植物体内で時空間センシングを可能にする鉄(II)と鉄(III)のナノセンサー
シンガポールのMIT研究機関であるシンガポールMITアライアンス（SMART）の学際的研究グループDisruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision（DiSTAP）の研究者らは、テマセク生命科学研究所（TLL）およびMITと共同で、生きた植物中の鉄形態（Fe（II）およびFe（III））を同時に検出・区別できる画期的な近赤外（NIR）蛍光ナノセンサーを開発した。
SMARTの研究者が開発した世界初のナノセンサーは、鉄の取り込み、輸送、異なる形態間の変化をリアルタイムで非破壊的にモニタリングすることができ、鉄の動態を正確かつ詳細に観察することができる。その高い空間分解能は、植物組織や細胞内コンパートメントにおける鉄の正確な局在を可能にし、植物内の鉄レベルの微細な変化でさえも測定することを可能にする。
従来の検出方法は破壊的であったり、単一の鉄形態に限定されていた。この新技術は、欠乏の診断と施肥戦略の最適化を可能にする。鉄の摂取不足または過剰を特定することで、植物の健康を増進し、廃棄物を削減し、より持続可能な農業を支援するための調整を行うことができる。ナノセンサーはホウレンソウと白菜でテストされたが、種にとらわれないため、遺伝子組換えなしで多様な植物種に適用できる。この機能により、さまざまな生態環境における鉄の動態に関する理解が深まり、植物の健康と栄養管理に関する包括的な洞察が得られる。その結果、基礎的な植物研究と農業応用の両方にとって貴重なツールとなり、精密な栄養管理をサポートし、肥料の無駄を減らし、作物の健康を改善する。
「鉄は植物の成長と発育に不可欠ですが、植物中の鉄レベルをモニターすることは困難でした。この画期的なセンサーは、生きた植物中の鉄（II）と鉄（III）の両方を、リアルタイムの高解像度イメージングで検出する初めてのものです。この技術により、植物が適切な量の鉄を確実に摂取できるようになり、作物の健康と農業の持続可能性が向上します」と、DiSTAP研究科学者で論文の共同筆者であるDuc Thinh Khong氏は言う。
「このセンサーは、植物における鉄の種分化を非破壊でリアルタイム追跡することを可能にし、植物の鉄代謝と、植物に対する様々な鉄の変化の意味を理解するための新たな道を開きます。このような知識は、作物の収量を向上させ、より費用対効果の高い土壌施肥戦略を開発するための管理アプローチの指針になります」と、TLLの研究科学者で論文の共同執筆者であるグレース・タンは言う。
最近Nano Letters誌に掲載された「植物体内で時空間センシングを可能にする鉄(II)および鉄(III)のナノセンサー」と題されたこの研究は、SMART DiSTAPとMITのStrano Labによって開拓されたCorona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe)プラットフォームを活用し、植物ナノバイオニクスのSMART DiSTAPの確立された専門知識を基盤としている。この新しいナノセンサーは、単層カーボンナノチューブ（SWNT）を負に帯電した蛍光ポリマーで包み、鉄（II）と鉄（III）と異なる相互作用をするらせん状のコロナ相構造を形成している。植物組織に導入して鉄と相互作用させると、センサーは鉄の種類に応じて異なる近赤外蛍光シグナルを発し、鉄の移動と化学変化をリアルタイムで追跡できる。
CoPhMoRe技術を利用して、高選択的蛍光応答を開発し、鉄の酸化状態を正確に検出できるようにした。SWNTの近赤外蛍光は、干渉を最小限に抑えながら、感度、選択性、組織透過性に優れており、従来の蛍光センサーよりも効果的である。この機能により、研究者はNIRイメージングを使って鉄の動きや化学変化をリアルタイムで追跡することができる。
「このセンサーは、植物の代謝、栄養輸送、ストレス応答を研究するための強力なツールとなる。TLL上級主任研究員、DiSTAP主任研究員、シンガポール国立大学非常勤助教授で、論文の共同執筆者である浦野大輔教授は、「このセンサーは、最適な肥料使用をサポートし、コストと環境への影響を低減し、より栄養価の高い作物、より良い食料安全保障、持続可能な農法に貢献します。
「この一連のセンサーによって、植物における重要なシグナル伝達の一種と、植物が葉緑素を作るのに必要な重要な栄養素にアクセスすることができます。この新しいツールは、農家が栄養不足を検出するのに役立つだけでなく、植物内の特定のメッセージにアクセスできるようになります。DiSTAPの共同主任研究者であり、MIT化学工学のカーボン・P・ダブス教授で、論文の共同執筆者であるマイケル・ストラノ教授は、「これは、生育環境に対する植物の反応を理解する我々の能力を拡大するものです」と語る。
