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量子生命科学研究部

放射線DNA損傷研究グループ

リーダー 赤松憲
 

研究の概要

放射線DNA損傷研究グループでは、量子科学技術研究機構が保有する先進的量子ビーム施設の利用や新しい量子ビームテクノロジーの開発を通じて、DNA損傷解析技術に関する研究を進めています。

  • 研究のねらい
    放射線リスク評価の高精度化や放射線癌治療の高度化に資するため、DNA損傷に関する研究を進める。また、高強度レーザーを利用した新しい量子ビームテクノロジーの開発としてレーザープラズマ軟X線顕微鏡や時間分解THz分光装置の開発を行う。
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  • 研究内容
    1.クラスターDNA損傷の解析技術の開発
     電離放射線によって生じるDNA損傷を解析するために、新しいDNA損傷検出方法や変異頻度測定方法の開発を行っています。
    2.レーザープラズマ軟X線顕微鏡の開発
     放射線照射による細胞構造や細胞機能への影響を生理活性下で調べるために、レーザープラズマ軟X線顕微鏡の開発を行っています。
    3.時間分解THz分光装置の開発
     水の物性や生体高分子の分子構造変化を調べるために、レーザーを利用した時間分解THz分光装置の開発を行っています。

メンバー

 赤松憲  リーダー 
 森林健悟  上席研究員 
 岸本牧  上席研究員 
 中野敏彰  主幹研究員 
 村上洋  主任研究員 
 

主な研究成果

 
○DNA損傷の局在性を調べる研究

炭素イオンビーム等の重粒子線の高い生物効果は、重粒子線照射により細胞のDNAに生じる致命的な傷が原因とされ、この傷はDNAの二重らせんの1~2回転分ほどの狭い範囲に複数のDNAの傷が近接、密集して生じたものではないかと推察されていた。しかしながら、放射線照射により生じたDNAの傷の微視的な空間分布をこれまで観測されてこなかった。

そこで、DNAの傷に蛍光分子を標識し、ナノメートルオーダーの距離に近接した蛍光分子の間で生じる蛍光共鳴エネルギー移動という現象を利用して、DNAの傷のミクロな分布を観察できる新しい手法を開発した。この手法を用いて炭素イオンビームをDNAに照射したところ、X線やガンマ線に比べて、DNAの傷がナノメートルオーダーで局在することが明らかとなった。得られた結果は、重粒子線の高いがん生物効果の原因が、DNAの複数の傷が互いに近接、密集して生じるためであることを示唆する。

 
 
 
◯重粒子線の動径線量シミュレーションモデルの開発

上記の局在するDNA損傷がいつ、どのような過程で作られるかは分かっていない。そこで、局在するDNA損傷の生成機構解明に役立つ動径線量[重粒子線の軌道から距離(r)の関数として表される線量]のシミュレーションモデルの開発を行っている。その一環として(i)従来の動径線量分布モデルの欠点を克服したシミュレーションモデルを開発し、(ii)この開発したモデルによる結果を再現する簡便式の導出に成功した。この式は、重粒子線がん治療の治療計画の高度化、半導体の損傷の研究などにも利用できる可能性がある。

 

主な業績(論文、受賞、プレス発表等)

