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2022 年度 実績報告書

生きた細胞や組織における散乱・揺らぎ計測と制御

計画研究

研究領域散乱・揺らぎ場の包括的理解と透視の科学
研究課題/領域番号 20H05891
研究機関宇都宮大学

研究代表者

玉田 洋介  宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)

研究分担者 松田 厚志  国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 主任研究員 (20585723)
坂本 丞  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, 特任研究員 (80804145)
平野 泰弘  大阪大学, 大学院生命機能研究科, 特任講師(常勤) (10508641)
研究期間 (年度) 2020-11-19 – 2025-03-31
キーワード生細胞・組織 / 散乱 / 揺らぎ / 蛍光イメージング / 透視
研究実績の概要

早野計画研究の服部 雅之博士(国立天文台)、および三浦 則明博士(北見工業大学)との共同研究によって、点光源がなくても光の乱れを計測できる画像相関による波面計測法を、補償光学を用いた生細胞イメージングに高精度に適用する研究を継続した。さらに、画像相関による波面計測法を用いて生物の明視野像から光の乱れを計測する際に必要となる明瞭なコントラストを得るための適応的な光学系を用いて実際に生きた植物(ヒメツリガネゴケ)細胞の計測を行った。また、どのような生体物質が細胞内の光の擾乱に寄与するかを解明することを目標として、公募研究の渡部、計画研究の的場と強度輸送方程式について理論的な改変を行い論文として発表した。さらに、強度輸送方程式により測定した物体面の位相分布から瞳面の位相分布の導出を試み、導出した波面を用いて全視野顕微鏡における補償光学が実施可能かシミュレーションを行ったところ、光の乱れが補正され改善された像が得られた。
遺伝子操作によって散乱・揺らぎの小さい生物を作出する研究について、生きた植物細胞では葉緑体が散乱・揺らぎの主な原因であることを明らかにしており、クロロフィルなど油性の色素による高屈折率が光を乱す原因であると考えられた。これまでに作出した葉緑体の配置が変化する変異株や葉緑体における油性色素の量が低下するヒメツリガネゴケ変異株に加えて、薬剤に応答してクロロフィル分解酵素の発現が上昇する株などの新しい株の作出が進行中である。

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

生きた細胞や組織における光の乱れの計測と補正、遺伝子操作によって散乱の少ない生物を作出する研究について、おおむね順調に進展している。強度輸送方程式の理論的な改変や、強度輸送方程式から得られた位相情報をもとに光の乱れを補正するシミュレーションに成功するなど新しい成果も得られている。これらのことから、現在までの進捗状況を「(2) おおむね順調に進展している」とした。

今後の研究の推進方策

生きた植物(ヒメツリガネゴケ)、動物(ミナミメダカ)、繊毛をもつ微生物(テトラヒメナ)、繊毛を持たない微生物(分裂酵母)における光の散乱・揺らぎを計測する研究と、それらを克服して生きた生物深部をイメージングする研究を継続する。的場・粟辻・渡邉計画研究との共同研究のもと、ホログラフィーや強度輸送方程式による光の散乱・揺らぎの計測と、光伝搬の直接可視化のための実験を進める。渡部、的場とともに理論的な改変を行い発表した強度輸送方程式を、これまでに遺伝子改変した生物試料へ適応し、どのような生体物質が細胞内の光の擾乱に寄与するかの検討を行う。また、公募研究との共同研究のもと、生きた生物における散乱・揺らぎを計測する研究を行う。以上の研究をもとに、的場・早野計画研究との共同研究のもと、散乱・揺らぎを打ち消す光波の入射や高精度補償光学の研究を進める。画像相関による波面計測法を、補償光学を用いた生細胞イメージングに高精度に適用する研究を継続する。また画像相関とは別の波面計測法として、強度輸送方程式により測定した物体面の位相分布から瞳面の位相分布を導出する方法を補償光学に応用する。そして、全視野顕微鏡において人工的に収差を付与した蛍光ビーズサンプル、または生物試料に対して光の乱れの補正と像の改善を行う。
上記に加えて、生きた動植物組織深部や微生物内部における散乱・揺らぎの解析のため、また透視の標的として、細胞核や染色質構造などを蛍光標識した生物の作出を継続する。また、遺伝子操作によって散乱・揺らぎの小さい生物を作出する研究について、昨年度までに作出した株に加え、薬剤に応答してクロロフィル分解酵素の発現が上昇する株などを作出する。これらの株についてホログラフィーや強度輸送方程式、位相差顕微鏡法、点像分布解析などを駆使して光の散乱・揺らぎを計測し、光学特性の改善を詳細に解明する研究を進める。

備考

1, 平野泰弘ら、Hokkaido Summer Institute 2022、2022年8月29日-9月2日
2, 亀井保博、坂本丞ら、Optical Microscopy Principle Training Course 2022、2022年12月19-21日

