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光学顕微鏡によるマルチカラー高速高精度1分子観察を実現

 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 分子科学研究所は2019年11月25日,同研究所の安藤 潤助教,飯野 亮太教授ら,同機構 生理学研究所のソンチホン特任助教らの共同研究グループが,金,銀,金銀合金ナノ粒子を用いて,光学顕微鏡によるマルチカラー高速高精度生体1分子イメージングを実現したと発表した.本研究は独立行政法人日本学術振興会 科学研究費補助金 新学術領域研究「発動分子科学」等の助成を受けて行われ,研究成果は米国化学会の学会誌ACS Photonicsにオンライン掲載された(注).

 光学顕微鏡は,生体機能の発現に重要なタンパク質や脂質等の生体分子の動きを,生きたままの状態で観察できる.近年,光学顕微鏡で生体1分子の挙動を捉える目印(プローブ)として,金ナノ粒子が用いられている.金ナノ粒子(直径40nm)は緑色の光(波長561nm)とプラズモン共鳴し光を強く散乱するので,従来から利用されている蛍光プローブより高い信号強度が得られる.金ナノ粒子プローブを用いて,μsオーダーの時間分解能で,モータータンパク質や脂質分子の挙動が捉えられている.しかしながら,金ナノ粒子を用いた観察は単色のため,複数種の生体分子を種ごとに色づけ,識別して観察することは困難だった.

 この課題に対して本研究グループは,金,銀,金銀合金の3種のナノ粒子をプローブに用いることで,光学顕微鏡によるマルチカラー高速1分子メージングを実現した.銀ナノ粒子(直径30nm)は紫色の光(404nm)に,金銀合金(金と銀を1:1で混合)ナノ粒子(30nm)は青色の光(473nm)に共鳴し,それらの光を散乱する.3種ナノ粒子の散乱光を選択的に捉えるためマルチカラー全反射暗視野顕微鏡を開発した.照明光学系は共鳴波長に合致した複数のレーザー(404nm,473nm,561nm)で構成,検出光学系に分光器を組み込み,高速CMOSカメラの受光面の異なる部分に,各波長の散乱像を結像させた.得られた散乱像のS/N比は高く,100μsの時間分解能で2nm,1msの時間分解能で0.6nmの位置決定精度を達成した.

 開発した装置で生体分子の観察を行なった.まず,ガラス基板上に形成した人工生体膜中を拡散運動するリン脂質の様子を観察した.金,銀,金銀合金ナノ粒子で標識されたリン脂質の挙動を,100μsの時間分解能で同時に追跡することに成功した.また,膜上の金ナノ粒子と金銀合金ナノ粒子が近接して粒子対を形成する様子を観察した.金属ナノ粒子は,お互いが近接すると,共鳴波長が長波長(赤色)側へシフトする.開発装置に赤色(649nm)のレーザー光を追加して計測し,粒子対の近接に伴って赤色の散乱光が増大する様子を捉えた.粒子対が近接する時間は数ms程度であり,このような一過的な現象を詳細に捉えることができた.さらに,生体内で物質輸送を担うモータータンパク質キネシンの観察も行った.キネシンの片足に金,銀,金銀合金ナノ粒子を結合させ,100μsの時間分解能で動きを観察した.先行研究と一致する16nmの歩幅で,微小管の上を直進する様子を捉えた.

 本研究成果は,複数種の生体分子により発現される生命現象をμsの時間分解能とnmの位置決定精度で捉えることで,モータータンパク質内部の複数の部品がいかに協調して直進運動や回転運動を実現するのかを解明する道を拓いた.今後,生物学分野におけるより広範な応用が期待される,としている.

(注)Jun Ando, Akihiko Nakamura, Mayuko Yamamoto, Chihong Song, Kazuyoshi Murata, and Ryota Iino, "Multicolor High-Speed Tracking of Single Biomolecules with Silver, Gold, and Silver-Gold Alloy Nanoparticles", ACS Photonics, 2019, 6, 11, 2870-2883, DOI:10.1021/acsphotonics.9b00953; Publica-tion Date: October 17, 2019