肉眼では見ることができないものを見る - 科学者がどのようにして顕微鏡の世界を明らかにするかについての 4 つの重要な本

健康および生物医学アソシエイトエディター

ノーザンケンタッキー大学教授兼神経科学プログラムディレクター

ピッツバーグ大学計算生物学およびシステム生物学教授、科学戦略および計画担当上級副学長

カリフォルニア大学サンフランシスコ校グラッドストーン研究所科学プログラムリーダー

ペンシルベニア州立大学神経行動科学准教授

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顕微鏡は生命科学の象徴的なシンボルですが、それには十分な理由があります。 細胞の存在の発見から DNA の構造に至るまで、顕微鏡はこの分野の典型的なツールであり、科学者だけでなく一般の人々にとっても生物世界の新たな次元を解き放ってきました。

生命科学では、生物の機能を理解するためにその形態を解釈する必要があることが多く、画像化は理論を確認し、まだ未知のことを明らかにするために不可欠です。

The Conversation のアーカイブから厳選したこの記事では、視覚をまったく超えた視覚化技術など、顕微鏡がさまざまな形の科学的知識に貢献したいくつかの方法を紹介します。

過去数世紀にわたって、顕微鏡は徐々にではありますが大きな進化を遂げてきました。 それぞれの進歩により、研究者は、細胞から細胞内の構造、細胞内の構造内の構造、原子に至るまで、ますます小さく壊れやすい構造や生体分子をますます高い解像度で観察できるようになりました。

しかし、セルの最小構造と最大構造の間には依然として解像度のギャップがあります。 生物物理学者のジェレミー・バーグは、Google マップに例えました。科学者は都市全体と個々の家を見ることはできましたが、近隣地域を把握することはできませんでした。

「これらの近隣レベルの詳細を確認することは、個々のコンポーネントが細胞の環境でどのように連携して機能するかを理解できるようにするために不可欠です」と彼は書いています。

科学者たちは、その解像度のギャップを埋めるために取り組んでいます。 たとえば、2014 年にノーベル賞を受賞した超解像顕微鏡の改良により、さまざまなサイズと時間スケールの画像を同時に取得することで、細胞分裂などの長いプロセスの研究が強化され、従来の顕微鏡ではぼやけがちだった細部が鮮明になりました。

もう 1 つの技術であるクライオ電子顕微鏡法 (クライオ EM) は、急速冷凍することでさらに複雑で動的な分子を可視化することで 2017 年にノーベル賞を受賞しました。 これにより、写真撮影のために電子ビームが照射されるサンプルの周囲にガラスのような保護シェルが形成されます。 クライオ EM の特殊なタイプである Cryo-ET は、自然環境内の分子構造の 3D 画像を構築できます。

これらの技術は、原子解像度またはそれに近い解像度で画像を生成するだけでなく、捕捉が難しい対象の生体分子の自然な形状も保存します。 たとえば、研究者らはクライオ EM を使用して、形状変化する C 型肝炎ウイルスの表面にあるとらえどころのないタンパク質の構造を捕捉することができ、将来のワクチンに重要な情報を提供しました。

科学の視力がさらに強化されれば、生命の構成要素の詳細がさらに明らかになるでしょう。

「分子のバラバラな袋から複雑に組織化された動的なシステムへと移行し、細胞をどのように理解するかについての新しい理論が登場することを期待しています」とバーグ氏は書いています。

続きを読む: これまで不可能だった解像度で細胞内部を視覚化することで、細胞がどのように機能するかについての鮮明な洞察が得られます。

顕微鏡画像は多くの場合、隠れた特徴を明らかにするために拡大された全体の外接部分であるスナップショットとしてフレーム化されます。 しかし、生物の中で単独で機能するものは何もありません。 科学者は、個々の構成要素を識別した後、それらが身体のマクロシステム内でどのように相互作用するかをグラフ化する任務を負っています。 これを理解するには、特定の細胞、組織、器官を構成するすべての構成要素を特定するだけでなく、それらを相互に関連付けて配置すること、つまり地図を作成することも必要です。