表皮が分泌する動物性繊維によるハウスの3D建設

• 研究領域: 素材によって変わる、『体』の建築工法
• 研究課題/領域番号: 20H05946
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 鹿児島大学
• 研究代表者: 小沼 健 鹿児島大学, 理工学域理学系, 准教授 (30632103)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 60,970千円 (直接経費: 46,900千円、間接経費: 14,070千円); 2024年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円); 2023年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円); 2022年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円); 2021年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円); 2020年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: ハウス / オタマボヤ / 表皮細胞 / セルロース繊維 / 数理計算 / 脊索動物 / 表皮 / セルロース / 網目形成 / 繊維素材 / CesA / 3D形成 / 3D形態 / 数理解析

研究開始時の研究の概要

オタマボヤは、ハウスと呼ばれるセルロースの膜でできた「袋」の中に棲む。ハウスは、ダクトやフィルターがプランクトンを集め・ろ過する機能を持つように配置された、複雑な3D構造を持つ。オタマボヤは常にスペアのハウスを数枚まとっており、外側の一枚を数分かけて膨らませるとハウスが完成する。本研究では、細胞が「セルロース繊維をもちいた織物(編み物）」をどのように作るかという新しい観点のもと、ハウス形成の謎に迫る。生物学としての新奇性はきわめて高く、数理解析と実験とを循環させて理解を進めることにより、新たな工学技術へとつながる可能性がある。

研究実績の概要

オタマボヤは、表皮から分泌する「ハウス」と呼ばれる袋状の構造に棲んでいる。ハウスはセルロースを含んでおり、海水中の餌となるプランクトンを濾しとって食べるための網目や流路が組織化された複雑な三次元構造をもつ。オタマボヤは、スペアのハウスを2-3枚、折り畳んだ状態でまとい、外側の1枚を膨らませて使用する。代表者はこれまで、ハウスは「繊維状の素材」を組み合わせた編み物（織物）とみなせると作業仮説を立てて、その実態解明に取り組んだ。本年度は、以下のような成果を得た。
(1) ハウスの三次元構造の解明に成功した。昨年度に撮影に成功したセルロースの蛍光画像を手作業で修正し、これをもとに立体模型を3Dプリンターにより作成した。ハウスの内部における水や餌の動きについて可視化できるようになった（Onuma et al., 投稿準備中）。
(2) 折り畳みの立体構造の画像データの取得に成功した。昨年度に開発した、ハウスをゼリー化して撮影する方法をもちいて、正立型双方向ライトシート顕微鏡（QuViSPIM、総括班の共同利用機器）により画像を取得した。これにより、折り畳みが展開するプロセスを数理シミュレーションするためのデータが出揃った。
(3) 折り畳みにごま油を注入して標識し、ハウスの各部位と対応づける実験系を開発した。
(4) オタマボヤの表皮細胞に細胞数や位置関係に個体差がない。セルロース合成酵素(CesA2)のホールマウントin situ hybridizationにより、ハウス形成の遺伝子プログラムの読み取りを試みた。従来の表皮細胞では口元の表皮細胞を特定できない問題をふまえ、完全なる表皮細胞マップを作り直した(Suwa et al., 未発表）。
(5) 表皮細胞が特定方向に収縮・弛緩を繰り返す新規の細胞運動を見出した。セルロースが一定間隔にそろった網目を形成するしくみに結びつく可能性がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の研究計画にあった項目はほぼ達成の見込みがついた。また表皮細胞が一定の周期をもって特定方向へと運動するなど新規の知見も見出したことで、当初期待していた以上に研究が展開している。
ただし、現在はそれらの成果をもとに論文執筆中であり、論文出版までは至っていない。このことを勘案して「おおむね順調に進展している」と判断した。

