ナノテク情報

測定・評価

光学顕微鏡で三次元分子解像度を実現 ~生命現象の分子レベル画像化に期待~

 東京工業大学は2017年7月4日,同大学理学院 物理学系の古林琢大学院生,松下道雄准教授,藤芳暁助教らと,理研の喜井勲研究員,東京医科歯科大学の細谷孝充教授,京都大学の石川冬木教授らとが共同研究することで,可視光のみで1個の分子の三次元位置をオングストローム(0.1nm)の精度で決定することに成功したと発表した.本研究はJST戦略的創造研究推進事業さきがけの支援の元に行われた.本成果は,米国化学会誌Journal of the American Chemical Societyのオンライン速報版に掲載された(注).

 人類は400年にわたり多種多様な顕微鏡を開発し,生命現象の解明に応用してきた.光学顕微鏡は可視光を用いているので細胞に対するダメージが少なく生きた細胞をそのまま観測できるが,解像度は光波の回折限界により波長の半分程度(~200nm)であり,分子レベルの観察はできない.電子顕微鏡の解像度は0.1nmに向上するが,細胞を超高真空下におき高エネルギー電子線を照射する必要があるため生きたままの観察はできない.近年,生命現象を分子レベルで観察する顕微鏡として,クライオ透過型電子顕微鏡が登場した.タンパク質分子を0.3nmの分解能で3次元解析できるが,生体試料を極低温化で薄くスライスする必要があり,細胞全体は観察できない.一方,生体試料全体を見渡せる光学顕微鏡では,光波の回折限界を超える超解像蛍光顕微鏡が発明された(2014年ノーベル化学賞).超解像技術により解像度は~30nm程度まで向上するが,分子レベルには未だ1桁足りない.

 これに対して本研究グループは,生体試料への応用性が高い光学顕微鏡に注目し,その弱点である低い解像度を克服することを目指した.光学顕微鏡の解像度の限界を決める要因は,被写体である生体分子の動きである.クライオ透過電子顕微鏡と同様に試料を超流動ヘリウム中に浸して1.8Kまで冷却すれば,分子の動きが完全に凍結し,分子レベルの鮮明な画像が観察できるはずである.そこで,極低温用の光学顕微鏡として0.1nm精度の機械的安定性を確保するために,試料と対物レンズの両方を1.8Kまで冷却した同一の環境に置くようにした.極低温化で動作する高性能対物レンズを10年かけて独自に開発し,開口数(NA: Numerical Aperture)0.99の反射型対物レンズを設計した.さらに,堅牢なステンレスの箱中に光学系を組むことで,0.1nm精度の機械的安定性を実現して0.05nmの画像安定性を得た.

 本技術を適用したクライオ蛍光顕微鏡を使用し,色素1分子(カルボピニロン系蛍光色素ATTO647N)の三次元位置を標準誤差0.53nm(x),0.31nm(y),0.90nm(z)精度で決定することに成功した.位置決定に要した時間は5分間で,蛍光色素からの106ヶのフォトンを蓄積して測定した.この解像度は既存の超解像光学顕微鏡よりも1桁以上高く,分子を見分けられるレベル(分子解像度)に到達している.

 今後は本成果をベースに,「生命現象の分子レベル画像化」を目指し,生命現象が起こっている細胞内を分子レベルで観察する研究に展開する,としている.

(注)Taku Furubayashi, Kazuya Motohashi, Keisuke Wakao, Tsuyoshi Matsuda, Isao Kii, Takamitsu Hosoya, Nobuhiro Hayashi, Mahito Sadaie, Fuyuki Ishikawa, Michio Matsushita, and Satoru Fujiyoshi, "Three-Dimensional Localization of an Individual Fluorescent Molecule with Angstrom Precision", Journal of the American Chemical Society, 2017, vol.139 (26), pp 8990-8994, DOI: 10.1021/jacs.7b03899; Publication Date (Web): June 23, 2017