色素の無輻射失活を駆動力とする万能型分子濃度制御システム

• 研究課題/領域番号: 21K19044
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分37:生体分子化学およびその関連分野
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 新井 敏 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 准教授 (70454056)
• 研究分担者: CLEMENS・MARTIN FRANZ 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 准教授 (50837664)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 蛍光温度センサー / リポソーム / 無輻射失活 / 光ケージド / 光熱変換 / 蛍光センサー / 生体分子 / 光ケージド化合物

研究開始時の研究の概要

シグナル分子やエネルギー代謝産物などの濃度を、１細胞レベルで制御する方法論の確立は、細胞の特定の機能を正確に理解するために欠かせない。本課題では、従来の光ケージド化による手法の抱える化合物多様性の低さや細胞毒性の問題を解決するため、近赤外線レーザーに応答するナノ粒子を用いた、万能型の生体分子の濃度制御システムを、AFMを用いたナノ粒子の作動原理の解明を含め提案する。

研究成果の概要

ある閾値温度で相転移を起こす温度感受性の脂質膜に着目し、光を熱に変換できる光熱変換色素を膜に埋め込んだ脂質ナノ粒子を設計した。光照射で生じる局所熱を直接、脂質二分子膜に作用させ相転移を起こすことで膜を緩ませ、リポソームに内包した化合物を徐放する仕組みである。本課題では、様々な顕微鏡技術を用いて、そのメカニズム解明に注力し、結果、この膜が緩んで内包物を徐放する際、局所熱が効率よく相転移に消費されるため、周囲の温度変化を引き起こさないこと、また、比較的大きい分子の徐放が可能であることが明らかになった。仮説通り作動するこの粒子は、生体分子濃度の時空間動態を光制御できるツールとしての応用が期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

細胞内外の生体分子の局所濃度を自在に操作できる技術は、ダイナミックな細胞機能を理解するための基礎生物学分野での研究ツールとして活用が期待できる。また、生体組織に親和性の高い近赤外レーザーを用いることから、薬剤を封入した粒子を調製し、光刺激を用いる新規なドラッグデリバリーシステムへも展開可能である。特に、従来の類似技術である光ケージド化合物を用いた方法と比べて、適用できる化合物の多様性（多くの水溶性の化合物を内包できる）、時空間分解能などの点で優位であるのも特徴である。