[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

決め手はケイ素!身体の中を透視する「分子の千里眼」登場

[スポンサーリンク]

じんわりといのちを照らす画期的な蛍光分子が誕生

 

身体の中を透かして見せる。もし、これができればいろいろな場面で役に立ちます。例えば、ガンであるとか腫瘍の位置があらかじめ分かれば、むやみやたらとわたしたちのお腹を開いて探しまわらなくても済みます。また、マウスラットといった実験動物を使った研究でも、同様に便利なことでしょう。

ここ数年で、身体を透過し赤外線の光でじんわりと判別できる蛍光分子が、新たに開発され、注目を集めはじめています。不可能が可能に変わりつつあるのです。ローダミンを改変した注目株[1],[2],[4]、分子設計の決め手はケイ素原子にあり、とな?

可視光と比べて、波長の短い光は紫外光と呼ばれる一方、波長の長い光は赤外光と呼ばれます。赤外光は可視光をさえぎるような材質でできた物体であっても透過できます。このことはよく知られた性質です。例えば、赤外線撮影すると、太陽光の下でも薄着の布一枚くらいは透かして見えます。悲しいかな、海水浴場などの公共の場では「赤外線撮影で盗撮するな」とわざわざ迷惑防止の条例に都道府県[6],[7]ごと定められているほどです。

GREEN2013sirho999.png

盗撮ダメ!ぜったい

そして、実際、この赤外線を使い、マウス体内にある腫瘍の可視化に成功しています[2]。身体の中の様子が丸分かりです。マウスの身体を透過する光を当てて、蛍光分子の輝きを検出しています(緑色は画像処理した擬似カラー)。

2015-06-08_07-47-54

からだのなかがスケスケです / 論文[2]より転載

透視で見通す千里眼。あるがままを受け入れざるを得なかった生物学に、確固な物質基盤の理解のもとなすがままの制御を可能にする化学が、新たに組み合わさるとき、わたしたちは何を見るのか、何が見えるのでしょうか。

ケイ素ローダミンは きらめくスターダム

蛍光分子は、決まった波長の光が当たると励起し、引き続いて決まった波長の光を蛍光として放出します。しかし、励起光と蛍光のどちらも赤外光となるような蛍光分子で、きわだって十分に明るいものは、あまり存在せず、実際の利用は限定的でした。赤外光は光子1個あたりの持つエネルギーが小さく、改善には困難が予想されます。赤外光に対応した蛍光分子の創製は、文字どおり挑戦的な課題です。

ローダミンは、アミノ基とトリフェニルメタン構造を持つ、蛍光分子のグループであり、多くは赤色の蛍光を放ちます。しかし、赤外光には対応していません。もう少しだけ波長を長くする必要があります。炭素・水素・酸素・窒素といった定番の元素では克服できなかった壁を乗り越えるため、新たにケイ素SiゲルマニウムGeスズSnの14族元素を使ったローダミンの構造展開が検討されました[4]。この分子設計は、有機エレクトロニクス分野で発展いちじるしい典型元素化学[8],[9]の知見からも後押しされるものです[4](下記補足参照)。

実際に合成して比較したところ、成果は次のグラフのとおり。

GREEN2013rho01.png

波長が長いほど「身体を透ける蛍光分子」として好ましい

波長を最も長くできた改変ローダミンは、ケイ素を使ったものでした[4]。(質量分析機器で検出できる程度には合成できたものの不安定で蛍光特性は測定できなかった)スズローダミンは別として、ローダミン合成の前駆体で試した結果を加味して補うと、波長を長くする作用は「Si > Ge > Sn」の順になっていると考えられます[4]。

こうして最も優秀な成果[4]を出したケイ素ローダミンに注力。試行錯誤が続けられ、ついには700nmの王台を突破[2]し、ケイ素ローダミンはスポットライト輝くスターダムに歩を進めたのでした。

 

