コヒーレントX線回折顕微鏡法による真核細胞のナノメートル分解能空間階層構造解析

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25891033
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 高山 裕貴 独立行政法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 基礎科学特別研究員 (40710132)
• 研究期間 (年度): 2013-08-30 – 2015-03-31
• キーワード: X線回折イメージング / 凍結水和試料 / 細胞・オルガネラ / 構造解析 / X線自由電子レーザー

研究実績の概要

本研究では、X線自由電子レーザー(XFEL)や第三世代放射光を利用したコヒーレントX線回折顕微鏡法(CXDM)により、これまで困難だったミクロンサイズの細胞やオルガネラ「丸ごと」の内部構造を水和状態かつ高い分解能で可視化することを目指している。平成26年度は、XFELの効果的利用に向けた技術開発を実施し、XFEL施設SACLAにおいて葉緑体やバクテリアのイメージング実験を実施した。
(1)複数の測定窓と試料位置決定用窓を有する試料マウント具を設計・開発し、XFEL照射野の大面積化と試料中心出しの効率化を実現した。前年度までに開発した試料支持膜への生体粒子接着法と併せて、1試料あたりのXFEL照射数を10倍近く向上し、XFEL約1000ショット分の回折データを40分程度で取得可能となった。原子紅藻由来葉緑体のXFEL-CXDM実験を実施し、直径1～1.5 μmの葉緑体の投影像を複数得ることに成功し、葉緑体内部のチラコイド膜分布を明らかにした。
(2)CXDMによるイメージング分解能の向上に向けて、生体粒子と多数の金粒子を共にイメージングすることによる生体粒子回折シグナル増幅法を前年度に考案し、計算機実験で実証した。本手法の実験的実証に向けて、今年度は試料作製法を改善し、金粒子自体に吸着処理を施すことで生体粒子近傍により多くの金粒子を散布することが可能となった。本手法で作製したバクテリア・金粒子散布試料のXFEL-CXDM実験を実施し、シグナル増幅されたと見られる回折データの取得に成功した。現在、本データの解析と像再生アルゴリズムの高度化を進めている。