  1. 1) A model for analysis of the yield and the level of clustering of radiation-induced DNA-strand breaks in hydrated plasmids, N. Shikazono, A. Yokoya, A. Urushibara, M. Noguchi and K. Fujii, Radiat. Prot. Dosimetry, 143, 181-185 (2011).
  2. 2) Incorporation of the effect of the composite electric fields of molecular ions as a simulation tool for biological damage due to heavy-ion irradiation, K. Moribayashi, Phys. Rev. A, 84, 012702-1 – 012702-7 (2011).
  3. 3) Photo-electron spectra produced from the irradiation of X-ray free electron laser light pulses onto non-spherically symmetric targets. K. Moribayashi, Phys. Scr., T144, 014049-1 – 014049-3 (2011).
  4. 4) Radiation damage of C1H1, N1H1 and O1H1 clusters induced by irradiation with X-ray free electron lasers, T.Kai, Phys. Scr., T144, 014050-1 – 014050-3 (2011).
  5. 5) Determination of Structural Parameters of Protein-Containing Reverse Micellar Solution Based on Near-Infrared Absorption Spectroscopy, H. Murakami, T. Nishi and Y. Toyota, J. Phys. Chem. B, 115, 5877-5885 (2011).
  6. 6) A novel technique using DNA denaturation to detect multiply induced single-strand breaks in a hydrated plasmid DNA molecule by X-ray and 4He2+ ion irradiation. A. Yokoya, N. Shikazono, K. Fujii, M. Noguchi and A. Urushibara, Radiat. Prot. Dosimetry, 143, 219-225 (2011).
  7. 7) Monte Carlo code for the damage of bio-molecules irradiated by X-Ray free electron lasers: Incorporation of electron impact ionization processes, K. Moribayashi, Progress in Nuclear Science and Technology (PNST), 2, 893 - 897 (2011).
  8. 8) Observation of organelles in Leydig cells by contact soft X-ray microscopy with a laser plasma X-ray source, M. Kado, M. Ishino, S. Tamotsu, K. Yasuda, M. Kishimoto, M. Nishikino, Y. Kinjo and K. Shinohara, AIP conference proceedings, 1365, 391-394 (2011).
  9. 9) Determination of structural parameters of protein-containing reverse micellar solution by near-infrared absorption spectroscopy, H. Murakami, T. Nishi and Y. Toyota, J. Phys. Chem. B, 115, 5877-5885 (2011).
  10. 10) Series: Physics of atomic, molecular and optics due to short wavelength FEL – the role of atomic and molecular physics for the analysis for the structure of bio-molecules, K. Moribayashi, Syototsu, The Atomic Collision Society of Japan, 9, 8-13 (2012) (in Japanese) (Review).
  11. 11) Observation of organelle by a laser plasma X-ray microscope, M. Kado, M. Kishimoto, M. Ishino, S. Tamotsu, K. Yasuda and K. Shinohara, AIP conference proceedings, 1465, 246-250 (2012).
  12. 12) Development of single shot soft X-ray contact microscopy system for nano-scale dynamics measurement of living biological specimen, M. Kishimoto, M. Kado, M. Ishino, S. Tamotsu, K. Yasuda and K. Shinohara, AIP conference proceedings, 1465, 45-47 (2012).
  13. 13) Incorporation of the effect of the composite electric fields of molecular ions as a simulation tool for biological damage due to heavy ion irradiation II, K. Moribayashi, AIP conference proceedings, 1465, 241-245 (2012).
  14. 14) Terahertz absorption spectroscopy of protein-containing reverse micellar solution, H. Murakami, Y. Toyota, T. Nishi and S. Nashima, Chem. Phys. Lett., 519-520, 105-109 (2012).
  15. 15) The mutagenic potential of 8-oxoG/single strand break-containing clusters depends on their relative positions. M. Noguchi, A. Urushibara, A. Yokoya, P. O’Neill and N. Shikazono, Mutat. Res., 732, 34-42 (2012).
  16. 16) Yield of single- and double-strand breaks and nucleobase lesions in fully hydrated plasmid DNA films irradiated with high-LET charged particles. T. Ushigome, N. Shikazono, K. Fujii, R. Watanabe, M. Suzuki, C. Tsuruoka, H. Tauchi and A. Yokoya, Radiat. Res., 177, 614-627 (2012).
  17. 17) Generation of strongly coupled Xe cluster nanoplasmas by low intensive soft X-ray laser irradiation, S. Namba, N. Hasegawa, M. Kishimoto, M. Nishikino and T. Kawachi, AIP conference proceedings, 1465, 69-73 (2012).
