2022 Fiscal Year Annual Research Report
Stimulation into biological tissues and self-organization dynamics using helical light fields
| Project Area | Chiral materials science pioneered by the helicity of light |
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| Project/Area Number |
22H05140
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
細川 千絵 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (60435766)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土井 謙太郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20378798)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Keywords | ナノバイオ / 生物物理 / 光渦 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、超螺旋光の一つの形である光渦を利用することにより、生体分子を超螺旋光で操作し、新たな細胞機能操作の実現を目指す。光渦をトリガーにした細胞内分子のキラル秩序形成ダイナミクスや光渦の軌道角運動量が転写された分子集合体の振舞いを理論と実験の両面から明らかにする。
今年度は、超螺旋光による細胞内分子操作の実現のため、超螺旋光の力学摂動による細胞内分子動態の過渡応答を計測可能な顕微分光システムを構築した。倒立型蛍光顕微鏡、イメージング分光器、電子冷却型高感度CCD検出器を新たに導入し、蛍光イメージング、蛍光相関分光計測に加えて顕微ラマン散乱計測により超螺旋光の力学摂動による細胞内分子動態を可視化する手法について検討した。超螺旋光による生体組織への刺激を目的として、光渦が誘起する様々な外力に起因した細胞膜形態変化の蛍光カルシウムイメージングおよびFRAP計測を行い、ナノ秒光渦の照射により細胞表面に一過性の微小穿孔が生じた結果、細胞内へのイオン流入が促進されることを見出した。光渦の軌道角運動量の分子への転写メカニズムを明らかにするため、フェムト秒光渦照射による光硬化性樹脂の二光子重合反応を利用した微細構造作製について検討を開始した。
さらに、ワークステーションを導入し、液中に照射されるレーザー光の電磁場について、有限要素法による数値解析を行うための計算機環境を整備した。一例として、液中に存在する金属ナノ粒子を想定し、粒子の吸光による分極、さらには液中のイオン濃度場の変化および流動の生成について解析を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究計画では、（１）超螺旋光による細胞内分子操作、（２）超螺旋光による生体組織への刺激、（３）超螺旋光による生体組織化過程の時空間操作について取り組む。今年度は、（１）超螺旋光による細胞内分子操作の実現のため、超螺旋光の力学摂動による細胞内分子動態の過渡応答を計測可能な顕微分光システムを構築した。倒立型蛍光顕微鏡、イメージング分光器、電子冷却型高感度CCD検出器を新たに導入し、蛍光イメージング、蛍光相関分光計測に加えて顕微ラマン散乱計測により超螺旋光の力学摂動による細胞内分子動態を可視化する手法について検討した。
（２）超螺旋光による生体組織への刺激を目的として、ラット海馬由来の培養神経細胞にナノ秒光渦を照射した結果、細胞表面に一過性の微小穿孔が生じ、細胞内へのイオン流入を確認した。FRAP計測によりガウスビームと光渦照射で異なる膜修復過程の可能性が示唆された。（３）超螺旋光による生体組織化過程の時空間操作について、空間光位相変調器を用いてフェムト秒光渦を生成することに成功した。フェムト秒光渦を光硬化性樹脂に集光したところ、二光子重合反応に基づく微細構造が集光位置において形成されることを確認した。超螺旋光による生体組織化過程の理論研究のため、レーザー光、特にガウスビームおよび超螺旋光を溶液中に照射し、屈折率の異なる界面における応答特性の数値解析を行うためのワークステーションとソフトウェアを導入した。液中に分散する金属ナノ粒子にレーザー光を集光して分極を誘起する系について、有限要素解析を行うためのモデルを構築した。金属ナノ粒子の複素屈折率の虚部により、吸光したエネルギーの一部から分極が誘起されることを示した。
以上より、おおむね当初の計画通りに進行していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
超螺旋光による細胞内分子操作を実現するため、引き続き顕微分光計測システムの改良を進める。光渦照射に伴う細胞内分子動態の過渡応答を検出し、超螺旋光による細胞内分子動態変化を明らかにする。超螺旋光に誘発された外力により駆動される生体分子の秩序化過程を理論的に扱うための方法論についても引き続き検討を行う。液中に照射した超螺旋光の光場における金属ナノ粒子や生体高分子および電解質イオンの相互作用を考慮した熱流体現象について数値解析を行う。分散する金属ナノ粒子や分子が、軌道角運動量を持つ超螺旋光に駆動される場を調べることにより、ガウスビームとは異なる分子秩序形成のメカニズムを明らかにする。超螺旋光による生体組織への刺激について、フェムト秒光渦をラット海馬由来の神経細胞に短時間照射し、超螺旋光の力学摂動に伴う細胞膜形態変化の蛍光解析や引き続いて誘発された神経活動の電気生理学的解析を行う。超螺旋光による生体組織化過程の時空間操作について、生体適合性を有する光硬化性樹脂を対象として超螺旋光を照射し、光渦の軌道角運動量が転写された微細構造体の作製について検証する。
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