JP5657326B2 - Microscopic observation apparatus in strong magnetic field - Google Patents
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Description
本発明は、超強磁場内の磁気無重力環境下で結晶生成を行う結晶生成装置において使用される強磁場中顕微鏡観察装置に関する。 The present invention relates to a microscopic observation apparatus in a strong magnetic field used in a crystal production apparatus that produces crystals in a magnetic weightless environment in a super strong magnetic field.
生命現象は、生体を構成し生体内で作用する各種タンパク質の機能と深く関わっている。それぞれのタンパク質の機能はその立体構造にも大きく依存しており、それを知ることは、生命現象の解明のみならず、人体の仕組みを明らかにしたり、病気に対する的確な治療薬を開発する、といった成果につながると期待され、ポストゲノムとして世界中で戦略的に取り組まれている。その場合、対象とするタンパク質の立体構造を１オングストローム台の分解能で精密に（超高分解能で）決定することが可能になれば、その有用度は飛躍的に向上する。 Biological phenomena are deeply related to the functions of various proteins that make up living organisms and act in vivo. The function of each protein is also highly dependent on its three-dimensional structure, and knowing it not only elucidates life phenomena, but also reveals the mechanism of the human body and develops appropriate therapeutic drugs for diseases. Expected to lead to results, it is strategically addressed around the world as a post-genome. In that case, if it becomes possible to determine the three-dimensional structure of the target protein precisely (with ultra-high resolution) at a resolution of 1 angstrom, the usefulness will be dramatically improved.
例えば、創薬分野においては、疾患関連タンパク質の立体構造を高精度に決定することによりはじめて立体構造に基づくドラッグデザイン(Structure-based drug design: SBDD)が可能となり、創薬プロセスの大幅な迅速化が期待される。また、有用タンパク質の立体構造に基づいて酵素機能の改変(安定性、反応特異性、反応速度の向上等)を行うことにより、高機能なタンパク質の創製が可能になれば、低コストで、環境に対して低負荷で、高効率、省スペースの工業プロセスを構築することが可能となる。 For example, in the field of drug discovery, structure-based drug design (SBDD) becomes possible only by determining the three-dimensional structure of disease-related proteins with high accuracy, and the drug discovery process is greatly accelerated. There is expected. In addition, if it becomes possible to create highly functional proteins by modifying enzyme functions (stability, reaction specificity, reaction rate improvement, etc.) based on the three-dimensional structure of useful proteins, the environment will be reduced at low cost. In contrast, it is possible to construct an industrial process with low load, high efficiency and space saving.
このようなタンパク質の立体構造解析を行うために現在最も一般的に用いられているのはＸ線回折法である。Ｘ線構造解析ではタンパク質分子を結晶化させることで整列させ、それに対してＸ線を照射しタンパク質結晶からの回折パターンを観測して分子構造を決定する。このとき良好な解析結果を得るためには結晶の大きさが重要であり、現在の技術では結晶の大きさが0.1mm程度は必要であるとされている。 The X-ray diffraction method is most commonly used at present for conducting such three-dimensional structure analysis of proteins. In the X-ray structure analysis, protein molecules are aligned by crystallizing them, and X-rays are irradiated on the protein molecules, and the diffraction pattern from the protein crystals is observed to determine the molecular structure. At this time, the size of the crystal is important in order to obtain a good analysis result, and the current technology requires that the size of the crystal is about 0.1 mm.
しかし、多くの重要タンパク質の結晶化は非常に困難であり、たとえ結晶が得られても品質が悪く、構造解析が可能な分解能のＸ線回折データが取得できない場合が多い。すなわち、結晶化の段階がタンパク質のＸ線結晶構造解析のボトルネックになっている。 However, it is very difficult to crystallize many important proteins. Even if crystals are obtained, the quality is poor, and it is often impossible to obtain X-ray diffraction data having a resolution capable of structural analysis. That is, the crystallization stage is a bottleneck for protein X-ray crystal structure analysis.
