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矢野 直峰*; 山田 太郎*; 細谷 孝明*; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 日下 勝弘*
Acta Crystallographica Section D; Structural Biology (Internet), 74(11), p.1041 - 1052, 2018/11
被引用回数：7 パーセンタイル：69.55(Biochemical Research Methods)STARGazer is a data processing software for neutron time-of-flight (TOF) single-crystal diffraction data collected by the IBARAKI Biological Crystal Diffractometer (iBIX) at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). This software creates hkl intensity data from three-dimensional (x, y, TOF) diffraction data. STARGazer is composed of both a data processing component and a data visualization component. This article describes the status of data processing software STARGazer and its data processing algorithms.
田代 孝二*; 日下 勝弘*; 細谷 孝明*; 大原 高志; 塙坂 真*; 吉澤 功徳*; 山元 博子*; 新村 信雄*; 田中 伊知朗*; 栗原 和男*; et al.
Macromolecules, 51(11), p.3911 - 3922, 2018/06
被引用回数：2 パーセンタイル：12.47(Polymer Science)The crystal structure of polydiacetylene giant single crystal has been analyzed on the basis of the two different methods of wide-angle neutron diffraction and X-ray diffraction. The X-ray result gives us the total electron density distribution. The neutron result tells the positions of atomic nuclei. As a result, the so-called bonded (or deformed) electron density, i.e., the electron density distribution due to the conjugation among the covalently bonded atoms along the polymer chain, can be estimated using the two information. The present report is the first example of the application of X-N method to the synthetic polymer species.
中島 健次; 川北 至信; 伊藤 晋一*; 阿部 淳*; 相澤 一也; 青木 裕之; 遠藤 仁*; 藤田 全基*; 舟越 賢一*; Gong, W.*; et al.
Quantum Beam Science (Internet), 1(3), p.9_1 - 9_59, 2017/12
J-PARC物質・生命科学実験施設の中性子実験装置についてのレビューである。物質・生命科学実験施設には23の中性子ビームポートがあり21台の装置が設置されている。それらは、J-PARCの高性能な中性子源と最新の技術を組み合わせた世界屈指の実験装置群である。このレビューでは、装置性能や典型的な成果等について概観する。
矢野 直峰*; 山田 太郎*; 細谷 孝明*; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 日下 勝弘*
Scientific Reports (Internet), 6, p.36628_1 - 36628_9, 2016/12
被引用回数：10 パーセンタイル：67.57(Multidisciplinary Sciences)We developed and employed a profile fitting method for the peak integration of neutron time-of-flight diffraction data collected by the IBARAKI Biological Crystal Diffractometer (iBIX) at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) for protein ribonuclease A and alpha-thrombin single crystals. Gaussian convolved with two back-to-back exponentials was selected as the most suitable fitting function, and a profile fitting algorithm for the integration method was developed. It was clearly demonstrated that the profile fitting method provides more accurate integrated intensities and model structures than the summation integration method at higher resolution shells.
海野 昌喜*; 杉島 正一*; 和田 啓*; 萩原 義徳*; 日下 勝弘*; 玉田 太郎; 福山 恵一*
日本結晶学会誌, 57(5), p.297 - 303, 2015/10
シアノバクテリアや植物のような光合成生物は、細胞内にビリン色素と呼ばれる光を集める色素をもっている。そのビリン色素を分子内にもつタンパク質のいくつかは、シアノバクテリアなどでは光合成、高等植物では開花や紅葉・落葉などをコントロールするシグナル伝達の役割を担う。フィコシアノビリン(PCB)はその両方に使われる重要なビリン色素の1つであり、PCBはヘム分解産物であるビリベルジン(BV)から、フェレドキシンにより供給される電子を使って酵素PcyAにより合成される。今回、我々はシアノバクテリア由来PcyAの立体構造をBVとの複合体状態で中性子結晶解析により決定した。BVは2つの状態(通常の状態と1つ水素が付いたBVH
の状態)で存在していたが、近接したPcyA中のAsp105もBVの状態に対応して2つの状態(プロトン化および解離状態)で存在していた。さらに、BV近傍のHIs88とHis74間にヒドロニウムイオンが存在することを観察できた。また、中性子解析の結果はX線解析における照射損傷の影響も明らかにした。
海野 昌喜*; 石川 久美子*; 日下 勝弘*; 玉田 太郎; 萩原 義徳*; 杉島 正一*; 和田 啓*; 山田 太郎*; 友寄 克亮; 細谷 孝明*; et al.
