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論文

Status of the neutron time-of-flight single-crystal diffraction data-processing software STARGazer

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:68.69(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.

論文

Structure analysis and derivation of deformed electron density distribution of polydiacetylene giant single crystal by the combination of X-ray and neutron diffraction data

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:12.11(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.

論文

Application of profile fitting method to neutron time-of-flight protein single crystal diffraction data collected at the iBIX

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:67.29(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.

論文

Measurements of small organic molecules on the single crystal neutron diffractometers for biomolecules at JAERI

大原 高志; 栗原 和男; 玉田 太郎; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*; 黒木 良太

Physica B; Condensed Matter, 385-386(2), p.1049 - 1051, 2006/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Condensed Matter)

JRR-3炉室に設置された単結晶中性子回折計BIX-3及びBIX-4は、生体高分子用に設計されたものではあるが、入射中性子の波長を2.9Aから1.5Aに変更することで分子量の小さな有機化合物結晶の測定も可能となる。これらの回折計は検出器として大面積の中性子イメージングプレートを備えているため、比較的格子定数の大きな有機結晶の単結晶回折や繊維回折の測定を効率的に行うことができる。本発表では、BIX-3及びBIX-4の、低分子結晶用の回折計としての性能を紹介する。

論文

Endohedral clusterization of ten water molecules into a "molecular ice" within the hydrophobic pocket of a self-assembled cage

吉沢 道人*; 楠川 隆博*; 河野 正規*; 大原 高志; 田中 伊知朗*; 栗原 和男; 新村 信雄*; 藤田 誠*

Journal of the American Chemical Society, 127(9), p.2798 - 2799, 2005/03

 被引用回数:253 パーセンタイル:97.33(Chemistry, Multidisciplinary)

水分子の注目すべき特徴として、疎水環境下で水分子同士が水素結合ネットワークを形成して自身の極性を中和するという点が挙げられる。本研究では、配位結合を用いて設計した分子カプセル中の疎水環境下で水分子10個から成るアダマンタン型クラスターを得ることに成功した。このクラスターはIce-Icの最小単位と類似していることから、「氷分子」ということができる。この氷分子のX線及び中性子回折実験から、この氷分子と周囲の疎水部の間に働いているのは当初予想されてたHOH...pi相互作用ではなく、H$$_{2}$$O:...pi相互作用であり、これによって氷分子が疎水環境下で安定化することが明らかとなった。

論文

A Neutron crystallographic analysis of a rubredoxin mutant at 1.6 ${AA}$ resolution

茶竹 俊行*; 栗原 和男; 田中 伊知朗*; Tsyba, I.*; Bau, R.*; Jenney, F. E. Jr.*; Adams, M. W. W.*; 新村 信雄

Acta Crystallographica Section D, 60(8), p.1364 - 1373, 2004/08

 被引用回数:31 パーセンタイル:88.46(Biochemical Research Methods)

${it Pyrococcus furiosus}$由来ルブレドキシンの高い熱安定性の起源を明らかにするため、その変異型に対する1.6${AA}$分解能中性子結晶構造解析(重水中で結晶育成)を生体高分子用中性子回折装置BIX-3(原研原子炉JRR-3内設置)を用いて行った。${it P. furiosus}$由来ルブレドキシンは、通常の熱安定性を持つ常温菌由来のルブレドキシンと異なるアミノ酸残基部分を持つ。そこで、その中で重要と考えられる3つの残基を常温菌のものに変えた変異型を発現させ、その水素結合パターンを変異の無い野生型と比較した。その結果、変異を行った残基の一つで水素結合パターンの違いが明らかになった。これをもとに熱安定性の議論を行った。一方で、このタンパク質の水素/重水素置換率の詳細も調べた。その結果、ルブレドキシンの鉄-硫黄中心(酸化還元機能を司る)にかかわる4つのシステイン残基周辺は、最も水素/重水素置換が進んでいないということがわかった。これはこの周囲の構造が安定であることを示唆している。加えて、この高分解能な中性子構造解析により、水和水の秩序性も含めた詳細な水和構造が明らかになった。