これを解決する一手段として、宇宙の微小重力環境を利用した結晶化が行われ、高分解能のＸ線回折像を与える（高品位の）タンパク質結晶生成に有効であることが示されてきた。しかし、宇宙実験は実験機会が限られており、多種多様なタンパク質の構造解析への網羅的な適用は難しい。また、実験衛星では、軌道修正時に無重力状態が崩れるため、必ずしも理想的な無重力とはいえない。 As a means for solving this, crystallization using the microgravity environment of the universe has been performed, and it has been shown that it is effective for producing (high quality) protein crystals that give high-resolution X-ray diffraction images. However, space experiments have limited experimental opportunities, and it is difficult to apply them comprehensively to structural analysis of a wide variety of proteins. In addition, the experimental satellite is not necessarily ideal weightless because the weightless state collapses when the orbit is corrected.
近年、図７に示すように、地上において超伝導マグネットを利用した磁気力浮揚により擬似的な微小重力環境を創り出し、その中でタンパク質結晶を生成するアプローチが注目されている。磁気力浮揚を利用した結晶化はわが国を中心に研究され、タンパク質結晶の品位を向上させることも実証されてきた。 In recent years, as shown in FIG. 7, attention has been paid to an approach for creating a pseudo microgravity environment by levitation using a superconducting magnet on the ground and generating a protein crystal therein. Crystallization using magnetic levitation has been studied mainly in Japan, and has been demonstrated to improve the quality of protein crystals.
また、均一磁気力場発生用超伝導マグネットとして、９２０ＭＨｚＮＭＲマグネットをはじめとする種々の強磁場超伝導マグネットの開発が行われている。 In addition, various high-field superconducting magnets such as a 920 MHz NMR magnet have been developed as superconducting magnets for generating a uniform magnetic force field.
磁気力浮揚による擬似的な微小重力環境中に結晶化プレートを設置し、この結晶化プレートにおいてタンパク質の結晶化を行えば、品質の良い、構造解析が可能な分解能のＸ線回折データが取得できる結晶が得られるはずである。 If a crystallization plate is installed in a simulated microgravity environment by magnetic levitation and protein is crystallized in this crystallization plate, X-ray diffraction data with high quality and resolution capable of structural analysis can be acquired. Crystals should be obtained.
ところで、磁気力浮揚による擬似的な微小重力環境において、タンパク質結晶を効率よく生成し、また、これを観察する手法が十分に確率されていない。 By the way, in a pseudo microgravity environment caused by magnetic force levitation, a method for efficiently generating a protein crystal and observing it has not been sufficiently probable.
すなわち、超伝導マグネット内部での結晶成長を確認するために、結晶化プレートを外部に取り出すと、その時点で無重力環境が崩れるので、たとえ観察後にプレートを再び超伝導マグネット内部に戻したとしても、無重力環境で結晶成長させたことにならない。 That is, when the crystallization plate is taken out to confirm the crystal growth inside the superconducting magnet, the zero gravity environment collapses at that time, so even if the plate is returned to the superconducting magnet after observation, The crystal has never been grown in a weightless environment.
したがって、実験では、結晶成長時間のバラツキのうちその最大値を目安に超伝導マグネット内部へ滞在させなければならない。 Therefore, in the experiment, it is necessary to stay inside the superconducting magnet using the maximum value among the variations in the crystal growth time as a guide.
しかし、これは未知のタンパク質開発という目的と本質的に矛盾している。未知のタンパク質では結晶成長時間は不明であるから、明確な根拠のないまま、ほとんどの結晶について意味もなく、徒に長時間を結晶成長のために当てなければならない。 However, this is essentially inconsistent with the goal of unknown protein development. For unknown proteins, the crystal growth time is unknown, so there is no reason for most crystals and there is no meaning for most crystals.
そこで、本発明者らは、超強磁場内の観察装置について開発経験があることを踏まえ、超伝導マグネットが発生する磁気力場中での結晶成長のその場観察を可能とし、個別のタンパク、個別の成長条件において常に最短の時間で実験を終了することができようにして、効率的に高品位結晶を生成することができる結晶生成装置において使用される強磁場中顕微鏡観察装置を提供しようとする。 Therefore, the present inventors made it possible to observe crystal growth in a magnetic force field generated by a superconducting magnet on the basis of the development experience of an observation device in a super-strong magnetic field. To provide a microscope for observation in a strong magnetic field used in a crystal generation apparatus capable of efficiently generating a high-quality crystal so that the experiment can always be completed in the shortest time under individual growth conditions. To do.
本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置は、上述の課題を解決するため、以下の構成のいずれか一を有するものである。 The strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention has any one of the following configurations in order to solve the above-described problems.
