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Stochastic Dynamic Behaviors of Single Molecules Revealed by Sub-Millisecond Electron Microscopic Imaging

清水, 俊樹 東京大学 DOI:10.15083/0002006699

2023.03.24

概要

1

論文審査の結果の要旨

氏名

清水

俊樹

本論文は五章から構成されており,サブミリ秒サブオングストローム分解能で,確率論
的な単分子の動的挙動を観察し,解析する新手法について論じている.
第一章では,まず空間的・時間的分解能という観点から様々な単分子イメージング手法
について述べている.研究の背景として従来の単分子を実時間で動画撮影する電子顕微鏡
技術(SMART-EM)の例を挙げ, 高速撮像の必要性について説明することで,本研究の着想経
緯と目的を明らかにしている.
第二章では,ノイズの多い透過電子顕微鏡(TEM)動画に対し,様々なノイズ除去手法の検
討について述べている.高速カメラによる撮像は,ノイズが多く分子がはっきりと見えな
いという問題点があった.本研究は,高速電顕分子動画に対し Chambolle ノイズ除去法が
最も適していることを見出した.デノイジング処理した画像に対し,シグナルノイズ比や
分子特徴の保持の観点から評価した.このデノイジング技術を駆使することで,様々分子
の現象がサブミリ秒レベルで撮像可能であることを示したものであり, その動画から得ら
れる分子の動的情報は,物理的及び化学的観点から興味深い.
第三章では,フラーレン二量化反応のミリ秒レベル解析について述べている.第二章で
述べたデノイジング技術を用いることで,1.9 ミリ秒以下の時間分解能でフラーレン分子が
環化付加反応する決定的瞬間を撮影することに成功した.また,シミュレーション解析及
び TEM 画像とシミュレーション画像の相互相関解析を行うことで,フラーレン分子の多段
階融合反応における短寿命の反応中間体の構造が推定できた.今まで計算科学によっての
み提唱されていた化学反応の機構が,このミリ秒解析により新たに解明されると期待でき,
有機科学的観点からすると非常に興味深い.
第四章では,カーボンナノチューブ内でのフラーレン分子のシャトル運動について述べ

2

ている.電子線照射観察下において, フラーレン分子が二量化反応し,カーボンナノチュ
ーブ内に隙間ができることで,中の分子がシャトル運動を起こしやすい環境を作成してい
る. これにより,フラーレン分子がシャトル運動する決定的瞬間の動画をサブミリ秒レベ
ルで撮影することに成功している.その動画を解析することで,振動するカーボンナノチ
ューブと相互作用しながらフラーレン分子はシャトル運動や回転運動をしているといった
分子の動的機構が明らかになり,ナノメカニカル挙動への理解を深めるサブミリ秒電子顕
微鏡動画撮影手法の有用性を示した.
第五章では,本研究の総括と展望が述べられている.本論文では,原子分解能電子顕微
鏡,高速カメラ,高速電顕単分子イメージングに対し最適化されたデノイジング技術を組
み合わせることで, 化学反応やナノメカニカル現象の観察及びその解析を行い,その結果
をまとめている.単分子の確率論的な動的挙動をサブミリ秒サブオングストロームレベル
で観察及び解析を行うことで,化学反応平衡状態や分子の配座の変化などの今まで理論計
算でしか行われていなかった現象を解明することが可能だと考えられる.さらには,動画
という伝えやすい情報を提供することが可能なので,子供達への教育効果も期待できる.
なお,本論文における各章の研究は中村栄一博士及び原野幸治博士,スタックナージョ
シュア博士,村山光宏博士,ルンゲリッヒドミニク博士との共同研究によるものであるが,
研究計画および検討の主体は論文提出者であり,論文提出者の寄与が十分であると認めら
れる.
本論文は,確率論的な単分子動的挙動解析におけるサブミリ秒電子顕微鏡動画撮影手法
の有用性を示した点でナノスケール科学の観点から興味深いものである.また,これらの
研究結果はナノレベル現象の知見を与えるものであり, 材料工学から生命科学への応用も
期待されると考えられる.したがって,本論文は博士(理学)の学位論文として価値のあ
るものと認める.

この論文で使われている画像

参考文献

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82, 051605.

86

-Chapter 5-

Summary and Perspectives

87

In the present thesis, by combining an atomic-resolution electron microscope, a fast

shutter speed camera, and the optimized denoising algorithm for electron microscopy imaging,

I have succeeded in observing and analyzing in situ individual nanomechanical events such as

a single molecular shuttle coupled with mechanical vibration of the CNT container, as well as

chemical reactions of individual molecules at maximum sub-millisecond and sub-angstrom

resolution.

