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2022 年度 実績報告書

顕微技術を駆使した計測と制御による細胞構造のしなやかさの高精度解析

計画研究

研究領域植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
研究課題/領域番号 18H05493
研究機関奈良先端科学技術大学院大学

研究代表者

細川 陽一郎  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20448088)

研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワード原子間力顕微 / フェムト秒レーザー / フォースマッピング / 顕微細胞操作 / 液胞制御
研究実績の概要

原子間力顕微鏡(AFM)をもちいて植物細胞の力学構造の理解をすすめ、AFM計測により得られる外力に対する細胞の力学特性の解析に、従来法(ヘルツの接触理論)とは異なる、膨圧と細胞壁のたわみを考慮した解析理論(シェル理論)を、建築工学における構造力学の取り扱いを参考に構築した。この理論に基づき、外力による細胞の力学応答と外力が無い場合の膨圧による細胞壁形状のひずみを定式化し、細胞壁の弾性率と膨圧を導く方法を考案した。この方法を適用することで、AFMによる細胞形状計測とAFMによるインデンテーション試験による細胞壁のひずみ曲線(フォースカーブ)で決定されるパラメーターを用いて、細胞壁の弾性率と膨圧を導くことができた。この方法の妥当性を検証するために、タマネギ細胞に高濃度のマンニトールを添加し、膨圧が低下する中で細胞形状とフォースカーブを計測し、細胞壁の硬さと膨圧の変化を評価した。マンニトール添加により細胞の曲率が低下し、フォースカーブから見積もられる細胞の見かけの剛性も低下した。得られたデータから細胞壁の弾性率と膨圧を解析すると、マンニトール添加により膨圧(細胞の内外圧差)はほぼ0まで低下し、細胞壁の弾性率は数分の1まで低下する結果が得られた。また、シェル理論の妥当性を明らかにするために、シャジクモの摂間細胞を切り開き、細胞壁をシート状にした試料と無加工の細胞に対してAFMによるフォースカーブ測定をおこない、この計測で見積もられる見かけの弾性率が膨圧の影響を強く受けていることを証明した。さらに、セルロースシートが積層する細胞壁では面内方向の弾性率が、面外方向の弾性率よりも大きく、細胞壁のみでもヘルツの接触理論が適用できないことが示された。このように、植物細胞の持つ複雑な構造に起因する力学特性がひも解かれ、植物の力学構造を微視的な観点から理解する新たな道筋を拓くことができた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (17件) (うち査読あり 17件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 8件)

  • [雑誌論文] Patterned proliferation orients tissue-wide stress to control root vascular symmetry in Arabidopsis2023

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Motohiro、Imamura Miyu、Matsushita Katsuyoshi、Roszak Pawel、Yamashino Takafumi、Hosokawa Yoichiroh、Nakajima Keiji、Fujimoto Koichi、Miyashima Shunsuke
    • 雑誌名

      Current Biology

      巻: 33 ページ: 886~898.e8

    • DOI

      10.1016/j.cub.2023.01.036

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Microfluidic Separation and Enrichment of Escherichia coli by Size Using Viscoelastic Flows2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Tianlong、Cain Amy K.、Semenec Lucie、Liu Ling、Hosokawa Yoichiroh、Inglis David W.、Yalikun Yaxiaer、Li Ming
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 95 ページ: 2561~2569

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.2c05084

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Microsecond cell triple-sorting enabled by multiple pulse irradiation of femtosecond laser2023

    • 著者名/発表者名
      Kiya Ryota、Tang Tao、Tanaka Yo、Hosokawa Yoichiroh、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41598-022-27229-0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multi-Position Measurable Flow Velocity Sensor for Microfluidic Applications2023

    • 著者名/発表者名
      Hao Yansheng、Fang Chaoying、Yuan Yapeng、Okano Kazunori、Yasukuni Ryohei、Cheng Shaokoon、Tanaka Yo、Hosokawa Yoichiroh、Yang Yang、Li Ming、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      IEEE Sensors Journal

      巻: 23 ページ: 1072~1080

    • DOI

      10.1109/jsen.2022.3225637

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Machine learning-based impedance system for real-time recognition of antibiotic-susceptible bacteria with parallel cytometry2023

    • 著者名/発表者名
      Tang Tao、Liu Xun、Yuan Yapeng、Kiya Ryota、Zhang Tianlong、Yang Yang、Suetsugu Shiro、Yamazaki Yoichi、Ota Nobutoshi、Yamamoto Koki、Kamikubo Hironari、Tanaka Yo、Li Ming、Hosokawa Yoichiroh、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators B: Chemical

      巻: 374 ページ: 132698~132698

    • DOI

      10.1016/j.snb.2022.132698

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Parallel Impedance Cytometry for Real-Time Screening of Bacterial Single Cells from Nano- to Microscale2022

    • 著者名/発表者名
      Tang Tao、Liu Xun、Yuan Yapeng、Zhang Tianlong、Kiya Ryota、Yang Yang、Yamazaki Yoichi、Kamikubo Hironari、Tanaka Yo、Li Ming、Hosokawa Yoichiroh、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      ACS Sensors

      巻: 7 ページ: 3700~3709

    • DOI

      10.1021/acssensors.2c01351

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Identification of Single Yeast Budding Using Impedance Cytometry with a Narrow Electrode Span2022

    • 著者名/発表者名
      Liu Xun、Tang Tao、Yi Po-Wei、Yuan Yapeng、Lei Cheng、Li Ming、Tanaka Yo、Hosokawa Yoichiroh、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 22 ページ: 7743~7743

    • DOI

      10.3390/s22207743

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reverse sorting of immortalized megakaryocyte progenitor cell lines (imMKCLs) by femtosecond laser scanning2022

    • 著者名/発表者名
      Anggraini Dian、Mubarok Wildan、Hosokawa Yoichiroh、Eto Koji、Suetsugu Shiro、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 ページ: 107001~107001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac8f17

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Femtosecond laser perforation of plant cells for evaluation of cell stiffness2022

    • 著者名/発表者名
      Yamasaki Yuki、Tsugawa Satoru、Ito Kenshiro、Okano Kazunori、Hosokawa Yoichiroh
    • 雑誌名

      Applied Physics A

      巻: 128 ページ: -

    • DOI

      10.1007/s00339-022-05959-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Elastic shell theory for plant cell wall stiffness reveals contributions of cell wall elasticity and turgor pressure in AFM measurement2022

    • 著者名/発表者名
      Tsugawa Satoru、Yamasaki Yuki、Horiguchi Shota、Zhang Tianhao、Muto Takara、Nakaso Yosuke、Ito Kenshiro、Takebayashi Ryu、Okano Kazunori、Akita Eri、Yasukuni Ryohei、Demura Taku、Mimura Tetsuro、Kawaguchi Ken’ichi、Hosokawa Yoichiroh
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41598-022-16880-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Anhydrobiotic chironomid larval motion-based multi-sensing microdevice for the exploration of survivable locations2022

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Yo、Ma Doudou、Amaya Satoshi、Aishan Yusufu、Shen Yigang、Funano Shun-ichi、Tang Tao、Hosokawa Yoichiroh、Gusev Oleg、Okuda Takashi、Kikawada Takahiro、Yalikun Yaxiaer
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 25 ページ: 104639~104639

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.104639

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Trihelix transcription factors GTL1 and DF1 prevent aberrant root hair formation in an excess nutrient condition2022

    • 著者名/発表者名
      Shibata Michitaro、Favero David S.、Takebayashi Ryu、Takebayashi Arika、Kawamura Ayako、Rymen Bart、Hosokawa Yoichiroh、Sugimoto Keiko
    • 雑誌名

      New Phytologist

      巻: 235 ページ: 1426~1441

    • DOI

      10.1111/nph.18255

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Shape-based separation of drug-treated Escherichia coli using viscoelastic microfluidics2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang Tianlong、Liu Hangrui、Okano Kazunori、Tang Tao、Inoue Kazuki、Yamazaki Yoichi、Kamikubo Hironari、Cain Amy K.、Tanaka Yo、Inglis David W.、Hosokawa Yoichiroh、Yaxiaer Yalikun、Li Ming
    • 雑誌名

