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Elucidation of intracellular molecular diffusion mechanism using cell model

Research Project

Project/Area Number 18H01187
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

柳澤 実穂  東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (50555802)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2018: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Keywords細胞モデル / 異常拡散 / 高分子混雑 / 人工細胞 / 蛍光相関分光法 / 生物物理
Outline of Annual Research Achievements

多量のタンパク質等で混雑する細胞中では、分子拡散が通常のブラウン運動とは異なる遅い異常拡散となることが知られている。その要因の一つとして、高分子混雑に由来する高分子の粘弾性化が指摘されてきた。申請者らはごく最近、バルクでは通常拡散を示す高分子溶液が、細胞モデル閉じ込めにより遅い異常拡散を示すこと、異常拡散性は高分子の形に依存して変化することを見出した。すなわち、従来のモデルと異なり、細胞サイズ閉じ込めと高分子の形状の協奏によって細胞内の遅い異常拡散性が創発されていることを示唆する。そこで本研究では細胞モデル中での(1)異常拡散性と高分子の形状、サイズのパラメーター解析、(2)高空間解像度での拡散挙動解析による膜効果・空間サイズ効果の分離、(3)異常拡散要因の推定を通し、細胞でみられる遅い異常拡散の物理メカニズムを導くことを目的としている。
2019年度は、2018 年度に発見した「高分子濃度がある閾値よりも高くなると小さな細胞モデル中では分子拡散が遅くなる」現象が、球状タンパク質や線状高分子だけでなく、分岐をもつ多糖デキストランでも生じること、その構成要素である単糖グルコースでは生じないことを見出した。この結果は、上記の高分子混雑した細胞サイズ空間では、混雑分子や拡散分子の種類によらず、バルクと比べて遅い拡散となることを意味している。さらに、細胞モデルを覆う膜物性を高分子結合型脂質の添加により変調し、それに応じて拡散が遅くなる程度が変化することから、主に細胞モデルを覆う膜界面効果により遅い拡散が生じることを示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

細胞モデル中で観察される遅い異常拡散に対し、表面を覆う膜物性や細胞モデルの形を変える実験を追加した。その結果、膜物性によりマイクロメートルサイズの細胞モデル中の分子拡散が全体的に変化するという、予想外の発見を得ることができた。それゆえ、当初の計画からは遅れているが、本研究目的に対する理解はより進展してきており、全体的はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

2020年度は、2019年度に得られた結果に基づき、(1)膜による細胞サイズ空間閉じ込めが遅い拡散をもたらす要因の解明を目指す。その後、(2)細胞内のようにエネルギーを消費して動き回るタンパク質が存在する非平衡環境が、上記のサイズ依存的な遅い拡散へ及ぼす影響を定量的に導く予定である。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(41 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 7 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 9 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Quantitative Analysis of Membrane Surface and Small Confinement Effects on Molecular Diffusion2020

    • Author(s)
      C. Watanabe, Y. Kobori, J. Yamamoto, M. Kinjo, M. Yanagisawa, (+ equally contributed)
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 124 Pages: 1090-1098

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.9b10558

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 化粧品のDDSに貢献するリポソームの開発と応用2020

    • Author(s)
      柳澤 実穂,渡邊 千穂
    • Journal Title

      Cosmetic stage

      Volume: 14 Pages: 45-50

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      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Liposomal adhesion via electrostatic interactions and osmotic deflation increase membrane tension and lipid diffusion coefficient2020

    • Author(s)
      Oda Atsushi、Watanabe Chiho、Aoki Natsumi、Yanagisawa Miho
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 16 Pages: 4549-4554

    • DOI

      10.1039/d0sm00416b

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cyclic Micropipette Aspiration Reveals Viscoelastic Change of a Gelatin Microgel Prepared Inside a Lipid Droplet2020

    • Author(s)
      Sakai Atsushi、Murayama Yoshihiro、Yanagisawa Miho
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 36 Pages: 5186-5191

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c00428

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Lipid Membrane Effect on the Elasticity of Gelatin Microgel Prepared inside Lipid Microdroplets2019

    • Author(s)
      A. Sakai, N. Hiro-oka, S. Sasaki, S. Kidoaki, M. YANAGISAWA
    • Journal Title

      J. Soc. Rheol., Jpn

      Volume: 47 Issue: 2 Pages: 055-059

    • DOI

      10.1678/rheology.47.55

    • NAID

      130007650358

    • ISSN
      0387-1533, 2186-4586
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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] DNA Origami Nanoplate‐Based Emulsion with Nanopore Function2019

    • Author(s)
      Ishikawa Daisuke、Suzuki Yuki、Kurokawa Chikako、Ohara Masayuki、Tsuchiya Misato、Morita Masamune、Yanagisawa Miho、Endo Masayuki、Kawano Ryuji、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition (Angew. Chem. Int. Ed.)