  18. 18) Electron spectra of xenon clusters irradiated with a laser-driven plasma soft x-ray laser pulse, S. Namba, N. Hasegawa, M. Kishimoto, M. Nishikino, K. Takiyama and T. Kawachi, Physical Rev. A, 84, 53202 (2012).
  19. 19) Movement of secondary electrons due to the irradiation of heavy ions: Role of the composite electric field formed from the polarization of molecules and molecular ions, K. Moribayashi, Rad. Phys. Chem., 85, 36 - 41 (2013).
  20. 20) Demonstrations for the effect of composite electric fields of molecular ions on the motion of secondary electrons due to ion irradiation, K. Moribayashi, Nucl. Instr. Methods Phys. Res. B, 314, 30 - 33 (2013).
  21. 21) In situ observation of cellular organelles with a contact x-ray microscope, M. Kado, M. Kishimoto, S. Tamotsu, K. Yasuda, and K. Shinohara, J. Physics: Conf. Ser. 463, 012056-1-4 (2013).
  22. 22) Significance of DNA polymerase I in in vivo processing of clustered DNA damage, N. Shikazono, K. Akamatsu, M. Takahashi, M. Noguchi, A. Urishibara, P. O’Neill, A. Yokoya, Mutat. Res., 749,9-15 (2013)
  23. 23) Development of ‘leaky’ liposome triggered by radiation applicable to a drug reservoir and a simple radiation dosimeter, K. Akamatsu, Appl. Radiat. Isotop., 74, 144-151 (2013).
  24. 24) A mehodology for estimating localization of apurinic/apyrimidinic sites in DNA using fluorescence resonance energy transfer, K. Akamatsu and N. Shikazono, Anal. Biochem., 433, 171-180 (2013).
  25. 25) Nanometer-scale water droplet free from the constraint of reverse micelles at low temperatures, H. Murakami, T. Sada, M. Yamada and M. Harada, Physical. Rev. E, 88, 052304 (2013).
  26. 26) 平成26年度文部科学大臣表彰 生きた細胞の内部構造をその場観察できる軟X線顕微鏡の開発 加道雅孝、岸本牧、篠原邦夫
  27. 27) Relaxation of plasma created from irradiation of a heavy Ion, K. Moribayashi, JPS Conference Proceedings, 1, 013089 (2014).
  28. 28) Radial dose calculation due to the irradiation of a heavy ion: Role of composite electric field formed from the polarization of molecules and molecular ions, K. Moribayashi, Rad. Phys. Chem., 96, 211 - 216 (2014).
  29. 29) Radial dose for heavy particle beam, K. Moribayashi, The Atomic Collision Society of Japan, 11, 73 - 91 (2014) (in Japanese) (Review).
  30. 30) Towards Laser Driven Hadron Cancer Radiotherapy: A Review of Progress, K.W.D. Ledingham, P.R. Bolton, N. Shikazono and C.-M. Charlie Ma, Appl. Sci., 4, 402-433 (2014)(Review)
  31. 31) Localization estimation of ionizing radiation-induced abasic sites in DNA in the solid state using fluorescence resonance energy transfer, K. Akamatsu, N. Shikazono, and T. Saito, Radiat. Res., 183, 105-113 (2015)
  32. 32) Chemical repair activity of free radical scavenger, edaravone: Reduction reactions with dGMP hydroxyl radical adducts and suppression of base lesions and AP sites on irradiated plasmid DNA, K.Hata, A. Urushibara, S. Yamashita, M. Lin, Y. Muroya, N. Shikazono, A. Yokoya, H. Fu and Y. Katsumura, J. Radiat. Res., 56, 59-66 (2015)
  33. 33) プレス発表:重粒子による高いがん治療効果をもたらす「DNAの傷の塊(かたまり)」を発見 赤松憲、鹿園直哉 2015.1.13. 大阪科学・大学記者クラブ
  34. 34) Simulation study of radial dose due to the irradiation of a swift heavy ion aiming to advance the treatment planning system for heavy particle cancer therapy: the effect of emission angles of secondary electrons, K. Moribayashi, Nucl. Instru. Methods Phys. Res. B, 365 592 – 595 (2015)
  35. 35) Development of the radial dose distribution function relevant to the treatment planning system for heavy particle cancer therapy, K. Moribayashi, Phys. Scr. 90 054013 (2015)
  36. 36) Effect of recombination between a molecular ion and an electron on radial dose in the irradiation of a heavy ion, K. Moribayashi, Applied Physics Research, 8, 138 – 148 (2016)