ホタル生物発光型長波長発光材料の創製と実用化
科学に学び技術を創る！！

電気通信大学大学院 情報理工学研究科
先進理工学専攻 牧 昌次郎

生物機能のモデル化だから実現したい未来があります！

電気通信大学 脳科学ライフサポート研究センター特別講演会（2014.5.14）

1

1.この研究の要約
F&Q
通常は560nmの黄色い光です
1. この研究を一言で説明してください
本研究は，ホタルの生物発光機構をモデルとして，発光基質という低分子有機化合物の類縁体を各種人工合成し，多彩な発光色を創り，そのうち650nmを超える長波長（675nm）の材料を市販した．
さらにこの水溶性化を達成し，700nmの長波長材料を創製した．
2. 何に使うのですか？
現在は，腫瘍学や再生医療などの分野での利用が進められています．
3. 世界的な位置づけはどうなのですか？
現在，市販されている材料としては，世界最長波長で世界最先端かつNo1の技術です．
２番じゃいけないんですか？ ２番じゃ！

医療技術で２番を望む人はいないので，１番が必要です．
2

電気通信大学のオリジナル技術だぜ！

発光基質アナログと天然北米産ホタルの発光酵素でRGB（赤，黄緑，青）を世界で初めて実現しました

世界中でここでしか見られない写真じゃ！！

3

3. 太古の光電気が発明される以前それは火を使うずっと前からあった光
生物発光
太陽、月、星そして生物が燈す光
人類が最初に目にした生命体が作った光を科学技術で創りたい！
マルチカラー＆高輝度発光システムとしてホタル生物発光系をモデル化した鳥に憧れて、飛行機やロケットも作れたんだからきっとできるはず！
4

4. 発光効率比較例

70~80%ホタル

30%(アメリカ産ホタルPhotinus Pyralis)

発光ダイオード(Al0.28Ga0.72As (赤))ウミホタル

「光デバイス」, オーム社（2001）より.

(日本産Vargula)88% (41%)7%

10~20% ~0.04%

有機EL素子「有機ＥＬ素子とその工業化最前線」
宮田清蔵 監修, エヌ・ティー･エス（1998）
より.

電球・蛍光灯

ケミカルライト（消費電力比）55. 背景とニーズ
ホタルの発光効率は地上最高といわれ、ミクロの学術研究レベルから排水検査などのマクロ使用まで、様々なシーンで利用されている。
また可視化対象の拡大や測定機器の急成長により、「多色発光」へのニーズが急速に高まっていると同時に、種々の課題も指摘されている。

１．高感度な発光基質
３．多彩な発光色の提供

HON

NSS

２．発光基質の低価格化
４．複雑な知財権からの解放

COOH

天然ホタル発光基質

TriplucTM

HO560 nm

イリオモテボタル
（野生型）

NN

SShν

天然発光酵素

COOH

天然ホタル発光基質hν
550 nm

イリオモテボタル（変異型）
580 nm
鉄道虫（野生型）
630 nmhνhν
6

6. Luciferin-Luciferase Reaction

fireflyHONNSSCOOH

Dfirefly luciferin

ATPMg2+

luciferase

O2light
rail road worm

click beetle

77. 基質アナログの発光活性と構造活性相関
NN

S

S

COOH

N

N

COOH

COOH

N

N

COOH

HOHO

N
HO

N
H

S

HO

COOH

HO

S

S

O

N

COOH

SN
S

HO

COOH

HO
ルシフェラーゼの認識に関与？

N

N

S

S

S

N

HO

COOH

O

特開2006-219381

30種類以上

位置により活性に影響

O

HO

COOH

修飾可能部位

発光活性に大きく影響

ルシフェラーゼの認識に影響？

どの程度変換・簡素化が可能か
8

8. 発光酵素の機能解析
A pocket ＝ O pocket ?
A pocket ≠ O pocket ?

Reaction step Fast or Slow④

②Luciferase
Adenylylation site(A pocket)
NHOS

N

Oxygenation site(O pocket)

COOH

S

HOluciferin①Recognition stepNN

S

SCOAMPHONNO OSSO③⑤

Favorable or Unfavorable

Recognition stephν

ホタル発光反応は１段階反応のように観測される！

２つの機能のどちらかが『律速段階』である
9

9. D-LH2とD-LH2-AMPの比発光活性
160000140000

同濃度における顕著な発光活性の増強

2 µM Substrate

120000100000初期の発光強度は約30倍
非常に早い立ち上がり！
2uM LH2- AMP

80000

2uM LH260000

D-LH2-AMP

40000

D-LH2
20000

00

1020

Luciferase (3 nM)

30

Sec.

