蛍光イメージングにおける細胞内光学特性の再構築

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Comprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance
• Project/Area Number: 21H05605
• 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): 2021-09-10 – 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

蛍光顕微鏡イメージング法は、細胞内小器官や生体分子などの特性や動態を測定するのに、必要不可欠な役割を果たしている。この方法は、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ため、視覚的に捉えられる要素の分布や動態について計測することを得意としている。しかし、蛍光標識では捉えられない細胞内領域を構成する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。また、蛍光標識された生体分子が、どのようにして非観測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。本研究課題では、蛍光顕微鏡イメージングと細胞モデリングを融合させる枠組みとして「データ同化」を用いて、細胞内の散乱・揺らぎなどの光学特性の統合的・包括的理解を目指す。具体的には、「動的なデータ同化」のフレームワークを用いて、一分子追跡光活性化局在性顕微鏡(sptPALM)イメージング法と細胞内オルガネラを含んだ細胞モデルを一体化させ、蛍光標識では捉えることができていない細胞内メディアの光学的特性、特に「屈折率」「吸光係数」「散乱係数」などの分布や動態を再構築することを計画している。具体的な細胞内現象として「ミトコンドリア経由のアポトーシスの際に起こるミトコンドリア外膜上でのBak分子のクラスター形成」を対象に計画を実行する。現段階では、以下の3つを中心に進めている。
(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) sptPALMシミュレータの実装
(3) 上記の課題の成果として２つ論文を執筆中。

Current Status of Research Progress

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

Reason

電鍵データの位相解析の結果を論文にしているが、研究はおおむね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て、フィッティングのプログラムの実装に移行することを目標としている。