植物細胞内光機能分子・粒子の空間階層Ｘ線イメージング

• Project Area: Environmental sensing of plants: Signal perception, processing and cellular responses
• Project/Area Number: 23120525
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 中迫 雅由 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30227764)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2012: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2011: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
• Keywords: 光受容タンパク質 / 葉緑体 / Ｘ線小角散乱 / Ｘ線結晶構造解析 / コヒーレントＸ線回折イメージング / Ｘ線自由電子レーザー / フィトクロム / フォトトロピン / X線イメージング / 光受容蛋白質 / X線回折イメージング / 結晶化 / X線自由電子レーザー / 真核生物 / オルガネラ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、Ｘ線構造解析手法を用いて、２つの異なる空間階層での構造解析を展開し、植物の環境感覚応答研究に貢献することを目指す。具体的には、分子レベルにおいて、植物青色光受容蛋白質、赤色光受容体のドメインやフラグメントの立体構造をＸ線結晶構造解析やＸ線小角散乱実験を通じて明らかにし、植物光受容の分子メカニズムの理解を助ける。また、ミクロン・サブミクロンサイズのオルガネラ等、結晶化が原理的に不可能な細胞内粒子については、Ｘ線回折顕微鏡法を適用し、植物環境感覚応答が細胞内でどのような変化をもたらしうるのかを光学顕微鏡よりも高い解像度で明らかにする。
平成24年度は、その全長が大腸菌で大量発現可能となったクラミドモナスphototropinについて、光刺激による細胞内信号伝達の初発過程を探るためのＸ線小角散乱実験をSPring-8のBL45にて実施した。これにより、初めて全長phototoropin分子の形状を明らかにし、また、光応答構造変化を確認することができた。さらに、クラミドモナス全長phototropin、光応答・リン酸化能を失ったシロイヌナズナphototropin LOV2-kinaseフラグメント、赤色光－近赤外光可逆反応を担うphytochrome Bの結晶化を試みた。後者については、光学顕微鏡下で微小結晶様の凝集を見出すことができた。
オルガネラの構造研究では、これまでに設計・製作した回折装置とミクロン～サブミクロン粒子を低温凍結試料作製システムを使用し、単細胞生物シゾンの葉緑体について、Ｘ線自由電子レーザー施設SACLAでのコヒーレントＸ線回折イメージング実験を実施した。その結果、まだ数は少ないが、２次元電子密度投影図の位相回復を50 nm程度の分解能で達成できるようになった。作成した試料の状況の把握には、購入した卓上走査型電子顕微鏡が極めて有効であった。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Three-dimensional structure determination protocol for noncrystalline biomolecules using x-ray free-electron laser diffraction imaging (2013)
  • Author(s): T. Oroguchi and M. Nakasako
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 87
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コヒーレントX線回折イメージング構造解析理論の開発と展望 (2013)
  • Author(s): 中迫雅由、苙口友隆、高山裕貴、小林周、児玉渉、坂本啓太、吉留崇、池口満徳
  • Journal Title: 放射光 Volume: 26 Pages: 11-25
  • NAID: 10031139080
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Humidity-controlled preparation of frozen-hydrated biological samples for cryogenic coherent X-ray diffraction microscopy (2012)
  • Author(s): Y. Takayama and M. Nakasako
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 83 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/1.4718359
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ｘ線自由電子レーザーを用いた非結晶粒子のコヒーレントＸ線回折イメージング実験 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由、高山裕貴、苙口友隆、白濱圭也、関口優希、山本雅貴、米倉功治、引間孝明、眞木さおり、高橋幸生、鈴木明大、松永幸大、加藤翔一、星貴彦
  • Journal Title: オプトロニクス Volume: 368 Pages: 101-106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 非結晶粒子のコヒーレントＸ線回折イメージング (2012)
  • Author(s): 中迫雅由、高山裕貴、苙口友隆、白濱圭也、関口優希、山本雅貴、米倉功治、引間孝明、眞木さおり、高橋幸生、鈴木明大、松永幸大、加藤翔一、星貴彦
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 40 Pages: 680-686
  • NAID: 10031004094
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of a real-space three-dimensional image reconstruction method in the structural analysis of non-crystalline biological macromolecules enveloped by water in coherent X-ray diffraction microscopy (2011)
  • Author(s): W.Kodama, M.Nakasako
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 84 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physreve.84.021902
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A few low-frequency normal modes predominantly contribute to conformational responses of hen egg white lysozyme in the tetragonal crystal to variations of molecular packing controlled by environmental humidity (2011)
