シアニン

シアニンは、テトラメチルインド(ジ)カルボシアニン[ 1 ]とも呼ばれ、ポリメチングループに属する合成染料ファミリーです。名称は青の色合いを表す用語に由来しますが、シアニンファミリーは近赤外線から紫外線までの電磁スペクトルをカバーします。

化学的には、シアニンは2つの窒素原子間の共役系であり、各共鳴構造において、正確に1つの窒素原子がイミニウムに酸化されている。典型的には、シアニンは窒素含有複素環系の一部を形成する。[ 2 ]

シアニン色素の主な用途は生物学的標識です。しかしながら、その合成と用途に関する文献は広く存在し、シアニンは一部のCDやDVDメディアに広く使用されています。

構造

シアニン：I = ストレプトシアニン、II = ヘミシアニン、III = クローズドシアニン

シアニンは様々な方法で分類されている：[ 3 ]

  • ストレプトシアニンまたはオープンチェーンシアニン：
R 2 N + =CH[CH=CH] n -NR 2 (I)
  • ヘミシアニン：
アリール=N + =CH[CH=CH] n -NR 2 (II)
  • 閉鎖シアニン：
アリール=N + =CH[CH=CH] n -N=アリール(III)

さらに、以下のクラスが認識されています: [ 4 ]

  • ニュートロシアニン：
R 2 N + =CH[CH=CH] n -CNおよびR 2 N + =CH[CH=CH] n -CHO

２つの第四級窒素がポリメチン鎖によって結合している。[ 5 ]両方の窒素はそれぞれ独立して、ピロール、イミダゾール、チアゾール、ピリジン、キノリン、インドール、ベンゾチアゾールなどのヘテロ芳香族部分の一部であってもよい。さらに、シアニンのポリメチン鎖は、スペクトル特性の変調を可能にし、追加の機能性をもたらす様々な置換基を有することができる。[ 6 ]

歴史と産業での使用

シアニンは1世紀以上前に石炭タールから蒸留された原料を用いて初めて合成されました。主成分はキノリンとレピジン（4-メチルキノリン）でした。[ 4 ]

シアニンは元々、写真乳剤の感度範囲を広げるために使用されており、現在も使用されています。つまり、フィルム上に画像を形成する波長の範囲を広げ、フィルムをパンクロマティックにするのです。[ 4 ]シアニンはCD-RやDVD-Rメディアにも使用されています。使用されているのは主に緑か水色のもので、化学的に不安定です。そのため、安定化されていないシアニンディスクはアーカイブ用のCDやDVDには適していません。最近のシアニンディスクには安定剤が含まれており、通常はシアニン分子に金属原子が結合しており[ 7 ]、劣化を大幅に遅らせます。これらのディスクのアーカイブ寿命は75年以上と評価されることがよくあります。CD-Rで使用されるその他の染料には、フタロシアニンとアゾがあります。

バイオテクノロジーにおける利用

バイオテクノロジーへの応用では、2、3、5、または7-メチン構造から特殊なシアニン色素が合成され、窒素末端の片方または両方に反応性基が付加されているため、核酸またはタンパク質分子と化学的に結合することができます。標識は可視化と定量化を目的として行われます。生物学的応用としては、トランスクリプトミクスで使用される比較ゲノムハイブリダイゼーションや遺伝子チップ、 RNAの局在[ 8 ] 、フェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）や蛍光免疫測定法による分子相互作用研究など、プロテオミクスにおける様々な研究が挙げられます。

シアニン染料は、メチル基、エチル基、ブチル基、カルボキシル基、アセチルメトキシ基、スルホ基などの様々な修飾基を有しており、親水性が変化します。[ 9 ]

