細胞内熱移動の新原理「非拡散的熱散逸」を発見 ~生命を支える高いエネルギー効率の根本原理に迫る~

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2026-05-28 東京大学

東京大学大学院薬学系研究科と科学技術振興機構(JST)の研究チームは、細胞内の熱移動が従来の熱伝導理論では説明できない「非拡散的熱散逸」によって支配されていることを世界で初めて明らかにした。研究では、独自開発の蛍光性ポリマー温度センサーと赤外線レーザーによる局所加熱技術を組み合わせ、細胞内温度分布を高時空間分解能で可視化した。その結果、細胞内で発生した熱は理論上予測されるマイクロ秒単位ではなく、数秒間にわたり局所的に保持されることが判明した。さらに、核などのオルガネラや生体分子が熱の拡散を抑制し、従来の熱伝導モデルとは異なる非拡散的な熱移動を生み出していることを示した。この発見は、細胞内温度変化の実測値と理論値の大きな乖離として知られていた「10^5 gap問題」を解決するものであり、細胞が微量の熱エネルギーを効率的に保持・利用している可能性を示している。研究成果は、熱が単なるエネルギーの最終産物ではなく、生体機能を制御するシグナルとして働く「温度シグナリング」の理解を大きく前進させるものであり、生命現象の解明や新たなバイオ技術、疾患研究への応用が期待される。

細胞内熱移動の新原理「非拡散的熱散逸」を発見 ~生命を支える高いエネルギー効率の根本原理に迫る~
細胞内の局所温度変化を大きくするメカニズムの解明

<関連情報>

非拡散性の遅い熱放散は、生細胞内で局所的な高温を引き起こす Non-diffusive slow heat dissipation induces high local temperature in living cells

Masaharu Takarada,Ryo Shirakashi,Masahiro Takinoue,Motohiko Ishida,Masamune Morita,Hiroyuki Noji,Kazuhito V. Tabata,Takashi Funatsu & Kohki Okabe
Nature Communications  Published:28 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-71878-y

Abstract

Recently, intracellular thermometry has revealed temperature variations within cells. Although the biological significance of intracellular temperature change is recognized, the physical principles of intracellular temperature change remain a mystery. Here, we investigate intracellular heat transfer through intracellular temperature mapping using a fluorescent polymeric thermometer and high-speed fluorescence lifetime imaging microscopy. Through infrared laser irradiation-assisted heating, we track changes in temperature distribution to examine the mechanism of intracellular heat dissipation in comparison with heat conduction. Continuous heating induces the significantly slower relaxation of the average temperature of single cells compared with that of liposomes containing homogeneous aqueous solutions of comparable size; to the scale of seconds. We additionally elucidate that these phenomena are impacted by intracellular structures and molecules. Finally, we discover that this slow intracellular temperature relaxation originates from non-diffusive heat dissipation distinct from the conventional heat conduction model. Our results provide insights into the mechanisms of temperature variation in cells that are unresolved based on our current understanding, establishing a framework for understanding intracellular thermodynamics under non-equilibrium conditions.

細胞遺伝子工学
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