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田代 孝二*; 日下 勝弘*; 山元 博子*; 細谷 孝明*; 岡田 修司*; 大原 高志
Polymers (Internet), 15(2), p.465_1 - 465_44, 2023/01
被引用回数：3 パーセンタイル：11.04(Polymer Science)The development in the crystal structure analysis of synthetic polymers using the hybridized combination of wide-angle X-ray and neutron diffraction (WAXD and WAND, respectively) techniques has been reviewed with many case studies performed by the authors. At first, the technical development was reviewed. Secondly, the usage of the WAND method was introduced, in which the successful extraction of hydrogen atomic positions was described. The third example is to show the importance for the hybrid combination of these two diffraction methods. Finally, the application of WAND technique in the trace of structural changes induced under the application of external stress or temperature was described. The future perspective is described for the development of structural science of synthetic polymers on the basis of the combined WAXD/WAND techniques.
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：15 パーセンタイル：74.07(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：6 パーセンタイル：18.61(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：12 パーセンタイル：60.96(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：29 パーセンタイル：62.81(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。
日下 勝弘*; 大原 高志; 山田 太郎*; 鬼柳 亮嗣
波紋, 25(2), p.171 - 178, 2015/00
Single crystal neutron diffractometer is a powerful tool to obtain the structure and magnetic information of various materials including the light elements. Two single crystal time-of-flight neutron diffractometers have been newly constructed at the Materials and Life Science Experimental Facility (MLF), J-PARC. One is IBARAKI biological crystal diffractometer called iBIX dedicated for structural biology and chemistry. The other is extreme environment single crystal diffractometer called SENJU for solid state physics and chemistry field. A brief introduction, specification of these diffractometers and examples of experimental results by using them are reported in this paper.
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：6 パーセンタイル：20.64(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：39 パーセンタイル：85.62(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：7 パーセンタイル：36.21(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：7 パーセンタイル：45.48(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：49 パーセンタイル：82.40(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：52 パーセンタイル：94.69(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：0.00(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。
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。
友寄 克亮; 日下 勝弘*; 山田 太郎*; 玉田 太郎
no journal, ,
蛋白質の生体高分子結晶の中性子回折実験では、生体高分子に含まれる水素からの非干渉性散乱によるバックグラウンドが高いため反射強度が低下する。特に弱い反射の積分強度精度向上させるためには、プロファイルフィッティング法が有効である。第一段階として茨城生命物質構造解析装置iBIXが設置されているビームラインの結合型減速材特性に合致したTOFプロファイル解析関数を模索することにした。この減速材から出る中性子はパルス幅が広がり減衰部は長いテイルを引くため、このような非対称性部を忠実に再現する解析関数が必要である。荷電粒子が薄い物質を通過する際の電離損失分布Landau, Vavilov分布が、減速材液体水素との衝突による中性子の運動エネルギー損失分布に類似していると考え、結合型減速材TOFプロファイルを表現するのに良い関数であると考えた。実験データに適用した結果良い一致を示すことがわかった。今後建設予定のJ-PARC生体高分子専用高分解能中性子結晶回折計についても、iBIXとは異なる非結合型減速材が設置されているが、減速機構は同様であるため積分強度精度改善が期待される。
平野 優; 玉田 太郎; 栗原 和男; 日下 勝弘*; 三木 邦夫*
no journal, ,
タンパク質の構造や機能を理解するために水素原子の情報は重要である。これまでタンパク質中の水素原子の構造は、低分子から得られた結合距離、結合角の理想値に基づいて議論されてきた。したがって理想値の制約を受けない水素原子の構造情報を取得することは、タンパク質研究に大きく貢献すると考えられる。中性子は水素原子についても比較的大きい散乱能をもつため、中性子構造解析において水素原子の検出は容易である。本研究では、HiPIPを用い高分解能での中性子構造解析を行った。中性子回折実験は、大強度陽子加速器施設J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)のBL03(iBIX)ビームラインにおいて行い、タンパク質としては世界最高分解能である1.1分解能の回折データを得ることができた。構造精密化の結果、超高分解能のX線構造においても観測の困難であった、タンパク質表面の解離性アミノ酸残基のプロトン化状態を決定することができた。また、水素原子の結合距離、結合角において理想値からのずれを多数観測することができた。
平野 優; 玉田 太郎; 栗原 和男; 日下 勝弘*; 大野 拓*; 竹田 一旗*; 三木 邦夫*
no journal, ,
タンパク質の構造形成や酵素反応には水素結合が関与している。これまでタンパク質中の水素原子の構造は、低分子から得られた結合距離、結合角の理想値に基づいて議論されてきた。しかしながら理想値の制約を受けない水素原子の構造情報を取得することは、タンパク質の構造や機能を理解するために重要であると考えられる。高電位鉄硫黄タンパク質(HiPIP)は、紅色光合成細菌の光合成電子伝達系においてはたらく電子運搬タンパク質である。本研究では、HiPIPを用い高分解能での中性子構造解析を行った。中性子回折実験は、大強度陽子加速器施設J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)のBL03(iBIX)ビームラインにおいて行い、タンパク質としては世界最高分解能である1.1オングストローム分解能の回折データを取得することができた。構造精密化の結果、水素原子位置や結合距離など、水素結合を形成する原子の配置、パラメーターについて、従来の理想モデルから外れる例を多数観測することができた。