Journal of the American Chemical Society, 137(16), p.5452 - 5460, 2015/04
被引用回数：23 パーセンタイル：66.3(Chemistry, Multidisciplinary)シアノバクテリアや高等植物等の光合成生物は細胞内にビリン色素と呼ばれる集光色素を有している。ビリン還元酵素PcyAはビリベルジン(BV)を2段階で還元する反応を触媒することによりビリン色素の1つであるフィコシアノビリンを合成する。今回、我々はシアノバクテリア由来PcyAの立体構造をBVとの複合体状態で中性子結晶解析により決定した。BVは2つの状態(通常の状態と1つ水素が付いたBVHの状態)で存在していたが、近接したPcyA中のAsp105もBVの状態に対応して2つの状態(プロトン化および解離状態)で存在していた。また、X線構造解析では照射還元により確認できなかったBV中のA環近くの「アキシアル」水分子の存在を確認することができた。さらに、BV近傍に位置するHis88がプロトン化状態で存在しBV中のA環のラクタム酸素と水素結合を形成していることも確認したが、このHis88と隣接したHis74の間の水分子がH
Oの状態で存在することも明らかにした。これらの知見はAsp105, His88および「アキシアル」水分子がPcyAによる触媒反応におけるプロトン移動に関与していることを示唆しており、フィコシアノビリン合成(初期段階)の新たな反応機構の提唱を可能とした。
田代 孝二*; 塙坂 真*; 山元 博子*; Wasanasuk, K.*; Jayaratri, P.*; 吉澤 功徳*; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 日下 勝弘*; 細谷 孝明*; et al.
高分子論文集, 71(11), p.508 - 526, 2014/11
被引用回数：5 パーセンタイル：22.89(Polymer Science)高分子結晶構造の詳細を、水素原子位置まで含めて明らかにすることを目的とし、高エネルギーX線および中性子回折データの収集ならびにそれらの解析結果を、さまざまの結晶性高分子を例として総合的に記述した。まず、最近にまで至る高分子構造解析手法の発展について概要を述べるとともに、それらの各段階における問題点について考察した。斜方晶型ポリエチレン、アタクティックポリビニルアルコール、ポリ乳酸およびそのステレオコンプレックスなど、いろいろの意味で重要な高分子について、これまでに提案されてきた構造を再吟味するとともに、新たに提案した構造について記述した。水素原子位置についても精確に決定された場合は、それらの構造情報に基づく極限力学物性の定量的予測を行った。さらにはポリジアセチレンの場合について、X線および中性子構造解析によって得られた精密な電子密度分布および原子位置座標の情報にいわゆるX-N法を適用し、主鎖骨格に沿った結合電子密度分布についての導出についても言及した。構造物性相関解明における高分子結晶構造解析の今後の展開についても言及した。
友寄 克亮; 日下 勝弘*; 山田 太郎*; 玉田 太郎
Journal of Structural and Functional Genomics, 15(3), p.131 - 135, 2014/09
J-PARCの物質生命科学施設(MLF)に、250
を超える単位胞を持つ結晶からの回折データ収集を可能とする生体高分子専用高分解能単結晶中性子回折装置の設計を計画している。この新しい回折計は、膜蛋白質や超分子などの巨大蛋白質の詳細構造解析のために利用される予定である。パルス幅時間分解能を考慮し、結合型減速材(CM)と非結合型減速材(DM)の強度およびパルス幅の定量的な比較を行った結果、CMよりもむしろDMが我々の目指す回折計の基準を満たすことが分かった。この結果は狭いパルス幅をもつDMが、大型単位格子をもつ結晶からのブラッグ反射の分離には、必要不可欠であることを示唆するものである。一方で、特に、大型単位格子の場合にはDMからの弱い信号が、水素原子の非干渉性散乱によって引き起こされる高いレベルのバックグランドの下に埋没してしまうということも念頭に置かねばならない。我々は、時間方向のパルス形状を忠実に再現するためのエネルギー損失関数とStatistics-sensitive Nonlinear Iterative Peak-clipping法による精度の高いバックグラウンド除去法を組み合わせた反射積分方法を提案する。
日下 勝弘*; 細谷 孝明*; 山田 太郎*; 友寄 克亮; 大原 高志; 片桐 政樹*; 栗原 和男; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*
Journal of Synchrotron Radiation, 20(6), p.994 - 998, 2013/11
