IMAGE COURTESY OF JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES

人間であるということには、いくつかの“特権”がある。それは直立歩行、大きな脳、表彰されること、そして「感覚の限界を超えられる」ことである。視覚を例にすると、仮に対象物が小さすぎて裸眼で認識できなくても、それが存在していないわけではない。わたしたち人間は微小な生物ではないが、そのミクロな世界をのぞき込むことはできるのだ。

それには、「クライオ電子顕微鏡法」と呼ばれる技術が大きく貢献している。この技術を生み出した3人の研究者が、ジャック・デュボシェ、ヨアヒム・フランク、そしてリチャード・ヘンダーソンである。この3人がノーベル化学賞を受賞した研究によって、タンパク質などの生体分子の構造を超低温電子ビームによって鮮明に写し出すことが可能になった。

もちろん従来の顕微鏡も素晴らしいが、電子顕微鏡の画質は驚くべきものだ。電子顕微鏡で物体を観測するには、まず真空状態の空間で対象物に電子を放出する。電子の波長は光の波長よりも10万倍も短いことから、極めて小さな構造でも映し出せる。例えば電子顕微鏡に死んだ昆虫を入れると、驚くほど細かく虫の凹凸、殻や毛などが観察できる。

たったの4年間で、クライオ電子顕微鏡の分解能は劇的に向上した。左が2013年、右が現在。IMAGE COURTESY OF MARTIN HÖGBOM/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES

電子の「眼」を鮮明なものにした3人のアイデア

しかし、電子顕微鏡にはいくつかの欠点がある。まず、真空状態は有機物には適さない。構造が破壊され、水分が蒸発してしまうからだ。そして、電子ビームが生体物質をバラバラに破壊してしまう。死んだクモを観察しているだけなら問題はないが、生体分子の観察には適さない。

そこでヘンダーソンが現れる。彼は1970年代にバクテリオロドプシンというたんぱく質を研究していた。彼はグルコースでタンパク質を被うことにより、電子顕微鏡の真空空間でタンパク質が乾燥しないことに気づいた。さらに微弱な電子ビームを用いてタンパク質を観察したが、画質のコントラストは弱まってしまう。

だが、ヘンダーソンはタンパク質の予測可能な構造を基に、微弱な電子ビームを用いながら、より鮮明な画像をつくり出す計算式を割り出した。これによって生体分子の観察を可能にした。さらに複数の角度から撮影したバクテリオロドプシンの画像を用いて、ひとつの立体的なタンパク質の画像を生成できるようにしたのである。

1981年、フランクがさらにその技術を磨きをかけた。彼は数千ものタンパク質の画像を低画質の2次元の電子顕微鏡で撮影した。それらの画像は、それぞれ異なる形状の「痕跡」をランダムな角度から映している。このなかからコンピューターは似たような画像をグルーピングして、より鮮明な複数の角度から見た画像を生成する。これらを基に、タンパク質の3Dモデルをつくれるようになった。

ここでようやく、「クライオ（低温）」という言葉が登場する。タンパク質をグルコースで被うヘンダーソンの手法の問題点は、すべての生体分子に用いることはできないことだった。82年にデュボシェが突きとめたことは、オースティン・パワーズが使った手法である。そう、凍らせてしまうのだ。

だが、これは従来の冷凍方法とは異なる。一般的に水を冷凍すると、結晶ができる。この結晶が電子の通り道を妨げるので、画像はうまく写らなくなる。これに対してデュボシェは、液体窒素で冷却したエタンを用いて急速冷凍する手法を考案した。これによって水は、ガラスのように透明な構造を保ったまま凍る。この「ガラス化」を用いる手法はグルコースを使うよりも生体分子と相性がいいだけでなく、画像を鮮明に写し出す効果も生んだ。

デュボシェの発見以降、科学者たちは大幅に電子顕微鏡の画質を向上させることができ、その分解能に磨きをかけてきた。いまでは生体分子を原子レヴェルで捉えることができるようになり、人間の能力を超越した未知の世界をのぞくことまで可能になった。

分子の世界の美しさを探求できるようになっただけではない。研究者たちはクライオ電子顕微鏡を用いることで、ジカウイルスまで驚くほどの精度で捉えられるようになったのだ。こうしたウイルスの構造を捉えて正体を突き止められるようになったことで、さまざまな恐ろしい疾病にも対抗できる。どんなミクロの世界に潜んでいたとしても、もはや隠れていることができないのだ。

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