特集光をつくる

X 線自由電子レーザーが拓く
生きた細胞のナノレベル観察
西野吉則 にしの よしのり
北海道大学電子科学研究所

オングストローム（10-10 m）ほどの短い波長をもされる。

つ X 線自由電子レーザー（XFEL）は，現在，日本の超短パルス X 線による放射線損傷のない生物

SACLA とアメリカの LCLS でのみ利用可能な最試料の観察のアイデアは，古くからあった1。こ先端の光である。XFEL パルスの発光時間はフェの ア イ デ ア を 一 躍 有 名 に し た の が，2000 年 にム ト 秒（10 15 秒）オ ー ダ ー と，大 型 放 射 光 施 設『ネイチャー』誌に発表された，スウェーデン・

SPring-8 からの X 線と比較して 1000 分の 1 以下ウプサラ大学の Janos Hajdu らのグループによる，の短さである。フェムト秒オーダーの超短パルス計算機シミュレーションの結果である2。彼らは，XFEL で試料を照らすと，試料が放射線によって1 個または少数個の生体分子に，フェムト秒パル大きな損傷を受ける前の一瞬の姿を捉えることがスの強い X 線を照射すると，原子が動く間もなく，できる。放射線損傷は，X 線や電子線などを用いほとんど損傷のない試料から高分解能での回折パて生物試料をナノから原子レベルで観察する際に，ターンが取得可能であることを示した。このアイ分解能を制限する大きな問題となっている。放射デアの原理検証実験は，ドイツ・ハンブルクにあ線損傷を低減するため，従来は，試料を極低温にる紫外線～軟 X 線領域の自由電子レーザー施設保つ方法がとられてきたが，XFEL は放射線損傷

FLASH を 用 い て，Henry Chapman ら に よ っ ての問題を根源的に解決する可能性を秘めており，2006 年に示され，XFEL 計画の大きな後押しと生物試料の高分解能観察に革新をもたらすと期待なった3。

-Observation of living cells at the nano level opened up by X-ray
free-electron laserKAGAKU

44444444LCLS や SACLA の登場により，放射線損傷のない生物試料の測定が，オングストロームほどの短い波長をもつ硬 X 線領域でも行えるようにな

Yoshinori NISHINO

0076

4Jan. 2015 Vol.85 No.1

コヒーレント X 線回折パターン

生きた細胞

X 線自由電子レーザー（XFEL）

マルチポートCCD 検出器
集光鏡

マイクロ液体封入アレイ（MLEA）

図 1―パルス状コヒーレント X 線溶液散乱（PCXSS）法の概念図った。特に，微小なタンパク質結晶を次々と液体折イメージングする測定が行われている9。

ジェットで打ち出し，XFEL による回折パターン

筆者らは，XFEL が可能にする放射線損傷のなを取得する，シリアルフェムト秒 X 線結晶構造

い生物試料観察の特徴を活かして，生きた細胞の解析（SFX）が盛んに行われている4。ショットごと定量的なナノイメージングに成功した10。電子顕に異なる結晶のサイズや方位は，データ解析によ微鏡や X 線顕微鏡で用いられる線量は，放射線り決定される。当初は，既知の構造をもつタンパに耐性をもつ微生物も死んでしまうほど強力であク質結晶が実験に用いられたが，2012 年になりるため，細胞を生きた状態でナノレベル観察する未知の構造のタンパク質の原子構造が解かれた 。

ことはこれまで不可能であった。フェムト秒の超

この成果は，『サイエンス』誌によって，2012 年

短パルス XFEL は，生きた細胞の X 線ナノイメの科学の 10 大ニュースの一つに選ばれた。また，ージングに道を拓く。しかし，先行する LCLS で吾郷日出夫らが SACLA で示したように，ループは，試料は真空中を飛翔しており，細胞を生きたにマウントしたタンパク結晶に対して回折実験を状態に保つことは困難であった。

5

あ ごう

行っても，放射線損傷の影響を受けることなく高精度で結晶構造が決定できる 。

そこで筆者らは，パルス状コヒーレント X 線溶液散乱（PCXSS）法と名づけた独自に考案した手6

XFEL のもう一つの特徴である，ほぼ完全な空法 を 用 い て，生 き た 細 胞 の 観 察 に 挑 ん だ。

間コヒーレンスを用いると，試料が結晶でなくてPCXSS 法の概念図を図 1 に示す。PCXSS 法は，も，コヒーレント回折パターンを用いて，試料の溶液試料を測定できることが特徴である。生物がイメージングができる。高分解能の X 線対物レ

