| Project Area | Non-equilibrium-state molecular movies and their applications |
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| Project/Area Number |
19H05781
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Tohoku University (2020-2023)
Institute of Physical and Chemical Research (2019) |
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Principal Investigator |
南後 恵理子 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90376947)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 伸隆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (20450934)
大和田 成起 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 主幹研究員 (90725962)
宮下 治 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (10620528)
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)
篠田 恵子 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任助教 (80646951)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥203,060,000 (Direct Cost: ¥156,200,000、Indirect Cost: ¥46,860,000)
Fiscal Year 2023: ¥44,980,000 (Direct Cost: ¥34,600,000、Indirect Cost: ¥10,380,000)
Fiscal Year 2022: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000)
Fiscal Year 2021: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000)
Fiscal Year 2020: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2019: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
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| Keywords | X線自由電子レーザー / X線溶液散乱 / 蛋白質結晶構造解析 / 動的構造解析 / シリアルフェムト秒結晶構造解析 / タンパク質ダイナミクス / 溶液散乱 / 構造モデリング |
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| Outline of Research at the Start |
X 線自由電子レーザー（XFEL）を用いたタンパク質構造解析法は、タンパク質が起こす素早い反応・構造変化を原子レベルまで捉えられる新たな手法として、国内外で非常に期待されている。本研究計画では、XFELによって多種多様なタンパク質の構造変化や反応過程を捉えるための技術開発を行う。本技術により、生体分子の機能やその機構に対する理解が飛躍的に深まると共に、構造情報に基づく生体分子制御の応用に貢献することが期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、X線自由電子レーザー（XFEL）を用いたタンパク質が機能する際の構造変化過程を高い空間・時間分解能で捉える技術の開発を行っている。当該年度は、新たな時分割実験手法として近赤外レーザーによる温度ジャンプ法の開発を引き続き行った。また、結晶を必要とする制約のない溶液を用いた実験を可能とするため、溶液散乱測定系の検討を行った。温度ジャンプ法の開発では、温度上昇を酵素反応などのトリガーに適用するため、実際に酵素結晶を調製して温度ジャンプ実験を実施した。この実験では試料を低温に保ち酵素反応を停止し、近赤外線レーザー照射による温度上昇で反応を開始させる。本実験の主な手法であるシリアルフェムト秒結晶構造解析（SFX）では結晶をグリースなどの媒体にてXFEL照射域まで輸送する必要があるため、本実験に適した媒体の検討を行った。また、照射レーザー強度を検討して、実際に酵素反応が開始されるが測定を行った。その結果、いくつかの遅延時間にてデータ取得に至った。現在解析を行っている。
昨年度までに実施した溶液散乱実験データに関して、開発中の解析ソフトウェアの処理の安定化と高速化に向けた取り組みを進めた。連続測定中に検出器の特定の領域でノイズレベルが変動し、データの均一性を担保できない事象が発生していると判明した為、処理前に適切なマスクファイルを作成し、そのような領域を処理から除外できるようにソフトウェアを修正した。また、データのS/Nの向上とFELからのビーム強度の不安定性に対応するために、各データの散乱強度のパーセンタイルを計算し、設定した閾値より大きなパーセンタイル値となるデータのみを処理に適用するアルゴリズムを開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
温度ジャンプ-SFX装置開発については、試料の温調装置、近赤外線レーザーの導入、微視領域・高時間分解能での温度計測システムについて開発を進め、いずれも実証を完了したことから、本装置の基盤構築はできたと考えている。実際に本装置を用いた温度ジャンプ実験については、試料の調製や結晶輸送媒体など実験に影響を及ぼす要因が多く、実験条件については検討を続けている。
溶液散乱データ処理については、Windows上で動作するGUIのソフトウェアはいったん完成した。さらに、実験中の高速自動処理を実現する為にLinux上で動作するコマンドベースのソフトウェアへの移植を進めており、WindowsではGUIから入力する各処理条件をコマンドベースで指定できるように開発中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度においては、温度ジャンプ-SFX実験にて酵素反応中間体の捕捉を目指す。既に1種の酵素についてデータ取得済みであるが、場合によっては他の酵素についてもデータ収集を行う。また、光励起以外の反応誘起法として、基質と微結晶を迅速に混合する二液混合法が知られているが、試料必要量の多さや時間分解能の低さが障壁となっている。そこで液滴を利用した二液混合法の開発を進め、必要試料量の削減を目指す。溶液散乱データの自動解析に関しては、Linux上で指定したフォルダを監視しながら出力されたHDF5ファイルを自動的に認識し、コンフィグファイル等で指定した条件で自動処理をパラレルに実行できるように開発を進めていく。
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