DNA-PAINTへの誘い #1:「次の数年、何しようか……?」

自分の将来についての好奇心と不安が入り混じった問いは、どんな世界に身を置いていても頭をもたげることがあるのではないかと思うのですが、ご多分にもれず自分も今から数年前、こんなことを考えていました。

まだ10年ちょっとですが、自分のこれまでの研究人生を振り返って見るに、大学院時代はRNAタンパク質複合体の構造生物学、学位取得後の1st ポスドクでは分野を大きく変えて、RNAサイレンシング複合体の1分子イメージングをやってきました。そしていま(2nd ポスドク)は、DNAナノテクノロジーを用いた超解像顕微鏡観察技術の開発をしています。当然のことながら、深い考えと明確なビジョンをもって研究テーマを選んできたというわけではなく、その時その時のやりたいことを選んできました。ただ、どんな生物学上の問題を解くかということよりも、どうやってその問題を解くか、という方法論により強い興味をもってきた気がしています。

そんな自分にとって、最初の問いの答えは「DNAナノテクノロジー × 超解像顕微鏡法」でした。

顕微鏡の発明と「回折の壁」

生き物が内包する目に見えない世界の存在に、人類が初めて気づいたのは17世紀のことです。イギリスの科学者ロバート・フックがコルクの中に見られる小さな小部屋を「細胞(Cell)」と名付けたのが1665年、オランダの科学者アントニ・ファン・レーウェンフックが湖の水の中でうごめく「微生物」を発見したのが1674年です。顕微鏡の発明は、これらを少し遡る16世紀末〜17世紀初頭なのですが、発明年と発明者については議論があり、現在でもはっきりとはしていません*1



アントニ・ファン・レーウェンフックの手による顕微鏡観察スケッチ。観察サンプルはトネリコの木(樹齢1年)の切片。

顕微鏡が生物学の歴史に登場して以来、生物そのものや生物組織、あるいは細胞のもつ微細な構造や挙動の観察は、生物学の基礎を担ってきました。光学顕微鏡による偉大な成果には、結核菌やコレラ菌といった病原体の発見、細胞分裂時に紡錘体が形成されることの証明、2016年のノーベル生理学医学賞を受賞した大隅良典・東京工業大特任教授によるオートファジーの発見などが含まれます。

しかし光学顕微鏡には、その発明以来越えられない壁が常に存在してきました。それは「回折の壁」、すなわち光の波長よりもずっと小さいものは、光の回折現象のために観察できないという物理的な限界です*2

光は波であり、波は回折します。光がもつ物理的な性質は、すべての光学顕微鏡において、見ることができる小ささの限界を規定します。しかし、光の回折により、無限に小さな点から出た光であっても、レンズで光を集め、像として結んだ時には、光の波長と同程度の大きさをもった円盤にまでしか収束しません。言い換えれば、観察サンプルがもつ微細な構造は、光の波長と同じくらいの大きさでぼやけてしまいます。

一般的に、通常の光学顕微鏡では200 nm(ナノメートルは1メートルの10億分の1)程度が観察できる小ささの限界です。一般的なヒトの細胞の大きさは10〜100 µm(マイクロメートルは1メートルの100万分の1)、ミトコンドリアや小胞体の大きさは<1 µm、その中で働くタンパク質や核酸の大きさは200 nmをはるかに下回ります。そのため光学顕微鏡では、細胞の中にある構造のすべてを捉えることはできません。どんなに顕微鏡技術が発達しても、光を使う限り「回折の壁」は原理的に避けられない、少なくともそう考えられてきました。

実際、光学顕微鏡では見ることができない微細な観察には、可視光よりも波長を短くすることができる電子を使った、電子顕微鏡が一般的に使われてきました。しかし電子顕微鏡には、生きた細胞を観察できない、分子の種類を見分けることが難しい*3、といった欠点があります。光学顕微鏡の波長の壁を突破する技術の開発、それは生物学者と顕微鏡技術者にとっての長年の挑戦でした。

この壁を突破する技術が「超解像顕微鏡法」です。超解像顕微鏡法は光学顕微鏡の「回折限界」を超えた分解能、具体的には、200ナノメートルよりも小さい分解能を達成します。

*1:有力な説の1つは、オランダのヤンセン親子が1590年に発明したというものです

*2:詳しくは>The Diffraction Barrier in Optical Microscopy | MicroscopyU

*3:電子顕微鏡で分子の種類を見分ける技術の開発についてもいくつか報告があります。例えば以下の研究。 http://www.cell.com/cell-chemical-biology/abstract/S2451-9456(16)30357-9