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[プレスリリース]
非結晶分子・粒子の構造解析を大幅に効率化する手法を提案
—X線自由電子レーザー施設SACLAの独創的な利用へ—
2013/03/13 慶應義塾大学
独立行政法人理化学研究所
独立行政法人理化学研究所
本研究成果のポイント
○ 超分子複合体の構造をナノメートル分解能で可視化するための試料作製と解析方法を提案
○ 非晶質氷薄膜中に試料を埋め込むことによりX線照射率を約1万倍に向上、必要試料量を約1千分の1に効率化
○ 今後のSACLAにおける非結晶生体・材料粒子構造研究の加速的進展に期待
慶應義塾大学（塾長 清家篤）、独立行政法人理化学研究所（理事長 野依良治）は共同で、将来のX線自由電子レーザー（XFEL）を利用して超分子複合体の構造を高効率で解析する方法の提案を行い、大規模計算機シミュレーションを通じて実用化の可能性を検討しました。
2012年3月、超強力なX線レーザーを供給するX線自由電子レーザー施設SACLAがユーザー実験を開始し、様々な基礎・応用科学分野での利用が始まっています。SACLA利用の重要な課題の一つとして、生命科学や材料科学分野において発見あるいは創生されてきた粒子や分子のうち、結晶化が極めて困難なものの構造解析が挙げられています。結晶化可能な分子の構造解析は、これまで大型放射光施設SPring-8で盛んに行われており、世界に誇る科学上の重要な成果が次々と生み出されるとともに、科学・産業・社会へ、裾野の広い貢献・還元がなされてきたところです。さらに、SACLAにおいて生命・材料科学分野での非結晶粒子・分子の構造解析が定常的に可能となれば、その波及は計り知れないと言われています。
XFELを用いた非結晶分子・粒子の構造解析にはコヒーレントX線回折イメージング法を用いることが想定されています。しかし、同法は検討すべき要素も多く、XFELでの利用となると、その実験・解析方法の固い土台が確立されていません。これまでに、ミクロンサイズの液滴を粒子や分子などの試料コンテナとして真空中でXFELパルスに衝突させ、構造解析データを収集する実験・解析方法が提案されてきました。しかし、この衝突効率は非常に低いと想定されるため、大量に試料を準備しなければならない等、実験効率が低く、また、データにノイズが入りやすいなどの課題があります。
今回、研究グループは、非晶質氷薄膜中に試料生体分子・粒子を高数密度で散布して埋め込む試料作製法を実験に採用すれば、X線照射率が100%となるため、十分な強度のX線を入射することで、前述の方法と比較して実験効率が高く、ノイズの少ない構造解析可能なデータを得ることが可能であると考えました。このアイデアが実用化可能であるかを調べるため、X線と物質内電子の相互作用を取り扱う電磁気学の基本に立ち返り、現状のＸ線検出器と現実的な試料作製条件等を考慮しながら、計算シミュレーションが行われました。その結果、これまでに提案されてきた液滴法に比べ、X線強度は10万分の1程度で済み、照射率は数千倍程度に向上、必要試料量は1千分の1程度となり大幅な効率化が図れることが分かりました。今回のシミュレーションは、XFELによる分子量百万を超える非結晶生体分子複合体の構造解析に向けて、今後の加速器やビームライン素子開発のマイルストーンを示したことになります。ここで提案した実験・解析方法の実用化には一定の目途が立っていることから、より強力なX線が供給されるようになれば、長年の夢であった非結晶粒子のナノメートル分解能を超えた構造解析が現実味を帯び、非結晶生体・材料粒子の構造研究を加速的に進展させる構造解析の革命につながることが期待できます。
さらに、今回のシミュレーションでは、リアルな試料系を原子レベルで再現することが不可欠であったため、膨大な計算を必要とし、約半年の計算が必要でした。今回の手順を基盤とすれば、今後は、スーパーコンピュータ「京」やそこから派生した計算機環境を用いることで、より詳細な実験計画立案やデータ解析が迅速に行えます。そのため、この研究は、我が国が誇る国家基幹技術の機動的・戦略的連携を促進するひとつの方向性を示したものと言えます。
本研究成果は、慶應義塾大学と理化学研究所の包括的連携協定（平成20年締結）のもと、慶應義塾大学理工学部物理学科の苙口友隆（おろぐち ともたか）助教（理研放射光科学総合研究センター基盤研究部客員研究員）と中迫雅由（なかさこ まさよし）教授（同客員主管研究員）により、文部科学省X線自由電子レーザー重点戦略研究課題及び科学研究費新学術領域研究の支援を受けて実施されました。研究成果の詳細は、米国の科学誌『Physical Review E』のオンライン版として2月20日付で公開されました。
原論文情報：
Tomotaka Oroguchi and Masayoshi Nakasako. "Three-dimensional structure determination protocol for non-crystalline biomolecules using X-ray free-electron laser diffraction imaging". Physical Review E, 2013, DOI: 10.1103/PhysRevE.87.022712
