生物・細胞の3次元熱動態イメージング

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02586
• 研究機関: 基礎生物学研究所
• 研究代表者: 亀井 保博 基礎生物学研究所, 超階層生物学センター, RMC教授 (70372563)
• 研究分担者: 野中 茂紀 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, 准教授 (90435529)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 熱ショック応答 / HSF / 赤外レーザー / イメージング / 温度計測 / 単一細胞 / biothermology

研究実績の概要

生命科学で扱いが曖昧な物理量として「温度（熱）」がある。この温度が具体的に生命にとってどういうものであるかを理解するために、細胞内での熱の振舞いをイメージングによって捉えることで理解を進めてきた。具体的には、細胞内にある生体物質の熱伝導率を知ることが目的であり、本研究では赤外レーザーを用いて細胞内局所の加熱を行い、その摂動による熱拡散をイメージング技術で捕捉した。熱拡散は速いため、イメージングにも高速性が要求される。そこで、高速性が利点であるライトシート顕微鏡技術を応用し、蛍光タンパク質を利用した温度計測技術と融合させた新規の高速温度イメージング顕微鏡を構築して達成を目指した。最終的には、高速レシオメトリック温度計測顕微鏡光学系に、赤外レーザー光学系を追加した顕微鏡の構築を完了し、協力者である永井教授（大阪大学）との共同研究を進めていた新規温度計測用蛍光タンパク質プローブを発現する培養細胞系統を使って加温実験を行い、熱伝導に関して解析を行い、細胞質の熱伝導率計測を行い、論文として公表した（Lu et al. Nano Letters 2022）。また、赤外レーザー照射による遺伝子発現効率と、照射パワー、照射時間、標的となる細胞の大きさとの関連を詳細に解析した（Tomoi et al. Front. Plant Biol. 2023）。このデータを基にして細胞体積から熱容量を推定し、細胞の温度上昇とその後の熱拡散のシミュレーションにより、直接計測（Lu et al.）と、間接的な計測（Tomoi et al.）との比較による細胞とその外側への熱拡散予測を行うための基礎データとしたい。

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

• [国際共同研究] Texas University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Texas University
• [雑誌論文] Targeted single-cell gene induction by optimizing the dually regulated CRE/loxP system by a newly defined heat-shock promoter and the steroid hormone in Arabidopsis thaliana (2023)
  • 著者名/発表者名: Takumi Tomoi, Toshiaki Tameshige, Eriko Betsuyaku, Saki Hamada, Joe Sakamoto, Naoyuki Uchida, Keiko U Torii, Kentaro K Shimizu, Yosuke Tamada, Hiroko Urawa, Kiyotaka Okada, Hiroo Fukuda, Kiyoshi Tatematsu, Yasuhiro Kamei, Shigeyuki Betsuyaku
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1171531
  • 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 Nanothermometer (2022)
  • 著者名/発表者名: Lu Kai、Wazawa Tetsuichi、Sakamoto Joe、Vu Cong Quang、Nakano Masahiro、Kamei Yasuhiro、Nagai Takeharu
  • 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
• [雑誌論文] The pentameric hydrocoel lobes organize adult pentameral structures in a sea cucumber, Apostichopus japonicus (2022)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Sumio、Nagai Akiko、Kikuchi Mani、Omori Akihito、Tajika Atsushi、Saito Mieko、Miura Toru、Irie Naoki、Kamei Yasuhiro、Kondo Mariko
  • 雑誌名: Developmental Biology 巻: 492 ページ: 71～78
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2022.09.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mosaic gene expression analysis of semaphorin plexin interactions in Caenorhabditis elegans using the IR‐LEGO single‐cell gene induction system (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Motoshi、Nukazuka Akira、Kamei Yasuhiro、Yuba Shunsuke、Oda Yoichi、Takagi Shin
  • 雑誌名: Development, Growth & Differentiation 巻: 64 ページ: 230～242
  • DOI: 10.1111/dgd.12793
  • 査読あり
• [学会発表] An introduction to infrared laser mediated single-cell gene induction method in vivo, and an application of the same system for a new biological field, biothermology. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Kamei
  • 学会等名: TTBA Webinar (Texas University)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/nibb.ac.jp/bio-imaging/kamei-lab