単一分子を検出しプロファイルするための最も感度の高い方法が開発されました。これにより、物質の基本的な構成要素がどのように相互作用するのかをより深く理解する新しいツールが登場しました。この技術が創薬や先端材料の開発にどのような影響を与えるのでしょうか？
ウィスコンシン大学マディソン校（University of Wisconsin-Madison）の科学者らが、単一分子を検出しプロファイルするための最も感度の高い方法を開発しました。この技術は、物質の基本的な構成要素がどのように相互作用するのかを理解するための新しいツールとなり、創薬や先端材料の開発に影響を与える可能性があります。
この技術的な成果は、2024年5月8日にNature誌に詳細が記載されており、「Label-Free Detection and Profiling of Individual Solution-Phase Molecules（ラベルフリーの溶液相単一分子検出およびプロファイリング）」というタイトルの論文として発表されました。従来の蛍光ラベルを用いる方法では、分子が自然に相互作用する様子を見逃してしまうことがありましたが、新しいラベルフリーの方法では、分子がラベルを持っているかのように容易に検出できます。
「この成果に非常に興奮しています」と、研究を主導したウィスコンシン大学マディソン校の化学教授、ランドール・ゴールドスミス博士（Randall Goldsmith, PhD）は述べています。「単一分子のレベルでの振る舞いを捉えることは、複雑なシステムを理解するために非常に有益です。そして、その視点をよりよく捉えるための新しいツールを作り上げることができれば、そのツールは非常に強力なものとなります。」
研究者らは、より大きなスケールで材料や生物システムを研究することから有益な情報を得ることができますが、ゴールドスミス博士は、個々の分子の振る舞いや相互作用を観察することが、その情報を文脈化し、新たな洞察をもたらすために重要であると述べています。
「国がどのように相互作用するかを理解するためには、最終的には個人間の相互作用に帰着します」と、ゴールドスミス博士は説明しています。「個人間の相互作用を無視して、人々のグループ間の相互作用を理解しようとは考えないでしょう。」
ゴールドスミス博士は、スタンフォード大学でポスドク研究員として働いていた10年以上前から単一分子の魅力を追求してきました。そこで彼は、2014年に光を用いて単一分子を観察する最初の方法を開発し、ノーベル化学賞を受賞した化学者のW.E.モーナー（W.E. Moerner）の下で働いていました。
モーナーの初期の成功以来、世界中の研究者がこれらの微小な物質を観察する新しい方法を考案し、改良してきました。
ウィスコンシン大学マディソン校のチームが開発した方法は、光学マイクロレゾネーターまたはマイクロキャビティと呼ばれる装置に依存しています。マイクロキャビティはその名の通り、光が空間と時間に閉じ込められる極小の空間であり、少なくとも数ナノ秒の間、分子と相互作用することができます。マイクロキャビティは通常、物理学や電気工学の研究室で見られ、化学の研究室ではあまり見かけません。異なる科学分野の概念を組み合わせるゴールドスミス博士の歴史は、2022年にシュミット・フューチャーズからポリマス賞を受賞するなどの評価を受けています。
マイクロキャビティは、光ファイバーケーブルの上に直接作られた非常に小さな鏡から構築されています。これらの光ファイバー鏡は、光をマイクロキャビティ内で非常に速く何度も反射させます。
研究者らは、分子をキャビティに落とし、光を通過させることで、その分子の存在を検出するだけでなく、その分子が水中でどれだけ速く移動するかなどの情報も得ることができます。この情報は、分子の形状、つまりコンフォメーションを決定するために使用できます。
「分子レベルでのコンフォメーションは、特にバイオ分子が互いにどのように相互作用するかを考える上で非常に重要です」と、ゴールドスミス博士は述べています。「例えば、タンパク質と低分子の薬があるとしましょう。タンパク質が薬と相互作用するかどうかを知りたいとします。その方法の一つは、それがコンフォメーションの変化を引き起こすかどうかを確認することです。」
他の方法もありますが、それらは大量のサンプル材料と時間のかかる分析を必要とします。ゴールドスミス博士は、新たに開発されたマイクロキャビティ技術を用いることで、「数十秒で答えを得るためのブラックボックスツールを構築できる可能性がある」と述べています。
このチームには、元ポスドク研究員で現在はケンブリッジ大学の研究室ディレクターを務めるリサ・マリア・ニーダム（Lisa-Maria Needham）が含まれており、装置の特許を申請しました。ゴールドスミス博士は、この装置と方法は今後数年間でさらに改良される予定であると述べています。その間、彼と彼の共同研究者は、これが多くの用途でどのように役立つかについてすでに考えています。
「私たちは、スペクトロスコピーの他の多くの応用に興奮しています」と彼は言います。「これを足がかりにして、分子について学ぶための他の方法を模索したいと考えています。」
この投稿は、ウィスコンシン大学のウィル・クッシュマン（Will Cushman）によるリリースに基づいています。
今回の研究は、単一分子の検出とプロファイリングの分野における大きな進歩を示しています。特に、従来のラベルを用いない方法で分子を自然のままに観察できる点が画期的です。この技術の将来的な応用には、多くの可能性が広がっており、創薬や材料科学の分野で新たな発見を促進することでしょう。研究者たちの情熱と努力により、科学の最前線での新しいツールが誕生しました。
画像：この研究の中心はファイバー・マイクロキャビティである。ここでは、光ファイバーの表面にある小さな凹状のくぼみを見ることができる。研究者たちは、2つの凹面鏡を持つマイクロキャビティを使用したが、この凹面鏡1つのマイクロキャビティの画像を見ると、ファイバーミラーのセットアップがわかりやすい。
写真：Carlos Saavedra/UW-Madison
