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細胞内の動的プロセスを観察する: 蛍光イメージングは遺伝子発現の理解にどのように役立つか?
蛍光イメージングは、生体内で起こる生物学的プロセスを視覚化するのに役立つ非侵襲的なイメージング技術です。この技術では、顕微鏡、イメージングプローブ、分光法などさまざまな方法を使用して画像を生成します。蛍光は本質的に、物質が電磁放射を吸収し、特定の波長の光を放出するときに発生する発光現象です。光を発することができる分子は蛍光体と呼ばれます。蛍光イメージングでは、蛍光染料と蛍光タンパク質を使用して分子機構と構造にラベルを付け、遺伝子発現、タンパク質発現、分子相互作用の動的プロセスを実験的に観察することができます。
蛍光イメージングは、生化学アプリケーションのための正確な定量ツールを提供します。
蛍光と生物発光はよく誤解されますが、両者の違いは光を生成するタンパク質プロセスにあります。生物発光は、酵素が基質を分解して光を生成する化学プロセスですが、蛍光は電子が物理的に励起され、その後基底状態に戻って光を放出します。
蛍光の仕組み
分子が光を吸収すると、分子のエネルギーは一時的に上昇して励起状態になります。その後、基底状態に戻ると蛍光を発し、これを検出して測定することができます。放出される光の特定の波長は吸収された光子のエネルギーに依存するため、測定装置が光の発生を正しく検出できるように、実験ではこの波長を事前に知っておく必要があります。
蛍光発光波長を決定する式は、λ 発光 = hc / エネルギー発光です。
ここで、h はプランク定数、c は光速度です。通常、強度を測定して画像をデジタル化するために、大型のスキャン デバイスまたは CCD が使用されます。
蛍光染料とタンパク質
蛍光染料は蛍光タンパク質に比べて光安定性と輝度が高く、成熟時間も必要ありません。明るさの点では、蛍光体の消衰係数（光を吸収する能力）と量子効率（吸収した光を蛍光に変換する効率）は密接に関連しています。染料自体はそれほど蛍光性はありませんが、タンパク質に結合すると検出しやすくなります。たとえば、NanoOrange はタンパク質のコーティング領域や疎水性領域に結合することができ、還元剤の影響を受けません。
タンパク質は、特定の波長の入射光を吸収すると自己蛍光を発することがあります。たとえば、緑色蛍光タンパク質 (GFP) は、青色から紫外線の範囲の光にさらされると緑色の光を発します。蛍光タンパク質は、タンパク質の位置を特定し、タンパク質の結合を観察し、遺伝子発現を定量化するのに役立つ優れたレポーター分子です。
撮像範囲
一部の蛍光波長は人間の目の範囲を超えているため、CCD を使用して光を正確に検出し、画像を形成します。これは通常、300～800 nm の範囲で行われます。蛍光信号の利点の 1 つは、放出される光の強度と存在する蛍光分子の数の関係が一般に線形であり、基本的に入射光の強度と波長が一定に保たれることが必要であることです。最終画像は通常、12 ビットまたは 16 ビットのデータ形式でレンダリングされます。
イメージングシステム
蛍光イメージングシステムの主な構成要素には、励起源（広波長光またはレーザー光を生成可能）、光表示光学系（サンプルを照らすために使用）、および光収集光学系（通常はレンズ、ミラー、フィルターで構成される）が含まれます。 ）、検出、増幅、可視化デバイス（光電子増倍管や CCD など）などがあります。アプリケーション
蛍光イメージングは、次のようなさまざまな科学分野で広く使用されています。
- SYBR Green は、PCR (アガロースゲル電気泳動) で DNA バンドを視覚化するために使用される一般的な染料です。
- 蛍光イメージングを使用して移植時のナビゲーションを支援します。たとえば、インドコガモは癌患者のリンパ節を検出するために使用できます。
- カルシウムイメージングでは、蛍光分子を使用して神経系の生きた細胞の活動を監視します。
利点と欠点
蛍光イメージングには、非侵襲的操作や高感度などの利点がありますが、蛍光の退色、環境に対する敏感性、解像度の限界などの課題もあります。今後の方向性
科学者たちは、イメージングプローブの性能を向上させるために、より効率的な蛍光タンパク質の開発に取り組んでいます。今後の蛍光イメージング技術は、遺伝子工学や環境安定化などの手法により、多面的なブレークスルーを達成することが期待されています。
蛍光イメージングは、細胞内で何が起こっているかを調べるための幅広い機会を提供します。では、将来の発見によってどのような新しい生物学的現象が明らかになるのでしょうか?
