超高感度蛍光顕微鏡システムによる分子システムの磁気感受測定方法を開発－生体磁気感受のミクロ計測に道－(大学院理工学研究科前田公憲准教授)

2025/1/22

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ポイント
生体内での磁気の影響を調べるために特化した、きわめて高感度の蛍光顕微鏡システムを自作しました。
EMCCDカメラによる測定における磁場のモジュレーションに対する信号のデジタルロックイン検出法、SPADによるフォトンカウンティング測定を組み合わせ、微小領域における磁場効果測定を可能にしました。
FCS実験等から観測視野中の分子数は約23個であり、極めて少ない分子数での磁場効果測定が可能である事が実証されました。
これを用いてフラボエンザイムのモデルとなるタンパク質とフラビン分子との結合状態におけるラジカル反応の磁場効果を観測しました。蛍光の異方性の測定も可能で、分子の回転に関する情報も得られます。
概要

Sungkyunkwan大学のルイスアンテル教授(研究当時：埼玉大学特定プロジェクト研究員)、埼玉大学大学院理工学研究科の前田公憲准教授らの研究グループは、生体内における量子論的な効果であると考えられており、量子生命科学や量子生物学の中心的な課題の一つである、生体分子システムにおける光化学反応中間体の磁場効果を高感度で測定可能な蛍光顕微鏡を作製し、タンパク質とバインドしたフラビン分子系の光反応の磁場効果の高感度測定に成功しました。高感度のEMCCDカメラとフォトンカウンティング用のSPADとを組み合わせることにより、極めて少ない蛍光分子数での測定が可能となりました。

図：本研究で用いた方法論の概要

a) タンパク内で起こるラジカル反応とその反応スキーム．光励起により励起状態から一重項ラジカル対1[F-• D+•]もしくは三重項ラジカル対3[F-• D+•] がつくられる．この２種類のラジカル対の間の行き来において，量子コヒーレント運動が起こる．この運動は非常に小さな磁場の影響を受ける．この事がその後の反応性に影響して，生体内の磁場効果の原因となりうる．さらに分子に対する磁場の方向の影響もうけるため，渡り鳥の磁気コンパスとの関連が期待される．
b) 装置のセットアップ．
c) 少量の分子における蛍光の観測は雑音の中で埋もれていて直接観測は困難
d) SPAD検出におけるタンパク質とリガンドとの結合の例．リガンドとタンパク質との光化学反応．ラジカル対においてField on およびoffにおけるフォトンカウンティングによる磁場効果測定
e) EMCCD検出においては信号をデジタルロックイン検出する事により，磁場のモジュレーションに対する応答のS/N向上を図ることが出来る．
出典：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01593-x(オープンアクセス)

論文情報

掲載誌
Nature Photonics (2025).

論文名
Introduction of magneto-fluorescence fluctuation microspectroscopy for investigating quantum effects in biology.

著者名
Antill, L. M. *, Kohmura, M., Jimbo, C. & Maeda, K.

DOI
10.1038/s41566-024-01593-x

URL
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01593-x

用語解説

ラジカル対：不対電子を持つ分子すなわちラジカルが対となって近距離に存在する状態を表す。このような状態における２つの電子スピンの相対配向を含めた状態として三重項と一重項とが存在する。この２種類の状態の割合が、極めて小さな外部磁場においても変化する事により、その後の反応性に違いが現れる。これらが分子に対する磁場の向きにも影響を受ける事から、化学的なコンパスとして機能する可能性がある。
レーザー蛍光顕微鏡：レーザー光を光源として、試料の蛍光を観察する顕微鏡。
EMCCD：電子増倍型CCDカメラ。
SPAD：シングルフォトンアバランシェフォトダイオード、フォトンカウンティング測定が可能なアバランシェフォトダイオード。
蛍光相関分光法(FCS)：蛍光によるフォトンの相関から分子系のダイナミクスを観測する分光法。

前田　公憲（マエダキミノリ）｜埼玉大学研究者総覧