火星生命探査のための生命探査顕微鏡の開発／吉村 他

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特集「火星圏のサイエンス」

火星生命探査のための生命探査顕微鏡の開発
吉村 義隆 ，山岸 明彦 ，佐藤 毅彦 ，宮川 厚夫 ，今井 栄一 ，56677
佐々木 聰 ，小林 憲正 ，癸生川 陽子 ，薮田 ひかる ，長沼 毅 ，
833,9
三田 肇 ，藤田 和央 ，臼井 寛裕
12324

2018年6月29日受領，査読を経て2018年8月2日受理．

（要旨）近年の探査によって，火星表面から有機物や微生物のエネルギー源などが見つかり，火星に現在も微生物が存在する可能性が考えられるようになってきた．我々は，火星の微生物細胞を検出するための，生命探査顕微鏡（LDM : Life Detection Microscope）の開発を行っている．LDM は，蛍光色素で試料を染色し，非生物起源を含む有機物，膜構造や触媒活性をもつ有機物（微生物細胞）の他，レゴリスやダストなどの鉱物を，1 µm/pixel の分解能で映像化する．現在，実験室レベルでの試験機のための設計と製作を進めており，本稿では LDM の開発状況を報告する．

1. はじめに球の生命は，環境の変化に伴って進化し，地球上の隅々まで生息場所を広げてきた．火星の生命もまた，一端

現在の火星表面は，乾燥した低温環境であるが，こ誕生したならば，環境変化に適応し，現在も生き残っれまでの研究から，数十億年前の火星は，1）表面に大ている可能性がある．可能性の高い場所の一つとして量の水（海洋 / 湖沼）が存在したこと [1]，2）一定の期間，考えられているのは地下である．地下（表面下 2～20

温暖湿潤な気候が存在したこと [2]，3）大気を保護すkm）は温度と圧力が上昇するため，液体の水が安定しる強力な磁場が存在していたこと [3]，などが明らかて存在している可能性がある [6]．また，火星大気かになり，生命の誕生に適した環境であったと考えられらはメタンが発見されており，季節変動が見られるこるようになってきた．2011 年に打ち上げられたマーとから，クラスレート（メタン分子が水分子に囲まれズ・サイエンス・ラボラトリー（MSL）計画のキュリた包接水和物）のような状態で地下にメタンが存在す

オシティローバーによっても，生命に必須な元素（炭素，る可能性が示唆されている [7]．メタンは，地球上で水素，酸素，リンなど）や，微生物のエネルギー源とはその多くが生物由来（メタン生成菌と呼ばれる微生なる，様々な酸化還元状態の鉄や硫黄の化合物 [4]，物が生成したもの）と言われている物質である．火星

チオフェン類や芳香族などの有機化合物が見つかってでは，地下でのフィッシャー・トロプシュ反応や，隕

おり [5]，数十億年前の火星表面には生命が存在でき石などに由来する有機物の熱や紫外線による分解など，る環境があったと考えられている．

非生物的メタン生成の可能性も考えられており [8]，現在の火星は，当時の環境とは大きく異なるが，地1. 玉川大学
2. 東京薬科大学
3. 宇宙航空研究開発機構
4. 長岡技術科学大学
5. 東京工科大学
6. 横浜国立大学
7. 広島大学
8. 福岡工業大学
9. 東京工業大学
ystk@agr.tamagawa.ac.jp

その起源は不明であるが，地下にはメタン生成菌のような微生物が存在している可能性がある [9]．
一見過酷な環境に見える表面もまた，微生物が生息できる可能性がある．近年，地球上の極限環境に存在する微生物の知見が多く得られてきており，－ 20℃
でも代謝できる微生物 [10]，火星と同程度の大気圧（7hPa）でも増殖する微生物 [11]，火星表面の放射線量（76-1mGy yr [12]）に十分耐えられる微生物 [13] など，生物

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日本惑星科学会誌 Vol. 27, No. 3, 2018の生存限界は非常に広いことが分かってきた．火星環

