2018 Fiscal Year Annual Research Report
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18J01280
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
高野 壮太朗 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 表現型ばらつき / ライブセルイメージング / 飢餓応答 / １細胞解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の１細胞解析技術の進展によって、同一の遺伝情報からなる集団であっても、個々の細胞が持つ機能や特性には違いが見られることが明らかとなった。こうした細胞ごとに生じる“表現型ばらつき”によって、性質の異なる小集団が生み出され、劇的な環境変化に対する適応を促すことが明らかにされつつある。一方で、こうしたばらつきがいつ、どのようにして生み出されているのか、どの程度のばらつきが集団の生存や適応に有利に働くかについては未解明な点が数多く存在する。
本研究課題では、大腸菌の飢餓応答をモデルとして、性質の異なる小集団が生み出されるメカニズムとその生態学的意義を、１細胞レベルでの定量的な解析によって解き明かすことを目標としている。
表現型ばらつきが生み出される過程の理解には、遺伝子発現や増殖速度といった細胞の生存に関わるパラメーターを細胞ごとに経時的に観察し、それらのばらつきを数世代にわたって定量可能な系の構築が必要となる。そこで、採用第一年度目では 、富栄養から飢餓への環境変化に伴う細胞集団のばらつきの時系列変化を長期間観察可能なライブセルイメージングシステムの構築に取り組んだ。
個々の細胞の生理状態の指標として、細胞の伸長速度、細胞内部のタンパク質濃度、ストレス耐性に関わる転写因子濃度に着目し、それらを定量可能な蛍光レポーター株を作製した。また、栄養条件を自在に変化させながら細胞を安定的に観察するために、マイクロデバイスとタイムラプス顕微鏡を組み合わせた１細胞観察系の構築を行った。作製した株と観察系を用いた実験により、飢餓環境中での細菌１個体ごとの生理状態変化を生きたまま定量することが可能となり、集団内部の不均一性を従来にない解像度と時間スケールで捉えることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
採用第一年度目では、個々の細胞の生理状態のばらつきを操作・定量可能な実験系の構築を当初の目標としており、実際に大腸菌細胞の飢餓応答や増殖の特性を蛍光輝度を指標に１細胞レベルで測定可能なレポーター株の作製に成功した。それだけに留まらず、採用第二年度目に計画していたマイクロデバイスを用いた一細胞観察系の構築と観察条件の検討についても順調に進んでおり、表現型ばらつき出現過程の理解に向けて必要となる観察結果を得ることが出来つつある。
上記の理由から、本年度は当初計画していた以上の進捗が見られたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究により、バクテリアの増殖や飢餓応答を数世代にわたって観察可能な系を構築することができた。次年度以降は本年度構築した１細胞観察系によって得られたデータを基に、集団内部の不均一性の発展過程を１細胞レベルの解像度で統計的に解析し、細胞ごとのばらつきの出現過程と集団全体への波及効果を統一的に理解可能なモデルの構築を行う予定である。
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