【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.04.27】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22UE0012

利用課題名 / Title

生物・化学発光の分子基盤確立と材料開発への展開

利用した実施機関 / Support Institute

電気通信大学 / UEC

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

有機合成,分子構造,結晶構造,光計測,反応解析,生体機能,核磁気共鳴/Nuclear magnetic resonance,クロマトグラフ/Chromatography,質量分析/Mass spectrometry,赤外・可視・紫外分光/Infrared and UV and visible light spectroscopy,核磁気共鳴/Nuclear magnetic resonance,クロマトグラフ/Chromatography,赤外・可視・紫外分光/Infrared and UV and visible light spectroscopy,X線回折/X-ray diffraction,質量分析/Mass spectrometry,資源使用量低減技術/ Technologies for reducing resource usage,未利用資源の有効利用技術/ Technologies for effective utilization of unused resources,ナノ粒子/ Nanoparticles,メソポーラス材料/ Mesoporous material

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

平野 誉

所属名 / Affiliation

電気通信大学　大学院情報理工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

山崎倫尚,當眞英明,名内拓海,石川健晴,佐藤拓実,川端蒼葉,南雲莉花,山角亮太,大平賢士

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

松橋千尋,北田昇雄,桑原大介

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UE-003：溶液NMR装置
UE-018：精密構造解析用X線回折装置
UE-005：HPC型単結晶X線回折装置
UE-012：高速応答FT-IR
UE-013：ESI-TOF型質量分析計

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　我々は、「生物発光」に学ぶバイオイメージング技術の光化学基盤を提供するため、反応機構の解明と機能性発光物質の開発を進めている。具体的に、ウミホタル、オワンクラゲ、ホタルを中心に、生物発光の高性能発光の仕組みを分子レベルで解明し、この知見を光機能材料の開発に活かす研究を行っている。併せて、結晶内の化学反応によって化学発光を示すソフトクリスタル化学発光系の創製を推進している。特に、化学発光イメージングにより結晶反応の反応学理の構築と結晶発光材料開発を進めている。

実験 / Experimental

　生物発光と化学発光を示す有機化合物（発光基質）を設計、合成し、その発光特性を評価する実験を行った。発光基質の有機合成を行い、その構造決定や反応解析のためにNMR装置 (ECA－500)、ESI-TOF型質量分析計 (JMS-T100 Accu TOF)、MALDI-スパイラルTOF 質量分析装置 (JMS-S3000)、FT-IR分光計 (Nicolet 6700)を利用している。結晶内での化学発光反応を解析する研究では、作製した単結晶の構造解析のために単結晶X線回折装置 (XtaLab Synergy)を利用し、結晶の加熱に伴う熱物性変化を熱分析装置 (DSC8230/TG8120)で評価、結晶性の確認のために粉末X回折測定を粉末X線測定装置 (Ultima III)とX線回折装置 (SmartLab)を用いて回折パターンを測定して評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

　生物発光研究では、新規な生物発光基質を有機合成し、発光反応を触媒する酵素と組み合わせて発光特性を評価した。その結果、用いる酵素の分子認識特性や反応制御特性の違いと発光基質の分子構造と電子的性質の違いを反映して、発光強度や反応速度、発光極大波長の違いを確認した。観測された挙動には発光体の分子構造の変化も関与し、反応機構に照らし合わせて論理的な高性能発光基質の分子設計指針に寄与する重要情報を提供している。　化学発光研究では、結晶性の発光基質を有機合成し、結晶試料の加熱による発光反応を光検出で追跡した。この発光挙動は、試料の加熱によるXRDパターンの変化や熱分析、生成物解析の結果と共に総合的に評価した。その結果、結晶内で進行する化学発光反応の速度論、特に零次速度論を示す挙動や生成物の蓄積による相変化の誘起、構造異性体の結晶構造の違いによる反応性と発光特性の変化について新たな知見を得ることができた。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

下記の共同研究者の皆様に深く感謝いたします。植草秀裕 准教授（東工大），大山滉永氏（東工大植草研），佐藤文菜 講師（自治医科大），一柳光平 博士（SPring-8），森川淳子 教授（東工大），劉 芽久哉 博士（東工大・AIST），藤澤弘樹氏（東工大森川研），小畑繁昭 博士（コンフレックス），中山尚史 博士（コンフレックス），後藤仁志 教授（豊橋技科大），山路 稔 准教授（群馬大），長谷川真士 講師（北里大），真崎康博 教授（北里大）， V. R. Viviani 教授（ブラジル・サンカルロス大），金誠培 博士（産総研）

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Chihiro Matsuhashi, Intracrystalline Kinetics Analyzed by Real-Time Monitoring of a 1,2-Dioxetane Chemiluminescence Reaction in a Single Crystal, Bulletin of the Chemical Society of Japan, 95, 413-420(2022).
   DOI: 10.1246/bcsj.20210445
   
2. Chihiro Matsuhashi, Crystalline-state chemiluminescence reactions of two-fluorophore-linked adamantylideneadamantane 1,2-dioxetane isomers accompanied by solid-to-solid phase transitions, CrystEngComm, 24, 3332-3337(2022).
   DOI: 10.1039/D2CE00266C
   
3. Chihiro Matsuhashi, Analyses of chemiluminescence reactions of fluorophore-linked 1,2-dioxetane isomers in crystals heating at elevated temperature including a development of a simultaneous measurement method of thermal diffusivity and light emission for a single crystal, Analytical Sciences, 38, 1019-1024(2022).
   DOI: 10.1007/s44211-022-00118-2
   
