愛媛大学農学部紀要 64 号：1－7（2019）
Bulletin of Faculty of Agriculture, Ehime University, 64: 1－7 (2019)

学会賞受賞研究

細胞膨圧計測に伴うソフトイオン化細胞分子計測の開発
野並

浩*
*

Hiroshi NONAMI :Cell Molecular Measurement Techniques by Soft Ionization Mass Spectrometry
together with in situ Cell Turgor Determination
Abstract
Prof. Dr. Hiroshi Nonami, professor at the Plant Biophysics/Biochemistry Research Laboratory,
Department of Biomechanical Systems, Graduate School of Agriculture & the Division of Proteomics
Research, Proteo-Science Center, Ehime University, Matsuyama, Japan, received the JAICABE Award 2018from the Japan Association of International Commission of Agricultural and Biosystems Engineering(JAICABE) and simultaneously, the Shin-Norin Co. Award from Mr. Yoshinori Kishida, CEO/President ofShin-Norin Co., Ltd. of Japan, publisher of Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Lati n America
magazines and other publications, at Toichiro Nakashima Memorial Hall at the University of Tokyo on May
15, 2018.
JAICABE consists of 9 academic societies and the Association of Agricultural Electrification which is a
consortium of 127 groups, companies and corporate entities.

The total number of the membership of the

JAICABE is 14,853 as of April, 2017. JAICABE works in the fields of agricultural engineering,mechanization and technology related programs in education, research, development, consultation and/or
technology transfer that have resulted in improved food production, living conditions and/or education indifferent parts of the world.
The JAICABE Award recognizes Prof. Dr. Nonami’s outstanding research contributions in “Cell Molecular
Measurement Techniques by Soft Ionization Mass Spectrometry together with in situ Cell Turgor
Determination.” A cell pressure probe was used for turgor determination of an in situ individual plant cell,
followed by measurements of cell osmotic pressure, water potential, cell volume, elastic modulus, hydraulicconductivity as physiological water status measurements. After checking physiological parameters of theindividual cell, cell sap can be sampled with a capillary of the pressure probe from the same cell. Cell
solution can be ionized either by the matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) method or theelectrospray ionization (ESI) method for mass spectrometric analysis, i.e., soft ionization mass spectrometry.
Most significantly, this particular ESI technique is referred to as picoliter-pressure probe electrosprayionization mass spectrometry (picoPPESI-MS).

By using picoPPESI-MS, in situ cell metabolomics analysis

can be conducted continuously in real time without destruction of sample plants, and thus, real time cell
molecular components can be analyzed qualitatively and quantitatively when plants are subjected toenvironmental stresses. PicoPPESI-MS has revolutionized single cell research in metabolomics and related
physiological research in agricultural engineering, and perhaps beyond.
Key words: matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry, picoliter pressure probe electrosprayionization mass spectrometry, plants, single cell, soft ionization, turgor

1

学会総会で開催された受賞式では，日本農業工学会

1．「日本農業工学会賞 2018」「新農林社賞」受賞

長の大政謙次氏と株式会社新農林社代表取締役社長の岸田義典氏から賞状と盾，記念品が贈呈された．

2018 年 5 月 15 日に東京大学中島董一郎記念ホール（東京大学弥生キャンパス）で開催された 2018 年度日

2．細胞計測における膨圧計測本農業工学会において，愛媛大学大学院農学研究科植2.1．プレッシャープローブ

物工場システム学コース環境植物生理学研究室・愛媛大学プロテオサイエンスセンタープロテオミクス研究

プレッシャープローブは，細胞膨圧計測のために開部門の野並浩教授が日本農業工学会賞及び新農林社賞

発された計測器である（野並，2001；2019）．先端が尖を受賞した．

ったキャピラリーに圧力センサーが付属していて，キ

日本農業工学会は，農業工学関連 10 学協会（平成ャピラリー内にはシリコンオイルが充填されている．

29 年 4 月現在：9 学会，1 協会），農業電化協会 127 団

キャピラリー先端を細胞に突き刺すと，細胞内の細胞体，総会員数 14,853 名で構成されている．本会は，農溶液は膨圧によって押し出され，キャピラリー内に入業工学に関する会員相互の協力により，農業工学及びってくるが，キャピラリー内にはシリコンオイルが充その技術の進歩発達に資することを目的として設立さ填されているため，キャピラリー内に細胞溶液とシリれている．

