新型コロナワクチン開発を裏側で支えたもの〈PR〉

世界中に大きな影響を与えた新型コロナウイルスのパンデミック。企業でテレワークが推進されたり、飲食店に時短営業や休業が要請されたり・・・。コロナ下では、さまざまな移動・行動の自粛を求められているが、ワクチンが驚異的な早さで開発されたことも特徴の一つだった。

実はワクチン開発に大きく寄与したのが、サーモフィッシャーサイエンティフィックのクライオ電子顕微鏡。クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析法によって、タンパク質の立体的な構造を迅速に解明することに成功したのだ。

ウイルスの表面には、スパイクと呼ばれるトゲのようなものがたくさんある。このスパイクを介してウイルスが人や生物の細胞にくっ付くことで、細胞内に侵入し感染する。

しかし、このスパイクの構造を模倣した疑似スパイクを作製し、あらかじめ体内に取り込んでおけば抗体を作らせることができる。これがワクチンの動作で、事前に抗体が作られていることでウイルスが入ってきても感染を防げるようになる。

そのためにはスパイクの形状把握が必要だが、それをサーモフィッシャーの自動化クライオ電子顕微鏡が行ったわけだ。

新型コロナウイルスが広く知られるようになったのは2020年2月だが、サーモフィッシャーの自動化クライオ電子顕微鏡を用いることでその1カ月後にはウイルスの構造を把握。これを元に製薬会社がワクチンを開発し、短期間の治験を経て2020年8月にはFDAにより緊急使用が承認されることになった。

クライオ電子顕微鏡法は、2017年にノーベル化学賞を受賞した技術であり、サンプルの作製、データの取得、三次元の解析を組み合わせたもの。サーモフィッシャーでは、このデータ取得ステップで使用する自動化クライオ電子顕微鏡を先駆けて開発し、2007年に販売開始した。この革新的な自動化クライオ電子顕微鏡シリーズは、スループットを格段に向上し、単粒子解析法によるタンパク質・ウイルス構造解析の研究に大きく貢献した。

製品化後も改良は続けられ、現在の最新モデルは第4世代の「Thermo Scientific Krios G4」と呼ばれるものだ。

「従来の透過型電子顕微鏡には生物試料を自然な状態で観察するのは難しいという問題点がありました」と営業部のアカウントマネージャーである甲斐翼氏は話す。

その要因は、主に3つ。

1つ目は、「乾燥すると縮んで変形してしまう試料があること」（電子顕微鏡は真空の装置なので、水分があると蒸発し、乾いてしまう）。2つ目は、「熱に弱い試料ではダメージを受けて変形したり壊れたりすること」（試料に電子線を当てるため、熱ダメージが発生する）。3つ目は、「生物試料が軽元素だと、イメージが不鮮明になること」（電子顕微鏡の原理上、軽元素が多いと画像にコントラストがつきにくい）。

こうした問題を解決するために、従来の電子顕微鏡ではコーティングや染色をしてコントラストを高めたり、水分を抜いて樹脂に埋め込んだりと、前処理を行っていたが、「前処理は少なからず試料に影響を与えるため、本来の微細構造を観察するのは難しいなどの問題は残っていました」（甲斐氏）

これに対して、クライオ電子顕微鏡法では試料を凍結させる手法を採用。「Krios G4」では、熱ダメージを抑えるハードウェア、ソフトウェアの開発、コントラスト向上のための最適なレンズ設計、さらには自動試料搬送機構を含む自動化クライオ電子顕微鏡として、凍らせた試料を、限りなく自然の状態で観察できるようになり、さまざまな分野へと活用場面が広がっていっている。

今、サーモフィッシャーのクライオ電子顕微鏡は新薬開発の現場に多く導入されている。タンパク質の立体構造に基づいて薬をデザインするなど、研究に幅広く活用されているわけだが、国内では、2021年5月に中外製薬が導入している。

「他の分野では、半導体やマテリアルサイエンス、素材の開発にもクライオ電子顕微鏡は活用されています」と話すのは、サーモフィッシャー 同 シニアダイレクターである吉原辰也氏。

「具体的には、ポリマー、電池、金属有機構造体（MOF）、触媒、活性金属などの研究開発分野で、広範な活用が期待されています。今後は、生物分野だけでなく金属や化粧品などのソフトマテリアルでの活用が増えることも考えられます。これらの需要は高かったものの、従来の電子顕微鏡では対応できなかったものです。ミクロな視点から素材を研究することが、例えば、環境負荷に配慮した素材の軽量・高強度・長寿命化などにつながり、カーボンニュートラルの実現に向けたGX(グリーン・トランスフォーメーション)に貢献することができればと思います」（吉原氏）

新型コロナワクチン開発を裏側で支えるなど電子顕微鏡をリードするクライオ電子顕微鏡には今後、さまざまな分野で構造を明らかにし、ビジネスを新たな次元へ引き上げてくれることが期待されている。