  • 研究成果

    (33件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件) 図書 (1件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] LMU Munich(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      LMU Munich
  • [雑誌論文] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule2023

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa M, Fujiwara A, Kosetsu K, Horiuchi Y, Kamamoto N, Umakawa N, Tamada Y, Zhang L, Matsushita K, Palfalvi G, Nishiyama T, Kitasaki S, Masuda Y, Shiroza Y, Kitagawa M, Nakamura T, Cui H, Hiwatashi Y, Kabeya Y, Shigenobu S, Aoyama T, Kato K, Murata T, Fujimoto K, Benfey PN, Hasebe M, Kofuji R
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      巻: 120 ページ: e2210632120

    • DOI

      10.1073/pnas.2210632120

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Inner nuclear membrane proteins Lem2 and Bqt4 interact with different lipid synthesis enzymes in fission yeast2023

    • 著者名/発表者名
      Hirano Y, Kinugasa Y, Kubota Y, Obuse C, Haraguchi T, Hiraoka Y
    • 雑誌名

      The Journal of Biochemistry

      巻: In press ページ: -

    • DOI

      10.1093/jb/mvad017

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 補償光学を用いた植物生細胞の深部イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介, 初見洲人, 三浦則明, 服部雅之
    • 雑誌名

      Microoptics News

      巻: 41 ページ: 11-16

  • [雑誌論文] The inner nuclear membrane protein Lem2 coordinates RNA degradation at the nuclear periphery2022

    • 著者名/発表者名
      Martin Caballero L, Capella M, Barrales RR, Dobrev N, van Emden T, Hirano Y, Suma Sreechakram VN, Fischer-Burkart S, Kinugasa Y, Nevers A, Rougemaile M, Sinnig I, Fischer T, Hiraoka Y, Braun S
    • 雑誌名

      Nature Structural & Molecular Biology

      巻: 29 ページ: 910-921

    • DOI

      10.1038/s41594-022-00831-6

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Fission yeast Ish1 and Les1 interact with each other in the lumen of the nuclear envelope2022

    • 著者名/発表者名
      Asakawa H, Hirano Y, Shindo T, Haraguchi T, Hiraoka Y
    • 雑誌名

      Genes to Cells

      巻: 27 ページ: 643-656

    • DOI

      10.1111/gtc.12981

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] ATP levels influence cell movement during the mound phase in Dictyostelium discoideum as revealed by ATP visualization and simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Hiraoka H, Wang J, Nakano T, Hirano Y, Yamazaki S, Hiraoka Y, Haraguchi T
    • 雑誌名

      FEBS Open Bio

      巻: 12 ページ: 2042-2056

    • DOI

      10.1002/2211-5463.13480

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Temperature elevation detection in migrating cells2022

    • 著者名/発表者名
      Nakamura T, Sakamoto J, Okabe K, Taniguchi A, Yamada T, Nonaka S, Kamei Y, Funahashi A, Tominaga M, Hiroi FN
    • 雑誌名

      Optics Continuum

      巻: 1 ページ: 1085-1097

    • DOI

      10.1364/OPTCON.453885

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Lattice-patterned collagen fibers and their dynamics in axolotl skin regeneration2022

    • 著者名/発表者名
      Kashimoto R, Furukawa S, Yamamoto S, Kamei Y, Sakamoto J, Nonaka S, Watanabe T.M, Sakamoto T, Sakamoto H, Satoh A
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 25 ページ: 104524-104524

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.104524

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Intracellular Heat Transfer and Thermal Property Revealed by Kilohertz Temperature Imaging with a Genetically Encoded Nanothermometer2022

    • 著者名/発表者名
      Lu K, Wazawa T, Sakamoto J, Vu CQ, Nakano M, Kamei Y, Nagai T
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 22 ページ: 5698-5707

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c00608

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 補償光学を用いた植物生細胞の深部イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      玉田 洋介, 初見 洲人, 三浦 則明, 服部 雅之
    • 学会等名
      第166回微小光学研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 液胞膜の流動性がヒメツリガネゴケ栄養組織の発生に果たす役割の解明2023

    • 著者名/発表者名
      中村真菜, 山本冬美, 梶川育見, 玉田洋介
    • 学会等名
      第64回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] カロテノイド生合成経路遺伝子の破壊によるヒメツリガネゴケの赤外光誘導遺伝子操作法構築に向けた研究2023

    • 著者名/発表者名
      沼田千鶴,中村真菜,友井拓実,吉田優佳,梶川育見, 坂本丞,亀井保博, 玉田洋介
    • 学会等名
      第64回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 高速レシオメトリック温度イメージングによる生細胞の熱物性解析2023

