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2019 Fiscal Year Annual Research Report

コヒーレントX線回折イメージングを用いた真核細胞の時空間階層構造イメージング

Research Project

Project/Area Number 19K21186
Allocation TypeMulti-year Fund
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

小林 周  国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (60824034)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2020-03-31
KeywordsコヒーレントX線回折イメージング / 細胞イメージング
Outline of Annual Research Achievements

コヒーレントX線回折イメージング(Coherent X-ray diffraction imaging: CXDI)はμmサイズの非結晶試料を数十nm分解能で可視化する構造解析手法である。これまで電子顕微鏡と光学顕微鏡による可視化が困難であった空間階層領域が解析対象となるため、細胞小器官やタンパク質といったμmからnmサイズの組織で構成される細胞の機能構造解析に適用できると期待されている。CXDI実験では、高空間コヒーレントX線を試料に入射し、試料からの回折X線強度パターンを二次元検出器で記録する。回折強度パターンに位相回復アルゴリズムを適用することでX線入射方向に投影した二次元電子密度像が得られる。
本研究では、SPring-8 BL29XULにて細胞の低温CXDIトモグラフィー実験を展開している。実験ではまず、高湿潤環境セルと光学顕微鏡、これに付随するマニピュレータを用いて、細胞一つを薄膜の上に吸着させ、これを液体エタンによって急速凍結し、凍結水和状態とする。次に、試料を回折装置真空槽内部のゴニオメーターの上に搭載された液体窒素溜めポットに搬送する。ゴニオメーターや検出器といった光学系をまとめて管理する制御ソフトウェアを開発することで、1度~1.5度刻みで、検出器面に対して±80度の配向範囲の回折強度パターンを2日弱で記録し、50 nm~100 nmの分解能の三次元構造情報を得ることが可能となっている。
本年度は、適当な試料支持薄膜の検討を行い、回折実験の高度化を進めつつ、得られる1億ボクセルを超える回折画像データをGPU計算機を用いて高速に処理する数値計算プログラムの開発を行った結果、迅速に三次元電子密度分布の回復が可能となった。現状では回復計算の成否を検討する段階にあり、本手法を用いて微細構造まで可視化できれば、生物学的な議論へと発展させることが期待できる。

  • Research Products

    (6 results)

All 2020 2019

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Methods and application of coherent X-ray diffraction imaging of noncrystalline particles2020

    • Author(s)
      Nakasako Masayoshi、Kobayashi Amane、Takayama Yuki、Asakura Kenta、Oide Mao、Okajima Koji、Oroguchi Tomotaka、Yamamoto Masaki
    • Journal Title

      Biophysical Reviews

      Volume: 12 Pages: 541~567

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00690-9

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] コヒーレント X 線回折イメージング実験で得られる回折強度パターンの位相回復計算の高効率化2020

    • Author(s)
      小林周、高山裕貴、山本隆寛、大出真央、岡島公司、苙口友隆、山本雅貴、中迫雅由
    • Organizer
      第33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線自由電子レーザーを用いたX線回折イメージング実験によるシアノバクテリアProchlorococcusの共通構造の可視化2020

    • Author(s)
      小林周、高山裕貴、平川健、岡島公司、大出真央、苙口友隆、乾弥生、山本雅貴、松永幸大、中迫雅由
    • Organizer
      第61回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] 間期酵母核内における染色体の構造特徴と空間分布 XFEL-X線回折イメージングによる構造解析2020

    • Author(s)
      中迫雅由、山本隆寛、小林周、大出真央、岡島公司、高山裕貴、苙口友隆、山本雅貴
    • Organizer
      第33回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • [Presentation] 間期酵母核内における染色体の構造特徴と空間分布XFEL-X線回折イメージングによる構造解析2020

    • Author(s)
      朝倉健太、山本隆寛、小林周、大出真央、岡島公司、高山裕貴、苙口友隆、山本雅貴、中迫雅由
    • Organizer
      第33回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • [Presentation] G1期酵母細胞核内における核酸分布のXFELX線回折イメージング2019

    • Author(s)
      中迫雅由、山本隆寛、小林周、大出真央、岡島公司、高山裕貴、苙口友隆、山本雅貴
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会年会

URL: 

Published: 2021-01-27  

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