4. Genta Kamiya, C-Series Coelenterazine-Driven Bioluminescence Signature Imaging, International Journal of Molecular Sciences, 23, 13047(2022).
   DOI: 10.3390/ijms232113047
   
5. Ryohei Ono, Quantum yield of near-infrared bioluminescence with firefly luciferin analog: AkaLumine, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 434, 114270(2023).
   DOI: 10.1016/j.jphotochem.2022.114270
   
6. Genta Kamiya, S-Series Coelenterazine-Driven Combinatorial Bioluminescence Imaging Systems for Mammalian Cells, International Journal of Molecular Sciences, 24, 1420(2023).
   DOI: 10.3390/ijms24021420
   
7. Takashi Hirano, A stable chemiluminophore, adamantylideneadamantane 1,2-dioxetane: from fundamental properties to utilities in mechanochemistry and soft crystal science, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 51, 100483(2022).
   DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2022.100483
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Norihisa Yamasaki, Chihiro Matsuhashi, Hironaga Oyama, Hidehiro Uekusa, Junko Morikawa, Meguya Ryu, Shojiro Maki, and Takashi Hirano, “An inhibitory factor in the crystalline state for the chemiluminescence reaction of 9,10-diphenylanthracene endoperoxide,” 25th IUPAC Conference on Physical Organic Chemistry (ICPOC25) (Hiroshima), Abstract R14a (2022. 7. 14).
2. 山﨑倫尚, 植草秀裕, 牧昌次郎, 平野 誉, “π共役系を調整したアントラセンエンドペルオキシドの特異な結晶化学発光挙動”, 2022年光化学討論会（京都大）, 1P89 (2022.9.13).
3. 松橋千尋, 藤澤弘樹, 劉芽久哉, 森川淳子, 大山滉永, 植草秀裕, 牧昌次郎, 平野 誉, “アダマンチリデンアダマンタン 1,2-ジオキセタンの結晶化学発光反応：反応初期の 0 次速度論挙動”, 2022年光化学討論会（京都大）, 3B08 (2022.9.15).
4. 松橋千尋, 大山滉永, 植草秀裕, 佐藤文菜, 一柳光平, 牧昌次郎, 平野 誉, “固相-固相転移を示す蛍光団連結型1,2-オキセタンの構造異性体による結晶化学発光反応”, 2022年光化学討論会（京都大）, 3B09 (2022.9.15).
5. 山﨑倫尚, 牧昌次郎, 平野 誉,“アントラセンエンドペルオキシドによる結晶特有の化学発光特性”, 生物発光化学発光研究会第37回学術講演会（和歌山県立医科大）, O-1 (2022.11.12).
6. 松橋千尋, 大山滉永, 植草秀裕, 佐藤文菜, 一柳光平, 牧昌次郎, 平野 誉, “強発光性蛍光団を導入したアダマンチリデンアダマンタン 1,2-ジオキセタン構造異性体結晶の固相-固相相転移型化学発光反応の発現”, 生物発光化学発光研究会第37回学術講演会（和歌山県立医科大）, O-2 (2022.11.12).
7. 當眞英明, 神谷弦太, 北田昇雄, 牧昌次郎, 金 誠培, 平野 誉, “π共役制御による安定型セレンテラジン類縁体の開発”, 生物発光化学発光研究会第37回学術講演会（和歌山県立医科大）, O-4 (2022.11.12).
8. 松橋千尋, 藤澤弘樹, 劉芽久哉, 森川淳子, 大山滉永, 植草秀裕, 牧昌次郎, 平野 誉, “化学発光で観る結晶内の化学反応：速度論解明”, 生物発光化学発光研究会第37回学術講演会講演要旨集（和歌山県立医科大）, O-11 (2022.11.12).
9. 山﨑倫尚, 松橋千尋, 植草秀裕, 劉芽久哉, 森川淳子, 中山尚史, 小畑繁昭, 後藤仁志, 牧昌次郎, 平野 誉, “化学発光で観る結晶反応：反応進行の抑制と速度論の実例”, 第1回ソフトクリスタル研究会（鎌倉商工会議所）, p.3 (2022.11.19).
10. 松橋千尋, 大山滉永, 植草秀裕, 佐藤文菜, 一柳光平, 牧昌次郎, 平野 誉, “蛍光団を導入した1,2-ジオキセタン構造異性体結晶の固相-固相転移型化学発光反応の発現”, 第1回ソフトクリスタル研究会（鎌倉商工会議所）, p.4 (2022.11.19).
11. 山﨑倫尚, 牧昌次郎, 平野 誉,“π共役系拡張アントラセンエンドペルオキシドによる結晶特有の化学発光特性”, 第1回ソフトクリスタル研究会（鎌倉商工会議所）, P-28 (2022.11.19).
12. 當眞英明, 神谷弦汰, 北田昇雄, 金 誠培, 牧昌次郎, 平野 誉,“π共役を制御したセレンテラジン類縁体の生物発光特性の評価”, 日本化学会第103春季年会（東京理科大）, K602-2vn-06 (2023.3.23).
13. 石川健晴, 松橋千尋, 牧昌次郎, 平野 誉, “アクリダン構造を有する1,2-ジオキセタン誘導体の結晶化学発光反応の解析”, 日本化学会第103春季年会（東京理科大）, K701-3am-11 (2023.3.24).

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件