クライオ電子顕微鏡が照らす細胞内タンパク質合成装置の分子基盤

抄録

クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）は、試料を急速凍結し、透過型電子顕微鏡により、低温で直接観察することで、生体試料を生理的条件に近い環境で可視化できる手法である。細胞内で機能する生体高分子複合体は、その構造をダイナミックに変化させながら、合理的に機能を発揮している。我々は、セントラルドグマの中心を担う、タンパク質合成装置であるリボソームに着目し、クライオ電子顕微鏡を駆使し、多階層での分子の振る舞いの理解を目指している。Cryo-EMの歴史を紐解くと、これまでに二つの手法の技術開発の積み重ねにより発展して来た。単粒子解析では、精製した生体試料をガラス状氷中に包埋し、多数の二次元投影像から三次元構造を画像解析により再構成する手法である。クライオ電子線トモグラフィー（cryo-ET）は、凍結試料をさまざまな角度から撮影することで、細胞や組織など、単粒子解析で着目する分子より広い領域を対象とした三次元構造解析に適している。一方で、試料厚による、電子線透過に制限がある。2000年代に、凍結状態を維持したまま、試料の標的位置を微細加工できるクライオ集束イオンビーム走査型電子顕微鏡（クライオFIB-SEM）を用いた手法が確立され、その後の技術的発展により、cryo-ETの適用範囲は大きく拡張された。現在、我々は単粒子解析によるタンパク質合成装置であるリボソームの構造解析に加え、クライオFIB-SEMを用いた多様な生物由来のリボソームの細胞内可視化に取り組んでいる。本稿では、これまで得られたデータを例に、試料作製からデータ取得に至るまでの一連の流れを概説する。