コンオイルの境界にメニスカスが生じる．このメニス

本会は，農業工学分野の学術や事業等に貢献した団カスを元の細胞膜表面に押し返すことによって，釣り

体・個人を表彰することができ，特に優れた業績を上合った圧力を細胞膨圧として計測する方法である（野げた個人に日本農業工学会賞を授与することになって

並，2001；2019）．

いる．

プレッシャープローブの操作は，キャピラリー内に野並教授の受賞業績は「細胞膨圧計測に伴うソフト充填されているシリコンオイルの体積を調整すること

イオン化細胞分子計測の開発」であり，セル・プレッ

で行う．シリコンオイルは非圧縮性であり，プレッシ

シャープローブを用いることで，生きた植物におけるャープローブ内は脱気していて，調節用のプランジャ

細胞膨圧を含む水分状態計測を実施した後，植物体をーの変位量がそのままシリコンオイルの体積の変化量

ほとんど破壊することなく計測に使用した細胞から細に対応するように，キャピラリー内に採取する細胞溶

胞溶液を直接採集し，マトリックス支援レーザー脱離

液量を正確に調整できるように設計されている．愛媛

イオン化もしくはエレクトロスプレーイオン化法を用大学のプレッシャープローブでの調整の精度はフェムいることで細胞分子をソフトイオン化し，分子量関連

トリットルレベルで可能である．

イオンの定性・定量を行うことを可能にした計測法を標的細胞への到達は，メニスカスの位置を調整しな開発した点が評価されたものある．この質量分析のソがら行う．表皮細胞から，プレッシャープローブ・キ

フトイオン化法の中でも特に，picoliter-Pressure Probeャピラリー先端がどれほど内部に入ったのかは，3 次Electrospray Ionization（picoPPESI）質量分析（MS）法元電動マニピュレーターの移動距離を見ることで，検の開発により，植物細胞代謝物解析をリアルタイムで知する．標的細胞に入る直前の細胞溶液を利用してメ行うことができ，植物体本体を破壊することなく連続ニスカスを顕微鏡下で観察できるように操作し，標的して細胞分子計測が可能となった．picoPPESI-MS の開細胞にプローブが入ると，メニスカスがキャピラリー

発により，1 細胞メタボロミクス計測における革新的内へ移動を始めるので，標的細胞に入る直前の位置まな研究の進展につながり，農業工学分野のみでなく他でメニスカスを戻したときの釣り合った圧力が，標的の科学分野へも大きく貢献したことが評価された．

細胞の膨圧になる．この操作を学習することで，プレ同時に，野並教授は農業工学分野において特に優れッシャープローブの基本操作が可能となる．

た研究業績をあげ，農業の発展に寄与したことが評価

2.2. 細胞壁・細胞浸透圧・細胞体積計測され，新農林社賞を受賞した．新農林社は，「農機新聞」

細胞膨圧を計測した後，メニスカスをキャピラリー

や月刊「機械化農業」等を出版する会社で，農業生産，

内で数ミクロン移動させ，直後に元の位置に瞬時に戻

農家生活の維持に不可欠の農業機械と施設，農業工学

す操作をすると，チャートレコーダーでパルス状の圧分野全般の情報を社会に発信している会社である．

力変化が記録される．この時のキャピラリー内の体積変化（ΔV）は，細胞を一瞬押し広げて，元に戻す状

2019 年 11 月 7 日受理

況になるため，圧力変化（ΔΨp）と体積変化の比が細*愛媛大学農学部環境植物生理学

胞弾性率に比例する．細胞弾性率 ε は，2Δ𝛹𝑝 = 𝜀𝛥𝑉𝑉0と考えたとき，式 4 が成り立つ．

(1)

2.3．植物細胞と組織における水分状態計測
細胞の浸透圧 π の計測はピコリッター・浸透圧計をで求めることができる．V0 は，計測細胞の体積である用いて計測することができる．プレッシャープローブ（野並，2001；2019）．
プレッシャープローブのキャピラリー内のメニスカで採集した細胞溶液を銀製のサンプルホルダーの中のスの位置を動かし，一定の位置に保つように操作する

