コヒーレントＸ線回折イメージングによるソフトマター空間階層構造可視化技術の開発

• Project/Area Number: 15J01831
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biological physics/Chemical physics/Soft matter physics
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 小林 周 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2017: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• 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(CXDI)は、マイクロメートルサイズの非結晶粒子丸ごとを数十~数nmの分解能で可視化する構造解析手法である。CXDI実験ではX線を試料に照射して得られる回折強度パターンからX線入射方向に投影した電子密度像を回復する。本研究では、X線自由電子レーザー(XFEL)及び第三世代放射光光源を用いたCXDI実験技術の開発を行っている。本年度の成果を以下2点について報告する。
1. XFEL光源の性質について評価
鮮明な回折強度パターンを得るためには、入射X線光源に高強度かつ高い空間コヒーレンスが要求される。XFEL施設SACLAでは、X線パルスをミラーで集光して、約2x2マイクロメートル四方の集光点領域に10の10乗/パルスもの光子を提供する。1パルスで信号対雑音比の良い回折X線を記録できるが、X線パルスが照射された物質はクーロン爆発を起こして破壊されてしまうため、検出器等の計測器を集光点に設置することはできない。そのため、集光点での空間コヒーレンスが高いか否か評価することは非常に困難であった。そこで、本研究では、一昨年度に開発した試料調整手法及び試料固定照射装置を用いて取得できる金コロイド粒子の回折強度パターンから空間コヒーレンスを1パルスごとに評価する手法を考案した。本手法を用いて、集光点における空間コヒーレンスがほぼ完全であることが明らかとなった。
2. SPring-8におけるCXDIトモグラフィー実験
第三世代放射光施設SPring-8のBL29XULでは試料を回転させながら配向ごとの回折強度パターンを取得し、三次元電子密度分布を回復するCXDIトモグラフィー実験を実施した。本年度は、試料調整手法における条件によって得られる細胞試料の電子密度分布に影響することが明らかとなった。得られた知見より最適な試料調整手法を確立する見通しを得た。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Shot-by-shot characterization of focused X-ray free electron laser pulses (2018)
  • Author(s): A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, T. Oroguchi, M. Yamamoto and M. Nakasako
  • Journal Title: Shot-by-shot characterization of focused X-ray free electron laser pulses Volume: 8 Issue: 1 Pages: 831-831
  • DOI: 10.1038/s41598-018-19179-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A protocol for searching most probable phase-retrieved maps in coherent X-ray diffraction imaging by exploiting relationship between convergence of retrieved phase and success of calculation (2017)
  • Author(s): Y. Sekiguchi, S. Hashimoto, A. Kobayashi, T. Oroguchi and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 24 Issue: 5 Pages: 1024-1038
  • DOI: 10.1107/s1600577517008396
  • Peer Reviewed
• [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): H. Kameda, S. Usugi, M. Kobayashi, N. Fukui, S. Lee, K. Hongo, T. Mizobata, Y. Sekiguchi, Y. Masaki, A. Kobayashi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Takayama, M. Yamamoto, and Y. Kawata
  • Journal Title: Journal of Biochemistry (Tokyo) Volume: １６１ Issue: 1 Pages: 55-65
  • DOI: 10.1093/jb/mvw052
  • NAID: 40021091513
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Specimen preparation for cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of biological cells and organelles using X-ray free-electron laser at SACLA (2016)
  • Author(s): A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, T. Oroguchi, K. Okajima, A. Fukuda, M. Oide, M. Yamamoto and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 23 Issue: 4 Pages: 975-989
  • DOI: 10.1107/s1600577516007736
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [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): A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, Y. Takayama, T. Oroguchi, K. Shirahama, Y. Torizuka, M. Manoda, M. Nakasako* and M. Yamamoto
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Issue: 5 Pages: 053109-053109
  • DOI: 10.1063/1.4948317
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cryogenic coherent x-ray diffraction imaging for biological non-crystalline particles using the KOTOBUKI-1 diffraction apparatus at SACLA (2015)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi,Yu Masaki, Asahi Fukuda, Saki Hashimoto, Masayoshi Nakasako, Yuichi Ichikawa, Hitoshi Kurumizaka, Mitsuhiro Shimizu et al.,
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 48 Issue: 18 Pages: 184003-184003
  • DOI: 10.1088/0953-4075/48/18/184003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser. (2015)
  • Author(s): Takayama, Y., Inui, Y., Sekiguchi, Y., Kobayashi, A., Oroguchi, T., Yamamoto, M., Matsunaga, S., and Nakasako, M.
