細胞内のATP濃度を決定できる蛍光寿命型センサーの開発に成功

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2025-11-18 金沢大学,科学技術振興機構,東京科学大学

金沢大学ナノ生命科学研究所らの国際共同研究チームは、細胞内ATP濃度を蛍光寿命として定量測定できる新規センサー「qMaLioffG」を開発した。従来の蛍光輝度依存型センサーは、細胞形状・導入量・励起光強度の影響を強く受け、正確な定量が困難だった。本研究では外乱の影響を受けにくい蛍光寿命を指標化することで、ATP濃度と蛍光寿命の対応関係(検量線)を構築し、細胞ごとの差異を高精度に可視化することに成功した。応用解析では、ミトコンドリア病患者細胞でATPが低下していること、悪性度の高いがん細胞では細胞質ATPが高いことを明らかにした。細胞エネルギー代謝を定量的に評価できるこの技術は、がん、神経疾患、代謝異常などエネルギー異常に関わる病態研究の新展開をもたらすと期待される。本成果は2025年11月13日付でNature Communicationsに掲載された。

細胞内のATP濃度を決定できる蛍光寿命型センサーの開発に成功
図 1 ATP 濃度を蛍光寿命に変換できる ATP センサー(qMaLioffG)。検量線(蛍光寿命と ATP 濃度)を用いて、ピクセル毎の蛍光寿命値を算出、ATP 濃度情報を得ることができる。ミトコンドリア病によって ATP 産生能に障害がある細胞の ATP 濃度を定量解析した(出版社から許可を得て掲載論文の図を改変)。

<関連情報>

qMaLioffG: 細胞内ATPの定量的イメージングを可能にする遺伝子コード化された緑色蛍光寿命ベースの指標 qMaLioffG: a genetically encoded green fluorescence lifetime-based indicator enabling quantitative imaging of intracellular ATP

Satoshi Arai,Hideki Itoh,Cong Quang Vu,Loan Thi Ngoc Nguyen,Mizuho Nakayama,Masanobu Oshima,Atsuya Morita,Kazuko Okamoto,Satoru Okuda,Aki Teranishi,Madori Osawa,Yoshiteru Tamura,Shigeaki Nonoyama,Megumi Takuma,Toshinori Fujie,Satya Ranjan Sarker,Thankiah Sudhaharan,Akihiro Furube,Tetsuro Katayama,Taketoshi Kiya,E. Birgitte Lane & Tetsuya Kitaguchi
Nature Communications  Published:13 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-64946-2

Abstract

Genetically encoded indicators that can detect concentrations of metabolites and signalling molecules through fluorescence lifetime changes are gaining attention, because they expand the potential for quantitative imaging. These indicators offer advantages over conventional fluorescence intensity-based indicators by minimizing artifacts such as variations in indicator concentration, cellular morphological changes, and focus drift. However, the availability of fluorescence lifetime-based genetically encoded indicators remains limited, particularly those compatible with the widely used conventional 488 nm laser in microscopy. Here, we introduce qMaLioffG, a single green fluorescent protein-based ATP indicator that exhibits a substantial fluorescence lifetime shift (1.1 ns) within physiologically relevant ATP concentrations. This enables quantitative imaging of ATP levels in the cytoplasm and mitochondria under steady-state conditions across various cell types, providing insights into ATP distribution. We demonstrate that qMaLioffG can be used in multicellular systems, applying it to Drosophila brain and HeLa cell spheroids to reveal spatially heterogeneous ATP levels.

生物工学一般
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