不揮発性シリコンオイルの真ん中へ浮遊させる．ホルと，細胞体積を一定に保ちながら，その細胞からの水ダーをペルチェブロックでできた温度制御容器へ密着の流出または流入が起こるときの水の透過率を計測すさせ，ホルダー内の細胞溶液が顕微鏡下で観察できる

ることが可能となる．このとき，圧力変化に伴い細胞ようにセットする．ペルチェブロックを冷却すること

膜から一様に水が流れ出る，もしくは，流入すると仮により，細胞溶液を凍結させ，その後，徐々に温度を定している．プレッシャープローブの圧力変化のハー

上げていき，細胞溶液の氷の消失する瞬間の温度を凝

フタイム（t1/2）を計測することにより，細胞膜水透過

固点降下温度として決定する（野並，2001；2019）．細率(Lp)が求まる．

胞レベルの浸透圧計測とサイクロメーターを用いた浸透ポテンシャル計測を比較し，正確に細胞レベルで浸𝐿𝑝 = (𝑙𝑛2 × 𝑉)/(𝑡1⁄2 × 𝐴 × (𝜀＋𝜋))

透圧が計測できることが確認されている（野並，2001；(2)2019）．これらの計測原理と方法を組み合わせることにより，プレッシャープローブで細胞膨圧，浸透圧，水

ただし，V は細胞体積，A は細胞表面積を表し，π はポテンシャル，細胞体積，細胞壁弾性率，細胞膜の水

細胞の浸透圧を表す(野並 2001；2019)．

透過率を計測できる（野並，2001；2019）．

この水透過率を計測する直前の膨圧（P0）と膨圧ス

Nonami and Boyer（1993）は，プレッシャープローブ

テップ応答を与えて，細胞体積を維持し続けた後，最を使用して，成長しているダイズの茎における成長に

終的に到達する膨圧（Pe）からプレッシャープローブ

伴った水ポテンシャル勾配を直接計測し，細胞拡大がが刺さっている標的細胞体積（V）を計測することが起こっているときは，必ず導管から周りの細胞に水が可能である（野並，2019）．

供給されるための水ポテンシャル勾配が存在し，水ポ
テンシャル勾配の大きさが細胞伸長速度を制御してい𝑉 = 𝜋𝑣 ⁄(𝑃0 − 𝑃𝑒 )ることを提唱している．このことを証明するために，(3)Nonami et al.（1997）は，ダイズに水ストレスを与え，
ただし，式 3 の v は，膨圧ステップ応答に対応したキ

水ストレスによる成長阻害を誘導した．成長阻害が起ャピラリー内での細胞溶液の変化体積を示す．式 3 をこった直後から，導管近傍の細胞の膨圧が低下するこ

変形すると，とをプレッシャープローブを用いることで検出している（野並，2001；2019）．このことは，水を供給するは𝑉 ⁄𝜋 = 𝑣 ⁄(𝑃0 − 𝑃𝑒 )ずの導管の水ポテンシャル勾配が，導管の周りの細胞(4)で逆転し，成長している導管の周りの細胞に水が供給となり，式 4 は，細胞体積と細胞の浸透圧の比は，キ

されなくなっていることで，成長阻害が起こっているャピラリー内の体積変化とその時に変化した膨圧の変ことを突き止めた（野並，2001；2019）．そこで，根圏化の比と等しくなることを表している．例えば，膨圧部にプレッシャーチャンバーを用いることで，加圧し，ステップをキャピラリー内のメニスカスの位置をさら

導管内に水が流れるようにしたところ，成長の回復がに内側に移動させて実施し，そのメニスカスの位置を見られた．回復が見られた状態で，プレッシャープロ

維持して細胞体積を維持した場合を想定する．細胞内ーブで導管近傍の細胞の膨圧を計測したところ，膨圧

圧力は，急激に減少した後，徐々に圧力は上昇をはじの上昇がみられ，水ポテンシャル勾配が回復している

め，元の膨圧値の近傍に収束する．この時，細胞内へことが確認できた（野並，2001；2019）．

水の流入が始まり，その結果として，キャピラリー内

上記の実験システムでは，プレッシャープローブをに導入された溶質と流入した水により，細胞溶液が少操作することにより，細胞レベルで植物体を完全に破しだけ希釈された，と考える．その希釈による影響が壊することなく，ストレス負荷後，経時的変化を水分

