「分子」そのものを生体ナノ量子センサに～化学合成により性能のばらつきを抑え、生細胞内の微細な温度分布を可視化～

【発表のポイント】
?従来のダイヤモンド系ナノ量子センサは感度が高い一方でセンサ間の性能のばらつきが生じやすいため、温度の「相対値」しか捉えられないという弱点があった。
?本研究では、均一性の高い分子性材料のナノ量子センサを新たに開発し、細胞内のその場所が「何度か（絶対値）」を正確に測ることに成功した。
?今後、細胞内部の局所的な温度などの変化を直接分析することが可能になり、生命現象や疾患のメカニズムを物理化学的なプロセスとして定量的に理解する道が拓かれる。

　量子科学技術研究開発機構（理事長　小安重夫、以下「QST」）量子生命科学研究所の石綿整チームリーダー（兼：365bet体育在线_365bet体育平台-【中国科学院】@量子生命構造創薬センター特任准教授）、東京大学（総長　藤井輝夫）大学院理学系研究科 楊井伸浩教授らの共同研究グループは、「分子から設計した量子センサ」を用いて、生きた細胞内部の微細な温度ムラ（温度分布）を測定することに成功しました。
　細胞内部の温度は、エネルギー代謝に直結するものであることから、細胞の働き、さらには病気の進行とも深く関わる重要な情報であると考えられてきました。しかし、一般に数十マイクロメートル（100万分の1メートル）程度の大きさである細胞の内部の温度分布を構造的に理解するには、ナノメートル（10億分の1メートル）のスケールで局所的な温度を正確に測る必要があります。近年、この小ささと正確さを併せ持つ「ナノ量子センサ」技術が急速に進歩し、様々な量子センサ材料を用いた温度計測が試みられています。その中でもダイヤモンドNVセンター（窒素-空孔センター；格子欠陥）^（注1）は高い感度を有することから注目され、実際にダイヤモンドをナノサイズ化して取り込ませた生細胞内の温度を測ることにも成功しています。しかし、一方でセンサ性能にばらつきが生じやすいため、相対的な温度の変化しか追えないという弱点がありました。
　そこで研究グループは、化学合成で作った「分子そのもの」をセンサとして用い、生きた細胞内の温度分布を計測できる「分子性ナノ量子センサ（Molecular Quantum Nanosensors: MoQNs）」^（注2）を開発しました。化学的に均一な構造を持つ分子を材料として用いることでセンサ間の性能差を抑え、細胞質や核など細胞内の異なる場所での温度を正確に計測することに成功しました。さらに、光と磁気を使った量子計測により、細胞内で生成される活性酸素由来のラジカルなどの化学物質の検出にも成功しました。これにより、温度と化学物質の情報を同時に測る「マルチパラメータ計測」への道が拓かれました。
　ナノ量子センサを分子レベルで設計できる本技術は、高感度を特徴とする従来のダイヤモンド系ナノ量子センサに加え、生体内量子センシングに新たな選択肢を与えるものです。今後は、高感度が求められる用途にはダイヤモンド系を、高精度?定量性が求められる用途には分子性センサを用いるなど、目的に応じた使い分けが可能になります。これらの技術を活用することで、温度だけでなく、電場や磁場などといった物理化学的な観点から生命現象の理解が深まり、病気の診断や新薬開発など医療分野への応用が期待されます。
　本研究は、科学技術振興機構（JST）　創発的研究支援事業「革新的な生体量子解析法の創生による細胞内動的機能の解明」（課題番号：JPMJFR224K）、同　戦略的創造研究推進事業CREST「スピン超偏極分子材料の創出に基づく量子医療診断」（課題番号：JPMJCR23I6）、「高次構造体連関が制御する脂質スクランブルシステム」（課題番号：JPMJCR22E4）、内閣府　総合科学技術?イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP)「先進的量子技術基盤の社会課題への応用促進」（研究推進法人：QST)、文部科学省　光?量子飛躍フラッグシッププログラムQ-LEAP（課題番号：JPMXS0120330644）、日本学術振興会（JSPS）　科学研究費助成事業（課題番号：JP23H00304, JP24K23089）、公益財団法人 村田学術振興?教育財団 研究助成、の支援により実施されました。
　本研究成果は、米科学誌Scienceの姉妹誌であるScience Advancesのオンライン版に2026年４月30日（木）3:00（日本時間）に掲載されました。

【用語解説】
（注 1）ダイヤモンド NV センター（窒素-空孔センター；格子欠陥）
ダイヤモンド結晶中で、窒素原子（N）と隣接する空孔（V：原子が抜けた欠陥）が対になって形成される点欠陥を NV センターと呼びます。NV センターは電子スピンをもち、光とマイクロ波で状態を制御?読み出しできるため、磁場や温度などを測る量子センサとして利用されます。ナノダイヤモンドは直径がナノメートルサイズのダイヤモンド粒子で、NV センターを含むナノダイヤモンドは細胞内へ導入できる量子センサ材料として研究されています。
（注 2）分子性ナノ量子センサ（Molecular Quantum Nanosensors: MoQNs）
分子から成る量子ビット（電子スピン）をナノ粒子に組み込み、光とマイクロ波でスピン状態を操作?読み出しすることで、細胞内の温度やラジカルなどの情報をナノスケールで計測できる量子センサです。ダイヤモンド中の欠陥を用いる量子センサと異なり、分子そのものをセンサ素子として設計できる点が特徴です。

【論文掲載情報】
雑誌名：Science Advances
題　名：Molecular Quantum Nanosensors Functioning in Living Cells
著者名：石綿 整^*、Jiarui Song、滋野庸子、西村亘生、楊井伸浩^*（^＊責任著者）
DOI：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb5422