論文

中性子単結晶構造解析,生物回折計

栗原 和男; 田中 伊知朗*; 新村 信雄

日本結晶学会誌, 46(3), p.193 - 200, 2004/05

この入門講座はX線タンパク質結晶構造解析経験者のための中性子構造生物学実験用回折装置の解説である。生命現象の中で水素原子の果たす役割や生体物質と水とのかかわりは大変重要である。それらを原子レベルで観察し議論することを可能にする、最も有効な実験手法の一つが中性子回折法である。この研究分野は中性子イメージングプレート(NIP)の開発によって飛躍的に躍進した。このNIPを装備した高分解能生体高分子用中性子回折装置BIX-3, BIX-4が原研に設置されている。ここでは、中性子回折装置建設及び実験計画をたてるうえで知っていて欲しい重要な違いに限定して、本回折装置の主要機器や全体詳細構造及び周辺機器,大型結晶育成から回折データ取得及び処理までの中性子回折実験の流れを紹介し、さらに生体高分子用中性子回折装置の今後の展望について述べる。

論文

世界最高性能を誇る中性子回折装置

新村 信雄; 栗原 和男; 田中 伊知朗

化学, 59(2), p.46 - 47, 2004/02

タンパク質は3次元立体構造を構築してはじめて機能(酵素反応,情報伝達等)を発揮し、それには、水素原子,水分子及び分子内,分子間水素結合が直接的,間接的に関与している。しかし、水素原子からのX線の散乱は極めて弱いので、X線結晶解析法で決定された立体構造には水素原子の位置情報が含まれない。そのため、常に水素原子が絡んだ機能解明には何らかの類推が入り、議論をあやふやにしていた嫌いがあった。これを可能にする唯一の実験手法が中性子回折法である。われわれは中性子イメージングプレート(NIP)や高性能中性子モノクロメータを開発実用化し、これらを備えた世界最高性能の中性子回折装置を原研JRR-3に設置した。原子炉からの熱中性子(波長約0.1nm)をタンパク質単結晶(1mm角が必要)に照射し、単結晶でブラグ反射した中性子をNIPで検出し、解析することで、原則的にタンパク質や水和水のすべての水素原子を決定できる。熱中性子はタンパク質結晶に放射線障害を与えないので、実験は常温下で行える。これらデータを解析することで、タンパク質や水和構造の水素原子を決定する。なお、現在世界でタンパク質の中性子回折実験ができるのは、日本の原研,フランスのラウエランジュバン研究所,アメリカのロスアラモス研究所の3か所である。

論文

Neutron crystallography of hen egg-white lysozyme at pH4.9

前田 満; 藤原 悟; 米澤 康滋*; 新村 信雄

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.403 - 405, 2001/05

タンパク質の機能、安定性を明らかにするためには、異なったpHでのタンパク質におけるアミノ酸のプロトネーションの状態を知ることが重要である。この問題に答えるために、異なったpHにおけるニワトリ卵白リゾチームの中性子結晶構造解析を行っている。本研究においては、pH4.9のニワトリ卵白リゾチームの中性子回折実験を日本原子力研究所の生体物質用中性子回折計(BIX-II)において行った。pH4.9のニワトリ卵白リゾチームの中性子結晶構造解析により、酵素活性部位において、グルタミン酸35(Glu35)のカルボキシル基に1つの水素がプロトン化され、アスパラギン酸52(Asp52)のカルボキシル基には、プロトン化されていなかった。この結果は、リゾチームの触媒機構のモデルと一致した。

論文

Neutron diffraction study on the structure of rubredoxin from it Pyrococcus furiosus

栗原 和男; 田中 伊知朗; Adams, M. W. W.*; Jenney, F. E. Jr.*; Moiseeva, N.*; Bau, R.*; 新村 信雄

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.400 - 402, 2001/05

生体物質中性子回折装置BIX-3(日本原子力研究所JRR-3M 1Gサイト)を用いてルブレドキシン(超好熱菌由来、分子量約6,000、鉄-硫黄タンパク質)の中性子構造解析を現在行っている。このタンパク質は熱安定性が高く、その安定性と立体構造の関係が注目されている。今回用いた結晶の大きさは2.0$$times$$2.0$$times$$1.0 mmであった。データはステップスキャン法で測定し、ステップ間隔は$$phi$$軸の周り0.3°とした。露出時間は1フレームにつき約60-77分であり、全体では正味約35日間測定を行った。この回折測定では、d=1.5Å付近まで(コンプリートネスは76.8%)回折点を検出することができた。構造の精密化では301個の水素原子を含めた。現在のところ、分解能=1.5ÅでR因子=24.0%, R-free因子=26.3%である。また40個の重水素原子と29個の水和水を決定している。

