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记者会见「生物化学発光定量计测装置开発でえられたホタル発光の効率と色决定机构の新事実」

1. 発表日時 平成19年12月4日（火）14時30分より

2. 発表場所 東京大学安田講堂4階会議室　（本郷キャンパス）

3. 発表タイトル
生物化学発光定量计测装置开発でえられたホタル発光の効率と色决定机构の新事実

4. 発表者
东京大学物性研究所?准教授　秋山英文
（东京大学物性研究所?研究员　安东頼子）
（产业技术総合研究所、北海道大学大学院医学研究科?教授　近江谷克裕）
（アトー株式会社技术开発部　久保田英博）

5. 発表概要

生物発光（ホタルやオワンクラゲなど）や化学発光（ルミノールなど）の絶対発光量を定量的に计测できる分光计测装置を开発した。开発した装置?技术は、生物科学研究のためだけでなく、临床検査?卫生検査などに用いる発光マーカーおよび分析装置の定量性?互换性を确保し生物発光の产业応用を进めてゆくための规格化?标準化技术としても重要である。
この装置を用いて、ホタル生物発光の効率（量子収率）と色の成分（スペクトル）を定量计测することに成功した。得られた结果は、ホタル発光の非常に高い効率と色変化のしくみに関する50年来の定説に异论を唱えるものであった。すなわち、量子収率の値は41.0±7.4%であり、これまで定説となっていた88%以上の特异的に高い量子収率とは大きく异なっていた。また、色変化についても、緑色発光の量だけが赤色発光と独立に増减して全体としての色変化を起こしていることが示され、黄緑色発光种と赤色発光种が化学平衡により迁り変わって色変化を起こすというこれまでの定説に强い疑いを示した。

6. 発表内容

摆背景闭　
ホタル生物発光は、酵素たんぱく质ルシフェラーゼの中で、有机分子ルシフェリンが惭驳イオンや础罢笔の助けを借りつつ酸素と反応して（酸化されて）オキシルシフェリンに変わり、その反応エネルギーの一部が光として放出されるものである。これらの物质をホタルからの抽出精製や化学合成により调整して水溶液中で反応させれば、试験管内でホタル生物発光を再现することができる。発光生物は多数存在するがその中でもホタルは古くからもっとも详しく研究されてきたものであり、ホタル生物発光は、その発光効率が高いことと、溶液の辫贬によって発光色が黄緑色から赤色に変化することなどが特徴としてよく知られている。
ホタル生物発光の高い発光効率は、「量子収率」（ルシフェリン1分子の反応から1光子が放出される确率として定义される）が、88％という他に例を见ないほど高い値であることで有名である。しかし、この88%という値は今から约50年も前の1959年に、いくつかの人為的な仮定に基づき、かつ当时の限られた测定技术を用いて评価された値そのままの引用である。しかも、当时の文献などを调査して解ったことであるが、当时の测定に用いた试料には纯度の面で问题があったことが后になって判明してデータの自己矛盾が示唆され追试の必要性が强く指摘されていた事実もある。それにもかかわらず、88%の値は広く知れわたり定着してしまったため、これまで検証や追试がなされてこなかったという歴史的経纬がある。
辫贬に伴う色変化の机构も、当时から非常に関心をもたれ今日まで盛んに研究されてきた。色変化のスペクトルデータは、黄緑色の発光种と赤色の発光种が辫贬化学平衡により迁り変わっていると解釈され、発光种の様々な微视的なモデルが提唱さてきた。しかし、全ての実験结果を无矛盾に説明できるモデルは未だ无く、色変化の机构は决着していないのが现状である。効率が高く制御性のよい生物発光は、発光システム?発光デバイスの理想型として、生物学のみならず化学、物理学、电子工学などの研究者の注目する的となっている。
ホタルの発光系は、このように基础科学的に関心を持たれているが、そればかりではなく、近年の遗伝子组み换え技术やクローニング技术の进歩と相まって、バイオテクノロジー分野での応用がすでに盛んである。遗伝子発现のレポーター试薬?マーカーや、础罢笔を検出する卫生検査试薬などはその代表例であり、最近ではさらに、切除すべきがん细胞の可视化?画像化など、医学医疗现场での応用可能性も注目されている。ホタルをはじめ様々な生物発光を用いたマーカー?试薬の开発とその応用のためには、発光の定量评価が重要で、そのための规格や标準の検讨?技术开発が强く求められている。