被引用回数：29 パーセンタイル：84.6(Instruments & Instrumentation)茨城生命物質構造解析装置iBIXは、主にあらゆる生命維持に関わる生体巨大分子の水素、プロトネーションや水和構造解明を目的とした飛行時間型中性子単結晶回折計である。2008年後半から、iBIXは茨城大学の支援によりユーザ実験に利用されている。2012年8月から既存の14台の検出器の更新が行われ、16台の新しい検出器がiBIXに設置された。現在の回折計の測定効率は、加速器出力の増加に伴い、以前の測定効率に比べて1オーダ改善した。2012年12月には、アップグレードされた検出器を用いた運用のコミッショニングに成功し、標準蛋白質であるリボヌクレアーゼAの回折データセット収集が試みられた。検出器アップグレード以前データ収集を行ったリボヌクレアーゼAの結果と比較し、最新のiBIXの性能評価を実施した結果、回折データの分解能、等価反射強度および構造精密化のR-factorが劇的に改善した。iBIXは世界で最も高性能な生物専用の中性子単結晶回折装置の一つであると予想される。
横山 武司*; 水口 峰之*; 鍋島 裕子*; 日下 勝弘*; 山田 太郎*; 細谷 孝明*; 大原 高志; 栗原 和男; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*
Journal of Synchrotron Radiation, 20(6), p.834 - 837, 2013/11
被引用回数：4 パーセンタイル：27.39(Instruments & Instrumentation)トランスサイレチン(TTR)は4量体で形成されるタンパク質である。TTRの誤った折り畳みや凝集はヒトのアミロイド疾患と関連がある。また、TTR四量体の解離はアミロイド線維形成カスケードの律速段階であると信じられている。さらに、低いpHは単量体への解離とアミロイド線維の形成を促進すると知られている。これらTTRのpH感受性と立体構造安定性に内在する分子機構を明らかにするために、茨城県生命物質構造解析装置を用いた飛行時間法による中性子回折実験を行った。本実験では、2.5mm
の体積を持つ結晶(育成期間: 4か月)を使用した。2.0分解能での中性子結晶構造解析の結果から、ヒスチジン88番残基のプロトン化状態とその状態に依存する水素結合ネットワークの詳細が明らかになった。この水素結合ネットワークは単量体・単量体間と二量体・二量体間の相互作用に関わっており、この結果から、酸性化によるヒスチジン88番残基の二重プロトン化がその水素結合ネットワークを破壊しTTR四量体の解離を引き起こすことが示唆された。また、酸性pHでのX線結晶構造との比較から、TTRのpH感受性の要因となる3つのアミノ酸残基が同定された。我々の中性子結晶構造モデルは、アミロイド症に関連する分子構造安定性を理解する上での手掛かりとなる。
H
ONH
PbBr studied using single-crystal neutron diffraction川崎 卓郎; 高橋 美和子*; 大原 高志*; 田中 伊知朗*; 日下 勝弘*; 細谷 孝明*; 山田 太郎*; 栗原 和男
Journal of the Physical Society of Japan, 81(9), p.094602_1 - 094602_6, 2012/09
被引用回数：5 パーセンタイル：41.09(Physics, Multidisciplinary)The structure of inorganic-organic perovskite morpholinium tribromoplumbate CHONHPbBr has been studied using single-crystal neutron diffraction with the time-of-flight Laue technique. Nuclear positions and anisotropic atomic displacement parameters of all the atoms are determined with high accuracy. The accuracy of bond lengths and angles in the organic part was almost one digit higher than that of X-ray data, showing the advantage of the neutron Laue technique for the structural study of the present system. The blue-shift in the band gap owing to the distortion in the inorganic octahedra is found in the optical diffuse reflection spectrum and in the electron density of state calculated by ab-initio band calculation.
