放射線生物研究 Radiation Biology Research Communications
54(3), 167-185, 2019
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＜総 説＞ Review 特集：若手研究者が拓くネオ放射線生物学
量子生命科学と放射線生物学：
蛍光ナノダイヤモンドを用いた in vivo 及び in vitro での 物理パラメーター測定
量子科学技術研究開発機構 量子生命科学領域 次世代量子センサーグループ 神長 輝一
*、五十嵐 龍治
（2019年
7
月21
日掲載決定）Quantum Life Science and Radiation Biology:
In Vivo and In Vitro Physical Parameter Measurements Using Fluorescent Nanodiamond
Future Quantum Sensors Group, Institute for Quantum Life Science, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology.
Kiichi Kaminaga*, Ryuji Igarashi (Accepted for publication 21 September 2019)
量子生命科学は最先端の量子科学技術を用いて生命の謎に迫ろうとする学問分野である。「量子」
と聞くだけで、多くの生物研究者は距離を置きたくなるかもしれない。しかし、一歩前へ踏み出せ ば、物理化学的理論に裏打ちされた量子科学技術が、放射線生物学にこれまで想像もしなかった新 しい展開をもたらす可能性を秘めている。量子科学技術の中でも「量子センサー」は生物応用が進 んでいる技術のひとつである。特に蛍光ナノダイヤモンドを用いた量子センサーは、イメージング プローブとして用いることで、プローブ周辺の温度や磁場、電場など様々な物理パラメーターを高 感度で測定できるようになる。細胞毒性も低く、細胞や組織、そしてマウス・ラット・線虫などの 個体に導入することで、その局所領域の情報を正確に得ることができるとして、蛍光ナノダイヤモ
*
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ンドは近年注目を集めている。本稿ではこれまでの蛍光ナノダイヤモンドに関する知見と、その放 射線生物学への応用の可能性について述べる。
キーワード：量子生命科学、量子センサー、蛍光ナノダイヤモンド
Quantum life science is an academic field that approaches the mystery of the life using the cutting-edge quantum technologies. Many biologists may feel intimidated by the word “Quantum”. However, if we just have a little courage, quantum science and technologies theoretically based on physical chemistry have a significant potential to accelerate scientific advancement in radiation biology. "Quantum sensors" are one of such quantum science and technologies, becoming increasingly attractive for biological applications recently. In particular, quantum sensors comprised of fluorescent nanodiamonds are surprisingly useful, as it can be used not only as an imaging probe but also for ultrasensitive measurement of physical parameters such as temperature, magnetic field, and electric field. In recent years, fluorescent nanodiamonds are getting a lot of attention from biologists because of the low cytotoxicity and the ability to provide accurate information about submicroscopic small area in cells, tissues, and even animals such as mice, rats and C. elegans. In this paper, we describe previous findings about fluorescent nanodiamond quantum sensors, and their potential applications to radiation biology.
Key words: Quantum life science, Quantum censors, Fluorescent nanodiamond
はじめに
「量子生物学」という言葉が認知されるきっかけになったのは、ジム・アル＝カリーリとジョン ジョー・マクファデンが執筆した『量子力学で生命の謎を解く』であろう(1)。彼らはこの本の中 で生命に存在する量子性について、様々な例を挙げて、量子力学的視点から言及した。たとえば
「量子重ね合わせ状態」が光合成の電子移動経路の効率に関係する可能性や、ヨーロッパコマドリ が「量子もつれ」を使って方位を正確に知るメカニズムなど、「量子」と「生物」の関係をあらゆ る角度から紹介している。では「量子生命科学」とは？そう疑問に思われた方もいるかもしれない。
量子生命科学とは、量子論や量子力学を基盤として生命科学全般の革新を目指す新しい学術領域で ある(2)。その中でも、近年では量子の特性を利用することで、既存の技術の限界を超えた様々な 生命計測やイメージングが実現可能であることが知られている。例えば、細胞内の生化学反応を議 論しようとした場合、他の化学反応と同様に、反応場における温度や
pH
の情報は必要不可欠であ る。しかし、既存の細胞内計測技術は光学的に不安定な蛍光色素や蛍光タンパク質に頼るため、数 時間や数日に及ぶ長時間の計測や、高い定量性を求められる計測には適用できなかった。しかし、蛍光ナノダイヤモンドを用いた「量子センサー」は、化学的にも光学的にも極端に安定なため、長 期間の定量計測にも適用可能である(3)。あるいは、適切な量子操作を行うことでバラバラな向き を持つ核スピンを一方向に揃える「超偏極状態」が実現可能であり、これにより