圧力差の（P0－Pe）に当たり，希釈に関わった水の流生理学的に追跡することが可能であることを示している（野並，2001；2019）．

入体積がキャピラリー内の溶液操作量ｖに相当する，

3

3．ソフトイオン化

含まれる植物組織を直接 MALDI 質量分析することで，同じ結果が得られることから，精度高くプレッシャー

3.1．MALDI

プローブ MALDI-MS が実施できていることを証明しマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）

た（Gholipour et al. 2008b）．

は，2002 年の田中耕一氏によるノーベル化学賞の受賞

3.2．ESIで有名になった．生体高分子をフラグメント化するこ

エレクトロスプレーイオン化（ESI）は，2002 年にとなくインタクトでイオン化し，質量分析ができるの

ジョン・フェン教授が開発し，田中耕一氏と共にノーでソフトイオン化と呼ばれている．MALDI のイオン化

ベル化学賞を受賞したことで知られている．高分子をはプロトンを受け取るか，失うかによる１価のイオン

フラグメント化することなくイオン化できるため，高化が起こることが多く，分子量をそのまま計測できる分子をイオン化する際に特に有用であり，MALDI と違

ところが大きな特徴である．

って多価イオンで検出される．

一般研究 A（平成 5 年度～平成 6 年度，研究課題名：

野並は，山梨大学の平岡賢三と探針エレクトロスプ

環境ストレスが作物の窒素代謝に及ぼす影響の非破レーイオン化について共同研究を行ってきた（Chen et

壊・細胞計測による解明）で，窒素代謝物質の分析のal., 2009）．平岡は探針エレクトロスプレーを開発し（第ために MALDI-TOF-MS（Kratos MALDI III）を導入し

55 回質量分析総合討論会．2007．3P-03-A03），細胞等た．国内における使用において最も早くから使用するの生体組織を鋭いステンレス針で刺した後，針先端にようになったものの，その当時レーザーイオン化のマ付着した分子をイオン化する方法で，ESI を探針を使トリックス物質の研究が進んでおらず，未知の物質をって特殊化して進化させたものである（Chen et al.,

同定するためのレーザー脱離イオン化とマトリックス

2009）．探針エレクトロスプレーイオン化では，サンプ

物質の機能が理解されていなかった．そこで，新たにルの前処理なしに直接計測できる特徴がある．例えば，

マトリックス物質の検索に取り組み，過去に使用され探針エレクトロスプレーを用いれば，試料の調製なしていない安息香酸関連物質，ピリドインドール類，ベで，バナナの解糖過程の経時変化，オレンジのプロフ

ンゾインドール類の 39 有機化合物においてタンパクィールイメージング，マウスの脳や肝臓の直接測定，質の質量範囲 1-70 kDa での 10 種類，スルホン化糖分

イクラ，ヒト尿，ヒトの血液など，実試料に対して強子 4 種類についてポジティブ，ネガティブモード全て

いイオンシグナルでマススペクトルが得られることをでイオン化に関して実験を行いベータ・カルボリン類

見出している（Chen et al., 2009）．この成果は，従来のがタンパク質および糖分子のレーザーイオン化に有効

キャピラリーを用いる際の目詰まりなどの問題がなく，であることを世界で初めて明らかにした（Nonami et.

また必要とされる試料採取量がナノエレクトロスプレ

al., 1997; Nonami et al., 1998; Nonami et al., 2001; Tarzi etーの報告値，数 10 ナノリットル（nL）の 103 分の１以

al., 2009）．植物組織の切片を用いての MALDI マトリ

下，即ち，ピコリットル（pL）以下である点で画期的ックスとして，ナノ粒子を用いての新たな MALDI 法である（Chen et al., 2009）．しかも，一回の試料採取との提案を行った（Gholipour et al., 2010）．

