生物物理学：マルチモーダルセンシング用の改変タンパク質における量子スピン共鳴

測定に量子現象を利用するセンシング技術には、材料科学、物理科学、生物科学にわたって、ますます多くの応用が見いだされている。最近まで、量子センサーの生物学的候補はin vitro系に限られており、感度が低く、光によって劣化する傾向にあった。こうした限界によって、実用的な生物工学的応用と、その操作と最適化を促進するであろう高スループット研究が阻まれていた。最近我々は、こうした課題の多くを克服する、MagLOVなどの磁気感受性蛍光タンパク質群を開発した。今回我々は、指向性進化を通してこうしたタンパク質を改変して、磁場や高周波に対する応答特性を変化させるように操作可能であることを示す。我々は、MagLOVが、室温で生きた細菌細胞において、単細胞を検出できるほど十分高い信号対雑音比で、光学的に検出される磁気共鳴を示すことを見いだした。こうした効果は、タンパク質骨格と結合型フラビン補因子が関与するラジカル対機構を通して説明される。我々は、光学的に検出される磁気共鳴と蛍光磁場効果を用いて、勾配磁場を用いた蛍光信号の空間位置確認（遺伝的にコードされたプローブを用いた磁気共鳴イメージング）、分子微環境のセンシング、バイオイメージングの多重化、ロックイン検出といった一連の応用を探り、光散乱や自家蛍光などの典型的な生体撮像の課題を緩和した。まとめると今回の結果は、磁気感受性蛍光タンパク質の量子力学的特性の理解に基づき設計された、改変生物系向けの一連のセンシング手法を示している。

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