ユニーク＆エキサイティング研究探訪
No.11　ホタル発光系材料の研究

ホタルの発光色を変えるには原理的に二つのアプローチがあるという。一つは、酵素（ルシフェラーゼ）を変える方法、もうひとつは基質(ルシフェリン)を変える方法だ。

このうち、前者の酵素を変える方法は歴史が長い。酵素はタンパク質なので、遺伝子組み換えの手法で作る。これまでおびただしい数の変異酵素が作られてきており、すでに市販されている多色発光試薬もある。しかし、この手法では、系統的に発光色を制御できないという。また、長波長化も630nm程度までだった。

一方、基質を変える手法は発光酵素の取り組みに比して、検討例は大変少ない。牧助教らが取り組んだのはこの基質を変える手法だ。

ホタル発光の発光体は基質の酸化体である。酵素は基質を化学反応させて、発光に必要なエネルギーを作り、効率よく発光させる“環境”に相当する。酵素を変えて色を変える方法は「発光環境を変えて色を変える」間接的な手法で、基質を変える方法は「発光体を変えて色を変える」直接的な方法といえる。酵素を変えるのは遺伝子組み換えなどバイオ技術で、一方、基質を変えるのは化学的な合成技術だ。

写真1は、牧助教らが開発した発光基質を変えた材料（基質アナログ：独自に開発）による赤橙色と黄緑色のホタル系発光の例だ。どちらも人工的に合成した材料（基質アナログ）で、酵素は市販の変異酵素を使っている。赤橙色の発光は波長が約610nm、左の黄緑色の発光は天然ホタルと同じ約560nmの波長だ。基質も酵素も人工材料を用いた完全人工系で目視できるホタル生物発光系は、世界的にもほとんどなく、この写真は貴重なデータだという。

しかし、この赤橙色写真は残念ながら今回事業化される675nmの発光ではない。675nmの材料は今のところ輝度が低く、人間の目ではもはや見えにくいほど長波長であり、発光を直接目で見ることはできないという。しかし、図1のように、発光スペクトル・データでは675nm近辺に発光ピークがあるのが確認できる。生体深部の観察などライフサイエンス分野への応用の場合は、肉眼で目視確認するわけではなく、高感度の光検出器を使うので、実用上問題ないという。

牧助教らは、さらに発光の高輝度化にも取り組んでいる。写真2の左は天然ホタル系の発光、右は高輝度化した材料の発光である。高輝度化材料は天然系よりも2桁以上高輝度発光可能だという。

発光を高輝度化させる着想もユニークだ。別掲「ホタル発光の仕組み」にあるように、発光は2段階で起こる。最初は基質が酵素の働きでATP（アデノシン三リン酸）と反応し、中間体であるルシフェリンーAMP（アデノシン一リン酸）になる。次の段階でこの中間体が酵素の働きで酸化され、励起状態になる。牧助教らは、この2段階反応のうち、前半のプロセスが遅い反応であることを突き止めた。従来はこの前段部分が早い反応と考えられていたという。ここでも定説を覆したことになる。

この遅い部分の反応を加速してやれば、単位時間あたり反応量が増えるので、発光は急激に起き、見かけの輝度が上がると考えた訳である。そこで前段の反応をホタル発光酵素に拠らず、化学合成的にルシフェリンーAMPを作って、後段だけにホタル発光のプロセスを採用することで高輝度化に成功した。この手法だと発光は急激に立ちあがり高輝度となるが、長くは続かない。そこでピロリン酸を加えることで高輝度発光を持続させるようにしているという。

この高輝度材料は、たとえば（前段のATPとの反応をスキップしているので）ATPの検出用試薬などには使えないが、輝度が高く安価にできるので、より広範な応用が考えられる。たとえば開封すると酸化反応が起こり発光して確かに密閉されていたことがわかるような使い方などが考えられるが、不安定な化合物のため、この高輝度材料の実用化には至っていない。