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散漫X線散乱による動的構造解析に向けた高感度計測システムの実現

公募研究

研究領域高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用
研究課題/領域番号 22H04741
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関北海道大学

研究代表者

鈴木 明大  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (20781850)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
キーワードX線自由電子レーザー / 溶液試料セル / 高度好熱菌 / X線結晶構造解析 / 試料環境セル / グラフェン / 放射光 / 窒化ケイ素薄膜
研究開始時の研究の概要

研究代表者は、Bragg回折のみに依拠した解析ではなく、アロステリック創薬や酵素の機能解明への展開が期待される散漫散乱を利用した動的構造解析に着目している。現在、複数のグループで基礎研究が進んでいるが、散漫散乱はBragg回折と比較してはるかに微弱であるため、背景雑音の大幅な低減が実験的な課題である。本研究計画では、計画班がSPring-8において開発を進める真空回折計を基盤に、更なる要素技術開発を進めることで、Bragg回折と同時に散漫散乱を高感度で計測できるシステムを構築し、動的構造解析へ展開することを目指す。

研究実績の概要

2023年度は、高度好熱菌 Thermus thermophilus HB27のX線自由電子レーザー(XFEL)イメージングに関する研究を中心に実施した。モデル生物のひとつであるT. thermophilusは、生化学実験にもとづき、1つの細胞に4つから5つの核様体がある倍数体細胞であると考えられてきた。本研究の目的は、XFELによってT. thermophilus HB27の内部構造をイメージングし、その倍数性を直接的に明らかにすることである。フェムト秒パルスのXFELをプローブとして用いれば、ダメージフリーで生細胞のナノスケールスナップショットが得られる。XFELイメージングの実施には、データ解析の要請で、プローブ径よりも小さな試料が求められる。通常のT. Thermophilus HB27の長さは4um程度で、日本のXFEL施設SACLAで利用できる集光ビームサイズと比較して大きいため、我々は細胞の長さを制御する新しい細胞培養方法を開発した。そして、スターチとカゼインが豊富な培地を利用することで、支配的な細胞の長さが2um程度になることを発見した。
XFEL実験では、本研究課題で開発を進めてきた溶液試料セルを用いた。SACLAに持ち込んだ半自動チップアライメント装置により、新しい方法で培養した細胞を溶液試料セルに封入し、孤立した細胞にXFELが照射した回折パターンを取得できた。そして、本データ解析用に改良したフーリエ反復アルゴリズムを回折パターンに適用することで、試料像を再構成した。再構成像には、電子密度が相対的に高いことを示す5つのイメージ強度ピークが存在し、これらは細胞内の核様体を反映していると考えられる。核様体の数はこれまでの定説と矛盾のないものであった。画像からは、それぞれの核様体がほとんどすき間なく、細胞の長さ方向に並んでいる様子が確認できた。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Academia Sinica(台湾)(その他の国・地域)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] <i>Thermus thermophilus</i> polyploid cells directly imaged by X-ray laser diffraction2023

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Akihiro、Moriya Toshiyuki、Oshima Tairo、Yang Ying、Niida Yoshiya、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Joti Yasumasa、Nishino Yoshinori、Bessho Yoshitaka
    • 雑誌名

      The Journal of General and Applied Microbiology

      巻: 69 号: 2 ページ: 125-130

    • DOI

      10.2323/jgam.2023.06.002

    • ISSN
      0022-1260, 1349-8037
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 多層膜集光光学系を用いた超高フルエンスビームによるフェムト秒X線レーザーイメージングの分解能向上2023

    • 著者名/発表者名
      湯本 博勝、小山 貴久、鈴木 明大、西野 吉則、大橋 治彦
    • 雑誌名

      放射光

      巻: 36 ページ: 150-158

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Intact sea-island nanostructures of solid-state electrolytes snapshotted with a femtosecond X-ray laser2023

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Suzuki、Yoshinori Nishino
    • 雑誌名

      SPring-8/SACLA Research Frontiers 2022

      巻: なし ページ: 86-87

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] X線レーザーによるガラスセラミックス固体電解質の海島ナノ構造イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木明大、田中展望、山重寿夫、折笠有基、別所義隆、城地保昌、西野吉則
    • 雑誌名

      FCレポート

      巻: 41 ページ: 52-57

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Femtosecond X-ray Laser Reveals Intact Sea?Island Structures of Metastable Solid-State Electrolytes for Batteries2022

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Akihiro、Tanaka Hiromochi、Yamashige Hisao、Orikasa Yuki、Niida Yoshiya、Kimura Takashi、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Bessho Yoshitaka、Joti Yasumasa、Nishino Yoshinori
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 22 号: 11 ページ: 4603-4607

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.1c04392

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Three-dimensional structure determination of gold nanotriangles in solution using X-ray free-electron laser single-particle analysis2022

    • 著者名/発表者名
      Nakano Miki、Miyashita Osamu、Joti Yasumasa、Suzuki Akihiro、Mitomo Hideyuki、Niida Yoshiya、Yang Ying、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Tono Kensuke、Ohashi Haruhiko、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、BESSHO YOSHITAKA、Ijiro Kuniharu、Nishino Yoshinori、Tama Florence
    • 雑誌名

      Optica

      巻: 9 号: 7 ページ: 776-784

    • DOI

      10.1364/optica.457352

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] High-fluence and high-gain multilayer focusing optics to enhance spatial resolution in femtosecond X-ray laser imaging2022

    • 著者名/発表者名
      Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Suzuki Akihiro、Joti Yasumasa、Niida Yoshiya、Tono Kensuke、Bessho Yoshitaka、Yabashi Makina、Nishino Yoshinori、Ohashi Haruhiko
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 号: 1 ページ: 5300-5300

    • DOI

      10.1038/s41467-022-33014-4

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Single-particle imaging with tightly focused XFEL pulses2024

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Suzuki
    • 学会等名
      SACLA Users' Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] X線レーザーが照らし出す全固体電池材料の海島ナノ構造2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木 明大
    • 学会等名
      北海道大学電子科学研究所 創立30周年記念講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] X線結晶解析法の高感度化に向けた試料環境開発2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木 明大
    • 学会等名
      第25回高速分子動画オンラインセミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Probing Nanostructures with Coherent X-rays2022

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Suzuki
    • 学会等名
      ARN Young Scientist Forum (AsiaNANO 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Focused coherent X-rays open up new opportunities in microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Suzuki
    • 学会等名
      The 23rd RIES-HOKUDAI International Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] Research map

    • URL

      https://researchmap.jp/akihiro.suzuki

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/akihiro.suzuki

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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