プレスリリース全文は、以下をご覧ください。
○ 超分子複合体の構造をナノメートル分解能で可視化するための試料作製と解析方法を提案
○ 非晶質氷薄膜中に試料を埋め込むことによりX線照射率を約1万倍に向上、必要試料量を約1千分の1に効率化
○ 今後のSACLAにおける非結晶生体・材料粒子構造研究の加速的進展に期待
慶應義塾大学（塾長 清家篤）、独立行政法人理化学研究所（理事長 野依良治）は共同で、将来のX線自由電子レーザー（XFEL）を利用して超分子複合体の構造を高効率で解析する方法の提案を行い、大規模計算機シミュレーションを通じて実用化の可能性を検討しました。
2012年3月、超強力なX線レーザーを供給するX線自由電子レーザー施設SACLAがユーザー実験を開始し、様々な基礎・応用科学分野での利用が始まっています。SACLA利用の重要な課題の一つとして、生命科学や材料科学分野において発見あるいは創生されてきた粒子や分子のうち、結晶化が極めて困難なものの構造解析が挙げられています。結晶化可能な分子の構造解析は、これまで大型放射光施設SPring-8で盛んに行われており、世界に誇る科学上の重要な成果が次々と生み出されるとともに、科学・産業・社会へ、裾野の広い貢献・還元がなされてきたところです。さらに、SACLAにおいて生命・材料科学分野での非結晶粒子・分子の構造解析が定常的に可能となれば、その波及は計り知れないと言われています。
XFELを用いた非結晶分子・粒子の構造解析にはコヒーレントX線回折イメージング法を用いることが想定されています。しかし、同法は検討すべき要素も多く、XFELでの利用となると、その実験・解析方法の固い土台が確立されていません。これまでに、ミクロンサイズの液滴を粒子や分子などの試料コンテナとして真空中でXFELパルスに衝突させ、構造解析データを収集する実験・解析方法が提案されてきました。しかし、この衝突効率は非常に低いと想定されるため、大量に試料を準備しなければならない等、実験効率が低く、また、データにノイズが入りやすいなどの課題があります。
今回、研究グループは、非晶質氷薄膜中に試料生体分子・粒子を高数密度で散布して埋め込む試料作製法を実験に採用すれば、X線照射率が100%となるため、十分な強度のX線を入射することで、前述の方法と比較して実験効率が高く、ノイズの少ない構造解析可能なデータを得ることが可能であると考えました。このアイデアが実用化可能であるかを調べるため、X線と物質内電子の相互作用を取り扱う電磁気学の基本に立ち返り、現状のＸ線検出器と現実的な試料作製条件等を考慮しながら、計算シミュレーションが行われました。その結果、これまでに提案されてきた液滴法に比べ、X線強度は10万分の1程度で済み、照射率は数千倍程度に向上、必要試料量は1千分の1程度となり大幅な効率化が図れることが分かりました。今回のシミュレーションは、XFELによる分子量百万を超える非結晶生体分子複合体の構造解析に向けて、今後の加速器やビームライン素子開発のマイルストーンを示したことになります。ここで提案した実験・解析方法の実用化には一定の目途が立っていることから、より強力なX線が供給されるようになれば、長年の夢であった非結晶粒子のナノメートル分解能を超えた構造解析が現実味を帯び、非結晶生体・材料粒子の構造研究を加速的に進展させる構造解析の革命につながることが期待できます。
さらに、今回のシミュレーションでは、リアルな試料系を原子レベルで再現することが不可欠であったため、膨大な計算を必要とし、約半年の計算が必要でした。今回の手順を基盤とすれば、今後は、スーパーコンピュータ「京」やそこから派生した計算機環境を用いることで、より詳細な実験計画立案やデータ解析が迅速に行えます。そのため、この研究は、我が国が誇る国家基幹技術の機動的・戦略的連携を促進するひとつの方向性を示したものと言えます。
本研究成果は、慶應義塾大学と理化学研究所の包括的連携協定（平成20年締結）のもと、慶應義塾大学理工学部物理学科の苙口友隆（おろぐち ともたか）助教（理研放射光科学総合研究センター基盤研究部客員研究員）と中迫雅由（なかさこ まさよし）教授（同客員主管研究員）により、文部科学省X線自由電子レーザー重点戦略研究課題及び科学研究費新学術領域研究の支援を受けて実施されました。研究成果の詳細は、米国の科学誌『Physical Review E』のオンライン版として2月20日付で公開されました。
原論文情報：
Tomotaka Oroguchi and Masayoshi Nakasako. "Three-dimensional structure determination protocol for non-crystalline biomolecules using X-ray free-electron laser diffraction imaging". Physical Review E, 2013, DOI: 10.1103/PhysRevE.87.022712
プレスリリース全文は、以下をご覧ください。
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