    • 著者名/発表者名
      坂本丞
    • 学会等名
      日本分光学会生細胞分光部会オンライン研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Image Scanning Microscopyの光学理論的理解と深度方向分解能の向上の可能性2023

    • 著者名/発表者名
      松尾大和、近重裕次、松田厚志
    • 学会等名
      第14回イメージング若手の会 光塾
  • [学会発表] SI-Thru-散乱・揺らぎ場のイメージング技術と応用の新展開2022

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介
    • 学会等名
      OPICセミナー「新ビジネス展開の鍵が潜む世界の先端光技術」
    • 招待講演
  • [学会発表] 生きた植物細胞における光波の揺らぎと深部3次元イメージング2022

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介
    • 学会等名
      第31回日本バイオイメージング学会学術集会
    • 招待講演
  • [学会発表] DNA Topoisomerase 1-mediated synchronous chromatin condensation during spermatogenesis2022

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Tamada, Nan Gu
    • 学会等名
      The 45th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Measurement and control of optical disturbance in living cells and tissues2022

    • 著者名/発表者名
      Shuto Hatsumi, Mana Nakamura, Chizuru Numata, Takeshi Kurokura, Yutaka Kodama, Yasuhiro Kamei, Hirotsugu Yamamoto, Yutaka Hayano, Masayuki Hattori, Yosuke Tamada
    • 学会等名
      First International Conference on Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy (SI-Thru2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Chloroplasts as the guide stars; possibility for the use of absorbing contrast with scene-based adaptive optics microscope2022

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Hattori, Yosuke Tamada, Noriaki Miura
    • 学会等名
      First International Conference on Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy (SI-Thru2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] 3D image analysis of spermatid nuclei to understand the mechanism of the sperm formation in a land plant2022

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Tamada, Nan Gu
    • 学会等名
      Biomedical Imaging and Sensing Conference 2022 (BISC2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] 光を用いたヒメツリガネゴケのゲノム操作法の確立に向けたカロテノイド生合成経路遺伝子の機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      沼田千鶴,中村真菜,友井拓実,吉田優佳,坂本丞,亀井保博,玉田洋介
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
  • [学会発表] 光渦を利用した波面センサの開発:傾斜波面の観測2022

    • 著者名/発表者名
      須藤星路,村上尚史,大平泰広,服部雅之,西川淳,玉田洋介,稲垣滋,早野裕
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2022
  • [学会発表] 赤外レーザー照射による局所加熱を利用した植物細胞における遺伝子発現誘導法2022

    • 著者名/発表者名
      友井拓実,爲重才覚,吉田優佳,坂本丞,立松圭,別役重之,玉田洋介,亀井保博
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2022
  • [学会発表] エクスパンジョン顕微鏡により明らかとなったセントロメアーキネトコア構造2022

    • 著者名/発表者名
      平野泰弘、鈴木應志、平岡泰、深川竜郎
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会
  • [学会発表] Centromere-kinetochore structures revealed by 12x modified expansion microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Hirano, Aussie Suzuki, Yasushi Hiraoka, Tatsuo Fukagawa
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会
  • [学会発表] 分裂酵母核膜タンパク質Bqt4の新規脂質結合領域の役割2022

    • 著者名/発表者名
      平野泰弘、佐藤つきの、三浦彩音、樺山一哉、原口徳子、平岡泰
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会
  • [学会発表] 分裂酵母セラミド合成酵素ホモログTlc4は小胞体-ゴルジ体間の移行を介して核膜恒常性を維持する2022

    • 著者名/発表者名
      平野泰弘、大野雄介、木原章雄、原口徳子、平岡泰
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会
  • [図書] "Organelles: Structure and function - Nuclear Organization (Nuclear Structure and Dynamics)" Reference Module in Life Sciences (Encyclopedia of Cell Biology, 2nd Edition), volume 22022

    • 著者名/発表者名
      Asakawa H, Hirano Y, Haraguchi T
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      Elsevier
  • [備考] 平野泰弘ら、第14回光塾、2023年1月18-19日

    • URL

      http://hikarijuku.xyz/

  • [備考] 平野泰弘、松田厚志ら、第33回細胞生物学ワークショップ、2022年8月1-5日

    • URL

      https://www.fbs.osaka-u.ac.jp/ja/eventinfo/detail/448

  • [産業財産権] 顕微鏡画像補正方法及び顕微鏡画像補正プログラム2022

    • 発明者名
      松田厚志・根本知己・大友康平・高橋泰伽
    • 権利者名
      情報通信研究機構・自然科学研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2022-132546
  • [学会・シンポジウム開催] International Symposium on Comprehensive Understanding of Scattering and Fluctuated Fields and Science of Clairvoyance2022

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公開日: 2023-12-25  

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