統計学的解析によるXFELバイオナノイメージングの深化

通过统计分析深化XFEL生物纳米成像

• 批准号: 21K03497
• 负责人: 城地 保昌
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03497/
• 关键词: コヒーレント回折イメージング; X線レーザー; 生物物理; 位相回復; 実験データ解析; ノイズ除去; 統計学

生命現象を理解するには、構成要素である生体ナノ粒子が機能を発現している状態の過渡的な瞬間構造を捉えることが不可欠であり、超短パルスのXFELを利用したコヒーレント回折イメージング(CDI)は、そのポテンシャルをもつ。その実現のためには、試料以外からの背景散乱、ノイズ、検出器の不感領域等が含まれる実験データから確からしい試料の電子密度を再生する位相回復法の開発と、その信頼度の定量化が希求される。本研究では、これまで培ってきたCDIデータ解析技術を発展させ、統計学的観点の工夫を取り入れることで、次の２つのデータ解析手法開発を行う。(A) ベイズ推定に基づく背景散乱除去付位相回復法(B) イメージ画素毎に解析結果の信頼度を定量化する確率的電子密度解析法令和4年度は、令和3年度に開発した(A)の手法を、検出ノイズおよび背景散乱レベルを変えて計算した70Sリボソームの回折パターンに対して実行し、その適用範囲を調べた。現状のX線自由電子イレーザー施設SACLAで研究代表者等が行っている利用実験のS/N比が当初想定よりかなり低く、(A)の手法の適用範囲外であった。現状のSACLAの測定条件に対応する非常にS/N比の低い回折パターンから確度の高い位相回復を行うための手法を検討中である。並行して、(A)の手法の適用範囲内である回折パターンについて、(B)の解析法開発を開始した。具体的には初期乱数を変えて(A)の手法を適用した結果を統計的に解析し、画素毎の信頼度を定量化する検討を行った。

要了解生活现象，必须使用XFEL的超短脉冲具有这种潜力，捕获组成生物纳米颗粒的瞬时瞬时结构（CDI）。为了实现这一目标，希望开发一种相恢复方法来再生样品的电子密度，这从包括背景散射，噪声，检测器的死区并量化其可靠性的实验数据可以明显看出。在这项研究中，我们将通过开发我们迄今为止已经培养的CDI数据分析技术并结合统计思想，从而开发以下两种数据分析方法。 (A) Phase recovery method with background scattering removal based on Bayesian estimation (B) The probabilistic electron density analysis method that quantifies the reliability of analysis results for each image pixel In fiscal 2022, the method (A) developed in fiscal 2021 was performed on the diffraction patterns of 70S ribosomes calculated by varying detection noise and background scattering levels, and the scope of their application was investigated.当前X射线游离电子橡皮擦设施SACLA的S/N比的S/N比显着低于最初预期的，并且超出了该方法的应用范围（a）。我们目前正在考虑一种从极低的S/N比的衍射模式中获得高度准确的相位恢复的方法，该模式与当前的SACLA测量条件相对应。同时，我们已经开始为（b）开发一种分析方法，用于在应用（a）应用范围内的衍射模式。具体而言，我们在统计上分析了使用初始随机数应用方法（a）的结果，并检查了每个像素的可靠性。

项目成果

Femtosecond X-ray Laser Reveals Intact Sea?Island Structures of Metastable Solid-State Electrolytes for Batteries

飞秒 X 射线激光揭示了电池用亚稳态固态电解质的完整海岛结构

• DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04392
• 发表时间: 2022
• 期刊: Nano Letters
• 影响因子: 10.8
• 作者: Suzuki Akihiro;Tanaka Hiromochi;Yamashige Hisao;Orikasa Yuki;Niida Yoshiya;Kimura Takashi;Tono Kensuke;Yabashi Makina;Ishikawa Tetsuya;Bessho Yoshitaka;Joti Yasumasa;Nishino Yoshinori
• 通讯作者: Nishino Yoshinori

Ｘ線自由電子レーザーによるソフトマテリアルの無損傷ナノイメージング

使用 X 射线自由电子激光对软材料进行无损伤纳米成像

• 发表时间: 2021
• 作者: 西野 吉則;鈴木 明大;新井田 雅学;別所 義隆;城地 保昌
• 通讯作者: 城地 保昌

X線自由電子レーザーによる分子レベルイメージングの実現に向けて

利用 X 射线自由电子激光器实现分子级成像

• 发表时间: 2022
• 作者: 寺坂健一郎;吉村信次;斉藤稔;城地保昌
• 通讯作者: 城地保昌

Three-dimensional structure determination of gold nanotriangles in solution using X-ray free-electron laser single-particle analysis

• DOI: 10.1364/optica.457352
• 发表时间: 2022-07-20
• 期刊: OPTICA
• 影响因子: 10.4
• 作者: Nakano, Miki;Miyashita, Osamu;Tama, Florence
• 通讯作者: Tama, Florence

X線自由電子レーザー単粒子解析を使用した溶液中の金ナノ粒子の三次元構造決定

使用 X 射线自由电子激光单颗粒分析测定溶液中金纳米颗粒的三维结构

• 发表时间: 2022
• 作者: 中野 美紀;宮下 治;城地 保昌;鈴木 明大;西野 吉則;Florence Tama
• 通讯作者: Florence Tama