横山 武司*; 水口 峰之*; 鍋島 裕子*; 日下 勝弘*; 山田 太郎*; 細谷 孝明*; 大原 高志*; 栗原 和男; 友寄 克亮*; 田中 伊知朗*; et al.
Journal of Structural Biology, 177(2), p.283 - 290, 2012/02
被引用回数：40 パーセンタイル：83.51(Biochemistry & Molecular Biology)Transthyretin (TTR) is a tetrameric protein associated with human amyloidosis. In vitro, the formation of amyloid fibrils by TTR is known to be promoted by low pH. Here we show the neutron structure of TTR, focusing on the hydrogen bonds, protonation states and pH sensitivities. A large crystal was prepared at pD 7.4 for neutron protein crystallography. Neutron diffraction studies were conducted using the IBARAKI Biological Crystal Diffractometer with the time-of-flight method. The neutron structure solved at 2.0 resolution revealed the protonation states of His88 and the detailed hydrogen-bond network depending on the protonation states of His88. This hydrogen-bond network is composed of Thr75, Trp79, His88, Ser112, Pro113, Thr118-B and four water molecules, and is involved in both monomer-monomer and dimer-dimer interactions, suggesting that the double protonation of His88 by acidification breaks the hydrogen-bond network and causes the destabilization of the TTR tetramer. In addition, the comparison with X-ray structure at pH 4.0 indicated that the protonation occurred to Asp74, His88 and Glu89 at pH 4.0. Our neutron model provides insights into the molecular stability of TTR related to the hydrogen-bond network, the pH sensitivity and the CH...O weak hydrogen bond.
田中 伊知朗*; 日下 勝弘*; 細谷 孝明*; 新村 信雄*; 大原 高志*; 栗原 和男; 山田 太郎*; 大西 裕季*; 友寄 克亮*; 横山 武司*
Acta Crystallographica Section D, 66(11), p.1194 - 1197, 2010/11
被引用回数：42 パーセンタイル：94.01(Biochemical Research Methods)次世代中性子線源であるJ-PARCに建設された茨城県生命物質構造解析装置(iBIX)は、2008年12月から運転を開始した。有機化合物結晶を用いた予備的な測定及び構造解析の結果、iBIXはJ-PARCの最終出力の1/8にあたる120kWでも十分な測定効率を発揮しており、タンパク質結晶の構造解析にも十分対応できることが明らかとなった。
田中 伊知朗*; 日下 勝弘*; 細谷 孝明*; 大原 高志*; 栗原 和男; 新村 信雄*
