大型生体高分子中性子構造解析実現に向けた、J-PARC/MLF単結晶パルス中性子回折計の設計

Design of a new diffractometer in J-PARC/MLF to realize neutron structure analyses for protein crystals with large unit cells

友寄 克亮; 栗原 和男; 玉田 太郎; 黒木 良太

Tomoyori, Katsuaki; Kurihara, Kazuo; Tamada, Taro; Kuroki, Ryota

構造生物学研究において、膜タンパク質やタンパク質複合体などの大型タンパク質は重要な研究対象の一つである。これら大型タンパク質の水素原子や水和水を含む立体構造解析から、機能メカニズムを解明することは、生命科学に大きな進展をもたらす。我々は、J-PARCに大型単位格子を持つタンパク質結晶の中性子回折実験を可能とする新装置の建設を提案している。本装置ではビーム強度と反射分離を考慮し、線源にはパルス時間幅が短い減速材(非結合型)を選択した。大型単位格子を持つタンパク質を解析する場合、第一に高次反射が重なること。第二に格子体積が大きいために、反射強度の低下や水素原子からの非干渉性散乱によって十分なS/Nが得られないことが問題となる。第一の問題の克服には、ビームの角度分散および時間分解能の2つが鍵となる。低角検出器では、角度分散が支配的であるが、検出器散乱角が大きくなるに従い時間分解能が無視できなくなり、飛行距離による反射分離が可能となる。そこで高角検出器と飛行距離を有効に用いる測定を実現する必要がある。第二の問題の克服には、中性子スーパーミラーガイド管の最適な配置と臨界角の選択、さらにバックグラウンドとなりうる高速の中性子や線の削減などを考慮する必要がある。これらの問題解決に向けてシミュレーションを行い、装置分解能と試料位置強度の評価を行い、分解可能な最大格子定数や測定時間の正確な評価を行った結果を報告する。

Especially, large proteins such as membrane proteins or large protein complex are among the most important subjects of studies in structural biology. It will be greatly advance the fields of life science to elucidate the protein function from the structural information of hydrogen atoms and hydration waters obtained by neutron protein crystallography. Our group proposes the diffractometer which can cover such crystals with large unit cell volume (target lattice length: 250 ). We chose a decoupled liquid hydrogen moderator as an appropriate source for this high resolution diffractometer from both view points of flux and pulse width. Firstly, the problem of overlapped Bragg peaks becomes significant for high order reflections. Secondly, the large unit cell volume causes weak signals from protein crystal. The angular resolution will dominates at low angles, but time-resolution cannot be neglected with increasing the scattering angle. Consequently, the peak separation of Bragg reflection by the long flight-path will become more efficient to get over the first problem. To overcome second problem, it should be noted that the appropriate geometrical alignment of neutron supermirror guide, the selection of critical angle, and the elimination of fast neutron and rays are required. We concisely estimated the instrumental resolution and intensity at sample position, and explain the result of the maximum resolvable lattice constant and measurement time.