Super-resolution fluorescence lifetime imaging for analysis of mitochondrial membrane potentials at the cristae level

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K19108
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Taki Masayasu 名古屋大学, 物質科学国際研究センター(WPI), 特任准教授 (70378850)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: ミトコンドリア / 蛍光プローブ / 生体膜特性 / 蛍光寿命イメージング / 脂質過酸化

Outline of Final Research Achievements

We have developed an environment-responsive, super-photostable mitochondrial inner membrane labeling agent to visualize and quantify mitochondrial membrane potential at the single-cristae level. We found that the probe exhibits different fluorescence lifetimes depending on the polar environment of the mitochondrial membrane, and that membrane properties are heterogeneous even within a single mitochondrion. This heterogeneity is potentially attributable to the ratio of saturated to unsaturated lipids. Upon disruption of the mitochondrial membrane potential by a decoupling agent, a significant reduction in membrane fluidity was observed. Changes in membrane potential lead to alterations in lipid properties, which subsequently induce abnormalities in inner-membrane morphology and functions.

Free Research Field

ケミカルバイオロジー

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

独自の蛍光プローブを開発することにより，これまで計測が困難であったミトコンドリア内膜特性を評価できるようになった．ミトコンドリア膜特性は同一細胞内においても不均一であることを示した意義は大きい．膜特性と膜電位の相関性を検証することにより，細胞の生命維持活動機構について新たな知見が得られるであろう．ミトコンドリアの形態と機能は，様々な疾病と密接に関連している．本手法は遺伝子組換えを必要としないことから，ヒト細胞に対しても直接応用することでき，病態解明や病理診断にむけたツールとしての利用が期待される．