特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く 3a C 3 C 3 3 C 2 Alexaluor 430 Cy5 Atto647 Alexaluor 図 1 TED 顕微鏡に用いられるおもな蛍光色素 TED 3 TED 1 Alexaluor 430

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たいちひろき
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2 特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く化学賞超解像蛍光顕微鏡を可能にした蛍光分子有機化学の観点から阿部二朗青山学院大学理工学部化学生命科学科今年のノーベル化学賞の授賞対象となった超解像蛍光顕微鏡は優れた蛍光分子の開発なくして実現できなかった見たい対象や現象に合わせて最適な分子をつくりだす化学者の貢献がますます期待される分野であるる超解像蛍光顕微鏡を開発することで 200 nm の壁を超えることに成功したそして Moerner 博士が PALM に利用される単一分子観測の基礎を確立させたのである超解像蛍光顕微鏡の登場により生きた細胞中における個々の分子の挙動を明らかにすることが可能になり超解像蛍光顕微鏡は医学や生物学において強力な研究ツールとなったここでは TED 顕微鏡や PALM を使って超解像蛍光イメージングを効率的に測定するためにはどのような蛍光分子が適してい超解像蛍光顕微鏡の重要性るかという有機化学的な観点から解説する限られた紙面従来の光学顕微鏡の空間分解能識別可能な最小距離は 200 nm が理論的な限界だといわれていた今年のノーベル化学賞はその 200 nm の壁を超える超解像蛍光顕微鏡を開発した Eric Betzig 博士 tefan W. ell 博士 William E. の都合上超解像蛍光顕微鏡の測定原理については省かせていただく TED 顕微鏡に用いる蛍光色素 Moerner 博士の 3 氏に授与された細胞内では分子の動き TED 顕微鏡の測定に用いる蛍光色素としては ① 従来の化学反応分子間相互作用が空間的時間的に巧妙に制御さ蛍光顕微鏡用の蛍光色素に求められる生体透過性の高い赤色れることで細胞機能を発現しているため 1 分子の動きを追光により励起できること ②極性溶媒中での高い蛍光量子収跡して細胞システムを理解することは生物学分野の研究者に率 ③ 大きなモル吸光係数 ④水や緩衝液に対する優れた溶とって長年の夢であった一方で細胞内小器官やタンパ解性 ⑤ 細胞膜透過性に優れている正電荷をもっていることク質ほとんどのウイルスの大きさは数十数百 nm であり ⑥ 細胞毒性が低いことなどがあげられるさらにこれらの従来の蛍光顕微鏡では 200 nm 以下の細かい部分はぼんやり条件に加えて ⑦ 高い光安定性 ⑧ 項間交差による励起三重としか見ることができないためそれらの詳しい構造や細胞項状態の生成量が少ないこと ⑨励起状態の寿命が比較的長内での移動の様子を詳しく観察することはできなかったいこと ⑩蛍光スペクトルの長波長側に励起状態の吸収をも ell 博士と Betzig 博士はそれぞれ nm 程度たないことなどが求められるの空間分解能をもつ誘導放出抑制 stimulated emission 励起状態に留まる時間が長ければ誘導放出が起こる確率 depletion TED 顕微鏡光活性化局在顕微鏡が増大して空間分解能が向上するため励起状態が比較的長 photoactivated localization microscopy PALM と呼ばれい寿命 3 ns 以上をもつことは重要であるさらに比較的 1 2 あべじろう青山学院大学理工学部化学生命科学科教授 1991 年早稲田大学大学院理工学研究科博士後期課程修了研究テーマ光化学フォトクロミズム高強度の TED 光を必要とするため蛍光色素の褪色が問題となることが多い TED 光の波長は蛍光スペクトルの最も長波長側に設定するために基底状態分子が吸収すること化学 Vol.69 o

効率的に測定するためにはどのような蛍光分子が適してい超解像蛍光顕微鏡の重要性るかという有機化学的な観点から解説する限られた紙面従来の光学顕微鏡の空間分解能識別可能な最小距離は 200 nm が理論的な限界だといわれていた今年のノーベル化学賞はその 200 nm の壁を超える超解像蛍光顕微鏡を開発した Eric Betzig 博士 tefan W.

