生きた細胞の微細構造動態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 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、株式会社生体分子計測研究所

　これまでに開発してきた高速AFMの性能を向上さる技術開発を行うとともに、この新しい顕微鏡が生命科学において革新的な威力を持つことを実証するインパクトある応用研究を行う。ま た、この高速AFMを製品化するための開発を民間企業と共同で進める。金沢大学が新規に開発した技術は即座に製品化装置に導入する。更には、この事業の先を見据え、精製された生体分子ばかりでなく、細胞のように大きな試料系の観察にも適用可能な次世代の高速AFM、或いは、高速走査型プローブ顕微鏡を開発する。

従来よりもノイズが少ない新規振幅計測器や、従来よりも走査範囲が広く且つ高速走査可能な広範囲高速スキャナーを開発した。また、高速AFMの実際の有効性を実証すべく、そのバイオ応用 研究を進めた。その結果、光に応答して構造変化するバクテリオロドプシン、アクチン線維上を歩 くミオシンV、回転軸のないF1-ATPaseの構造変化の回転伝播、セルロースを分解しながら一方向運動や交通渋滞を起こすセルラーゼの機能ダイナミク（図１参照）が高い空間時間分解能で撮影され、 従来技術では不可能な発見が高速AFMにより可能であることが実証された。 これらの成果は、英国Nature誌や 米国Science誌に掲載された。

図１　高速 AFM が捉えたタンパク質の機能動態。 （Ａ）アクチン線維上を歩くミオシンＶ、（Ｂ）回転軸のないF1-ATPaseの構造変化の回転伝播。

　この革新的高速AFMの諸技術を�叶ｶ体分子計測研究所（RIBM社）に技術移転し、 RIBM社が試作機を製造した。その装置の試験・評価・改善を行い、製品版の装置を 完成させた（図 2 ）。また、新規に開発した振幅計測器と数μmレベルの広範囲高速 スキャナーを製品に導入し、販売が2011年度から開始された。これまでに7台が国内外の研究機関に導入され、高速AFMの製造・販売の事業が順調に進んでいる。　

図２　RIBM社が製品化した高速AFM装置の概観

分子ばかりでなく細胞のように大きな試料を観察可能とするために、蛍光顕微鏡に搭載可能なTip走査型高速AFM装置と上記の広範囲高速スキャナーの開発を行った。 試料走査型からTip走査型への移行に伴って必要になるトラッキング技術（カンチレバーの移動に合わせて光テコ光学系のレーザを走査）やＺスキャナーへのカンチレバー固定法の検討を行った。設計・試作・試験を繰り返した結果、最終的にある程度実用レベルのTip走査型高速AFM装置を完成させた。広範囲高速スキャナーについては、逆伝達補償によるダンピング技術も含め、XY方向に最大43μm走査可能なものを完成させた。その結果、細胞の動態やバクテリア表面にある分子の動態をも観察できるようになった（図 3 ）。この他に、超音波技術とAFM との融合による細胞内観察の可能性を検討したが、報告されている計測原理が誤りであることを見出し、それ故、この検討は中止した。最大走査範囲43μmの高速スキャナー技術は既にRIBM社に技術移転し、 製品化が進められている。

図３　脳海馬ニューロンの樹状突起（フィロポディア）の成長・退化を捉えた高速AFM像