ー質量分析とレーザー脱離質量分析（laser desorption

境では，表面に降り注ぐ紫外線が最も生物に与える影mass spectrometry）を 組 み 合 わ せ た 装 置（MOMA:響が大きいが，紫外線は数 cm 程度のレゴリスで十分Mars Organic Molecule Analyzer）を搭載する計画でに遮蔽されるので，表面から数 cm 下であれば生存可ある [23]．Mars 2020 計画ではさらに，土を容器に入能である [14]．微生物のエネルギー源となる，還元物れて火星上に保存し，将来のミッションで地球に持ち2+0-1質（Fe , S , S , CH4 など）も見つかっており [15]，液体帰ることも検討している．これに対して我々は，現在の水については，地下水が継続的に湧出していることも火星に生命が生存している可能性に着目し，微生物を示唆する峡谷や，リカリング・スロープ・リニア（RSL:細胞を検出する，蛍光顕微鏡を使った生命探査を提案

Recurring Slope Lineae）と呼ばれる，水が流れた跡のし た [14]． 探 査 装 置 を 生 命 探 査 顕 微 鏡（LDM: Lifeように見える筋状の表面構造が見つかっており [16]，Detection Microscope）と名付け，JAXA（宇宙航空研

気温が上昇する春から夏に現れ，秋から冬に消滅する究開発機構）のワーキンググループで開発を続けていことを周期的に繰り返している．RSL は，液体の水る [24]．本論文では，LDM の開発状況を報告する．

[17]，砂などの粒子 [18] などの可能性が考えられているが，塩濃度が高ければ，凝固点が下がり，火星の低2. LDMの原理

温環境でも水は液体状態を保つことが出来るので，好塩菌のような高塩濃度環境に適応した微生物が存在しLDM は，蛍光顕微鏡を基本原理として，有機物，特に微生物を検出できる装置である．蛍光顕微鏡は，ているかもしれない．
以上のように，現在でも火星には微生物が存在して微生物学，生化学，医学など，生物学の幅広い分野でいる可能性があるが，1970 年代に行われたバイキン用いられている機器であり，蛍光色素で染色した試料

グ計画による生命探査では生命は見つからなかった．に励起光を照射し，色素から発する蛍光を検出する．

バイキング着陸機は，表面土を使って光合成反応や呼様々な生体成分を検出する蛍光色素が市販されている吸活性など，代謝活動を検出する 3 つの生命探査実験が，我々は，以下の特徴を持った色素が生命探査に適を行った．これらのうち，LR（Label Release）実験としていると考えている．（1）非生物起源を含む有機化

14呼ばれる，表土試料に C で標識した有機物（栄養液）合物を検出する．（2）膜に囲まれた有機化合物を検出を加えた実験では，大量の放射性炭素の放出が検出さする．（3）触媒反応を検出する．地球の生命は有機化れ，添加した有機物を代謝する生物が存在する可能性合物で構成されている．特にアミノ酸は隕石にも含まも考えられたが，熱分解ガスクロマトグラフィー質量れるほど宇宙には普遍的に存在するので，アミノ酸が分析法で，火星由来と思われる有機物が検出されなか重合したタンパク質様の有機物は火星の生命も利用しったことから，生命の存在に否定的な結論が出されたている可能性が高い．（1）の有機物検出には SYPRO[19]．しかしその後，バイキング実験結果の再検討がRed という蛍光色素を用いる（図 1（a）左）．この色素は，なされ，質量分析装置の感度が低く，アタカマ砂漠な生物起源のタンパク質の他，前生物的過程で生産されど地球上の微生物密度が低い環境でも生命を検出できると考えられるプロテノイド（アミノ酸熱重合物），隕ないなどの問題点が指摘されている [20]．また，実験石などに含まれる多環芳香族炭化水素（PAH:で添加した有機物を火星の微生物が利用できるかどう

polycyclic aromatic hydrocarbon）などの非生物起源かも不明である．近年，NASA（アメリカ航空宇宙局）有機物も検出する（図 1（b））．また，地球の生命は全て，や ESA（欧州宇宙機関）は，有機物分析装置の開発を膜に囲まれた細胞構造を基本として，外界と内部を隔進め，2020 年打ち上げ予定の Mars 2020 計画では紫外て選択的に物質交換を行っている．このような膜構造

蛍光とラマン分光法を組み合わせた装置（SHERLOC:

