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

基本信息

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

项目摘要

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。

为了理解生物现象，必须捕获生物纳米颗粒的瞬态瞬时结构，而生物纳米颗粒是其组成元素，在它们表达其功能的状态下，使用超短脉冲XFEL的相干衍射成像（CDI）具有这种潜力。为了实现这一目标，我们必须开发一种相位恢复方法，从实验数据中再现可能样品的电子密度，其中包括样品以外来源的背景散射、噪声、探测器的死区等，并量化其可靠性。是所期望的。在本研究中，我们将通过发展我们迄今为止培育的CDI数据分析技术，并从统计角度融入独创性，开发以下两种数据分析方法。 (A) 基于贝叶斯估计的去除背景散射的相位恢复方法 (B) 2021 财年开发的对每个图像像素的分析结果的可靠性进行量化的随机电子密度分析法 (A ) 应用于计算的 70S 核糖体的衍射图案具有不同的检测噪声和背景散射水平，并研究了其适用性。首席研究员等人在当前的无X射线电子擦除设施SACLA进行的实验的信噪比远低于最初预期，超出了方法（A）的适用范围。我们目前正在研究一种从衍射图案中高精度相位恢复的方法，该方法具有极低的信噪比，与当前的 SACLA 测量条件相对应。与此同时，我们开始开发方法 (A) 范围内的衍射图案的分析方法 (B)。具体来说，我们通过改变初始随机数来统计分析应用方法（A）的结果，并研究量化每个像素的可靠性。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
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

利用 X 射线自由电子激光单粒子分析测定溶液中金纳米三角形的三维结构

DOI：
10.1364/optica.457352
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
10.4
作者：
Nakano Miki;Miyashita Osamu;Joti Yasumasa;Suzuki Akihiro;Mitomo Hideyuki;Niida Yoshiya;Yang Ying;Yumoto Hirokatsu;Koyama Takahisa;Tono Kensuke;Ohashi Haruhiko;Yabashi Makina;Ishikawa Tetsuya;BESSHO YOSHITAKA;Ijiro Kuniharu;Nishino Yoshinori;Tama Florence
通讯作者：
Tama Florence

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