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2021 年度 実績報告書

表皮が分泌する動物性繊維によるハウスの3D建設

計画研究

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
キーワードオタマボヤ / ハウス / セルロース繊維 / CesA
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、海水中のプランクトンを濾し取って食べるための網目や流路(ダクト)が規則正しく配置された、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、折りたたんだ状態でまとっており、外側の一枚を膨らませて使用する。代表者は予備実験をもとに、ハウスは「繊維状の素材」の組み合わせ、すなわち編み物(織物)とみなせると作業仮説を立てて研究を開始した。以下、結果の概要を述べる。
(1) 作業仮説が正しいこと、すなわち、ハウスは表皮の真上で建設されることを示した。細胞の張力にかかわるアクチンの重合阻害を行った個体は、阻害以前から持っていたスペアの折りたたみを展開して機能的なハウスを作るが、その後は奇形のハウスをつくるようになる。これは、折りたたみの中にハウスの三次元構造が内包されている証拠といえる。
(2) ハウスの三次元構造についての数理シミュレーションを行うため、X線マイクロCTによる三次元画像データの取得を試みた。ハウスは柔らかく、固定すると崩れやすいことや、電子密度が低くCTが困難などの問題があったが、固定法や重金属染色の検討によりこれらの問題を改善し、CT画像の取得に成功した(計画班・近藤グループとの連係による)。
(3) 固定サンプルから、折りたたまれたハウスを1枚ずつ単離する技術を確立した。
(4) 網目形成のしくみを調べるため、所属機関でもちいている鹿児島沿岸のオタマボヤからセルロース合成酵素 (CesA2)のcDNA部分配列を決定した。その塩基配列・アミノ酸配列は、異なる地域のオタマボヤから構築したゲノムデータベースのそれとほぼ同一であることを確認した。この予測アミノ酸配列をもとにCesA2の抗血清を作成した(抗血清の作成は、城西大学の佐野博士のご協力による)。

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

本研究のおもな計画は、ハウス形成をものづくりの視点からとらえ、(1) セルロース繊維の形成(一次元、ナノレベル)、(2) 網目の形成 (二次元の布状構造、マイクロレベル)、(3)ハウスの三次元構造の理解(ミリレベル)、それぞれのスケールから調べることにある。
代表者は2021年4月より、鹿児島大学へ異動し、新しい研究室を立ち上げた。このため本年度は、オタマボヤの採取場所、飼育方法、実験系のすべてを1から立ち上げ直す必要があったが、幸いこの状況においても上記3つすべてについて進捗が得られた。(1)(2)については、セルロース合成酵素cDNAの取得や抗血清の作成が進み、表皮上での発現を解析する準備が整った。また「体に2-3枚まとっている折りたたまれたハウスと、表皮上で新たに作られるハウスを峻別することができる実験系」を新たに開発したことで、アクチンの重合が網目形成やダクトの形成にかかわることが分かった。これは、他の制御因子の役割を検討する上でも重要な方法となる。さらに(3)についても、ハウスが固定後に変形しやすいという問題を改善する方法を見出し、マイクロX線CTによる画像取得にこぎつけることができた。
以上から、概ね順調に進展していると判断する。オタマボヤのハウス形成は、非常に複雑な形態形成ということもあり、開始時には予想しなかった問題点がいくつも浮上しているが、幸い現在のところ、領域内での議論や、これまでに開発してきた実験系に新しい工夫を施すことで、いずれも解決の糸口がつかめている。今後、さらに理解が進んでいくだろう。

今後の研究の推進方策

実験については、ほぼ計画どおりに実施できている。今後、セルロース合成酵素の発現や、表皮上でおきている網目形成についての理解を進めていく。
今後、より注力したい内容として、ハウスの三次元構造の理解があげられる。具体的には「折りたたみ」と「完成したハウス」を対応づけることで、その展開についての力学計算を実施する(計画班、井上グループとの連係)。まずは、昨年度に取得したハウスや折りたたみ構造のX線CTデータをもとに打ち合わせを行い、数理計算の実施に必要となる実験データについて理解する。これをもとに、サンプルの作成方法の改善や、より精度の高い三次元画像の取得を試みる。

備考

学部HPにおける成果の公開と、所属大学における研究シーズの公開

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 3件) 備考 (2件)

  • [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 TA and Nishida H
    • 雑誌名

      Development Growth and Differentiation

      巻: 64 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] Germline development during embryogenesis of the larvacean, Oikopleura dioica.2022

    • 著者名/発表者名
      Nishida H*, Matsuo M, Kounishi S, Ohno N, Manni L, Nishino A and Onuma TA
    • 雑誌名

      Developmental 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] 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-Marin H, Diaz-Gracia M, Onuma TA, Hiroki Nishida H, Albalat R* and Canestro C*
    • 雑誌名

      Frontiers in Cell and Developmental Biology.

      巻: 9 ページ: 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 ページ: e0006.

  • [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
  • [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

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公開日: 2022-12-28  

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