生きた細胞の微細構造を高速撮影する顕微鏡の開発

研究代表	金沢大学理工研究域数物科学系　教授　安藤　敏夫
U R L	http://www.s.kanazawa-u.ac.jp/phys/biophys/index.htm
参画機関	金沢大学大学院、株式会社生体分子計測研究所

　生命現象の解明に資する高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を開発する。分離精製された生体高分子（DNA、タンパク質）の機能ダイナミクスばかりでなく、生きた細胞表面上で起こるタンパク質の動的な振る舞いや、細胞内オルガネラの動態の可視化をも可能にする新規高速AFMを開発し、生命科学の発展に貢献する。 　分子レベル、オルガネラレベルで起こる生命現象は複雑であり、その複雑な現象の理解には可視化は極めて直接的なアプローチである。それ故、新規光学顕微鏡技術や蛍光プローブが開発され、大きな成果を上げている。しかし、プローブを介しての観察であり、DNAやタンパク質を直接観察することは不可能であり、プローブの振る舞いから実体の振る舞いを推測しなければならない。一方、電子顕微鏡では生体分子を直接観察することは可能であるものの、乾燥した試料に限られる。生きた生体分子や細胞で起こる動的な現象を、「高い解像度」で「リアルタイム」に「直接」可視化できる技術はこれまで存在しなかった。我々が世界に先駆けて開発した高速AFMは、分離精製された生体分子のダイナミックな振る舞いを直接観察することを初めて可能にした。しかし、広範な生体分子系に適用できるほどには未だ性能は十分ではない。そこで、本研究では、これまでの高速AFMを更に改良した「高性能高速AFM」を開発するとともに、対象となる系を格段に広げる新規高速AFMを開発する。生きた細胞の膜は極めて柔らかく、AFM探針との接触により大きく変形してしまうため、そこで起こる分子レベルの現象を可視化できない。そこで、探針が試料に接触しない条件でも観察できる「非接触型高速AFM」を開発し、細胞膜表面上で起こる分子プロセスの観察を実現する。AFMは表面を観察する顕微鏡であるが、超音波とAFMを組み合わせることで表面下の構造を観察することが可能である。そこで、超音波技術を高速AFMに導入し、「高速内視AFM」を開発する。それにより、細胞内オルガネラの動態観察を実現する。細胞を対象とした場合、観察範囲が広くなるとともに、光学顕微鏡による観察も可能でなければならない。これらの要求を両立できる高速AFMの設計も大きな課題であるが、その実現により極めて汎用性の高い高速AFMが生まれるものと期待される。 　これまで開発した高速AFMでは、計17件の特許について国内外のメーカ4社との実施契約が締結されており、それらのメーカによる製品化の活動が現在進められている。本研究で開発する汎用性の高い「高性能高速AFM」、「非接触型高速AFM」、「高速内視AFM」についても、我々によるプロトタイプ機の製作、特許実施契約、メーカによる製品化に向けたプロトタイプ機の開発とマーケットリサーチ、ユーザーによる試行・評価、最終製品化へと進み、将来複数企業による事業化に結びつくものと期待される。