  • Author(s): Y.Takayama, M.Nakasako
  • Journal Title: Biophysical Chemistry Volume: 159 Pages: 237-246
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 生命には何故水が必要なのか-蛋白質の機能と水和構造の相関 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、松岳大輔
  • Journal Title: 日本応用物理学会誌 Volume: 80 Pages: 903-907
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X線自由電子レーザー(XFEL)の生命科学での利用 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴
  • Journal Title: 日本生物物理学会誌 Volume: 51 Pages: 278-281
  • NAID: 10030038033
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Cryogenic X-ray diffraction for illustrating hierarchical structures in cells (2013)
  • Author(s): M. Nakasako
  • Organizer: International Symposium on Protein Folding and its Biological Significance
  • Place of Presentation: Okazaki, Japan
  • Year and Date: 2013-03-04
  • Invited
• [Presentation] ＸＦＥＬコヒーレントＸ線回折イメージング実験の現状と将来 (2013)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第33回年次大会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2013-01-27
  • Invited
• [Presentation] クライオ試料照射装置”壽壱号”を用いたSACLAでのコヒーレントＸ線回折イメージング実験 (2013)
  • Author(s): 中迫雅由、高山裕貴、苙口友隆、関口優希、小林 周、中島 真、山本雅貴、引間孝明、
  • Organizer: 第２６回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2013-01-11
• [Presentation] 暗視野位相回復法によるコヒーレントＸ線回折パターンからの像再生（JSR13学生発表賞受賞） (2013)
  • Author(s): 小林 周、高山裕貴、苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第２６回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2013-01-11
• [Presentation] クライオ試料固定照射装置を用いて得られるXFEL-CXDIデータ処理ソフトウエアの開発（JSR13学生発表賞受賞） (2013)
  • Author(s): 関口優希、高山裕貴、苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第２６回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2013-01-11
• [Presentation] Cryogenic CXDI of non-crystalline particles at SACLA (2013)
  • Author(s): M. Nakasako, Y. Takayama, T. Oroguchi, Y. Sekiguchi, A. Kobayashi, et al.
  • Organizer: 4-th Japan-France Joint Seminar, Harima
  • Place of Presentation: Harima, Japan
  • Year and Date: 2013-01-06
  • Invited
• [Presentation] Possibility of CXDI of bio-molecular assemblies using X-ray free-electron laser (2012)
  • Author(s): M. Nakasako○, T. Oroguchi, and W. Kodama
  • Organizer: 5-th Workshop on FEL Science
  • Place of Presentation: Gyeongju, Korea
  • Year and Date: 2012-10-28
  • Invited
• [Presentation] Cryogenic Coherent X-ray Diffraction Imaging of non-Crystalline Particles using SACLA (2012)
  • Author(s): M. Nakasako, Y. Takayama, T. Oroguchi, et al.
  • Organizer: 生物物理学会 第５０回年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] A protocol for structure analysis of non-crystalline particles with X-ray free electron laser (2012)
  • Author(s): T. Oroguchi, M. Nakasako
  • Organizer: 生物物理学会 第５０回年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] Ｘ線波の干渉で分子の姿・かたちを調べる (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 理研/JASRI サイエンスサマーキャンプ
  • Place of Presentation: 播磨
  • Year and Date: 2012-08-01
  • Invited
• [Presentation] Cryogenic CXDI of non-crystalline particles at SACLA (2012)
  • Author(s): M. Nakasako○, Y. Takayama, T. Oroguchi, Y. Sekiguchi, et al.
  • Organizer: COHERENCE 2012
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2012-06-17
  • Invited
• [Presentation] Humidity-controlled preparation of frozen-hydrated, non-crystalline particles for (2012)
  • Author(s): Y. Takayama○, M. Nakasako, T. Oroguchi, Y. Sekiguchi, et al.
