2014 Fiscal Year Research-status Report
光機能性バイオナノマテリアルの2光子吸収過程―機構解明とデバイス開発に向けて―
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26390046
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
横山 泰範 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80402486)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノバイオ / 先端機能デバイス / 光物性 / 蛋白質 / 生物物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光機能性の生体物質・バクテリオロドプシン(bR)を用いた新規光記録デバイス開発を目指して、その原理となるbRの2光子吸収現象を解明するとともに、デバイス化に不可欠な固体試料の作製を目的として研究を進めている。平成26年度は、主に固体試料作製について重点的に研究を行った。bRの光記録デバイスへの応用のためには何らかの方法で試料を固定化するのだが、bRの機能を光で引き出すために、可視光～近赤外光に対して透過性の極めて高い媒質を用いる必要がある。このため、固体化のための媒質として無色透明で光透過性が高く、水分を多く含み生体物質に対し親和性の高い、かつ強固なゲルを形成することが知られているポリビニルアルコール(PVA)を選択し、固体試料作製の条件検討を行った。
PVA溶液にbRの超分子複合体である紫膜を混合し、凍結・融解サイクルを繰り返すことで強固な紫膜－PVAゲルを作製した。ゲルの厚さを様々に変化させた試料を作製し、紫外～近赤外領域の試料による光吸収を確認した結果、厚さ0.1 mmのゲルを作製すれば懸濁液系とほぼ同等のバックグラウンドレベルとなることが分かった。しかし、薄い試料では凍結・融解サイクルの過程の体積減少により試料中に気泡が生じ、分光測定には適さない。このためPVA濃度を検討し、気泡の入らない最適な試料作製条件を決定した。紫膜－PVAゲルに可視光を照射すると、bRの色素レチナールの吸収バンドの長波長シフトが懸濁液系と同等程度の大きさで観測された。このことは、bR分子はゲル中においても溶液中同等の光反応を起こすことを示している。さらに、紫膜－PVAゲルの凍結・融解サイクルの過程において可視領域の円2色性測定を行ったところ、凍結・融解サイクルが進みPVA分子間の水素結合形成が進行するに従って紫膜の配向性が向上していく結果が得られた。この結果は、光励起の効率の向上に寄与するものと期待できる。
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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
平成26年度の初頭の段階で試料作製のために必要不可欠な装置に重大な故障が生じ、bR試料作製が困難な状況に陥った。また、bR結晶性を評価する分光測定装置も修理が必要な状況となった。このため、本来の計画外ではあるが代替の装置を購入しbR試料を作製できる環境を確保するとともに、分光装置の修理も行った。このような金銭的な理由により研究の進行順序に一部変更を余儀なくされたので、平成26年度は固体試料の作製について重点的に研究を進めることにした。
研究の進行順序に変更が生じたのではあるが、平成26年度で得られた成果は溶液系と同じ枠組みで分光測定を行うことができる固体試料の作製方法を確立するものであり、非常に意義の大きい成果と位置付けることができる。この成果を基にして、平成27年度以降は温度変化によってbRの結晶性を変化させることが可能な固体試料作製に速やかに移行することができる。また、bRの2光子吸収過程の解明を今後並行して行っていくが、平成26年度の成果により固体試料についても同時に測定し両者を比較検討することができる。したがって、当初の計画とは異なった順序で研究が進んでいるが、全体的に見れば大きな研究の遅れを伴うものではなく、おおむね順調に研究が進展しているということができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
固体試料作製については、PVAゲルの手法を発展させて疑似生体環境を構築する方向で研究を進める。具体的には、温度でbRの結晶性が制御可能である人工リン脂質膜への再構成系（プロテオリポソーム）をPVAと混合させ、凍結・融解サイクルを経てゲル化させる。この固体試料が、固体の状態においても温度でbRの結晶性を制御することが可能かどうか、確認する。さらに、再構成膜の形状を球状のプロテオリポソームから平面膜となるよう転換を図る。bRを再構成した平面膜が、紫膜と同様にPVAゲル中で配向するか確認する。最終的に、作製した全ての固体試料中のbRに対して（1光子での）光化学反応を時間分解分光法で測定し、反応サイクル時間や反応効率を検討する。
bRの2光子励起による光書込み方法の確立については、まずは紫膜中のbRに対して波長可変フェムト秒レーザーを用いて広い波長範囲での励起波長・励起エネルギー依存性について検討を行い、bR光反応の2光子過程を詳細に調べる。2光子過程は基本的に励起光強度の2乗に比例した応答の観測をもって確認するが、純粋な2光子過程の他にも2乗に比例する応答が存在し得るため、1光子励起の結果と比較しながら注意深く研究を進める。さらに、固体試料作製の進展と連動して、2光子書込み効率に対するbR結晶性の寄与を検討する。
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| Causes of Carryover |
平成26年度の初頭の段階で試料作製のために必要不可欠な装置に重大な故障が生じ、bR試料作製が困難な状況に陥った。また、bR結晶性を評価するための分光測定装置も修理が必要な状態となった。このため本来の計画外ではあるが、代替装置の購入および既存装置の修理を行い、研究環境を確保した。これらの理由により、研究の進行順序に一部変更を余儀なくされた。平成26年度では当初予定していた研究項目の替わりに固体試料の作製について重点的に研究を進めることにしたため、次年度使用額が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究計画の変更により、当初平成26年度において行うと予定されていたbRの2光子吸収による書込み効率に関する研究などが手つかずの状態にある。これらについては平成27年度に行う予定であるので、次年度使用額も使用して研究を推進する予定である。
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Research Products
(3 results)