      Lab on a Chip

      巻: 22 ページ: 2801~2809

    • DOI

      10.1039/D2LC00339B

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental Study of Intra-Ring Anatomical Variation in Populus alba L. with Respect to Changes in Temperature and Day-Length Conditions2022

    • 著者名/発表者名
      Baba Kei’ichi、Kurita Yuko、Mimura Tetsuro
    • 雑誌名

      Forests

      巻: 13 ページ: 1151~1151

    • DOI

      10.3390/f13071151

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Biogeochemical characteristics of the Hovsgol-Ustilimsk water system in Mongolia and Russia: the effect of environmental factors on dissolved chemical components2022

    • 著者名/発表者名
      Hosoda Ko、Murata Takahiro、Mochizuki Akihito、Katano Toshiya、Tanaka Yuji、Mimura Tetsuro、Mitamura Osamu、Nakano Shin-ichi、Sugiyama Yuko、Satoh Yasuhiro、Watanabe Yasunori、Dulmaa Ayuriin、Ayushsuren Chananbaatar、Ganchimeg Darmaa、Drucker Valentin V.、Fialkov Vladimir A.、Sugiyama Masahito
    • 雑誌名

      Limnology

      巻: 23 ページ: 385~402

    • DOI

      10.1007/s10201-021-00694-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The involvement of AtMKK1 and AtMKK3 in plant-deleterious microbial volatile compounds-induced defense responses2022

    • 著者名/発表者名
      Chang Ching-Han、Wang Wu-Guei、Su Pei-Yu、Chen Yu-Shuo、Nguyen Tri-Phuong、Xu Jian、Ohme-Takagi Masaru、Mimura Tetsuro、Hou Ping-Fu、Huang Hao-Jen
    • 雑誌名

      Plant Molecular Biology

      巻: 111 ページ: 21~36

    • DOI

      10.1007/s11103-022-01308-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Imaging MS Analysis in Catharanthus roseus2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Kotaro、Takahashi Katsutoshi、O’Connor Sarah E.、Mimura Tetsuro
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology

      巻: - ページ: 33~43

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-2349-7_2

    • 査読あり
  • [学会発表] フェムト秒レーザーを駆使した顕微鏡下での細胞・生体材料の操作と評価2023

    • 著者名/発表者名
      細川陽一郎
    • 学会等名
      第1回 電気学会 調査専門委員会
    • 招待講演
  • [学会発表] Turning serendipity into planned happenstance with the closest country, Taiwan2023

    • 著者名/発表者名
      Yoichiroh Hosokawa
    • 学会等名
      奈良先端科学技術大学院大学 Taiwan Interdisciplinary Nano/Bio in Kansai
    • 招待講演
  • [学会発表] Short impression about educational and research situation of basic plant biology in NCKU and Academia Sinica at Tainan2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuro Mimura
    • 学会等名
      奈良先端科学技術大学院大学 Taiwan Interdisciplinary Nano/Bio in Kansai
    • 招待講演
  • [学会発表] 薬用植物ニチニチソウは、なぜ・どうやって薬を作るのか2023

    • 著者名/発表者名
      三村徹郎
    • 学会等名
      [大隅基礎科学創成財団]第6期第5回(2/10)創発セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] リンと生命2022

    • 著者名/発表者名
      三村徹郎
    • 学会等名
      第3回宇宙と生命の勉強会
    • 招待講演
  • [学会発表] Evolution of Phosphate Transporters and History of Phosphorus Transport Research2022

    • 著者名/発表者名
      Tetsuro Mimura
    • 学会等名
      日本植物学会第86会大会 JPR international symposium
    • 招待講演
  • [学会発表] リンと生命22022

    • 著者名/発表者名
      三村徹郎
    • 学会等名
      第4回宇宙と生命の勉強会
    • 招待講演
  • [学会発表] Cell-specific analysis of specialized metabolism in medicinal plants2022

    • 著者名/発表者名
      Tetsuro Mimura
    • 学会等名
      Invited lecture 台湾國立中山大生物科學系
    • 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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