生きていくためには水は必須であり，溶液の測定ンズを作ることは技術的に困難なため，対物レンが行えることは，生物試料観察にとって理想的でズの代わりに計算機を用いるコヒーレント回折イある。PCXSS 法では，試料をマイクロ液体封入メージングは極めて有効である。コヒーレント回アレイ（MLEA）チップと呼ばれる，筆者らが独自開折イメージングは，部分的にコヒーレントな放射発したデバイスに入れる。MLEA チップには，光を用いて技術開発が行われ，細胞や細胞小器官窒化シリコン簿膜で挟まれた微小な溶液槽が，2などの生物試料のイメージングが行われてきた 。 次元に多数配列されている。窒化シリコン簿膜は7, 8LCLS では，エアロゾルビームで打ち出されたサX 線の照射窓となるが，強力な XFEL のシングルブミクロン（10 m 以下）サイズの生物試料等に対しショットで簿膜が破壊されるため，多数の独立して，XFEL のシングルショットでコヒーレント回た溶液槽が必要となる。

-6

X 線自由電子レーザーが拓く生きた細胞のナノレベル観察

科学0077

実験では，Microbacterium lacticum という牛乳1.0の中に生息するサブミクロンの大きさの微生物細胞を観察した。この微生物は，耐熱性があり，加熱殺菌時に注意が必要な厄介者である。殺菌は製画像強度品の品質保持に関わるため，この微生物の研究は，酪農においても重要性をもつが，大きさがサブミクロンと小さいため，通常の光学顕微鏡で内部構造を観察することは困難である。XFEL 実験に先立ち，MLEA チップ中に生きた細胞を閉じ込められることを，バクテリア細胞の生死を判別できる 蛍 光 標 識 を 用 い て 確 か め た。実 験 の 結 果，

MLEA チップ中に細胞を封入した後に，MLEAチップを 1 時間真空中に置いても，ほとんどの100 nm0.0
図 2―XFEL で観察した生きた細胞の画像細胞が生きていることを確認した。

PCXSS 測定を SACLA で行った。SACLA が発をナノメートル分解能で定量的に観察できる優れ生する光子エネルギー 5.50 keV（波長 0.225 nm ほど）た手法であることが示された。今後，生きた細胞の XFEL を，集光鏡を用いてマイクロメートルほを系統的に測定することで，未だ解明されていなどの領域に集め，MLEA チップ中の生きた細胞い原核微生物のゲノム複製やそれに続く細胞分裂に次々と照射した。細胞からのコヒーレント Xなどの，重要な細胞内現象の解明に繫がることが線回折パターンは，SACLA で独自開発されたマ期待される。また，XFEL の集光度をさらに向上

ルチポート CCD 検出器を用いて計測した。測定させることにより，より小さな生体粒子の観察や，したコヒーレント回折パターンをデータ解析する

さらなる分解能の向上も期待される。これにより，ことにより，試料の画像が得られる。X 線は透過

従来の結晶構造解析などでは見ることのできなか性が高く，主に軽元素からなるサブミクロンの大った，溶液中の生体分子のナノ構造やダイナミクきさの細胞を，ほぼ完全に通り抜けてしまうが，スの解明が期待される。また，生物試料のみならXFEL が発生するコヒーレント X 線を用いることず，溶液中で機能を発揮する物質材料のナノレベにより，重金属で細胞を染色するなどの人工的にル観察にも，重要な役割を果たすと期待する。

イメージコントラストを高める試料調製の必要がなく，内部構造を鮮明に観察できる。
図 2 に PCXSS 法で観察した生きた細胞の画像

文献
1―J. C. Solem: J. Opt. Soc. Am., B3, 1551
（1986）
2―R. Neutze et al.: Nature, 406, 752（2000）を示す。細胞の画像には，極めて興味深い特徴が3―H. N. Chapman et al.: Nat. Phys., 2, 839（2006）

見られた。細胞の中には，ダンベル型をした画像

4―H. N. Chapman et al.: Nature, 470, 73（2011）

強度の高い部分が存在した。この領域は，X 線散乱強度の強い DNA などの物質で構成されていることが示唆される。実際に，画像強度の強い部分は核酸で構成され，それ以外の部分はタンパク質で構成されていると仮定すると，画像強度の高い部分とそれ以外の部分の強度比を，定量的にほぼ説明することができる。
筆者らの研究により，PCXSS 法が生きた細胞

0078

KAGAKUJan. 2015 Vol.85 No.1

5―L. Redecke et al.: Science, 339, 227（2013）
6―K. Hirata et al.: Nat. Methods, 11, 734（2014）
7―J. Miao et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 110（2003）
8―Y. Nishino et al.: Phys. Rev. Lett., 102, 018101（2009）
9―M. M. Seibert et al.: Nature, 470, 78（2011）
10―T. Kimura et al.: Nat. Commun., 5, 3052
（2014）