In Chapter 2, I investigated various noise reduction methods for TEM images with low

signal to noise ratio (SNR) values and concluded that the most appropriate denoising method

for electron microscopy molecular imaging is Chambolle total variation denoising algorism

with a collaborator, Dr. Joshua Stuckner. While the Chambolle denoising preserves molecular

edges of C60 molecules, which is indispensable for precise size and distance measurements,

noises are reduced to give a good SNR, improving the image contrast high. A fast shutter speed

camera gives noisy image (Figure 5.1a) due to less electron dose irradiated to the specimen, but

by applying the Chambolle denoising, I obtained clear molecular images suitable for structural

analyses (0.625 ms/frame image in Figure 5.1b and 1.875 ms/frame image in Figure 5.1c) with

keeping a time resolution of a millisecond. With this denoising method, I have successfully

achieved a temporal precision of 0.9 ms and a localization precision of 0.01 nm for imaging of

non-periodic molecular structures such as C60 molecules in a CNT. (Figure 5.1d). Submillisecond-level time-resolution electron microscopy images described here are the highest

time resolution with electron microscopy so far for imaging of dynamic molecular events.

1.01 0.90 nm

denoising

superimposition

Figure 5.1. Fast video imaging of C60 molecules with Chambolle total variation denoising and

superimposition. (a) A single-frame image of C60 molecules at 0.625 ms/frame (1600 fps)

without any image processing and (b) with Chambolle denoising. (c) A three-frame

superimposed image (1.875 ms/ frame) with Chambolle denoising. (d) Corresponding

molecular model of C60 molecules in a CNT. Scale bar: 1 nm.

Chapter 3

本章については, 5年以内に雑誌等で刊行予定のため,非公開.

88

第3章については, 5 年以内に雑誌等で刊行予定のため,非公開.

89

In Chapter 4, I elucidated the mechanism of a nanomechanical behavior of a molecular

shuttle by a recording of the 1600 fps video of a single molecular shuttle. From a series of TEM

images of an oligomer moving back and forth for three times (Figure 5.3a), I found that the

translation of the molecule occurred when the direction of the CNT vibration changes (Figure

5.3b and c), suggesting that the motion of molecules inside was induced by receiving an energy

from the vibrating CNT. In other words, the molecule and the CNT container as a whole behave

as a mechanically coupled oscillator, where the molecular motion is coupled with the

mechanical motion of the CNT.

1.5

0.5

0.5

0.1

500

500

ii

1500

iii

2000

1000

1500

2000

-0.1

-1

500

1000 1500 2000

time (ms)

-2

690 ms ii

0.1

996 ms iii 1508 ms

40

ms

0.5

29

ms

0.5

-0.5

-0.5

-0.5

CNT

vibration

y (nm)

1000

1025.00 — 1087.50 ms

1518.75 — 1581.25 ms

1519

1.0

1025

650.00 — 712.50 ms

1.5

650

y nm

oligomer

translation

x (nm)

x nm

CNT

vibration

y (nm)

a 587.50 — 650.00 ms

0.5

-1

1800

1600

-1

800 1000 1200 1200 1400 1600 1800

1400

-1

1000

600

11

ms

1200

800

1000

800

600

1000

800

600

600

400

400

1200

-0.1

time (ms)

Figure 5.3. SMART-EM video frames showing the motions of a C60 oligomer in a vibrating

CNT. (a) TEM imaging and (b) distance the analysis of shuttling C60 oligomer in a CNT.

(c) Expansion of 690, 996, and 1508 ms areas of CNT vibration. Scale bar: 1 nm.

90

In this thesis, by developing the sub-millisecond electron microscopic imaging

method, I explored the molecular world of sub-millisecond, which has never been observed

before by other conventional methodologies. The sub-millisecond SMART-EM technique will

open up a new field of stochastic dynamics of single molecules, elucidating the mechanism of

molecular conformational changes and the equilibrium state of chemical reactions, which are

more fundamental molecular behaviors. It is expected to be applied for the study of various

scientific phenomena from materials science to life science, which until now could only be

conducted in theoretical calculations. It will also give a great impact on the education of

students because unlike boring texts or simple figures, molecular videos are thought to be more

motivating students. There is a saying that “seeing is believing”. I strongly believe what I

observed with sub-millisecond SMART-EM imaging will innovate the world and open up the

science of the future.

91

...

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