「分子」そのものを生体ナノ量子センサーに

～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～

2026（令和8）年4月30日
量子科学技術研究開発機構
東京大学
千葉大学
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

従来のダイヤモンド系ナノ量子センサーは感度が高い一方でセンサー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ーを新たに開発し、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開かれる。

量子科学技術研究開発機構（「QST」） 量子生命科学研究所の石綿 整 チームリーダー（兼：千葉大学 量子生命構造創薬センター 特任准教授）、東京大学 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ー」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「ナノ量子センサー」技術が急速に進歩し、さまざまな量子センサー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）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、一方でセンサー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」をセンサーとして用い、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ー（Molecular Quantum Nanosensors: MoQNs）」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ー間の性能差を抑え、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「マルチパラメーター計測」への道が開かれました。
ナノ量子センサー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ーに加え、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ーを用いるなど、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（日本時間）に掲載されました。
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）、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。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（1.42MB）

＜論文タイトル＞

“Molecular Quantum Nanosensors Functioning in Living Cells”

DOI：10.1126/sciadv.aeb5422

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