[論文レビュー] Quantum monitoring the metabolism of individual yeast mutant strain cells when aged, stressed or treated with antioxidant

Aryan Morita, Citra Nusantara+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 54被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ナノダイヤモンド内の窒素空孔中心（NV）を用いた量子ダイヤモンド磁気測定法を導入し、個々の生きたイースト細胞におけるフリーラジカルを細胞内分解能で検出する。この手法により、老化、ストレス、抗酸化物質処理の過程での代謝変化をリアルタイムでモニタリング可能であり、長寿命型トロ1Δおよびペクス19Δ変異株ではフリーラジカル負荷が低下していることが明らかになった。これは、これらの変異株の寿命延長のメカニズムを説明する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Free radicals play a key role in the ageing process. The strongly debated free radical theory of ageing even states that damage caused by free radicals is the main cause of aging on a cellular level. However, free radicals are small, reactive and short lived and thus challenging to measure. We utilize a new technique called diamond magnetometry for this purpose. We make use of nitrogen vacancy centers in nanodiamonds. Via a quantum effect these defects convert a magnetic resonance signal into an optical signal. While this method is increasingly popular for its unprecedented sensitivity in physics, we use this technique here for the first time to measure free radicals in living cells. Our signals are equivalent to T1 signals in conventional MRI but from nanoscale voxels from single cells with sub-cellular resolution. With this powerful tool we are able to follow free radical generation after chemically inducing stress. In addition, we can observe free radical reduction in presence of an antioxidant. We were able to clearly differentiate between mutant strains with altered metabolism. Finally, the excellent stability of our diamond particles allowed us to follow the ageing process and differentiate between young and old cells. We could confirm the expected increase of free radical load in old wild type and sod1Δ mutants. We further applied this new technique to investigate tor1Δ and pex19Δ cells. For these mutants an increased lifespan has been reported but the exact mechanism is unclear. We find a decreased free radical load in, which might offer an explanation for the increased lifespan in these cells.

研究の動機と目的

• 新規で高感度な検出法を用いて、フリーラジカルが細胞老化に果たす役割を調査すること。
• 短命で反応性の高いフリーラジカルを、細胞内空間分解能で生きた細胞内で測定するという課題に取り組むこと。
• 老化表型が変化した変異株イーストにおける代謝応答の差異を特定すること。
• 抗酸化物質処理が個々の細胞におけるフリーラジカル動態に与える影響を、時間経過とともに評価すること。
• トロ1Δおよびペクス19Δイースト変異株における寿命延長の代謝的基盤を明らかにすること。

提案手法

• ナノダイヤモンド内の窒素空孔（NV）中心を量子センサーとして用い、磁気共鳴信号を光学信号に変換する。
• 共焦点顕微鏡を用いて、NV中心の光励起発光を検出することで、フリーラジカル内の不対電子に起因する局所磁場を測定する。
• フリーラジカル生成に応じたNV中心のスピン状態の変化を測定し、生きた細胞内でのナノスケールでの検出を可能にする。
• 時間分解測定を実施し、老化、化学的ストレス誘導、抗酸化物質暴露の過程におけるフリーラジカル動態を追跡する。
• 野生型および異なるイースト変異株（sod1Δ、tor1Δ、pex19Δ）間でのシグナル強度を比較し、代謝差異を評価する。
• ナノダイヤモンドの高い安定性を活かし、数日間にわたる個々の細胞の縦断的モニタリングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 老化、ストレス、抗酸化物質処理の過程で、個々のイースト細胞におけるフリーラジカル生成はどのように変化するか？
• RQ2 量子ダイヤモンド磁気測定法は、変異株イーストにおける細胞内代謝の不均一性を検出できるか？
• RQ3 トロ1Δおよびペクス19Δイースト変異株における寿命延長とフリーラジカル負荷の関係は何か？
• RQ4 酸化的なストレスの観点から、SOD1Δ変異株の代謝プロファイルは、野生型および他の長寿命型変異株と比較してどのように異なるか？
• RQ5 この手法は、生きた細胞内において、時間的・空間的分解能を高く維持した状態でフリーラジカル濃度の動的変化を解像できるか？

主な発見

• 本研究では、ナノダイヤモンド内の窒素空孔中心を用いて、個々のイースト細胞におけるフリーラジカル生成を細胞内分解能で成功して検出できた。
• 老化した野生型およびsod1Δ変異株細胞では、フリーラジカル負荷が顕著に増加しており、フリーラジカル理論の老化仮説を裏付ける結果となった。
• 抗酸化物質処理によりフリーラジカル濃度が有意に低下したため、この手法が代謝調節に感受性を示す高感度性を有していることが示された。
• トロ1Δおよびペクス19Δ変異株では、野生型およびsod1Δ株と比較してフリーラジカル負荷が低く抑えられていたため、寿命延長の潜在的な代謝的メカニズムが示唆された。
• 縦断的モニタリングにより、若齢細胞と高齢細胞におけるフリーラジカル動態に明確な差が確認され、本手法が老化研究における有効性を裏付ける結果となった。
• ナノダイヤモンドプローブは優れた光安定性を示し、信号劣化を伴わず、長期間にわたって繰り返し測定が可能であった。