| Project Area | Non-equilibrium-state molecular movies and their applications |
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| Project/Area Number |
19H05781
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Tohoku University (2020-2021)
Institute of Physical and Chemical Research (2019) |
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Principal Investigator |
南後 恵理子 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90376947)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 伸隆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (20450934)
大和田 成起 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, 研究員 (90725962)
宮下 治 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (10620528)
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)
篠田 恵子 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任助教 (80646951)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥203,060,000 (Direct Cost: ¥156,200,000、Indirect Cost: ¥46,860,000)
Fiscal Year 2022: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000)
Fiscal Year 2021: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000)
Fiscal Year 2020: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2019: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
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| Keywords | X線自由電子レーザー / 動的構造解析 / 蛋白質結晶構造解析 / X線溶液散乱 / シリアルフェムト秒結晶構造解析 / タンパク質ダイナミクス / 溶液散乱 / 構造モデリング |
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| Outline of Research at the Start |
X 線自由電子レーザー（XFEL）を用いたタンパク質構造解析法は、タンパク質が起こす素早い反応・構造変化を原子レベルまで捉えられる新たな手法として、国内外で非常に期待されている。本研究計画では、XFELによって多種多様なタンパク質の構造変化や反応過程を捉えるための技術開発を行う。本技術により、生体分子の機能やその機構に対する理解が飛躍的に深まると共に、構造情報に基づく生体分子制御の応用に貢献することが期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、X線自由電子レーザー（XFEL）を用いてタンパク質が機能する際の構造変化過程を高い空間・時間分解能で捉える技術の開発を行っている。当該年度の研究実績としては、新たな時分割実験手法として近赤外レーザーによる温度ジャンプ法の開発を行った。また、結晶を必要とする制約のない溶液を用いた実験を可能とするため、溶液散乱測定系の構築を行った。温度ジャンプ法の開発では、主に温度上昇量の定量的評価を行うため、水の近赤外吸収特性を応用して、一般的なサーモグラフィーカメラの露光時間と比較して極めて早い時間応答を持つナノ秒時間分解顕微イメージング装置を開発した。本装置の実証実験として、中心波長1450 nmのナノ秒レーザーを液体ジェット（水）に照射したところ、水の温度上昇を確認することができた。また、近赤外レーザーを照射する前の試料温度を一定に保つため、試料吐出部分の温度保持装置の開発も併せて行った。溶液散乱測定系の構築では、昨年度の測定結果から、①試料流径の最適化、②FELビームと試料流との位置合わせ手順の確立という、2点の問題が示された。そこで試料流径を拡大し、試料直下で計測可能散乱角の外側に位置する散乱強度モニターを設置した。その結果、安定に試料流からの散乱強度を計測できる環境が整った。標準試料を用いて複数の濃度における散乱プロファイルの獲得にも成功した。解析ソフトウェアに関しても高度化を行い、試料濃度に依存した散乱強度のコントラストを適切に評価可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
XFELを利用した新たなタンパク質動的構造解析として、温度ジャンプ法による時分割実験手法の基盤を構築した。過去にも近赤外レーザーを用いた温度ジャンプ時分割実験の検討を行っていたが、当時は水の散乱リングの変化などから温度上昇を確認しており定量性に欠けていた。今回、ナノ秒時間分解顕微イメージング装置を開発し、水の液体ジェットの温度上昇を定量的に評価するに至った。また、試料吐出付近の温度は実験環境により変化が起きやすく、結果に影響を及ぼす恐れがあったが、試料の温度保持装置を開発することにより、一定の温度で試料を保持できることを確認した。また、XFELによる溶液散乱測定系の開発に関しては、測定解析結果をフィードバックしながら装置開発を進めており、散乱強度モニターの導入で安定的にデータが取得できる環境が整った。一方で、濃度変調データの取得など、一般的な溶液散乱データの計測に成功しているものの、ややバックグラウンドレベルが高く、また特に低角側の散乱強度の落ち込みも観測されたことから、現在対応を検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
温度ジャンプ法の開発においては、実際にシリアルフェムト秒X線構造解析実験に用いられる様々なサンプルの温度の時間変化について、本装置による測定値および理論の両面から検証するとともに、X線回折実験を行いDebye-Waller因子の変化からも温度変化の計測を行う予定である。溶液散乱実験においては、引き続き測定系と解析系の高度化を進める。測定系は低角側の強度の落ち込み減少への対応を検討中である。解析に関しては、そのスキームが確立されつつあるため、それらをGUIを介さずテキストベースのプログラムで自動判定して進めるためのアルゴリズムの開発を進めている。また、さらに高速な処理環境を構築するために、マルチスレッド処理の最適化も進めている。またSACLAでの時分割溶液散乱と相補的に活用するための、SRにおける高精度時分割計測系を構築するために、PFに流路型の時分割測定セルの導入も進めている。その他、二液混合法など異なった反応誘起方法である時分割実験手法の開拓も進めていく。
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