それに続くエレクトロスプレーで，数 10 アットモル

3.2. プレッシャープローブ MALDI-MS（amol）程度の試料が十分強いマススペクトルのシグ

プレッシャープローブで採取した細胞溶液をキャピ

ナルを与えることが明らかとなっている（Chen et al.,

ラリー内に入れた状態で，さらに細胞溶液とほぼ等量

2009）．

の水をキャピラリー内に吸い込み希釈したうえで ，細胞溶液の直接エレクトロスプレーは，従来のエレ

MALDI マトリックスを塗布した質量分析計のプロー

クトロスプレー技術では不可能である．探針エレクト

ブの上に設置した．ほぼ乾いた状態になったとき，細ロスプレーでは，“探針先端への極薄膜試料採取”と胞溶液を設置したうえに，マイクロピペットに入れた“108 V/m という極限に近い電場印加”との組み合わせMALDI マトリックス溶液を滴下して ，サンプルをによって，ほとんどあらゆる生体試料を試料調製なし

MALDI マトリックスでサンドイッチ状態にして乾燥で直接エレクトロスプレーすることが可能となった

させ，MALDI 質量分析計内でレーザー照射によりイオ（Chen et al., 2009; Yu et al., 2009; Yu et al., 2010; Mandal

ン化することで，質量分析を行った（Gholipour et al.,

et al., 2011; Yu et al., 2012; Yu et al., 2014; Petroselli et al.,2008; Nonami et al., 2011; Erra-Balsells et al., 2012;2015; Usmanov et al., 2018）．

Gholipour et al., 2012）．1 細胞から採取してのプレッシ

細胞膨圧計測と探針エレクトロスプレーとを融合さャープローブ MALDI-MS 結果は，採取した細胞部位がせれば，測定対象となる細胞とその集合体の生理情報

4

と分子情報の同時計測が実現することになる．

高温ストレスと水ストレスは，切り離して研究する

3.4．picoPPESI-MS

ことは現実的ではない．高温になると，空気は乾燥し

野並は，ピコリットル・プレッシャープローブ・エ

やすく，急激な蒸散が起こるため，高温ストレスと水

レクトロスプレーイオン化（picoPPESI）質量分析法をストレスが同時に起こることが作物栽培で起こるのが発明した（Gholipour et al., 2013; Nakashima et al., 2016）．

一般的である．2007 年 7 月 14 日～15 日に台風が九州

プレッシャープローブに分子分析の機能を持たせるたを 24 時間以内に通り過ぎたことがあり，フェーン現象

めには，プレッシャープローブをエレクトロスプレーが起こった（Wada et al., 2011）．強風による被害もなく，イオン化質量分析に適したイオン化装置に改良する必

一見すると，被害は起こったように見えず，イネの成要がある．細胞の容積は 10～200 pL が普通であり，大長は順調に起こっていた．収穫したときに，玄米にリきい植物細胞でも 1000 pL を超えるものは少ない．そング状に乳白が入っており，商品価値の低下で，農家のため，質量分析を pL オーダーで実現する必要があり，は経済的な打撃を受けた（Wada et al., 2011）．農家も農イオン化効率を高めたうえで，高感度に検出する必要

業指導員も被害が出ていることに気づかず，保険申請がある．そのために，検出器として Orbitrap-MS を使をしていなかったため，経済的被害が増大した背景が用し，精密質量を高感度で検出できるシステムを開発ある．この原因を解明するため，次の年の同じ時期にした．通常の質量分析計は，純粋物質の分析に使われ水田の上にビニール温室を設置し，24 時間だけ高温がるため，高感度の精密質量を分析するための質量分析当たるように扇風機と暖房器具を設置した実験区を設計を使う必要はない．サンプル容量が pL レベルである

けた．2007 年の台風時と同じように，高温処理区ではと，前処理のために分子を精製分離するための装置を生育には障害は出ず，収量はコントロール区の正常米付属させることは困難であるため，複数の混合物質を区と同じであったが，乳白米が発生し，2007 年と同様分析するために，高価な精密質量分析計を使用していの現象を再現できた（Wada et al., 2011）．玄米，植物体

る．

の水分状態を計測した結果，玄米細胞で浸透圧調節機

プレッシャープローブのキャピラリー内にチタン線能が働き，液胞の発達がみられ，アミロプラストにデを導入し，キャピラリー内のシリコンオイルのみにイ

ンプン粒の蓄積が不均一に起こることが乳白の原因でオン液体を混合し，プレッシャープローブ内に採取しあることが解明された（Wada et al., 2011）．

た細胞溶液に高電圧を印加できるように加工した計測

この高温で誘導される乳白米の生理機構およびイネ器を用いることで，細胞溶液に含まれる代謝物質を質の多収性について，安定同位体ラベリング，遺伝子発量分析できるようにしたものが，ピコリッター・プレ

