Ｘ線レーザー回折による生細胞ダイナミクス

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05737
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 西野 吉則 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (40392063)
• 研究分担者: 鈴木 明大 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (20781850) ; 木村 隆志 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50531472) ; 大島 泰郎 東京薬科大学, 生命科学部, 名誉教授 (60167301)
• 研究期間 (年度): 2015-05-29 – 2020-03-31
• キーワード: Ｘ線自由電子レーザー / 可視化 / 細胞 / 超精密計測

研究実績の概要

本研究課題では、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）のフェムト秒オーダーのパルス幅を利用して、異なる状態の細胞を、独自開発したパルス状コヒーレントＸ線溶液散乱（PCXSS）法により放射線損傷なくイメージングすることにより、生細胞のナノレベルダイナミクスを観察することを目指している。異なる状態の細胞の調製方法として、同調培養による細胞周期の同期、温度制御、ケージド化合物を用いたフラッシュ・フォトリシスなど異なる手法の研究を進めた。
同調培養に関しては、PCXSS測定に適するMicrobacterium菌の細胞分裂周期の特定の段階にある細胞に対してXFEL施設SACLAを用いたPCXSS測定を行い、データ解析を進めた。また、フローサイトメーターを用いて同調率の評価を行った。ケージド化合物を用いたフラッシュ・フォトリシスに関しては、平成29年度よりSACLAにおいて運用が始まったポンプ・プローブ法に対応したコヒーレントＸ線イメージング用試料チャンバ（MAXIC-II）を用いた研究を開始した。測定では、波長可変ナノ秒レーザーをポンプ光に、XFELをプローブ光に用いた。マイクロ液体封入アレイ（MLEA）内の試料に、ポンプ光およびプローブ光を干渉なく照射する光学設計を行い実装した。開発した光学系を用いて、ポンプ・プローブPCXSS測定およびケージドプロトンを用いたフラッシュ・フォトリシス測定を開始した。温度制御に関しては、MAXIC-II用に新たに試料温度制御装置を開発した。開発した装置を用いて、温度応答性金ナノ粒子や温度制御Microbacterium菌のPCXSS法による測定を進めた。
試料探索の過程で平成28年度に発見した、Thermus属細菌細胞が培養条件に依って短くなる新規現象に関して、その機構を解明するべく、ポリアミン分析などの研究を進めた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

細胞の状態を同期させる方法として取り組んだ、同調培養、温度制御、ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシスのいずれにおいても、当初の計画通りに研究が進行した。同調培養に関しては、Microbacterium菌に対して順調にPCXSS測定およびデータ解析を進めた。ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシス測定に関しては、ポンプ・プローブ法に対応したコヒーレントＸ線イメージング用試料チャンバ（MAXIC-II）の運用がSACLAにおいて平成29年度に始まり、PCXSS測定を開始した。温度制御に関しては、MAXIC-II用に試料温度制御装置を開発し、PCXSS測定を行った。さらに、新規微生物の探索では、生物学的により意義の大きいThermus属細菌に関する研究を進めた。

