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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Cell dynamics studied by X-ray laser diffraction

Research Project

Project/Area Number 15H05737
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

西野 吉則  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (40392063)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 明大  北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (20781850)
木村 隆志  北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50531472)
大島 泰郎  東京薬科大学, 生命科学部, 名誉教授 (60167301)
Project Period (FY) 2015-05-29 – 2020-03-31
KeywordsX線自由電子レーザー / 可視化 / 細胞 / 超精密計測
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研究を進めた。
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に対してXFEL施設SACLAを用いたPCXSS測定を行い、データ解析を進めた。また、フローサイトメーターを用いて同調率の評価を行った。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、平成29年度よりSACLAにおいて運用が始まったポンプ・プローブ法に対応したコヒーレントX線イメージング用試料チャンバ(MAXIC-II)を用いた研究を開始した。測定では、波長可変ナノ秒レーザーをポンプ光に、XFELをプローブ光に用いた。マイクロ液体封入アレイ(MLEA)内の試料に、ポンプ光およびプローブ光を干渉なく照射する光学設計を行い実装した。開発した光学系を用いて、ポンプ・プローブPCXSS測定およびケージドプロトンを用いたフラッシュ・フォトリシス測定を開始した。温度制御に関しては、MAXIC-II用に新たに試料温度制御装置を開発した。開発した装置を用いて、温度応答性金ナノ粒子や温度制御Microbacterium菌のPCXSS法による測定を進めた。
試料探索の過程で平成28年度に発見した、Thermus属細菌細胞が培養条件に依って短くなる新規現象に関して、その機構を解明するべく、ポリアミン分析などの研究を進めた。

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測定およびデータ解析を進めた。ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシス測定に関しては、ポンプ・プローブ法に対応したコヒーレントX線イメージング用試料チャンバ(MAXIC-II)の運用がSACLAにおいて平成29年度に始まり、PCXSS測定を開始した。温度制御に関しては、MAXIC-II用に試料温度制御装置を開発し、PCXSS測定を行った。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属細菌に関する研究を進めた。

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観察を目指す。
同調培養に関しては、細胞分裂周期の各段階での細胞構造の特徴を抽出するデータ解析を進める。温度制御に関しては、温度応答性金ナノ粒子や温度制御Microbacterium菌のPCXSS測定およびデータ解析を進める。ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシスに関しては、平成29年度よりSACLAで運用が開始されたポンプ・プローブ法に対応したコヒーレントX線イメージング用試料チャンバ(MAXIC-II)を用いて研究を進める。
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、機構の解明に向けた研究と平行してPCXSS測定を行う。

  • Research Products

    (36 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (29 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 11 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Academia Sinica(Taiwan)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      Academia Sinica
  • [Journal Article] Quantum valence criticality in a correlated metal2018

    • Author(s)
      K. Kuga, Y. Matsumoto, M. Okawa, S. Suzuki, T. Tomita, K. Sone, Y. Shimura, T. Sakakibara, D. Nishio-Hamane, Y. Karaki, Y. Takata, M. Matsunami, R. Eguchi, M. Taguchi, A. Chainani, S. Shin, K. Tamasaku, Y. Nishino, M. Yabashi, T. Ishikawa, and S. Nakatsuji
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 4 Pages: eaao3547

    • DOI

      10.1126/sciadv.aao3547

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] コヒーレントX線回折による電荷密度波物質の研究2018

    • Author(s)
      吉田 力矢、後藤 遼平、松浦 徹、丹田 聡、香村 芳樹、田中 良和、西野 吉則
    • Journal Title

      SPring-8/SACLA 利用研究成果集

      Volume: 6 Pages: 60-64

    • DOI

      10.18957/rr.6.1.60

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Active site geometry of a novel aminopropyltransferase for biosynthesis of hyperthermophile-specific branched-chain polyamine2017

    • Author(s)
      R. Hidese, K. M. Tse, S. Kimura, E. Mizohata, J. Fujita, Y. Horai, N. Umezawa, T. Higuchi, M. Niitsu, T. Oshima, T. Imanaka, T. Inoue, and S. Fujiwara
    • Journal Title

