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論文

Cesium chemisorbed species onto stainless steel surfaces; An Atomistic scale study

Miradji, F.; 鈴木 知史; 中島 邦久; 逢坂 正彦

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 136, p.109168_1 - 109168_9, 2020/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:23.44(Chemistry, Multidisciplinary)

Under the scope of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1-F) severe accident (SA), Cs retention is of high interest as its impacts Cs distribution, decommissioning and dismantling work of the reactor. To derive consistent and appropriate models for such process, accurate thermodynamic properties of Cs chemisorbed species are required by the SA analysis codes. In particular, for CsFeSiO$$_4$$, a newly identified Cs chemisorbed species under conditions similar to 1-F SA, the thermodynamic data are unknown in literature. We propose in this work the obtention of the fundamental properties of this substance by theoretical approaches. The consistency and appropriateness of derived computational methodology have been investigated by calculating the thermodynamic properties of relatively known Cs-Si-O substances. It was found that our computational methodology provides excellent agreement with literature data lying between 1-4% for the formation energy, 1-5% for standard entropy and heat capacity. The thermodynamic properties of CsFeSiO$$_4$$ in function of temperature have been estimated for the first time using harmonic and quasi-harmonic approximations, values being consistent with both methodologies.

論文

Hydrogen and hydration in proteins and nucleic acids; Neutron diffraction from bio-macromolecules at JAERI

新村 信雄; 新井 栄揮; 栗原 和男; 茶竹 俊行*; 田中 伊知朗*; Bau, R.*

Hydrogen- and Hydration-Sensitive Structural Biology, p.17 - 35, 2005/00

原研において、われわれは生体高分子のための幾つかの高分解能中性子回折計(BIX-type回折計)を建設した。この論文では、BIX-type回折計で得られた、蛋白質中の水素位置及び水和に関する幾つかの興味深い結果について再考する。中性子蛋白質結晶学の一般的な話題が著者らによって再考され、選ばれた幾つかのトピックスが議論される。

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

Neutron crystallographic study on rubredoxin from ${it Pyrococcus furiosus}$ by BIX-3, a single-crystal diffractometer for biomacromolecules

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

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(31), p.11215 - 11220, 2004/08

 被引用回数:46 パーセンタイル:62.17(Multidisciplinary Sciences)

原研原子炉JRR-3設置の生体高分子用中性子回折装置BIX-3を用いて、高い熱安定性を持つ${it Pyrococcus furiosus}$由来ルブレドキシンの中性子結晶構造解析を行った。結晶化はH原子からのバックグラウンドを抑えるため重水中で行った。回折実験は常温で行い、1.5${AA}$分解能でデータ収率81.9%を得た。立体構造モデルの精密化では、306個のH原子と50個のD原子及び37個の水和水を同定した。その結果、モデルの信頼性を示す${it R}$因子及び${it R}$$$_{free}$$因子は最終的に各々18.6%, 21.7%となった。この中性子解析により、X線解析では明確でなかったアミノ酸側鎖のO-D結合の方位を明らかにできた。また、主鎖のN-H結合のH原子は多くがD原子に置換されている一方で、その中で5つのH原子は置換されずに保たれていることがわかった。これはその周囲の高い構造安定性を示す。さらに中性子散乱密度図では、このタンパク質の高い熱安定性に寄与していると考えられているND$$_{3}$$$$^{+}$$末端のその周囲に広がる水素結合ネットワークを詳細に明らかにすることができた。

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

A High-performance neutron diffractometer for biological crystallography (BIX-3)

田中 伊知朗; 栗原 和男; 茶竹 俊行; 新村 信雄

Journal of Applied Crystallography, 35(Part1), p.34 - 40, 2002/02

生体高分子の水素原子の位置を決定するために、生体高分子結晶構造解析用高性能中性子回折計(BIX-3)が日本原子力研究所(JAERI)JRR-3Mに建設された。これには、中性子イメージングプレートや筆者らが開発した弾性湾曲シリコンモノクロメータなどのいくつかの最新の革新的技術が採用されている。これらのおかげでこの回折計はコンパクトな垂直型配置が可能となった。タンパク質のミオグロビンやルブレドキシンからのデータ収集は約1ヶ月で、高精度に水素原子位置を同定できる1.5Å分解能のデータであった。ブラッグ反射強度を測定するために結晶ステップ走査法を採用することにより、シグナル・ノイズ比はラウエ法と比較して大変良好だった。これはBIX-3が現在、世界のタンパク質用の中性子結晶構造解析装置のなかで最良の装置の一つであることを示している。

論文

Neutron protein crystallography in JAERI

新村 信雄

Journal of the Physical Society of Japan, 70(Suppl.A), p.396 - 399, 2001/05

原研では生体高分子用中性子回折装置(BIX-3)の建設を完了した。これにより、ミオグロビン、ルブレドキシンの中性子構造解析を行い、分解能1.5Aが得られた。これは世界で始めて達成された新記録であり、これにより、タンパク質内の水素結合の詳細、H/D交換が分子のダイナミクスや分子中での立体配置に直接関係すること、水和構造の詳細が明確に得られた。

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。

論文

Effects of Pb depositon on pre-covered Ag/Ni(111) surface; Manipulation of growth mode and growth orientation