今後の研究の推進方策

おおむね順調に進んでいるので、計画通りに進めていく。次回が本研究課題の最終年度となることも踏まえて、得られた結果を順次、投稿論文にまとめていく。

数理との連携については、折り畳みの立体構造についての画像データが揃ったことを受けて、計画班の井上グループとの連携によりハウスの各部位が展開するプロセスを計算してアニメーションとして出力することを目指す。昨年度に、完成したハウスの画像撮影・3Dプリントを実施したときの経験から、画像データの前処理の作業はかなりの時間と労力を費やすと予想されるが、ハウス展開の数理シミュレーションを実現することは、本研究課題の開始当時からの夢であり、そのためのデータが手元にあるのは紛れもない事実である。これを実現させることで、ハウス形成の大枠が明らかになると確信している。

研究成果

• [雑誌論文] Extreme genome scrambling in marine planktonic Oikopleura dioica cryptic species. (2024)
  • 著者名/発表者名: Plessy, C., Mansfield, M.J., Bliznina, A., Masunaga, A., West, C., Tan, Y., Liu, A.W., Grasic, J., Del Rio Pisula, M.S., Sanchez-Serna, G., Fabrega-Torrus, M., Ferrandez-Roldan, A., Roncalli, V., Navratilova, P., Thompson, E.M., Onuma, T., Nishida, H., Canestro, C., Luscombe, N.M.
  • 雑誌名: Genome Research 巻: in press ページ: 426-440
  • DOI: 10.1101/gr.278295.123
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Zic-r.b controls cell numbers in Ciona embryos by activating CDKN1B. (2023)
  • 著者名/発表者名: Treen N, Konishi S, Nishida H; Onuma TA and Sasakura Y
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: - ページ: 26-34
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2023.03.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of the brain by stem cell divisions of large neuroblasts in Oikopleura dioica, a simple chordate (2023)
  • 著者名/発表者名: Konishi Misako、Kishi Kanae、Morita Ryo、Yamada Atsuko、Onuma Takeshi A.、Nishida Hiroki
  • 雑誌名: Development Genes and Evolution 巻: 233 号: 1 ページ: 35-47
  • DOI: 10.1007/s00427-023-00704-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of the brain by stem cell divisions of large neuroblasts in Oikopleura dioica, a simple Chordate. (2023)
  • 著者名/発表者名: 1.Konishi M, Kishi K, Morita R, Yamada A, Onuma TA and Nishida H
  • 雑誌名: Development Genes and Evolution. 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] The cosmopolitan appendicularian Oikopleura dioica reveals hidden genetic diversity around the globe. (2022)
  • 著者名/発表者名: Masunaga A, Mansfield MJ, Tan Y, Liu AW, Bliznina A, Barzaghi P, Hodgetts TL, Ferrandez‐Roldan A, Canestro C, Onuma TA, Plessy C and Luscombe NM
  • 雑誌名: Marine Biology 巻: 169 号: 12
  • DOI: 10.1007/s00227-022-04145-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Differentiation of endostyle cells by Nkx2-1 and FoxE in the ascidian Ciona intestinalis type A: insights into shared gene regulation in glandular- and thyroid-equivalent elements of the chordate endostyle (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamagishi Masayuki、Huang Taoruo、Hozumi Akiko、Onuma Takeshi A.、Sasakura Yasunori、Ogasawara Michio
  • 雑誌名: Cell and Tissue Research 巻: 390 号: 2 ページ: 189-205
  • DOI: 10.1007/s00441-022-03679-w
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Germline development during embryogenesis of the larvacean, Oikopleura dioica. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishida, H., Matsuo, M., Konishi, S., Ohno, N., Manni, L., and Onuma T.A.
  • 雑誌名: Devevalopmental Biology 巻: 481 ページ: 188-200
