していたが、COVID19の状況から断念。
(使用計画) 余った額を論文の投稿費用やコンピュータアクセサリ購入費用に充てる。