時分割回折X線ブリンキングによるソフトクリスタル動的特性観測

• Project Area: Soft Crystals: Science and Photofunctions of Easy-Responsive Systems with Felxibility and Higher-Ordering
• Project/Area Number: 20H04660
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 倉持 昌弘 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (60805810)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: X線回折 / 時分割計測 / 結晶粒子動態 / 格子ダイナミクス / ソフトクリスタル

Outline of Research at the Start

結晶自身のX線回折現象を利用した時分割回折X線ブリンキング法（Diffracted X-ray Blinking, DXB）を駆使して、ソフトクリスタルのラベルフリー結晶動態計測を行ないます。マクロ力学制御場でのソフトクリスタルの動的特性を、粒子集合体の運動、結晶格子面の構造ゆらぎ、という異なる空間スケールで捉えます。スクリーニング的な試料、計測条件の選定をラボX線で網羅検証し、より精細な動的情報取得には、放射光を用いた超高分解能計測を実施します。また、高次データ解析技術を導入することで、運動成分の検出限界向上を実現し、ソフトクリスタルの構造特異的な動的性質を明らかにしていきます。

Outline of Annual Research Achievements

結晶自身のX線回折現象を利用した時分割回折X線ブリンキング法（Diffracted X-ray Blinking, DXB）を駆使し、ソフトクリスタルのラベルフリー結晶動態計測を行なった。熱や光などのマクロ力学制御場でのソフトクリスタルの動的特性を、粒子集合体の運動、結晶格子面の構造ゆらぎ、という異なる空間スケールで捉えることに取り組んだ。スクリーニング的な試料、計測条件の選定をラボX線で網羅検証し、より精細な動的情報取得には、放射光を用いた超高分解能計測を実施し、また高次データ解析技術を導入することで、運動成分の検出限界向上を実現することで、ソフトクリスタルの構造特異的な動的性質を明らかにすることを目的とした。
これまでに複数の共同研究に取り組み、結晶材料の動的計測を実施した。まず、光相転移を示す試料では、UV光刺激前後の結晶格子運動を測定した。興味深いことに、UV照射直後の結晶格子運動は一時的に抑制されることがわかり、光応答機能と動的構造の関係を明らかにできた（Taniguchi et al., Commun. Chem., 2022)。また、エレクトロクロミック (EC) 材の測定では、Ag が蓄積される ITO 基板に着目し、ITO 基板の格子動態から間接的に Ag 状態を評価する方法を検討した。ITO 鏡 （Mirror） 状と黒 （Black） 状の試料に対して、ITO(002)面の格子運動を比較した所、質的に異なる動的特性を示すことがわかった。Ag の蓄積状態の違いを ITO 格子運動から評価できる可能性が示唆された。さらに、分子ローター結晶の動的計測では、回転運動の高精度計測に挑戦した。分子回転を示す試料の格子運動と回転できない試料の比較を行った所、分子回転を示す試料のみ速い運動成分が現れる結果を得ることができた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Superelasticity of a photo-actuating chiral salicylideneamine crystal (2022)
  • Author(s): Taniguchi Takuya、Ishizaki Kazuki、Takagi Daisuke、Nishimura Kazuki、Shigemune Hiroki、Kuramochi Masahiro、Sasaki Yuji C.、Koshima Hideko、Asahi Toru
  • Journal Title: Communications Chemistry Volume: 5 Issue: 1 Pages: 4-4
  • DOI: 10.1038/s42004-021-00618-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic motions of ice-binding proteins in living Caenorhabditis elegans using diffracted X-ray blinking and tracking (2022)
  • Author(s): Kuramochi Masahiro、Dong Yige、Yang Yue、Arai Tatsuya、Okada Rio、Shinkai Yoichi、Doi Motomichi、Aoyama Kouki、Sekiguchi Hiroshi、Mio Kazuhiro、Tsuda Sakae、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: Biochemistry and Biophysics Reports Volume: 29 Pages: 101224-101224
  • DOI: 10.1016/j.bbrep.2022.101224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diffracted X-ray Tracking Method for Measuring Intramolecular Dynamics of Membrane Proteins (2022)
  • Author(s): Fujimura Shoko、Mio Kazuhiro、Ohkubo Tatsunari、Arai Tatsuya、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 4 Pages: 2343-2343
  • DOI: 10.3390/ijms23042343
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New Family Members of FG Repeat Proteins and Their Unexplored Roles During Phase Separation (2021)
  • Author(s): Shinkai Yoichi、Kuramochi Masahiro、Miyafusa Takamitsu
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 9
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.708702
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Laboratory diffracted x-ray blinking to monitor picometer motions of protein molecules and application to crystalline materials (2021)
