蛍光ダイヤモンドを用いた1生体分子NMR観察法の確立

• 研究課題/領域番号: 18H01838
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分28040:ナノバイオサイエンス関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 原田 慶恵 大阪大学, 蛋白質研究所, 教授 (10202269)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2019年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
• キーワード: ダイヤモンド / ナノダイヤモンド / 窒素－格子空隙中心 / 光検出磁気共鳴 / 生物物理

研究成果の概要

蛍光性ダイヤモンド内部に存在する窒素空孔中心（NVC）の電子スピンはms = 0 と縮退した ms = ±1の２つ量子状態を有しており、この量子状態間の磁気共鳴周波数（D）は温度によって変化する。そこで我々は蛍光性ナノダイヤモンド（FND）を使って、我々が開発した光検出磁気共鳴顕微鏡でDの値を計測することによって、FND周辺の温度を知ることができる。本研究では、FNDの温度計測能が周囲の環境に影響を受けない性質を利用して、細胞内の絶対温度を計測する方法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

温度は、生体機能の維持や細胞内反応を包括的に制御している最も基本的な物理量である。細胞の機能を深く理解するためには、細胞内の生体分子の振る舞いやそれを支配する温度の解明が不可欠である。これまでに、温度感受性のポリマーや蛍光タンパク質、蛍光色素を用いて、細胞内の温度を計測する研究が行われてきた。しかし、いずれの方法も、温度の時間変化や墓所による温度の違いなどの検出には有効であるが、絶対温度を計測することは非常に困難であった。今回FNDが周囲の環境にロバストである性質を利用して絶対温度を計測することができるようになったことで、細胞機能への温度の影響を明らかにする研究の進展が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] In situ measurement of intracellular thermal conductivity using heater-thermometer hybrid diamond nanosensor (2021)
  • 著者名/発表者名: Shingo Sotoma, Chongxia Zhong, James Chen Yong Kah, Hayato Yamashita, Taras Plakhotnik, Yoshie Harada, Madoka Suzuki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 3
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd7888
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tracking the 3D Rotational Dynamics in Nanoscopic Biological Systems. (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 16 ページ: 7542-7554
  • DOI: 10.1021/jacs.0c01191
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] HCV IRES captures an actively translating 80S ribosome (2019)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Takeshi、Machida Kodai、Iwasaki Wakana、Shigeta Tomoaki、Nishimoto Madoka、Takahashi Mari、Sakamoto Ayako、Yonemochi Mayumi、Harada Yoshie、Shigematsu Hideki、Shirouzu Mikako、Tadakuma Hisashi、Imataka Hiroaki、Ito Takuhiro
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 印刷中 号: 6 ページ: 1205-1214
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2019.04.022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polydopamine Coating as a Scaffold for Ring-Opening Chemistry To Functionalize Gold Nanoparticles (2019)
  • 著者名/発表者名: Sotoma Shingo、Harada Yoshie
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 35 ページ: 8357-8362
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b00762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of perfectly aligned high-density NV centers in (111) CVD-grown diamonds for magnetic field imaging of magnetic particles (2019)
  • 著者名/発表者名: Ozawa Hayato、Hatano Yuji、Iwasaki Takayuki、Harada Yoshie、Hatano Mutsuko
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SI ページ: SIIB26-SIIB26
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab203c
  • NAID: 210000156695
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multifunctional temozolomide-loaded lipid superparamagnetic nanovectors: dual targeting and disintegration of glioblastoma spheroids by synergic chemotherapy and hyperthermia treatment (2019)
  • 著者名/発表者名: Marino Attilio、Camponovo Alice、Degl'Innocenti Andrea、Bartolucci Martina、Tapeinos Christos、Martinelli Chiara、De Pasquale Daniele、Santoro Francesca、Mollo Valentina、Arai Satoshi、Suzuki Madoka、Harada Yoshie、Petretto Andrea、Ciofani Gianni
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 11 号: 44 ページ: 21227-21248
  • DOI: 10.1039/c9nr07976a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enrichment of ODMR-active nitrogen-vacancy centres in five-nanometre-sized detonation- synthesized nanodiamonds: Nanoprobes for temperature, angle and position (2018)
  • 著者名/発表者名: Sotoma S, Terada D, Segawa TF, Igarashi R, Harada Y, Shirakawa M.
  • 雑誌名: Sci.Rep. 巻: 8 号: 1 ページ: 5463-5463
  • DOI: 10.1038/s41598-018-23635-5
  • NAID: 120006517896
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] One-Pot Synthesis of Highly Dispersible Fluorescent Nanodiamonds for Bioconjugation (2018)
  • 著者名/発表者名: Terada Daiki、Sotoma Shingo、Harada Yoshie、Igarashi Ryuji、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: Bioconjugate Chemistry 巻: 29 号: 8 ページ: 2786-2792
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.8b00412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluorescent nanodiamonds as a robust temperature sensor inside a single cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeharu Sekiguchi, Shingo Sotoma, Yoshie Harada
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 15 号: 0 ページ: 229-234
  • DOI: 10.2142/biophysico.15.0_229
  • NAID: 130007501130
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Field Imaging of Super-paramagnetic Particles Using High-Density, Perfectly Oriented NV Centres in Diamond CVD Film (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Hatano, T. Sekiguchi, T. Iwasaki, M. Hatano, and Y. Harada
  • 雑誌名: Phys. Status Solidi A 巻: 215 号: 22 ページ: 1800254-1800254
  • DOI: 10.1002/pssa.201800254
  • 査読あり
• [学会発表] キネシン分子の空間配置が輸送複合体の運動に与える影響の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 福本 紘大, 宮薗 侑也, 多田隈 尚史, 原田 慶恵
  • 学会等名: 日本生物物理学会第58回年会