じんわりといのちを照らして見せるケイ素ローダミン

いくつか鮮やかな実演が報告されています。 例えば、タグつきタンパク質[1]、クリックケミストリー[1]、抗体[2]との組み合わせなどです。透過能力に加えて、赤外光は紫外線ほどには組織の細胞を傷つけない点も長所にあげられます。

「ケイ素ローダミン」×「タグつきタンパク質」[1]

sir1.png

(1) 細胞での動態を調べたいタンパク質について遺伝子を改変し、SNAPタグと呼ばれる特別なアミノ酸配列を付け加えます。このSNAPタグは、いわゆる自殺酵素のアミノ酸配列を利用したものです。細胞のDNA損傷を修復するタンパク質に由来しており、アルキル化されたグアニンを認識して、これと共有結合する性質があります[5]。

(2) タグつきタンパク質の遺伝子を実験動物に導入します。グアニンつきケイ素ローダミンを加えると、反応して蛍光標識することができます[1]。

「ケイ素ローダミン」×「クリックケミストリー」[1]

sir2.png

(1) 遺伝暗号拡張でトランスシクロオクチンつきの特殊アミノ酸を取り込んでリボソームがタンパク質合成できるようにしておきます。本来、リボソームは20種類の標準アミノ酸をつなげてタンパク質を作ります。しかし、いくつか遺伝子操作で準備しておくと、人工アミノ酸を思いのままに使わせることができるのです。

(2) テトラジンつきケイ素ローダミンを投与して蛍光標識します。トランシクロオクチンとテトラジンの組み合わせは、クリックケミストリーの新先鋒[3]であり、水中でも安定して速やかに反応が進みます。人工アミノ酸を1カ所を置き換えるだけのため、SNAPタグと比べてタンパク質立体構造への影響が少ない点が特長です[1]。

「ケイ素ローダミン」×「抗体医薬」[2]

冒頭にあげたマウス腫瘍を可視化した原理はこちらです。

GREEN2013sir9.png

(1) あらかじめガン組織を認識する抗体タンパク質に、ケイ素ローダミンのスクシンイミド誘導体を反応させておきます。タンパク質にあるアミノ基が標識されます。

(2) ケイ素ローダミンで標識された抗体をマウスに注射します。すると、抗体ががん細胞上の特異な構造を認識します[2]。マウスは遺伝子操作されている必要はなく、野生型個体で構いません。そのため、理屈上、ヒトでも同様のことが可能なはずです。

 

道具は揃いつつあります。どういう発展を遂げ、どういう成果が出てくるのか、まだまだ目が離せなそうです。

 

参考文献

  1. “A near-infrared fluorophore for live-cell super-resolution microscopy of cellular proteins.” Lukinavicius G et al. Nature Chemistry 2013 DOI: 10.1038/nchem.1546
  2. “Development of NIR fluorescent dyes based on Si-rhodamine for in bivo imaging.” Yuichiro Koide et al. J. Am. Chem. Soc. 2012 DOI: 10.1021/ja210375e
  3. “Genetic encoding of bicyclononynes and trans-cyclooctenes for site-specific protein labeling in vitro and in live mammalian cells via rapid fluorogenic Diels–Alder reactions.” Lang, K. et al. J. Am. Chem. Soc. 2012 DOI: 10.1021/ja302832g
  4.  “Evolution of group 14 rhodamines as platforms for near-infrared fluorescence probes utilizing photoinduced electron transfer.” Yuichiro Koide et al. ACS Chem. Biol. 2011 DOI: 10.1021/cb1002416
  5. “Labeling of fusion proteins with synthetic fluorophores in live cells.” Keppler A et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004 DOI: 10.1073/pnas.0401923101
  6. 茨城県 迷惑防止条例 第二条
  7. 山口県 迷惑防止条例 第三条
  8. リバネスsomeoneオンライン公開記事:挑戦とひらめきが新たな世界を呼ぶ(http://someone.jp/2012/09/tamaokohei/)
  9. “Silole derivatives as efficient electron transporting materials.” Kohei Tamao et al. J. Am. Chem. Soc. 1996 DOI: 10.1021/ja962829c