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2021.10.009
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Developmental biology of the larvacean Oikopleura dioica : Genome resources, functional screening, and imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Onuma, T. A. and Nishida, H.
  • 雑誌名: Dev. Growth Differ. 巻: 64 号: 1 ページ: 67-82
  • DOI: 10.1111/dgd.12769
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nkx2-1 and FoxE regionalize glandular (mucus-producing) and thyroid-equivalent traits in the endostyle of the chordate Oikopleura dioica. (2021)
  • 著者名/発表者名: Onuma TA*, Nakanishi R, Sasakura Y and Ogasawara M*
  • 雑誌名: Developmental Biology. 巻: 477 ページ: 219-231
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2021.05.021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Massive gene loss and function shuffling in appendicularians stretch the boundaries of chordate Wnt family evolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Marti-Solans, J., Godoy, H., Diaz-Gracia, M., Onuma, T., Nishida, H., Albalat R., and Canestro, C.
  • 雑誌名: Frontiers Cell Dev. Biol. 巻: 9 ページ: 700827-700827
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.700827
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] オタマボヤの口形成にともなう外胚葉と内胚葉との接続. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健*, 森田遼
  • 雑誌名: 比較内分泌学. 巻: 174
• [雑誌論文] Mouth opening is mediated by separation of dorsal and ventral daughter cells of the lip precursor cells in the larvacean, Oikopleura dioica. (2020)
  • 著者名/発表者名: Morita, R., Onuma, T.A., Manni, L., Ohno, N., Nishida, H.
  • 雑誌名: Dev. Genes Evol. 巻: 230 号: 5-6 ページ: 315-327
  • DOI: 10.1007/s00427-020-00667-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A genome database for a Japanese population of the larvacean Oikopleura dioica. (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang, K., Tomura, R., Chen, W., Kiyooka, M., Ishizaki, H., Aizu, T., Minakuchi, Y., Seki, Yutaka Suzuki, M., Omotezako, T., Suyama, R., Masunaga, A., Plessy, C., Luscombe, N.M., Dantec, C., Lemaire, P., Itoh, T., Toyoda, A., Nishida, H., and Onuma, T.A.
  • 雑誌名: Dev. Growth Differ. 巻: 62 号: 6 ページ: 450-461
  • DOI: 10.1111/dgd.12689
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protein phosphatase 2A is essential to maintain meiotic arrest, and to prevent Ca2+ burst at spawning and eventual parthenogenesis in the larvacean Oikopleura dioica. (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuo M, Onuma TA, Omotezako T and Nishida N
  • 雑誌名: Developmental Biology. 巻: 460(2) 号: 2 ページ: 155-163
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2019.12.005
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 表皮が分泌する動物性繊維によるハウスの3D建築. (2024)
  • 著者名/発表者名: 小沼健
  • 学会等名: 生物の形づくりと行動の数理 -学術変革A：3G+∞ Fusion Meeting-
  • 招待講演
• [学会発表] 3分で家が完成？オタマボヤのハウス建築. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健
  • 学会等名: 第26回いきものサロン
  • 招待講演
• [学会発表] 表皮が分泌するセルロース繊維によるオタマボヤのハウス形成. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 柳田夏希, 池田真一郎, 三輪真紀子, 山崎慎太郎, 秋山正和, 井上康博, 上村了美, 駒野恭子, 船山典子, 西田宏記.
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会 シンポジウム「非細胞素材」による形態形成のメカニズム
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤのハウス展開機構と網目形成. House construction and mesh formation in the larvacean. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 柳田夏希, 池田真一郎, 三輪真紀子, 山崎慎太郎, 秋山正和, 井上康宏, 上村了美, 駒野恭子, 船山典子, 西田宏記.
  • 学会等名: 数理生物学会年会 (JSMB2023), S3: 企画シンポジウム「生物の形態形成と細胞運動に関する実験・数理的な取り組み」
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤハウスの形成: 繊維素材をもちいた形づくり. House construction with cellulose fibers in the larvacean, Oikopleura dioica. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 柳田夏希, 山崎慎太郎, 秋山正和, 上村了美, 駒野恭子, 船山典子, 西田宏記.
  • 学会等名: 日本動物学会第94回大会, 第41回ホヤ談話会
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤのハウス形成: 繊維素材をもちいた機能的な網目構造の設計. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 柳田夏希, 山崎慎太郎, 秋山正和, 上村了美, 駒野恭子, 船山典子, 西田宏記.
  • 学会等名: 日本機械学会 第35回バイオエンジニアリング講演会
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤハウスの網目形成：アクチン重合阻害剤を用いた検討. (2023)
  • 著者名/発表者名: 柳田夏希, 池田真一郎, 三輪真紀子, 小沼健.
  • 学会等名: 第47回日本比較内分泌学会大会およびシンポジウム 九州大会
• [学会発表] オタマボヤのハウス形成についての研究. (2023)
  • 著者名/発表者名: 諏訪伸太郎, 池田真一郎, 渡部夏菜子, 三輪真紀子, 小沼健.
  • 学会等名: 第6回ホヤ研究会
• [学会発表] オタマボヤとホヤの胚発生のしくみは異なるのか？：「転写因子の胚生発現」と「母性mRNA の局在」からその実体に迫る. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 水谷奈那子, 松尾正樹, 彭宇, 西田宏記.
  • 学会等名: 第6回ホヤ研究会
• [学会発表] オタマボヤの脳形成では不等幹細胞分裂が起こっている. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小西美彩子, 岸香苗, 森田遼, 山田温子, 小沼健, 西田宏記.
  • 学会等名: 第6回ホヤ研究会
• [学会発表] ワカレオタマボヤ表皮細胞におけるCesA2遺伝子を発現する領域を特定する試み. An attempt to identify the region expressing the CesA2 gene in Oikopleura dioica epidermal cells. (2023)
  • 著者名/発表者名: 諏訪伸太郎, 渡部夏菜子, 三輪真紀子, 小沼健.
  • 学会等名: 第8回ユニーク会
• [学会発表] 折りたたみの各部位とハウス展開後の部位. (2023)
  • 著者名/発表者名: 池田真一郎, 三輪真紀子, 小沼健.
  • 学会等名: 第8回ユニーク会
• [学会発表] 海に光をもたらしたプランクトン -オタマボヤによる “光る素 セレンテラジン”の生合成- (2023)
  • 著者名/発表者名: 南條完知, 水野雅玖, 加藤太一郎, 小沼健, 大場裕一.
  • 学会等名: 第8回ユニーク会
• [学会発表] オタマボヤハウスの「展開の開始」に尻尾の運動は必要か？ (2023)
  • 著者名/発表者名: 毛利千晶, 三輪真紀子, 小沼健.
  • 学会等名: 第8回ユニーク会
• [学会発表] オナガオタマボヤにおける表皮細胞の並び方について. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 高見龍輝, 池田真一郎, 三輪真紀子.
  • 学会等名: 第8回ユニーク会
• [学会発表] ワカレオタマボヤ表皮細胞におけるCesA2遺伝子を発現する領域を特定する試み. An attempt to identify the region expressing the CesA2 gene in Oikopleura dioica epidermal cells. (2023)
  • 著者名/発表者名: 諏訪伸太郎, 渡部夏菜子, 三輪真紀子, 小沼健.
  • 学会等名: 日本動物学会第94回大会
• [学会発表] オタマボヤハウスの形成: 繊維素材をもちいた形つくり (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 柳田夏希, 山崎慎太郎, 秋山正和, 上村了美, 駒野恭子, 船山典子, 西田宏記.
  • 学会等名: 日本動物学会第94回大会, 第41回ホヤ談話会 (山形, 山形大学 小白川キャンパス, 2023/9/7-9).
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤのハウス形成: 繊維素材をもちいた機能的な網目構造の設計. (2023)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 柳田夏希, 山崎慎太郎, 秋山正和, 上村了美, 駒野恭子, 船山典子, 西田宏記.
  • 学会等名: 日本機械学会 第35回バイオエンジニアリング講演会 (仙台, 日立システムズホール, 2023/6/4-5).
  • 招待講演
• [学会発表] 脊索動物ワカレオタマボヤを活用した発生生物学. (2022)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 西田宏記.
  • 学会等名: 日本動物学会 第93回大会, 大会シンポジウム「 海産無脊椎動物―生命情報の宝の山VII―オープンデータサイエンス」(東京, 早稲田大学 早稲田キャンパス, 2022/9/8-10)
