高価な超解像顕微鏡がなくても、細胞内のナノ構造を観察できる新しい拡張技術がMITの研究者によって開発されました。この技術では、組織を膨張させてイメージングを行うことで、一般的な光学顕微鏡でもナノスケールの解像度を実現します。最新バージョンでは、組織を単一ステップで20倍に拡大できるようになりました。この手法は簡便かつ低コストであり、多くの生物学研究室でナノスケールイメージングが可能になると期待されています。
「この技術は、イメージングを民主化します。これまでは高解像度の観察には非常に高価な顕微鏡が必要でしたが、この新技術により通常の顕微鏡でも見えなかったものが見えるようになります」と、MITのローラ・キースリング博士（Laura Kiessling, PhD）は述べています。
研究の概要
この技術では、20ナノメートルという高解像度が可能となり、細胞内部のオルガネラやタンパク質のクラスターを観察することができます。MITのボイデン博士（Edward Boyden PhD）は「生物学的分子が活動する領域に近づいており、生命の構成要素であるバイオ分子や遺伝子、遺伝子産物を詳細に見ることが可能です」と述べています。
この研究は、2024年10月11日にNature Methodsに発表され、論文のタイトルは「「Single-Shot 20-Fold Expansion Microscopy」（単一ステップで20倍拡大を可能にする拡張顕微鏡法）」です。
技術の詳細
拡張顕微鏡法は、組織を吸水性ポリマーに埋め込み、組織を保持するタンパク質を分解することで膨張させます。2015年にボイデン博士の研究室が最初にこの技術を開発し、当初は約4倍の拡大で70ナノメートルの解像度を実現しました。その後、2017年には2回の拡張ステップを加えることで20倍の拡大が可能になりましたが、手順が複雑化しました。
今回の研究では、単一ステップで20倍の拡大を実現するため、吸水性と機械的安定性に優れたゲルを開発しました。このゲルはN,N-ジメチルアクリルアミド（DMAA）とアクリル酸ナトリウムから構成され、酸素を除去する工程を加えることで強化されています。
ゲル形成後、組織を保持するタンパク質の結合を一部切断し、水を加えてゲルを拡大させます。この工程を経て、対象タンパク質をラベル化して観察可能になります。
応用と可能性
研究者らはこの技術を用いて、脳細胞内のシナプスナノカラム（神経シナプスでタンパク質が特定の配置を形成する構造）や、がん細胞内の微小管やミトコンドリア、核膜孔複合体を観察しました。また、細胞表面に存在する糖鎖（グリカン）のイメージングにも応用されています。
この技術は市販の化学薬品や共焦点顕微鏡など、一般的な装置で使用可能であるため、多くの生物学研究室で実施できると期待されています。
「この新技術を用いれば、従来の顕微鏡を用いて非常に高額な最先端顕微鏡と同等の解像度を達成できます」とMIT大学院生のワン氏は述べています。
画像：ローラ・キースリング博士（Laura Kiessling, PhD）