  • Organizer: COHERENCE 2012
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 2012-06-17
• [Presentation] XFELで超分子複合体の構造解析は可能か? (2012)
  • Author(s): 中迫雅由、苙口友隆、高山裕貴、山本雅貴
  • Organizer: 新学術領域"天然変性"第二回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-25
• [Presentation] コヒーレントX線回折顕微鏡実験における位相限定相関を用いたデータ解析手法の開発 (2012)
  • Author(s): 関口優希、高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第25回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] コヒーレントX線回折顕微鏡法回折パターンにおけるCCD検出器の電荷転送に由来するバックグラウンドの評価 (2012)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第25回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] クライオ試料照射装置の整備・高度化と低温回折実験 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由、高山裕貴、苙口友隆、関口優希、児玉渉、山本雅貴、香村芳樹、引間孝明、米倉功治、高橋幸生、鈴木明大
  • Organizer: 第25回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] X線自由電子レーザーによる生体超分子の新規構造解析法の提案及びシミュレーション (2012)
  • Author(s): 苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第25回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-08
• [Presentation] コヒーレントＸ線回折イメージング実験における計算機利用 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 将来HCPI調査研究「アプリ分野」会合
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] ＳＡＣＬＡと京－ミクロなものの姿と動きを調べる－ (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 芦屋市市民講座
  • Place of Presentation: 芦屋
  • Invited
• [Presentation] コヒーレントＸ線回折イメージングによる非結晶粒子の構造解析 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 東京大学物性研究所、計算物質科学研究センター、計算物質科学イニシアティブ・シンポジウム
  • Place of Presentation: 柏
  • Invited
• [Presentation] SACLAとSPring-8を利用した非結晶粒子のコヒーレントX線回折イメージング (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: バイオ産業情報化コンソーシアム
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] ＸＦＥＬのバイオ・イメージング研究への応用 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 兵庫県立大学 先端技術セミナー 2012
  • Place of Presentation: 姫路
  • Invited
• [Presentation] Ｘ線自由電子レーザー(SACLA)を用いたバイオサイエンスの展開 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 味の素株式会社 イノベーション研究所 セミナー
  • Place of Presentation: 川崎
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーを用いるサブミクロン粒子のナノメートル分解能構造解析 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 蛋白質構造解析コンソーシアム
  • Place of Presentation: 東京(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-29
• [Presentation] X線自由電子レーザーの生命科学での利用 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴
  • Organizer: 日本結晶学会年会2011
  • Place of Presentation: 札幌(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-25
• [Presentation] 低温コヒーレントX線回折顕微鏡法の為の湿度制御下凍結水和生体試料作製装置の開発 (2011)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 日本結晶学会年会2011
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2011-11-24
• [Presentation] Preparation method of frozen-hydrated biological samples under controlled humidity for coherent X-ray diffraction microscopy (2011)
  • Author(s): Y.Takayama, M.Nakasako
  • Organizer: 生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2011-09-17
• [Presentation] Coherent X-ray diffraction microscopy of non-crystalline biological particles at cryogenic temperature (2011)
  • Author(s): M.Nakasako, M.Yamamoto
  • Organizer: 生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-16
• [Presentation] タンパク質の結晶化:結晶化条件スクリーニングの基礎-フォトトロピンLOV1ドメインの結晶化を例に- (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 新学術領域「植物環境感覚」タンパク質構造解析ワークショップ
  • Place of Presentation: 堺(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] X線小角散乱:どのような分子構造情報が得られるか?-フォトトロピンフラグメントを例に- (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 新学術領域「植物環境感覚」タンパク質構造解析ワークショップ
  • Place of Presentation: 堺(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] データベース解析による蛋白質水和構造の特徴抽出とその応用 (2011)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 放射光学会第3回若手研究会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2011-08-18
• [Presentation] バイオサイエンスで想定されるXFEL利用実験 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: シンポジウム「X線自由電子レーザー」
  • Place of Presentation: 横浜(招待講演)
  • Year and Date: 2011-04-21
• [Book] 標準免疫学第三版第二部構成的メカニズム:認識のメカニズムF.BCR/抗体による認識 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Publisher: 医学書院(印刷中)
• [Remarks] 中迫研究室
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/guidance/labs/nakasako/nakasako-lab.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/guidance/labs/nakasako/nakasako-lab.html