 

補足「なぜケイ素か?」

蛍光分子は、最高被占軌道(highest occupied molecular orbitalHOMO)から最低空軌道(lowest unoccupied molecular orbitalLUMO)にいったん励起され、そこから放出されるエネルギーで輝く。反結合性パイ軌道(antibonding pi orbitalπ*)との相互作用に、ケイ素原子の反結合性シグマ軌道(antibonding sigma orbitalσ*)はより好ましく、炭素原子の反結合性シグマ軌道では最低空軌道が断絶してしまうが、ケイ素原子の反結合性シグマ軌道であれば最低空軌道が含ケイ素環で断絶しない。共役系がつながり最低空軌道のエネルギー準位が低下すると、励起波長と蛍光波長が深色効果(bathochromic effect)で長くなる。ゲルマニウム原子やスズ原子では、炭素原子との結合長がケイ素原子の場合よりも長くなることで軌道相互作用が減り、深色効果による波長の変化幅も劣る。

Green

投稿者の記事一覧

静岡で化学を教えています。よろしくお願いします。

関連記事

  1. 芳香環メタ位を触媒のチカラで狙い撃ち
  2. Dead Endを回避せよ!「全合成・極限からの一手」③
  3. クレブス回路代謝物と水素でエネルギー炭素資源を創出
  4. 『鬼滅の刃』の感想文~「無題」への回答~
  5. ChemDrawの使い方【作図編①:反応スキーム】
  6. 第2回「Matlantis User Conference」
  7. キッチン・ケミストリー
  8. ポンコツ博士の海外奮闘録 〜コロナモラトリアム編〜

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. BASF150年の歩みー特製ヒストリーブックプレゼント!
  2. 活性ベースタンパク質プロファイリング Activity-Based Protein Profiling
  3. 堀場雅夫 Masao Horiba  
  4. 製薬、3強時代に 「第一三共」きょう発足
  5. 京都の高校生の学術論文が優秀賞に輝く
  6. 2021年化学企業トップの年頭所感を読み解く
  7. 日本化学会第85回春季年会
  8. 氷河期に大量のメタン放出 十勝沖の海底研究で判明
  9. 歪んだアルキンへ付加反応の位置選択性を予測する
  10. 計算化学記事まとめ

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2013年8月
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

注目情報

最新記事

推進者・企画者のためのマテリアルズ・インフォマティクスの組織推進の進め方 -組織で利活用するための実施例を紹介-

開催日:2023/03/22 申し込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の…

日本化学会 第103春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part3

Part 1・Part2に引き続き第三弾。日本化学会年会の付設展示会に出展する企業とのコラボです。…

第2回「Matlantis User Conference」

株式会社Preferred Computational Chemistryは、4月21日(金)に第2…

日本化学会 第103春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part2

前回のPart 1に引き続き第二弾。日本化学会年会の付設展示会に出展する企業とのコラボです。…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける従来の実験計画法とベイズ最適化の比較

開催日:2023/03/29 申し込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の…

日本化学会 第103春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part1

待ちに待った対面での日本化学会春季年会。なんと4年ぶりなんですね。今年は…

グアニジニウム/次亜ヨウ素酸塩触媒によるオキシインドール類の立体選択的な酸化的カップリング反応

第493回のスポットライトリサーチは、東京農工大学院 工学府生命工学専攻 生命有機化学講座(長澤・寺…

カーボンニュートラルへの化学工学: CO₂分離回収,資源化からエネルギーシステム構築まで

概要いま我々は,カーボンニュートラルの実現のために,最も合理的なエネルギー供給と利用の選…

クリック反応を用いて、機能性分子を持つイナミド類を自在合成!

第492 回のスポットライトリサーチは、岐阜薬科大学 合成薬品製造学研究室 (伊…

セライトのちょっとマニアックな話

セライト (Celite®) は Imerys Minerals, Inc. の登録…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP