ISSN 0914-9805

レーザー・クロス

2001,Sep.

162

No.

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レーザーによるナノ生体分子の機能解明
第23回自由電子レーザー国際会議『光と蔭』米同時多発テロの後始末【図】光負走行性バクテリア中の光応答性蛋白質（Photo active Yellow Protein ,PYP）の a)初期構造と b)PYP中の励起クロモフォア(脱プロトン化p−クマル酸チオエステル)の模式図

レーザーによるナノ生体分子の機能解明
レーザーバイオ科学研究チーム■はじめに研究員

谷口誠治

生体システムは自然界に多く存在するが、それらの最も初期の近年、生体内の蛋白質のもつ機能のメカニズムを明らかにし過程では、光応答性蛋白質内の光励起クロモフォアの反応がトようとする研究が大きな盛り上がりを見せている。その要因にリガーとなっている。これらの分子は周りを取り囲んでいるアは、ゲノムプロジェクトにより人を含む様々な生物のゲノムがミノ酸や水との相互作用などにより、ナノメートルオーダー以解読されつつあり、次の段階としてそれらの情報を元に生産さ下の極小レベルで蛋白質内（プロテイン・ナノスペース）に巧みれる蛋白質の構造や機能の解明に対する興味が大きくなっていに固定されており、ピコ〜フェムト秒領域の超高速の反応が引ること、これらの研究に有用な新しい技術が確立されつつあるき起こされる。

ことなどがあると思われる。ここでは、生体蛋白の機能解明とこのような高速の光反応のダイナミクスを解明する事は、複いう観点から当グループで行っている光応答性蛋白質の初期過雑な生体システムを本質的に理解する上で非常に重要である。

程における反応ダイナミクスについての研究について述べる。

当グループでは、蛍光アップコンバージョン法を用いて蛋白質また、近年注目されている生体の一分子観測に関する研究で、の光反応ダイナミクスの解明を行ってきた。この手法はレーレーザーを用いたものについて報告されているものを一部紹介

ザーパルスにより励起されたクロモフォアからの蛍光を非線形する。

光学結晶に集光し、時間的タイミングをずらして同様に結晶に集光したプローブ用パルスとの和周波の光量を検知するもので■蛍光アップコンバージョンによる光応答性蛋白質の初期反応あり、励起分子の蛍光減衰をフェムト秒レベルで実時間観測すダイナミクスの観測る事が可能となる。実際には、光負走行性バクテリア中にあり目の光検出反応、光合成反応などに光により機能発現を示す光センサーとしての役割を果たしている光応答性蛋白質
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財団法人レーザー技術総合研究所ニュース5

レーザーによるナノ生体分子の機能解明（前ページよりつづく）の位置や動きを生理活性を保ったまま観測する方法である。蛍（PYP、巻頭図を参照）、視覚の初期過程に関わっている蛋白質

光標識した生体分子をスライドガラス上に固定し、レーザー光であるロドプシン、および蛋白質中において励起クロモフォアをガラス面に対する全反射角で入射ししみ出すわずかな光（エが超高速電子移動により無蛍光性となるフラビン蛋白質を用いバネッセント光）を励起光として用いることで、励起光や水のている。これらの生体分子における励起フランク・コンドン状散乱光などの背景光の影響を極力抑えながらガラス表面に固定態から蛍光状態への緩和過程のダイナミクス、高時間分解能した蛋白質のみを励起する。この蛍光を好感度ビデオカメラや（100fs）での測定による励起クロモフォアのコヒーレントオシフォトダイオードなどで観測する事により、ミリ秒レベルでのレーションの観測、蛋白質のアミノ酸あるいは励起クロモフォ蛋白質一分子の動きを観測する事が可能となる。

アを部分的に改質（ミューテーション）した数種のミュータント

蛋白質一分子に働く力を計測したり、実際に操作したりするの観測による環境場の変化による反応過程への影響等の研究をものとしてレーザートラッピング法がある。この手法は、水よ行い、蛋白質という特殊な環境場下における高速初期反応の本りも大きな屈折率を持ちかつ光の波長よりも大きな直径を持つ質に迫ることを試みている。

透明な粒子（細胞、シリカ粒子など）を集光したレーザー光により捕捉するもので、屈折によって粒子を通る光の進行方向が変■生体一分子の計測、操作化し、それにより粒子に焦点方向への力が与えられ安定した粒上記のような蛋白質中の励起分子の超高速反応過程についての子のトラッピングが可能となり、更にレーザー焦点位置を移動研究の他に、蛋白質一分子自体の動きを観測する事により生体のさせる事により粒子の位置も意図的に変化させることができ機能を解明しようとする研究が盛んになってきている。生物中にる。実際に蛋白一分子を捕捉する際には、これらの粒子を蛋白ある多数の生体分子（蛋白質）のそれぞれの機能や分子間相互作用質に修飾する事により一分子の捕捉、操作が可能となる。このなどの情報を得るためには一分子レベルでの研究は非常に有用でような一分子操作の方法としてガラスや金属の微小針を使う方あり、このような研究のため、蛍光イメージング法、レーザート法があるが、レーザーを用いた方法はこれらにくらべて分子にラッピング法などが実際に生体分子に適用され、一分子の動きや働く力自体は弱いものの、時間分解能、簡便性等の面から主流力の観測や分子操作が可能となりつつある。このようなナノメーとなりつつある。

トルオーダーの蛋白質一分子を直接操作、観測するバイオナノテ

これらの手法を用いたものとして、モーター蛋白質のATPエクノロジーは、現在注目を集めている分野である。以下に、それネルギー変換過程の研究等が非常によく知られているが、これらの手法について簡単に紹介する。

らの手法は応用範囲が広く、今後多くの研究が行われるものと一分子蛍光イメージング法は、観測する蛋白質一分子に一分思われる。また、研究領域だけでなく分子や細胞レベルでの治子の蛍光分子を修飾し、その蛍光を観測することにより蛋白質療や手術などの医療分野などへの応用も期待されている。

NEWS

第23回自由電子レーザー国際会議
レーザープロセス研究チーム

第23回自由電子レーザー国際会議はドイツ中西部のダルムチームリーダー

今崎一夫

ことがないそうである。

シュタットで８月20日〜24日の５日間にわたって開催された。主催はダルムシュタット工科大学（Technische Universitat■会議内容Darmstadt ）である。ダルムシュタット工科大学は学生数が第23回自由電子レーザー国際会議および第８回ユーザーズ16,000名程度の中規模の大学であり、施設はダルムシュタットワークショップがドイツ中西部のダルムシュタットで８月20の中心街と周りに数カ所分散している。写真は中心街の広場と日〜24日に開催された。会議の参加者は200名前後で、アメリ警察署で、この警察署はもともと城であったものを改造したそカ70名、ドイツ50名、日本30名程度でそれ以外に主な国はフうである。この横が大学の会場、大学の建物は普通のビルであランス、ロシア、イギリス、イスラエル、韓国、中国等であっまり特徴はない。

た。会議は主に自由電子レーザーの短波長化、ハイパワー化がダルムシュタットは落ち着いた町で治安もよい（物乞いがい

中心議題であった。このためのライナック加速器技術（ビームるが）。ホテルの部屋の窓を開けたままでも、問題は起こった技術）、短波長光学系技術、自由電子レーザ−の非線形相互作

2る。具体的には100nm以下の波長領域であり、短波長域でのＡＳＥの増幅がこのメカニズムとなる。このため大電流化、高エネルギー化、低エミッタンス化が必要となり、これに関する研究が盛んに行われポスターセッションでも約半数を占めている。特にレーザ−フォトカソードが復活してきた。第４世代の放射光源は自由電子レーザ−であるという考え方が欧米では定着しており、この方向の研究が盛んになりつつある。
DESY（ドイツ、ハンブルグ）
現在第１期の段階が完成しており、超伝導のＬバンド線形加速器（200MeV ）で、自由電子レーザ−として最短波長の【写真１】ダルムシュタットの街並み

80nmを出している。ピーク出力は飽和レベルのGW級まで用が主な議題であった。90年代に盛んであった利用を主にし達しているとの発表があった。

た研究施設は存続しているが発表件数は少なくなっている。

APS（アメリカ、イリノイ）

ユーザーは各専門の会議に向かって発表しておりその方向性がまだ線形加速器の全体的な完成はしていないが、その一定着している。会議終了後にダルムシュタット工科大学の核物部を使ってASE増幅実験が行われている。この時間発展、理研究所にあるS-DALINAC-FEL の見学会があった。以下に量子効果が調べられている。波長はまだ可視領域にあるが各々の議題の要旨を述べる。

全体が完成すれば１nm級のASE発振が可能と考えている。
またスタンフォード大学も既存の２マイル線形加速器の一部を使って基礎実験が行われている。

［Single Pass FEL］
ミラーを使わない＝ミラーのない領域での発振を目指してい次ページへつづく

『光と蔭』

……63

ＩＦＳＡ会議の２日目、９月11日夜は宿舎のテレビに釘付けにされた。ニューヨークの世界貿易センタービルに18分の間隔で２機のハイジャック機が突入し、米国自慢の最高層建物は２棟とも崩壊してしまった。まるでハリウッド映画そのままの惨劇で、5,000人以上がガレキの下に消えたのである。ＩＦＳＡの参加者も言葉を失った。
行方不明者の中に邦人が24名、またハイジャック機に乗り合わせた早稲田大学の学生も犠牲になった。世界にテロ撲滅の声が上がり、各国一致して対応している現状は当然のことであり、わが国も目に見える対応を国の責任として決断すべきである。テロは決して許されるものではない。
しかしながら、建国以来初めて本土中枢に打撃を受け、国を挙げて興奮状態にある米国では「パールハーバー・アゲイン」とか「神風特攻」とかが引き合いに出されている。これはとんでもない事実誤認である。真珠湾攻撃は国の交戦権に従って軍事施設のみを攻撃対象にしたものである。宣戦布告がわが国の大使館員の怠慢により数時間遅れたのは誠にむ こ遺憾の極みだ。この外交官僚が処罰されなかった経過には、日本人としても怒りを覚える。神風特攻を無辜の乗客まで巻き添えにしたハイジャックテロと同列にすることは許されない。特攻はまさに国と国とが交戦中の悲劇で、ターゲッ
トは兵士と軍艦に限られていた。
戦時中とは言え、広島・長崎への原爆投下、日本全国の都市無差別爆撃などは一般市民の殺りくを狙ったもので、いかなる弁解も許されるものではない。ハーグ交戦条約の違反である。これらの問題はわが国がサンフランシスコ講和条約を受入れた時点で一応処理済の事実であるが、東京裁判の結末とともに、先勝国のダブルスタンダードの下で決着され事象として歴史の審判を待つほかはない。
さて米国はいま、敵国という明確な姿のない相手から受けた屈辱に苛立っている。今後どのような形で後始末をつけるのか。日米同盟満50年の３日後に発生したこの事件は、わが国にとっても重要な課題で、政府の力量が試されている。同時に日本国民それぞれも自らの対応を21世紀最初のテーマとして熟慮しなければなるまい。
【（財）
レーザー技術総合研究所 研究所長】
3

（前ページよりつづく）［Storage Ring FEL］
エミッタンスが低いために短波長を出すことは容易であるが反面高出力を出すことが本質的に困難である。高出力を出すことは蓄積リングの平衡状態を崩すからである。そのためレーザ−のパラメーターは線形加速器に比べるとかなり劣り、利用施設にはならないという欠点がある。これを克服して何とか利用施設として立ち上げようとした研究がフランス、日本等で行われている。
［Linac and High power FEL］
エネルギー回収型線形加速器の性能があがっている。特にCEBAFが回収技術に熱心で、回収の妨げになる不安定性の解析が行われている。レーザ−抽出効率が高い場合の電子スペク【写真３】装置全体写真。３回周回して加速する。
その間にウイグラーに入れ発振を行う。

トルとこれに基づく解析的な理論が今後必要と考えられる。まだユニバーサルな理論にはなっていない。

［Work Shop］
ガンマ線発生と利用［Long Wavelength FEL］
THz領域での小型装置をマイクロプロセッシング技術を使って完成。FELマン？

日本の発案であるがドイツが完成させ

Duke大学：γ線を用いて核物理−核物理のどこをやるのかが不明である。核モデルはよく完成しているのでその隙間を狙うことはかなりスペクトル強度をあげることが必要た。スミスパーセル方式で周期突起の大きさが100μmであであると感じられた。

る。全体サイズはmm、THzに需要があると見込まれる。VBの生物応用、半導体応用会社を作り販売するそうである。日本からもかなりの引き合いがあり、あまり詳細は発表したがらない。

各施設ともよくやっているが、専門の研究会で発表している。成熟度が高い領域である。北京でも利用研究が盛ん
で2,000時間をこえる運転が生物応用、半導体応用、化学応［Beam Physics and Technology］用のユーザーのためになされている。

フォトカソード＋ビーム圧縮により大電流化＝短波長化が進められている。カソード材料は以前からの物と同じであるが、レーザ−をより大型の再生増幅器を用いたもので行われている。

［見学］
ダルムシュタット工科大学（Technische Universitat Darmstadt ）Ｘ線領域での光学系についてもいろいろと発表があり、リソのＳバンドライナックを会議終了後見学した。これは超伝導でグラフィーの応用も視程に入れて欧米で研究が進められていあるがＳバンドであるため小型であるという特長を持っている。この辺を日本はどうするつもりかが不明である。

る。ドイツ的でよく整備され、装置は丁寧に作られている。これは原子核実験用として作られているが、自由電子レーザ−としての計画もしっかりしている。おそらく大学であるのでいろいろな利用研究は出てくると思うが、まだ方向性ははっきりしていない。見学時の装置写真を示す。
（写真２、写真３）

10月26日は原子力の日です。

掲載記事の内容に関するお問い合わせは、編集者代表
藤田雅之（TEL&FAX:(06)6879-8732,E-mail:mfujita＠【写真２】
超伝導Ｓバンド加速器空胴

ile.osaka-u.ac.jp）
までお願いいたします。

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発行／財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／藤田雅之 〒 550-0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル 3F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313
この機関誌は、競輪の補助金を受けて製作しました。

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