X線レーザー回折による機能構造モデリング法の開拓

• 研究課題/領域番号: 16K05527
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理・化学物理・ソフトマターの物理
• 研究機関: 公益財団法人高輝度光科学研究センター
• 研究代表者: 城地 保昌 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, 主幹研究員 (30360415)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: XFEL / コヒーレント回折イメージング / 構造モデリング / X線レーザー / 実験データ解析 / 位相回復 / 生物物理 / 機能構造 / モデリング

研究成果の概要

生命現象を理解するには、構成要素である生体粒子が機能を発現している状態の構造をとらえることが不可欠である。超短パルスのX線レーザーを利用したコヒーレントX線回折イメージングは、ナノメートルからマイクロメートルのスケールで起こる生命現象を解き明かすポテンシャルをもつ。本研究では、その実現のために、X線レーザー回折で得られる2次元スナップショットから、生体粒子の構造をモデリングする手法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

コヒーレント回折イメージングでは、コンピュータによる位相回復計算により実験画像から試料像を再生する。広く利用されている位相回復アルゴリズムは、実験データの質によっては複数の解を与える場合があり、その信頼性に問題があった。本研究では、コヒーレント回折イメージングに、構造モデリングという別の解析アプローチを提示することが出来た。

研究成果

• [雑誌論文] Gaussian mixture model for coarse-grained modeling from XFEL (2018)
  • 著者名/発表者名: Nagai Tetsuro、Mochizuki Yuki、Joti Yasumasa、Tama Florence、Miyashita Osamu
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 26 号: 20 ページ: 26734-26734
  • DOI: 10.1364/oe.26.026734
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-dimensional reconstruction for coherent diffraction patterns obtained by XFEL (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakano Miki、Miyashita Osamu、Jonic Slavica、Song Changyong、Nam Daewoong、Joti Yasumasa、Tama Florence
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 24 号: 4 ページ: 727-737
  • DOI: 10.1107/s1600577517007767
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] SACLAを用いた環境制御ナノイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則，木村隆志，鈴木明大，城地保昌，別所義隆
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 45 ページ: 508-512
  • NAID: 130007957391
• [雑誌論文] X-ray Free Electron Laser Single Particle Analysis for Biological Systems (2017)
  • 著者名/発表者名: O. Miyashita and Y. Joti
  • 雑誌名: Curr. Opin. Struct. Biol. 巻: 43 ページ: 163-169
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2017.03.014
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] SACLAを用いたコヒーレントイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則、木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 59 号: 1 ページ: 18-23
  • DOI: 10.5940/jcrsj.59.18
  • NAID: 130005437789
  • ISSN: 0369-4585, 1884-5576
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] SACLAにおける高分解能コヒーレント回折イメージングのための超高密度集光光学系の開発―多層膜ミラー光学系の評価― (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村円香, 鈴木明大, 木村隆志, 三友秀之, 城地保昌, 別所義隆, 居城邦治, 西野吉則
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたポンプ・プローブコヒーレント回折イメージング法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木芳幸, 鈴木明大, 木村隆志, 三友秀之, 城地保昌, 別所義隆, 居城邦治, 西野吉則
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会
• [学会発表] グラフェンに担持した白金ナノ粒子のX線レーザー回折測定に向けた試み (2019)
  • 著者名/発表者名: 橘健朗, 山崎憲慈, 鈴木明大, 木村隆志, 城地保昌, 別所義隆, 郷原一寿, 西野吉則
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会
• [学会発表] High-fluence x-ray focusing optics for high-resolution coherent diffractive imaging using X-ray free electron laser (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirokatsu Yumoto, Takahisa Koyama, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Takashi Kameshima, Yasumasa Joti, Kensuke Tono, Naoya Tani, Tatsuro Tachibana, Yusuke Konishi, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino, Makina Yabashi, and Haruhiko Ohashi
  • 学会等名: SRI 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Multilayer Focusing Mirror System for XFEL CDI Experiments of Biological Particles (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Koyama, Hirokatsu Yumoto, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Takashi Kameshima, Yasumasa Joti, Kensuke Tono, Naoya Tani, Tatsuro Tachibana, Yusuke Konishi, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino, Makina Yabashi, and Haruhiko Ohashi
  • 学会等名: 14th International Conference on X-ray Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] SACLAにおける高分解能コヒーレント回折イメージングのための超高密度集光光学系の開発―多層膜ミラー光学系の評価― (2018)
  • 著者名/発表者名: 小山貴久, 湯本博勝, 木村隆志，鈴木明大，亀島敬，城地保昌, 登野健介, 谷直哉, 橘健朗, 小西祐輔, 別所義隆, 西野吉則, 矢橋牧名, 大橋治彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] X線レーザー回折による温度応答性金ナノ粒子の溶液中イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴木明大, 木村隆志, 飯田良, 三友秀之, 城地保昌, 別所義隆, 新倉謙一, 居城邦治,西野吉則
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] X線レーザー回折による生細胞の温度制御イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村円香，楊影，木村隆志，鈴木明大，城地保昌，森屋利幸，大島泰郎，別所義隆，西野吉則
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] インクジェットを利用した微量液体試料のX線自由電子レーザーイメージング技術の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志, 鈴木明大, 三友秀之, 城地保昌, 居城邦治, 別所義隆, 西野吉則
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] SACLAにおける高分解能コヒーレント回折イメージングのための超高密度集光光学系の開発―顕微システムの構築と集光ビームの評価― (2018)
  • 著者名/発表者名: 湯本博勝，小山貴久，木村隆志，鈴木明大，亀島敬，城地保昌，登野健介，谷直哉，橘健朗，小西祐輔，別所義隆，西野吉則，矢橋牧名，大橋治彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] パルス状コヒーレントX線溶液散乱法による3次元イメージングに向けて (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木明大、橘健朗、谷直哉、城地保昌、別所義隆、木村隆志、西野吉則
  • 学会等名: 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
  • 発表場所: 神戸芸術センター(兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2017-01-07
• [学会発表] X線レーザー回折イメージングのための脂質膜マイクロチャンバーの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷直哉、木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • 学会等名: 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
  • 発表場所: 神戸芸術センター(兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2017-01-07
• [学会発表] Biological applications of X-ray laser diffraction at SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasumasa Joti
  • 学会等名: Workshop on “Advances in Structural Biology and Beyond”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Imaging live cell at nanoscale by X-ray laser diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Joti
  • 学会等名: 第54回生物物理学会年会BSJ-ASB Joint Symposium “Live cell imaging”
  • 発表場所: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • 年月日: 2016-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] X 線自由電子レーザー施設 SACLA による生命科学研究の現状と大規模データ解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 城地 保昌
  • 学会等名: 第16回蛋白質科学会年会ワークショップ「生命分子計測のスパースモデリング」
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市)
  • 年月日: 2016-06-07
  • 招待講演