低温電子顕微鏡法

低温電子顕微鏡法について

低温電子顕微鏡法（Cryo-electron microscopy、略称：cryo-EM）は、透過型電子顕微鏡を使用し、試料を極低温で観察する技術です。この手法は主に構造生物学や細胞生物学の研究で活用されており、特に生体分子の微細な構造解析において重要な役割を果たしています。

基本的な原理

クライオ電子顕微鏡法は、生物試料を凍結させることでその状態を「固定」し、染色を行わずに観察します。これにより、通常の染色や化学的固定手法に比べ、生体内の状態により近い形で試料の構造を詳細に観察できるとされています。具体的には、電子顕微鏡のデータ収集と解析の技術が進化しており、次の四つの方法に分類されます。
1. 単粒子解析法（Single particle analysis）
2. トモグラフィー
3. 二次元結晶
4. 三次元微小結晶（Micro electron diffraction）

特に、単粒子解析法は結晶化が難しいタンパク質に対しても、近原子分解能での解析を可能にしています。この手法により、ウイルスやリボソーム、ミトコンドリア、イオンチャネル、酵素複合体、そして膜タンパク質など、様々な生体の構造情報が明らかになっています。

技術の発展

この技術が注目されるようになった背景には、従来の電子顕微鏡による観察で直面していた課題があります。従来の手法では、電子線による損傷や真空条件が生物試料に悪影響を与え、さらに脱水による構造崩壊が問題視されていました。水分を凍結させてアモルファス氷を生成する技術が求められ、1980年代初頭にはいくつかのグループが新たな凍結技術を試みました。その一例が、ジャック・ドゥボシェが率いるグループによるアデノウイルスの凍結画像の公開です。この研究が、低温電子顕微鏡法の始まりとされています。

また、電子エネルギーの問題についても、露光時の電子線量を最小限に抑えるため、高感度のセンサーや画像処理のための新たなアルゴリズムの開発が進められ、2012年には直接電子検出器の導入が大きな進展をもたらしました。

応用範囲

低温電子顕微鏡法は、単粒子解析法やクライオ電子線トモグラフィー、MicroED、時間分解型低温電子顕微鏡法など、さまざまな技術に応用されています。特に、通常の電子顕微鏡では観察が難しい硫黄などの揮発あるいは変化しやすい成分のある試料の解析にも役立っています。

電子顕微鏡法の成果

2017年には、クライオ電子顕微鏡法の開発に対して、ジャック・ドゥボシェ、ヨアヒム・フランク、リチャード・ヘンダーソンの三名がノーベル化学賞を受賞しました。この受賞は、低温電子顕微鏡法が生体分子の高分解能構造測定への貢献が認められた結果です。

まとめ

低温電子顕微鏡法は、生命科学の研究において革新的な解析手法であり、多様な生体の構造解明に貢献しています。この技術の進化により、今後さらに多くの生物学的課題が解決されていくことが期待されています。

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