見ることは信じることですが、人間のように視覚を重視する生き物にとって、見ることは理解することでもあります。生物学における過去 1 世紀の進歩の多くは、科学者が細胞の環境内で DNA ヘリックス、タンパク質チャネル、およびその他の生体分子がどのように見えるかを理解できるようになったことによってもたらされました。今年のノーベル化学賞は、クライオ電子顕微鏡法を開発した 3 人の科学者を称えます。クライオ電子顕微鏡法は、生きた細胞内の生体分子を動きの途中で文字通り凍結し、その画像を原子レベルまで分解する技術です。
スイスのローザンヌ大学のジャック・デュボシェ、コロンビア大学のヨアヒム・フランク、ケンブリッジのMRC分子生物学研究所のリチャード・ヘンダーソンは、生物イメージングの状態を改善するために数十年にわたって別々に追求した研究に対してノーベル賞を共有します.クライオ電子顕微鏡法 (通常略してクライオ EM と呼ばれます) は、彼らの貢献とその同僚の発案によるものです。
タンパク質やその他の生体分子は本質的にナノマシンであり、それらを詳細に理解するには、それらがどのように形状を変化させ、他の分子に結合し、細胞膜に留まるか溶液に浮遊する間にイオンを通過するかを正確に知る必要があります。それらをそのように見るという課題は、それらの小ささを克服することを超えています.化学固定剤と染色剤は、顕微鏡検査用に生体分子を固定できますが、通常、その過程で分子の形態と構成を変更します。従来の凍結は役に立ちません。氷の結晶が細胞膜を破り、タンパク質を押しのけます。生体分子は水が凍るよりも速く反応します。氷の結晶が蒸発すると、画像の忠実度が損なわれます。
20 世紀半ばに、科学者は標準的な電子顕微鏡法、X 線結晶構造解析法、核磁気共鳴画像法を使用して生体分子を研究し始めました。これらの技術は、特に望ましいレベルの微細構造を明らかにすることで、いくつかの問題を克服しました。しかし、それらのすべては、分子が生きているシステムでどのように見え、どのように振る舞うかについてのある程度正確な情報のために、それらの答えをトレードオフしました.
1975 年、ヘンダーソンと彼の同僚は、細菌の紫色の光合成色素であるバクテリオロドプシンの研究において、電子顕微鏡法を新たな高みへと押し上げました。電子顕微鏡の真空は通常、細胞物質を乾燥させて大混乱を引き起こしますが、サンプルをグルコース溶液で安定させました。生体物質の損傷を避けるために、彼らは通常よりもはるかに弱い電子ビームでサンプルを照射しました。細菌タンパク質は細胞膜内で密集しているため、Henderson のチームは X 線結晶構造解析技術を使用して、弱い電子ビームの回折パターンを解釈することができました。
その結果、バクテリオロドプシンの構造をわずか 0.7 ナノメートルまで分解することができました。これは、タンパク質としてはこれまでで最高です。しかし、その成功は、バクテリオロドプシンの特異な耐性特性に基づいています。より一般化可能なアプローチが必要でした。
フランクは、複数の 2D 電子顕微鏡スキャンを高解像度の 3D 画像に処理する方法を考案することで、1980 年代にその一部を提供しました。彼が開発したアルゴリズムを使用して、コンピューターは膜にランダムに配置された複数のタンパク質分子の特徴を照合し、平均的なタンパク質分子の 1 つについてよりシャープな構造を推測することができました。
一方、Dubochet は、タンパク質を固定化する方法として凍結を改善していました。彼は、生物学的サンプルが十分に急速に凍結できれば、サンプル中の水が結晶氷ではなくガラスを形成し、破壊が少なくなることに気付きました。彼は、液体エタンと液体窒素を-196℃で使用して、電子顕微鏡検査用のサンプルをほぼ瞬時に凍結する技術を開発しました。 Dubochet の研究により、クライオ EM が実現しました。
1991 年、Frank は Dubochet の低温ガラス化技術と彼自身のソフトウェアを使用して、4 ナノメートルの解像度でリボソームの 3D 画像を作成しました。ヘンダーソンは、個々の原子を分解するタンパク質を電子顕微鏡で観察することを決意していました。彼は、顕微鏡イメージング技術の改善を推進し続けました。 2013 年、彼は最終的に、単一電子に直接反応する、より感度の高い新しい検出器に成功しました。
クライオ EM の変革の容易さ、シンプルさ、および汎用性により、さまざまな分野の生物学研究者にとって非常に有用になっています。マックス プランク生化学研究所 (EMBL ハイデルベルク) の細胞生物学および生物物理学部門の上級科学者であるマーティン ベック氏によると、事実上、世界中のどの研究室でも、かつては不可能ではないにしても非常に困難であったタイプの分子構造解析を実行できるようになっています。 . 「そして、それは、薬物スクリーニングを行いたい人、分子が病気でどのように機能するかを理解したい人、HIV と癌を理解したい人に大きな影響を与えます」と彼は言いました。