〔構成１〕
超強磁場を形成する超伝導マグネットと超伝導マグネットが形成する超強磁場内に設置される結晶生成容器とを有し超強磁場内の磁気無重力環境下で結晶を成長させる結晶生成装置において結晶生成容器内における結晶生成の過程をその場観察するための強磁場中顕微鏡観察装置であって、超強磁場に設置され軸方向の移動操作及び軸回りの回転操作が可能となされた中空軸と、中空軸内に設置されたＣＣＤイメージセンサ、傾斜鏡、対物レンズ及び結像レンズとを備え、中空軸が結晶生成容器の中央部に設けられた透孔内に挿通され、ＣＣＤイメージセンサは、中空軸の側面に開設された観察窓を通じて、傾斜鏡、対物レンズ及び結像レンズを介して、中空軸の周囲の結晶生成容器内を観察した画像の画像信号を出力することを特徴とするものである。
[Configuration 1]
Crystals in a crystal production apparatus having a superconducting magnet that forms a super-strong magnetic field and a crystal production vessel that is installed in the super-strong magnetic field formed by the superconducting magnet and that grows crystals in a magnetic weightless environment within the super-strong magnetic field A strong magnetic field microscopic observation apparatus for in situ observation of the crystal formation process in a production vessel, which is installed in a super strong magnetic field and is capable of moving in an axial direction and rotating around an axis. A CCD image sensor, a tilt mirror, an objective lens, and an imaging lens installed in the hollow shaft , the hollow shaft is inserted into a through hole provided in the center of the crystal generation container, and the CCD image sensor An image signal of an image obtained by observing the inside of the crystal generation container around the hollow shaft is output through the tilting mirror, the objective lens, and the imaging lens through the observation window provided on the side surface of the hollow shaft. Is.
〔構成２〕
構成１を有する強磁場中顕微鏡観察装置において、対物レンズのみを光軸方向に移動させることによる撮像位置の焦点調整が可能であることを特徴とするものである。
[Configuration 2]
The strong magnetic field microscope observation apparatus having the
本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置においては、観察機構により結晶生成の過程をその場観察することにより結晶が成長したことを知り、その時点で結晶生成容器を取り出すことにより、作業時間を短縮することができる。 In the high magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention, the observation mechanism can observe the crystal formation process in situ to know that the crystal has grown, and at that time, the work can be shortened by taking out the crystal production container. can do.
すなわち、この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、狭い空間に配置された物体を拡大撮像できる。 That is, according to this strong magnetic field microscope observation apparatus, an object placed in a narrow space can be enlarged and imaged.
この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、狭い空間に配置された物体を側方から観察できる。 According to this strong magnetic field microscope observation apparatus, an object placed in a narrow space can be observed from the side.
この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、狭い空間に配置された物体を観察するにあたり焦点面を動かすことなく光軸方向の位置決めが可能である。 According to this strong magnetic field microscope observation apparatus, positioning in the optical axis direction is possible without moving the focal plane when observing an object arranged in a narrow space.
この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、狭い空間に配置された物体を円周方向に回転位置決めして観察できる。 According to this strong magnetic field microscope observation apparatus, an object placed in a narrow space can be observed while being rotationally positioned in the circumferential direction.
この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、狭い空間に配置された物体を観察するにあたり観察位置に影響を及ばさないで焦点調節できる。 According to this strong magnetic field microscope observation apparatus, it is possible to adjust the focus without affecting the observation position when observing an object placed in a narrow space.
この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、超強磁場下でも磁場を乱すことなく観察できる。 According to this strong magnetic field microscope observation apparatus, observation can be performed without disturbing the magnetic field even under a super strong magnetic field.
この強磁場中顕微鏡観察装置によれば、温度制御用空気の流路を確保することができる。 According to this strong magnetic field microscope observation apparatus, it is possible to secure a flow path for temperature control air.
すなわち、本発明によれば、結晶成長をその場観察可能であるから、個別のタンパク、個別の成長条件において常に最短の時間で実験を終了することができ、極めて効率的である。 That is, according to the present invention, since crystal growth can be observed in situ, the experiment can always be completed in the shortest time for each individual protein and each individual growth condition, which is extremely efficient.
また、結晶生成容器は複数の個室を有し、これら個室ごとに結晶生成条件を変えられ、また、温度を安定化し、任意の温度で結晶生成を行うことができる。 In addition, the crystal generation container has a plurality of individual chambers, and the crystal generation conditions can be changed for each of the individual chambers, and the temperature can be stabilized and crystal generation can be performed at an arbitrary temperature.
