バイオイメージングなどに応用できる水溶性の湾曲ナノグラフェンを開発 名大など

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水溶性湾曲ナノグラフェン存在下での光刺激による細胞死の様子。 (左)レーザー光照射直後。白丸部分にレーザー光を照射 (右)照射30分後

名古屋大学および科学技術振興機構(JST)の伊丹健一郎教授らの研究グループは2018年1月31日、湾曲したナノグラフェンを水溶化する方法を開発し、これがヒト培養細胞の細胞小器官に局在し、光によって細胞死を誘導する機能をもつことを明らかにしたと発表した。湾曲ナノグラフェンにさまざまな性質を簡単に付与できることを明らかにし、その例として生命科学分野のツールとして応用できることを示したものだ。

ナノグラフェンは、炭素シートであるグラフェンをナノサイズで切り出した構造をもつ分子。大きさや形によって多彩な電子的、光学的、時期的性質を示すことから、次世代材料として注目されている。これまで、さまざまなナノグラフェンが合成され性質が調べられているが、どれも有機溶媒への溶解性は低く、溶媒中での化学反応で自由に化学修飾するのは困難だった。2013年に伊丹教授らは、新しいナノグラフェンとして「湾曲ナノグラフェン」を開発。炭素80個からなる大きな分子にも関わらず、さまざまな有機溶媒に対して高い溶解性をもち、また紫外光や青色光を照射すると緑色の蛍光を発することから、応用が期待されていた。

今回同研究グループはまず、湾曲ナノグラフェンにさまざまな原子を取り付ける手法を確立した。はじめに、外側の10カ所のベンゼン環のうち5カ所に炭素官能基のついた湾曲ナノグラフェンを合成。ここに、イリジウム触媒を用いたホウ素化反応を行い、残りの5カ所のベンゼン環にホウ素官能基を導入した。これにより、さまざまな置換基を、2010年のノーベル化学賞で知られる「鈴木カップリング」を用いて導入できるようになる。

さらに、生命科学への応用を目指し、湾曲ナノグラフェンへの水溶性の付与を計画。ホウ素官能基を5つもつ湾曲ナノグラフェンとの「鈴木カップリング」反応により、5つのホウ素官能基全てを水溶性の高い「エチレングリコール」ユニットに置き換えることで、水に対しても高い溶解性をもつ「水溶性湾曲ナノグラフェン」の合成に成功した。このナノグラフェンが、高い光耐久性をもつことや、水溶液中でも蛍光を保持していること、また溶媒の極性に応答して蛍光色が変化することもわかり、細胞の蛍光染色への応用が期待できる。

次に、この水溶性湾曲ナノグラフェンが細胞へ取り込まれる挙動や、細胞内での蛍光発光性について調査した。その結果、水溶性湾曲ナノグラフェンが数時間かけて細胞内に取り込まれ、リソソームという細胞小器官に蓄積する様子が蛍光顕微鏡によって観察できた。また取り込んだヒト培養細胞にレーザー光を照射すると、その細胞だけ死滅することがわかった。メカニズムはまだわからないが、水溶性湾曲ナノグラフェンが光を吸収して細胞死を誘導したと結論づけている。

同研究グループでは今回の結果について、伊丹教授らが推進するナノカーボンの構造をもつ分子を精密に合成する「分子ナノカーボン科学」の幅広い応用可能性を示す好例だとしている。

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