時分割実験のための多様な反応誘起システムの開発

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 19H05781
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 南後 恵理子 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90376947)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Keywords: X線自由電子レーザー / 動的構造 / 溶液散乱 / 時分割実験 / X線結晶構造解析

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。当該年度も引き続き、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、前年度に引き続きシリアルフェムト秒X線構造解析とレーザー温度ジャンプ法を組み合わせた実験手法の開発を行った。液体ジェット流や高粘度媒体流に近赤外レーザーを照射した際の照射領域の温度の時間変化を、これまでに開発した温度顕微イメージング方を用いて観測した。また、レーザー照射や熱伝搬による温度変化の様子を計算し、観測した温度画像との比較を行った。さらに、リゾチーム結晶を用いたレーザー温度ジャンプシリアルフェムト秒X線構造解析実験を理化学研究所のX線自由電子レーザー施設SACLA BL2で行い、近赤外レーザーパルス照射後の結晶格子の変化の様子などを観測した。溶液散乱実験の開発では、昨年度に引き続き、開発中の解析ソフトウェアの高度化を進めた。データのS/N向上を目指してFELからのビーム強度変動やポンプによる試料流の脈動などへの対応を自動化するために、新たに検定統計量に基づく評価アルゴリズムを開発導入した。事前に設定した閾値や各種条件に基づき、データの取捨選択を自動判定して処理することが可能となった。また、Windowsで動作するGUI版に加えて、新たにコマンドラインベースで動作するLinux版を開発し、フォルダ監視機能により測定中のデータを連続的に並列自動処理することも可能となった。

