Caged化合物を用いた生物発光のリアルタイムバイオセンサーへの応用

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平成17年度はCaged ATPから生成されたATPによるホタルルシフェリン-ルシフェラーゼ(Ln-E)発光を捕らえることに成功したが、発光が観測された時間スケールは予想よりかなり長かった。このため、平成18年度はまずミリ秒の時間分解測定に適した測定系を構築した。さらに、反応セルと測定系の間に高速シャッターを設置し、ルシフェリンの蛍光による光電子増倍管の飽和を防ぎ、大口径レンズで集光して信号強度を増大させた。その結果、発光の減衰には早い成分(減衰定数約5ms)と遅い成分(約100ms)のあることが明らかになった。遅い成分の減衰定数は、溶液のpH、ルシフェリン濃度、溶液の粘性に依存したが、早い成分はほとんど依存しなかった。このため、早い成分はルシフェラーゼに捕らえられたCaged ATPから生成されたATPが発光に寄与しており、遅い成分はルシフェラーゼの外でCaged ATPから生成されたATPがルシフェラーゼに捕らえられて発光すると推定された。一方、電子状態計算においては、ホタルルシフェリンおよびその3種のアミノアナログに関してルシフェラーゼの活性中心に取り込まれたときの生物発光量子収率を1)基質-酵素間相対コンフォメーション、2)断熱ポテンシャルの反応座標依存性、3)オキシルシフェリンおよびそのアナログの励起状態からの可視光の放出の差異として計算機実験により定性的に見積もり、オキシルシフェリンの水酸基が脱プロトン化されることの重要性が見出された。また、光励起キャリアによってCaged ATPを分解させる固体基板の有力候補としてTiO_2の光励起キャリアダイナミクスについて研究を行い新しい知見が得られた。以上の画期的な成果は、TiO_2を励起しCaged ATPを分解してLn-E発光を誘起することを利用したリアルタイムバイオセンサーの開発に対して重要な指針を与えるものである。