      The FEBS Journal

      Volume: 284 Pages: 3684-3701

    • DOI

      10.1111/febs.14262

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Long and branched polyamines are required for maintenance of the ribosome, tRNAHis and tRNATyr in Thermus thermophilus cells at high temperatures2017

    • Author(s)
      M. Nakashima, R. Yamagami, C. Tomikawa, Y. Ochi, T. Moriya, H. Asahara, D. Fourmy, S. Yoshizawa, *T. Oshima, and *H. Hori
    • Journal Title

      Genes to Cells

      Volume: 22 Pages: 628-645

    • DOI

      10.1111/gtc.12502

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] SACLAを用いた環境制御ナノイメージング2017

    • Author(s)
      西野 吉則、木村 隆志、鈴木 明大、城地 保昌、別所 義隆
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 45 Pages: 508-512

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Controlled Environment Nano-Imaging Free From Radiation Damage by X-ray Laser Diffraction2018

    • Author(s)
      Yoshinori Nishino
    • Organizer
      5th Ringberg Meeting on Structural Biology with FELs
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] X線自由電子レーザーを用いたバイオ関連イメージングにおける表面技術2018

    • Author(s)
      西野吉則
    • Organizer
      ASTEC2018表面技術会議
    • Invited
  • [Presentation] X線レーザーで観た、生きた細胞2018

    • Author(s)
      西野吉則
    • Organizer
      ナレッジキャピタル・サイエンスカフェ
    • Invited
  • [Presentation] Thermus thermophilusの長鎖・分岐鎖ポリアミンは、高温環境下でのリボソーム、tRNAHis、tRNATyrの維持に必要である2018

    • Author(s)
      中島美沙、山上龍太、冨川千恵、越智裕貴、森屋利幸、朝原治一、Dominique Fourmy、吉澤聡子、大島泰郎、堀弘幸
    • Organizer
      日本ポリアミン学会第9回年会
  • [Presentation] ポリアミンによる DNA、tRNA 及びリボソームの脱プリン反応抑制効果2018

    • Author(s)
      吉田健人、岩崎倖千、坂本明彦、森屋利幸、玉腰雅忠、大島泰郎、五十嵐一衛、照井祐介、柏木敬子
    • Organizer
      日本ポリアミン学会第9回年会
  • [Presentation] 短い細胞のThermus thermophilusのポリアミン組成(予報)2018

    • Author(s)
      楊影、森屋利幸、大島泰郎
    • Organizer
      日本ポリアミン学会第9回年会
  • [Presentation] インクジェット技術を利用した微量試料のX線自由電子レーザーイメージング手法の開発2018

    • Author(s)
      木村隆志、鈴木明大、三友秀之、城地保昌、別所義隆、西野吉則
    • Organizer
      第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • [Presentation] X線レーザー回折による温度応答性金ナノ粒子の溶液中イメージング2018

    • Author(s)
      鈴木明大、木村隆志、飯田良、三友秀之、城地保昌、別所義隆、新倉謙一、居城邦治、西野吉則
    • Organizer
      第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • [Presentation] X線レーザー回折による温度応答性金ナノ粒子の溶液中イメージング2018

    • Author(s)
      鈴木明大、木村隆志、飯田良、三友秀之、城地保昌、別所義隆、新倉謙一、居城邦治、西野吉則
    • Organizer
      北海道大学電子科学研究所平成29年度研究交流会
  • [Presentation] Coherent diffraction imaging2017

    • Author(s)
      Yoshinori Nishino
    • Organizer
      SACLA International Users' Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Lipid bilayer chambers to observe membrane proteins by pulsed coherent X-ray solution scattering2017

    • Author(s)
      Naoya Tani, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
    • Organizer
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium on 極
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] X-ray Laser Imaging of DNA-Bound Nanoparticles in Inkjet-Dispensed Mixed Solution2017

    • Author(s)
      Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
    • Organizer
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium on 極
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] X-ray laser imaging of thermoresponsive gold nanoparticles in solution2017

    • Author(s)
      Akihiro Suzuki, Takashi Kimura, Ryo Iida, Hideyuki Mitomo, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Ken-ichi Niikura, Kuniharu Ijiro, and Yoshinori Nishino
    • Organizer
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium on 極
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Controlled Environment Nano-Imaging Free From Radiation Damage by X-ray Laser Diffraction2017

    • Author(s)
      Yoshinori Nishino, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Tairo Oshima, and Yoshitaka Bessh
    • Organizer
      X-ray Science Gordon Research Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lipid bilayer chambers for pulsed coherent X-ray solution scattering2017

    • Author(s)
      Naoya Tani, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
    • Organizer
      International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT'17)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Micrometer-sized Liquid Enclosure Chip for Imaging of Samples in Solution by Single-shot X-ray Laser Diffraction2017

    • Author(s)
      Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
    • Organizer
      International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT'17)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] New design of environmental cells as a first step toward 3D imaging in solution by X-ray laser diffraction2017

    • Author(s)
      Akihiro Suzuki, Tatsuro Tachibana, Naoya Tani, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Takashi Kimura, and Yoshinori Nishino
    • Organizer
      International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT'17)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] X線自由電子レーザー施設SACLAを用いた環境制御ナノイメージング2017

    • Author(s)
      西野吉則
    • Organizer
      アライアンス横串サブグループ研究会
    • Invited
  • [Presentation] Magic20:生体原材料の呪縛2017

    • Author(s)
      大島泰郎
    • Organizer
      2017年度生命科学系学会合同年次大会(ConBio2017)
    • Invited
  • [Presentation] 牛糞・家畜廃棄物の堆肥化処理過程における微生物群集解析2017

    • Author(s)
      森屋利幸、吉井貴宏、大島泰郎
    • Organizer
      第90回日本生化学会大会
  • [Presentation] 好気性高温堆肥発酵における硝化細菌叢の解析2017

    • Author(s)
      吉井貴宏、矢野紘子、古井義博、杉原孝文、森屋利幸、大島泰郎
    • Organizer
      第90回日本生化学会大会
  • [Presentation] 外部刺激応答性ナノ粒子のX線レーザーイメージング2017

    • Author(s)
      鈴木明大
    • Organizer
      第14回X線結像光学シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] X線顕微鏡2017

    • Author(s)
      西野吉則
    • Organizer
      大阪大学ナノサイエンス・ナノテクノロジー高度学際教育研究プログラム
    • Invited
  • [Presentation] X線レーザー回折イメージングのための脂質二重膜マイクロチャンバーの開発2017

    • Author(s)
      谷直哉、木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆、西野吉則
    • Organizer
      2017年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • [Presentation] 超微細インクジェットを利用した微量混合液体試料のX 線自由電子レーザーイメージング技術の開発2017

    • Author(s)
      木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆、西野吉則
    • Organizer
      2017年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • [Presentation] デボン紀の岩塩中に古代好塩アーキアの細胞は存在するか(予報)2017

    • Author(s)
      大島 泰郎、土山明 、別所義隆
    • Organizer
      日本Archaea研究会第30回講演会
    • Invited
  • [Presentation] X線レーザー回折による温度応答性ナノ粒子の溶液中イメージング2017

    • Author(s)
      鈴木明大
    • Organizer
      第5回アライアンス若手研究交流会
    • Invited
  • [Presentation] 計算生命科学の進展2017

    • Author(s)
      西野吉則
    • Organizer
      ATI第24回研究報告会
    • Invited
  • [Presentation] X線自由電子レーザー施設SACLAを用いた環境制御ナノイメージング2017

    • Author(s)
      西野吉則
    • Organizer
      平成29年度 ダイナミックアライアンスG2分科会
  • [Remarks] 北海道大学 電子科学研究所 コヒーレント光研究分野(西野吉則 研究室)

    • URL

      http://cxo-www.es.hokudai.ac.jp/

URL: 

Published: 2018-12-17   Modified: 2022-08-25  

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