  • Journal Title: PLANT AND CELL PHYSIOLOGY Volume: 未定 Issue: 7 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv032
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 低温コヒーレントX線回折イメージング・トモグラフィー実験による細胞試料の三次元構造解析 (2018)
  • Author(s): 小林周、高山裕貴、関口優希、大出真央、福田朝陽、山本隆寛、岡島公司、苙口友隆、香村芳樹、山本雅貴、中迫雅由
  • Organizer: 第31回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] XFEL低温コヒーレント回折イメージングによる異なる細胞周期における酵母細胞核の構造解析 (2018)
  • Author(s): 山本隆寛、関口優希、小林周、大出真央、福田朝陽、岡島公司、苙口友隆、山本雅貴、中迫雅由
  • Organizer: 第31回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] XFELコヒーレント回折イメージングによるシアノバクテリアの三次元構造解析 (2017)
  • Author(s): 小林周、関口優希、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、乾弥生、平川健、松永幸大、山本雅貴
  • 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・神戸)
  • Year and Date: 2017-01-09
• [Presentation] XFELコヒーレント低温X線回折イメージングによる磁性細菌の構造解析 (2017)
  • Author(s): 山本隆寛、関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、山本雅貴、加藤貴之、難波啓一
  • 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・神戸)
  • Year and Date: 2017-01-09
• [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・神戸)
  • Year and Date: 2017-01-09
• [Presentation] XFELコヒーレント回折イメージング実験におけるデータ解析の高度化と酵母細胞核の三次元構造解析の適用 (2017)
  • Author(s): 関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、山本雅貴
  • 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・神戸)
  • Year and Date: 2017-01-09
• [Presentation] Three-dimensional structure of Cyanidioschyzon merolae by using coherent X-ray diffraction imaging tomography at cryogenic temperature (2017)
  • Author(s): 小林周、高山裕貴、関口優希、大出真央、福田朝日、岡島公司、苙口友隆、松永幸大、幸村芳樹、山本雅貴、中迫雅由
  • Organizer: 第55回生物物理学会年会
• [Presentation] Automated data analyses for 3D structural reconstruction of yeast nuclei in coherent diffraction imaging using X-ray free-electron laser (2016)
  • Author(s): 関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、山本雅貴
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城・つくば)
  • Year and Date: 2016-11-27
• [Presentation] Three-dimensional structure of a cyanobacterium visualized by cryogenic coherent X-ray diffraction imaging using X-ray free-electron laser (2016)
  • Author(s): 小林周、関口優希、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、乾弥生、平川健、松永幸大、山本雅貴
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城・つくば)
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] Diffraction apparatus TAKASAGO-6 for fast data collection in cryogenic coherent X-ray diffraction imaging at SACLA (2016)
  • Author(s): . Kobayashi, Y. Sekiguchi Y. Takayama, K. Okajimam, T. Oroguchi, M. Oide, A. Fukuda, M. Nakasako, M. Yamamoto, T. Hirakawa, Y. Inui, S. Matsunaga, K. Shirahama, Y. Torizuka, M. Manoda
  • Organizer: CLF-RCaH UK Bio-XFEL single particle imaging workshop
  • Place of Presentation: Didcot (UK)
  • Year and Date: 2016-06-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] クライオ試料固定照射装置「高砂六号」による生体非結晶試料の高効率低温コヒーレントX線回折イメージング実験 (2016)
  • Author(s): 小林周, 関口優希, 岡島公司, 苙口友隆, 中迫雅由, 橋本早紀, 福田朝陽, 大出真央, 真崎悠, 高山裕貴, 山本雅貴
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト(千葉・柏)
  • Year and Date: 2016-01-10
• [Presentation] コヒーレントX線回折イメージングトモグラフィーによる三次元構造解析法の開発とその性能評価 (2016)
  • Author(s): 真崎悠、小林周、関口優希、苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト(千葉・柏)
  • Year and Date: 2016-01-10
• [Presentation] コヒーレントX線回折イメージングにおける位相回復像の成否判定法開発と金属微粒子構造解析への応用 (2016)
  • Author(s): 橋本早紀、関口優希、小林周、苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト(千葉・柏)
  • Year and Date: 2016-01-10
• [Presentation] XFEL低温コヒーレント回折イメージングによる酵母細胞核の三次元構造解析 (2016)
  • Author(s): 関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、市川雄一、胡桃坂仁志、清水光弘、山本雅貴
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト(千葉・柏)
  • Year and Date: 2016-01-10
• [Presentation] Cryogenic coherent X-ray imaging of cyanobacteria using the high-throughput measurement techniques (2015)
  • Author(s): A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Inui, S. Matsunaga, Y. Takayama, and M. Yamamoto
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス(石川県・金沢)
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of cellar organelles by using XFEL (2015)
  • Author(s): Y. Sekiguchi, A. Kobayashi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Takayama, M. Yamamoto, Y. Inui, S. Mastunaga, Y. Ichikawa, H. Kurumizaka, M. Shimizu
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス(石川県・金沢)
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] Three-dimensional structure of yeast nucleus visualized by cryogenic coherent diffraction imaging using X-ray free-electron laser (2015)
  • Author(s): Y. Sekiguchi, A. Kobayashi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Ichikawa, H. Kurumizaka, M. Shimizu, and M. Yamamoto
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス(石川県・金沢)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Book] Cyanidioschyzon merolae: A New Model Eukaryote for Cell and Organelle Biology/chapter 10 Coherent X-ray diffraction imaging of Cyanidioschyzon merolae (2018)
  • Author(s): Sekiguchi Yuki、Kobayashi Amane、Takayama Yuki、Oide Mao、Fukuda Asahi、Yamamoto Takahiro、Okajima Koji、Oroguchi Tomotaka、Hirakawa Takakeshi、Inui Yayoi、Matsunaga Sachihiro、Yamamoto Masaki、Nakasako Masayoshi
  • Total Pages: 365
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811061011
• [Remarks] 集光XFELパルスの空間コヒーレンスを正しく評価 －従来の解析方法の問題点を解決－（プレスリリース）
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2018/180117/