細胞のラマン分光計測から、分子組成の量比保存度構造に基づく細胞状態評価へ ──遺伝子発現の大域的制約から考える細胞の動作原理──

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2026-04-16 東京大学

東京大学の研究チームは、細胞にレーザー光を照射して得られるラマン散乱スペクトルから、細胞内のプロテオーム(網羅的遺伝子発現)の大域的変動を非破壊で推定できることを発見した。さらに解析により、遺伝子発現は「量比保存度」という大域的制約に従い、恒常性を担う中心群と環境応答に関わる周縁群からなる階層構造を持つことを明らかにした。この構造は細菌からヒトまで共通であり、細胞の可塑性と恒常性を両立する基本原理を示唆する。また、この階層構造がラマンスペクトルに反映されることを示し、分光データにオミクスレベルの解釈を与えた。本成果は、細胞状態評価や生命システム理解に新たな視点を提供する。

細胞のラマン分光計測から、分子組成の量比保存度構造に基づく細胞状態評価へ ──遺伝子発現の大域的制約から考える細胞の動作原理──
ラマンスペクトルとプロテオームの非自明な低次元対応

<関連情報>

ラマンスペクトルパターンから細胞におけるグローバルな化学量論的保存構造を明らかにする Revealing global stoichiometry conservation architecture in cells from Raman spectral patterns

Ken-ichiro F Kamei,Koseki J Kobayashi-Kirschvink,Takashi Nozoe,Hidenori Nakaoka,Miki Umetani,Yuichi Wakamoto
eLife  Published:Apr 14, 2026
DOI:https://doi.org/10.7554/eLife.101485.3

Abstract

Cells can adapt to various environments by changing their biomolecular profiles while maintaining physiological homeostasis. What organizational principles in cells enable the simultaneous realization of adaptability and homeostasis? To address this question, we measure Raman scattering light from Escherichia coli cells under diverse conditions, whose spectral patterns convey their comprehensive molecular composition. We reveal that dimension-reduced Raman spectra can predict condition-dependent proteome profiles. Quantitative analysis of the Raman-proteome correspondence characterizes a low-dimensional hierarchical stoichiometry-conserving proteome structure. The network centrality of each gene in the stoichiometry conservation relations correlates with its essentiality and evolutionary conservation, and these correlations are preserved from bacteria to human cells. Furthermore, stoichiometry-conserving core components obey growth law and ensure homeostasis across conditions, whereas peripheral stoichiometry-conserving components enable adaptation to specific conditions. Mathematical analysis reveals that the stoichiometrically constrained architecture is reflected in major changes in Raman spectral patterns. These results uncover coordination of global stoichiometric balance in cells and demonstrate that vibrational spectroscopy can decipher such biological constraints beyond statistical or machine-learning inference of cellular states.

生物化学工学
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