      Volume: 58 Pages: 15299-15303

    • DOI

      10.1002/anie.201908392

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cell-sized confinement controls generation and stability of a protein wave for spatiotemporal regulation in cells2019

    • Author(s)
      Kohyama Shunshi、Yoshinaga Natsuhiko、Yanagisawa Miho、Fujiwara Kei、Doi Nobuhide
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 8

    • DOI

      10.7554/elife.44591

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Basic Challenges for Liposome Applications and Their Possible Solutions: Membrane Structure and Confinement2019

    • Author(s)
      Watanabe Chiho、Yanagisawa Miho
    • Journal Title

      MEMBRANE

      Volume: 44 Issue: 5 Pages: 234-238

    • DOI

      10.5360/membrane.44.234

    • NAID

      130007724561

    • ISSN
      0385-1036, 1884-6440
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      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] 高分子混雑とミクロな閉じ込めが導く分子拡散2019

    • Author(s)
      渡邊千穂、柳澤実穂
    • Journal Title

      Colloid and Interface Communication (C & I Commun)

      Volume: -

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      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Single Micrometer-Sized Gels: Unique Mechanics and Characters for Applications2018

    • Author(s)
      Miho Yanagisawa、Chiho Watanabe、Kei Fujiwara
    • Journal Title

      Gels

      Volume: 4(2) Pages: 29-29

    • DOI

      10.3390/gels4020029

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dynamics of Spinodal Decomposition in a Ternary Gelling System2018

    • Author(s)
      Yutaro Yamashita, Miho Yanagisawa, Masayuki Tokita
    • Journal Title

      Gels

      Volume: 4 Pages: 26-26

    • DOI

      10.3390/gels4020026

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Increasing Elasticity through Changes in the Secondary Structure of Gelatin by Gelation in a Microsized Lipid Space2018

    • Author(s)
      Sakai Atsushi、Murayama Yoshihiro、Fujiwara Kei、Fujisawa Takahiro、Sasaki Saori、Kidoaki Satoru、Yanagisawa Miho
    • Journal Title

      ACS Central Science

      Volume: 印刷中 Pages: 477-483

    • DOI

      10.1021/acscentsci.7b00625

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Cell-size confinement effect on protein diffusion in crowded poly(ethylene)glycol solution2018

    • Author(s)
      C Watanabe、M Yanagisawa
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 20 Pages: 8842-8847

    • DOI

      10.1039/c7cp08199e

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Molecular diffusion in cell-mimicking droplets depending on size and shape2019

    • Author(s)
      Watanabe Chiho,Yuta Kobori,Yamamto Jotaro,KIinjyo Masataka,Yanagisawa Miho
    • Organizer
      The 5th International Soft Matter Conference (ISMC2019)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ミクロ閉鎖系での高分子物性から細胞内相転移の理解へ2019

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      第9回分子モーター討論会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高濃度高分子液滴中での分子拡散とその外部輸送に伴う変化2019

    • Author(s)
      春澤香苗,Johanna Muliany,渡邊千穂,柳澤実穂
    • Organizer
      第18回関東ソフトマター研究会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子溶液を内包したミクロ液滴中の分子拡散2019

    • Author(s)
      小堀雄大,渡邊千穂,山本条太郎,金城政孝,柳澤実穂
    • Organizer
      第18回関東ソフトマター研究会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞サイズ閉じ込めに誘起される高分子の遅い拡散および相分離現象2019

    • Author(s)
      Watanabe Chiho,Kobori Yuta,Yamamoto Jotaro,Kinjo Masataka,Yanagisawa Miho
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Unique phase behavior in cell size space: Synergistic effect of molecular crowding and confinement2019

    • Author(s)
      Miho Yanagisawa
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞サイズ特異的な生体高分子溶液の相転移現象の解明から生命現象の物理的理解へ2019

