国立先进产业技术研究所（主席：石村和彦）（以下简称“AIST”）环境创造研究部[研究主任：绪方厚]国立电气通信大学金成培高级研究员[校长田野俊一]（以下简称“电气通信大学”）副教授槙二郎基础科学与工学，北田登特聘研究人员将研究所有可见光范围彩虹发光标志作品集'' 是联合开发的。
在医疗和环境诊断领域，生物标记检测发光信标一直是一个长期存在的挑战。这次，AIST独特人工生物发光酶 (ALuc®)（AIST 商标）和海肾荧光素酶发光酶电通大学独有发光基板新开发的“彩虹色发光标签组合”能够对单个样本进行全面的医学检查和同步成像。例如，它是一项可以同时测量流感和新型冠状病毒诊断试剂盒的发光标签、癌症成像和化学物质毒性评估的基础技术，并且有望作为发光标签组合在医疗和环境诊断领域拥有广泛的应用。
该技术的详细信息将于 2021 年 1 月 26 日（英国时间）公布科学报告
概要图：新开发的发光底物和发光酶结合产生的发光图像
1a、1b、1c、1d、CTZ、6-pi-OH-CTZ 是发光底物名称。根据发光酶与哪种底物混合，会产生可见光范围内的各种发光颜色。
近年来生物发光生物测定和癌症成像正在引起人们的关注。尤其是随着新型冠状病毒在全球大流行，人们对病毒检测等医疗诊断技术产生了浓厚的兴趣。
然而，天然生物发光的问题是发光颜色的选择很少。特别是来自海洋生物的生物发光偏向蓝色到绿色，因此血红蛋白吸收。因此，组织渗透性较差，发光标记之间容易发生干扰。当这种短波长发光颜色用于生物样本时，光衰减严重，使得它们不适合生物成像。另一方面，到目前为止，还无法进行多色成像，因为它不发射黄色到红色长波长范围内的光，从而无法进行有效的生物测定和医学/环境诊断。
随着医疗诊断技术的重视，人们希望有一种低分子发光系统，不会造成发光标记之间的干扰，并可用于诊断最近的新型冠状病毒。由于生物体的多样性，需要能够显示彩虹颜色的多色发光标签。
在 AIST，化学物质生理活动评估的研发，对化学物质生理活动的发光可视化进行了广泛的研究。例如，我们开发了一种与人工生物发光酶 (ALuc®) 和红色荧光染料 (2013 年 11 月 26 日、2018 年 5 月 17 日 AIST 新闻稿）。
同时，电讯大学开发了一种独特的基于萤火虫生物发光的长波长发光成像系统。此外，我们专注于源自海洋生物的发光系统，一直致力于合成有助于更长波长发射和多色成像的基质。
这次，通过结合日本产业技术研究院的发光酶技术和电子通信大学的发光底物技术，我们致力于开发一种生物发光系统，该系统可以发出比黄色更长的波长的光，并实现多色成像。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金“创建利用多色人工生物发光评估低分子量化学物质的生理活性的平台（基础研究（A），2017-2021）”的支持。
图1显示了新开发的虹彩发光基板。在腔肠素 (CTZ) 骨架的第 6 个碳位置（图 1 中的红色数字 6）以及腔肠素 (CTZ) 的末端添加了一个双键，这是海洋生物衍生的发光酶所共有的。官能团作为仲胺并通过一个碳在碳数8处添加取代基苯基，我们开发了一系列具有前所未有的多色性（1 型）的发光底物。另一方面，2型发光底物与1型的区别在于，它们在2号碳上没有羟基（OH）作为取代基，并且具有直接与8号碳键合的苯基。另一方面，他们还发现这两种类型的发光底物与AIST的人工生物发光酶（ALuc®）发生特异性反应。此外，源自发光虾的发光酶（NanoLucTM)并发出高强度的光弗利想象开发了三种类型的底物组。
图1 虹彩基板的化学结构
化学式旁边的红色数字2、6和8代表发光底物主链中的碳位置。 n表示双键的数量。
我们研究了新开发的彩虹色发光底物的发光特性（图1），发现当与海肾发光酶（RLuc86-535）或人工生物发光酶（ALuc®）混合时，它们表现出高发光亮度、选择性，并且根据混合的发光底物的类型（图1）表现出多种发光颜色。如图 2 和图 3 所示，这些发光酶在与虹彩底物反应后发出蓝色、绿色、黄色、红色和近红外光。这些发射包括以前从未见过的长波长发射。
图2 彩虹色发光底物（1型）与发光酶反应产生的发射光谱
海肾发光酶 (RLuc)（左）和人工生物发光酶 (ALuc®)（右）的发射光谱。下图显示了光谱对应的实际光发射。红色色调是指具有良好组织穿透性的长波长区域（600 nm 或更长）。
当我们研究我们开发的彩虹色发光底物组的荧光素酶选择性（仅与特定荧光素酶反应的特性）时，我们发现 1 型通常选择性地发射海肾荧光素酶 (RLuc86-535SG) 和人工生物发光酶 (ALuc®)（图 2），但发光虾源荧光素酶 (NanoLuc)TM)没有发光。 1a 从海肾衍生的发光酶 (RLuc86-535SG) 发出特别强的光（图 4）。另一方面，这两种类型仅通过 AIST 的人工生物发光酶（ALuc®）专门发光，并且不通过任何其他发光酶发光（图 3，左）。另一方面，与来自海肾蘑菇的发光酶相比，这3种类型没有发光特性，但来自发光虾的发光酶（NanoLucTM) 具有发光特性，并且对 3d 显示出特别高的选择性（图 3 和 4）。另外，人工生物发光酶（ALuc®）虽然发光，但亮度较弱（图3左、图4）。天然腔肠素 (CTZ) 在人工生物发光酶 16 (ALuc®16) 的作用下显示出相对较强的发光（图 4）。
图3 彩虹色发光底物（2 型和3 型）与发光酶反应产生的发射光谱
人工生物发光酶 (ALuc®)（左）和源自发光虾的发光酶 (NanoLucTM) 发射光谱（右）。
图4 彩虹发光系统的选择性发光现象
特定的发光底物和特定的发光酶选择性地反应并发光。左图纵轴：源自各种海洋生物的发光酶群，左图横轴：发光底物。
通过这种方式，我们开发的这组彩虹色发光底物可以与发光酶发生反应，产生多种发光颜色，从可见光范围内的蓝色到红色，甚至在近红外范围内。此外，一些组合具有非常高的相互选择性。通过利用该技术的多色性和选择性，可以开发出以前不可能的技术，例如开发不必担心发光信号之间干扰的生物测定法。例如，可以同时测量患者体液中存在的七种生物标志物，人们认为这项技术的应用将使各种健康检查变得更快、更容易。还可以想象的是，新开发的技术可用于开发生物测定法，能够高灵敏度地检测以前被认为难以检测的小病毒。此外，红光对活体组织具有高度渗透性，可以轻松观察个体动物体内的癌症转移。
未来，我们将利用我们开发的虹彩标签产品组合继续进行医学和环境诊断研究，同时还将重点关注提高性能，例如改进在长波长范围内具有更高亮度和优异化学稳定性的虹彩标签产品组合。我们还旨在对各种动物个体进行生物成像。