東大ら,極度に低いX線露光で生体1分子運動計測に成功

東京大学,高輝度光科学研究センターの研究グループは,大型放射光施設で単色X線を用いた回折実験において,回折X線強度が標識した金ナノ結晶の運動のために明滅する現象(Blinking X-ray:X線ブリンキング)を世界で初めて確認し,その自己相関解析をすることで,回折X線スポットの運動速度を定量的に評価できることを示した(ニュースリリース)。

近年,タンパク質1分子の観察は驚異的な発展を遂げており,生体内における分子ダイナミクスを高速・高精度に観察することが可能となってきた。

従来のX線1分子追跡法(Diffracted X‒ray Tracking:DXT)では,目的のタンパク質分子の特定部位に金ナノ結晶を標識し,そのナノ結晶からの回折X線スポットの位置変化を観測することで,マイクロ秒以下の高時間分解能,かつ,ピコメートルの精度で,タンパク質1分子の内部運動を捉えることができるため,DXTを用いたDNAや巨大膜タンパク質の1分子内部運動の計測に成功している。

しかし,DXTは白色X線を用いているため,その活用例は限られていた。最近の大型放射光施設は,ほとんど単色X線しか利用しないので,ビームライン設計段階で白色X線の利用が検討されることはなかった。

そこで研究グループは,単色X線を用いて実験したところ,回折X線強度の明確な点滅(X線ブリンキング)を世界で初めて検出した。そして,このX線ブリンキングからの単一分子動態に関する情報の抽出を試み,回折X線スポット強度の自己相関が,1分子の運動速度と高い相関があることを見いだした。

次に,X線光源を大型放射光施設SPring-8よりもX線強度で5桁弱い実験室用X線光源へ変更し,アセチルコリン結合タンパク質(AChBP)を観察したところ,明確なX線ブリンキングが観察された。また,放射光利用の際と同様の解析を通じて,AChBPにアセチルコリン(ACh)が結合するとAChBPの上部構造が大きく左右に揺らぐことを100ミリ秒オーダーの時分割性で評価することに成功した。

この計測手法はDXTに比べ,回折X線ブリンキング観察に必要なX線露光量が1/1,700であることを明らかにした。したがって,回折X線ブリンキング観察を用いれば,非常に低露光量での単一分子動態計測が可能となる。

さらに,この低露光量という特長を生かすことで,実験室X線光源で1分子動態計測がミリ秒レベルで可能であることも実証した。この結果は,この計測技術が実験室レベルで利用できることを示しており,今後,ダメージレス測定・長時間観察・いろいろな格子定数の標識ナノ結晶の運動を同時計測できるマルチ(カラー)標識等を強みにさまざまな展開が期待できるとしている。

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