すなわち、本発明は、超伝導マグネットが発生する磁気力場中で高品位結晶を効率よく生成するための結晶生成装置を提供し、また、生成したタンパク質結晶の効率的な評価を行うことができる結晶生成装置において使用される強磁場中顕微鏡観察装置を提供することができるものである。 That is, the present invention provides a crystal production apparatus for efficiently producing high-quality crystals in a magnetic force field generated by a superconducting magnet, and can efficiently evaluate the produced protein crystals. An apparatus for observing a microscope in a strong magnetic field used in a crystal generation apparatus can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置は、高品位タンパク質結晶を高効率で生成する装置であり、プロテオーム研究やドラッグデザイン等に必要不可欠な様々なタンパク質の立体構造と機能を、迅速、かつ、精密（高分解能）に解明することを可能とする。特に、解析困難とされてきたGPCRをはじめとする生活習慣病やガンなどの疾患に関連するタンパク質の精密構造解析に有効であり、医薬品設計に大きく貢献することが期待できる。また、食品・環境分野で有用酵素の機能向上への貢献も期待される。 The crystal generating apparatus in which the strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is used is an apparatus for generating high-quality protein crystals with high efficiency, and the three-dimensional structures of various proteins essential for proteome research, drug design, etc. It is possible to elucidate the function quickly and precisely (high resolution). In particular, it is effective for precise structural analysis of proteins related to diseases such as lifestyle-related diseases such as GPCR and cancer, which has been considered difficult to analyze, and can be expected to contribute greatly to drug design. It is also expected to contribute to improving the function of useful enzymes in the food and environmental fields.
本発明に係る結晶生成装置は、「タンパク質結晶を高品位化」し、さらに、「タンパク質結晶の生成過程を可視化」することができる装置である。 The crystal production apparatus according to the present invention is an apparatus capable of “high-quality protein crystals” and “visualize the production process of protein crystals”.
図１は、本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置の構成を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a crystal generation apparatus in which a strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is used.
本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置は、図１に示すように、「タンパク質結晶の高品位化」のために、均一磁気力場発生用の円環状の超伝導マグネット１を備えている。この超伝導マグネット１の均一磁力空間は、直径が４０ｍｍ、高さが１５ｍｍ程度であり、空間内の磁場不均一性は±５％以下である。この超伝導マグネット１が生成する均一磁気力空間においては、純水に対して１００％の重力キャンセル（１４００Ｔ２／ｍ程度）が可能である。
As shown in FIG. 1, an apparatus for crystal generation using a strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is an annular superconductor for generating a uniform magnetic force field in order to improve the quality of protein crystals. A
また、この結晶生成装置は、「タンパク質結晶生成過程の可視化」のために、観察機構（結晶化過程観察機構）２及び結晶生成容器（結晶化用セル）３を備えている。結晶生成容器３内には、多検体用結晶化プレートが設置されている。観察機構２は、超伝導マグネット１による磁気力場中において、結晶生成過程のｉｎ−ｓｉｔｕ観察が可能な自動結晶観察機構である。この観察機構２は、使用温度範囲が４°Ｃ〜３０°Ｃ程度（精度±０．５°Ｃ）で、画像計測技術を利用し、多検体用結晶化プレート上のタンパク質液滴を逐次観察できるものである。多検体用結晶化プレートは、直径が４０ｍｍ、高さが５０ｍｍ程度の空間において、複数を多段に積層して設置できる設計となっており、５０条件程度の多検体用結晶化プレートである。
The crystal generation apparatus also includes an observation mechanism (crystallization process observation mechanism) 2 and a crystal generation container (crystallization cell) 3 for “visualization of protein crystal generation process”. A crystallization plate for multiple specimens is installed in the crystal production container 3. The
（１）タンパク質結晶の高品位化について
宇宙空間における微小重力環境では、溶液の重力対流と結晶の沈降が抑制される。すなわち、高度に静的な溶液環境が作り出され、タンパク質の結晶化は拡散のみによって進行することから、タンパク質分子配向の規則性を最大限に高めることが可能となる。その結果、微小重力場中で得られた結晶は、Ｘ線回折能が飛躍的に向上すると考えられる。
(1) Improvement of protein crystal quality In a microgravity environment in outer space, gravity convection of the solution and sedimentation of the crystal are suppressed. That is, a highly static solution environment is created, and protein crystallization proceeds only by diffusion, so that the regularity of protein molecule orientation can be maximized. As a result, it is considered that the crystal obtained in a microgravity field has a dramatic improvement in X-ray diffraction ability.
