2017 Fiscal Year Research-status Report
光の量子性を利用した単一微小液滴顕微分光装置の開発と生体分子ゆらぎへの適用
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16K05661
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
迫田 憲治 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (80346767)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 微小液滴 / 両親媒性分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
空間捕捉した単一微小液滴の表面に両親媒性分子などから構成される膜構造を形成し，ここからの発光を高感度に観測することができれば，モデル生体膜のダイナミクスや生体高分子との相互作用を詳細に調査できる可能性がある．そこで本研究では，単一微小液滴におけるモデル生体膜研究の第一歩として，細胞膜の染色に用いられる両親媒性カルボシアニン色素に注目し，その発光スペクトルが微小液滴中においてどのような特徴をもつかについて調査した．
両親媒性カルボシアニン色素 DiIC18(3) を溶解させた微小液滴に532 nmのCWレーザーを照射したときの発光スペクトルを観測した．DiIC18(3) からの発光が微小液滴の気液界面で全反射すると，界面近傍にWhispering gallery modeと呼ばれる光の定在波が生じる．発光スペクトルに観測された複数のシャープな発光は，微小液滴の界面近傍に生じたWhispering gallery modeに帰属できる．また，DiIC18(3) は分子内に親水基と疎水基をもつ両親媒性分子であることから，微小液滴の気液界面に単分子膜を形成していると考えられる．つまり，発光スペクトルに観測されているWhispering gallery modeは，微小液滴の界面に吸着したDiIC18(3) からの発光に起因していると考えられる．また，古典電磁気学に基づく理論シミュレーションを行い，Whispering gallery modeを与える共振モードの光電場分布を計算した．これを実験結果と比較することによって，光電場の強度が界面から500 nm程度の位置で最大になっていることがわかった．さらに，シアニン骨格の鎖長が長いDiIC18(5) の発光スペクトルにおいても，Whispering gallery modeに帰属できるシャープな発光線が観測できた．これに関しても理論シミュレーションと実験結果の比較を行い，DiIC18(3)のときに得られた結果と矛盾しないことを明らかにした．
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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
今年度は微小液滴の気液界面に，色素骨格をもつ両親媒性分子から構成された単分子膜を形成することに成功した．また，単分子膜をレーザー励起することによって，液滴界面からの発光スペクトルが示すWhispering gallery modeを観測した．Whispering gallery modeの理論モデルに基づき，光が界面近傍につくる光電場の空間分布についてシミュレーションした結果は，実験結果をよく再現していた．これによって，微小液滴の気液界面からの距離に依存して，光と分子の相互作用の大きさがどの程度異なるのかを理解できるようになった．これは，フェルスター共鳴励起エネルギー移動を通じて，界面に吸着した分子と液滴中に溶存している分子との間の分子間相互作用を計測するために必須の情報であり，今年度の目標を達成できている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度の研究によって，両親媒性をもつ分子が微小液滴の気液界面において単分子膜構造を形成することを明らかにした．来年度は，微小液滴の界面にモデル生体膜を構築するために，色素ラベルされたリン脂質や高級脂肪酸からなる単分子膜の構築を目指す．また，色素ラベルされた生体高分子（タンパク質など）と単分子膜を構成するリン脂質や高級脂肪酸との間におけるフェルスター共鳴励起エネルギー移動を観測することによって，モデル生体膜と溶存分子との間の分子間相互作用についての情報を得る．さらに，理論シミュレーションによって，Whispering gallery modeを形成する共振モードの光電場分布を再現できることが分かっているので，このことを利用して，微小液滴の界面近傍における溶存生体高分子の並進拡散ダイナミクスに関する情報を取得する．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額は763円となっており，平成29年度までに配分された予算はほぼ使い切っている．763円では，研究計画を遂行するうえで必要な物品や消耗品を購入することは難しいので，次年度の助成金と合算して実験に必要な試薬を購入する予定である．
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