細胞の中に測定装置を入れることはできるだろうか。山岸准教授が開発した「有機マイクロレーザー（※1）」は、細胞の中で分子の濃度をナノスケールで計測できる。従来の分子プローブでは不可能だった、生体との親和性と高い測定精度を両立する新しい試みだ。
有機マイクロレーザーで細胞内の分子を測る
細胞という複雑な構造体で起こる化学反応を計測する「レーザーバイオプローブ」を提唱し、開発しています。細胞は「無数の分子やタンパク質を内包する容器」です。その内部で時々刻々とダイナミックに変化する分子の濃度を、細胞の内部で計測するプローブの実現に挑戦しています。
分子を等方的に集合させて球状の粒子を作製する「分子集合」という方法を用いて、有機色素分子や有機高分子を凝集させたところ、プローブ機能を持つ材料から狙い通りにマイクロレーザーを作製することができ、2021年に発表しました。さらにこの素子を利用した分子濃度センサーを研究し、希薄なガス分子（1ppm以下）の検出にも成功しました。
現在は次の段階として、レーザーを細胞内へ導入して、分子濃度の測定をしようとしています（図右）。さらにその後はマイクロレーザーの表面にホスト分子や抗体を付けて、特定の分子を識別して測定できるようにします。そうすれば、特定の分子やタンパク質について、発現量の微細な変化や、短時間の変化を定量的に捉えることができます。バイオの研究者の方々からは、機械刺激に応答したATP（※2）の発現量変化、温度変化に応答した熱ショック因子の発現量変化、ニオイ分子の局所的定量などの提案を受けており、これらに取り組む予定です。
（図）有機蛍光分子（左）では、発光バンドの波長幅が数十から数百nmと幅広く、近い色をもつ色素の発光がお互いに重なりあってしまう。これに対して、有機マイクロレーザー光（右）は極めて鋭い発光ピーク（0.1nmほど）を示す。（作図：山岸洋）
高精度が求められる計測の難しさ
このような有機的な手法に挑戦したのは、これまでの測定法の課題を解決したかったためです。タンパク質濃度の既存の計測法としては、有機蛍光分子による蛍光スペクトルの変化を相対的に計測する「比色測定」が知られています。細胞内に蛍光分子を入れておき、タンパク質との反応による、励起光の波長の変化を利用するものです。けれども蛍光プローブの精度は１mM程度であり、少なくとも必要なnMレベルには及びません（図左）。
近年では蛍光プローブに変わる新しい光プローブとしてマイクロレーザーの応用が模索されていますが、いまだに実現されていません。現在利用されているマイクロレーザーのほとんどはGaAsなどの無機材料で作製されており、その毒性のため長期にわたる測定ができません。また、無機材料であるがゆえに、素子の表面に抗体やホスト分子などの分子認識の部位を取り付けることが困難です。これに対して、有機材料であれば、細胞内の分子と親和性が高いので、このような問題を解決できるはずだと考えました。
有機化学の視点から生命現象を探りたい
私は有機化学者として、どのような分子でマイクロレーザーを作製すべきか、どのような光特性を利用すべきか、と思案しながら研究を進めることが楽しみです。細胞はとても複雑な機械であり、その挙動をリアルタイムで把握したい、というのが一番のモチベーションです。今回の研究の知見に基づき、新たな生命システムの構築にもトライしたいと考えています。
（※1）マイクロレーザー：光物理の分野で研究されている大きさ数㎛ほどのレーザー光源。
（※2）ATP：アデノシン三リン酸（adenosine triphosphate）の略称。アデノシン二リン酸に分解される過程で放出されるエネルギーが、生命活動に欠かせないエネルギー源となる。
（取材日：2025年8月19日）
