Comprehensive understanding of the micro- and macroscopic relation of cells by Raman spectroscopy

通过拉曼光谱全面了解细胞的微观和宏观关系

• 批准号: 19J22448
• 负责人: 亀井 健一郎
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J22448/
• 关键词: 連動性・量比; homeostatic core; 増殖・応答; 低次元; オミクス; ラマン分光; グラフ理論; 線形; プロテオーム; 量比; 細胞状態; 細胞の状態; トランスクリプトーム; メタボローム; 増殖曲線; 機械学習

本年度は（１）構成要素の連動性ないし量比保存の観点から細胞システムを捉えることの生物学的重要性、そして（２）複雑なラマンスペクトルが観察対象の構成要素の連動性を反映する形で変動しているという分光学的知見の二点を主に明らかにした。さらにこれらが生物種や摂動の種類を超えて見られることを明らかにし、一般性があることを確認した。具体的には、細胞ラマンスペクトルとプロテオームの定量的対応を注意深く観察することで、まず、ラマンスペクトルの低次元空間内配置が構成要素の連動性の観点から捉えられるプロテオームの低次元構造と対応していることを明らかにし、さらにその数理的背景を議論した。つまり上記二点は一つの研究の両輪として同時に明らかになった。プロテオーム低次元構造の中央には（昨年度明らかにし命名した）homeostatic coreがあり、「増殖法則」として知られる経験則と直接関連していた。また周縁部ほど摂動条件依存的な発現パターンを示すタンパク質が位置していた。すなわち、連動性の観点から捉えられたこのプロテオーム粗視描像は、自己複製サイクルを回し続けながらも様々な摂動に応答する細胞システムの振る舞いと相性が良い。本研究は、ラマン―オミクス対応がなぜ成立するのかという問題に対して、細胞ラマンスペクトルの新規の生物学的解釈を明らかにする形で一定の解答を与えるとともに、細胞構成要素の連動性という概念が細胞にとって本質的である可能性を示すものとなった。ラマンスペクトルが従来とは全く違う形で細胞システムの理解に対して本質的に貢献した事例と位置づけることもできるだろう。本研究で得られた知見が今後細胞システムを支える背景原理に迫るための有効なアプローチとなることを期待している。また、生細胞を対象とした「ライブセルオミクス」等、分光を用いた今後の細胞研究を支える一つの基盤ともなるだろう。

This year, the following two points are highlighted: (1) the biological importance of the interaction of constituent elements compared with the preservation of the cellular system, and (2) the reflection of the interaction of constituent elements of the observation object. The species of the organism is identified. The quantitative relationship between the cell structure and the low dimensional structure is discussed in detail. Two points are recorded on the study of the wheel and the same time The central part of the low-dimensional structure is directly related to the "growth law". The position of the first part of the cycle depends on the condition of the first part of the cycle. In the first place, the characteristics of the cell system are very good. The characteristics of the cell system are very good. This study shows the possibility of solving the problem of cell composition and its interaction with cell essence. The answer to this question is: This study has been conducted to understand the future of cell culture and support. For example, in the case of biological cells, the use of spectroscopy in cell research in the future will be supported by the development of a basic system.

项目成果

Bacterial proteomes are predictable from cellular Raman spectra

细菌蛋白质组可通过细胞拉曼光谱预测

• 发表时间: 2020
• 作者: Kamei;K. F.;Kobayashi-Kirschvink;K. J.;Nakaoka;H.;Wakamoto;Y.
• 通讯作者: Y.

Estimating Cellular Transcriptomes from Raman Spectra

从拉曼光谱估计细胞转录组

• DOI: 10.2142/biophys.60.108
• 发表时间: 2020
• 期刊: Seibutsu Butsuri
• 作者: 小林鉱石;亀井健一郎;中岡秀憲;若本祐一
• 通讯作者: 若本祐一

Estimating Bacterial Quantitative Proteomes from Cellular Raman Spectra

从细胞拉曼光谱估计细菌定量蛋白质组

• 发表时间: 2021
• 作者: Ken-ichiro F Kamei;Koseki J Kobayashi-Kirschvink;Hidenori Nakaoka;and Yuichi Wakamoto
• 通讯作者: and Yuichi Wakamoto