長い間、タンパク質、DNA、RNA などの生体分子は生化学の大きな未知の領域でした。科学者は X 線結晶構造解析を使用してこれらの分子の構造を推定することができましたが、これらの画像には結晶化して固化した状態の生体分子しか示されていません。これらの複雑な接続がどのように移動し、どのように相互作用するかはほとんど不明のままでした。多くの生体分子は結晶化できないため、私たちの視界から完全に隠されています。電子顕微鏡法も、このような生体分子のイメージングには部分的にしか適していません。光線が反射されてその構造と形状が明らかになるためには、サンプルを注意深く準備し、乾燥させ、たとえば重金属塩を蒸発させる必要があります。ただし、この治療法では多くの生体分子が変化し、破壊される場合もあります。
砂糖と微弱放射線
英国人のリチャード・ヘンダーソンは、この状況に満足したくありませんでした。彼はケンブリッジの研究室で、光合成タンパク質バクテリオロドプシンを視覚化できる方法に取り組みました。彼のアイデア: 彼はタンパク質溶液中の水をグルコース溶液に置き換え、電子顕微鏡の真空中で分子を安定させました。硬電子線が敏感なタンパク質を破壊しないことを確認するために、ヘンダーソンと彼の同僚は、より低い線量の放射線でどの程度の情報が得られるかをテストしました。多くの画像を組み合わせることで、最初に使用可能な画像を取得するのに十分な分子構造に関するデータを収集できることがわかりました。この技術に基づいて、ヘンダーソンらは 1975 年に初めてバクテリオロドプシンの 3D モデルを発表し、この分子のタンパク質鎖が隣接する細胞膜をどのように 7 回巻き付くかを示しました。解像度 0.7 ナノメートルの彼らの画像は、これまで電子顕微鏡で作成されたタンパク質の画像の中で最高のものでした。しかし、これはまだ原子までの分解能ではなく、砂糖溶液をすべての分子に使用することはできませんでした。
分子に対するコールドショック
ジャック・デュボシェは、ハイデルベルクの欧州分子生物学研究所でこの問題の解決策を見つけました。彼は、電子顕微鏡の真空中で水溶液中の分子の乾燥を防ぐ方法を発見しました。彼の以前、研究者たちはサンプルを単純に凍結しようとしていましたが、氷の結晶が電子ビームを妨げ、したがって画像化を妨げてしまいました。デュボシェの解決策: 彼は分子溶液を液体窒素で急速かつ徹底的に冷却したので、氷の結晶は形成できませんでした。代わりに、水は放射線を屈折させないガラス状の固体に凝固するため、ガラス化した水に閉じ込められた分子を画像化できるようになります。 1984 年、デュボシェと彼の同僚は、この方法を使用して溶液中のウイルスを初めて画像化しました。これは医学研究にとって重要な進歩です。
アルゴリズムにより画像が鮮明になります
極低温電子顕微鏡の完成に向けた最終段階は、1970 年代に米国保健省で研究を行ったヨアヒム フランクによって達成されました。彼は、いくつかの低解像度の電子顕微鏡画像から高解像度の 3D 画像を作成できるソフトウェアを開発しました。コンピューターは、分子構造の繰り返しパターンを認識して組み合わせることでこれを実現します。決定的な利点は、この評価により、ランダムに分布し整列したいくつかの同一の分子の画像情報を組み合わせることができることです。 1981 年には、フランクはこれらのアルゴリズムを使用してタンパク質の最初の高解像度画像を作成することができました。 1991 年、研究者は彼のソフトウェアと Dubochet の調製方法を組み合わせ、初めてタンパク質の構造を 3D で視覚化することができました。
クライオ電子顕微鏡法は、3 つの方法すべてを組み合わせて改良することによって現在大きく発展しています。 2013 年以来、タンパク質やその他の生体分子を原子に至るまで画像化できるようになり、動きや動作の途中で分子を静止させたスナップショットが可能になりました。 「この方法は生化学を新しい時代に導きました」とノーベル賞委員会は述べています。 「なぜなら、絵は理解の鍵となることが多いからです。」
