XFEL単粒子回折画像処理と三次元生体分子構造の復元

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K14642
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 中野 美紀 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 研究員 (40625894)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: Ｘ線自由電子レーザー / 単粒子解析 / 画像解析 / コヒーレントX線イメージング

研究実績の概要

X線自由電子レーザー（XFEL）による単粒子立体構造解析は、結晶化が難しい生体分子や生体組織を自然に近い状態で観察できる新しい構造生物学的手法である。しかし、単粒子の生体分子から得られる回折強度は極めて弱く、SN比は極めて小さい。期待される解像度で立体構造を復元するためには、必要な回折像の量と質を定量的に把握する必要がある。さらに分子サイズや形状による解像度の依存性も、実験計画を立てる上での重要な指針となる。研究期間全体を通して実施した成果は以下のとおりである。
1.スライスマッチング法の開発
XFEL照射で得られる二次元回折像が捉えた試料の向きとビーム強度を反復的に推定し、3次元強度分布を組み立てる計算アルゴリズム、スライスマッチング法を開発した。さらに本手法を用いて、分子構造を数nmの高分解能で再構成するための回折像を得るためのXFEL実験条件の最小要件を推定した。また、ビーム入射方向推定と波数空間での三次元立体構造復元の過程で、設定が必要なパラメータ値を決定するためのガイドラインも提案した。
2.XFELはX線の強い透過率を利用して大きな分子の内部構造を観察することが期待されている。本研究では、シミュレーションで作成した回折像を用いて、分子サイズによるの解像度の依存性をシミュレーションにより評価した。大きな分子は小さい分子に比べ、分子サイズに対して相対的に高い解像度で分子構造を復元できるが、絶対的な高解像度の達成は困難であることが示された。
3.XFELによる溶液中の微小試料の3次元観察の実証を目指し、常温常圧の溶液中に保持された、約50nmサイズの金ナノ粒子の構造解析に取り組んだ。試料にビームが当たったパターンの選別、3次元強度分布の推定、試料以外からのノイズの除去といった一連のデータ処理により、金ナノ粒子の3次元構造を復元することに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular size dependence on achievable resolution from XFEL single-particle 3D reconstruction (2023)
  • 著者名/発表者名: Miki Nakano, Osamu Miyashita, Florence Tama
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 10 ページ: 024101
  • DOI: 10.1063/4.0000175
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-dimensional structure determination of gold nanotriangles in solution using X-ray free-electron laser single-particle analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Miki Nakano, Osamu Miyashita, Yasumasa Joti, Akihiro Suzuki, Hideyuki Mitomo, Yoshiya Niida, Ying Yang, Hirokatsu Yumoto, Takahisa Koyama, Kensuke Tono, Haruhiko Ohashi, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, Yoshitaka Bessho, Kuniharu Ijiro, Yoshinori Nishino, Florence Tama
  • 雑誌名: OPTICA 巻: 9 ページ: 776, 784
  • DOI: 10.1364/OPTICA.457352
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] XFELを用いた単粒子解析で復元された 分子構造の解像度における分サイズの影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中野美紀、宮下治、タマ フロハンス
  • 学会等名: 第36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] Molecular size effect on the single-particle analysis using X-ray free electron laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Miki Nakano, Osamu Miyashita, Florence Tama
  • 学会等名: The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan