広報活動

Print

2015年1月28日

理化学研究所

生体試料の高分解能・高信頼度イメージング法を開発

-従来の測定条件で分解能が2倍以上向上-

従来法と新手法で再生した投影電子密度像の比較図。バクテリアのみ(従来法)、バクテリア+金粒子群(新手法)。

従来法と新手法で再生した投影電子密度像の比較

生体試料の構造解析のニーズが高まっています。創薬や再生医療分野では、細胞や細胞の部品である細胞小器官のなるべく細かい構造を生きている環境下でそのまま観察することが必要になってきています。しかし、結晶化が困難な生体試料の内部構造を、高分解能で観察することは易しいことではありません。理化学研究所では、「コヒーレントX線回折イメージング法(CXDI法)」に改良を加え、生体試料の内部構造観察の高分解能化に取り組んでいます。CXDI法は、干渉性の高いX線を試料に照射した際に起こるX線の散乱現象を利用したイメージング手法です。散乱されたX線が干渉することで、試料の構造を顕著に反映した特徴的なパターンが観測され、そこから結像アルゴリズムによって試料像を再生し、構造を解析します。ちなみにコヒーレントX線とは、位相(波の面)がそろったX線のことです。

ただ、CXDI法を使っても、X線回折能の低い生体試料からは弱いシグナルしか得られず、分解能の向上にはつながりません。また、回折角が小さな領域のデータは測定できず、従来のアルゴリズムでは正しい像を再生できない場合もあります。そこで、理研の研究者を中心とした研究グループは、生体試料に金粒子を多数散布し、生体試料と同時に金粒子もイメージングするという、新しい測定・解析法を考案しました。生体試料と金粒子のそれぞれから回折されたX線は、干渉して強め合いや弱め合いを起こします。金粒子の体積当たりの回折能は生体試料の10倍と高いため、生体試料の回折シグナルは測定レベルにまで押し上げられます。また、金粒子の比較的高いシグナルの回折パターンから得られた金粒子の位置情報を、結像アルゴリズムに与えることによって、より信頼度の高い試料像を再生できます。

理研のX線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」での実験を基に、バクテリアを模した試料で計算機実験を行ったところ、金粒子によってバクテリアの回折シグナルを約1桁押し上げられることを確認しました。また、金粒子の位置情報を結像アルゴリズムに与えたところ、バクテリアの細胞周囲の「べん毛」まで再現性よく可視化でき、従来法に比べ分解能が2倍以上向上しました。

生体試料と同様に、回折能が低い非結晶材料は材料科学の分野でも多く存在します。本手法は、こうした非結晶試料の機能原理の解明や工学的な応用に役立つと期待できます。

理化学研究所
放射光科学総合研究センター 利用技術開拓研究部門 米倉生体機構研究室
准主任研究員 米倉 功治 (よねくら こうじ)
基礎科学特別研究員 高山 裕貴 (たかやま ゆうき)