プローブ Ex (nm) Em (nm) MW 量子収率
サイ2 489 506 714 QY 0.12
サイ3 （512）;550 570;(615) 767 QY 0.15 [ 10 ] *
Cy3B 558 572;(620) 658 QY 0.67
Cy3.5 581 594;(640) 1102 0.15 個
サイ5 （625）;650 670 792 QY 0.27 [ 10 ]
Cy5.5 675 694 1128 QY 0.28 [ 11 ]
Cy7 743 767 818 QY 0.28

Ex (nm): 励起波長（ナノメートル） Em (nm): 発光波長（ナノメートル） MW:分子量 QY:量子収率

* 粘度、温度、生体分子の相互作用に大きく依存します。[ 12 ]

一般的なシアニン染料とその用途

シアニンはより明るく安定した蛍光を発するため、フルオレセインやローダミンなどの従来の染料の代わりに使用できるという利点があります。

  • Cy3 と Cy5 は最も人気があり、通常は 2 色検出に組み合わせて使用​​されます。

Cy3 は緑がかった黄色（励起波長約 550 nm、発光波長約 570 nm）の蛍光を発する一方、Cy5 は遠赤色領域（励起波長約 650 nm、発光波長 670 nm）で蛍光を発します。[ 13 ] Cy3 は、テトラメチルローダミン（TRITC）用の標準フィルターを備えたさまざまな蛍光計、イメージング装置、顕微鏡で検出できます。モル吸光係数が高いため、この色素は電気泳動ゲル上や溶液中で肉眼でも容易に検出できます。 Cy5 は、その高い吸光係数（ゲル電気泳動で肉眼で 1 ナノモルまで検出可能）と、多くのCCD 検出器が最大感度を示し、生物学的対象物によるバックグラウンド干渉が低い赤色領域での蛍光発光が最大となるため、遠赤色蛍光色素の代替として人気が高まりました。

これらのスキャナーは、バックグラウンドの混入を避けるために、異なるレーザー発光波長（通常532 nmと635 nm）とフィルター波長（550～600 nmと655～695 nm）を使用しています。これにより、Cy3とCy5の色を容易に区別できるだけでなく、1つのサンプル中のCy3とCy5の標識量を定量化（マルチパラメータ検出）することも可能です。

  • 他のシアニン染料も有用である:

Cy3.5 はスルホローダミン 101 を置き換えることができます。

Cy5.5 は近赤外 (IR) 蛍光発光色素 (励起/発光最大 678/694 nm) です。

Cy7は肉眼では見えない近赤外蛍光色素です（励起/蛍光最大波長750/776 nm）。Cy7.5色素と同様に、 in vivoイメージング用途に使用されます。

スルホシアニン色素は1つまたは2つのスルホ基を有し、Cy色素を水溶性にするが、さらに高い水溶性を得るためにトリスルホン化およびクアドリスルホン化形態が利用可能である。[ 9 ] PEG化は、色素だけでなく標識された複合体にも親水性を付与する別の修飾である。

命名法と構造

Cy3およびCy5という命名法は、1989年にErnstら[ 5 ]によって初めて提唱されましたが、化学構造に関するヒントがないため非標準的です。原著論文では、数字はメチンの数（図示の通り）を示しており、側鎖は明記されていませんでした。この曖昧さのため、文献では様々な構造がCy3およびCy5と表記されています。R基は必ずしも同一である必要はありません。使用される染料では、これらは短い脂肪族鎖であり、その一方または両方がN-ヒドロキシスクシンイミドやマレイミドなどの反応性の高い基で末端を覆っています。

代替案

標準的なCy 2 / 3 / 3.5 / 5 / 5.5 / 7 / 7.5色素の多くの類似体が、多様な改変を用いて開発されました。Alexa Fluor色素、Dylight、FluoProbes色素、Sulfo Cy色素、[ 14 ] Seta色素、[ 15 ] Cyanine TechnologiesのIRIS色素[ 16 ]などは、ほとんどの生化学用途でCy色素と互換的に使用でき、溶解性、蛍光性、または光安定性の改善が主張されています。[ 17 ] [ 18 ]

