2016 Fiscal Year Annual Research Report
Cell dynamics studied by X-ray laser diffraction
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15H05737
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
西野 吉則 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (40392063)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 隆志 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50531472)
鈴木 明大 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (20781850)
大島 泰郎 東京薬科大学, 生命科学部, 名誉教授 (60167301)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | Ｘ線自由電子レーザー / 可視化 / 細胞 / 超精密計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、Ｘ線自由電子レーザー（ＸＦＥＬ）のフェムト秒オーダーのパルス幅を利用して、異なる状態の細胞を、独自開発したパルス状コヒーレントＸ線溶液散乱（ＰＣＸＳＳ）法により放射線損傷なくイメージングすることにより、生細胞のナノレベルダイナミクスを観察することを目指している。異なる状態の細胞の調製方法として、同調培養による細胞周期の同期、温度制御、ケージド化合物を用いたフラッシュ・フォトリシスなど異なる手法の検討を進めた。
同調培養に関しては、ＰＣＸＳＳ測定に適するMicrobacterium菌の細胞分裂周期の特定の段階にある細胞を調製し、ＸＦＥＬ施設ＳＡＣＬＡを用いたＰＣＸＳＳ測定により細胞画像をナノレベルで得ることに成功した。温度制御に関しては、温度制御装置を開発・立ち上げ調整を行い、ＳＡＣＬＡを用いたＰＣＸＳＳ測定において試用した。ケージド化合物を用いたフラッシュ・フォトリシスに関しては、ＰＣＸＳＳ測定において細胞を封入するマイクロ液体封入アレイ（ＭＬＥＡ）チップ内に観察試料とケージドプロトンを導入し、紫外線を事前に照射した場合と、照射しない場合に対して、溶液中の試料画像を得ることに成功した。
また、細胞のダイナミクスをＸＦＥＬとは相補的に観察することを目的として、高速原子間力顕微鏡を用いてMicrobacterium菌の観察を行った。
さらに、ＰＣＸＳＳ測定技術や試料像再構成（位相回復）技術を高度化するため、4つのアダプティブ全反射鏡を用いたＸ線ズームレンズ光学系を構築し、新たに開発した非走査型のアポダイズ照明コヒーレント回折イメージング法により、Ｘ線集光スポットサイズよりも大きな試料の像再構成に成功し、論文発表を行った。また、細胞試料に関しては、Thermus属細菌細胞の大きさが変化する新規現象を発見した。
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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
細胞の状態を同期させる方法として取り組んだ、同調培養、温度制御、ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシスのいずれにおいても、当初の計画通りに研究が進行した。同調培養に関しては、Microbacterium菌に対して順調にＰＣＸＳＳ測定を行った。温度制御に関しては、平成27年度に導入した試料加熱冷却機構をＰＣＸＳＳ測定において問題なく使用できることを示した。ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシス測定に向けた事前準備も滞りなく進んだ。また、ＰＣＸＳＳ測定技術の高度化に関しても、新たな技術開発や装置の導入が予定通りに進行した。さらに、新規微生物の探索では、生物学的により意義の大きいThermus属細菌に関して、ＰＣＸＳＳ測定に繋がる新たな知見を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題では、いくつかのアプローチにより細胞の状態を同期させ、異なる状態の細胞を、Ｘ線自由電子レーザー（ＸＦＥＬ）を用いたパルス状コヒーレントＸ線溶液散乱（ＰＣＸＳＳ）法でイメージングすることにより、生きた細胞のナノレベルダイナミクスの観察を目指す。
同調培養に関しては、今後、細胞画像をさらに数多く取得することにより、細胞分裂周期の各段階での細胞構造の特徴を抽出し、細胞学的な知見を得ることを目指す。温度制御に関しては、Microbacterium菌に対してＰＣＸＳＳ測定を進める。フラッシュ・フォトリシスでは、ポンプ・プローブ測定に対応した試料チャンバーが平成２９年度よりＳＡＣＬＡにおいて利用可能になる見込みで、今後本格的に研究を進める。
さらに、ＭＬＥＡチップやＰＣＸＳＳ測定技術や試料像再構成（位相回復）技術を高度化する研究を進める。細胞試料に関しては、平成２８年度に発見したThermus属細菌細胞の大きさが変化する新規現象について、さらに研究を進める。
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[Journal Article] Generation of apodized X-ray illumination and its application to scanning and diffraction microscopy2017
Author(s)
Krishna P. Khakurel, Takashi Kimura, Hiroki Nakamori, Takumi Goto, Satoshi Matsuyama, Tomoya Sasaki, Masashi Takei, Yoshiki Kohmura, Tetsuya Ishikawa, Kazuto Yamauchi, and Yoshinori Nishino
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Journal Title
Journal of Synchrotron Radiation
Volume: 24
Pages: 142-149
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Nearly diffraction-limited X-ray focusing with variable-numerical-aperture focusing optical system based on four deformable mirrors2016
Author(s)
Satoshi Matsuyama, Hiroki Nakamori, Takumi Goto, Takashi Kimura, Krishna P. Khakurel, Yoshiki Kohmura, Yasuhisa Sano, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, Yoshinori Nishino, and Kazuto Yamauchi
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 6
Pages: 24801
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Ｘ線レーザーで観た、生きた細胞2016
Author(s)
西野吉則
Organizer
日本物理学会大阪支部2016年度公開シンポジウム
Place of Presentation
大阪府立大学I-siteなんば（大阪府大阪市）
Year and Date
2016-11-20 – 2016-11-20
Invited
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[Presentation] The long and branched polyamines of Thermus thermophilus, an extremely thermophilic eubacterium, are required for maintenance of ribosome at high temperatures2016
Author(s)
Misa Nakashima, Ryota Yamagami, Yuki Ochi, Chie Tomikawa, Toshiyuki Moriya, Dominique Fourmy, Satoko Yoshizawa, Tairo Oshima, and Hiroyuki Hori
Organizer
11th International Congress on Extremophiles
Place of Presentation
京都大学（京都府京都市）
Year and Date
2016-09-12 – 2016-09-16
Int'l Joint Research
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