2019 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of elementary reactions in radiation damage of biomolecules in liquid
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19K03769
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
土田 秀次 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50304150)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 液体内生体分子 / 放射線損傷 / 重イオン / DNA損傷 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、重イオンビームによる細胞内の生体分子損傷において液体の水の役割を明らかにすることである。本研究は、我が国が世界をリードする重粒子線がん治療の開発において重要な基礎研究であり、また、社会的関心が高い放射線の人体への影響の解明において有意義な研究である。本研究課題では、水中における生体分子の周辺で起こる素反応に、水分子の電離で生じた二次電子や生体分子への水分子の配位数といった因子がどのように関わっているかを明らかにする。
本年度は、水中において水の放射線分解で生じた二次電子のエネルギーと生体分子損傷との関係を、実験とシミュレーション解析から調べた。実験は、グリシン水溶液にMeVの炭素イオンを照射し、グリシン水溶液から二次イオンとして生成されるグリシンの解離イオンを質量分析法により測定した。その結果、解離イオン収量は、炭素イオンのエネルギーによって変化すること、また、そのエネルギー依存性は解離イオンの極性、すなわち、正及び負イオンによって異なることが明らかになった。この要因を調べるため、PHITS のイオン飛跡構造解析モードを用い、液体の水に対する重イオンのエネルギー付与量を計算し、グリシンが解離した正及び負イオンの生成メカニズムを考察した。その結果、重イオン照射により発生した二次電子が関与する電離・励起、及び解離性電子付着の誘発量は、生成されたグリシンの正及び負イオンの生成収量と相関があることを見出した。具体的には、電離・励起を誘発する二次電子はグリシンが解離した正イオン生成と相関し、その際の二次電子エネルギーは13から100 eVの領域であるのに対し、解離性電子付着を誘発する二次電子はグリシンが解離した負イオン生成と相関し、その二次電子エネルギーは13 eV以下であることが分かった。今後は、DNAベースの生体分子について研究を進める予定である。
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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
本研究は、３年間の計画で３つのサブテーマを実施する。本年度は、そのうちの１つのサブテーマをほぼ計画通りに進めることができた。今年度の到達目標は、高速重イオンにより水中で発生した二次電子のエネルギーと生体分子の解離過程の関係を明らかにすることであり、実験とシミュレーションの実施により、その目標を達成することができた。得られた成果は、2件の国際会議（うち1件は招待講演）と2件国内学会（うち1件は招待講演）で発表し、また、論文にまとめ学術雑誌に投稿し、現在査読中である。
また、次年度に計画している、DNAベースの生体分子を用いた研究に進むために、液体分子線法によるヌクレオチド構造を持つ有機化合物の一種であるウリジル酸（UMP）の標的を作製し、UVレーザー照射によるUMPの解離過程に関する予備実験を開始している。これらの進捗状況から、「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は、高速重イオンによる水中における生体分子損傷の実験的解明であるが、今後の研究を推進するにあたり、新型コロナウイルスの感染拡大・防止の観点から、研究活動の制限を受ける可能性がある。特に、大型実験装置（イオン加速器）を用いた実験を実施することが困難になると予想される。
この影響を最小限に留める方策として、研究目的の達成を維持しつつ、シミュレーションを取り入れた研究、及び加速器からの重イオンビームに代わる小型励起源の活用を行う。具体的には、シミュレーションを取り入れた研究では、本年度の研究で用いたPHITSによる研究を実施する。このPHITSは、重イオンと液体の水との衝突反応を計算することができ、本研究の目的に合致する有力な研究手段と成り得る。一方、実験研究を進めるための小型励起源の活用については、パルス電子銃と卓上レーザーを用いて実施する。パルス電子銃を用いた実験では、重イオンによって発生する二次電子を再現することができ、また、卓上レーザーを用いた実験では、重イオンによって生じる生体分子の電子励起反応を再現することができる。
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| Causes of Carryover |
本年度は、設備備品費に計上した真空ポンプの購入と消耗品費に計上した検出器の購入を予定していた。真空ポンプの購入は、真空散乱槽の真空度向上を図るためであり、これには、液体窒素トラップと真空ポンプを併用して改良する予定であった。液体窒素トラップの性能評価に時間と要し、真空ポンプの購入に遅れが生じた。次年度にこの購入を実施する予定である。また、検出器の購入において、海外製品で納期の関係上年度内の購入が困難であったため、次年度に速やかに執行する予定である。
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Research Products
(6 results)
