Development of ultrasonic and magnetic field-sensitive receiver molecules and their application to muscle tissue formation promotion technology
| Project Area | Next-generation non-invasive biological deep-tissue manipulation by biomolecular engineering and low physical energy logistics |
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| Project/Area Number |
20H05758
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
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| Project Period (FY) |
2020-10-02 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥38,090,000 (Direct Cost: ¥29,300,000、Indirect Cost: ¥8,790,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
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| Keywords | 磁気操作 / 超音波操作 / 機械受容チャネル / 筋組織形成誘導 / カルシウム / 深部生体操作 / 光熱変換 / 超音波 / 磁場 / 低物理エネルギーロジスティクス |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では機械受容タンパク質や、巨大鉄ナノ粒子含有タンパク質であるフェリチンへ選択的に結合するフェリチン結合ドメインなどを用いて、超音波・磁場の二つのタイプの低物理エネルギーに高感度に応答するレシーバ分子を新たにデザインし、イオンチャネルの開閉を外部から操作可能な分子システムを構築する。さらにこれらを筋幹細胞中の小胞体へターゲッティングし、磁場および超音波を照射することで小胞体からのCa2+放出を誘発し、筋細胞への分化を促進する生体操作法の実現を目指す。これにより事故や疾患、老化に伴う筋力低下を低減・回復し、クオリティオブライフ（QOL）の向上を目指した医療応用につながる要素技術の開発を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究では、超音波や磁場に高感度で応答する新規レシーバ分子を開発し、さらにそれによってイオンチャネルを駆動することで、低物理エネルギーを生理機能に変換するシステムを構築する。そして最終的にそれらを用いた筋細胞の分化誘発の達成を目指す。
2020年度はこのうち磁場操作のため、細菌由来の巨大径機械受容チャネルであるMscLへ、細胞内に普遍的に存在し、巨大鉄ナノ微粒子を内包するフェリチンを、フェリチン結合ドメイン（FBD）を介して結合させる分子系の開発を行った。これによりMscL－フェリチンの二次元ネットワークを形質膜上に形成し、フェリチンをレシーバ分子として、磁場印可に伴う膜曲率の変化とMscLのチャネルの開口を起こすことが期待される。このうちFBD結合ドメインと融合させたMscLについては細胞内膜系への蓄積が見られたことから、今後シグナル配列などを最適化する必要がある。またフェリチンの動態を観察するためmCherryを結合させたコンストラクトを作製したところ、細胞内に良好なタンパク質の発現が見られた。
また計測系として磁場刺激を組み込んだ実験専用のパッチクランプシステムを構築し、特に磁場刺激実験に最適化した細胞還流チャンバーを設計・自作した。また物性研究所国際超強磁場科学研究施設と共同し、新たに多重巻きコイルを用いたパルス磁場印可システムを構築した。これにより最大80ミリテスラ程度のミリ秒磁場パルスを試料ステージ上に印可できることが確認され、過去の先行研究で用いられたものよりも、はるかに高い磁場勾配を用いた磁場操作が今後可能になると期待される。
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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
2020年度は磁場操作のため、細菌由来の巨大径機械受容チャネルであるMscLへ、細胞内に普遍的に存在し、巨大鉄ナノ微粒子を内包するフェリチンを、フェリチン結合ドメイン（FBD）を介して結合させる分子系の開発を行った。MscL－フェリチンの二次元ネットワークを形質膜上に形成し、フェリチンをレシーバ分子として、磁場印可に伴う膜曲率の変化とMscLのチャネルの開口を起こすことが期待される。このうちFBD結合ドメインと融合させたMscLについては細胞内膜系への蓄積が見られたことから、今後シグナル配列などを最適化する必要がある。またフェリチンの動態を観察するためmCherryを結合させたコンストラクトを作製したところ、細胞内に良好なタンパク質の発現が見られた。
また計測系として磁場刺激を組み込んだ実験専用のパッチクランプシステムを構築し、特に磁場刺激実験に最適化した細胞還流チャンバーを設計・自作した。また物性研究所国際超強磁場科学研究施設と共同し、新たに多重巻きコイルを用いたパルス磁場印可システムを構築した。これにより最大80ミリテスラ程度のミリ秒磁場パルスを試料ステージ上に印可できることが確認され、過去の先行研究で用いられたものよりも、はるかに高い磁場勾配を用いた磁場操作が今後可能になると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降、シグナル配列の最適化などによって形質膜上へのMscL-FBDの良好な発現が見られた段階で、内在性フェリチンと結合させ、さらにパルス磁場の印可によるイオン流の測定をパッチクランプ法で行う。得られる電流が弱い場合は、FBDの種類を変えるなどの検討を行う。また超音波操作についても、今後超音波発生装置をパッチクランプシステムに組み込み、MscLやPIEZO1などを発現させた細胞を用いて、超音波で誘起される電流の観測を試みる。
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Report
(1 results)
Research Products
(24 results)
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[Journal Article] Schizorhodopsins: A novel family of rhodopsins from Asgard archaea that function as light-driven inward H+ pumps2020
Author(s)
Keiichi Inoue, Satoshi P. Tsunoda, Manish Singh, Sahoko Tomida, Shoko Hososhima, Masae Konno, Ryoko Nakamura, Hiroki Watanabe, Paul-Adrian Bulzu, Horia L. Banciu, Adrian Andrei, Takayuki Uchihashi, Rohit Ghai, Oded Beja, Hideki Kandori
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Journal Title
Science Advances
Volume: 6
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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