今後の研究の推進方策

本研究課題では、いくつかのアプローチにより細胞の状態を同期させ、異なる状態の細胞を、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）を用いたパルス状コヒーレントＸ線溶液散乱（PCXSS）法でイメージングすることにより、生きた細胞のナノレベルダイナミクス観察を目指す。
同調培養に関しては、細胞分裂周期の各段階での細胞構造の特徴を抽出するデータ解析を進める。温度制御に関しては、温度応答性金ナノ粒子や温度制御Microbacterium菌のPCXSS測定およびデータ解析を進める。ケージド化合物のフラッシュ・フォトリシスに関しては、平成29年度よりSACLAで運用が開始されたポンプ・プローブ法に対応したコヒーレントＸ線イメージング用試料チャンバ（MAXIC-II）を用いて研究を進める。
さらに、MLEAチップやPCXSS測定技術や試料像再構成（位相回復）技術を高度化する研究を進める。細胞試料に関しては、平成28年度に発見したThermus属細菌細胞の大きさが変化する新規現象について、機構の解明に向けた研究と平行してPCXSS測定を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Academia Sinica(Taiwan)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: Academia Sinica
• [雑誌論文] Quantum valence criticality in a correlated metal (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kuga, Y. Matsumoto, M. Okawa, S. Suzuki, T. Tomita, K. Sone, Y. Shimura, T. Sakakibara, D. Nishio-Hamane, Y. Karaki, Y. Takata, M. Matsunami, R. Eguchi, M. Taguchi, A. Chainani, S. Shin, K. Tamasaku, Y. Nishino, M. Yabashi, T. Ishikawa, and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 ページ: eaao3547
  • DOI: 10.1126/sciadv.aao3547
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] コヒーレントX線回折による電荷密度波物質の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田 力矢、後藤 遼平、松浦 徹、丹田 聡、香村 芳樹、田中 良和、西野 吉則
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA 利用研究成果集 巻: 6 ページ: 60-64
  • DOI: 10.18957/rr.6.1.60
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Active site geometry of a novel aminopropyltransferase for biosynthesis of hyperthermophile-specific branched-chain polyamine (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Hidese, K. M. Tse, S. Kimura, E. Mizohata, J. Fujita, Y. Horai, N. Umezawa, T. Higuchi, M. Niitsu, T. Oshima, T. Imanaka, T. Inoue, and S. Fujiwara
  • 雑誌名: The FEBS Journal 巻: 284 ページ: 3684-3701
  • DOI: 10.1111/febs.14262
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long and branched polyamines are required for maintenance of the ribosome, tRNAHis and tRNATyr in Thermus thermophilus cells at high temperatures (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakashima, R. Yamagami, C. Tomikawa, Y. Ochi, T. Moriya, H. Asahara, D. Fourmy, S. Yoshizawa, *T. Oshima, and *H. Hori
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 22 ページ: 628-645
  • DOI: 10.1111/gtc.12502
  • 査読あり / オープンアクセス / 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
  • 査読あり
• [学会発表] Controlled Environment Nano-Imaging Free From Radiation Damage by X-ray Laser Diffraction (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Nishino
  • 学会等名: 5th Ringberg Meeting on Structural Biology with FELs
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたバイオ関連イメージングにおける表面技術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則
  • 学会等名: ASTEC2018表面技術会議
  • 招待講演
• [学会発表] Ｘ線レーザーで観た、生きた細胞 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則
  • 学会等名: ナレッジキャピタル・サイエンスカフェ
  • 招待講演
• [学会発表] Thermus thermophilusの長鎖・分岐鎖ポリアミンは、高温環境下でのリボソーム、tRNAHis、tRNATyrの維持に必要である (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島美沙、山上龍太、冨川千恵、越智裕貴、森屋利幸、朝原治一、Dominique Fourmy、吉澤聡子、大島泰郎、堀弘幸
  • 学会等名: 日本ポリアミン学会第9回年会
• [学会発表] ポリアミンによる DNA、tRNA 及びリボソームの脱プリン反応抑制効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田健人、岩崎倖千、坂本明彦、森屋利幸、玉腰雅忠、大島泰郎、五十嵐一衛、照井祐介、柏木敬子
  • 学会等名: 日本ポリアミン学会第9回年会
• [学会発表] 短い細胞のThermus thermophilusのポリアミン組成(予報) (2018)
  • 著者名/発表者名: 楊影、森屋利幸、大島泰郎
  • 学会等名: 日本ポリアミン学会第9回年会
• [学会発表] インクジェット技術を利用した微量試料のX線自由電子レーザーイメージング手法の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志、鈴木明大、三友秀之、城地保昌、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] 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: 北海道大学電子科学研究所平成29年度研究交流会
• [学会発表] Coherent diffraction imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Nishino
  • 学会等名: SACLA International Users' Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Lipid bilayer chambers to observe membrane proteins by pulsed coherent X-ray solution scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoya Tani, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium on 極
  • 国際学会
• [学会発表] X-ray Laser Imaging of DNA-Bound Nanoparticles in Inkjet-Dispensed Mixed Solution (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium on 極
  • 国際学会
• [学会発表] X-ray laser imaging of thermoresponsive gold nanoparticles in solution (2017)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Suzuki, Takashi Kimura, Ryo Iida, Hideyuki Mitomo, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Ken-ichi Niikura, Kuniharu Ijiro, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium on 極
  • 国際学会
• [学会発表] Controlled Environment Nano-Imaging Free From Radiation Damage by X-ray Laser Diffraction (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Nishino, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Tairo Oshima, and Yoshitaka Bessh
  • 学会等名: X-ray Science Gordon Research Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Lipid bilayer chambers for pulsed coherent X-ray solution scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoya Tani, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT'17)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Micrometer-sized Liquid Enclosure Chip for Imaging of Samples in Solution by Single-shot X-ray Laser Diffraction (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT'17)
  • 国際学会
• [学会発表] New design of environmental cells as a first step toward 3D imaging in solution by X-ray laser diffraction (2017)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Suzuki, Tatsuro Tachibana, Naoya Tani, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Takashi Kimura, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2017 (XOPT'17)
  • 国際学会
• [学会発表] X線自由電子レーザー施設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
  • 学会等名: アライアンス横串サブグループ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Magic20：生体原材料の呪縛 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大島泰郎
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017）
  • 招待講演
• [学会発表] 牛糞・家畜廃棄物の堆肥化処理過程における微生物群集解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森屋利幸、吉井貴宏、大島泰郎
  • 学会等名: 第90回日本生化学会大会
• [学会発表] 好気性高温堆肥発酵における硝化細菌叢の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉井貴宏、矢野紘子、古井義博、杉原孝文、森屋利幸、大島泰郎
  • 学会等名: 第90回日本生化学会大会
• [学会発表] 外部刺激応答性ナノ粒子のX線レーザーイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木明大
  • 学会等名: 第14回X線結像光学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Ｘ線顕微鏡 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則
  • 学会等名: 大阪大学ナノサイエンス・ナノテクノロジー高度学際教育研究プログラム
  • 招待講演
• [学会発表] X線レーザー回折イメージングのための脂質二重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: 2017年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] 超微細インクジェットを利用した微量混合液体試料のX 線自由電子レーザーイメージング技術の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • 学会等名: 2017年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] デボン紀の岩塩中に古代好塩アーキアの細胞は存在するか（予報） (2017)
  • 著者名/発表者名: 大島 泰郎、土山明 、別所義隆
  • 学会等名: 日本Archaea研究会第30回講演会
  • 招待講演
• [学会発表] X線レーザー回折による温度応答性ナノ粒子の溶液中イメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木明大
  • 学会等名: 第5回アライアンス若手研究交流会
  • 招待講演
• [学会発表] 計算生命科学の進展 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則
  • 学会等名: ATI第24回研究報告会
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザー施設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
  • 学会等名: 平成29年度 ダイナミックアライアンスG2分科会
• [備考] 北海道大学 電子科学研究所 コヒーレント光研究分野（西野吉則 研究室）
  • URL: http://cxo-www.es.hokudai.ac.jp/