薬学雑誌, 130(5), p.665 - 670, 2010/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.02(Pharmacology & Pharmacy)茨城県は、茨城大学と日本原子力研究開発機構(JAEA)とともに、J-PARCにおいて産業利用を目的とした生物高分子用の飛行時間型(TOF)中性子回折装置、茨城県生命物質構造解析装置(iBIX)の建設をほぼ完了した。2009年以来茨城大学は、茨城県事業の下で実験を行うユーザーのために、本装置の運用を委託されてきた。本回折装置は、最大約150の格子長を持つ試料結晶をカバーするように設計されている。2mmの体積の結晶なら年間100個以上の試料の測定が期待され、さらに約0.1mmの体積の生物試料でも測定が期待できる。iBIXの効率は、J-PARCで出力1MWが実現したときに、JRR-3に既設の高性能回折装置の約100倍となることが期待されている。2008年12月からiBIXのユーザー利用が開始され、J-PARC出力20kWの下で幾つかのタンパク質や有機化合物がテスト測定されてきた。それらのタンパク質の一つは、最大1.4分解能の回折を示したが、この結果はiBIXで使用したものと同じ結晶を用いて妥当な露出時間で測定したとした場合のBIX-3(JRR-3設置)での結果にほぼ匹敵する。2009年5月には、検出器14台が設けられた。2009年度末までに、JAEAの協力の下、データ整理ソフトウェアの基礎部分が整備完了され、低温ガス吹付装置も設置される予定である。
田中 伊知朗*; 大原 高志; 栗原 和男; 日下 勝弘; 尾関 智二*; 新村 信雄*
no journal, ,
現在、J-PARCでは茨城県の予算で構造生物用単結晶中性子回折計の開発が進められており、申請者はこの開発における中心メンバーの一員である。この回折計は格子定数が最大135
の蛋白質結晶まで対応可能で、結晶体積が2mmの結晶を年間100サンプル測定できる装置を目指しており、その性能は現在JRR-3に設置されているBIX-3及びBIX-4回折計の50倍以上に相当する。この性能を確保するためには、特に高性能の検出器,中性子光学系,データ処理ソフトの開発が不可欠であるが、検出器についてはシンチレーター方式の高分解能2次元検出器の開発が進んでおり、光学系については中性子スーパーミラーを用いてサンプル位置まで効率的に中性子を輸送する系のデザインが完了している。また、データ処理ソフトについては、格子定数の大きな蛋白質結晶に対応すべく、重なり合ったブラッグ反射を分離するためのアルゴリズムを提唱し、現在開発を進めている。本発表では現時点におけるこれらの開発状況について報告する。
日下 勝弘; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 尾関 智二*; 栗原 和男; 相澤 一也; 森井 幸生; 新井 正敏; 江幡 一弘*; et al.
no journal, ,
茨城県が提案するJ-PARC生命物質構造解析装置は現存する生体高分子用回折計BIX-4と比べて約50倍の測定効率を目指し設計開発が進められている。この性能を達成するため、本装置はより中性子強度が強く、広いパルス時間幅を持つ結合型減速材を配するビームラインに導入される。この広いパルス時間幅を持つ入射中性子を用いることにより隣接するブラッグ反射は時間軸方向に部分的に重なりを持つことが予想される。装置設計パラメータはこれらの反射の重なりを考慮し決定されなければならない。また生体高分子中の水素原子の位置情報を十分な精度で得るためにはこの重なった反射の分離方法の確立が必要不可欠である。そこで反射の重なりの度合い,ブラッグ反射の測定収率,時間軸に沿った反射プロファイルを装置設計パラメータをもとにシミュレーションするコンピュータプログラムを開発した。このプログラムを用いたシミュレーションの結果をもとに生体高分子の構造解析に焦点をおいた装置設計パラメータ及び反射分離戦略の考察を行ったのでこれを報告する。
大原 高志; 栗原 和男; 日下 勝弘; 細谷 孝明; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 尾関 智二*; 相澤 一也; 森井 幸生; 新井 正敏; et al.