3 特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く 3a C 3 C 3 3 C 2 Alexaluor 430 Cy5 Atto647 Alexaluor 図 1 TED 顕微鏡に用いられるおもな蛍光色素 TED 3 TED 1 Alexaluor 430 Cy5 Atto647 Alexaluor 633 Atto647 TED 4 2 Atto647 in vitro Alexaluor 633 Cy5 Atto647 Atto647 AP 2 (C 2 ) 4 (C 3 ) 3 (C 2 ) 4 (C 3 ) 3 図 2 AP Atto647 を用いた AP タグ融合タンパク質 28 化学 Vol.69 o.12 (2014)

633 Atto647 TED 4 2 Atto647 in vitro Alexaluor 633 Cy5 Atto647 Atto647 AP 2 (C 2 ) 4 (C

4 超解像蛍光顕微鏡を可能にした蛍光分子 Me Me Me Me Me Me () Me (C) Me 図 3 光で蛍光スイッチするジアリールエテン誘導体 AP DA Atto647 AP 2 TED 5 - PALM に用いる蛍光色素 PALM 1 GP GP 1 PALM 2 GP Dronpa Dronpa 500 nm 400 nm 7 GP PALM PALM Betzig GP nm C C 488 nm 0.73 C GP 2008 GP Moerner GP 405 nm 488 nm i i 6 Betzig 図 4 自然に蛍光スイッチするローダミン誘導体化学 Vol.69 o.12 (2014) 29

500 nm 400 nm 7 GP PALM PALM Betzig GP 1 2 1 3 8 325 nm C C 488 nm 0.73 C 0.

5 特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く ms PALM 50 nm 9 TED PALM PALM 10 TED PALM 参考文献 1. W. ell, J. Wichman, pt. Lett., 19, E. Betzig, G.. Patterson, R. ougrat,. W. Lindwasser,. lenych, J.. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-chwartz,.. ess, cience, 313, J. otta, E. ron, P. Dedecker, K. P.. Janssen, C. Li, K. Müllen, B. arke, J. Bückers,. W. ell, J. ofkens, J. Am. Chem. oc., 132, K. Kolmakov, V.. Belov, J. Bierwagen, C. Ringemann, V. Müller, C. Eggeling,. W. ell, Chem. Eur. J., 16, G. Lukinavi ius, D. Lavogina, M. rpinell, K. Umezawa, L. Reymond,. Garin, P. Gönczy, K. Johnsson, Curr. Biol., 23, R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, W. E. Moerner, ature, 388, R. Ando,. Mizuno, A. Miyawaki, cience, 306, M. Irie, T. ukaminato, T. asaki,. Tamai, T. Kawai, ature, 420, Uno, M. Kamiya, T. Yoshihara, K. ugawara, K. kabe, M. C. Tarhan,. ujita, T. unatsu, Y. kada,. Tobita, Y. Urano, ature Chem., 6, E. Deniz, M. Tomasulo, J. Cusido, I. Yildiz, M. Petriella, M. L. Bossi,. ortino,. M. Raymo, J. Phys. Chem. C, 116, 化学 Vol.69 o.12 (2014)

ofkens, J. Am. Chem. oc., 132, 5021 2010 4 K. Kolmakov, V.. Belov, J. Bierwagen, C. Ringemann, V. Müller, C. Eggeling,. W. ell, Chem. Eur. J., 16, 158 2010 5 G. Lukinavi ius, D. Lavogina, M.

特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く a b λ δ Abbe δ Abbe ( ) λ() δ Abbe< δ Abbe > α() n ( ) () δ Abbe λ δ Abbe α 図 2 回折光がレンズによって結像するしくみ ababbe 200 nm

特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く a b λ δ Abbe δ Abbe ( ) λ() δ Abbe< δ Abbe > α() n ( ) () δ Abbe λ δ Abbe α 図 2 回折光がレンズによって結像するしくみ ababbe 200 nm 特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く化学賞回折限界を超えた超解像蛍光顕微鏡 "物理" の限界を超え "生命" 科学の進展に貢献永井健治大阪大学産業科学研究所従来の光学顕微鏡では不可能であったナノメートル 10 億分の１メートルの空間スケールを垣間見ることを可能にし生きた細胞内の微小構造の動態に関する理解への貢献が期待される超解像きわめて興味深いここでは何が空間分解能を制限している

特 別 解 説 2014 年 ノーベル 賞 を 読 み 解 く 3a C 3 C 3 3 C 2 Alexaluor 430 Cy5 Atto647 Alexaluor 図 1 TED 顕 微 鏡 に 用 いられるおもな 蛍 光 色 素 TED 3 TED 1 Alexaluor 430

特別解説 2014 年ノーベル賞を読み解く 3a C 3 C 3 3 C 2 Alexaluor 430 Cy5 Atto647 Alexaluor 図 1 TED 顕微鏡に用いられるおもな蛍光色素 TED 3 TED 1 Alexaluor 430