• [学会発表] 神経分化における細胞内温度の関与 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中馬俊祐, 岡部弘基、原田 慶恵
  • 学会等名: 日本生物物理学会第58回年会
• [学会発表] Intracellular thermometry with fluorescent polymer sensor and nanodiamond (2020)
  • 著者名/発表者名: 外間進悟、中馬俊祐, 、岡部弘基、原田 慶恵
  • 学会等名: ICCMSE 2020 Conference Quantum Science Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Involvement of intracellular temperature in neuronal differentiation (2020)
  • 著者名/発表者名: 中馬俊祐,、岡部弘基、原田 慶恵
  • 学会等名: 第15回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNAオリガミを用いたキネシン-1の空間配置が輸送複合体の協調運動に与える影響の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 福本 紘大, 宮薗 侑也, 多田隈 尚史, 原田 慶恵
  • 学会等名: 日本分子生物学会第43回年会
• [学会発表] 高度に機能制御されたダイヤモンド量子センサによる細胞内センシングの実績 (2020)
  • 著者名/発表者名: 外間進悟、仲崇霞、鈴木 団、張 煥正、原田 慶恵
  • 学会等名: 量子生命科学会第2回大会
• [学会発表] Dual-functionalized fluorescent nanodiamond as nanoheaters and nanothermometers in cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Chongxia Zhong, Shingo Sotoma, Taras Plakhotnik, James Chen Yong Kah, Yoshie Harada, Madoka Suzuki
  • 学会等名: 2020 Annual Meeting - Biophysical Society
  • 国際学会
• [学会発表] １分子イメージング顕微鏡によるタンパク質の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原田慶恵
  • 学会等名: 京都産業大学生命科学部バイオフォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] NVセンターの生命科学計測への応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原田慶恵、外間進悟、波多野雄治、波多野睦子
  • 学会等名: 量子生命科学研究会第1回大会
• [学会発表] Fluorescent nanodiamond as a robust temperature sensor inside a single cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshie Harada, Takeharu Sekiguchi, Shingo Sotoma
  • 学会等名: The third International Workshop on Symbiosis of Biology and Nanodevices
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a New Fluorescence Imaging Technique Using Nitrogen Vacancy Centers in Diamond (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshie Harada
  • 学会等名: 17th Chinese Biophysics Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fluorescent nanodiamonds as a robust temperature sensor inside a single cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Shingo Sotoma, Yoshie Harada
  • 学会等名: E-MRS 2019 Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fluorescent nanodiamonds for bioimaging applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Shingo Sotoma, Feng-Jen Hsieh, Huan-Cheng Chang, and Yoshie Harada
  • 学会等名: E-MRS 2019 Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 磁性粒子とダイヤモンド基板中のNVセンタを用いた細胞計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 波多野 雄治，多田隈 尚史，岩崎 孝之，波多野 睦子，原田 慶恵
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Application of individual fluorescent nanodiamond as nanothermometer and nanoheater (2019)
  • 著者名/発表者名: Chongxia Zhong, Shingo Sotoma, Yoshie Harada, Madoka Suzuki
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Fluorescent Nanodiamonds as a Robust Temperature Sensor inside a Single Cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshie Harada
  • 学会等名: Asian Chemical Biology Initiative 2019 Yangon Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Fluorescent nanodiamond as a robust temperature sensor inside a single cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshie Harada
  • 学会等名: The Second International Workshop by the 174th Committee JSPS on Symbiosis of Biology and Nanodevices
  • 国際学会
• [学会発表] Studies on Biomolecules Using Single-Molecule Imaging Technique (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshie Harada
  • 学会等名: Deutsch-Japan Kolloquien
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Diamond Sensor - Device and System Construction (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hatano, Hayato Ozawa, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Susumu Yasuda, Takeshi Ohshima, and Yoshie Harada
  • 学会等名: The 1st International Forum on Quantum Sensing (IFQS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Cell imaging with magnetic particle with on a diamond sensor (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshie Harada, Takeharu Sekiguchi, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Yuji Hatano
  • 学会等名: 9th FAOPS
  • 国際学会
• [学会発表] 高密度高配向NVセンタを含むダイヤモンドCVD膜によるバイオイメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 波多野雄治、関口武治、岩崎孝之、波多野睦子、原田慶恵
  • 学会等名: 量子生命科学研究会・第２回学術集会
• [学会発表] NVセンターの生命科学計測への適用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 原田慶恵、外間進悟、波多野雄治
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] NVセンターの生命科学計測への適用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 原田慶恵
  • 学会等名: 蛋白研セミナー：構造生物学と計算科学の融合による動的構造生物学の新しい展開
  • 招待講演
• [備考] 大阪大学蛋白質研究所原田慶恵研研究概要
  • URL: https://trais-out2.sakura.ne.jp/protein-nanobiology/research/
• [備考] 蛋白質ナノ科学研究室
  • URL: http://www.protein.osaka-u.ac.jp/laboratories/nanobiology
• [備考] 大阪大学 蛋白質研究所 原田慶恵研 研究テーマ
  • URL: https://www.ccc.osaka-u.ac.jp/protein/nanobiology/research/
• [産業財産権] MAGNETIC MESURING DEVICE (2021)
  • 発明者名: Hatano M et al.
  • 権利者名: Hatano M et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021
  • 外国
• [産業財産権] 磁気画像計測装置 (2019)
  • 発明者名: 原田慶恵、波多野雄治、多田隈尚史、波多野睦子、岩崎孝之
  • 権利者名: 原田慶恵、波多野雄治、多田隈尚史、波多野睦子、岩崎孝之
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-097873
  • 出願年月日: 2019