Three-dimensional X-ray nanoimaging of biological cells beyond the resolution limit due to radiation damage

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K14678
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: Takayama Yuki 兵庫県立大学, 理学研究科, 助教 (40710132)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: コヒーレントX線回折イメージング / タイコグラフィ / 凍結水和細胞 / トモグラフィ / 位相回復 / シグナル増強 / スパースモデリング

Outline of Final Research Achievements

We conducted a structural study of unicellular Eukaryotic cells via cryogenic coherent X-ray diffraction imaging computed tomography (CXDI-CT) toward visualizing structure-function relationship of whole cells at a supramacromolecular level. To extend spatial resolution beyond the radiation damage limit, we developed low-dose CXDI techniques including (1) a practical technique for enhancement of diffraction signals, and (2) phase retrieval and CT reconstruction algorithms implementing regularization techniques used in sparse modeling.

Free Research Field

X線イメージング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究が実現すれば、細胞機能の構造基盤に分子構造レベルで迫ることができると期待される。開発手法による実験的な細胞構造研究の他、観察結果に基づいて、細胞構造モデルを超分子複合体レベルで構築することで、信頼度の高い計算機シミュレーションと実験を組み合わせた生命現象の理解が可能となる。例えば、細胞分化の研究に応用すれば、将来的に再生医療や生殖医療、代替食品開発等、広範な波及が見込まれる。