【2014年ノーベル化学賞】限界を超えて、見たい世界がある!

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こちらのブログは2014年10月9日にノーベル化学賞の詳報として公開したブログです。化学賞発表から一夜明け、さらに受賞内容を整理したところ、昨日お届けした内容に若干の修正が必要であることが判明しましたので、修正を加えた上で昨日お届けできなかった詳細情報をお届けします。

 

未来館ではノーベル賞のお祭り騒ぎが続いております!

 20141008Takahashi00.jpg

Eric Betzig博士(アメリカ)       

Stefan W. Hell博士(ドイツ)

William E. Moerner博士(アメリカ)

 

テーマは「超高解像度の蛍光顕微鏡開発」

彼らの業績は超高解像度の蛍光顕微鏡のしくみを作ったこと。

解像度の高い顕微鏡というのでしたら、電子顕微鏡がありますが、電子顕微鏡では生きたままの細胞やタンパク質分子を見ることはできません。この顕微鏡は、光を使って生きたままの細胞を観察でき、さらにDNAやタンパク質などの分子を見ることさえできます。

では一体どうやってそれを実現したのか、簡単にその全貌をさらってみます。


蛍光顕微鏡とは文字通り蛍光を発した試料を見ることができる顕微鏡です。

簡単なしくみは下の図をご覧ください。

20141008Takahashi01.jpg

たとえば細胞の核を観察したいとき、よく核染色という方法を使いますが、

実はこれ、核の中にあるDNAと結びついて光を発する試薬を使います。

試しに先日私の細胞の核を蛍光試薬で染めた写真を見てみて下さい。

核が光ってよく見えますね。

でも、ちょっと待って下さい?

全体ではなくDNAを染めたはずなのに、
DNAの形なんてさっぱり見えません。


そうなんです、これがいわゆる今までの光学顕微鏡の限界。

理論的には光の波長の性質により、私たちが認識できる光(可視光)でも解像度には限界があるのです。

これは、私たちが認識できる最小の距離(※2点がぎりぎり識別できる距離)は波長の半分、というもの。可視光波長の下限は約400nmなので光学顕微鏡では約200nmが限界なのです。これをアッベの回折限界といいます。

つまり、200nm以下の物は理論的にはどう頑張っても見えません!ということ。

先ほどの写真はDNAを染めても、その大きさまで解像度が高められないのでぼやっと核全体が光って見えたのです。

だけど、DNAを含め、私たちの体を作っているタンパク質や、伝染病の原因となるウイルスなど、生き物のしくみの鍵を握るものは大抵200nm以下。

そんな大切な部分、が見れないなんて
これじゃぁ生き物のしくみなんていつまでたっても分からないよぉ!

といっても、3人が同じことをやっていたというはけではなさそうです。

今回の受賞では200nmの限界を突破するために開発された2つの技術が評価されています。昨日公開した詳報では3人で一つの技術を作り上げたようにお送りしてしまいましたので、改めて整理してお話したいと思います。

まず1つめはStefan Hell博士のお仕事です。

見たい試料に対してナノサイズのレーザー光を当て、その部分を励起状態にして光らせます。(下図STED顕微鏡の青い部分)

しかし、発せられる蛍光が強いため見たいものの輪郭がぼやけてしまします。

そこで、ナノサイズレーザー光で励起させたあと、一回り大きいサイズのドーナッツ状の光(下図のオレンジ色の部分)を当てます。

このドーナッツ状の光が当たっている部分は蛍光を消すことができるのです(これを脱励起と言います)。一度励起させて、その後余分な光を消してあげると残った部分は最初に見たい物の光ということになります。

このしくみがSTED顕微鏡。

このHell博士の研究と、STED顕微鏡のしくみをポップに紹介してくれている動画があるので、ぜひご覧ください。


そして2つめ

 

Moener博士は分子一つを可視化することに挑戦しました。

長い間研究者の間では分子を蛍光観察する時には、何百万という分子を一斉に発光させて、その平均をとるという方法をとってきました。しかし、Moener博士はその分子一つ一つの蛍光を測定できることに気づきました。

さらにMoener博士は蛍光観察する際に目印となっている蛍光物質に関してもある発見をしました。普通、励起光を浴びた蛍光物質は蛍光を発して基底状態(もとのエネルギー状態)にもどるのですが(下の図)、このあとは励起光を当てても蛍光を発することはありません。

しかし、Moener博士は蛍光物質が一度励起状態になって、その後光らなくなった状態から、もう一度光る状態に戻せる種類があることを発見しました。つまり、蛍光のON/OFFができることに気づいたのです。

 20141008Takahashi02.jpg

そんなMoener博士の研究に着想を得て、蛍光物質の開発が進みました。

Betzig博士はその中のある究者とタッグを組んで、新たな顕微鏡の開発に取り組みました。

分子1つひとつを励起させることができても、一度にすべてが光ってしまうと結局解像度の低い画像しか得られません。

 

そこで、見たい分子の集まりを1分子ずつ発光させ、分子が一度に多数光りすぎて画像がぼやけてしまう問題を解決しました。1分子ずつ発光させて写真をとる、また別の部分を発光させて写真をとる、これを何度も繰り返して、最後に全ての写真を合成することで小さな分子の集まりを高解像度で見る方法を考案しました。

20141008Takahashi03.jpgこの手法はPALM(Photoactivated Localization Microscopy)と呼ばれ、そしてこのしくみを使って、その後、次々に高解像度を得るための顕微鏡が開発されました。

 

こうして、2つの技術がそれぞれ、可視光で物を見る限界(200nmの壁)を突破したのです。

レーウェン・フックがコルクから"細胞"を発見してから約400年、この間に、ただの粒だと思っていた細胞の中にも複雑な構造としくみが存在することがわかってきました。

細胞の中でいったい何が起こっているのか──生物のしくみを解明するにはもはや細胞の中に迫る必要が出てきました。

今回のお三方の功績「生きた状態で200nm以下の世界を見ること」は、生物の複雑さを解き明かす新たなステージの幕を開けたと言えるでしょう。限界を突破して私たちに新しい世界を見せてくれたこの技術は、まさにノーベル賞にふさわしい研究だと思います。

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この記事への2件のフィードバック

柳田敏雄さんが受賞する可能性があったみたいなんですが、そこら辺も絡めて書いてほしいです。

コメントありがとうございます。
確かに大阪大学の柳田先生も可視光を使って一分子を解析するという点で近い研究をしていらっしゃいますね。
この点については私も現在詳細を調べております。
詳しく分かったら再度コメントにてお返ししますね!

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