  • 招待講演
• [学会発表] Transcriptomes of the fast-evolving chordate, Oikopleura dioica, uncover drastic difference in transcription factor and post-plasmic RNA composition that is expressed in early embryos from those of ascidians. (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang K, Suyama R, Mizutani N, Matsuo M, Peng Y, Seki M, Suzuki Y, Luscombe NM, Dantec C, Lemaire P, Toyoda A, Nishida H and Onuma TA.
  • 学会等名: The 11th International Tunicate Meeting, oral presentation (Kobe, Konan University, 2022/07/10-15).
  • 国際学会
• [学会発表] オタマボヤとホヤの胚発生のしくみは異なるのか？：「転写因子の胚生発現」と「母性mRNAの局在」からその実体に迫る. (2022)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 第7回ユニーク会. ポスター発表 (名古屋, 名古屋大学 野依記念学術交流館, 2022/9/20-21).
• [学会発表] オタマボヤをもちいて、体づくりのしくみを学ぶ. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 日本動物学会 日本生態学会 九州沖縄植物学会 合同鹿児島例会
  • 招待講演
• [学会発表] 1世紀前の謎を解く-「最も単純な体の脊索動物」脊索動物オタマボヤをもちいて左右形成の新しい領域を開拓する. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 2021年度動物学会中部支部大会 富山大会
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤのハウス形成:セルロース繊維をもちいた形づくり. House construction with cellulose fibers in the larvacean, Oikopleura dioica. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 山崎慎太郎, 秋山正和, 西田宏記.
  • 学会等名: 日本動物学会第92回大会, 第39回ホヤ談話会
  • 招待講演
• [学会発表] オタマボヤのハウス建築: 動物性セルロースを用いた形づくり. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 第6回ユニーク会
• [学会発表] オタマボヤ内柱における分泌関連および甲状腺関連形質の領域化. Regionalization of glandular and thyroid-equivalent traits in the endostyle of Oikopleura dioica. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健, 中西梨奈, 笹倉靖徳, 小笠原道生.
  • 学会等名: 日本動物学会第92回大会
• [学会発表] カタユウレイボヤ幼若体における内柱の領域化と細胞分化. Regionalization and differentiation of endostyle cells in the juvenile of Ciona intestinalis. (2021)
  • 著者名/発表者名: 山岸雅幸, 小沼健, 笹倉靖徳, 小笠原道生.
  • 学会等名: 日本動物学会第92回大会
• [学会発表] 原索動物の内柱における vWF 様遺伝子群の収斂的発現. Convergent expression of vWF-like genes in the protochodate endostyle. (2021)
  • 著者名/発表者名: 板山紘典, 山岸雅幸, 小沼健, 笹倉靖徳, 小笠原道生.
  • 学会等名: 日本動物学会第92回大会
• [学会発表] Transcriptomic analyses of the fast-developing chordate, Oikopleura dioica, uncover re-organization of transcription factors functioning in early embryos and the animal-vegetal axis specification. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kai Wang, Ritsuko Suyama, Nakako Mizutani, Masaki Matsuo, Yu Peng, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Nicholas M. Luscombe, Christelle Dantec, Patrick Lemaire, Atsushi Toyoda, Hiroki Nishida and Takeshi A. Onuma*
  • 学会等名: 第54回日本発生生物学会
• [学会発表] オタマボヤをもちいて、体づくりのしくみを学ぶ. (2021)
  • 著者名/発表者名: 小沼健.
  • 学会等名: 日本動物学会 日本生態学会 九州沖縄植物学会 合同鹿児島例会
  • 招待講演
• [備考] ・小さな脊索動物、オタマボヤ (2/9, 19:00-初回放送）
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=bL1A8tF2lhk
• [備考] ・オタマボヤのハウス建築（2/16, 19:00-初回放送）
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=K4DwsGsAOwI
• [備考] オタマボヤの内柱がもつ２大機能領域の形成における甲状腺関連遺伝子の役割を解明
• [備考] 動物性繊維を用いてオタマボヤが「ハウス」を建築する原理
  • URL: https://seeds.krcc.kagoshima-u.ac.jp/seeds_info/index.php
• [備考] オタマボヤの内柱がもつ２大機能領域の形成における甲状腺関連遺伝子の役割を解明