2019 Fiscal Year Annual Research Report
蛍光ダイヤモンドを用いた1生体分子NMR観察法の確立
| Project/Area Number |
18H01838
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
原田 慶恵 大阪大学, 蛋白質研究所, 教授 (10202269)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 生物物理 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンド内の窒素－格子空隙中心(NVC)の電子スピンの量子状態は、磁場によって変化する。この変化は、NVCが発する蛍光強度の変化として、光検出磁気共鳴(ODMR)分光法により測定することが可能である。このNVCを用いた局所磁場測定法を超高感度化することで、生体分子の核磁気共鳴 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)に挑戦する。今回目標とするのは10 nm立方に2,000個の^31P原子が含まれるDNAナノ構造が距離10 nmに生成する約30 nT核磁化信号強度の核スピンの検出である。磁場検出のより高いSNRを実現するには、ダイヤモンド内の完全に整列した高密度のNVセンターが必要である。ダイヤモンド内の完全に整列した高密度のNVセンターを実現することができれば、光ショットノイズの低減効果がある。そこで、（111）基板上にマイクロ波プラズマ化学蒸着（CVD）によってダイヤモンド膜を成長させた。空孔の増加による高い成長率で、N-V軸が7×10^17 cm-3と従来の密度の16倍となる最高のNV密度かつNVCの向きが完全に揃ったダイヤモンド基板が得られ、光学ショットノイズが従来の1/4に減少することを確認した。 さらに、異なる膜厚のCVD成長ダイヤモンドを用いた磁場イメージングでは、異なる厚さのNVを用いた磁場イメージングでは、ダイヤモンドの膜厚によって磁場分布パターンとSNRが異なることが明らかになった。したがって今後最大のSNRを得るには、NVCを含む層の厚さを最適化する必要がある。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
NVCのODMRを用いて常温低磁場で核スピンを検出するには、現状20,000個の原子核からの信号が必要である。本研究では、まず既存の技術を極め2,000個の原子核を検出する方法を確立する。本年度はダイヤモンド基板のさらなる改良を行った。（111）基板上にマイクロ波プラズマ化学蒸着（CVD）によってダイヤモンド膜を成長させた。 空孔の増加による高い成長率で、N-V軸が7×10^17 cm-3と従来の密度の16倍となる最高のNV密度かつNVCの向きが完全に揃ったダイヤモンド基板が得られ、光学ショットノイズが従来の1/4に減少することを確認した。 さらに、異なる膜厚のCVD成長ダイヤモンドを用いた磁場イメージングでは、異なる厚さのNVを用いた磁場イメージングでは、ダイヤモンドの膜厚によって磁場分布パターンとSNRが異なることが明らかになった。今後さらにNVCを含む層の厚さを最適化することでさらにSNRを改善することができる。以上から、今回目標とする10 nm立方に2,000個の^31P原子が含まれるDNAナノ構造が距離10 nmに生成する約30 nT核磁化信号強度の核スピンの検出が期待できる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
現在、NVCのODMRを用いて常温低磁場で核スピンを検出するには、20,000個の原子核からの信号が必要である。本研究では、まず既存の技術を極め2,000個の原子核を検出する方法を確立する。そのために、どのような実験条件が高感度化の鍵であるかを明らかにする。核スピンは、検出可能距離が10 nm程度と短いため、多数の原子をNVCから半径10 nmという狭い領域に閉じ込める必要がある。そこで、原子数を自在に操作しやすく、化学修飾も容易なDNAやDNAおりがみ技術で作製したDNAナノ構造(10 nm立方に1,000塩基対をパッキング可能)を観察対象に用いる。DNAには多数のリン原子(100%が核スピン1/2の31P同位体)が含まれるが、通常のタンパク質には31Pが含まれないことを利用し、ダイヤモンド基板に固定したタンパク質にDNAが相互作用する様子を可視化する。NVCの磁気感度は最新のダイナミックデカップリング技術を適用すれば検出帯域が従来法より2桁狭まることが確認されており、この程度の濃度であれば、0.1 μT/√Hzが期待できる。一方、2,000個の31Pが距離10 nmに生成する核磁化信号強度は約0.03 μTであるため、NVCの直上にDNAナノ構造が配置された場合でもその検出には10 秒の積算が必要である。ODMR計測には十分に強い励起光をダイヤモンド基板に照射しつつ、長時間の積算中にDNAの活性を維持するためには、励起光をダイヤモンド基板内に閉じ込め、DNA自体の露光は最小となるよう、全反射照明での光励起を行う。
|
-
[Journal Article] Tracking the 3D Rotational Dynamics in Nanoscopic Biological Systems.2020
Author(s)
Ryuji Igarashi, Takuma Sugi, Shingo Sotoma, Takuya Genjo, Yuta Kumiya, Erik Walinda, Hiroshi Ueno, Kazuhiro Ikeda, Hitoshi Sumiya, Hidehito Tochio, Yohsuke Yoshinari, Yoshie Harada, Masahiro Shirakawa
-
Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 142
Pages: 7542-7554
DOI
Peer Reviewed / Open Access
-
[Journal Article] HCV IRES Captures an Actively Translating 80S Ribosome2019
Author(s)
Takeshi Yokoyama, Kodai Machida, Wakana Iwasaki, Tomoaki Shigeta, Madoka Nishimoto, Mari Takahashi, Ayako Sakamoto, Mayumi Yonemochi, Yoshie Harada, Hideki Shigematsu, Mikako Shirouzu, Hisashi Tadakuma, Hiroaki Imataka, Takuhiro Ito
-
Journal Title
Molecular Cell
Volume: 74
Pages: 1205-1214
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
[Journal Article] Multifunctional temozolomide-loaded lipid superparamagnetic nanovectors: Dual targeting and disintegration of glioblastoma spheroids by synergic chemotherapy and hyperthermia treatment2019
Author(s)
Attilio Marino, Alice Camponovo, Andrea degl'Innocenti, Martina Bartolucci, Christos Tapeinos, Chiara Martinelli, Daniele de Pasquale, Francesca Santoro, Valentina Mollo, Satoshi Arai, Madoka Suzuki, Yoshie Harada, Andrea Petretto, Gianni Ciofani
-
Journal Title
Nanoscale
Volume: 11
Pages: 21227-21248
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