標準染料であるCyシリーズの特許保護は失効していますが、商標登録されているCyの名称は有効です。そのため、Cy染料と同一の染料が異なる名称で販売されています。

アプリケーション

シアニン色素で緑色に染まったシアノバクテリア

シアニン色素は、タンパク質、抗体、ペプチド、核酸プローブ、その他あらゆる種類の生体分子を標識するために使用され、フローサイトメトリー、顕微鏡検査（主に可視範囲だが、UVやIRも含む）、マイクロプレートアッセイ、マイクロアレイ、ライトアッププローブ、生体内イメージングなど、さまざまな蛍光検出技術に使用されます。[ 19 ]

核酸標識

マイクロアレイ実験では、 DNAまたはRNAを、N-ヒドロキシスクシンイミジルエステル（NHSエステル）反応基を持つように合成されたCy3またはCy5で標識します。NHSエステルは核酸には存在しない脂肪族アミン基とのみ反応するため、ヌクレオチドをアミノアリル基で修飾する必要があります。これは、合成反応中にアミノアリル修飾ヌクレオチドを組み込むことで実現します。標識が互いに近すぎると消光効果が生じるため、60塩基ごとに標識を配置するのが適切な比率です。

タンパク質標識

タンパク質標識の場合、Cy3 および Cy5 染料には、アミンと反応するスクシンイミジル基、またはシステイン残基のスルフィドリル基と反応するマレイミド基が付いていることがあります。

Cy5は電子環境に敏感です。結合したタンパク質の構造変化は、発光を増強または消光します。この変化の速度を測定することで、酵素の速度論的パラメータを決定することができます。これらの色素は、FRET実験においても同様の目的で使用できます。

Cy3とCy5はプロテオミクス実験において、2つのソースからのサンプルを混合し、分離プロセスを一緒に実行するために用いられます。[ 20 ] [ 21 ]これにより、サンプルを別々に実行した場合に避けられない、実験条件の違いによる変動が排除されます。こうした変動は、分離完了後のデータ取得をコンピュータで自動化することを非常に困難にし、場合によっては不可能にします。これらの色素を使用することで、自動化は容易になります。

語源

シアニンという言葉は英語の「cyan」に由来しており、これは通常青緑色（「アクア」に近い）の色合いを意味し、ギリシャ語のκυάνεος / κυανοῦς kyaneos/kyanousに由来しており、これはやや異なる色、「濃い青」を意味します。