タンパク質のような反磁性を示す物質に、重力と逆向きの磁気力が発生するように磁場を印加すると、微小重力環境を得ることができる。磁場の強さＨの中で単位質量当りの磁化率χの物質が受ける磁気力Ｆは、以下のように示される。
Ｆ＝χＨ・gradＨ＝（χ／μ２）Ｂ・gradＢ（μは物質の透磁率、Ｂは磁束密度）
A microgravity environment can be obtained by applying a magnetic field to a substance exhibiting diamagnetism such as protein so that a magnetic force in a direction opposite to that of gravity is generated. A magnetic force F received by a substance having a magnetic susceptibility χ per unit mass in the magnetic field strength H is expressed as follows.
F = χH · gradH = (χ / μ 2 ) B · gradB (μ is the permeability of the material, B is the magnetic flux density)
ここで、物質に依存しないＢとその勾配gradＢの積「Ｂ・gradＢ」を「磁気力場」と定義する。重力場が空間的に極めて均一であるのに対して、磁気力場は、一般には極めて不均一である。タンパク質の結晶生成プロセス等に磁気力を利用するためには、磁気力場がある空間範囲で均一になることが望ましい。しかし、従来の超伝導マグネット内で、磁気力場が均一な場所はごく狭く、微小重力環境が得られる範囲は、わずか０．１ｍｍに過ぎない。 Here, the product “B · gradB” of B which does not depend on a substance and its gradient gradB is defined as “magnetic force field”. While the gravitational field is spatially very uniform, the magnetic force field is generally very non-uniform. In order to use a magnetic force in a protein crystal formation process or the like, it is desirable that the magnetic force field be uniform in a certain spatial range. However, in a conventional superconducting magnet, the place where the magnetic force field is uniform is very narrow, and the range in which a microgravity environment can be obtained is only 0.1 mm.
図２は、均一磁気力発生用の超伝導マグネットのコイル配置を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a coil arrangement of a superconducting magnet for generating a uniform magnetic force.
非線形計画法をもちいた均一磁気力場発生用コイル配置技術が開発されており、サンプル空間（直径１０ｍｍｘ長さ１０ｍｍ）の内部に均一度〜２％の磁気力場を発生することができる。この超伝導マグネットは、図２に示すように、試料の両側にＮｂ３Ｓｎコイル１ｂを配置し、これらの両側にＮｂＴｉコイル１ａを配置し、さらに、試料近傍にＮｂ３Ｓｎ反転コイル１ｃを配置することにより、大電磁力を発生するように構成したものである。 A coil arrangement technique for generating a uniform magnetic force field using nonlinear programming has been developed, and a magnetic force field having a uniformity of ˜2% can be generated in a sample space (diameter 10 mm × length 10 mm). As shown in FIG. 2, in this superconducting magnet, Nb 3 Sn coil 1b is arranged on both sides of the sample, NbTi coil 1a is arranged on both sides thereof, and Nb 3 Sn inversion coil 1c is arranged in the vicinity of the sample. By doing so, a large electromagnetic force is generated.
なお、この型の超伝導マグネットには、反転磁場による磁束勾配の増強、局部に集中する１０tonレベルの電磁力の制御など多くの新たな課題がある。その後、磁気力を局所的に増強する磁気力ブースタも提案されている。 This type of superconducting magnet has many new problems such as the enhancement of the magnetic flux gradient by the reversal magnetic field and the control of the 10-ton level electromagnetic force concentrated locally. Thereafter, a magnetic force booster that locally enhances the magnetic force has also been proposed.
磁場反転コイルを装着した１５Ｔ超伝導マグネット（磁気力場均一度が、直径３０ｍｍｘ高さ１５ｍｍにて±５％以内）において、タンパク質結晶の高品位化に及ぼす磁気力場の効果が調べられている。その結果、〔表１〕に示すように、多数（１３種類）のトライアルの中から、現在までに４種類のタンパク質において結晶の高品位化が確認されている。 In a 15T superconducting magnet equipped with a magnetic field reversal coil (with a magnetic force field uniformity of within ± 5% at a diameter of 30 mm and a height of 15 mm), the effect of the magnetic force field on high-quality protein crystals has been investigated. . As a result, as shown in [Table 1], high-quality crystals have been confirmed in four types of proteins out of many (13 types) trials.
