【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UE0012

利用課題名 / Title

生物・化学発光の分子基盤確立と材料開発展開

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）/Internal Use (by 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,質量分析/ Mass spectrometry,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,核磁気共鳴/ Nuclear magnetic resonance,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet 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,高度素材識別技術/ Advanced material identification technology,未利用資源の有効利用技術/ Technologies for effective utilization of unused resources,ナノ多孔体/ Nanoporuous 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,石川健晴,佐藤拓実,南雲莉花,山角亮太,上田 新,兵藤遊馬

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）,技術補助/Technical Assistance

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

UE-003：溶液NMR装置
UE-005：HPC型単結晶X線回折装置
UE-014：熱分析装置
UE-019：MALDI-スパイラルTOF 質量分析装置
UE-021：固体対応NMR装置

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、結晶内での化学反応により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、JNM-ECZL500R)、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。結晶の加熱による脱溶媒、反応誘起、融解等の変化を熱分析装置 (DSC8230/TG8120)を用いたTG-DTA測定により評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

ホタルの生物発光研究では、新規に置換基構造を調整した生物発光基質を有機合成し、発光酵素と組み合わせて生物発光特性を評価した。その結果、新たな光化学過程の関与する発光特性を見出した。海洋生物発光系の発光基質については、π共役系への置換基導入による電子的性質の調整により、発光波長と発光効率において高性能発光を示す分子設計指針に寄与する重要な分子設計情報を得た。 　化学発光研究では、過酸化物構造を有する結晶性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と融解の競争（図１）、結晶内での反応速度論、特に特徴的な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速度論、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

図１　9,10-ジフェニルアントラセンエンドペルオキシドの結晶化学発光反応と融解の競争過程の解明

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），森川淳子 教授（東工大），劉 芽久哉 博士（東工大・AIST），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. Norihisa Yamasaki, An Inhibition Effect on an Intracrystalline Reaction by a Crystal Lattice: Analyses of the Chemiluminescence Reaction of 9,10-Diphenylanthracene Endoperoxide Initiated by Heating a Crystal Sample, Bulletin of the Chemical Society of Japan, 96, 793-801(2023).
   DOI: 10.1246/bcsj.20230121
   
2. Tomoya Higashi, Synthesis and anti-tumor activities in human leukemia-derived cells of polyenylpyrroles with a methyl group at the conjugated polyene terminus, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 95, 129471(2023).
   DOI: 10.1016/j.bmcl.2023.129471
   

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

1. Takashi Hirano, “Mechanistic study on the firefly bioluminescence reaction based on photochemistry,” The 31st International Conference on Photochemistry (ICP2023) (Sapporo), S4-11-IL (2023. 7. 24). (Invited)
2. Norihisa Yamasaki, Chihiro Matsuhashi, Shojiro Maki, Takashi Hirano, “Mechanistic study on the solid-state chemiluminescence of anthracene endoperoxides with extended π-conjugated substituents,” The 31st International Conference on Photochemistry (ICP2023) (Sapporo), P25-022 (2023. 7. 25).
3. Rika Nagumo, Norihisa Yamasaki, Chihiro Matsuhashi, Wanli Xiao, Masashi Hasegawa, Yasuhiro Mazaki, Shojiro Maki, Takashi Hirano, “Study on the factors to determine the emission efficiency of the crystalline-state chemiluminescence of a fluorophore-linked 1,2-dioxetane,” The 31st International Conference on Photochemistry (ICP2023) (Sapporo), P25-033 (2023. 7. 25).
4. Norihisa Yamasaki, Chihiro Matsuhashi, Shojiro Maki, Takashi Hirano, “Mechanistic study on unique solid-state chemiluminescence of anthracene endoperoxides,” 2023年光化学討論会（広島国際会議場）, 1C05 (2023.9.5).
5. 松橋千尋, 中川真歩, 植草秀裕, 佐藤文菜, 牧昌次郎, 平野 誉, “蛍光団連結型アダマンチリデンアダマンタン1,2-ジオキセタン結晶の固相-固相相転移型化学発光の評価,” 2023年光化学討論会（広島国際会議場）, 1C10 (2023.9.5).
6. 伊藤真一, 早川 優, 松橋千尋, 牧昌次郎, 平野 誉, “生物発光反応における電子移動型酸素化機構の確立,” 2023年光化学討論会（広島国際会議場）, 3P82 (2023.9.7).
7. 平野 誉,“エクオリンへの夢に始まる大橋スクールの生物発光研究”, 生物発光化学発光研究会第38回学術講演会（電気通信大学）, M-01 (2023.11.11).
8. 石貫達哉, 畠山純平, 神谷弦汰, 北田昇雄, 森屋亮平, 平野 誉, 牧昌次郎, “高輝度近赤外発光を志向した新規ルシフェリンアナログの創製”, 生物発光化学発光研究会第38回学術講演会（電気通信大学）, P-13 (2023.11.11).
9. 山角亮太, 北田昇雄, 牧昌次郎, 平野 誉, “りん光を有するホタルルシフェリンアナログの開発”, 生物発光化学発光研究会第38回学術講演会（電気通信大学）, P-14 (2023.11.11).
10. 神谷弦汰, 北田昇雄, 古田忠臣, 平野 誉, 金 誠培, 牧昌次郎, “海洋生物発光基質セレンテラジンの高輝度多色化に関する研究”, 生物発光化学発光研究会第38回学術講演会（電気通信大学）, P-15 (2023.11.11).
11. 畠山純平, 神谷弦汰, 北田昇雄, 森屋亮平, 平野 誉, 牧昌次郎, “ホタル生物発光を利用した新規近赤外発光材料の開発”, 生物発光化学発光研究会第38回学術講演会（電気通信大学）, P-16 (2023.11.11).
12. 山﨑倫尚, 松橋千尋, 牧昌次郎, 平野 誉,“アントラセンエンドペルオキシドの結晶特有な化学発光反応機構”, 生物発光化学発光研究会第38回学術講演会（電気通信大学）, P-18 (2023.11.11).
13. 松橋千尋, 中川真歩, 植草秀裕, 佐藤文菜, 牧昌次郎, 平野 誉, “固相-固相変化を伴うソフトクリスタル化学発光反応の動的挙動”, 第2回ソフトクリスタル研究会（横浜）, p.9 (2023.11.24).
14. 南雲莉花, 山﨑倫尚, 松橋千尋, Xiao Wanli, 長谷川真士, 真崎康裕, 牧昌次郎, 平野 誉, “色素連結型1,2-ジオキセタン誘導体の結晶反応および発光量子修理の解析”, 第2回ソフトクリスタル研究会（横浜）, P-38 (2023.11.24).

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