Time (sec)

4050

6060

発光波長(λmax)は同じ

律速段階はAMP化段階(A pocket)
特願2006-086175, WO2007/1166871010. 標識材料化への課題
ホタル生物発光系はフラッシュ発光する（右図中；黒線）
計測機器に適する標識材料の条件
1. 早い立ち上がり
2. 定常化発光

計測機器に使用する標識材料としては不適フラッシュ発光をフラット発光にする
フラッシュ発光の原因は発光酵素の失活

発光酵素のターンオーバー向上技術の開発が必要
1111. D-LH2-AMPのPPi添加による発光の定常化
90000
3 uM D- LH2- AMP

80000
70000
60000
50000

0 uM PPIMg

40000

100 uM PPiMg

30000

立ち上がりの早さは維持！

20000
10000
005

101520Time (sec)

発光活性は5倍程度向上！

特願2006-086175,
WO2007/116687「定常発光化技術」とは、発光酵素の「ターンオーバー向上技術」である！
12

12. アナログに対する発光活性の向上
100000

10000

COOAMP

N
1000OHON

100HOOS

100~1000倍

COOHS10105101520

Time/sec

アナログにも発光活性向上技術は効果的
特願2006-086175, WO2007/116687

1313. Effect of Emission Enhancing Technology (EET)

Totally ~150 foldPPi

HO

5~10 fold

N

N

S

S

COAMP

AMP

20~30 fold

N

COOH

N

HO

HO

S

S

WO2007/116687

N

N

COOH

N

N

S

S

HO

S

S

original

COAMP

activated14

14. 基質アナログによる発光波長
全て基質アナログでほぼ可視光領域を網羅する多彩な発光波長を実現しました！

430 450

400

cf. wild

520

500

560 580

640

600

680

700

nm

波長変換域、基質アナログとも世界初！
特願2008-023396

1515. 多色基質デザインと指標
COOH

N
N

S

HO~100550

S

560
N

S

HO~30

COOH660~30N

N

COOH

HO430

S~100HO520

S

HO~100645

COOH

S~30~30~30N
N

COOH

COOH

NS

HON

COOH

N

COOH

COOH

Me2 N
S

450~100S

Me2 N

Me2 N

~100560

675~100？

~30~30？

N

Me 2N

S

COOH

S

~100

Me 2N~580？

N

COOH

S~700-OH~30~100-NMe2~30WO2010/106896
1616. 赤色発光材料の利点
よくみえないな

天然の黄緑色 560nm
輝度が高くても透過光は少なくなる

すごくみえるぞ！

人工の近赤外 675nm
輝度は低くても透過光は大きい

1717. 赤色発光の実用性
・生体の窓

650 ～ 900 nm

absorption coefficient (cm-1)

深部の分子イメージングが可能

useful forimaging

蛍光標識材料 のものが主流
励起光が必要

自発発光材料の例は極めて少ない
wavelength (nm)1aCOOHNS

Me2Nλmax = 675 nm

商品として世に送り出すことで本学発の最先端技術として認知してもらう
1818. アカルミネ

1919. 生体透過比率
長波長発光材料は良く透過してくるぞ！！

1 cm血肉フィルターを用いた実験

1.1%

5.7%

生体透過比率0.4%

20

20. 相対強度
1 cm血肉フィルターを用いた実験

100%
HON

N

S

S

25%
CO2H
H2N

N

N

S

S

20%
CO2H

CO2H

N
S

N

565 nm

610 nm

675 nm

100%

66%

260%

長波長発光材料の生体内透過性は、抜群です。

21アカルミネは生体の窓の入り口に過ぎないが，入り口付近は狙いどころ

absorption
coefficient (cm-1)

21.新規長波長材料

wavelength(nm)675 nm
Uec 700(Oniaka)

