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肉眼でも観察できる!3色(水色,黄緑色,橙色)の高光度発光タンパク質大阪大学産業科学研究所 中野 雅裕, 永井 健治

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 ホタルやヤコウタケなどの生物発光は,外部からの励起光照射なしに,細胞内の酵素タンパク質ルシフェラーゼが発光物質ルシフェリンを酸化するという化学反応によって光を出す。従って,生物発光を用いれば,励起光の影響がなく細胞や個体のイメージングが可能である。しかし,生物発光は蛍光の1000倍以上暗く,バイオイメージングへの応用は困難であった。そこで我々はウミシイタケ由来のルシフェラーゼとオワンクラゲ由来の蛍光タンパク質をハイブリッド化し,フェルスター共鳴エネルギー移動の原理を利用することで,従来比で10倍以上明るく黄緑色に光る高光度発光タンパク質 Nano-lantern(ナノ・ランタン)を開発した1)。依然として蛍光よりは暗いものの,背景光がゼロであるため,シグナル-背景光比は蛍光のそれを遥かに凌駕し,高感度に実時間でシグナルを検出することが可能になった。実際,ナノ・ランタンでマーキングすることにより自由行動下におけるマウス体内の癌組織を実時間検出することに世界で初めて成功した。さらに,我々はナノ・ランタンを改良して,水色および橙色の高光度発光タンパク質を開発した2)。いずれもナノ・ランタンと同等の明るさで光るため,高感度カメラを使わなくとも,肉眼やスマートフォンのカメラでその発光を観察することができる(図1)。
 3色のナノ・ランタンが完成したことにより,細胞内の微細な構造の動態や遺伝子の発現を複数同時に計測することが初めて可能となり,万能細胞(ES細胞)の万能性維持に重要な3つの遺伝子の発現の様子を同時に観察することに世界で初めて成功した。万能細胞の研究では,蛍光タンパク質を用いる際の自家蛍光や光毒性の影響が問題となっていたが,励起光を必要としないナノ・ランタンを用いれば,自家蛍光や光毒性の影響を全く受けない。従って,再生医療の研究において大きな貢献が期待される。さらに,ナノ・ランタンを改変して細胞内カルシウムイオンを検出できる3色の発光センサーの開発にも成功した(図2)。これらの発光センサーは,光で細胞の活動やタンパク質の機能を制御する光遺伝学的技術との組み合わせが容易である。神経活動の操作と計測を同時に行うことが可能となり,脳機能の解明に大きく貢献する解析技術になるであろう。

参考文献

  • Saito K, Chang YF, Horikawa K, Hatsugai N, Higuchi Y, Hashida M, Yoshida Y, Matsuda T, Arai Y, Nagai T. “Luminescent proteins for high-speed single-cell and whole-body imaging” Nature Communications 3, 1262, 2012
  • Takai A, Nakano M, Saito K, Haruno R, Watanabe TM, Ohyanagi T, Jin T, Okada Y, Nagai T. “Expanded palette of Nano-lantern for real-time muliti-color luminescence imaging” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 4352-4356, 2015
    *本研究は理化学研究所生命システム研究センターの岡田康志チームリーダーらの研究チームとの共同の成果

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