  • Author(s): Arai Tatsuya、Inamasu Rena、Yamaguchi Hiroki、Sasaki Daisuke、Sato-Tomita Ayana、Sekiguchi Hiroshi、Mio Kazuhiro、Tsuda Sakae、Kuramochi Masahiro、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: Structural Dynamics Volume: 8 Issue: 4 Pages: 044302-044302
  • DOI: 10.1063/4.0000112
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Living-Cell Diffracted X-ray Tracking Analysis Confirmed Internal Salt Bridge Is Critical for Ligand-Induced Twisting Motion of Serotonin Receptors (2021)
  • Author(s): Mio Kazuhiro、Fujimura Shoko、Ishihara Masaki、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Kubo Tai、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 10 Pages: 5285-5285
  • DOI: 10.3390/ijms22105285
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural basis for the coiled-coil architecture of human CtIP (2021)
  • Author(s): Morton C. R.、Rzechorzek N. J.、Maman J. D.、Kuramochi M.、Sekiguchi H.、Rambo R.、Sasaki Y. C.、Davies O. R.、Pellegrini L.
  • Journal Title: Open Biology Volume: 11 Issue: 6 Pages: 210060-210060
  • DOI: 10.1098/rsob.210060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X線1分子追跡法を用いたTRPイオンチャネル運動の高速時分割計測と制御機構の理解 (2021)
  • Author(s): 三尾 和弘、藤村 章子、倉持 昌弘、関口 博史、佐々木 裕次
  • Journal Title: 日本放射光学会誌 Volume: 34 Pages: 258-266
  • NAID: 40022720878
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tilting and rotational motions of silver halide crystal with diffracted X-ray blinking (2021)
  • Author(s): Kuramochi Masahiro、Omata Hiroki、Ishihara Masaki、Hanslin Sander ?.、Mizumaki Masaichiro、Kawamura Naomi、Osawa Hitoshi、Suzuki Motohiro、Mio Kazuhiro、Sekiguchi Hiroshi、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4097-4097
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83320-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diffracted X-ray blinking measurements of interleukin 15 receptors in the inner/outer membrane of living NK cells (2021)
  • Author(s): Chang Jaewon、Baek Yonugseok、Lee Injee、Sekiguchi Hiroshi、Ichiyanagi Kouhei、Mio Kazuhiro、Nozawa Shunsuke、Fukaya Ryo、Adachi Shin-ichi、Kuramochi Masahiro、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 556 Pages: 53-58
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.03.144
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 線虫の凍結・低温耐性を改善する氷結合タンパク質の生体内作用機序の解明 (2021)
  • Author(s): 倉持 昌弘、三尾 和弘、津田 栄、佐々木 裕次
  • Journal Title: 月刊「細胞」 Volume: 53 Pages: 66-69
  • NAID: 40022573722
• [Journal Article] 個体生物の凍結・低温耐性を改善する不凍タンパク質の生体内効果 (2021)
  • Author(s): 倉持 昌弘、三尾 和弘、津田 栄、佐々木 裕次
  • Journal Title: 月刊「アグリバイオ」 Volume: 5 Pages: 93-98
  • NAID: 40022590457
• [Journal Article] Agonist and Antagonist-Diverted Twisting Motions of a Single TRPV1 Channel (2020)
  • Author(s): Fujimura Shoko、Mio Kazuhiro、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Ikezaki Keigo、Mio Muneyo、Hengphasatporn Kowit、Shigeta Yasuteru、Kubo Tai、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 51 Pages: 11617-11624
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c08250
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray-based living-cell motion analysis of individual serotonin receptors (2020)
  • Author(s): Mio Kazuhiro、Ishihara Masaki、Fujimura Shoko、Sasaki Daisuke、Nozawa Shunsuke、Ichiyanagi Kohei、Fukaya Ryo、Adachi Shin-ichi、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Kubo Tai、Sasaki Yuji C.
