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2021 Fiscal Year Annual Research Report

非熱揺らぎの時空間スペクトル解析に基づく細胞質の非平衡挙動の解明

Research Project

Project/Area Number 21H01048
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

水野 大介  九州大学, 理学研究院, 教授 (30452741)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords細胞質 / 代謝活性 / マイクロレオロジー
Outline of Annual Research Achievements

細胞内部の物理環境のモデル系として細胞抽出液を用い、そのレオロジーと代謝活動との関係を調べた。抽出液の高分子濃度やATP濃度を制御しつつ、マイクロレオロジーによる力学特性の計測や吸光度測定、顕微鏡観察を行った。生細胞中では低周波数帯において揺動散逸定理が破れており、非熱揺らぎが存在する。他方で、細胞抽出液中の揺らぎは生細胞中の熱揺らぎよりもさらに小さかった。これは生細胞中では代謝由来の非熱揺らぎが細胞の粘弾性を低下(細胞質を流動化)させていることを示す。
また、生体高分子濃度が生細胞に近い濃厚細胞抽出液のレオロジーの時間変化を測定した。生細胞内とは異なり、抽出液の粘弾性が試料作製後時間経過とともに変化するエイジング現象が観測された。さらに抽出液にATPを加えると、試料作製直後はATPを加えていない抽出液と比べ流動化し、生細胞と同程度の粘弾性を示した。しかしながら、時間経過とともにATPを加えなかった試料よりも粘弾性は急激に増大した。抽出液中の生体高分子は代謝活性を維持してATPを加水分解している。代謝活動によって試料作製直後の抽出液は流動性を保つが同時に、時間経過に伴うエイジングも促進されている。
上記のレオロジー計測を行った際には、細胞質は均一性を保っていたが、さらに時間にわたり顕微鏡観察すると、巨視的に相分離し完全に白濁する。混み合いやゲル化による動力学の凍結により相分離の進行も抑制されるため、濃度を低下させた細胞質の顕微鏡観察と濁度測定を行い、試料がゲル化しつつ巨視的な相分離が進行する様子を観測した。細胞質はエイジング・相分離するが、生細胞内では代謝活動により逆行する若返り現象が起きて、エイジングと拮抗することで恒常性が維持されている。しかしながら抽出液のエイジングは、ATPを加えることで逆に促進された。これはガラスのエイジングが冷却速度に依存する機構で説明できる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

閉鎖環境におかれた濃厚な細胞抽出物が、エイジング・相分離する様子を観測できた。他方で、生細胞内では代謝活動により逆行する若返り現象が起きて、エイジングと拮抗することで恒常性が維持されていると推察される。しかしながら抽出液におけるエイジング過程は、ATP を加え生細胞内の代謝環境に近づけたはずの操作によって、逆に促進された。ATP を添加した抽出液は特に大きくエイジングし最終的には、Vogel-Fulcher 則で予測されたガラス的な抽出液のレオロジーへ遷移した。これはガラスのエイジングが冷却速度に依存する描像で考察できる。したがって、概ね順調に研究は進展している。

Strategy for Future Research Activity

培養細胞のマイクロレオロジー測定を実現するための独自の実験系を構築して研究を進めてきた。しかしながら細胞は、外部環境の変化に自律的に適応して生存を図る複雑系であり、その内部環境を人工的に操作しにくい。そこで細胞抽出物を用いることが有力な選択肢となる。昨年度は、エネルギー源や有害な代謝生成物を交換しない閉鎖系に細胞抽出物を封入して計測を行った。しかしながら代謝活性を保つ細胞質は、閉鎖環境では短時間でエネルギー源(ATP)を使い果たして活性を失う。そこで本年度以降は、環境制御された非平衡・定常開放系として、細胞内部環境に近い条件で代謝回転を維持するモデル系を確立する。すなわち、半透膜を介して外部環境とエネルギー物質や代謝生成物の交換を行わせることで、これを実現する。

  • Research Products

    (17 results)

All 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Nonlinear master relation in microscopic mechanical response of semiflexible biopolymer networks2022

    • Author(s)
      N Honda, K Shiraki, F van Esterik, S Inokuchi, H Ebata and DMizuno
    • Journal Title

      New Journal of Physics

      Volume: 24 Pages: 053031

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ac6902

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Noise-Induced Acceleration of Single Molecule Kinesin-12021

    • Author(s)
      T. Ariga, K. Tateishi, M. Tomishige, D. Mizuno
    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW LETTERS

      Volume: 127 Pages: 178101

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.127.178101

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Motion of molecular motors reflecting rheological properties in cells2021

    • Author(s)
      T. Ariga, Y. Tomishige, D. Mizuno
    • Organizer
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Universal Glass-forming behavior and Glassy cytoplasm driven by non-thermal forces2021

    • Author(s)
      Kenji Nishizawa, Daisuke Mizuno
    • Organizer
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Metabolism-Dependent Active Diffusion in Living Cells2021

    • Author(s)
      Yujiro Sugino, Kenji Nishizawa, Daisuke Mizuno
    • Organizer
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Microrheology of concentrated emulsion as a model cytoplasm2021

    • Author(s)
      井口昇之、水野 大介
    • Organizer
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 濃厚バクテリア懸濁液の非平衡力学2021

    • Author(s)
      杉野裕次郎, 水野大介
    • Organizer
      物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 細胞質モデルとしての濃厚エマルジョンのマイクロレオロジー計測2021

    • Author(s)
      井口昇之, 松岡亮介, 水野大介
    • Organizer
      物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 揺動散逸定理の破れの細胞質レオロジーへの示唆2021

    • Author(s)
      熊丸一平, 杉野裕次郎, 水野大介
    • Organizer
      物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 局所的な力印加による濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロジー2021

    • Author(s)
      荊原佳祐, 江藤高宏, 水野大介
    • Organizer
      物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 液-液相分離によって生じる細胞内凝集体のマイクロレオロジー2021

    • Author(s)
      冨田海理, 藤原誠, 水野大介
    • Organizer
      物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 力学駆動された混み合い系の非平衡レオロジー2021

    • Author(s)
      杉野裕次郎, 江端宏之, 水野大介
    • Organizer
      物理学会第77回年次大会(2022年)
  • [Presentation] Rheology of Condensed Active Colloidal Suspension2021

    • Author(s)
      杉野裕次郎、江端宏之, 水野大介
    • Organizer
      Active Matter Workshop 2022
  • [Presentation] Spatial Correlation and Relaxation Time in Active E. Coli2021

    • Author(s)
      濱田啓聖, 杉野裕次郎, 江端宏之, 水野大介
    • Organizer
      Active Matter Workshop 2022
  • [Presentation] バクテリア遊走を伴う懸濁液系の非平衡力学2021

    • Author(s)
      濱田啓聖, 杉野裕次郎, 水野大介
    • Organizer
      第 127 回日本物理学会九州支部例会
  • [Presentation] 巨視的なずり場印加下の濃厚コロイド懸濁液のマイクロレオロ ジー2021

    • Author(s)
      吉良和真, 荊原佳祐, 水野大介
    • Organizer
      第 127 回日本物理学会九州支部例会
  • [Presentation] 濃厚エマルジョンにおけるこみあい由来の粘弾性緩和挙動2021

    • Author(s)
      松岡亮佑, 井口昇之, 水野大介
    • Organizer
      第 127 回日本物理学会九州支部例会

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Published: 2023-12-25  

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