口頭

J-PARCの大強度中性子を用いた結晶化学の新展開

大原 高志

no journal, , 

近年、茨城県東海村に建設されたJ-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)は陽子加速器による核破砕反応を利用した大強度パルス中性子実験施設であり、2008年からiBIX、2012年からSENJUという2台の単結晶回折計がそれぞれ稼働を開始した。これらの回折計ではパルス中性子の特徴を利用したtime-of-flight (TOF) Laue法によって広い逆空間を一度にスキャンできるため、J-PARCの大強度中性子と相まって従来に比べて小さい0.5mm角程度の単結晶試料を用いた測定が現実的なビームタイムで可能となった。加えて、SENJUでは極低温($$sim$$4K)や磁場($$sim$$7T)環境下での測定が可能であり、高温や高圧、電場といった様々な試料環境の整備も進めている。これにより、これまで結晶サイズの問題から測定を諦めざるを得なかった様々な機能性有機・有機金属結晶の単結晶中性子構造解析を、その機能が発現する環境下で実現できると期待される。

口頭

Neutron structure analysis at J-PARC

大原 高志

no journal, , 

Single-crystal neutron diffraction is one of the most fundamental and powerful techniques to determine the arrangement of light elements and magnetic moments in crystalline materials with high accuracy and reliability. Recently, two single crystal neutron diffractometers, iBIX and SENJU, were built at J-PARC/MLF. Although those two diffractometers use similar detectors and software, character is quite different. iBIX equips a gas-stream type cryostat as a sample environment device and suitable for protein crystals and unstable molecular crystals. On the other hand, SENJU has a vacuum sample chamber for low-background measurements of small single crystal and various types of sample environment devices.

口頭

タンパク質単結晶中性子回折装置BIX-3,4の高性能化への取り組み

栗原 和男*; 平野 優*; 廣本 武史*; 田村 格良; 玉田 太郎*

no journal, , 

生体高分子を測定対象とするBIX-3, BIX-4(JRR-3炉室設置)は、これまでに21つの構造を中性子結晶回折法により明らかにしている。装置を高性能化することで試料対象や測定可能領域を広げることができれば、量子生命分野への適応も含めた今後の発展が大きく期待できる。そこで、(1)測定可能な回折データ分解能d$$_{min}$$の高分解能化を実施するとともに、(2)長波長中性子ビームラインを利用した高分子量タンパク質を測定可能にする回折装置設置の検討を進めている。(1)BIX-3,4ではモノクロメータをSi(111)結晶からSi(311)結晶に変更することで、より短波長な単色中性子を得て高分解能化を実現した(BIX-3,4: d$$_{min}$$=0.8, 0.7$AA)$。(2)バックグラウンドの低いビームホールにあるJRR-3冷中性子ビームラインの高強度化が進められていることから、BIX-3,4の片方をビームホールに移設することを検討している。検討装置が利用する長波長ビーム内の角度分散の利得成分を計算機シミュレーションし、高分子量タンパク質に対する検討装置の測定性能を評価している。本発表では、これまでの高性能化の実施・評価結果を報告する。

口頭

タンパク質用中性子回折装置BIX-3,4の高性能化

栗原 和男*; 平野 優*; 廣本 武史*; 田村 格良; 玉田 太郎*

no journal, , 

タンパク質などの生体高分子を測定対象とするBIX-3, BIX-4(JRR-3炉室設置)は、直接観察された水素原子や水和水の構造情報から、タンパク質の機能発現に必須なプロトン化状態の決定や低障壁水素結合の生体高分子における初めての観察などの成果を上げてきた。この中性子を用いた構造機能研究は、回折装置を高性能化することで試料対象や回折データ測定可能領域を広げることができれば、今後の発展が大きく期待できる。(1)BIX-3,4のモノクロメータはSi(111)結晶で、装置の分解能はそれぞれ${it d}$ $$_{min}$$ = 1.5${AA}$, 1.4${AA}$である。モノクロメータをSi(311)結晶に変更し、短波長中性子を得て、装置仕様分解能としてサブ${AA}$レベルまでの高分解能化を実現した。(2)近年、JRR-3ビームホールの冷中性子ビームラインが高強度化されている。長波長ビームは大型の単位格子を持つ結晶からの反射の分離に有利なため、BIX-3,4の一方のビームホール移設を検討しており、得られる中性子強度利得および反射分離能について計算機シミュレーション等から性能評価を行っている。本発表では、これまでの高性能化の実施・評価結果を報告する。

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