基礎生物学研究所(NIBB)は8月2日、シート状に整形したレーザービームを試料に照射し、光の照射面に対して垂直な方向から画像を撮影する方式の「光シート型顕微鏡」と、無染色で分子を可視化できる「ラマン顕微鏡」の原理を組み合わせた「光シート型ラマン顕微鏡」を開発し、生きたメダカ稚魚の「虹色素胞」に含まれる「グアニン分子」のラマンイメージングに成功したと発表した。

成果は、NIBBの野中茂紀准教授と大嶋佑介研究員(現・愛媛大学医学部助教)らの研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、米国科学雑誌「Optics Express」に掲載された。

生物学の研究において、生体内の分子を可視化する「分子イメージング」を行うためには、通常は観察対象の分子を蛍光などで標識することが必要である。近年では、「共焦点顕微鏡」などの高性能な蛍光顕微鏡とGFPなどの蛍光タンパク質を利用した遺伝子工学技術を駆使した分子イメージングを通じて、生体分子の機能が次々と明らかにされてきているところだ。

ところが、蛍光標識による分子イメージング技術には、いくつかの欠点がある。標識によって分子が本来の機能を失う可能性がまったくないわけではないことが1つ。また、遺伝子組み換え技術では、タンパク質以外の脂質や糖、そのほか低分子化合物などを標識することが困難という点もある。

そこで、無染色・無標識で分子を見るための新しい手法として注目を集めているのが、「ラマン分光法」を利用したラマン顕微鏡だ。ラマン分光法とは、散乱光に含まれる分子固有の振動状態を反映した波長成分の変化を波形(スペクトル)として解析することで、分子の定性分析、定量分析を行う手法である。

ただし、ラマン分光顕微鏡にも欠点はある。ラマン散乱のシグナルはきわめて微弱なため、測定に非常な長時間を要してしまうのだ。

そこで研究グループは今回、ラマン顕微鏡に「光シート型」と呼ばれる顕微鏡光学システムを組み合わせた分子イメージング技術を新たに開発。光シート型顕微鏡は、シート状に整形したレーザービームを試料に照射し、光の照射面に対して垂直な方向から画像を撮影する方式で、照射光に対するシグナル光の取得効率が高いため褪色や光毒性が抑えられ、かつ深部観察性能にも優れている。

この原理を応用して、無標識で生体試料の分子イメージングを可能にする光シート型ラマン顕微鏡を開発し(画像1)、メダカ稚魚を生きたまま観察して虹色素胞の分子イメージングに成功した。

画像1。光シート型ラマン顕微鏡の光路図

電子制御波長可変チタンサファイアレーザーという特殊なレーザー光源を用いて、生きたメダカの稚魚を観察したところ、眼球、胸鰭付近の虹色素胞からシグナルをとらえた(画像2・3)。

画像2(左)は、メダカの眼の暗視野像とラマンイメージ(745nm)。画像3は、メダカ体幹部の暗視野像とラマンイメージ(740nm)。ラマイメージは共に虹色素胞のグアニン分子をとらえている

虹色素胞にはグアニンが含まれていることが知られており、ラマン分光法によるスペクトル解析の結果、グアニン分子のイメージであることが明らかになった。

このような無標識分子イメージングの技術は、将来的には例えば「レチノイン酸」や尿酸といった、生体内での分布が重要な意味を持つタンパク質以外の分子のイメージングに応用できる可能性があるという。

また今後は、ビーム整形をより精密に制御し、高倍率かつ鮮明な画像を取得できるように顕微鏡を改良し、細胞レベルでの解析を行うことによって、組織の発生や細胞分化、形態形成に関わる分子の機能やダイナミクスに迫る革新的な技術として期待できると、研究グループは今回の技術に対するコメントを述べている。