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2つの発振源からの波の干渉による繊毛メタクロナールウェーブ伝播方向の制御

研究課題

研究課題/領域番号 21K19228
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分43:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
研究機関山口大学

研究代表者

岩楯 好昭  山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (40298170)

研究分担者 沖村 千夏  山口大学, 大学院創成科学研究科, 学術研究員 (80895392)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワード細胞運動 / ゾウリムシ / メタクロナールウェーブ / 繊毛
研究開始時の研究の概要

“繊毛”はゾウリムシ体表からヒトの気管、卵管、脳にまで存在する。隣接した繊毛は一定の位相差を保って屈曲するため、屈曲が波、即ち“メタクロナールウェーブ (MW)”として伝播する。細胞表面の MW 伝播方向は外液の粘性によって変わるが、方向の制御機構は長年不明で、この解明が本研究目的である。応募者は「2箇所の発振源からの波が互いに化学反応の BZ 反応のように干渉して MW の伝播方向が決まる」という仮説を立て、この仮説を生物学的な MW 観察、及び、物理化学的なBZ反応観察を組合せて実証する。

研究実績の概要

繊毛は単細胞生物ゾウリムシから高等動物の気管上皮、卵管等にまで普遍的に存在する。細胞表面の多数の繊毛それぞれの前後非対称な屈曲により水流が生じ、ゾウリムシは遊泳し、気管では異物を排出、卵管では卵子を子宮に運搬する。繊毛は1本1本が独立に運動しているにも関わらず、隣接した繊毛は一定の位相差を保って屈曲する。このため屈曲が波として伝播する。この伝播する屈曲の波はメタクロナールウェーブと呼ばれる。一方、Belousov-Zhabotinsky(BZ)反応という、均一な溶液の中で1点から開始された化学反応が時間的に反復しながら空間的に広がっていく現象が知られている。BZ反応で生じる波は、一般的な波とは異なり、波同士が衝突すると強め合うのではなく消失する。また、同心円状に広がる波を切り端点が生じるとラセン波が生じる。
本研究ではゾウリムシを開いた細胞シートの状態にしメタクロナールウェーブをつぶさに観察した。手つかずの細胞体では細胞質の影響で繊毛打を細胞の縁でしか顕微鏡観察できない一方、細胞シートの状態にすると、シート上の繊毛打を直接観察できる。このため、2次元に広がるメタクロナールウェーブの観察が可能になる。2次元のメタクロナールウェーブを高速度撮影し解析したところ、波同士の衝突で、波面が消失する様子が観察できた。一方、明瞭なラセン波の観察には現在のところ至っていない。これは、ラセン波が存在しないのか、観察できていないだけなのかは現在のところ不明である。

現在までの達成度 (区分)
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

新型コロナ感染症流行の影響もほとんどなくなり、学会年会等の学術集会が対面で行われるように回復した。学術的な情報を得ることができるようになり、研究 の遂行、運営が困難であったものがなくなった。
試薬等消耗品を他研究と共用できたため、それらの支出を抑えることができた。一方、メタクロナールウェーブの画像取得に高解像度のカメラが必要となり、その支出に予算を費やす必要があった。画像取得が可能となったためさらなる研究の推進のため1年間の延長を行う予定である。

今後の研究の推進方策

ケイジドATP光分解実験系を成立顕微鏡ステージ上に構築する。ゾウリムシ繊毛シートを作成し、顕微鏡ステージ上のチャンバに静置し、その繊毛シートの全視野、あるいは局所に紫外光を照射し、全繊毛、あるいは、一部の繊毛周囲のみでATP濃度を上昇させ、繊毛打を回復させる。これにより、メタクロナールウェーブの形成過程を観察する。その様子を高速カメラで記録することで、メタクロナール波の形成過程を詳細に記録する。
ゾウリムシの繊毛群の運動のメタクロナールウェーブ形成は、繊毛集団の力学的な協調運動過程であると言える。全く異なる生命現象で同様の強調運動を観察し、その類似性を議論することを試みたい。その一例として、細胞集団運動における個々の細胞の協調する様子を記録する。実際には魚類表皮ケラトサイトの集団運動における、集団先端のリーダー細胞がお互いを連結するアクトミオシンケーブル上に生じる張力を介して協調する様子を記録する。これは繊毛が細胞表層の弾性を利用してメタクロナールウェーブを伝播させるメカニズムと類似している。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うちオープンアクセス 4件、 査読あり 3件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Linear contraction of stress fibers generates cell body rotation2023

    • 著者名/発表者名
      Okimura, C., Akiyama, S., Nishigami, Y., Zaitsu, R., Sakurai, T. and Iwadate Y.
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2023.01.03.522661

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Leading edge elongation by follower cell interruption in advancing epithelial cell sheets2022

    • 著者名/発表者名
      Okimura, C., Iwanaga, M., Sakurai, T., Ueno, T., Urano, Y. and Iwadate Y
    • 雑誌名

      PNAS

      巻: 119 号: 18

    • DOI

      10.1073/pnas.2119903119

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Discovery of an F-actin-binding small molecule serving as a fluorescent probe and a scaffold for functional probes2021

    • 著者名/発表者名
      Takagi T, Ueno T, Ikawa K, Asanuma D, Nomura Y, Uno S, Komatsu T, Kamiya M, Hanaoka K, Okimura C, Iwadate Y, Hirose K, Nagano T, Sugimura K and Urano Y.
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 7(47) 号: 47

    • DOI

      10.1126/sciadv.abg8585

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Comparative mapping of crawling-cell morphodynamics in deep learning-based feature space2021

    • 著者名/発表者名
      Imoto, D., Saito, N., Nakajima, A., Honda, G., Ishida, M., Sugita, T., Ishihara, S., Katagiri, K., Okimura, C., Iwadate, Y. and Sawai, S.
    • 雑誌名

      PLoS Computational Biology

      巻: 17(8) 号: 8 ページ: 1009237-1009267

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1009237

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ケラトサイト集団同士の融合とアクトミオシンケーブルの消失2024

    • 著者名/発表者名
      清水和眞、沖村千夏、岩楯好昭
    • 学会等名
      生体運動研究合同班会議 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 生まれ変わる魚類ケラトサイト集団2024

    • 著者名/発表者名
      西村紀彦、沖村千夏、岩楯好昭
    • 学会等名
      生体運動研究合同班会議 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Demotion of leader cells to followers during the late stages of re-epithelialization in wound repair2023

    • 著者名/発表者名
      Okimura C and Iwadate Y
    • 学会等名
      第61回生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Linear contraction of stress fibers kicks the substratum for their rotation2022

    • 著者名/発表者名
      沖村千夏,秋山珠祐, 櫻井建成,岩楯好昭
    • 学会等名
      第60回生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Breaking of actomyosin cables in keratocyte collectives and their role in the coordinated collective migration2022

    • 著者名/発表者名
      岩永美咲、沖村千夏、櫻井建成、上野 匡、浦野泰照、岩楯好昭
    • 学会等名
      第60回生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2021-07-13   更新日: 2024-12-25  

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