SRS顕微鏡のイメージング速度を高速化!動く微生物の個性を測る手法の開発に成功

東京大学大学院工学系研究科・准教授の小関泰之氏らの研究グループは,微細藻類の一種であるミドリムシの個々の細胞に含まれる脂質や多糖類の高速分子イメージングに成功した。

この研究開発は,内閣府の総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)のうち,東京大学大学院理学系研究科・教授の合田圭介氏がプログラム・マネージャーを務める「セレンディピティの計画的創出による新価値創造」の一環として取り組んだもの。

このプログラムでは,膨大な細胞の中から価値の高い希少な細胞を見つけ出す手法の確立を目指している。この実現に向けては細胞を計測する技術,その計測結果を解析する技術,希少細胞を取り出すための細胞制御技術などといったアプローチから研究・開発が行なわれている。

最終的にはこれらを融合し,微細藻類を用いた高効率な物質生産につなげる装置を開発する計画で,この装置により,2つの応用が考えられている。一つは,細胞を使ったバイオ燃料や医薬品,食料などの高効率生産への応用,二つ目は血液検査への応用だ。このうち,血液検査に関して言えば,例えば,血液中を流れるがん細胞を検出するといった,がん検査技術の開発につなげることが可能になると期待されている。

今回,小関氏らが発表した研究成果は,動いているミドリムシが溜め込む脂質や多糖類の一つであるパラミロンなどの代謝量を計測する高速イメージング手法を確立したこと。このイメージングには,小関氏が開発を進めてきた誘導ラマン散乱(stimulated Raman scattering:SRS)顕微法を利用した。

図1 SRS顕微鏡の原理模式図(提供:小関氏)
図1 SRS顕微鏡の原理模式図
(提供:小関氏)

SRS顕微法は,ラマン散乱に比べて高い感度で高速に生体分子を識別し,数秒程度の短い時間内で分子イメージングを可能にするもので,二つの光パルスを分子に照射し,分子振動に由来する光パルスの強度の変化(SRS効果)を検出する。また,試料を染色することなく観察を可能にするのも特長としている(図1)。

今回研究の対象としたミドリムシは,光合成によってパラミロンを作り出してから脂質を産出するという特性を持ち,この脂質がバイオ燃料などの原料になるとされている。研究では,「脂質をたくさん作り出すミドリムシを見つけ出すため,SRS顕微鏡を用いる手法の開発を進めた」と小関氏は語る。

これまでに脂質の計測にはSRS顕微鏡が有効であることは知られていたが,小関氏が開発したSRS顕微鏡は特に高速イメージングが可能であるのを特長とする。しかし,「それでもミドリムシの動きは早いため,これまでのSRS顕微鏡では捉えることが難しかった」(小関氏)という。

従来のSRS顕微鏡によるイメージングではレーザーの波長を連続的に変えながら,数秒程度をかけて計測するというものだったため,分子振動周波数を変えている間にミドリムシが動いてしまい,イメージング精度が低下するという課題があった。

図2 固定したミドリムシの観察結果
図2 固定したミドリムシの観察結果

この課題解決に向けては,まず薬剤でミドリムシを固定してイメージングを行なう研究を始めたという。そこでミドリムシの細胞内部の脂質やパラミロン,葉緑体,タンパク質+核酸の4種類のSRSスペクトルを捉えることを確認した(図2)。

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