3次元フーリエ・フィルタリング法によるDNAの分子レベル直視観察

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450036
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 高井 義造 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30236179)
• 研究分担者: 永富 隆清 大阪大学, 工学研究科, 助手 (90314369) ; 木村 吉秀 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70221215)
• キーワード: 透過型高分解能電子顕微鏡 / 超解像位相差電子顕微鏡 / 生体試料観察 / ミニマムドーズシステム / DNA分子直視観察 / 3次元フーリエ・フィルタリング法 / 球面収差補正 / 位相像観察

研究概要

我々が提案する3次元フーリエ・フィルタリング法は、日本のオリジナルの位相再構成技術であり、あらゆる収差を補正し、生物組織の観察にとって特に重要となる1-2nmの比較的大きい構造を高コントラストで、しかも高S/N比で観察することを可能とする。本研究の目的は、この3次元フーリエ・フィルタリング法を生物観察に最適な形に調整したシステムづくりを行うことである。昨年度は、生体組織への電子線損傷をできるだけ少なくするミニマムドーズ生体観察補助システムと導入し、照射電子線量をできるだけ抑えた画像収集処理システムを開発した。本年度は、3次元フーリエ・フィルタリング法を用いてDNAの分子レベル直視観察を行い、透過電子顕微鏡によるDNA塩基配列の観察に世界で初めて成功した。(成果発表を計画中である)
(1)電子顕微鏡によるバイオ研究の隠れた重要課題は、如何に最適な生体分子の電子顕微鏡サンプルを調整するかにある。我々は数から数十nmの孔径を持つ特殊マイクログリッドの作製に成功し、この孔の上に分子鎖を凍結乾燥法で架橋することで、DNAの位相差観察を実現した。
(2)ミニマムドーズ画像収集システムの開発と3Dフーリエ・フィルタリング技術により、2-3桁少ない電子線照射量でDNAの高コントラスト、高S/N比での観察ができることを実証した。
(3)観察された位相像中には、0.3-0.4nmの周期的な塩基配列が部分的に観察された。現在までに得られているDNAの電子顕微鏡像で、ここまで内部構造を捉えた写真は報告されていない。残念ながら200kVという高い加速電圧で観察を行ったために、DNA内部の微細構造が電子線照射損傷により部分的にアモルファス化しているのが確認された。しかし、現時点でも世界に例のない分子レベルの観察が可能になっていると思われる。
本研究の成果を受けて、(1)加速電圧を200kVから60kVに下げ、超コヒーレント電子銃を搭載し、更なる生体微構造の高コントラスト観察を実現する。(2)低加速電圧化に伴う分解能の劣化は、焦点位置変調方式による収差補正技術により補う。さらに(3)電子-電子直接変換型の2次元単電子カウンティング検出器を設計・製作して、電子線損傷を極力抑えた観察を実現し、3次元ナノ構造観察が可能なバイオ位相差電子顕微鏡の開発を計画中である。

研究成果

• [文献書誌] T.Ohtomo et al.: "Atomic Level Characterization of Ultrathin Flat Cobalt Disilicide Film with Three Crystalline Domains"J. Appl. Phys.. 91. 9663-9666 (2002)
• [文献書誌] J.Kato et al.: "Development of Ultra High Vacuum Transmission Electron Microscope for In Situ Observation of Silicides And Island Formation on Silicon Surface at High Temperatures by Reflection And Transmission Electron Microscope"J. Surf. Anal.. 9. 150-159 (2002)
• [文献書誌] T.Kawasaki et al.: "Phase Reconstruction with Simultaneous Correction of Spherical and Astigmatic Aberrations by Three-Dimensional Fourier Filtering Method"Surf. Interface Anal.. 35. 51-54 (2003)
• [文献書誌] T.Kawasaki et al.: "Principles of Phase Reconstruction with Aberration Correction Using Three-Dimensional Fourier Filtering Method"Proc. of Microscopy and Microanalysis 2002 (M&M 2002). 1. 474-475 (2002)
• [文献書誌] Y.Takai et al.: "Single Atom Dynamism Observed by Real-Time Defocus-Image Modulation Processing Electron Microscope"Proc. of 15th International Congress on Electron Microscopy (ICEM15). 3. 203-204 (2002)
• [文献書誌] T.Kawasaki et al.: "Quantitative Analysis of Phase Image Reconstructed by Three-Dimensional Fourier Filtering Method"Proc. of 15th International Congress on Electron Microscopy (ICEM15). 3. 435-436 (2002)
• [文献書誌] K.Nishikata et al.: "Dynamic Observation of Surface Atom Movement Using High-Speed Image Processing CCD Video Camera"Proc. of 15th International Congress on Electron Microscopy (ICEM15). 3. 363-364 (2002)
• [文献書誌] Y.Takai et al.: "Dynamic Observation of an Atom-Sized Gold Wire by Real-Time Defocus Image Modulation Processing Electron Microscope"Proc. of Microscopy and Microanalysis 2002 (M&M 2002). 1. 482-483 (2002)