Research

Label-Free Imaging of Small Molecules

Currently, about 90% of the medicines on the market are made up of small molecular compounds with a molecular weight of a few hundred. In addition to medicines, small molecules in our bodies are known to function as physiologically active substances that control biological phenomena. However, it is not easy to capture the images of such small molecules because they are colorless and only slightly present in living tissues and cells.

In general, to analyze the kinetics of molecules in living cells and tissues, tracer molecules such as fluorescent probes are often added to the target molecule to observe them under a microscope. However, labeling small molecules with large fluorescent molecules can alter their pharmacokinetics and physiological effects, so we need imaging methods that can visualize small molecules without using labeling.

We develope new label-free laser microscopy techniques that can image small molecules with high contrast by shaping the temporal waveform of ultrashort laser pulses. With this label-free imaging technology, it may become possible in the future to monitor drug molecules in our bodies simply by shining light on them.

現在私たちの身の回りで市販されている薬の約90%は、分子量数100程度の低分子化合物です。また、私たちの体内では医薬品以外にも小さな分子が生理活性物質として機能し、生命現象を制御していることが知られています。しかし、このような小さな分子は無色透明で、しかも生体組織や細胞中にわずかしか存在しないため、画像として捉えることは容易ではありません。

一般に、生きた細胞や組織内の分子の動態を解析する場合には、標的分子に蛍光プローブな標識分子を加えて顕微鏡で観察します。しかし、小さな分子を大きな蛍光分子で標識してしまうと、その薬物動態や生理学的効果も変化してしまうため、標識を使用せずに小さな分子を可視化できるイメージング手法が必要となります。

私たちは超短レーザーパルスの時間波形を整形することでより高コントラストで小分子を画像化できる新しいレーザー顕微鏡技術を開発しています。この無標識イメージング技術を使えば、将来的には光を当てるだけで体内の薬物分子をモニタリングできるようになるかもしれません。

Related publications:

T. Ito, R. Iguchi, F. Matsuoka, Y. Nishi, T. Ogihara, and K. Misawa, Biomedical Optics Express 12, (2021).
T. Ito, Y. Obara, and K. Misawa, APL Photonics 3, 092405 (2018).
T. Ito, Y. Obara and K. Misawa, JOSA B 34, 1004-1015 (2017).

We are working on a project to change the structure of proteins through light irradiation.

Proteins are macromolecules that are essential for maintaining the functions of our life. It is known that there are water molecules around proteins, called hydrated water, whose movement is restricted compared to normal water molecules, and that the functions of proteins are controlled by the bond between hydrated water and proteins.

In recent years, researchers have reported that electromagnetic waves (terahertz light) with micrometers wavelengths resonate with the natural vibrations of hydrated water to change the structure of proteins. However, it is still unknown what causes this structural change. In our study, we use terahertz ultrafast light pulses, aiming to elucidate the mechanism to induce the conformational change of proteins purely by light, while suppressing thermal effects. We believe that such technology to control protein functions with light will lead to the development of new molecular manipulation methods in life science.

本研究室では「光照射によってタンパク質の構造を変化させる」というプロジェクトに取り組んでいます。

タンパク質は生命機能の維持に不可欠となる高分子です。タンパク質の周りには通常の水分子に比べ動きが制限された水分子が存在し、タンパク質の機能もこの水和水とタンパク質の間の結合によって変化することが知られています。

近年、マイクロメートル程度の波長を持つ電磁波（テラヘルツ光）が水和水の固有振動に共鳴することを使ってタンパク質の構造を制御した実験例が報告されています。しかし、その構造変化が何によって起こっているかはまだわかっていません。そこで、私たちはごく短い時間だけ発光するテラヘルツ光パルスを用いることにより、熱効果を抑えつつ純粋に光によってタンパク質の立体構造を変えることで、そのメカニズムを解き明かすことを目指しています。このようなタンパク質の機能を光で制御する技術は、生命科学における新しい分子操作手段への応用につながることが期待されます。

*A collaborative work with Laboratory of Plant Pathology, TUAT

農学部・植物病理学研究室との共同研究

The spread of plant viruses poses a serious threat to global food production and is a major obstacle to sustainable agriculture. Like animal viruses, plant virus infections are asymptomatic in their early stages, making early detection difficult with conventional methods that rely on measuring leaf color using cameras.

Our research group is developing a novel virus detection method using Raman spectroscopy, which enables direct measurement of intracellular changes simply by exposing the sample to light. This approach eliminates the need for preprocessing and leverages highly specific molecular vibration spectra as detection markers.

Our findings so far suggest that the Raman spectra of pigment molecules in plant leaves undergo subtle changes upon virus infection. We are currently working on refining this technique to establish a new, more effective method for detecting plant virus infections.

植物ウイルスの蔓延は世界の食料生産にとって深刻な脅威であり、持続可能な農業の阻む足かせとなっています。植物ウイルスの感染は動物ウイルスと同様、初期段階では無症状であるため、葉の色情報をカメラで計測する従来手法では早期検出が難しいという課題があります。

私たちの研究グループでは、光を当てるだけで細胞内成分の変化を直接計測できるラマン分光法を用いて、特異性の高い分子振動スペクトルを指標とした前処理不要のウイルス感染検出法を開発しています。

これまでのデータから、植物の葉に含まれる色素分子のラマンスペクトルがウイルス感染に伴ってわずかに変化することがわかってきました。現在、この手法を応用した新たな植物ウイルス感染検出法を開発しています。