逆ミセル中の新規ボーズ・アインシュタイン凝縮の検証

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K18745
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 村上 洋 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 量子生命科学研究部, 主任研究員(定常) (50291092)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: 逆ミセル / 細胞 / ボーズ・アインシュタイン凝縮 / 振動分光

Outline of Annual Research Achievements

フレーリッヒが提案した細胞の誘電体モデルは、細胞中で代謝エネルギーを使ってボーズ・アインシュタイン凝縮が起こるという革新的理論である。代謝エネルギー発生速度が閾値を超えた時に、コヒーレントな巨視的格子振動が発生（フレーリッヒ凝縮）することを理論的に示した。しかし、非常に多数の構成要素からなる細胞を対象にこの凝縮現象を検証することは困難であった。我々は、このモデルの物理的条件をもとに、逆ミセルという微小水滴を用いて構成要素が格段に少ないモデル細胞を構築し、また、代謝エネルギーの代わりに逆ミセル内にレーザー光エネルギー注入を行うことを着想した。本研究の目的は、逆ミセルを用いてこの振動の凝縮に起因した振動スペクトル転移の観測をテラヘルツ領域の振動分光により行い、このモデルの物理的核心部分を検証することである。
本年度は、検証実験の準備として(1)モデル細胞の構築及びその光学特性評価と(2)振動スペクトル検出に使用するラマン分光装置の構築を実施した。(1)モデル細胞としてはAOTという界面活性剤分子たちの自己組織化により細胞膜類似構造を構築し、その中にミオグロビンという蛋白質分子が一つ存在する系を構築した。ミオグロビンが逆ミセル中に存在する条件で、光エネルギー注入に利用するミオグロビンの吸収バンドが存在し、十分な吸収強度を持つことを確認した。(2)ラマン分光装置はテラヘルツ領域の低周波分光を可能にするために高分解能フィルターを組み合わせた装置を構築し性能評価を実施した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

(1) モデル細胞の構築及びその光学特性評価: 界面活性剤AOT（ジ-2-エチルヘキシルスルホコハク酸ナトリウム）、蛋白質ミオグロビン、油溶媒イソオクタン及び超純水を試料調製のために用いた。真空オーブン中でAOT/イソオクタンの残存水を除去した後、ミオグロビン水溶液を微量注入することにより逆ミセル中にミオグロビン微小水滴を構築した。所定のミオグロビン濃度にするために、真空オーブン中で脱水とミオグロビン水溶液の微量注入を繰り返した。サイズ制御は水とAOTの濃度比により行い、水滴径約4 nmから10 nmの範囲の逆ミセルの調製を実現した。ミオグロビン中の発色団であるヘム色素分子の400nm付近に存在するSoretバンドを光エネルギー変換に利用する。逆ミセル中でSoretバンドを確認し、実験に必用な吸収強度が得られることが分かった。
(2) ラマン分光装置の構築
既設の分光器とレーザー光を用いて装置の構築を行った。レーザー光の中心周波数付近からのラマン散乱測定が必用であり、10 cm-1程度の分解能を目標とした。信号光に比べて強い強度のレーザー光の裾に起因した背景信号を除去する必用がある。そのために、高分解能ノッチフィルターを複数導入した光学系を構築し、フィルターの個数依存性など幾つかの配置で最適化及び性能評価を行った。水、エタノールや逆ミセルなどの試料を対象にラマン散乱測定を行い、およそ40 cm-1にピークをもつラマンスペクトルの測定が可能になった。分光器とノッチフィルターの性能を考慮すると分解能をさらに高めることが可能であり光学系の再検討を行っている。

Strategy for Future Research Activity

１. 実験条件の探索：
試料条件及びレーザー照射条件を決める。試料としてはミオグロビン水溶液、4 nmから10 nmのサイズ範囲のミオグロビン導入逆ミセルを対象とする。400 nmのレーザー光の強度を変えて照射する。タンパク質濃度依存性測定を行う。これらの実験により、試料の変性や溶液の突沸が起こらない照射条件及び試料条件範囲の探索を行う。ここで、試料全体にレーザー光を照射する必要があるために、試料セルとしてガラスキャピラリーを用いる。セルの適正サイズを検討する。
2.　ラマン散乱測定
(1) 本年度までに構築したラマン散乱分光装置を用いて上記によって得た条件の範囲でラマン散乱測定を行う。照射強度を変化させフレーリッヒ凝縮に伴う振動スペクトルの転移の探索を行う。ここで、エネルギー注入用レーザー光源の波長は400 nm, ラマン散乱用レーザー光源の波長は532 nmで実験を行う。
(2) 光学系の検討を行い10 cm-1程度の高分解能化のための分光装置の再構築を実施する。(1)の実験で振動スペクトルの転移を観測した場合、その実験条件でより分解能が高いラマン散乱測定を行いスペクトル転移を詳細に調べる。(1)で振動スペクトル転移を観測できなかった場合は、(1)と同様の実験を高分解能で行う。
(3) (1)或いは(2)で振動スペクトルの凝縮転移が見られた場合、ダブル分光器(周波数分解能：約2cm-1)やサンダーコック型分光器（周波数分解能：約0.1cm-1）を用いてそのスペクトル転移をより高分解能で測定し調べる。(1)及び(2)でスペクトル転移を観測できなかった場合は(1)と同様の実験をより高分解能で行い振動スペクトルの転移の探索を行う。

Causes of Carryover

初年度の研究開始が７月からであったこともあり、実験装置の構築等に使用予定だった助成金を次年度に回すことになった。