摆成果1闭　
こうした背景のもと、东京大学物性研究所?秋山研究室、产业技术総合研究所?近江谷研究室、アトー株式会社?久保田チームからなる共同研究グループは、生物発光や化学発光の絶対発光量を定量的に分光计测することの必要性?重要性を强く认识して、これまで协力して技术开発を行ってきたが、今回その分光计测装置を完成させることに成功した。この装置は、溶液から四方八方に放射される全光束に含まれる光の量（光子の絶対数）を、発光の各波长もしくはエネルギーに対して计测することができる分光计测装置（発光スペクトロメータ）である。可视域の任意の発光色をもつ试料に対して计测が可能で、得られたスペクトルの全积分から発光総光子数が求められ、量子収率を决定することができる。実际、今回のホタルの発光计测に先立って、过去に量子収率の定量计测の蓄积が存在するほぼ唯一の発光系であるルミノール化学発光について量子収率测定を行い、良い一致を确かめている。
この装置は、作為的あるいは近似的な仮定を使わず、物理学的に正当な手顺?技术?ツールのみを用いてそれらのつみあげによって光量の絶対値が校正されることが重要なポイントである。このため、発光量の絶対値の决定精度は、国家标準?国际标準として决定?供给される光パワーおよびスペクトル分布の标準へトレーサブルにすることができる。また、実际の生物化学発光の计测に必要な、溶液の混合と反応を行うための机构や微弱発光を计测するための高い検出感度など、実用的な要请も満たすように作製してある。本开発は、生物科学研究のためだけでなく、临床検査?卫生検査のための発光マーカーや分析装置の规格化?标準化を进め、生物発光计测の定量性?互换性を确立し产业応用を组织的に発展させてゆくための技术としても重要である。

摆成果2闭　
我々は、この装置を用いて、北米産ホタル（Photinus Pyralis）生物発光の量子収率とスペクトルを定量計測し、それらのpH依存性を明らかにすることに成功した。得られた結果は、ホタル発光の非常に高い効率と色変化のしくみに関する50年来の定説に異論を唱えつつ新たな定量データを提示するものであった。
北米产ホタルの生物発光の量子収率は、バッファー溶液の种类など反応条件にあまり依存せず安定して再现性よく测定された。しかし、その値は41.0±7.4%であり、これまで定説となっていた88%以上という特异的に高い量子収率とは大きく异なった。
また、定量计测された発光スペクトルは、緑色発光の量だけが赤色発光と独立に増减して全体としての色変化を起こしていることを示すものであった。したがって、黄緑色発光种と赤色発光种が化学平衡により迁り変わって色変化を起こすというこれまでの定説には强い疑いを示すかたちとなった。
さらに、我々は、得られた発光スペクトルが、1.85 eV, 2.0 eV, 2.2 eVにそれぞれピークを持つ3つのガウス型発光成分を仮定することにより定量解析できることを見出した。そして、2.2 eVのピーク成分の強度がpHに依存して変化し、一方、1.85 eVと2.0 eVにピークを持つ2つの成分の強度はpHにあまり依存しない様子を、量子収率のうちわけとして定量的にプロットに示すことができた。
これらの定量的な実験および解析は、ホタル発光の详细な机构を解明?利用してゆくために最も基本的でかつ重要な知见であるうえに、他种のホタルやホタル以外の生物発光研究のモデルケースとしても非常に重要である。

摆展望闭
开発した装置は、さらに校正の精度を高めてゆくとともに、普及型の汎用市贩装置として完成させ、生物化学発光の基础研究と応用开発研究の両方の発展に贡献したい。
また、日本のゲンジホタル?ヘイケホタルや、鉄道虫や光コメツキムシなど、ホタルファミリーの类似生物発光系、さらに、オワンクラゲや海ホタルなど异种生物発光系の定量计测と定量解析?比较を进め、生物発光机构のさらなる理解につなげてゆきたい。

7. 発表雑誌

公开解禁日时：　日本时间12月10日（月曜日）午前3时
英国学術雑誌「Nature Photonics」2008年1月　（オンライン版2007年12月9日公開）
論文タイトル：　“Firefly bioluminescence quantum yield and colour change by pH-sensitive green emission”
着者名：　安东頼子(东大物性研)、丹羽一树（产総研）、山田展之(アトー（株）)、入江勉(アトー（株）)、榎本敏照(アトー（株）)、久保田英博(アトー（株）)、近江谷克裕（产総研?北大医）、秋山英文(东大物性研)

8. 共同研究各代表者および問合せ先

秋山英文　　　东京大学物性研究所　先端分光研究部门　准教授
〒277-8581千叶県柏市柏の叶5-1-5　　
电话04-7136-3385

近江谷克裕（おうみや　よしひろ）　北海道大学大学院医学研究科 教授
TEL: 011-706-5042
産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門
〒563-8577 大阪府池田市緑丘1-8-31　TEL: 072-751-7997

久保田英博　　　アトー株式会社?技術開発部 http://www.atto.co.jp
〒133-8425东京都文京区本郷1-25-23
电话03-5684-6644

9. その他　

　本研究の基干部分は、东京大学大学院新领域创成科学研究科物质系専攻における安东頼子氏の博士论文研究として行われた。また、本研究は、国立大学法人东京大学物性研究所?运営费交付金、独立行政法人科学技术振兴机构?独创的シーズ展开事业（独创モデル化）および戦略的创造研究推进事业研究费を受けて行われた。