R
○
アカルミネ

700 nmOniaka「生体の窓」の入り口で発光する材料は総合的に優れた材料です．
2222. 長波長発光材料一覧

天然型

アカルミネ

uec 700
Oniaka23

23. 次世代材料に向けて高輝度かつ水溶性のuec700はないのか
癌や再生医療の研究に最適な標識材料です

インビボイメージング機器企業さんとのタイアップ開発を希望しています！
2424. 関連特許一覧
１．特開 2006-219381「複素環化合物及び発光甲虫ルシフェラーゼ発光系用発光基質」
発明者：丹羽 治樹、牧 昌次郎、平野 誉
出願人：国立大学法人 電気通信大学 ( 特願2005-031574) 出願日：２００６年８月２４日
２．WO2007/116687 「複素環化合物及び発光方法」
発明者：牧 昌次郎、小島 哲、丹羽 治樹、平野 誉
出願人：国立大学法人 電気通信大学 (PCT/JP2007/056227 )出願日：２００６年３月２７日
３． WO2009/096197,US2011/033878A1 「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：牧 昌次郎、小島 哲、丹羽 治樹
出願人：国立大学法人 電気通信大学 (PCT/JP2009/000376 ) 出願日：２００９年２月 ２日
４．特開 2010-180191 「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：牧 昌次郎、小島 哲、丹羽 治樹
出願人：国立大学法人 電気通信大学（特願2009-027654）出願日：２００９年 ２月 ９日
５． WO2010/106896「波長が制御されたルシフェラーゼの発光基質および製造方法」
発明者：牧 昌次郎、小島 哲、丹羽 治樹．
出願人：国立大学法人 電気通信大学（PCT/JP2010/053177）出願日：２００９年 ３月１７日
６．特願2011-182224「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：西山 繁、斎藤 毅、牧 昌次郎、丹羽 治樹
出願人：国立大学法人 電気通信大学 出願日：２０１１年 ８月２４日
７. 特願2012-049619「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：牧 昌次郎，丹羽 治樹
出願人：国立大学法人 電気通信大学 出願日：２０１２年 ３月 ６日
８．US2011/033878A1 「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：牧 昌次郎，小島 哲，丹羽 治樹．
出願人：国立大学法人 電気通信大学 出願日：２００９年 ２月 ２日
９. 特願2011-182224 「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：西山 繁、斎藤 毅、牧 昌次郎，丹羽 治樹．
出願人：国立大学法人 電気通信大学 出願日２０１１年 ８月２４日
１０. 特願2012-049619 「ルシフェラーゼの発光基質」
発明者：牧 昌次郎，丹羽 治樹．
出願人：国立大学法人 電気通信大学 出願日２０１２年 ３月６日

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発光ペン

イメージング用プローブ
生体内患部
深部モニタ用赤色プローブバイオライト（ケミカルライトの代替品）

ホビー・レジャー

医療衛生用検査診断薬
非破壊検査
内部クラックマルチカラー発光が創る
新技術・新商品安全管理・検定標識剤
パックを開けると光る

探傷試験用
標識材料試薬安心・安全
酸素センサー

SOSマーカー
緊急信号

ボディーペイント

屋内外用ランタン（無電源照明）

インテリア・ヒーリング
現象解明・解析
不顕在事象の可視化・数値化

マルチカラーモニタ

計測・測定標識剤

デザイン照明ヒーリング用光源

発光タイマー26

26. 発光映像

市販のデジカメで撮影しています！

27

27.経済危機後の技術イノベーションパートナー
世界的先導技術創製のパートナー企業さんを募集しています！

歴史的な急成長は是非、本技術で！

ライフサイエンスの基盤技術を是非、我が国から世界へ！

募集する技術分野

１．測定機器メーカー
２．分子インプリンティング
３．有機合成４．タンパク工学
５．酵素化学等2828. 謝辞
アカルミネ（uec 675）の工業生産では、黒金化成株式会社様に工業製法を確立いただきました。
アカルミネは、和光純薬工業株式会社様に国内外でご販売いただいております。
本学技術の実用化にご助力いただいておりますこと深謝いたします。
本研究は、JST つなぐしくみ、シーズ発掘、A-step、科学技術コモンズ試験研究費の助成で行われました。
皆様には深く御礼申し上げます。
http://ganshien.umin.jp/public/research/index.html
http://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/sangaku/_
icsFiles/afieldfile/2012/10/26/1327174_01.pdf
29

29. お問い合わせ先
国立大学法人電気通信大学
産学官連携センター
産学連携コーディネーター

小島 珠世

TEL： 042 - 443 - 5780
FAX： 042 - 443 - 5108
e-mail: kojima@crc.uec.ac.jp
研究助成
平成18, 19年度 科学研究費補助金 基盤研究 C
平成19年度 良いシーズをつなぐ知の連携システム（つなぐしくみ） （JST）
平成20, 21年度 シーズ発掘試験 （JST）
平成22, 24年度 A-STEP（JST）
平成24~26年度 科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究30

30． 技術移転のご相談
技術移転は、
株式会社キャンパスクリエイトにご相談ください。
【お問い合わせ】

株式会社キャンパスクリエイト（電気通信大学TLO）
技術移転部
産学官連携コーディネータ 坂田・角田
Tel : 042-490-5736
Fax : 042-490-5727
E-mail : tsunoda@campuscreate.com

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