は地球のみならずあらゆる生命の基本構造と考えられScanning habitable environments with Raman &る．そこで，（2）では膜透過性の異なる 2 種類の蛍光

luminescence for organics & chemicals）[21]，色素を用いて膜構造を検出する．用いる蛍光色素はExoMars 2020 で は， ラ マ ン 分 光 装 置（RLS: RamanSYTO24 と Propidium iodide（PI）の 混 合 色 素 で あ る

Laser Spectrometer）[22] や，ガスクロマトグラフィ（図 1（a）中央）．細胞膜構造が保たれている細胞（生細火星生命探査のための生命探査顕微鏡の開発／吉村 他

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図2： LDMの概念図．試料皿ローターには20個の試料室と染色液タンクが並んでおり，20個の試料を異なる蛍光色素で染色できる．概寸160 W×120 L×240 H（mm）， 目 標6 kg， 電 力 消 費 約30 Wであ る． 文 献[24]（Ⓒ 2018 by the Japan
Society for Aeronautical and Space
Sciences and ISTS）より改変．

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図1： 蛍光色素で染色された，（a）Escherichia coliおよびDNAが欠損したミニセル，（b）
PAHの蛍光画像．使用した蛍光色素はSYPRO Red，SYTO24とPIの混合液，
CFDA-AMである．（a）で点状に見られる小さな細胞がミニセルであり，DNAがない細胞でも検出可能である．

DE

生命活動を維持するために酵素によって触媒される，多くの化学反応を行っている．最も一般的な酵素であるエステラーゼによる触媒反応を
検 出 す る 蛍 光 色 素 CFDA-AM を 用 い る（図 1（a）右）．CFDA-AM 自体は無蛍光だが，細胞内でエステラーゼによって加水分解されると緑色の蛍光を発する．これらの色素は，一般的な微図3： 粘土鉱物（モンモリロナイト）にDeinococcus radioduransの生菌および死菌を添加して，SYTO24とPIの混合色素で染色した蛍光画像．（a）SYTO24による緑色蛍光（生菌）は観察されるが，粘土鉱物にPIが吸着し死菌と鉱物を識別することができない．（b）黒色インクを添加することで鉱物由来の蛍光が吸収され，微生物の蛍光が観察可能になる．

生物細胞の他，ミニセルと呼ばれる DNA を持たない直径 1 µm 以下の微小な細胞 [19] も染色可能である．また，蛍光色素を含む染色液には，火星の低温低圧環境で用いるために，67％グリセロール溶液として使用する．これにより，-30℃～30℃，火星大気圧（7 hPa）で，染色と撮像に必胞）では，親水性の PI は細胞膜を透過できないが，疎要な時間中，液体状態を保つことができる．また，過水性が高い SYTO24 は細胞膜を透過し，核酸などの塩素酸や放射線，温度耐性も十分な色素溶液を開発し有機化合物を染色する．そのため SYTO24 の緑色蛍ている．
4光が観察される．細胞膜が壊れている死細胞では，PI

LDM の大きな特徴は，高感度（10 cells/g）と高空が細胞内に入り，SYTO24 に共に核酸が染色されるが，間分解能（1 µm/pixel）である．この感度は，バイキン

SYTO24 の緑色蛍光を PI が吸収するため，PI によるグ着陸機で用いられた熱分解ガスクロマトグラフィー赤色蛍光が観察される．これにより膜構造をもつ細胞質量分析装置よりも 2 桁高く，地球の陸上環境で最もを検出できる．（3）の色素は，生命の代謝を支える酵微生物密度の低い場所でも検出できるように設定した．

素による触媒反応を検出する．全ての地球の生物は，仮に細胞が検出されなかった場合でも，火星は，地球

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で最も過酷な場所よりも低い微生物密度であることがしていれば，1 mm の体積内に数～10 細胞程度検出判明し，火星の微生物密度の上限を設定することがでされる．各画像中の焦点が合った粒子を抽出し 1 枚のきる．これは，将来の有人探査で，ヒトと火星生命が画像に統合したのち地球に送信する．また，LD とは接触するリスクを評価する際の重要な情報になる．ま別に，白色 LED 照明を搭載しており，蛍光画像だけた，1 細胞中には大腸菌で約 0.3 ng の有機物が含まれでなく，明視野画像も得ることもできる．これは，レており，これが有機物の検出限界と言える．

