膜内電界制御と機械学習の融合に基づく人工細胞膜機能評価システムの創出

基于膜内电场控制与机器学习融合的人工细胞膜功能评估系统的创建

• 批准号: 22KJ0260
• 负责人: 佐藤 まどか
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0260/
• 关键词: イオンチャネル

本研究では、膜タンパク質のイオンチャネルを対象とした新規な機能評価システムを、計測技術および解析技術の２つの観点から構築することを目的としている。2022年度は、解析技術の方で大きく進展したので、以下にその概要を述べる。イオンチャネルは、細胞膜におけるイオンの流出入を制御する膜タンパク質である。イオンチャネルが開口した際に生じるイオン流は電流（イオンチャネル電流）として記録することができ、さらにチャネル電流の解析によってイオンチャネルの開閉キネティクスを推定することができる。計測ノイズを含む単一チャネル電流をイオンチャネルの開状態と閉状態に対応する2つの離散的なレベルに分類するプロセスは”idealization”と呼ばれ、イオンチャネルの機能解析に欠かせない。このチャネル電流解析が種々のイオンチャネルの機能理解に役立ってきた一方で、これまでに提案されてきた解析手法は、イオンチャネルの開閉を確率モデルで表すgating schemeやノイズ除去のためのフィルター強度などのパラメータをあらかじめ設定する必要があり、解析精度はそれらのユーザが事前入力するパラメータに大きく依存してしまうという問題を抱えていた。そこで、本年度は事前のユーザ入力なしにidealization可能な適応的解析手法を創出した。擬似的に生成したイオンチャネル電流波形を対象に、上記手法及びidealization法のgold-standardとされる50%-threshold-crossing法を用いて平均開時間を算出して理論値と比較した結果、約80%のモデル電流データにおいて本手法による解析結果が優れていることが明らかとなった。上記の成果については現在peer review journalに投稿中である。

这项研究旨在构建一种新型的功能评估系统，该系统针对膜蛋白的离子通道从两个角度：测量和分析技术。在2022财年，在分析技术方面取得了重大进展，因此大纲如下。离子通道是控制细胞膜中离子流入和流出的膜蛋白。当离子通道打开时发生的离子电流可以记录为电流（离子通道电流），并且可以通过分析通道电流来估算离子通道的开放和闭合动力学。将包含测量噪声的单个通道电流分类为对应于离子通道的开放状态和封闭状态的两个离散级别的过程称为“理想化”，对于离子通道的功能分析至关重要。尽管此通道电流分析有助于我们了解各种离子通道的功能，但到目前为止提出的分析方法遇到了一个问题，即使用概率模型和去除噪声降噪强度来代表离子通道开放和关闭的参数，并且必须预先设置降噪强度，并且分析准确性在很大程度上取决于这些用户预先输入的参数。因此，今年我们创建了一种自适应分析方法，该方法允许无需事先用户输入而进行理想化。使用上述方法计算了平均开放时间，而金标准的50％阈值跨越了离子通道电流波形的方法，并与理论值进行了比较，发现使用该方法的分析结果非常适合大约80％模型当前数据。以上结果目前已发布在同行评审杂志上。

项目成果

Development of a novel planar lipid bilayer system that enables application of a lateral voltage as a new input for the functional analysis of ion channels

开发一种新型平面脂质双层系统，能够应用横向电压作为离子通道功能分析的新输入

• 发表时间: 2022
• 作者: Madoka Sato;Maki Komiya;Kensaku Kanomata;Teng Ma;Daisuke Tadaki;Fumihiko Hirose;Ayumi Hirano-Iwata
• 通讯作者: Ayumi Hirano-Iwata

単一イオンチャネル電流データに対する適応的自動解析システムの開発

单离子通道电流数据自适应自动分析系统的开发

• 发表时间: 2023
• 作者: 佐藤まどか;張山昌論;小宮麻希;平野愛弓
• 通讯作者: 平野愛弓

Fabrication of a novel Teflon film that enables the application of the lateral voltage as a new input for the functional analysis of ion channels based on planar lipid bilayers

新型聚四氟乙烯薄膜的制造，能够应用横向电压作为基于平面脂质双层的离子通道功能分析的新输入

• 发表时间: 2022
• 作者: Madoka Sato;Maki Komiya;Kensaku Kanomata;Teng Ma;Daisuke Tadaki;Fumihiko Hirose;Ayumi Hirano-Iwata
• 通讯作者: Ayumi Hirano-Iwata