広報活動

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2016年1月29日

理化学研究所

XFELと顕微鏡の相補利用で生体試料を高効率に観察

-高分解能かつ高信頼度の像の取得が可能に-

低温XFEL-CXDI法と低温光学・電子顕微鏡による葉緑体イメージングの図

低温XFEL-CXDI法と低温光学・電子顕微鏡による葉緑体イメージング

光学顕微鏡や電子顕微鏡では観察が難しい1 μm(1 μmは1,000分の1 mm)程度の大きさの細胞や細胞内小器官など生体試料の内部構造を、試料を染色したり切片化したりすることなく、そのまま数10 nm(1 nmは100万分の1 mm)の分解能で可視化できる手法に、X線自由電子レーザー(XFEL)を光源とする「コヒーレントX線回折イメージング法(XFEL-CXDI法)」があります。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法で、試料を構成する電子により散乱されたX線の干渉で発生する、試料の構造を反映したパターンを利用して試料構造を可視化します。特に、試料を瞬間凍結して極低温で観察を行う低温XFEL-CXDI法を利用すれば、細胞が機能している状態の構造を維持しながら観察できます。

一方で、生体試料からの回折シグナルが微弱であることや、XFELを照射された試料は直後に破壊されることから、低温XFEL-CXDI法では試料の作製にさまざまな試料条件の検討が必要とされます。また、直接観測されるのは実像ではなく試料からの回折パターンであるため、観察対象が正しく再生されているかどうかの確認も必要で、新しい観察手法の開発が求められていました。

理研の研究チームは、凍結試料をそのまま観察可能な低温光学顕微鏡と低温電子顕微鏡を、低温XFEL-CXDI法による観察の事前・事後評価に導入するという、いわばXFELと光学・電子顕微鏡の相互補完的方法で試料測定の効率化と解析の信頼度向上を図ろうと試みました。まず、低温下での光学・電子顕微鏡での観察によって、低温XFEL-CXDI法に求められる試料の作製条件の事前検討を可能にしました。次に、細胞内小器官の葉緑体を対象に、低温XFEL-CXDI法による実験を理研のXFEL施設「SACLA」で行い、イメージングに必要な回折パターンを高い再現度で観測することに成功しました。また、低温光学顕微鏡や低温電子顕微鏡で観察した損傷がない葉緑体の形状情報を解析に利用して、これまで解析が困難だった回折パターンからの像の再生を実現しました。

さらに、試料と金粒子集合体に同時にXFELを照射することで、金粒子からの強い回折シグナルによって試料からの微弱なシグナルを増強し、従来に比べて高分解能の回折データを観測することにも成功しました。研究で得られた実験手順を応用することで、XFELの効率的な利用が促進され、低温XFEL-CXDI法による生命科学の発展への貢献が広がるものと期待されます。

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
基礎科学特別研究員 高山 裕貴 (たかやま ゆうき)
准主任研究員 米倉 功治 (よねくら こうじ)