蛍光「暗状態」の制御改善により分子イメージング技術が飛躍的に向上

Tokyoセントジュード小児研究病院の研究者たちは、単一分子蛍光共鳴エネルギー移動（smFRET）を用いて微小な距離を測定する方法を改良しました。この技術は、フルオロフォアと呼ばれる物質がどのように光を放つかを追跡します。フルオロフォアは、その励起された電子が落ち着くときに光ります。しかし時には、これらのフルオロフォアが光を放射するのをやめ、三重項暗状態と呼ばれる状態になることがあります。この状態は、smFRETの測定の精度と正確性を低下させる可能性があります。

セントジュードの科学者たちは、分子イメージングにおけるダークステートの長さを調整する新たな方法を開発しました。これにより、イメージング過程がより明確で正確になりました。彼らはその成果を雑誌「Nature Methods」に発表しました。

研究では、フルオロフォアが非蛍光状態である三重項暗状態に入るため、しばしば光を放出しなくなることがわかりました。これにより、明るさが低下し、単一分子FRET測定に悪影響を及ぼす可能性があります。しかし、セルフヒーリング技術を用いることで、これらの暗状態を減少させることができ、イメージングの解像度が大幅に向上します。

分子の動きを理解することは、生物学の働きを知る上で重要です。smFRETという技術を使うと、科学者たちはこれらの動きをリアルタイムで観察することができます。セントジュードの構造生物学および化学生物学・治療部門のスコット・ブランチャード博士は、smFRETイメージングの改善に取り組んでいます。彼のチームは、これらの分子イベントをより正確に測定するための特別な蛍光色素を開発しました。

ブランチャードのチームは、分子レベルでの測定のために、より良い方法を必要としていたため、独自の蛍光分子を開発しました。通常の蛍光分子は、適切に機能させるために根本的な変更が必要であることを発見しました。単一分子FRET（smFRET）では、科学者たちはバイオ分子の異なる部分に二つの蛍光分子を結合させます。一つ目の分子はレーザーによって励起され、その近くに二つ目の分子が存在する場合、エネルギー移動が起こり、二つ目の分子が光を放ちます。これらの光の発光は、分子レベルでの距離測定に不可欠です。

蛍光体は電子のスピン状態に基づいて光を放出します。通常、励起された電子は元のスピン状態に戻って緩和しますが、時々異なるスピン状態に変わって、光を放出しない長寿命の三重項状態に入ることがあります。この現象は蛍光体の明るさを低下させ、smFRETの距離測定の精度に影響を与えます。

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単一分子FRETにおいては、ドナーとアクセプタ染料が同様に振る舞う必要があります。しかし、三重項のダーク状態が生じると、これらの性質に違いが生まれ、データの質が低下します。これを改善するために、蛍光団の設計では三重項状態の持続時間を短縮することに重点を置いています。

自己修復技術はこの問題に対処しています。過去の解決策であるシクロオクタテトラエンは溶解性の問題を抱えていましたが、ブランチャードのチームはシクロオクタテトラエンを使用してフルオロフォアを作り出し、結果として自己修復性フルオロフォアを開発しました。これによりトリプレット状態での滞在時間が大幅に短縮されました。

自己修復型蛍光団を用いた単分子FRET法では、データの精度と信頼性が向上します。これにより、レーザーの強度を上げても高いイメージング品質が維持されます。これらの改善によって、単分子FRET法の可能性が広がり、世界中で様々な用途に利用されています。

自己修復型蛍光団は、多くの利点を提供します。光の下では明るく、より安定しており、単一分子FRETイメージングにおいて優れた空間分解能と時間分解能を実現します。これにより、ミリ秒単位でナノメートルの詳細が得られ、通常の酸素条件でもよく機能します。

ブランチャードは、これらの発見がセント・ジュードや他の場所の研究者に役立つと考えています。自己修復型の蛍光マーカーはセント・ジュードの計画の一環であり、多くの蛍光応用分野を向上させる可能性があります。この新しい技術は、多くの科学的なブレークスルーに期待が持てます。