(1)磁気力場中で結晶生成過程のｉｎ−ｓｉｔｕ観察が可能な自動結晶観察機構
強磁場中で効率よく高品位の結晶を得るためには、結晶生成のプロセスをその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）観察する必要がある。しかし、磁場空間の大きさは限られ、また、構造体には磁性材料を使用することができないため、通常の顕微鏡などの可視化機構は使えない。
(1) Automatic crystal observation mechanism that enables in-situ observation of the crystal formation process in a magnetic force field In order to obtain high-quality crystals efficiently in a strong magnetic field, the crystal formation process is performed in-situ (in-situ). ) Need to observe. However, since the size of the magnetic field space is limited, and a magnetic material cannot be used for the structure, a normal visualization mechanism such as a microscope cannot be used.
本発明者らは、強磁場中での可視化技術に関し、ＣＣＤ素子を用いた可視化機構（分解能２０μｍ程度）、特殊な光学エクステンションを用いたレーザ顕微鏡（分解能８００ｎｍ以上）を開発してきた。 The inventors of the present invention have developed a visualization mechanism using a CCD element (resolution of about 20 μm) and a laser microscope (resolution of 800 nm or more) using a special optical extension regarding visualization technology in a strong magnetic field.
タンパク質の構造決定を行うＸ線回折装置に必要な結晶の大きさは約１００μｍ以上といわれている。このような結晶が生成されたことを確認する装置に求められる分解能は、５〜１０μｍ程度であり、この分解能は通常の接写装置では不十分である。一方、これまでの光学エクステンションを利用したレーザ顕微鏡では、磁場空間の直径が１００ｍｍ必要であり、また、対象となる試料の数は５個程度以下に限られる。本発明におけるハイスループットのタンパク質結晶生成には、１０Ｔを超える強磁場中に置かれた数百個の試料を、試料を動かすことなく観測できる機構が必要である。 It is said that the crystal size required for an X-ray diffraction apparatus for determining the structure of a protein is about 100 μm or more. The resolution required for an apparatus for confirming that such a crystal has been generated is about 5 to 10 μm, and this resolution is insufficient with a normal close-up apparatus. On the other hand, in a laser microscope using an optical extension so far, the diameter of the magnetic field space is required to be 100 mm, and the number of target samples is limited to about 5 or less. In order to produce a high-throughput protein crystal in the present invention, a mechanism capable of observing several hundred samples placed in a strong magnetic field exceeding 10 T without moving the sample is necessary.
図３は、本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置の構成を示す分解斜視図である。 FIG. 3 is an exploded perspective view showing a configuration of a crystal generation apparatus in which the strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is used.
本発明においては、図３に示すように、円環状の超伝導マグネット１が形成する直径５０ｍｍの円筒型磁場空間の中央の１５〜２０ｍｍ程度に、観察機構（ＣＣＤカメラ）２を設置し、その周囲に配置した試料容器（スタックされた結晶化プレート）３中の結晶生成過程を観測する。観察機構２を中心に置くことにより、単純な軸回転のみで周辺に置かれた試料を観測できるシンプルな構造とすることができる。また、試料の位置を面内の中心に近くすることにより、均一度の高い磁気力場を利用することができる。
In the present invention, as shown in FIG. 3, an observation mechanism (CCD camera) 2 is installed at about 15 to 20 mm in the center of a cylindrical magnetic field space with a diameter of 50 mm formed by an
図４は、本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置の構成を示す縦断面図である。 FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a crystal generation apparatus in which the strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is used.