ゴリスやダストなどの鉱物粒子の形状を高解像度に観1 µm/pixel の分解能は，地球の原核生物のサイズ察するときに特に有効である．現在の仕様は，概寸をもとに設定した．火星生命がどのようなものかは不160 W × 120 L × 240 H（mm），目標 6 kg，電力消費約明であるが，生命が誕生してからおよそ 20 億年間は30 W，動作温度 -30 〜 30 ℃，保存温度 -40 〜 70 ℃で単細胞の原核生物だけの世界であった．火星では，海ある．MSL 計画などで使われている質量分析装置はおよび大気が最初の 10 億年ほどで多くが失われたこ

小型軽量化が難しいのに対し，LDM は軽量化できるとを考えると，現在の火星生物は，原核生物の段階でのが利点である．解析試料数を減らせば，大幅に小型あると推定できる．地球の原核生物は，細胞内器官（核，の装置も可能であり，将来の様々な火星探査計画に合ミトコンドリア等）や細胞内運搬装置を持たず，細胞わせて仕様を変更することができる．

内での物質移動は拡散のみに依存するため，細胞直径が 1 µm より大きくなることはまずなく，ほぼ全ての4. 今後の課題

原核生物（球菌あるいは桿菌）の直径は 1 µm 以下である．また，蛍光顕微鏡はピクセル面積に反比例して検土壌などの環境試料を蛍光顕微鏡で観察する場合，出感度が悪くなるので，仮に 10 µm/pixel だと，1 µm

鉱物への色素の吸着や，鉱物の自家蛍光によって擬陽の物質に対しては，検出感度は 1 µm/pixel の 100 分の性シグナルとなる可能性がある．例えばモンモリロナ

1 に な る．ExoMars 2020 計 画 の SHERLOC や Exo-イトのような粘土鉱物は PI を吸着し，図 3（a）のようMars 2020 計画の RLS でも有機物の映像化を行うが，に微生物と鉱物の蛍光が区別することができない．こ

解像度は 7～30 µm/pixel で，蛍光法よりも感度が低の問題に対しては，黒色インクを添加し，鉱物からのい ラ マ ン 分 光 法 に よ る 検 出 の た め， 微 生 物 細 胞（1蛍光を消光し，微生物の蛍光を検出することが可能でµm）の検出は期待できない．

あることが分かっている（図 3（b）），また，鉱物の自家蛍光と細胞の蛍光との識別は，退色速度や蛍光スペ

3. LDM装置の概要

クトルの違いを利用する予定である．鉱物の自家蛍光は励起光を照射してもほとんど退色しないのに対し，

図 2 は LDM の概念図である．装置上部の円筒形は，色素由来の蛍光は徐々に退色する．撮像後，一定時間試料を受け取る試料皿を回転するローターである．ロ

励起光を照射し続けた後にもう一度撮像し，蛍光強度ーターには 20 個の試料皿があり，それぞれの試料皿が減少している粒子が色素由来の蛍光と判定できる．の隣には色素液タンクが並んでいる．ローバーのロボ

また，鉱物の蛍光は，ピーク波長や半値幅が蛍光色素

ットアームで採取された土は試料皿に入り，色素液タと異なるのでスペクトルを比較することで識別可能でンクから染色液が試料皿に流れ込んで染色する．試料ある．これらの方法を用いて，擬陽性として検出され皿の下部は石英窓になっており，対物レンズで試料をる粒子数を最小限に抑える．さらに，最初に分析する

下から観察する．光源には青色レーザーダイオード

サンプルは，表面土の試料を用いる．表面土は強い紫（LD）を使用し，LD からの励起光を，ダイクロイック外線にさらされているため，火星由来の微生物は存在

ミラー（DM）と対物レンズを通して試料皿下部に入射しないはずであるが，機器などに付着して地球から持する．生じた蛍光は，対物レンズ，DM，結像レンズち込まれた微生物や，鉱物由来の蛍光（擬陽性）が検出を通り，撮像素子に結像させ撮像する．ローターを動される可能性がある．これをリファレンスとして，ノ3かしながら約 1 mm の試料体積を走査し，静止画像4を 200 枚撮影する．10 cells/g の密度で微生物が存在イズレベルを設定する．試料中で検出された細胞の数が統計的に有意である場合，試料は火星由来の細胞を火星生命探査のための生命探査顕微鏡の開発／吉村 他

