2019 Fiscal Year Research-status Report
逆ミセル中の新規ボーズ・アインシュタイン凝縮の検証
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18K18745
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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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, 量子生命科学領域, 主任研究員(定常) (50291092)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 逆ミセル / 細胞 / フレーリッヒ / ボーズ・アインシュタイン凝縮 / 振動分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フレーリッヒが提案した細胞モデルは、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。その凝縮により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。細胞内の生命活動の基本的過程はタンパク質分子などの生体分子たちの化学反応である。フレーリッヒ凝縮が起こるとそれらの化学反応が起こっている場所では秩序だった地震のようなものが起こり、生体分子同士の認識を助け化学反応の効率を上昇させるなどの効果をもつ。この仮説が正しければ従来の生命科学は大きな修正を迫られる。しかし、細胞の複雑さのためにこのモデルの検証は困難であった。我々は、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、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。そのためにはエネルギー注入と振動スペクトル観測のための二つのレーザー光照射が必用である。振動スペクトル観測はラマン散乱分光により行う。本年度は、（１）逆ミセル中に導入する色素分子や色素タンパク質分子のラマン散乱スペクトル特性を幾つかの波長のレーザー光を用いて調べ、検証実験に適する励起波長を評価した。その過程で光学装置の最適化、試料の変性を防ぐための回転セルの導入等を行った。（２）二つのレーザー光を照射し振動スペクトルを測定するための光学システムの構築を行った。微弱なラマン散乱信号の観測のために、二つの強い入射レーザー光に起因する背景信号を除去する必用がある。特別の反射鏡を用いて二つのレーザー光を同軸にした後円筒セルの平面の底から入射することにより振動スペクトルの測定が可能となった。次年度はモデルの検証実験を実施する。
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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
実験装置にはエネルギー注入と振動スペクトル観測のための二つのレーザー光照射が必用でありそのための光学系の構築を行った。振動スペクトル観測は共鳴ラマン散乱分光により行う。いくつかの波長のレーザー光励起でラマン散乱スペクトルの評価を行った。これらの研究進捗により次年度の検証研究の準備がおおむね整った。
（１）試料の共鳴ラマンスペクトル測定と装置最適化
色素分子マラカイトグリーンと色素タンパク質ミオグロビンを導入した二つの逆ミセル試料を用いる。フレーリッヒ凝縮が起こった時には媒質には特定の周波数で巨視的量子数の振動が発生する。色素分子の共鳴ラマンモードがその振動と結合すれば、共鳴ラマンスペクトルが大きく変化することが期待できる。これらの色素分子は紫外・可視領域にいくつかの光吸収バンドをもつ。エネルギー注入と共鳴ラマン散乱測定のためにどの光吸収バンドを利用するかを決める必用がある。幾つかの励起波長で共鳴ラマン散乱実験を行いそれぞれ特徴的なラマンスペクトルを得た。ラマンスペクトル測定に適するレーザー波長の評価を行った。その中で光学系や試料光学セルサイズの最適化を行った。タンパク質試料の場合高いレーザー強度で光退色が見られたためモーター制御の回転セルシステムの構築を行った。
(２)エネルギー注入実験用装置の構築
二つのレーザー光を照射し振動スペクトルを測定するための光学システムの構築を行った。エネルギー注入用レーザーを試料全体に集光して照射するために試料体積はできるだけ小さくする必用がある。ガラスキャピラリーセルではレーザー起因の背景信号が大きくラマン測定が難しかった。最終的にはガラスキャピラリーと同程度の内径をもつ円筒セルを製作し、ダイクロイックミラーを用いて平らな底面側から二つのレーザー光を同軸にして入射することによりラマン散乱信号の計測が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
フレーリッヒ凝縮の検証実験を実施する。準備実験によりレーザー照射強度が高い時に溶液の突沸が起こることが分かった。それぞれの場合で光(或いはマイクロ波)エネルギー注入のみの実験を行い突沸が起こる強度を調べそれ以下の値で照射強度を変えながら振動スペクトルの測定を行う。また、光エネルギー注入のために使用するレーザー光に起因したラマン散乱が振動スペクトル観測領域に影響を与えないようにする必用がある。マラカイトグリーン色素分子とミオグロビン色素タンパク質を導入した2種類の逆ミセルを用い、逆ミセルサイズ直径はおよそ2nm～10nmの範囲で行う。現在、405, 532と635nmの連続波レーザーと266,355と460～700nmで波長可変のパルスレーザーがある。また、マイクロ波照射装置を購入する計画である。これらの光源を以下の例のように組み合わせて実験する。
(1)二つの連続波レーザー光の場合：短波長のレーザー光をラマン散乱用と長波長のレーザー光を光エネルギー注入に用いる。これによりエネルギー注入用レーザーに起因するラマン散乱が観測領域に現れない。マラカイトグリーン逆ミセルの場合、405nmの光によりラマン散乱を観測し、630nmの光でエネルギー注入を行う。
(2)パルスレーザー光の場合：ミオグロビンの場合405nm光励起のラマン散乱が振動スペクトル解析に適している。そこでより短波長の355nmのパルスレーザーでエネルギー注入を行い、そのパルスと時間的同期をとってラマン測定を実施することにより注入に起因した振動スペクトル変化の観測を行う。
(3)マイクロ波エネルギー注入とレーザー光ラマン散乱：2.45GHzのマイクロ波照射器により逆ミセル中の水にエネルギー注入を行い、二つの逆ミセル試料の共鳴ラマン散乱を405nmで観測する。
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| Causes of Carryover |
マイクロ波照射器やレーザー光源等の検討及びメーカー選定が終わらなかった。それらが次年度使用額となった。
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Research Products
(2 results)
