2014 Fiscal Year Annual Research Report
オンサイト・リアルタイム細胞分子計測によるスピーキング・セル・アプローチ
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24228004
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
野並 浩 愛媛大学, 農学部, 教授 (00211467)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平岡 賢三 山梨大学, クリーンエネルギー研究センター, 特任教授 (80107218)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 細胞・組織 / 植物 / 質量分析 / 農業工学 / プレッシャープローブ / スピーキング・セル・アプローチ / 探針エレクトロスプレーイオン化 / 植物工場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、植物工場においてプレッシャープローブで採集した細胞溶液を探針エレクトロスプレーにより、直接、現場で質量分析を行うシステムを開発し、植物生理情報を制御要素として農業環境制御を行うスピーキング・セル・アプローチ(Speaking Cell Approach)(SCA)法を創成することを目的としている。栽培作物のリアルタイム質量分析を実行し、環境要素変化に伴う代謝変化を植物生理学(理学的）・栽培生理学(農学的）に基づき解明して、省エネを考慮したSCA を確立することによって、食料生産の効率を格段に増大させ、日本が迎えつつある食料危機の回避、食の安全性の確保により、国民を守ることを目指す。
プレッシャープローブに充填するシリコンオイルにエンジンオイル添加物を混合することで、シリコンオイル内で電気伝導度を上げ、細胞溶液のプレッシャープローブ・エレクトロスプレーイオン化に成功した。エンジンオイル添加物は、シリコンオイルに均一に混合され、沈殿物もなく、イオン化を促進するものの、エンジンオイル添加物組成は商業的な特許で秘密になっており、イオン化においての不純物として検出されるので、分析精度を向上するためには望ましいものではない。そこで、電導性イオン液体を使うことで、検出信号をきれいに見分けることに成功した。検出感度は、従来よりも1000倍向上するようになり、現在、論文発表の準備中であり、革新的な結果が得られる可能性が出てきた。
探針エレクトロスプレーのステンレス探針にエッチング処理をすることで先端を150nmまで細くした上に、探針表面を化学処理で粗くし、親水性の表面になるように加工することに成功している。サンプルの量を1ピコリットル以下での量でもイオン化が可能であり、植物細胞1個からの細胞溶液のサンプリングおよび代謝物の同定を可能にしている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
プレッシャープローブを用いての細胞膨圧計測と細胞溶液採集を組み合わせた質量分析がマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）法を用いることで可能になったことから、プレッシャープローブで採集した細胞溶液中にどのような分子が含まれているのか分析可能になった。プレッシャープローブで採集した細胞があった位置で細胞切片を作成し、細胞の切片表面に直接レーザーイオン化マトリックスを塗布し、MALDI法で計測することで、プレッシャープローブを用いて得られたデータを確認することを可能にした。さらに、ナノパーティクルをレーザーイオン化マトリックスとして利用することを開発し、植物組織における質量分析法を改善した。
探針エレクトロスプレーイオン化質量分析法をリアルタイムで行うことを可能にし、探針の先端を150nm以下の大きさにし、親水性加工を施すことで、微量な細胞溶液のイオン化が安定して誘導できるシステムを開発した。さらに、プレッシャープローブ内のキャピラリーに電極を入れ、キャピラリーに充填するシリコンオイルに電気伝導性の高いイオン液体分子を混合することで、フェムトリットルレベルでのエレクトロスプレーイオン化に成功している。
これらの業績から、細胞溶液のイオン化及び細胞を取り巻く細胞壁に付着した分子の検出を可能にしていて、スピーキング・セル・アプローチにおける制御要素となる代謝分子の特定、代謝制御に関わる環境変動に伴う外乱と代謝物質濃度の関係などを、分析できる環境が整ってきたといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
プレッシャープローブ・エレクトロスプレーイオン化と探針エレクトロスプレーイオン化の質量分析法をオンサイト・リアルタイム細胞分子計測に応用し、環境要因と代謝生理を結びつけることでスピーキング･セル･アプローチによる環境制御法を確立することができる。
現在、連携研究者が在職する九州沖縄農業研究センターで複数の高性能グロースチャンバーに隣接して移動式質量分析計を設置している。根圏の温度制御、大気の温度制御、炭酸ガス濃度の制御、光環境の制御、養分濃度の制御を栽培中のイネに対して行うことができる。さらに、代謝物質を特定するために安定同位体を用いたラベリングを行うことが可能となる。この設備を利用することで、環境制御されたときの代謝変化を細胞レベルで植物体を破壊することなく解析することが可能となった。このことから、スピーキング・セル・アプローチにおける制御要因としての生理代謝系についての解明が進むことが期待できる。
さらに、本課題研究の一部として、ミニトマトを使用しての環境制御グロースチャンバー内での実験も行っており、植物工場および温室でのトマト栽培、生理計測も並行して行っていて、トマト果実における計測も進行中である。これまでの研究成果から、当初の目標に向けて順調に研究が進展しており、予定どおりのスピーキング・セル・アプローチに関する成果が見込まれるといえる。
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[Journal Article] Piezoelectric inkjet assisted rapid electrospray ionization mass spectrometric analysis of metabolites in plant single cells via a direct sampling probe2014
Author(s)
Yu, Z, Chen, LC, Ninomiya, S, Mandal, MK, Hiraoka, K, Nonami, H
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Journal Title
Analyst
Volume: 139
Pages: 5734-5739
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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