151含むと見なすことができる．
擬陽性以外の課題として，低温低圧環境下での染色参考文献

液添加機構，試料量の対応範囲の確認，試料皿の蓋開閉機構などを検討しており，実験室レベルでの試験機（ブレッドボードモデル（BBM））の製造を目指して開発を行っている．

[1] Carr, M. H. and Head, J. W., 2003, J. Geophys. Res.
Planets 108.
[2] Pollack, J. B. et al., 1987, Icarus 71, 203.
[3] Acuna, M. et al., 1999, Science 284, 790.

5. まとめ[4] Grotzinger, J. P. et al., 2014, Science 343, 1242777.
[5] Eigenbrode, J. L. et al., 2018, Science 360, 1096.

近年の探査によって，火星に現在も生きている微生物が存在する可能性が考えられるようになってきた．

[6] Oze, C. and Sharma, M., 2005, Geophys. Res. Lett. 32,L10203.

生命探査装置として提案した LDM は，顕微鏡を使っ[7] Webster, C. R. et al., 2018, Science 360, 1093.て有機物やレゴリスやダスト粒子を 1 µm/pixel の分[8] Oehler, D. Z. and Etiope, G., 2017, Astrobiology 17,解能で映像化する装置である．有機物は，試料を蛍光1233.

色素で染色したのち，青色レーザーダイオードを照射[9] Atreya, S. K. et al., 2007, Planet. Space Sci. 55, 358.

して発する蛍光を検出する．SYPRO Red は，微生物[10] Rivkina, E. et al., 2000, Appl. Environ. Microbiol. 66,の 他，PAH な ど の 非 生 物 起 源 有 機 物 を 検 出 し，
SYTO24 と PI の混合色素によって膜構造を持つ微生物を，CFDA-AM によって触媒活性を有する微生物

3230.
[11] Nicholson, W. L. et al., 2013, Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S.A. 110, 666.

を検出する．これらの微生物は生きている細胞と見な[12] Hassler, D. M. et al., 2013, Science 343, 1244797.

すことができる．レゴリスやダスト粒子は白色 LED[13] Cox, M. M. and Battista, J. R., 2005, Nat. Rev.

を使った明視野照明で映像化する．微生物の検出感度4Microbiol. 3, 882.

は，10 cells/g であり，地球上で最も微生物密度の低[14] Yamagishi, A. et al., 2010, Biol. Sci. Space 24, 67.

い土でも検出可能である．日本では，火星の衛星フォ[15] Cockell, C. S., 2014, Astrobiology 14, 182.

ボスとダイモスの観測とサンプル採取を行う，火星衛[16] McEwen, A. S. et al., 2014, Nat. Geosci. 7, 53.

星 探 査 計 画（MMX: Martian Moons eXoploration）が[17] Ojha, L. et al., 2015, Nat. Geosci. 8, 829.

進められており，火星本体への着陸計画は検討段階で[18] Dundas, C. M. et al., 2017, Nat. Geosci. 10, 903.

あるが，軽量かつ生命の形態を映像化できる LDM は，[19] Klein, H. P., 1977, J. Geophys. Res. 82, 4677.

火星だけでなく，エンケラドスや金星など，他の天体[20] Navarro-Gonzalez, R. et al., 2006, Proc. Natl. Acad.

での生命探査にも有効であると考え，今後行われるでSci. U.S.A. 103, 16089.

あろう，国内外での生命探査計画に搭載することを目[21] Beegle, L. et al., 2015, IEEE Aerospace Conference, 1.

指して開発を進めている．

[22] Edwards, H. G. et al., 2013, Astrobiology 13, 543.
[23] Vago, J. L. et al., 2017, Astrobiology 17, 471.

謝 辞[24] Yamagishi, A. et al., 2018, Trans. JSASS, Aerospace
Technology Japan 16, 299.

LDM の開発は，JAXA の生命探査ワーキンググループで，平成 29 年度および平成 30 年度宇宙理学委員会戦略的基礎開発予算，平成 30 年度自然科学研究機
構アストロバイオロジーセンタープロジェクト（課題番号：AB301019）の助成を受けて行っている．