この結晶生成装置においては、図３及び図４に示すように、観察機構となるＣＣＤイメージセンサ２が、中空軸（アウタースリーブ）１１内に設置されており、この中空軸１１が円筒型磁場空間の中央に挿入されている。中空軸１１の上端側は、非磁性回転機構６及び非磁性二重上下動機構７によって支持されている。中空軸１１の下端側は、軸受け１０によって支持されている。この中空軸１１は、軸方向（上下方向）に移動操作可能であり、また、軸回りの回転操作が可能である。
In this crystal generation apparatus, as shown in FIGS. 3 and 4, a
ＣＣＤイメージセンサ２は、中空軸１１の側面に開設された観察窓５を通じて、中空軸１１内に設置された傾斜鏡１２、対物レンズ１３及び結像レンズ１４を介して、中空軸１１の周囲を観察した画像の画像信号を出力する。ここで、中空軸１１の軸方向の移動操作及び軸回りの回転操作がなされることにより、ＣＣＤイメージセンサ２は、中空軸１１の周囲のあらゆる位置を観察することができる。
The
中空軸１１の周囲には、試料容器３であるスタックされた結晶化プレート４が配置される。この試料容器３は、複数の円盤状の結晶化プレート４が多段に積層配置（スタック）されたものである。
Around the
結晶化プレート４の中央部には、中空軸１１が貫通するための透孔が開設されている。結晶化プレート４は、非磁性の透明材料により形成されている。結晶化プレート４には、結晶生成用の複数の個室が設けられている。これら各個室は、結晶化プレート４の周縁位置に配列されている。
A through-hole for allowing the
スタックされた結晶化プレート４の周囲、すなわち、超伝導マグネット１の内周面には、結晶化プレート４を照明するためのバックライト１５が設置されている。
A backlight 15 for illuminating the
この結晶生成装置においては、効率を増すために結晶化プレート４を多段式にした場合も、観察系を中心軸上で平行移動させるだけで観測が可能であり、試料数の増加に対応できる。
In this crystal generation apparatus, even when the
また、円筒型磁場空間には、温調用エア導入口９より、温度調節用の空気（外気）が導入される。この温度調節用の空気は、温調用エア排出口８より、円筒型磁場空間の外に排出される。 Further, temperature adjusting air (outside air) is introduced into the cylindrical magnetic field space from the temperature adjusting air inlet 9. The temperature adjusting air is discharged from the temperature adjusting air discharge port 8 to the outside of the cylindrical magnetic field space.
図５は、本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置の要部の構成を示す縦断面図である。 FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a main part of a crystal generation apparatus in which the strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is used.
円筒型磁場空間内においては、図５に示すように、温度調節用の空気は、バックライト１５と結晶化プレート４の外周面との間、及び、中空軸１１と結晶化プレート４の内周面との間を通って、温調用エア排出口８に向かう、この温度調節用の空気の流量及び通過位置を調節することにより、各結晶化プレート４の複数の個室ごとに結晶生成条件を変えることができる。
In the cylindrical magnetic field space, as shown in FIG. 5, the air for temperature adjustment is between the backlight 15 and the outer peripheral surface of the
図６は、本発明に係る強磁場中顕微鏡観察装置が使用される結晶生成装置の観察機構の構成を示す斜視図である。 FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of an observation mechanism of a crystal generation apparatus in which the strong magnetic field microscope observation apparatus according to the present invention is used.
観察機構２は、図６に示すように、中空軸１１の側面に開設された観察窓５からの入射光が、中空軸１１内に設置された傾斜鏡１２、対物レンズ１３及び結像レンズ１４を介して、ＣＣＤイメージセンサ２に到達するように構成されている。
In the
対物レンズ１３は、プッシュロッド１６によって光軸方向（中空軸１１の軸方向）に移動操作可能となっている。プッシュロッド１６は、結像レンズ１４を移動させずに対物レンズ１３のみを移動させることにより、ＣＣＤイメージセンサ２の撮像位置を調整する。この撮像位置とは、中空軸１１からの距離の調節であり、すなわち、結晶化プレート４の径方向の調節である。
The
なお、観測方式としては、以下の２種類が採用可能である。 The following two types can be adopted as the observation method.
ａ）ＣＣＤ素子を磁場中に入れ、その前方に配置する光学系を設計することにより高倍率観測を可能にする方式。 a) A system that enables high-magnification observation by placing an CCD element in a magnetic field and designing an optical system arranged in front of it.
ｂ）光源としてレーザを使用し、レンズ、偏光子等の光学系のみを磁場中に入れることにより、偏光観察などのより高コントラストな映像を得る方式。 b) A method of obtaining a higher-contrast image such as polarization observation by using a laser as a light source and placing only an optical system such as a lens and a polarizer in a magnetic field.