伊藤 孝彦*; 中西 繁光*; 梅澤 憲司*; 山本 春也; 鳴海 一雅; 楢本 洋

JAERI-Review 99-025, TIARA Annual Report 1998, p.182 - 184, 1999/10

あらかじめAg原子をNi(111)表面に蒸着した系に、さらにPb原子を吸着した場合の表面吸着Ag,Pb原子の再配列の様子を、低速イオン散乱法によって調べ以下の結論を得た。(1)Pbを蒸着すると、Ag原子は2次元配列から、3次元配列へと変化した。方位関係はAg[112]//Ni[112]。一方その間Pbの配列の特性は変化しなかった。(2)高温で熱処理(570$$^{circ}C$$)すると、Agの配列がAg[112]//Ni[112]からAg[112]//Ni[112]へと反転した。

論文

Crystallographic study on the phase transition of $$alpha$$-U$$_{2}$$N$$_{3}$$

芹澤 弘幸; 福田 幸朔; 桂 正弘*

Transactions of the American Nuclear Society, 66, p.196 - 197, 1992/11

U-N系化合物の1つに$$alpha$$-U$$_{2}$$N$$_{3+x}$$がある。この化合物は、0≦X$$<$$1の組成幅を持つ事が知られており、Xの増加とともにその結晶系がMn$$_{2}$$O$$_{3}$$型からCaF$$_{2}$$型へと変化すると推測されている。この相変化を明らかにするためには、$$alpha$$-U$$_{2}$$N$$_{3}$$の広い組成範囲での研究が必要であるが、1.80$$<$$N/Uの組成範囲での実験データは皆無に等しい。そこで本研究では、アンモニア窒化法を用いて生成した高窒素含有量の$$alpha$$-U$$_{2}$$N$$_{3}$$(N/U$$>$$1.80)と、窒素ガスで生成した低窒素含有量の$$alpha$$-U$$_{2}$$N$$_{3}$$(N/U$$<$$1.80)について、X線と中性子線回折とを並用してRietveld解析を行った。その結果、窒素含有量の変化にともなうU原子の原子位置の変化に一定の傾向がある事を思い出したが、この傾向はこれまでの報告と異なり、CaF$$_{2}$$型への転移を示さなかった。又、固容窒素の増加とともに、U-Uの原子間距離が顕著に減少している事も判明した。

口頭

Frame-structural effect of ligands on separation behavior of lanthanides in biphasic extraction system

矢板 毅; 鈴木 伸一; 小林 徹; 塩飽 秀啓

no journal, , 

Frame-structure of a ligand would be one of the important factors for discussion about an ion selectivity of ligand on biphasic extraction system. Especially, the relationship between the coordination space around a metal ion and the bulkiness of a ligand is noteworthy parameter. In this study, we focused on the phosphine oxide composed of two phosphoryl groups (DPDO) and the carbamoyl phosphine oxide (CMPO), and discussed about relationship between extraction behavior and frame structural differences determined by X-ray crystallography and EXAFS. This study demonstrated that differences in symmetry of frame structure of a ligand effects on coordination structure of a series of lanthanides and their extraction behaviors.

口頭

Structural and thermal properties of Cs-Fe-Si-O systems under LWR severe accident by DFT calculations

Miradji, F.; 鈴木 知史; 中島 邦久; 逢坂 正彦

no journal, , 

In the framework of FDNPS severe accident (SA), Cesium (Cs) retention phenomena are of high interest due to their impact on the decommissioning and dismantling work. Current SA analysis codes present large uncertainties in the estimation of Cs retention at reactor coolant system regions, due in part to the lack of knowledge in Cs chemisorption processes onto stainless steel (SS) surfaces. To improve and extend knowledge on Cs chemisorption mechanisms with SS, we investigated potential Cs-(Fe)-Si-O formed species by means of experimental and theoretical approaches. In this study, we will present the derivation of Cs-(Fe)-Si-O substances structural and thermodynamic properties from DFT calculations and the validation of developed computational methodology through comparisons with available literature data. In particular, the thermodynamic properties of newly characterized Cs chemisorbed species in our experimental tests are provided for the first time.

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。

口頭

Neutron diffractometer for protein crystallography at cold neutron beam line of JRR-3

栗原 和男*; 田村 格良; 平野 優*; 廣本 武史*; 河野 史明*; 玉田 太郎*

no journal, , 

The elucidation of the protein-protein interaction, especially among membrane proteins and protein complexes, is one of the most important research fields in life science. Such proteins have large molecular weights, and the lattice lengths of their crystals have large values. Cold neutrons contribute to improve the difficulty in separating Bragg peaks from those crystals. A diffractometer, to be installed at the cold neutron beamline, will be equipped a feature to choose a wavelength appropriate for data collection. As the effectively usable angular divergence is limited for the single crystal diffraction method, neutron beam within the divergence of 1.0 degree at the cold beamline was simulated by the McStas program. From the calculation the peak wavelength of the spectrum at C1-3 beam port was shifted from 0.4 nm to 0.29 nm, and the gain was one order of magnitude at the wavelength of 0.29 nm by the upgrading. The performance of the diffractometer will be discussed.

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