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2016 Fiscal Year Research-status Report

X線レーザー回折による機能構造モデリング法の開拓

Research Project

Project/Area Number 16K05527
Research InstitutionJapan Synchrotron Radiation Research Institute

Principal Investigator

城地 保昌  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, 副主幹研究員 (30360415)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsコヒーレント回折イメージング / 位相回復 / X線レーザー / 構造モデリング / 実験データ解析
Outline of Annual Research Achievements

生命現象を理解するには、構成要素である生体粒子が機能を発現している状態の構造を捉えることが不可欠である。超短パルスのX線レーザーを利用したコヒーレントX線回折イメージングは、ナノメートルからマイクロメートルのスケールで起こる生命現象を解き明かすポテンシャルをもつ。本研究では、その実現のために、X線レーザー回折で得られる2次元スナップショットから、生体粒子構造をモデリングし、機能に関わる構造情報を抽出する方法論を開発し、X線自由電子レーザー施設SACLAの実験データ解析に適用することを目的とする。

平成28年度は、まず、生体粒子の原子モデルから溶液試料の回折パターンをできる限り実験に近い条件でシミュレートするソフトウェアを開発し、約30nmの大きさをもつリボソーム溶液の回折パターンを、粒子の方位を変えて複数計算した。さらに、リボソームをサイズ約1nmの球の集合体として表す粗視化モデルを構築し、そのモデル構造を用いてリボソーム溶液の回折パターンを、原子モデルと同じ粒子方位で計算した。計算した回折パターンを原子モデルと粗視化モデルで比較したところ、5nm分解能ではほぼ一致したが、2-5nmの分解能領域で差がみられた。

そこで、今回構築した粗視化モデルの球配置を初期値として、原子モデルから計算した回折パターンにできる限り一致する球配置を求めるソフトウェアの開発を現在進めている。このソフトウェアを実験データに適用できるようになれば、溶液構造をナノメートル分解能で解釈することが可能となると考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

リボソーム溶液の回折パターンを解釈するための粗視化モデルの構築が順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、実験データを解釈するための粗視化モデルの構築を進める。

平成28年度は、シミュレーションを援用するモデリングを中心に行ったため、結晶構造解析により原子構造が解かれているリボソームの溶液を2nm分解能で捉えることを想定した研究を実施した。この実験は、SACLAで現在開発が進められている新しい実験チャンバーで実現する見込みである。平成29年度以降に実際の実験データの解析に応用していく。

一方、研究代表者らは数百ナノメートルサイズの生きた細胞を数十ナノメートル分解能でイメージングする実験も行っている。これらの実験回折パターンから細胞構造をモデリングする手法の構築を、リボソームを用いた研究の知見に基づき、今後進めていく予定である。

Causes of Carryover

旅費に利用する予定であったが、その支出が無くなったため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用額約10万円を成果発表を効果的に行うために使用する。その他は、当初計画通りに使用する。

  • Research Products

    (6 results)

All 2017 2016

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] X-ray Free Electron Laser Single Particle Analysis for Biological Systems2017

    • Author(s)
      O. Miyashita and Y. Joti
    • Journal Title

      Curr. Opin. Struct. Biol.

      Volume: 43 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1016/j.sbi.2017.03.014

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] SACLAを用いたコヒーレントイメージング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

      日本結晶学会誌

      Volume: 59 Pages: 18-23

    • DOI

      10.5940/jcrsj.59.18

    • Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] パルス状コヒーレントX線溶液散乱法による3次元イメージングに向けて2017

    • Author(s)
      鈴木明大、橘健朗、谷直哉、城地保昌、別所義隆、木村隆志、西野吉則
    • Organizer
      第30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
      神戸芸術センター(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2017-01-07 – 2017-01-09
  • [Presentation] X線レーザー回折イメージングのための脂質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
      第30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
      神戸芸術センター(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2017-01-07 – 2017-01-09
  • [Presentation] Imaging live cell at nanoscale by X-ray laser diffraction2016

    • Author(s)
      Y. Joti
    • Organizer
      第54回生物物理学会年会BSJ-ASB Joint Symposium “Live cell imaging”
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場(茨城県つくば市)
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
    • Invited
  • [Presentation] X 線自由電子レーザー施設 SACLA による生命科学研究の現状と大規模データ解析2016

    • Author(s)
      城地 保昌
    • Organizer
      第16回蛋白質科学会年会ワークショップ「生命分子計測のスパースモデリング」
    • Place of Presentation
      福岡国際会議場(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-09
    • Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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