Nanodiamond Quantum Sensing for Biological Applications

The invention and development of scientific instruments are crucial for the progress of biological research, starting from the invention of the microscope in the 16th century to various modern analytical tools used in biology. Some examples are instruments for DNA sequencing and neural circuit visualization by calcium imaging. Fluorescence-microscope live imaging technology is one such fundamental research tool, which enables in situ observation of biological phenomena. Recently, live imaging has been used to obtain physical/chemical information about cells and microorganisms, including molecular concentration, pH, pressure, and structural information. We are currently developing technology to measure the local temperature of biological specimens using fluorescent nanodiamonds. Fluorescent nanodiamonds are promising fluorescent probes because of their high biocompatibility and long-term emission stability. By adding electron spin manipulation to nanodiamonds, we can use them to effectively probe local temperatures. To date, we have demonstrated temperature measurements of the adipose-derived stem cells of mice and nematodes (Caenorhabditis elegans, multicellular model animals) [1, 2]. We are currently investigating the material development of nanodiamonds and a measurement system for such biological applications. The aim of our research in this area is to determine a novel analytical tool for the elucidation of biological phenomena.

生物学研究の進展は、16世紀後半の顕微鏡の発明に始まり、近年では、DNAシーケンサー技術、カルシウムイメージングなどに代表される神経回路可視化技術など、計測技術の発展段階に大きく依存してきました。特に、生命現象の「ありのままの姿」を観察できる蛍光顕微鏡によるライブイメージング技術は現代の生命科学研究になくてはならない技術です。最先端のイメージングで重要となっているのが、局所的な分子濃度やpH,圧力など、細胞や微生物の構造以外の情報を得る技術です。私たちは蛍光ナノダイヤモンドを用いて特に局所的な温度を計測する技術を開発しています。蛍光ナノダイヤモンドは生体適合性が高く、長時間安定してイメージングが可能な蛍光プローブです。これに電子スピン計測を加えることで、局所的な温度が測定できます。私たちはこれまでに、マウス脂肪由来幹細胞や多細胞モデル動物である線虫(Caenorhabditis elegans) の温度計測を実現してきました[1, 2] 。このような生物試料への応用にむけて、ナノダイヤモンドの物質開発から測定システムの開発を行っています。温度計測という新しい切り口で、生命現象の解明につながるような研究を目指しています。

[1] Yukawa et al., Nanoscale Adv. 2, 1859-1868 (2020).

[2] Fujiwara et al., Sci. Adv.  6, eaba9636 (2020).