no journal, ,
茨城県生命物質構造解析装置は、J-PARCの物質生命科学実験施設に設置される単結晶回折計で、生体高分子及び有機低分子の構造解析を目的とする。本装置は中性子線源からの距離が40mあり、中性子を効率的に輸送する光学系が必要不可欠である。今回、本装置の中性子光学系として、スーパーミラーガイド管を設計した。ガイドの形状のうち、水平方向には曲率半径4300mのカーブドガイドを用いることで高エネルギーの
線及び中性子線を除去し、さらに先端部のテーパードガイドで中性子を集光する。一方、垂直方向は多段階のテーパードガイドを組合せることでミラー表面での中性子の反射回数を減らし、反射による中性子の減少を抑えた。McSTAS及びIDEASを用いたモンテカルロシミュレーションによって試料位置での中性子の強度などを評価したところ、ストレートガイドを用いた場合と比較して0.7で2倍、1.0でも1.6倍のゲインが得られた。
石川 卓哉*; 田中 伊知朗*; 茶竹 俊行*; 栗原 和男; 大西 裕季*; 日下 勝弘; 玉田 太郎; 黒木 良太; 新村 信雄*
no journal, ,
アミノ酸側鎖のプロトン解離状態はタンパク質の生理反応や安定性に対し大きな影響を与える。しかし、その解離は側鎖周囲の環境にも依存し溶液のpHだけから推定は困難である。よって、プロトン解離状態の決定には実験的に測定することが必要となる。中性子回折法は、他の元素同様に水素と相互作用するため水素原子観察の有効な手段である。そこで、われわれはBIX-4回折装置(原子力機構JRR-3)を用い、pD=6(重水溶液を使用)でのインスリン正方晶結晶の中性子回折測定を行った。さらに既報のpD=9での中性子解析結果(Maeda, et al. 2004)及びpH=6でのX線解析結果(Diao, 2003)と比較考察した。試料調製では、結晶化曲線に基づき大型結晶を育成し、最後に水素原子由来バックグラウンドの低減のため重水溶液に置換した。回折実験では2.5分解能のデータ取得に成功した。この構造解析から、B鎖ヒスチジン(His)5番及び10番残基では側鎖のプロトン解離状態(遊離基の場合pK
6)は異なり、pD=6, 9両方でHis5 N
のみ脱プロトン化し、それ以外はプロトン化していた。以上の結果は、中性子回折法がタンパク質のプロトン解離状態を決定する有力な方法であることを示している。
日下 勝弘; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 栗原 和男; 細谷 孝明; 尾関 智二*; 相澤 一也; 森井 幸生; 新井 正敏; et al.
no journal, ,
茨城県がJ-PARC, MLF施設に設置予定の生命物質構造解析装置は現存する最高性能の生体高分子用中性子回折計BIX-4の50倍以上の測定効率を目指して設計・開発が進められている。本装置はこの高い測定効率を実現するため、結合型減速材を配するビームラインに設置することが決まっている。結合型減速材からの中性子ビームはパルス時間幅が広いため、格子定数の大きな単結晶試料の回折パターンを測定する場合、隣接するブラッグ反射が時間・空間方向に重なりを示すことが予想される。生体高分子中の水素位置を決定するに十分な分解能の積分反射強度データを得るためには、重なりを持つ反射の積分強度も高い精度で分離しデータとして用いなければならない。また、装置設計はこのブラッグ反射の重なりとその分離を考慮して行わなければならない。そこでわれわれは、反射重なりの度合い,反射の測定収率,時間軸に沿ったピークプロファイルを、装置設計パラメータをもとにシミュレーションする3つのプログラムを開発した。これらのプログラムを用いたシミュレーションの結果をもとに、最適な装置設計パラメータ及び反射分離法の検討を行ったのでこれを報告する。
日下 勝弘; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 栗原 和男; 細谷 孝明; 尾関 智二*; 相澤 一也; 森井 幸生; 新井 正敏; et al.
no journal, ,
茨城県が原子力機構の協力のもとJ-PARC, MLFに建設を開始した生命物質構造解析装置(BIX-P1)は最大格子長約150の単結晶試料の回折データが測定可能で、現存する最高性能の生体高分子用中性子回折計BIX-3,4(JAEA)の100150倍の測定効率を目指している。本装置はこの高い測定効率を実現するため、結合型減速材を配するビームラインに設置される。しかし、結合型減速材からの中性子ビームはパルス時間幅が広く、隣接する反射が時間・空間方向に重なりを示すことが予想される。よって、装置設計パラメータはこのブラッグ反射の重なりとその分離を考慮し決定しなければならない。そこで、われわれは回折計の設計パラメータをもとにTOF回折データをシミュレーションする3つのプログラムを独自に開発し、(1)反射重なりシミュレーションによる光学系パラメータと試料-検出器間距離の検討,(2)ブラッグ反射の収率シミュレーションによる最適な検出器配置と高効率な測定方法の検討,(3)ブラッグ反射の時間方向のプロファイルシミュレーションによる反射分離方法の考察を行った。本発表ではそれぞれの検討・考察の結果を報告する。