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] Imperial College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Imperial College London
• [Int'l Joint Research] University of California, Merced(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of California, Merced
• [Int'l Joint Research] 台湾中央研究院/台湾大学(台湾)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: 台湾中央研究院/台湾大学
• [Journal Article] Crystal structure reveals the binding mode and selectivity of a photoswitchable ligand for the adenosine A2A receptor (2024)
  • Author(s): Araya Tsuyoshi、Matsuba Yuya、Suzuki Harufumi、Doura Tomohiro、Nuemket Nipawan、Nango Eriko、Yamamoto Masaki、Im Dohyun、Asada Hidetsugu、Kiyonaka Shigeki、Iwata So
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 695 Pages: 149393～149393
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2023.149393
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Oxygen-evolving photosystem II structures during S1S2S3 transitions (2024)
  • Author(s): Li H、Nakajima Yi、Nango E、Owada Si, Yamaguchi K、Suga M、Shen Jian-R
  • Journal Title: Nature Volume: 626 Pages: 670～677
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06987-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Understanding the effects of ethanol on the liposome bilayer structure using microfluidic-based time-resolved small-angle X-ray scattering and molecular dynamics simulations (2024)
  • Author(s): Maeki Masatoshi、Kimura Niko、Okada Yuto、Shimizu Kazuki、Shibata Kana、Miyazaki Yusuke、Ishida Akihiko、Yonezawa Kento、Shimizu Nobutaka、Shinoda Wataru、Tokeshi Manabu
  • Journal Title: Nanoscale Advances Volume: ー Pages: ー
  • DOI: 10.1039/D3NA01073B
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of full-length ERGIC-53 in complex with MCFD2 for cargo transport (2024)
  • Author(s): Watanabe Satoshi、Kise Yoshiaki、Yonezawa Kento、Inoue Mariko、Shimizu Nobutaka、Nureki Osamu、Inaba Kenji
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Pages: 2404
  • DOI: 10.1038/s41467-024-46747-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Heme-substituted protein assembly bridged by synthetic porphyrin: achieving controlled configuration while maintaining rotational freedom (2024)
  • Author(s): Inaba Hiroaki、Shisaka Yuma、Ariyasu Shinya、Sakakibara Erika、Ueda Garyo、Aiba Yuichiro、Shimizu Nobutaka、Sugimoto Hiroshi、Shoji Osami
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 14 Pages: 8829～8836
  • DOI: 10.1039/D4RA01042F
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SAXS/WAXS data of conformationally flexible ribose binding protein (2024)
  • Author(s): Choudhury Jagrity、Yonezawa Kento、Anu Anu、Shimizu Nobutaka、Chaudhuri Barnali
  • Journal Title: Data in Brief Volume: 52 Pages: 109932～109932
  • DOI: 10.1016/j.dib.2023.109932
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time-resolved serial crystallography to track the dynamics of carbon monoxide in the active site of cytochrome <i>c</i> oxidase (2023)
  • Author(s): Safari C、Ghosh S、Andersson R、Johannesson J、Nango Eriko、Nureki O、Iwata S、Neutze R、Branden G
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Pages: eadh4179
  • DOI: 10.1126/sciadv.adh4179
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visualizing the DNA repair process by a photolyase at atomic resolution (2023)
  • Author(s): Maestre-Reyna M、Wang Po-H、Nango E、Royant A、Bessho Y、Essen Lars-O、Tsai Ming-D
  • Journal Title: Science Volume: 382 Pages: eadd7795
  • DOI: 10.1126/science.add7795
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 多様化するバイオテクノロジーと光技術 X線自由電子レーザーで捉えたビフィズス菌酵素の常温構造 (2023)
  • Author(s): 中田國夫, 柏木立己, 南後恵理子, 岩田想
  • Journal Title: 光アライアンス (Optical Alliance) Volume: 34巻10号 Pages: 1-4.
• [Journal Article] A versatile approach to high-density microcrystals in lipidic cubic phase for room-temperature serial crystallography (2023)
  • Author(s): Birch James、Kwan Tristan O. C.、Judge Peter J.、Axford Danny、Aller Pierre、Butryn Agata、Reis Rosana I.、Bada Juarez Juan F.、Vinals Javier、Owen Robin L.、Nango Eriko、Tanaka Rie、Tono Kensuke、Joti Yasumasa、Tanaka Tomoyuki、Owada Shigeki、Sugahara Michihiro、Iwata So、Orville Allen M.、Watts Anthony、Moraes Isabel
  • Journal Title: Journal of Applied Crystallography Volume: 56 Pages: 1361～1370
  • DOI: 10.1107/S1600576723006428
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mapping protein dynamics at high spatial resolution with temperature-jump X-ray crystallography (2023)
  • Author(s): Wolff Alexander M.、Nango Eriko、Iwata S、Sauter Nicholas K.、Fraser James S.、Thompson Michael C
  • Journal Title: Nature Chemistry Volume: 15 Pages: 1549～1558
  • DOI: 10.1038/s41557-023-01329-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical control of ultrafast structural dynamics in a fluorescent protein (2023)
  • Author(s): Hutchison, C. D. M., Baxter, J. M., Fitzpatrick, A., Dorlhiac, G., Nango, E., Tanaka, R., Owada, S., Tono, K., DePonte, D. P., Carbajo, S., Seaberg, M., Aquila, A., Boutet, S., Barty, A., Iwata, S., Boxer, S. G., Groenhof, G., and van Thor, J. J
  • Journal Title: Nature Chemistry Volume: 15 Pages: 1607～1615
  • DOI: 10.1038/s41557-023-01275-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent progress in membrane protein dynamics revealed by X-ray free electron lasers: Molecular movies of microbial rhodopsins (2023)
  • Author(s): Nango Eriko、Iwata So
  • Journal Title: Current Opinion in Structural Biology Volume: 81 Pages: 102629～102629
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2023.102629
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Serial Femtosecond Crystallography Reveals that Photoactivation in a Fluorescent Protein Proceeds via the Hula Twist Mechanism (2023)
  • Author(s): Fadini Alisia、Hutchison Christopher D.M.、Morozov Dmitry、Chang Jeffrey、Groenhof Gerrit、Nango Eriko、van Thor Jasper J
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Pages: 15796～15808
  • DOI: 10.1021/jacs.3c02313
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification and characterization of endo-α-, exo-α-, and exo-β-d-arabinofuranosidases degrading lipoarabinomannan and arabinogalactan of mycobacteria (2023)
  • Author(s): Shimokawa Michiko、Kudo Azusa、Morikami Sae、Iwanaga Nao、Akai Genki、Shimizu Nobutaka、Arakawa Takatoshi、Yamada Chihaya、Kitahara Kanefumi、Ito Yukishige、Fushinobu Shinya、Fujita Kiyotaka
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 5803
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41431-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The two‐step cargo recognition mechanism of heterotrimeric kinesin (2023)
  • Author(s): Jiang Xuguang、Ogawa Tadayuki、Yonezawa Kento、Shimizu Nobutaka、Ichinose Sotaro、Uchihashi Takayuki、Nagaike Wataru、Moriya Toshio、Adachi Naruhiko、Kawasaki Masato、Dohmae Naoshi、Senda Toshiya、Hirokawa Nobutaka
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 24 Pages: e56864
  • DOI: 10.15252/embr.202356864
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] X線自由電子レーザーによる時分割実験の現状と展望 (2024)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 日本農芸化学会大会
  • Invited
• [Presentation] タンパク質動的解析による反応機構解明 (2024)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
  • Invited
• [Presentation] Measurement systems for biomolecular movies using X-ray free electron lasers (2024)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: SACLA User's Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photon FactoryのSAXSビームライン (2024)
  • Author(s): 清水 伸隆、高木秀彰、森丈晴、永谷康子、西條慎也、中村文俊、羽方望、菊池槙子、谷田部 景子、高橋 正剛、五十嵐教之
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 時分割実験のための多様な反応誘起システムの開発 (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 令和５年度 新学術領域「高速分子動画」領域会議
• [Presentation] 室温下のX線結晶構造解析が見せる新たな可能性 (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 日本結晶学会オンライン講演会第１回CrSJ Keynotes
  • Invited
• [Presentation] Seeing is believing:X線自由電子レーザーによるタンパク質分子動画解析 (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 生物物理学会若手の会夏の学校
• [Presentation] 3D movies of structural changes in proteins captured by X-ray free electron lasers (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: the 9th CWRU x Tohoku Joint Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーによるタンパク質分子動画解析 (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 第 17 回 日本分子イメージング学会 総会・学術集会
  • Invited
• [Presentation] 時分割実験のための多様な反応誘起システムの開発 (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: 令和5年度「高速分子動画」シンポジウム・領域会議（横浜）
  • Invited
• [Presentation] Time-resolved serial femtosecond crystallography of microbial rhodopsins (2023)
  • Author(s): 南後 恵理子
  • Organizer: EMBO Workshop Time-resolved spectroscopy meets time-resolved crystallography: The future of dynamic photobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photon FactoryにおけるBioSAXS測定解析システム (2023)
  • Author(s): 清水伸隆, 菊地槙子, 高橋正剛, 谷田部景子, 永谷康子
  • Organizer: 令和5年（2023年）度日本結晶学会年会
• [Presentation] Photon FactoryのSAXSビームライン (2023)
  • Author(s): 清水 伸隆、高木秀彰、森丈晴、永谷康子、西條慎也、中村文俊、羽方望、菊池槙子、谷田部 景子、高橋 正剛、五十嵐教之
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 高速分子動画領域ホームページ
  • URL: https://www.molmovies.med.kyoto-u.ac.jp/category/result/