Intracellular spatiotemporal mapping of physical/chemical parameters using nanodiamond quantum sensors
| Project/Area Number |
20H02587
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28040:Nanobioscience-related
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
五十嵐 龍治 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, グループリーダー (90649047)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 芳代 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線生物応用研究部, 主幹研究員 (10507437)
加田 渉 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (60589117)
神長 輝一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 研究員 (90825176)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
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| Keywords | 量子生命科学 / ナノダイヤモンド / NVセンター / 量子センサー / ナノセンサー / ナノバイオテクノロジー / 磁気共鳴 / 生物物理化学 |
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| Outline of Research at the Start |
蛍光顕微鏡を用いた細胞内分子イメージングは様々な生命現象の分子機構を明らかにした。しかし、分子イメージングが与えるのは分子の位置情報だけであるため、現状ではこの「位置情報」と分子のin vitroの性質のみを手がかりとして複雑な生命現象を推測せざるを得ない。本研究では生体ナノ量子センサー技術を活用し、単一細胞内物理・化学パラメータの時空間定量マッピング技術の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ナノダイヤモンドで「単一細胞内の物理・化学パラメータの時空間定量マッピング」を実現するために、(1)「ナノダイヤモンドの効率的な細胞導入、分子標的および細胞小器官特異的なデリバリー」、(2)「ナノダイヤモンド中のNVセンターに対する高速・高精度なスピン量子計測」、(3)「細胞生物学的な実験結果と計測結果とを突合するための相関解析」の３つの課題に取り組む計画である。令和２年度は、(1)「ナノダイヤモンドの効率的な細胞導入、分子標的および細胞小器官特異的なデリバリー」については、表面親水化ナノダイヤモンドを大量調製するための条件検討を実施した。これにより、従来の10倍程度の表面親水化ナノダイヤモンドの調製に目処が立ち、細胞内でのデリバリー技術を開発する準備が整った。また(2)「ナノダイヤモンド中のNVセンターに対する高速・高精度なスピン量子計測」については、細胞内温度計測を行う上での光検出磁気共鳴スペクトルの取得法の最適化を行った。これにより、温度計測の計測時間が従来法の半分以下に短縮された(Yanagi et al., 2020)。また、pH計測についても、ナノダイヤモンドを用いたT1強調イメージング技術を開発し、pH計測に必要な時間を従来の半分以下に短縮した(Fujisaku et al., 2020)。(3)「細胞生物学的な実験結果と計測結果とを突合するための相関解析」については、ナノダイヤモンドを用いたナノ動態の３次元トラッキングを行い、培養細胞系における薬剤刺激と、その細胞膜動態への影響について相関解析を実施した(Igarashi et al., 2020)。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要に示した通り、当初計画については順調に進展した。これに加えて、当初計画では想定していなかった新たな高感度計測プロトコルの開発、小動物中での計測・解析への着手、ナノ動態の３次元トラッキング技術の論文化など多くの進展があったため。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は、(1)「ナノダイヤモンドの効率的な細胞導入、分子標的および細胞小器官特異的なデリバリー」については、令和２年度に条件検討したプロトコルに基づき、ナノダイヤモンドを用いた分子標的技術の開発を行う。(2)「ナノダイヤモンド中のNVセンターに対する高速・高精度なスピン量子計測」については、機械学習を用いた新たな最適化手法の開発などを進める。(3)「細胞生物学的な実験結果と計測結果とを突合するための相関解析」については、令和２年度に開発した当初計画にはない高感度計測プロトコルを活用し、培養細胞および生物個体への適用を進める。
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Report
(1 results)
Research Products
(16 results)
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[Presentation] Formation of Nitrogen-Vacancy centers in nanodiamonds: Size and type dependence2021
Author(s)
TzeKit Frderick So , Alexander I. Shames , Daiki Terada , Takuya Genjo , Hiroki Morishita , Izuru Ohki , 大島 武 , 小野田 忍 , Hideaki Takashima , Shigeki Takeuchi , Eiji Osawa , Norikazu Mizuochi , 五十嵐 龍治 , 白川 昌宏
Organizer
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[Presentation] 温度と磁場を分離計測可能であるので車載電池応用や生体計測応用に有効である2020
Author(s)
Frederick Tze Kit So , Alexander I. Shames , Daiki Terada , Takuya Genjo , Hiroki Morishita , Izuru Ohki , 大島 武 , 小野田 忍 , Hideaki Takashima , Shigeki Takeuchi , Eiji Osawa , Norikazu Mizuochi , 五十嵐 龍治 , 白川 昌宏
Organizer
量子生命科学会第2回大会
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[Presentation] 13C pulsed dynamic nuclear polarization using pentacene or NV- centers in diamond at room temperature2020
Author(s)
Koichiro Miyanishi , Takuya F. Segawa , Izuru Ohki , Onoda Shinobu , Ohshima Takeshi , Abe Hiroshi , Hideaki Takashima , Shigeki Takeuchi , Yu Wang , Kazuyuki Takeda , Frederick T. -K. So , Daiki Terada , Igarashi Ryuji , Akinori Kagawa , Masahiro Kitagawa , Norikazu Mizuochi , Shirakawa Masahiro , Makoto Negoro
Organizer
3rd IFQMS
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