ホログラフィックX線回折イメージング法による単細胞藻類細胞分裂機構の研究

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K21621
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 高山 裕貴 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (40710132)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 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 / 凍結水和 / 生体試料

Outline of Annual Research Achievements

SACLAで単細胞紅藻の低温ホログラフィックX線回折イメージング実験を行った。半値全幅1.5 μm程度に集光したXFELシングルショットでのホログラムを取得し、本研究提案手法により投影電子密度像を再生した。細胞分裂間期および分裂期の個体の投影電子密度像を有効分解能110～200 nm程度で取得し、葉緑体やミトコンドリアの分裂の様子や細胞核内の電子密度分布変化を非侵襲かつ無染色で可視化することに成功した。また、SACLAでの実験で取得される膨大な回折パターンから解析に適切なホログラムを選別するため、本研究で提案する解析アルゴリズムを応用した、ホログラム選別ソフトウェアを開発した。本ソフトウェアにより試料面積およびregion of interest内の総回折強度、最高空間周波数等に基づいたデータ選別を行い、良質なデータを選出することができた。
シングルショットホログラム取得効率の向上に向けて、本手法に適当な大きさ2 μm以下の細胞の分離技術、細胞と参照光源を適切に配置した試料の作製技術の開発を行った。前者では濾過カラムを利用した方法で良好な結果が得られたが、細胞懸濁液の濃度が著しく希釈される問題が生じた。現在、濾過・濃縮システムを構築しているところである。後者については半導体プロセス技術を応用し、試料支持基板上に直接参照光源を成形した。SACLAでのホログラフィックX線回折イメージング実験を行い、得られたホログラムの解析を進めているところである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

細胞分裂間期および分裂期の細胞像取得に成功し、申請当初の計画通りの進度である。今後の研究を円滑に進める上で必要なホログラフィックX線回折イメージング実験用試料基板も開発方針が決まり、順調に高度化を進めている。

Strategy for Future Research Activity

本手法に適当なサイズの細胞の分離技術や参照光源を成形した試料基板の開発を引き続き進め、細胞像取得効率の向上を図る。本技術開発を通じて比較解析に十分な数の試料像を収集し、構造解析を行う。

Research Products

• [Journal Article] Common structural features of toxic intermediates from α-synuclein and GroES fibrillogenesis detected using cryogenic coherent X-ray diffraction imaging (2017)
  • Author(s): Hiroshi Kameda, Sayaka Usugi, Mana Kobayashi, Naoya Fukui, Seki Lee, Kunihiko Hongo, Tomohiro Mizobata, Yuki Sekiguchi, Yu Masaki, Amane Kobayashi, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yuki Takayama, Masaki Yamamoto and Yasushi Kawata
  • Journal Title: Journal of Biochemistry (Tokyo) Volume: 161 Pages: 55-65
  • DOI: 10.1093/jb/mvw052
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TAKASAGO-6 apparatus for cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of biological non-crystalline particles using X-ray free electron laser at SACLA (2016)
  • Author(s): Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Yuki Takayama, Tomotaka Oroguchi, Keiya Shirahama, Yasufumi Torizuka, Masahiro Manoda, Masayoshi Nakasako and Masaki Yamamoto
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Pages: 053109
  • DOI: 10.1063/1.4948317
  • Peer Reviewed
• [Presentation] XFELによる細胞の構造解析に向けたホログラフィックX線回折イメージング法の開発 (2017)
  • Author(s): 高山裕貴、山本雅貴、米倉功治、小林周、関口優希、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、乾弥生、松永幸大
  • 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: 2017-01-09 – 2017-01-09
• [Presentation] X線レーザーと放射光による細胞内空間階層構造のイメージング研究 (2016)
  • Author(s): 高山裕貴
  • Organizer: 多重極限物質科学研究センター・高度産業科学技術研究所合同研究会
  • Place of Presentation: 兵庫県立先端科学技術支援センター、兵庫県赤穂郡上郡町
  • Year and Date: 2016-12-22 – 2016-12-22
• [Presentation] Cryogenic coherent diffraction imaging of biological samples with synchrotron and X-ray laser (2016)
  • Author(s): Yuki Takayama, Masaki Yamamoto, Koji Yonekura, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi, Koji Okajima, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yayoi Inui and Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 13th International Conference on X-ray Microscopy
  • Place of Presentation: University of Oxford, Oxford, UK
  • Year and Date: 2016-08-18 – 2016-08-18
  • Int'l Joint Research