大型放射光施設 SPring-8

2024年5月24日
東京大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

◆X線自由電子レーザーを利用した高輝度・超短パルス照明により細胞の一瞬の姿を撮影できる新たな顕微鏡を開発しました。
◆従来の軟X線顕微鏡では、放射線ダメージのために生きた細胞の観察は困難でした。細胞の構造が壊れるよりも短い時間（100兆分の1秒）で撮影することで、細胞の生きた姿の観察が可能になりました。
◆生きた細胞内での瞬間的な化学状態変化の可視化など、細胞生物学に新たな視点をもたらすことが期待されます。

　水を透過し炭素に強く吸収される水の窓軟X線を用いて顕微観察を行うことで、小さな生体細胞の姿を明瞭に捉えることができます。しかし、軟X線には放射線ダメージにより細胞の構造を破壊してしまうという致命的な問題がありました。10フェムト秒（100兆分の1秒）レベルの超短パルスX線を照明光に用いることでX線ダメージを無視してイメージングができるとされており、コヒーレント回折イメージング^（※2）と呼ばれる観察手法を用いてウイルスやバクテリアの生きた姿の観察が可能となっています。しかし、サイズの大きな哺乳類細胞に対してはコヒーレント回折イメージングを利用できず、生きた哺乳類細胞はこれまで観察できませんでした。哺乳類細胞の研究は、薬剤効果や疾患解明などのために重要です。
　本研究では、独自に開発した軟X線用結像光学素子であるウォルターミラー^{（※3、関連情報①）}とX線自由電子レーザー（XFEL）^（※4）を用いて、広視野の結像型超短パルス軟X線顕微鏡を開発しました。顕微鏡はXFEL施設SACLA^（※5）で構築されました。SACLAでは、高輝度かつ超短パルスの軟X線を利用できます。ウォルターミラーにより最大50 μm x 50 μm程度の広い視野が得られるため、さまざまな哺乳類細胞を視野に収めることができます。さらに、ウォルターミラーには強力なSXFELの照射に耐え、色収差^（※6）が無いためさまざまな波長での観察に容易に対応できるという特徴があります。
　開発した顕微鏡を用いたシングルショット撮影により、CHO K-1細胞^（※7）の生きた姿を軟X線観察することに成功しました。生きた細胞の軟X線像を図1左上に示します。2つの細胞の中にさまざまな構造が確認できます。細胞核の核小体や核膜領域に炭素が集積している傾向が見られました。現時点では機能は不明ですが、核小体と核膜を繋げる構造が初めて観察されました。図1右上には、シングルショット撮影の直後に、0.5秒間にわたるマルチショット露光で撮影した細胞の像を示します。この像に写っているのは、すでに軟X線による放射線ダメージを受けた細胞です。細胞の拡大図をそれぞれ図1左下および右下に示していますが、シングルショットで最初に観察した像と、後で観察した像とでは細胞の構造が変化していることがわかります。

　軟X線自由電子レーザーが持つ波長可変性を活用して、異なる波長で細胞を観察することができました。技術開発を進めることで、将来的に窒素、リンなどさまざまな元素の細胞内分布を可視化できるようになる可能性もあります。
　本研究により、細胞の生きた姿を軟X線観察することが可能となりました。光源性能の向上によりシングルショットで明るい像が撮れるようになれば、より微細な構造を明瞭に捉えることができるようになります。今後、生きた細胞内での瞬間的な化学状態変化の可視化など、細胞生物学に新たな視点をもたらすことが期待されます。

〇関連情報：
「プレスリリース①高精度ミラーと計算を組み合わせた軟X線顕微鏡を開発 ―ラベルフリーで細胞内の微細構造を50 nmの分解能で可視化―」（2022/7/12）
https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=16120

【発表者・研究者等情報】
　東京大学
　　先端科学技術研究センター
　　　江川　悟　助教
　　　　研究当時：理化学研究所光量子工学研究センター　基礎科学特別研究員
　　　三村　秀和　教授
　　物性研究所
　　　木村　隆志　准教授
　　大学院工学系研究科物理工学専攻（物性研究所）
　　　櫻井　快　博士後期課程
　
　理化学研究所
　　放射光科学研究センター
　　　生体機構研究グループ
　　　　志村　まり　研究員
　　　　　兼任：国立国際医療研究センター　研究員
　　　SACLAビームライン基盤グループ
　　　　矢橋　牧名　グループディレクター
　　　光量子工学研究センター　先端光学素子開発チーム
　　　　山形　豊　チームリーダー
　
　高輝度光科学研究センター
　　　XFEL利用研究推進室実験技術開発チーム
　　　　大和田　成起　主幹研究員

【研究助成】
本研究は、科研費JP19H00736、JP 20J00714、JP 20H04451、JP 21K20394、JP23H01833、JP23KF0019、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号 JPMXP1223UT1093）、JSTさきがけJPMJPR1772、村田学術振興財団、精密測定技術振興財団、東京大学卓越研究員制度の支援により実施されました。

【用語解説】