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【速報】ノーベル化学賞2014ー超解像顕微鏡の開発

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スウェーデン王立科学アカデミーは8日、2014年のノーベル化学賞を米研究者のエリック・ベッチグ氏、独研究機関のステファン・ヘル氏、米スタンフォード大のウィリアム・モーナー氏の3氏に贈ると発表した。授賞理由は「超解像度の蛍光顕微鏡の開発」。ベッチグ氏とマーナー氏は米国出身、ヘル氏はルーマニア出身。

なんと今年は化学もエンジニアリングからの受賞!物理化学?分析化学に分類されるのでしょうか?光学の力で不可能を可能にし、生命解明研究を加速させた研究に対してノーベル化学賞の栄誉が与えられました。近年興隆しているバイオイメージングを支える「超解像顕微鏡の開発」です

 

顕微鏡でみえる限界ー回折限界

細胞・組織または個体レベルでタンパク質などの生体を目で確認できるバイオイメージングは、現在疾病の解明や創薬を目指すライフサイエンス研究として急速に発展しています。

そのバイオイメージングにおいて、超微細構造を鮮明に観測することは、その生命現象を正確に理解するために必須の技術です。さらに、可視光を用いて観測する事ができれば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することができます。

 

一方、光は粒子と波の性質を持っているため、観測に用いる光をレンズでしぼると、光の波としての性質が顕著に現れてしまい、像が俗に言えば「ぼやけて」しまいます。(下図の距離dにあたる)。

一般的に、得られる像の”ぼやけ”dと、その使用する光の波長λの関係には以下の式が成り立ちます。これはエルンスト・アッベと19世紀に提唱した関係式「アッベの式 」です。

2014-10-08_19-51-27

簡単に言うと、「アッベの式」に従うと観測可能な像は、用いる光の半波の半波長が限界と言う事になります。例を挙げると、可視光の波長は400 nm~700 nmなので、可視光を用いる顕微鏡は観測限界は、理論的には400nm÷2 = 200 nmが限界でした。もうお分かりの人がいると思いますが、DNA、タンパク質、細胞膜など、生命化学者が興味を持つ生体分子や組織はみな、200nm以下の大きさであり、可視光を用いた顕微鏡では「生きたまま」観測することができなかったのです。

 

限界を超えることができない

これを観測する為に、様々な手法・機器が開発されました。その代表例が、皆さんがよく知っている電子顕微鏡です。電子顕微鏡は、電子線(波長1nm以下)を照射させる為、一挙に解像度が向上します。200nm以下どころかもっと細く見えます。

しかし、電子顕微鏡では細胞に高エネルギーの電子線を照射させる必要があるため、観測時に細胞を超真空下におき、電子線を照射させます。これでは細胞が死んでしまいますね。つまり、目的の生きた細胞を生きたまま観測する(ライブイメージング)事ができません

可視光をもちいて観測できる顕微鏡として、走査型近接場光顕微鏡という顕微鏡が開発されました。この顕微鏡では光が反射する際に生じる近接場光を利用し光の回折限界を突破した観測を可能にしています。ですが、試料の表面しか観測できず、残念ながら細胞の三次元構造の取得は困難です。

 

限界を超えた画期的な方法

今回ノーベル賞を受賞した一人、Stefan Hell(ドイツ・マックスプランク研究所) は1994 年に回折限界を突破可能な独自の理論を発表しました(下図参照)。[1]

まずレーザーで照射した極小のスポット(緑色)を作成します。次に、蛍光に誘導放出を起こさせる様なドーナッツ型レーザー(赤色)を一最初のスポットの上にからさらに照射します。すると、その周囲の分子は強制的に脱励起現象が起こり、回折限界のスポットがさらに小さくなります。この手法を用い、Hellは従来の観測限界とされる200 nmの限界を大幅に下回る10 nmスケールでの観測に成功しました。この理論を使って現在STED(Stimulated Emission Depletion)顕微鏡という名前で市販されて多くの研究者に利用されています。

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このSTEDにも欠点がないわけではありません。STED顕微鏡は基本的にはバルク分子を観測するためそれ以上解像度を向上させることが困難です。一方で、もう一人の受賞者Eric Betzig(米国・ハワード・ヒューズ研究所)は手法は異なるものの、単一分子観測を最大限に利用し、超解像の取得に成功しました。[2] PALM(Photoactivated localization microscopy)またはSTORM(stochastic optical reconstruction microscopy)と呼ばれる顕微鏡です。この手法に関しては少し複雑なので、速報では述べませんが、STEDに比べて、さらに高い解像度で観測が可能です。(像の取得に時間がかかるためライブイメージングには不適です)。

この単一分子観測の基礎を確立したのが3人目の受賞者であるWilliam Moerner(米国・スタンフォード大)となります。[3]

 

今回のまとめと予想

さて、今回も昨年に続いて予想投票企画を行いました。予想に関しては、物理学賞で赤﨑勇中村修二を当てることができました(化学賞としてですが)。今回の超解像顕微鏡に関しては、予想欄にたくさんいる候補者のひとりとしてMoernerをあげていましたが、他の予想でほとんど予想されていなかったので、結果的にはそこそこ当てたかなという感じです。本当に予想は難しいです。それ以上になんといっても皆既月食と時間がかぶり、なおかつ物理学賞が日本人、化学賞があまり”注目されていない”海外の人だったので、Yahooにも掲載されていないのが残念でならないです。

投票に関しては405票と前回の280票に比べて大幅に投票数が増加しました。しかし、見事受賞者を当てたのはなんと1人!Amazon1万円券をプレゼントいたします!後ほど連絡いたしますのでお楽しみに!

以上、簡単に今回のノーベル化学賞について説明しました。今輝いているバイオイメージング分野に無くてはならない技術です。おめでとうございます!

 

関連文献

  1.  a) S. W.; Wichmann, J. Optics Lett. 1994, 19, 780. DOI:10.1364/OL.19.000780 b) Hell, S. W.; Kroug, M. Appl. Phys. B 1995, 60, 495. DOI: 10.1007/BF01081333
  2. Betzig, E.; Patterson, G. H.; Sougrat, R.; Lindwasser, O. W.; Olenych, S.; Bonifacino, J. S.; Davidson, M. W.; Lippincott-Schwartz, J.; Hess, H. F. Science 2006, 313, 1642. DOI: 10.1126/science.1127344
  3. Moerner, W.; Kador, L. Phys. Rev. Lett. 1989, 62, 2535. DOI: 10.1103/PhysRevLett.62.2535

 

関連動画

 

外部リンク

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Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行(日本は全県制覇、海外はまだ20カ国ほど)、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。

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