超高分解能光学顕微鏡の開発と応用

• Project Area: Innovative nanoscience of supermolecular motor proteins working in biomembranes
• Project/Area Number: 21023018
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Chuo University
• Principal Investigator: 上村 慎治 中央大学, 理工学部, 教授 (90177585)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,300,000 (Direct Cost: ¥6,300,000); Fiscal Year 2010: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2009: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
• Keywords: 高分解能光学顕微鏡 / 全反射蛍光顕微鏡 / ベン毛軸糸 / 暗視野照明光学系

Research Abstract

本研究では、本来は全反射型顕微鏡用に開発された高開口数の対物レンズと,高開口数の油浸暗視野コンデンサを併用することで、生体試料の詳細構造を高分解能で(～100nm)観察できる顕微鏡を作成することを目指す。近年のsuper-resolution顕微鏡は蛍光色素を使ったものであるが,ここでは透過型の照明法(環状照明法)で通常の生体試料の観察の可能な光学系開発を目指している。本年度は、装置の組み立てと性能評価を行うためのシステムを組んだ。光源は、超高圧水銀灯を用い、波長435nmの輝線波長光(対物レンズの透過性能上の限界)を用いた.開口数1.45の対物レンズを使用し,高精度画像取り込み装置を設置(高解像度高感度冷却CCDカメラ)し、通常は無効倍率とされる高倍率での画像取り込み(5～10nm/pixel)を行った.その結果,100nmの分解能まではまだ達していないが,135nm近辺までの空間周波数帯域までの記録ができることが確認できた.これは実質的には,アッベやレーリーの定義する分解能を遙かに上まわり,ホプキンスが通常の明視野照明条件で予測したものよりもやや優れたものであった.この領域は,カバーガラスの屈折率,試料とカバーガラス間の距離(<波長),レンズ～試料間媒質の屈折率によっても成果が変わることが確認できた.特に,暗視野照明側の媒質屈折率を1.7まで上げることで性能の大きな向上が確認できた.試料媒質の屈折率を上げる工夫で,生体試料の高分解能観察も可能になると考えられる.100nm前後のオルガネラ構造の動態解析へとの応用が期待される.

Research Products

• [Journal Article] Single-cell electroporation of fluorescence probes into sea urchin sperm cells and FRAP analysis. (2010)
  • Author(s): Takao, D., Kamimura, S.
  • Journal Title: Zool.Sci. Volume: Vol.27 Pages: 279-284
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometry-Specific heterogeneity of the apparent diffusion rate of materials inside sperm cells. (2010)
  • Author(s): Takao, D., Kamimura, S.
  • Journal Title: Biophys.J. Volume: Vol.98 Pages: 1582-1588
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 微生物のべん毛・繊毛の運動メカニズム (2010)
  • Author(s): 上村慎治
  • Journal Title: バイオメカニズム学会誌 Volume: Vol.34 Pages: 176-182
  • NAID: 10030699910
• [Journal Article] Single-cell electroporation of fluorescence probes into sea urchin sperm cells and FRAP analysis (2010)
  • Author(s): Takao, D., Kamimura, S.
  • Journal Title: Zool.Sci. 27 Pages: 279-284
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometry-Specific heterogeneity of the apparent diffusion rate of materials inside sperm cells. Biophys. J. (2010)
  • Author(s): Takao, D., Kamimura, S.
  • Journal Title: Biophys. J. (印刷中, in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quick shear-flow alignment of biological filaments for X-ray fiber diffraction facilitated by methylcellulose. (2009)
  • Author(s): Sugiyama, T., Miyashiro, D., Takao, D., Iwamoto, H., Sugimoto, Y., Wakabayashi, K., Kamimura, S.
  • Journal Title: Biophys. J. 97 Pages: 3132-3138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray Fiber diffraction studies on flagellar axonemes. (2009)
  • Author(s): Oiwa, K., Kamimura, S., Iwamoto, H.
  • Journal Title: Methods in Cell Biology 91 Pages: 89-109
• [Journal Article] Dietary program for rearing the larvae of a diving beetle, Dytiscus sharpi (Wehncke), in the laboratory (Coleoptera : Dytiscidae). (2009)
  • Author(s): Inoda, T., Hasegawa, M., Kamimura, S., Hori, M.
  • Journal Title: Coleopt. Bull. 63 Pages: 340-350
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 繊毛の新機能:シグナル伝達増幅作用 (2010)
  • Author(s): Takao D., Kamimura S.
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2010-09-21
• [Presentation] Structural changes of microtubules during GTP hydrolysis revealed by X-ray fiber-diffraction (2010)
  • Author(s): Kamimura, S., et al.
  • Organizer: Biophysical Society, 54th Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco (USA)
  • Year and Date: 2010-02-22
• [Presentation] A new function of primary cilia : a cell-signaling enhancer. (2010)
  • Author(s): Takao D., Kamimura S.
  • Organizer: FASEB Summer Research Conference
  • Place of Presentation: Saxtons River, Vermont
• [Presentation] Mechanical properties of flagellar motility : Prokaryotes versus Eukaryotes (2010)
  • Author(s): Kamimura S.
  • Organizer: FASEB Summer Research Conference
  • Place of Presentation: Saxtons River, Vermont
• [Presentation] X-ray fiber diffraction analysis of axoneme and microtubules structure using a novel shear-flow fiber-aligning technique. (2009)
  • Author(s): Kamimura, S., 他
  • Organizer: International Workshop Dynein 2009
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2009-11-03
• [Presentation] Mechanical stress and flagellar motility : Prokaryotes versus eukaryotes. (2009)
  • Author(s): Kamimura, S.
  • Organizer: International Workshop Dynein 2009
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2009-11-03
• [Presentation] X線繊維回折による微小管構造動態の解析 (2009)
  • Author(s): 上村慎治, 他
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 2009-11-02
• [Presentation] ホヤ精子走化性実測データに基づく精子誘引物質感知機構のシミュレーション解析 (2009)
  • Author(s): 宮代大輔, 他
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] GTP加水分解反応と微小管構造の動態 (2009)
  • Author(s): 上村慎治, 他
  • Organizer: 日本動物学会
  • Place of Presentation: 静岡大学
  • Year and Date: 2009-09-19
• [Presentation] Mechanical properties of flagellar motility : Prokaryotes versus eukaryotes. (2009)
  • Author(s): Kamimura, S.
  • Organizer: 4th International Symposium on Aero Aqua Bio-M echanisms
  • Place of Presentation: 上海(中国)
  • Year and Date: 2009-08-30
• [Book] 微生物の運動「生きものに学ぶ泳ぎと飛行のしくみ」エアロ・アクアバイオメカニズム研究会編 (2010)
  • Author(s): 上村慎治・曲山幸生・後藤知伸
  • Publisher: 森北出版
• [Book] 生物学事典 (2010)
  • Author(s): 石川・黒岩・塩見, 他編集
  • Total Pages: 1618
  • Publisher: 東京化学同人
• [Book] 図説生物学(15.3章) (2009)
  • Author(s): 上村慎治
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 東京大学出版会
• [Book] ベーシックマスター細胞生物学(第3章) (2009)
  • Author(s): 上村慎治
  • Total Pages: 17
  • Publisher: オーム社