筒井研究室 筒井 秀和 准教授

Photo: 筒井 秀和 准教授

〈専門分野〉生物物理学、基礎生理学、 電気生理学計測、分光計測、分子生物学
〈キーワード〉バイオマテリアル・デバイス、ライフイノベーション、人工タンパク・DNA、人工細胞膜、新医療技術、新計測技術、生物物理、遺伝子工学

「生体電気信号の解読と制御」に向けたマテリアル開発

研究内容

 脳神経回路は究極の生体組織の一つと言えます。回路を構成する神経細胞の厚さ数nmの細胞膜に0.1V程度の電圧信号が発生します。この電気信号は回路網を高速に伝播し、自律的に組織化され、並列的に処理されます。この組織化や処理の過程を理解する事は現代科学の本質的な挑戦の一つであり、さらにその先には未知の情報処理アルゴリズムの解明、病態の理解、そして究極的には人工システムとの統合という展開も期待されています。しかしながらその挑戦には数多くの難関があります。根本的な課題の一つに、生体電気信号の時空間パターンの詳細な計測が現在の技術では不可能であるという点があります。本研究室では、「生体電気信号の解読と制御」の実現に向けたマテリアル開発を通じて基礎科学の発展に寄与する事を目指すと共に、この計測技術を応用した社会還元にも積極的に取り組んでいきます。基礎生物学・生理学、材料工学などをまたぐ、分野横断的なアプローチを行います。より具体的には、例えば以下のようなテーマに取り組みます。

1.生体における仕組みを"知る"

 生体はこの生体電気信号を巧みに解読するための驚くべき仕組みを備えています。例えば、細胞膜には、電圧に反応する特殊な蛋白質が存在していて、電圧信号を増幅したり、電圧信号を解読して細胞内の環境を変化させたりしています。生体におけるこの自然の仕組みを知ることで、基礎生理学の発展に寄与できるだけでなく、生体電気信号を人工的に解読する際の重要なヒントが得られるのではないかと考えています。分光計測、電気生理学、分子生物学を駆使してこのテーマに挑戦していきます。

2.人工膜電位センサー蛋白質を"創る"

 上記のように、電圧に反応する蛋白質が普段、私たちの体の中でも活躍しています。このような分子を部品として使い、さらに蛍光蛋白質などのレポータとして働く部品を巧みに組み合わせると、生体電気信号を可視化するための人工膜電位センサー蛋白質を創ることが出来ます。これまでに、単一細胞の単一スパイクを見る事に成功しています。さらなる性能の向上を目指しています(下図)。

3.膜電位可視化技術を"利用する"

 私たちが開発する生体電気信号の時空間計測技術は、例えば、創薬関連化合物のスクリーニングという観点から、社会還元ができる可能性を秘めています。細胞膜の電気的興奮性を担う膜蛋白質は多くの疾患とも深く関係して、これらは重要な創薬のターゲットであるにもかかわらず、薬の開発効率は可溶化蛋白質をターゲットとしたものに比べてとても低いという問題があります。可溶化蛋白質であれば水溶液中で化合物との結合や機能阻害・促進を比較的容易に並列計測する事が出来るが、膜蛋白質であればハードルはずっと高いからです。人工膜電位センサーの性能向上により、低コスト・高スループットで光学的に創薬関連化合物をスクリーニングする系を提案・構築できる可能性があります。さまざまな研究者と密接な情報交換を行いながら研究を進めて行き、画期的な新薬の創出に貢献することを目標としています。

4.次世代の計測原理の探索

 「生体電気信号の解読と制御」を可能にする、従来に無い革新的な原理も常に探索していきます。特に新規マテリアルや微細加工技術を用いた新しい計測原理の探索に注力します。遊び心を大切に、そして、様々な分野の研究者や加工・分析技術が集結するマテリアルサイエンス研究科の資質を最大限に活用します。

使用装置

生体膜微小電流増幅器、2電極膜電位固定増幅器、ナノ秒パルスレーザー、FRET顕微鏡、電解紡糸装置、各種分光・電子顕微鏡、分子生物学関連機器など

過去5年間の主な研究業績

  1. H. Tsutsui, Y. Jinno, K. Shoda, A. Tomita, M. Matsuda, E. Yamashita, H. Katayama, A. Nakagawa, A. Miyawaki, A diffraction-quality protein crystal processed as an autophagic cargo, Mol Cell., 58:186-93. (2015).
  2. Y. Jinno, K. Shoda, E. Rial-Verde, R. Yuste, A. Miyawaki, Tsutsui, H. Engineering a genetically-encoded SHG chromophore by electrostatic targeting to the membrane. Front Mol Neurosci. 7:93, (2014).
  3. H. Tsutsui, Y. Jinno, A. Tomita, Y. Okamura. Rapid evaluation of a protein-based voltage probe using a field-induced membrane potential change. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1838, 1730-1737 (2014).
  4. H. Tsutsui, Y. Jinno, A. Tomita, Y. Niino, Y. Yamada, K. Mikoshiba, A. Miyawaki, Y. Okamura. Improved detection of electrical activity with a voltage probe based on a voltage-sensing phosphatase. J. Physiol., 591, 4427- 4437 (2013).
  5. H. Tsutsui, Y. Jinno, A. Tomita, Y. Okamura. Optically Detected Structural Change in the N-Terminal Region of the Voltage-Sensor Domain. Biophys. J., 105, 108-15 (2013).
連絡先

筒井 秀和/E-mail:tsutsui@jaist.ac.jp TEL:0761-51-1520 FAX:0761-51-1505
URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/tsutsui/

遊び心を忘れずに、しかし、慎重さ、几帳面さも常に大切にして研究を行います。生体電気信号に興味のある方、面白いアイディアを実現したい方、是非一緒に探求しましょう!