青空を見上げたとき、夜に見える星はどこにあるのでしょうか。星はそこにありますが、私たちには見えません。野原を飛び回るホタルは昼間には見えませんが、夜になるとその光を簡単に見つけられます。同じように、生きた細胞の内部にあるタンパク質、ウイルス、寄生虫、細菌は、通常の条件下では肉眼で見えません。しかし、蛍光タンパク質を使う技術によって、顕微鏡用の懐中電灯のように細胞内の分子活動を照らし出すことができます。
自然界で最初に見つかった蛍光タンパク質は、カブトクラゲに由来し、 Aequorea victoria、その発光器官から放たれる緑色の光を生み出しています。これは緑色蛍光タンパク質（GFP）と呼ばれます。なぜこのクラゲが光る特徴を持つのかは分かっていません。
蛍光タンパク質は、青色光のような短波長の光を吸収し、すぐに緑色光のような、より長波長の別の色の光として放出します。 Aequorea victoriaでは、エクオリンというタンパク質が青色光を生み出し、それをGFPが、クラゲの発光器官から放たれる緑色光に変換します。通常の条件下でこのように見えることは極めてまれで、ほとんどの他の生物の蛍光タンパク質は、外部の青色光源で照らした場合にのみ見えます。
緑色に光るクラゲのタンパク質が見つかって以降、自然界で発見されたものや、研究室で作られたものなど、さまざまな蛍光タンパク質が登場しました。今では多様な蛍光色が利用できるようになり、かつては見えなかった生物学的構造や過程を、鮮やかな蛍光の輝きで可視化できます。これらの色に依存する新たな応用例が、定期的に発表されています。
異なる色の蛍光タンパク質を発現する細菌コロニーを培養したペトリ皿。
Paul Steinbach and Roger Y. Tsien, University of California, San Diego、 CC BY-SA
イメージングを照らし出す
蛍光タンパク質技術からは、こうした発光分子を使ったイメージングの改善を目的とする、ほかにも多くの興味深い進展が生まれています。
CaMPARIは新しい手法の一つで、カルシウム変調光活性化レシオメトリック・インテグレーター（calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator）の略称です。神経細胞が信号を送る際にカルシウム濃度が変化することを利用し、CaMPARIは生体内で 活動したすべてのニューロンを光らせる ことができます。この手法は、蛍光が緑から赤へ変化するEOSという蛍光タンパク質に基づいています。ショウジョウバエ、ゼブラフィッシュ、マウスでは、CaMPARIを発現するよう遺伝子改変されたニューロンは、活発に活動していれば赤く、活動が低ければ緑に光ります。
自由に泳いでいる間に標識された活動ニューロン（マゼンタ）を示す、ゼブラフィッシュ幼生の脳におけるCaMPARI蛍光。
Looger Lab (HHMI/Janelia), Science, VOL 347, ISSUE 6223.
CaMPARIが登場する前は、利用可能な蛍光カルシウム指示薬はどれも、ニューロンが発火すると一時的に光るだけでした。ニューロンの発火履歴を記録したり、過去に発火したかどうかを示したりすることはできませんでした。CaMPARIの開発に携わった研究者の一人、Loren Loogerによると、「この技術の最大の利点は、実験中に生物を顕微鏡下に置いておく必要がないことかもしれません。そのため、シャーレの上を這うハエの幼生や、皿の中を泳ぐ魚の 神経活動を可視化 できるようになりました。」
脳の拡張と透明化
蛍光タンパク質が放つ光を利用しても、脳の深部で絡み合うニューロンの画像化は困難です。MITの神経科学者Ed Boydenは、脳を拡張することで、深部にある蛍光ニューロンを見やすくする方法を開発しました。彼は、脳を所定の位置に保つ緻密な網目を形成し、水に触れると膨張するアクリル酸塩を使い、 脳を膨らませることで 各方向に均等に約4.5倍拡張します。濡れると膨らむおむつによく似ています。Boydenは、この「拡張顕微鏡法が、 包括的かつ精密な回路全体にわたる脳マッピングに欠かせない手段となる可能性がある」と考えています。
CLARITY処理前後の無傷の成体マウスの脳。
The Deisseroth Lab
拡張顕微鏡法が非常に有用な理由の一つは、脳を何倍もの大きさに膨らませる前に、透けて見える状態にできることです。2013年、スタンフォード大学のKarl DeisserothとViviana Gradinaruは、脂肪などの不透明な分子を取り除き、形を変えずに 脳を透明にする 手法「CLARITY」を発表しました。米国国立精神衛生研究所所長のThomas Inselは、「これはおそらく、 神経解剖学の研究における数十年ぶりの重要な進歩 の一つです」と述べています。脳向けにCLARITYを開発した後、Gradinaruはこの手法を マウス全身を含む、他のすべての臓器へと応用しました。
どちらの手法も、蛍光タンパク質を発現するよう遺伝子改変した脳に適用できるため、脳深部にあるニューロンを可視化できます。
GFPで標識されたマウスのニューロン。
Wellcome Images、 CC BY-NC-ND
2008年、クラゲからGFPを取り出し、世界中の100万件を超える実験で使われる一般的なツールにした3人の科学者に、 第100回ノーベル化学賞が授与されました。そして2014年には、蛍光タンパク質を用いて 光学顕微鏡の解像度を高めた3人の別の科学者にノーベル賞が授与されました。
革新的でしなやかな技術
私は、蛍光タンパク質が1994年にイメージング技術で初めて使われて以来、その光化学と光物理学を研究してきました。蛍光タンパク質について 2冊の本を書き ましたが、この比較的単純なタンパク質が実にさまざまな方法で利用できることに、今も驚かされます。ロケットの内部ではなく、外側にさらされ、1800F（1000C）の高温と激しい摩擦にさらされたGFPをコードするプラスミドDNA分子が、宇宙飛行を経ても生き残ったことに驚くべきではないのかもしれません。TEXUS-49ロケット計画でねじ頭の内部に意図的に置かれたDNAの53%は、地球に帰還後、細胞に挿入すると、 完全に蛍光を発するGFPを発現しました 。
夜空の星のように、蛍光タンパク質は過去20年間、科学を照らし続けてきました。手術中に腫瘍の成長を外科医に知らせたり、研究者が選択した生体分子過程をオン・オフできるようにしたりする日も、そう遠くないでしょう。
本記事は、 The Conversationとの協力により公開されています。公開は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Marc Zimmer、化学教授、研究科長、 Connecticut College
画像：複数の蛍光タンパク質がヒト脳幹の細胞を照らす。Jeff Lichtman/Harvard University。