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      定量生物学会 北海道キャラバン
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞内混雑環境下での分子拡散描像と異常拡散の解明に向けて2019

    • Author(s)
      春澤香苗,Johanna Muliany,渡邊千穂,柳澤実穂
    • Organizer
      定量生物学会 北海道キャラバン
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Synergistic effect of molecular crowding and cell size confinement as a potential cause of unique phase behaviors2019

    • Author(s)
      Chiho Watanabe,Miho Yanagisawa
    • Organizer
      Okinawa colloids 2019
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Molecular diffusion under cell mimetic membrane confinement : the characteristic environment2019

    • Author(s)
      Kobori Yuta,Watanabe Chiho,Yamamoto Jotaro,Kinjo Masataka,Yanagisawa Miho
    • Organizer
      Okinawa colloids 2019
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cell-size confinement effect on molecular diffusion and phase separation2019

    • Author(s)
      Chiho Watanabe,Miho Yanagisawa
    • Organizer
      UBI-NanoLSI workshop
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 細胞サイズの生体高分子液滴における相転移と分子拡散2019

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      第9回ソフトマター研究会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 細胞モデル中で作製した生体高分子ミクロゲルの特異な力学特性2019

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      第29回MRS学会
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    • Invited
  • [Presentation] 細胞モデル液滴における生体高分子混合系の相分離2019

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      第42回分子生物学会年会
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    • Invited
  • [Presentation] DNA骨格によるリポソームの力学制御とその応用可能性2019

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      日本膜学会第41年会
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    • Invited
  • [Presentation] 球状および線状高分子溶液中の分子拡散に対する細胞サイズ閉じ込めの影響2018

    • Author(s)
      小堀雄大, 渡邊千穂, 柳澤実穂
    • Organizer
      第5回サイボウニクス研究会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞内混雑環境の再現から異常拡散の解明に向けて2018

    • Author(s)
      春澤香苗, Johanna Muliany, 渡邊千穂, 柳澤実穂
    • Organizer
      第5回サイボウニクス研究会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 相分離リポソームにおけるαヘモリシンの局在と濃縮2018

    • Author(s)
      小林瑞輝, 藤原慶, 柳澤実穂
    • Organizer
      第5回サイボウニクス研究会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ミクロ空間で高弾性となる生体高分子ゲル -表面物性とラプラス圧の影響-2018

    • Author(s)
      廣岡直己, 酒井淳, 柳澤実穂
    • Organizer
      第5回サイボウニクス研究会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ミクロ空間閉じ込めと高分子混雑が導く遅い分子拡散2018

    • Author(s)
      渡邊千穂, 小堀雄大, 柳澤実穂
    • Organizer
      第8回ソフトマター研究会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Buckling of polymer blend microgels via phase separation and gelation2018

    • Author(s)
      小柳佳介, 工藤和恵, 柳澤実穂
    • Organizer
      The 12th SPSJ International Polymer Conference (IPC2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Molecular diffusion in cell-mimicking system measured by fluorescence correlation spectroscopy2018

    • Author(s)
      渡邊千穂, 小堀雄大, 柳澤実穂
    • Organizer
      日本生物物理学会第56回年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞モデルに閉じ込められたタンパク質溶液中の分子拡散2018

    • Author(s)
      小堀雄大, 渡邊千穂, 柳澤実穂
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞モデルを用いた細胞内分子拡散の解明2018

    • Author(s)
      渡邊千穂, 柳澤実穂
    • Organizer
      NCNP-TUAT 若手研究シンポジウム2018夏
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Single Microgels Prepared in Artificial Cell2018

    • Author(s)
      柳澤実穂
    • Organizer
      Designer Soft Matter 2018
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Cell-size Confinement on Protein Diffusion in Crowding Polymer Solution2018

    • Author(s)
      渡邊千穂, 柳澤実穂
    • Organizer
      Designer Soft Matter 2018
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 細胞モデルによる、細胞モデルのための、ミクロゲル研究2018

    • Author(s)
      柳澤 実穂
    • Organizer
      「細胞」でつながる研究会 ーBio.Phys.Chem.三重点の探索ー
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Remarks] 柳澤研究室HP

    • URL

      https://sites.google.com/g.ecc.u-tokyo.ac.jp/yanagisawa-lab/

    • Related Report
      2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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