| 研究課題/領域番号 |
22K14014
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究 |
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研究代表者 |
福山 達也 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任助教 (20881551)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
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| キーワード | 生物物理学 / アクティブマター / 細胞集団運動 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
生体内の臓器をはじめとする組織は多数の細胞から成り、様々な形状を持っている。近年、細胞がシグナルのリレーによって集団で運動することが明らかになっているが、それが組織を形成するメカニズムは未解明である。本研究は、細胞がどのように組織形状を感知しながらシグナルを使って運動し目的の組織を形成していくか、そのメカニズムを解明する。さらに光を使って人工的なシグナルを誘起して、組織形成をコントロールする技術開発に挑戦する。
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| 研究実績の概要 |
自然界にはエネルギーの出入りに伴い様々な流れが生じている。例えば電場をかけたときの電気泳動などがあるが、近年、そのようなポテンシャル勾配と’流れ’の考えを細胞集団運動へ広げようとする試みがある。研究代表者は細胞間を伝搬するシグナルと細胞の運動に着目し、シグナル伝搬中に密度変化を伴って逆向きの集団運動が駆動されることを実験・理論の両方から明らかにした。しかし、生体内では様々な形状をもった組織があり、曲率が組織形成や運動自体にどのように影響するのか明らかになっていなかった。本研究では曲率を持った基板上でシグナル伝搬や細胞集団運動がどのように影響を受けるのか、そのメカニズムを明らかにすることを目的とする。
今年度、実験においては3次元的に細胞集団運動を観察するための条件の検討を行った。まずは細胞核・細胞質を蛍光でとらえられるようMDCK上皮細胞に遺伝子組み換えを行い、コラーゲンゲル上またはゲル中に細胞を置いて運動を観察できる実験環境を整えた。細胞の運動を観測することはできたが、曲率をもった基板作成やシグナル伝搬を見るための準備は現在進行中である。
実験と並行して、曲面上を運動する粒子のシミュレーションモデルの構築を行った。曲面上における粒子の座標、速度、粒子間の距離は測地線方程式を用いて計算し、凹凸を持った面にそって粒子が動く系を考案した。現在、ここにいくつかのパターンの曲面や粒子自体に自己駆動力を持たせて集団的な運動や構造形成が見られるか検証している。曲面の曲率や自己駆動力の強さを変えたり、さらに１次元方向のみまたは２次元方向に曲率を有する曲面でシミュレーションを行い、曲面に特徴的な集団運動が現れる条件を探している段階である。
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| 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
本研究の目的は細胞集団運動と曲率の関係を調べ、それを実験・理論の両面から明らかにしていくことである。実験においてはMDCK上皮細胞の遺伝子組み換えを行い、シングルセルクローニングを終え、観測に適した細胞株の作成を達成している。その後、作成した細胞株を用いてゲル表面上・３次元ゲル中での細胞集団運動の観測を試行し、速度や形状変化を定量化できることを確認した。今現在、曲率を有した凹凸のあるゲル基板を作成するため、光微細加工技術を駆使した型の製作に取り組んでいる。この技術によって幅が数ミクロン～数百ミクロン、高さが数ミクロン～数十ミクロンの３次元構造が作ることができ、細胞が感知できるまたは実際の生体組織に近いサイズスケールの基板を作成準備中である。
また理論においては測地線方程式をベースとしたシミュレーションモデルを構築した。このモデルでは局所的な曲面の傾きをもとに粒子の運動や粒子間相互作用を計算するため、微分可能な関数で曲面を与えれば様々な曲面に対して適用できる。汎用性の高さから今後試行するシミュレーションに非常に有用なモデルになっている。まず１次元方向のみに曲率を有した曲面を設定し、粒子間に斥力相互作用を与えたシミュレーションを行った。粒子の速度が一定の大きさから粒子同士が凝集した相と粒子が枯渇した相が現れるMIPSという現象が見られた。この現象は平面でも見られるものの、曲率を変えていくことで凝集相の密度分布に変化が見られるなど曲率に由来したと思われる効果が観察されている。さらなる解析によって１次元または２次元的な曲率に依存した集団運動が期待される。
以上の進捗から実験・理論の両方において今後の研究を遂行するための土台構築ができ、初年度としておおむね順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度の実験において、平面および当方的な３次元マトリクス中の細胞集団運動を観測できた。本研究の目的は曲率をもった基板上の細胞集団運動を調べることであり、２年度目における方策としては凹凸を有したゲル基板作成技術の確立とその基板を用いた観測である。凹凸をもったゲル基板の作成自体は多くの研究者によって行われているが、そのパターンを自在に制御する技術はまだ確立されていない。分子科学研究所に３次元的光微細加工技術用の機材があり、それを駆使することで設計した形状の型を作成することができる。この型にゲルを注ぎ固めることで凹凸のあるゲル基板が作成でき、これを活用して制御された様々な曲率のもとでの細胞集団運動の解析を推し進めていく。
またシミュレーションについては、先述のとおり２次元方向に曲率を有した曲面上での集団運動の計算・解析を行っていく。２次元方向の曲率とは、例えば１つの山やくぼみ、またはそれらが組み合わさった幾何で現れる。このような曲面上での距離（測地線）を計算するのは困難であるが、本研究ではその点を克服しておりシミュレーションにより計算する準備は整っている。２年度目では１次元・２次元方向に曲率を設定し、それぞれの違いを比較しながら曲率と集団運動の関係を解明していく。
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