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 のかを簡潔に解説し 3 氏がいかにしてその制限を克服した のか さらに今後どのようなサイエンスが展開されつつある のかを述べる 回折限界とは 蛍光顕微鏡がなぜ ノーベル 化学 賞に値するの か そして今後どのようなサイエンスが展開され 細胞のように小さすぎて肉眼では見えないモノは 顕微鏡 ようとしているのかを概説する を使い像を拡大して観察するのが一般的である この像の拡 2014 年のノーベル化学賞は アメリカのハワードヒュー だが 実際 ある程度以下の小さな構造はどれだけ拡大して 大は千倍 一万倍 百万倍 といくらでも原理的には可能 ズ医学研究所の Eric Betzig 博士 スタンフォード大学の William E. Moerner 博士 ドイツ マックスプランク研究 a 所の Stefan W. Hell 博士の 3 氏に授与されることが決まっ た 受賞理由は 超解像蛍光顕微鏡の開発 である 長年 物 理法則によって光の波長の半分の大きさよりも小さなものは 見ることができないとされてきた 私たちが見ることのでき る可視光の波長は 400 700 nm であることから 最も短い b 波長を用いても 200 nm より細かい構造を解像することはで きないと信じられていた しかしながら 3 氏は 蛍光分子 の特性を巧みに用いることで この限界を超えることに成功 したのである このブレークスルーによって 光学顕微鏡の観察対象は c μm マイクロメートル から nm ナノメートル のオーダー に広がり とくに生体試料の観察に導入され威力を発揮して いる 物理 法則を打ち破り 生命 科学の進展に貢献して いる技術開発に対してノーベル 化学 賞が授与されたことは ながい たけはる 大阪大学産業科学研究所教授 1998 年東京大 学大学院医学系研究科博士課程修了 研究テーマ バイオイメージン グ 趣味 読書 登山 スキー 飲酒しながらの科学談義 青色光 赤色光 図 1 光の回折現象 a 平面波が障害物にぶつかると 光は折れ曲がる b スリットの 径が小さいほど回折角は大きくなる c 赤色光 波長が長い光 の ほうが 青色光 波長が短い光 よりも回折角が大きくなる 化学 Vol.69 No.12 2014 21

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 1a 1bc 1 b 1 c 2 a Ernst Abbe 1840-190519 Abbe δ Abbe 2 b PHOTO:HHMI 受 賞 者 略 歴 ( 化 学 編 集 部 調 べ) Eric Betzig ハワードヒューズ 医 学 研 究 所 グループリーダー. 1960 1983 1988 Ph.D. AT&T 2005 Stefan W. Hell マックスプランク 生 物 物 理 化 学 研 究 所 所 長, ゲッティンゲン 大 学 名 誉 教 授,ハイデルベ ルグ 大 学 非 常 勤 教 授. 1962 1987 1990 Ph.D. 1991 1993 PHOTO:Max Planck Institute for Biophysical Chemistry 1993 1996 1997 2002 William E. Moerner スタンフォード 大 学 教 授. 1953 1975 1982 Ph.D. 1981 1993 IBM 1993 1994 IBM 1995 1998 1998 PHOTO:Stanford University 22 化 学 Vol.69 No.12 (2014)

回 折 限 界 を 超 えた 超 解 像 蛍 光 顕 微 鏡 a b 0.61 λ δ Rayleigh 1.22λ 図 3 Rayleigh が 見 いだした 空 間 分 解 能 の 定 義 ab δ Rayleigh δ Abbe λ 1 δ Rayleigh 0.61λ 3 λ numerical aperture α n nsinα 2 Lord Rayleigh 1842-1919 2 2 2 δ Rayleigh 3 1.5 δ 400 nm 200 nm 1 μm 100 nm nm 100 1 分 子 蛍 光 の 超 局 在 による 超 解 像 2008 GFP 3.5 nm a b 180 c10 160 140 8 500 nm / 120 100 80 60 40 20 0 1000 500 0 X /nm 6 4 2 0 500 1000 500 0 X /nm 500 図 4 ガウス 分 布 のフィッティングにより 求 められる 重 心 位 置 a1 bc 化 学 Vol.69 No.12 (2014) 23

特 別 解 説 2014 年 ノーベル 賞 を 読 み 解 く 3 TIRF 1 Moerner TIRF GFP YFP 488 nm YFP YFP 5 4 GFP 写 真 1 Eric Betzig 博 士 の 研 究 室 にて 2012 Betzig Betzig Lippincott-Schwartz GFP PA-GFP 5 PA-GFP 488 nm PA-GFP Betzig Lippincott-Schwartz PA-GFP Kaede GFP 1 510 nm 1.5 Eos-FP TIRF 1 1 340 nm GFP 1 GFP 340 nm S/N nm N 4 P 3 Rayleigh A Betzig 1 1 P1 300 nm P 3 GFP 1 P 2 Y Rayleigh 1 P 1 F Y F A I N 1 Moerner 2 1995 TIRF Microscopy 1 ATP 図 5 単 一 YFP 分 子 の 遷 移 状 態 モデル YFP AI N A YFP N P 1 488 nm P 2 P 3 Y203 YFP F 203 YFP 488 nm 24 化 学 Vol.69 No.12 (2014)

回 折 限 界 を 超 えた 超 解 像 蛍 光 顕 微 鏡 a PA-GFP b 1 1μm 2 c n 1μm 図 6 Betzig 博 士 が 開 発 した PALM 超 解 像 顕 微 法 apalm PALM 1 btirf cpalm E. Betzig et al., Science, 313, 1624 2006Reprinted with permission from AAAS nm nm nm 6 6 PALM photoactivated localization microscopy 10 nm 光 学 的 な 超 解 像 Betzig Hell a STED y x z + >200nm STED b <<200nm 図 7 STED 法 の 模 式 図 a STED bsted S. W. Hell et al., Bioph. J., 105, L01 2013 2013 Biophysical Society. 化 学 Vol.69 No.12 (2014) 25

特 別 解 説 2014 年 ノーベル 賞 を 読 み 解 く 写 真 2 Hell 博 士 と 超 解 像 顕 微 鏡 の 展 望 について 議 論 する 筆 者 2013 9 9 Hell 1 200 nm Rayleigh Hell 7 7 STED stimulated emission depletion STED Hell STED 50 nm 8 STED 1 PALM GW /cm 2 STED Hell STED 1/10 8 ON/OFF RESOLFTreversible saturable optical fluorescence transitions 9 Dronpa 10 10 ms/10 nm 7 b 2013 9 9 Hell 2 100 nm 参 考 文 献 1E. Betzig, Opt. Lett., 20, 237 19952W. E. Moerner, L. Kador, Phys. Rev. Lett., 62, 2535 19893T. Funatsu, Y. Harada, M. Tokunaga, K. Saito, T. Yanagida, Nature, 374, 555 19954R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, W. E. Moerner, ibid., 388, 355 1997 5G. H. Patterson, J. Lippincott-Schwartz, Methods, 32, 445 20046 E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, H. F. Hess, Science, 313, 1642 20067S. W. Hell, J. Wichmann, Opt. Lett., 19, 780 1994 8T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 8206 20009S. W. Hell, Science, 316, 1153 2007 10R. Ando, H. Mizuno, A. Miyawaki, ibid., 306, 1370 2004 26 化 学 Vol.69 No.12 (2014)