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by Using X-Ray Free Electron Laser (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Yayoi Inui, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi, Tomotaka Oroguchi, Masaki Yamamoto, Sachihiro Matsunaga, and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 未定 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv032
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Signal enhancement and Patterson-search phasing for high-spatial-resolution coherent X-ray diffraction imaging of biological objects (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Saori Maki-Yonekura, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako and Koji Yonekura
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 8074
  • DOI: 10.1038/srep08074
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dark-field phase retrieval under the constraint of the Friedel symmetry in coherent X-ray diffraction imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Yuki Takayama, Tomotaka Oroguchi and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 22 ページ: 27892-27909
  • DOI: 10.1364/OE.22.027892
  • 査読あり
• [雑誌論文] IDATEN and G-SITENNO: GUI assisted software for coherent X-ray diffraction imaging experiments and data analyses at SACLA (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sekiguchi, Masaki Yamamoto, Tomotaka Oroguchi, Yuki Takayama, Shigeyuki Suzuki and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 21 ページ: 1378-1383
  • DOI: 10.1107/S1600577514017111
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-shot three-dimensional structure determination of nanocrystals with femtosecond X-ray free-electron laser pulses (2014)
  • 著者名/発表者名: Rui Xu, Huaidong Jiang, Changyong Song, Jose A. Rodriguez, Zhifeng Huang, Chien-Chun Chen, Daewoong Nam, Jaehyun Park, Marcus Gallagher-Jones, Sangsoo Kim, Sunam Kim, Akihiro Suzuki, Yuki Takayama et al. (他16名)
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 ページ: 4061
  • DOI: 10.1038/ncomms5061
  • 査読あり
• [雑誌論文] Data processing software suite SITENNO for coherent X-ray diffraction imaging using X-ray free electron laser SACLA (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sekiguchi, Tomotaka Oroguchi, Yuki Takayama and Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 21 ページ: 600-612
  • DOI: 10.1107/S1600577514003439
  • 査読あり
• [学会発表] X線自由電子レーザーを利用した低温コヒーレントX線回折イメージング法による葉緑体内部構造の可視化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高山裕貴、乾弥生、関口優希、小林周、苙口友隆、山本雅貴、米倉功治、松永幸大、中迫雅由
  • 学会等名: 分子システム研究 第4回春季研究会
  • 発表場所: 静岡県伊東市、ラフォーレ倶楽部伊東温泉湯の庭
  • 年月日: 2015-05-15 – 2015-05-15
• [学会発表] Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of organelles at SACLA (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Koji Yonekura, Masaki Yamamoto, Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yayoi Inui, Sachihiro Matsunaga
  • 学会等名: The 1st SACLA Workshop on Femtosecond Crystallography
  • 発表場所: Harima, Hyogo, Japan
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-26
• [学会発表] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Inui Yayoi, Sachihiro Matsunaga, Yuki Takayama and Masaki Yamamoto
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Plant Environmental Sensing
  • 発表場所: Odaiba, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [学会発表] Patterson解析法を利用したサブミクロン粒子集団のコヒーレントX線回折イメージング (2015)
  • 著者名/発表者名: 高山裕貴、眞木さおり、苙口友隆、中迫雅由、米倉功治
  • 学会等名: 第28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: 滋賀県草津市、立命館大学びわこ・くさつキャンパス
  • 年月日: 2015-01-12 – 2015-01-12
• [学会発表] XFEL低温コヒーレントX線回折イメージングによるアミロイド繊維凝集体の構造研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 真崎悠、小林周、関口優希、苙口友隆、中迫雅由、山口圭一、桑田一夫、亀田啓、福井直也、河田康志、高山裕貴、山本雅貴
  • 学会等名: 第28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: 滋賀県草津市、立命館大学びわこ・くさつキャンパス
  • 年月日: 2015-01-12 – 2015-01-12
• [学会発表] XFEL低温コヒーレントX線回折イメージングによる細胞内小器官の構造研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 関口優希、小林周、苙口友隆、中迫雅由、乾弥生、松永幸大、市川雄一、胡桃坂仁志、清水光弘、高山裕貴、山本雅貴
  • 学会等名: 第28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: 滋賀県草津市、立命館大学びわこ・くさつキャンパス
  • 年月日: 2015-01-11 – 2015-01-11
• [学会発表] Signal enhancement and Patterson-search phasing for high-spatial-resolution coherent X-ray diffraction imaging of biological objects (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Saori Maki-Yonekura, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Koji Yonekura
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 北海道札幌市、札幌コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-09-27 – 2014-09-27
• [学会発表] Dark-field phase-retrieval method under the constraint of Friedel’s symmetry for structure analyses in coherent X-ray diffraction imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Yuki Takayama, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 北海道札幌市、札幌コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-09-27 – 2014-09-27
• [学会発表] Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of cellular organelle particles (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi, Saki Hashimoto, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yuki Takayama, Koji Yonekura, Masaki Yamamoto, Yayoi Inui, Sachihiro Matsunaga, Yuichi Ichikawa, Hitoshi Kurumizaka, Mitsuhiro Shimizu
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 北海道札幌市、札幌コンベンションセンター
  • 年月日: 2014-09-26 – 2014-09-26
• [学会発表] SPring-8・SACLAでの非結晶生体粒子低温コヒーレントX線回折イメージング (2014)
  • 著者名/発表者名: 高山裕貴
  • 学会等名: 放射光学会第6回若手研究会 コヒーレントX線が拓く構造可視化の新しい世界
  • 発表場所: 兵庫県播磨、SPring-8キャンパス
  • 年月日: 2014-08-23 – 2014-08-23
  • 招待講演
• [学会発表] Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of biological particles at SACLA (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takayama, Masayoshi Nakasako, Tomotaka Oroguchi, Yuki Sekiguchi, Masaki Yamamoto, Koji Yonekura, Yukio Takahashi, Akihiro Suzuki, Sachihiro Matsunaga and Yayoi Tsujimoto-Inui
  • 学会等名: 23rd Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • 発表場所: Montreal, Quebec, Canada
  • 年月日: 2014-08-07 – 2014-08-07
• [学会発表] 生体粒子の高分解能コヒーレントX線回折イメージングに向けた金属粒子による回折シグナル増幅及び位相決定法の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高山裕貴、眞木さおり、苙口友隆、中迫雅由、米倉功治
  • 学会等名: 「分子システム研究」第3回春季研究会
  • 発表場所: 滋賀県彦根市、かんぽの宿彦根
  • 年月日: 2014-04-25 – 2014-04-25
• [備考] 生体試料の高分解能・高信頼度イメージング法を開発 -従来の測定条件で分解能が2倍以上向上-
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2015/150129/