超解像イメージングで生きた細胞の光エネルギー伝達を可視化：医療技術ニュース

理化学研究所は、生細胞超解像・高速イメージングによって、生きた植物細胞内に存在する葉緑体内での「光エネルギー伝達」の様子を可視化することに成功した。この成果は生きた細胞の活動を超解像・高速で継時観察する解析法の基盤になるという。

[MONOist]

　理化学研究所は2016年7月15日、生細胞超解像・高速イメージングによって、生きた植物細胞内に存在する葉緑体内での「光エネルギー伝達」の様子を可視化することに成功したと発表した。同研究所光量子工学研究領域生細胞超解像イメージング研究チームの中野明彦チームリーダーらの共同研究チームによるもので、成果は同月15日、英科学誌「Scientific Reports」オンライン版に掲載された。

　植物細胞内には10μm以下の球体をした葉緑体が多く存在し、太陽からの光エネルギーを利用して光合成反応を行っている。あまりに小さい葉緑体内でのタンパク質の働きを観察すること、また、高速に伝達する光エネルギーを直接捕えることは極めて難しく、これまで光エネルギー伝達を生きた細胞で観察することはできなかった。

　研究チームは今回、一度に複数の色を三次元的に高速で観察できる「共焦点顕微鏡システム（SCLIM）」を開発した。そしてこれを用いて、ヒメツリガネゴケの葉緑体の内部を、生きたまま観察することに成功した。

　光合成反応は、葉緑体内のクロロフィル（光エネルギーを吸収する色素）と結合している集光アンテナタンパク質が、吸収した光エネルギーを葉緑体のチラコイド膜に存在する光化学系（タンパク質）へと運ぶことで始まる。その際、利用しきれなかった光エネルギーは、ある一定の割合で再び蛍光としてクロロフィルから放出される。

　この様子を観察するため、まず、同時に複数色を観察できるSCLIMの特色を生かし、クロロフィルから発せられる蛍光を2つの波長に分けて観察した。さらに分光解析などを用いることで、長波長側は光化学系の影響を多く含む蛍光（F-PSII）、短波長側は集光アンテナタンパク質の影響を多く含む蛍光（F-APM）であることが分かった。

　続いて、SCLIMの三次元空間を高速にスキャンする特色を生かし、二色同時タイムラプスイメージング（生きた細胞や組織を経時的に観察する手法）を試みた。過去の研究と比べて、SCLIMによる観察では、より速くより微細に、より多くの空間情報を取得でき、その結果、F-PSIIは比較的動きの変動が少ないこと、F-APMは1.5秒では追跡できないほど速い動きを示すことが分かった。後者の、1.5秒で追跡できない速さの変動は、光化学系へと伝達する光エネルギー量の変動を間接的に示していると考えられる。

　今回の研究により、光合成反応の初期に起こる光エネルギー伝達機構の速い変化を追跡することが可能になった。この成果は、今後、超解像・高速で生きた細胞の活動を継時観察するライブセルイメージング解析の基盤となるものだという。

植物の葉に存在する葉緑体と光エネルギー伝達のイメージ図

SCLIMによるヒメツリガネゴケの葉緑体内部の観察（スケールバーは、a〜cが10μm、d〜gは1つのマスが1.5μm×1.5μm）

SCLIMを用いた葉緑体の二色同時・三次元高速タイムラプスイメージング