参考文献

  1. ^クヴァッハ、マクシム V.ウスチノフ、アレクセイ・V。ステパノバ、イリーナ A.マラーホフ、アンドレイ D.スコロボガティ、ミハイル V.シュマナイ、ヴァディム V.コルシュン、ウラジミール A. (2008)。「シアニン色素の便利な合成: 生体分子の標識用試薬」。欧州有機化学ジャーナル。2008 (12): 2107 – 2117。doi : 10.1002 / ejoc.200701190。ISSN  1099-0690。
  2. ^ 「シアニン染料」 . IUPAC化学用語集. 2014. doi : 10.1351/goldbook.C01487 .
  3. ^キム・ウンハ、パーク・スンボム (2010). 「新規合成色素の発見：標的合成かコンビナトリアルアプローチか？」アレクサンダー・P・デムチェンコ編. 『化学と生物学における先進的蛍光レポーターI：基礎と分子設計』 シュプリンガー蛍光シリーズ第8巻. ベルリン: シュプリンガー. p. 172. ISBN 978-3-642-04702-2。
  4. ^ a b c Berneth, Horst (2008). 「メチン染料と顔料」. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a16_487.pub2 . ISBN 978-3527306732。
  5. ^ a b Ernst LA, Gupta RK, Mujumdar RB, Waggoner AS (1989年1月). 「スルフヒドリル基に対するシアニン色素標識試薬」 .サイトメトリー. 10 (1): 3– 10. doi : 10.1002/cyto.990100103 . PMID 2917472 . 
  6. ^ Strada, Rebecca; Dunlop, David; Šebej, Peter (2025). 「ポリメチン鎖に置換されたシアニン：合成、得られる特性、そして応用事例」 . ChemPlusChem . 90 (12) e202500279. doi : 10.1002/cplu.202500279 . ISSN 2192-6506 . PMID 41041989 .  
  7. ^ 「TDK CD-Rのアーカイブ寿命」 cdrom2go.com US Digital Media 2022年4月3日閲覧。
  8. ^ Blower MD, Feric E, Weis K, Heald R (2007年12月). 「ゲノムワイド解析により、メッセンジャーRNAの有糸分裂微小管への保存された局在が実証された」 . The Journal of Cell Biology . 179 (7): 1365–73 . doi : 10.1083/jcb.200705163 . PMC 2373496. PMID 18166649 .  
  9. ^ a bシアニン染料
  10. ^ a b Mujumdar B, Ernst A, Mujumdar SR, Lewis CJ, Waggoner AS (1993年3月). 「シアニン色素標識試薬：スルホインドシアニンスクシニミジルエステル」.バイオコンジュゲート化学. 4 (2): 105– 111. doi : 10.1021/bc00020a001 . PMID 7873641 . 
  11. ^梅澤 健、松井 明、中村 勇、チッテリオ 大、鈴木 健 (2009). 「可視/近赤外領域における高輝度、色調整可能な蛍光色素：ボロンジピロメテンをベースとした新たな「テーラーメイド」多色蛍光体の確立」. Chemistry: A European Journal . 15 (5): 1096– 106. doi : 10.1002/chem.200801906 . PMID 19117043 . 
  12. ^ Levitus, Marcia; Ranjit, Suman (2011). 「生物物理学研究におけるシアニン色素：生体分子環境におけるポリメチン蛍光色素の光物理学」 . Quarterly Reviews of Biophysics . 44 (1): 123– 151. doi : 10.1017/S0033583510000247 . ISSN 1469-8994 . PMID 21108866. S2CID 7345293 .   
  13. ^ Jackson ImmunoResearch. 「シアニン色素（Cy2、Cy3、Cy5）」 . 2008年10月31日閲覧。
  14. ^ “Cyandye, LLC” . 2018年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年11月1日閲覧。
  15. ^ SETAバイオメディカルズ
  16. ^ 「Iris Dyes | Cyanine Technologies」。2015年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年1月26日閲覧。
  17. ^ FluoProbes488とFITC、シアニン2の比較
  18. ^共焦点顕微鏡におけるFluoProbes547Hの比較
  19. ^アーミテージ、ブルース・A. (2005年1月27日). 「シアニン色素とDNAの相互作用：インターカレーション、溝結合、そして凝集」. DNAバインダーと関連分野. 第253巻. pp.  55– 76. doi : 10.1007/b100442 . ISBN 978-3-540-22835-6。{{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
  20. ^ Unlü M, Morgan ME, Minden JS (1997年10月). 「ディファレンスゲル電気泳動：タンパク質抽出物の変化を検出する単一ゲル法」.電気泳動. 18 (11): 2071–7 . doi : 10.1002 / elps.1150181133 . PMID 9420172. S2CID 604007 .  
  21. ^オスターマン IA、ウスティノフ AV、エフドキモフ DV、コルシュン VA、セルギエフ PV、セレブリャコワ MV、デミナ IA、ガリヤミナ MA、ゴヴォルン VM、ドンツォバ OA (2013 年 1 月)。「クリックケミストリーと 2DE を組み合わせた初期のプロテオーム研究」(PDF)。プロテオミクス。13 (1): 17–21 .土井: 10.1002/pmic.201200393。PMID 23161590。S2CID 9002232。2015 年 6 月 30 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。2015 年 6 月 27 日に取得。  
無料辞書のウィクショナリーで「シアニン」を調べてください。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=シアニン&oldid= 1335445883」より取得