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 529 Issue: 2 Pages: 306-313
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.200
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 線虫C. エレガンスにおける凝集タンパク質および分子夾雑場のX線1分子観察 (2022)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 新学術領域研究「分子夾雑化学」第6回領域会議
• [Presentation] 回折X線ブリンキングによる結晶材料の動的構造解析 (2022)
  • Author(s): 倉持昌弘、引田理英、佐々木裕次
  • Organizer: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 時分割回折X線ブリンキングによるソフトクリスタル動的特性観測 (2022)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 新学術領域研究「ソフトクリスタル」第8回公開シンポジウム
• [Presentation] 線虫C. エレガンスにおける凝集タンパク質および分子夾雑場のX線1分子観察 (2021)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 新学術領域研究「分子夾雑化学」第5回領域会議
• [Presentation] 時分割回折X線ブリンキングによるソフトクリスタル動的特性観測 (2021)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 新学術領域研究「ソフトクリスタル」第7回公開シンポジウム
• [Presentation] Mechanism of in-cell protein crystallization with supersaturated environment and its application (2021)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] X-ray avoidance behaviour in C. elegans (2021)
  • Author(s): 大津乃亜、倉持昌弘
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] Cryopreservation of C. elegans by ice-binding protein (2021)
  • Author(s): 下谷祐平、倉持昌弘
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] X線ブリンキング法による生物個体内の結晶化タンパク質および分子夾雑場観察 (2021)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: ３新学術領域合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 回折X線フリンキンクによるタイヤコムの動的構造解析 Dynamic Structure Analysis for Tire Rubbers by Diffracted X-ray Blinking (2021)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 2020年度 量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 結晶性/非晶性 PEEK 高分子膜の時分割動態計測 Time-resolved observations of crystal / non-crystal PEEK film (2021)
  • Author(s): 下村峻矢、倉持昌弘、佐々木大輔、新井達也、 引田理英、佐々木裕次
  • Organizer: 2020年度 量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] DXB 法を用いた不凍タンハク質結晶の内部分子動態計測 Molecular motion of antifreeze protein in crystal measured by Diffracted X-ray Blinking (2021)
  • Author(s): 新井達也、倉持昌弘、三尾和弘、佐々木裕次
  • Organizer: 2020年度 量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 固体高分子結晶性電解質内部のオヘラント分子動態計測 Operand-Measurement of molecular dynamics inside Solid Polymer Crystalline Electrolytes (2021)
  • Author(s): 佐々木大輔、橘川莉子、中山美沙恵、倉持昌弘、一柳光平、深谷亮、関口博史、佐藤文菜、野澤俊介、足立伸一、三尾和弘、 田所誠、 佐々木裕次
  • Organizer: 2020年度 量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] In vivo X-ray single-molecule observation of ice-binding proteins for Caenorhabditis elegans freezing tolerance (2020)
  • Author(s): M Kuramochi
  • Organizer: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 線虫C. エレガンスにおける凝集タンパク質および分子夾雑場のX線1分子観察 (2020)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 新学術領域研究「分子夾雑化学」第8回オンラインセミナー
• [Presentation] 時分割回折X線ブリンキングによるソフトクリスタル動的特性観測 (2020)
  • Author(s): 倉持昌弘
  • Organizer: 新学術領域研究「ソフトクリスタル」共同研究推進会議 2
• [Presentation] 生きた細胞上の GPCR のミリ秒-マイクロ秒タイナミクスMilli- to microsecond dynamics of Single GPCR in Living Cells (2020)
  • Author(s): 藤村章子、石原正輝、一柳光平、野澤俊介、足立伸一、深谷亮、倉持昌弘、関口博史、三尾和弘、佐々木裕次
  • Organizer: 2020年度 量子ビームサイエンスフェスタ
• [Patent(Industrial Property Rights)] Ｘ線を用いた物質評価方法及び物質評価装置 (2020)
  • Inventor(s): 倉持昌弘、佐々木裕次、三尾和弘
  • Industrial Property Rights Holder: 倉持昌弘、佐々木裕次、三尾和弘
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020