非平衡・多分散な細胞内部における混み合いガラス的挙動の解明

阐明非平衡和多分散细胞内拥挤的玻璃状行为

• 批准号: 15J04464
• 负责人: 西澤 賢治
• 金额: $ 2.18万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J04464/
• 关键词: レオロジー; 非平衡; ガラス; 細胞内力学; 非平衡状態; 混み合い状態

私は細胞内の力学特性を決定する要因を明らかにすることを目指し、「高分子混み合いによる混み合いガラス的な挙動」と「力学的非平衡状態にある細胞内部の非熱的な駆動力の影響」に着目し実験的な研究を遂行した。本研究では、マイクロメートルサイズの粒子をプローブとして、レーザーを用いたマイクロレオロジー法を用いて力学特性を測定した。生きた細胞内部にプローブを撃ち込み、その揺らぎや応答を測定することで、細胞の内部の力学特性の測定を可能にした。細胞内部では力学駆動による激しい揺らぎが生じているため、粒子位置の正確な長時間計測や、激しく揺らぐ粒子に任意の外力を加えて応答を計測することは困難であった。細胞内部の性質を計測できないことは、細胞の振る舞いに不明な点が多く残る一つの原因となっている。我々は、生きた細胞の中に小さな粒子を撃ち込み、Feedback制御を用いて細胞質流動に伴う激しい粒子の動きに時々刻々追随することで、細胞内部の粒子の位置を常にナノメートル以下の精度で検出できるFeedbackマイクロレオロジー測定システムを開発した [Nishizawa 2017 Science advances]。細胞内部は様々な高分子や器官・コロイドでとても混み合っており、またモータータンパク質が生み出す力や代謝によって駆動された力学的に非平衡な状態にある。そのため、マイクロスケールで力学駆動された混み合い状態にある「生き物」のレオロジーは単純な「もの」とは異なっており、未だそのレオロジーが決定される物理的機構・要因に関しては不明な点が多い。本研究では、混み合いの影響と力学駆動の影響を調整した試料を作成し、そのレオロジーを比較検討することで、これら混み合い効果・力学駆動が細胞内部の非平衡なレオロジーに与える影響を明らかにした [Nishizawa 2017 Scientific reports]。

我的目的是阐明确定细胞机械性能的因素，并进行了实验研究，重点是“聚合物充血引起的充血的玻璃样行为”和“在机械非平衡状态下细胞内部非热驱动力的影响”。在这项研究中，使用基于激光的微型流变方法测量了机械性能，使用微米大小的颗粒作为探针。通过向活细胞发射探针并测量其波动和反应，可以测量细胞的内部机械性能。由于由于机械驱动而发生了强烈的波动，因此很难长期准确测量粒子位置，或通过将任何外力施加到剧烈摇动的颗粒中来测量响应。无法测量细胞内部的性质是细胞行为中许多未知数保留的原因之一。我们已经开发了一个反馈微流变测量系统，该系统始终可以通过将小颗粒发射到活细胞中，并使用反馈控制来检测具有亚纳米精度的颗粒的位置，并使用反馈控制偶尔跟随与细胞质流动相关的颗粒的强烈运动[Nishizawa 2017 Science Advances]。细胞的内部非常拥挤，有多种大分子，器官和胶体，也处于由运动蛋白产生的力和代谢驱动的动态非平衡状态。因此，以机械驱动的，微观动力学驱动的状态的“生物”的流变与简单的“事物”不同，并且关于决定其流变学的物理机制和因素，仍然存在许多未知数。在这项研究中，制备了调整为人拥挤和动态驱动的影响的样品，并通过比较这些样本的流变学，揭示了这些拥挤效应和动态驱动对细胞中非平衡性风湿病的影响[Nishizawa 2017 Scientific Reports]。

项目成果

Microrheology study of crowding and glassy like behavior in cells

细胞拥挤和玻璃状行为的微流变学研究

• 发表时间: 2015
• 作者: K. Nishizawa (Kyushu Univ.);K. Fujiwara (Keio Univ.);N. Nakajo (Kyushu Univ.);M. Yanagisawa (Tokyo Univ. of Agri. and Tech.);D. Mizuno (Kyushu Univ.)
• 通讯作者: D. Mizuno (Kyushu Univ.)

細胞内部の混み合いガラス状態と非熱的な力学駆動

细胞内拥挤的玻璃态和非热机械驱动

• 发表时间: 2016
• 作者: 西澤賢治;水野大介
• 通讯作者: 水野大介

生細胞と死細胞の粘弾性 力駆動された細胞内部の混み合い状態

活细胞和死细胞的粘弹性：细胞内力驱动的拥挤

• 发表时间: 2017
• 作者: 西澤賢治;水野大介
• 通讯作者: 水野大介

Athermal driven glass like behavior in living cytoplasm

活细胞质中的非热驱动玻璃样行为

• 发表时间: 2017
• 作者: H. Kawagoe;M. Yamanaka;S. Makita;Y. Yasuno;and N. Nishizawa;西澤賢治;川越 寛之，山中 真仁，巻田 修一，安野 嘉晃，西澤 典彦;西澤賢治;西澤賢治
• 通讯作者: 西澤賢治

生細胞内部のマイクロレオロジー・計測

活细胞内的微观流变学和测量

• 发表时间: 2016
• 作者: 西澤賢治;水野大介
• 通讯作者: 水野大介