現の機構を含めて，picoPPESI-MS を用いることで明らッシャープローブ・エレクトロスプレーイオン化質量

かにしてきた（Wada et al., 2014; Wada et al., 2017;

分析（picoPPESI-MS）である（Nakashima et al., 2016）．

Hatakeyama et al., 2018; Wada et al., 2019）．プレシャー

この picoPPESI-MS は，質量分析の中でイオン化効率

プローブと電子顕微鏡での組織学的研究を含めての研がとても高く，フェムトリットルオーダーのサンプル

究では，高温ストレスと水分状態計測を組み合わせるでもイオン化できる特徴がある（Gholipour et al., 2013）．

ことで，いかに浸透圧調節機能がプロテインボディのまた，プレッシャープローブの機能をそのまま使用で代謝制御とかかわっているのか，明確になってきていきるため，水分状態計測による水ストレス評価を行う

る（Hatakeyama et al., 2018; Wada et al., 2019）．一部がことができる上に，細胞溶液に含まれる代謝分子を定乳白化した部位にある細胞と，透明な正常細胞を一粒性・定量を行うことが可能である（Gholipour et al., 2013;の玄米内での複数サンプルで分析できるように

Nakashima et al., 2016）．

picoPPESI-MS が使われるようになり，水ストレスの精

トマトの果実に生えるトライコーム腺細胞を分析す度高い解析が可能となった．

ることが可能であり，その隣につながっている柄細胞

5．おわりにを続けて計測することが可能である（Nakashima et al.,2016）．また，トマト果実の隣り合った細胞であっても，野並は，30 年以上もプレッシャープローブを自作しトマト尻腐れ細胞代謝物質の種類と量が異なっている

続けてきた．博士学生時代に，プレッシャープローブ

ことが示されている（Nakashima et al., 2016; Gholipourの発明者の Prof. E. Steudle との研究がスタートである

et al., 2017）．

（Nonami et al., 1987）．このプレッシャープローブを用いて，細胞から細胞溶液を採取し，銀製サンプルホル

4．高温ストレスに伴う細胞計測と代謝物計測

ダー中に充填した不揮発性のシリコンオイル中に細胞5溶液を浮遊させ，凝固点降下法を用いて 1 細胞の浸透圧を計測する手法を開発した（Nonami and Schulze,1989）．プレッシャープローブを用いると，植物体を破壊することなく，細胞膨圧の分布，細胞浸透圧の分布，
細胞水ポテンシャルの分布が計測できる．さらに，式
1，2，3 で示しているように細胞壁弾性率，細胞膜水透過率，計測している標的細胞体積の計測が可能である（野並，2001；2019）．
本業績は，細胞水分生理学の中心的な計測機器としてのプレッシャープローブと精密質量を計測できる最先端機器の質量分析計が融合した結果として生まれた．
植物体をほとんど破壊することなく，水分生理状態を計測しながら，リアルタイムで細胞代謝物計測を行えることが画期的であった．また，picoPPESI で非常に高いイオン化効率を達成し，超微量サンプルでもイオン化して質量分析できるようになった．精密質量を分析できるため，サンプルの前処理が必要なく，多種の分子が異なる濃度で混合している細胞溶液を直接質量分析しても，質量分析結果を細胞溶液内に含まれる分子として一度に同定し，定量できるまで質量分析計が進化した結果といえる．
本業績は，日本学術振興会科学研究費助成事業の基盤研究 S（平成 20 年度～平成 23 年度，課題名：細胞膨圧計測－探針エレクトロスプレーによる細胞分子情報計測，野並浩（研究代表者）
・平岡賢三（研究分担者），
基盤研究 S（平成 24 年度～平成 28 年度，課題名：オンサイト・リアルタイム細胞分子計測によるスピーキ
ング・セル・アプローチ，野並浩（研究代表者）
・平岡賢三（研究分担者））の研究成果によるところが大きく，
日本学術振興会からの支援に心から感謝する．

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