散漫X線散乱による動的構造解析に向けた高感度計測システムの実現

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 22H04741
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 鈴木 明大 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (20781850)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: X線自由電子レーザー / 溶液試料セル / 高度好熱菌 / X線結晶構造解析 / 試料環境セル / グラフェン / 放射光 / 窒化ケイ素薄膜

Outline of Research at the Start

研究代表者は、Bragg回折のみに依拠した解析ではなく、アロステリック創薬や酵素の機能解明への展開が期待される散漫散乱を利用した動的構造解析に着目している。現在、複数のグループで基礎研究が進んでいるが、散漫散乱はBragg回折と比較してはるかに微弱であるため、背景雑音の大幅な低減が実験的な課題である。本研究計画では、計画班がSPring-8において開発を進める真空回折計を基盤に、更なる要素技術開発を進めることで、Bragg回折と同時に散漫散乱を高感度で計測できるシステムを構築し、動的構造解析へ展開することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は、高度好熱菌 Thermus thermophilus HB27のＸ線自由電子レーザー（XFEL）イメージングに関する研究を中心に実施した。モデル生物のひとつであるT. thermophilusは、生化学実験にもとづき、1つの細胞に4つから5つの核様体がある倍数体細胞であると考えられてきた。本研究の目的は、XFELによってT. thermophilus HB27の内部構造をイメージングし、その倍数性を直接的に明らかにすることである。フェムト秒パルスのXFELをプローブとして用いれば、ダメージフリーで生細胞のナノスケールスナップショットが得られる。XFELイメージングの実施には、データ解析の要請で、プローブ径よりも小さな試料が求められる。通常のT. Thermophilus HB27の長さは4um程度で、日本のXFEL施設SACLAで利用できる集光ビームサイズと比較して大きいため、我々は細胞の長さを制御する新しい細胞培養方法を開発した。そして、スターチとカゼインが豊富な培地を利用することで、支配的な細胞の長さが2um程度になることを発見した。
XFEL実験では、本研究課題で開発を進めてきた溶液試料セルを用いた。SACLAに持ち込んだ半自動チップアライメント装置により、新しい方法で培養した細胞を溶液試料セルに封入し、孤立した細胞にXFELが照射した回折パターンを取得できた。そして、本データ解析用に改良したフーリエ反復アルゴリズムを回折パターンに適用することで、試料像を再構成した。再構成像には、電子密度が相対的に高いことを示す5つのイメージ強度ピークが存在し、これらは細胞内の核様体を反映していると考えられる。核様体の数はこれまでの定説と矛盾のないものであった。画像からは、それぞれの核様体がほとんどすき間なく、細胞の長さ方向に並んでいる様子が確認できた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Academia Sinica（台湾）(その他の国・地域)
• [Journal Article] <i>Thermus thermophilus</i> polyploid cells directly imaged by X-ray laser diffraction (2023)
  • Author(s): Suzuki Akihiro、Moriya Toshiyuki、Oshima Tairo、Yang Ying、Niida Yoshiya、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Joti Yasumasa、Nishino Yoshinori、Bessho Yoshitaka
  • Journal Title: The Journal of General and Applied Microbiology Volume: 69 Issue: 2 Pages: 125-130
  • DOI: 10.2323/jgam.2023.06.002
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 多層膜集光光学系を用いた超高フルエンスビームによるフェムト秒X線レーザーイメージングの分解能向上 (2023)
  • Author(s): 湯本 博勝、小山 貴久、鈴木 明大、西野 吉則、大橋 治彦
  • Journal Title: 放射光 Volume: 36 Pages: 150-158
• [Journal Article] Intact sea-island nanostructures of solid-state electrolytes snapshotted with a femtosecond X-ray laser (2023)
  • Author(s): Akihiro Suzuki、Yoshinori Nishino
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2022 Volume: なし Pages: 86-87
  • Open Access
• [Journal Article] X線レーザーによるガラスセラミックス固体電解質の海島ナノ構造イメージング (2023)
  • Author(s): 鈴木明大、田中展望、山重寿夫、折笠有基、別所義隆、城地保昌、西野吉則
  • Journal Title: FCレポート Volume: 41 Pages: 52-57
• [Journal Article] Femtosecond X-ray Laser Reveals Intact Sea?Island Structures of Metastable Solid-State Electrolytes for Batteries (2022)
  • Author(s): Suzuki Akihiro、Tanaka Hiromochi、Yamashige Hisao、Orikasa Yuki、Niida Yoshiya、Kimura Takashi、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Bessho Yoshitaka、Joti Yasumasa、Nishino Yoshinori
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 11 Pages: 4603-4607
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04392
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional structure determination of gold nanotriangles in solution using X-ray free-electron laser single-particle analysis (2022)
  • Author(s): Nakano Miki、Miyashita Osamu、Joti Yasumasa、Suzuki Akihiro、Mitomo Hideyuki、Niida Yoshiya、Yang Ying、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Tono Kensuke、Ohashi Haruhiko、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、BESSHO YOSHITAKA、Ijiro Kuniharu、Nishino Yoshinori、Tama Florence
  • Journal Title: Optica Volume: 9 Issue: 7 Pages: 776-784
  • DOI: 10.1364/optica.457352
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-fluence and high-gain multilayer focusing optics to enhance spatial resolution in femtosecond X-ray laser imaging (2022)
  • Author(s): Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Suzuki Akihiro、Joti Yasumasa、Niida Yoshiya、Tono Kensuke、Bessho Yoshitaka、Yabashi Makina、Nishino Yoshinori、Ohashi Haruhiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 5300-5300
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33014-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-particle imaging with tightly focused XFEL pulses (2024)
  • Author(s): Akihiro Suzuki
  • Organizer: SACLA Users' Meeting 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] X線レーザーが照らし出す全固体電池材料の海島ナノ構造 (2022)
  • Author(s): 鈴木 明大
  • Organizer: 北海道大学電子科学研究所 創立30周年記念講演会
  • Invited
• [Presentation] X線結晶解析法の高感度化に向けた試料環境開発 (2022)
  • Author(s): 鈴木 明大
  • Organizer: 第25回高速分子動画オンラインセミナー
  • Invited
• [Presentation] Probing Nanostructures with Coherent X-rays (2022)
  • Author(s): Akihiro Suzuki
  • Organizer: ARN Young Scientist Forum (AsiaNANO 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Focused coherent X-rays open up new opportunities in microscopy (2022)
  • Author(s): Akihiro Suzuki
  • Organizer: The 23rd RIES-HOKUDAI International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/akihiro.suzuki
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/akihiro.suzuki