(2)多検体用結晶化プレート
通常、１つのタンパク質の最適結晶化条件の探索には、数百〜千程度の条件検討が必要であり、横１３ｃｍ×縦９ｃｍ×高さ１．５ｃｍ程度のプラスチック製の結晶化プレート４を数枚から１０枚程度用いる。本発明においては、マグネットボア内の限られた空間（直径４０ｍｍ×高さ５０ｍｍ程度）で結晶化実験を実施する。高品位結晶の生成の高効率化（ハイスループット）のためには、この限られた空間内で一度に数百条件の結晶化スクリーニングをすることが必要である。そのため、ボアの大きさ、形状に則した多検体（５０条件程度）用の専用プラスチック製の結晶化プレート４を設計、作製し、これを複数枚重層して設置する。
(2) Crystallization plate for multiple specimens Normally, searching for the optimal crystallization condition for one protein requires several hundred to thousands of conditions, which are 13 cm wide x 9 cm long x 1.5 cm high. Several to about 10
本発明においては、純水に対してほぼ１００％の重力キャンセルができる１４００Ｔ２／ｍ程度の磁気力場を発生させる超伝導マグネット１により±５％程度の均一磁気力空間を、直径４０ｍｍ、高さ〜１５ｍｍに発生する。この超伝導マグネット１に、温度範囲４〜３０°Ｃ（±０．５°Ｃ）の結晶生成系及び結晶生成過程のｉｎ−ｓｉｔｕ自動結晶観察機能を組み合わせている。さらに、ハイスループット化への対応として、複数の結晶化プレート４の同時処理を行う。
In the present invention, a uniform magnetic force space of about ± 5% is formed by a
（３）まとめ
以上のように、本発明においては、磁場中で起こる現象をｉｎ−ｓｉｔｕに観察することができる。また、本発明者らは、これまでの磁気力場中結晶化実験において、ボア径に応じた小検体（１２条件）用プラスチック製の結晶化プレート４を開発し、結晶化に有用であることを示した。本発明においては、ハイスループットを実現するため、新規に多検体用の結晶化プレート４を開発した。このような磁気力場マグネット使用に特化した多検体用の結晶化プレート４の開発は、これまでに全く例がなく、新規なものである。
(3) Summary As described above, in the present invention, a phenomenon occurring in a magnetic field can be observed in-situ. In addition, the present inventors have developed a
本発明は、超強磁場内の磁気無重力環境下で結晶生成を行う結晶生成装置において使用される強磁場中顕微鏡観察装置に適用される。 The present invention is applied to a high magnetic field microscope observation apparatus used in a crystal generation apparatus that performs crystal generation in a magnetic weightless environment in a super strong magnetic field.
１ 超伝導マグネット
２ 観察機構
３ 結晶生成容器
４ 結晶化プレート
１１ 中空軸
１２ 傾斜鏡
１３ 対物レンズ
１４ 結像レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記超強磁場に設置され軸方向の移動操作及び軸回りの回転操作が可能となされた中空軸と、
前記中空軸内に設置されたＣＣＤイメージセンサ、傾斜鏡、対物レンズ及び結像レンズとを備え、
前記中空軸が前記結晶生成容器の中央部に設けられた透孔内に挿通され、前記ＣＣＤイメージセンサは、前記中空軸の側面に開設された観察窓を通じて、傾斜鏡、対物レンズ及び結像レンズを介して、前記中空軸の周囲の前記結晶生成容器内を観察した画像の画像信号を出力する
ことを特徴とする強磁場中顕微鏡観察装置。 Crystal generation with a superconducting magnet that forms a super-strong magnetic field and a crystal production vessel installed in the super-strong magnetic field formed by this superconducting magnet, and growing crystals in a magnetic weightless environment within the super-strong magnetic field In the apparatus, a microscope observation apparatus in a strong magnetic field for in-situ observation of the process of crystal formation in the crystal generation container,
A hollow shaft installed in the super-strong magnetic field and capable of axial movement and rotation around the axis;
A CCD image sensor, an inclined mirror, an objective lens and an imaging lens installed in the hollow shaft;
Said hollow shaft is inserted through the hole provided in the center portion of the crystal formation vessel, the CCD image sensor, through the side surface has been observed window opened in the hollow shaft, inclined mirror, objective lens and imaging An image signal of an image obtained by observing the inside of the crystal generation container around the hollow shaft is output through a lens.
ことを特徴とする請求項１記載の強磁場中顕微鏡観察装置。 The strong magnetic field microscope observation apparatus according to claim 1, wherein focus adjustment of an imaging position by moving only the objective lens in the optical axis direction is possible.
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