農業以外にも、このナノセンサーは環境モニタリング、食品安全、健康科学、特にヒトや動物の鉄代謝、鉄欠乏、鉄関連疾患の研究に有望である。今後の研究では、このナノセンサーを活用して、鉄ホメオスタシス、栄養シグナル伝達、酸化還元動態に関する植物の基礎研究を進めることに焦点を当てる。また、このナノセンサーを水耕栽培や土壌栽培の自動栄養管理システムに統合し、他の必須微量栄養素を検出できるように機能を拡張する取り組みも進行中である。これらの進歩は、農業における持続可能性、精度、効率を高めることを目的としている。
この研究はSMART社によって実施され、国立研究財団のCampus for Research Excellence And Technological Enterpriseプログラムの支援を受けている。
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植物体内で時空間センシングを可能にする鉄(II)と鉄(III)のナノセンサー
Nanosensor for Fe(II) and Fe(III) Allowing Spatiotemporal Sensing in
Planta
Duc Thinh Khong, Grace Zi Hao Tan, Raju Cheerlavancha, Javier Jingheng Tan, Riza Ahsim, Praveen Kumar Jayapal, Mervin Chun-Yi Ang, Song Wang, Suh In Loh, Gajendra Pratap Singh,Benedetto Marelli, Daisuke Urano, and Michael S. Strano
Cite This: Nano Lett. 2025, 25, 2316−2324
ABSTRACT:
植物体内で動作する蛍光ナノセンサーは、基礎的な植物生物学や農業応用の情報提供に向けて、最近成功を収めている。我々は、コロナ相分子認識（CoPhMoRe）技術を用いて、10 nMという低い検出限界でFe(II)とFe(III)種を識別する近赤外（NIR）蛍光ナノセンサーを開発した。アニオン性ポリ(p-フェニレンエチニレン)(PPE)高分子電解質に包まれた単層カーボンナノチューブ(SWNT)は、Fe(II)およびFe(III)に対してそれぞれ最大200%のターンオンおよび85%のターンオフ反応を示し、葉面および根から根への経路の両方における鉄の取り込みの空間的および時間的分析を可能にした。その結果、鉄の取り込み効率、移動性、利用率が種によって異なることが明らかになり、鉄源のキレート状態や、鉄欠乏、ストレスホルモンであるアブシジン酸（ABA）処理などの植物生理学的条件に主に影響されることがわかった。このセンサーが重要な植物種に広く適用できることは、ナノテクノロジーを駆使したセンサーが、正確で持続可能な栄養管理を可能にする可能性を浮き彫りにしている。
図2. レタス植物への鉄葉面散布に対するSWNT-PPE 1の用量依存的応答。(A) 植物体内で葉面散布された鉄を検出するためのセットアップを示す模式図。(B) ナノセンサーで機能化したレタスの葉の代表的な正規化NIR画像。異なる時点におけるFe(II)-EDTA、Fe(III)-EDTA、FeSO4（トップダウン）の葉面塗布に対するSWNT-PPE 1の光学応答を示す。各横縞は、鉄を散布した場所を示す。スケールバー：4 mm。(C）濃度の異なるFe(II)-EDTA、Fe(III)-EDTA、FeSO4に対するSWNT-PPE 1の平均応答曲線。陰影は、3 つの独立した生物学的サンプルから得られた標準偏差である。パネルBの矢印は適用部位を示す。上から10000μM、5000μM、1000μM（Fe(II)-EDTA）；10000μM、5000μM、1000μM、500μM（Fe(III)-EDTA）；10000μM、5000μM、1000μM、500μM（FeSO4）。(D) 葉面散布5分後、30分後、90分後のFe(II)/Fe(III)比を鉄光度測定法により測定した。エラーバーは、3回の独立した測定から得られた標準偏差を示す。
図3. レタスモデルにおける鉄の取り込みと輸送。(A）鉄分充足レタスと鉄分欠乏レタスの表現型の違い。スケールバー：2cm。(B) 対照（完全鉄）鉄欠乏（0鉄）およびABA処理（完全鉄）レタスにおける、Fe(II)-EDTAおよびFeSOの葉面散布に対する鉄センサーの応答の空間的進行を、異なる時点で示す正規化NIR画像。スケールバー：4 mm。(C) コントロールサンプル、鉄欠乏サンプル、および ABA 処理サンプルにおける、Fe(II)-EDTA および FeSO4 に対する SWNT-PPE 1 の時間分解平均応答曲線。網掛けは3つの生物学的複製から得られた標準偏差を表す。(D）Fe(II)-EDTA処理したレタス（コントロール、完全鉄）における鉄移動度に対する時間分解センサー反応（右）処理領域（左）に垂直な連続したROIで定義し、反応時間の遅延に反映される鉄輸送の方向性を示す。(E)対照、鉄欠乏、ABA処理植物における、遅延時間値で定義した空間分解能での鉄キレート移動度を示す偽色ヒートマップ。A、B、Cは、図3Bに記載したそれぞれのサンプルから得られた関心領域を示す。スケールバー：4 mm。
