米乐m6官方网站 成功以极低的 X 射线照射测量单个生物分子的运动！

近年来，单个蛋白质分子的观察取得了惊人的进展，高速、高精度地观察生物体内的分子动力学已成为可能。常规衍射 X 射线跟踪：DXT，注3）中，通过用金纳米晶体标记目标蛋白质分子的特定部分并观察纳米晶体衍射X射线斑点的位置变化，可以以小于微秒的高时间分辨率和皮米的精度捕捉单个蛋白质分子的内部运动。因此，DXT已成功用于测量单个DNA分子或巨膜蛋白的内部运动。

8923_9077闪烁的 X 射线:X射线闪烁，注4)在全球首次被确认，其自相关（注5）我们表明，可以通过分析来定量评估衍射X射线斑点的运动速度。此外，这种使用单色X射线的新测量方法表明，与DXT相比，衍射X射线闪烁观察所需的X射线照射量是DXT的1/1,700，这是世界上唯一能够测量单个分子内部运动的方法。因此，通过使用衍射X射线闪烁观察，可以在极低的曝光剂量下测量单分子的动力学。此外，通过利用低曝光的这一特性，我们证明可以使用实验室 X 射线光源在毫秒级测量单分子动力学。

特别是在生物测量领域，自 20 世纪 90 年代以来，它得到了巨大的发展。使用可见光的超分辨率显微镜（2014年诺贝尔化学奖，注6）和使用电子显微镜的单颗粒分析方法（2017年诺贝尔化学奖，注7）将传统的讨论生物分子平均值的分子生物学彻底转变为可以在单分子水平上进行讨论的单分子生命科学。在这些进步之后，研究人员开始尝试测量分子的内部运动。然而，由于可见光因其波长而难以精确测量，并且由于电子显微镜基于低温测量，因此理论上不可能使用连续实时测量来测量运动。 1998年，佐佐木教授提出并实现了世界上第一个高精度、快速的量子探针单分子追踪方法。在该方法中，蛋白质分子的目标区域用金纳米晶体（直径数十纳米）进行化学标记，并以时分方式跟踪来自标记纳米晶体的衍射X射线点的移动。这种X射线单分子追踪方法（DXT）可以测量分子内部的旋转运动，但当转换为平移运动时，可以以皮米精度确定位置，并且最大测量速度为数百纳秒，可以进行时分观察。迄今为止，我们已经成功地进行了许多分子内运动测量，特别是巨膜蛋白分子的离子通道打开/关闭运动的单分子测量，已经是使用其他方法无法实现的结果。

但是 DXT白色 X 射线使用（注8），其使用示例有限。最新的大型同步辐射设施仅使用单色X射线，因此在束线设计阶段没有考虑使用白色X射线。因此，当我们使用单色X射线进行实验时，我们发现衍射X射线的强度明显闪烁（闪烁 X 射线：X射线闪烁）在世界上首次被检测到。然后我们尝试从这种X射线闪烁中提取有关单分子动力学的信息，发现衍射X射线斑点强度的自相关性与单分子的运动速度高度相关。接下来是X射线光源大型同步加速器辐射设施 SPring-8弱5个数量级(注9)，观察乙酰胆碱结合蛋白(AChBP)，观察到清晰的X射线闪烁。此外，通过与同步加速器辐射类似的分析，我们成功地以100毫秒量级的时间分辨方式评估了当乙酰胆碱（ACh）与AChBP结合时，AChBP的上部结构左右摆动。这一结果表明，这种测量技术可以显着小型化并在实验室水平上使用，而且由于暴露剂量极小，我们可以期待未来的各种发展，利用无损伤测量、长期观察和多色标记，可以同时测量具有不同晶格常数的标记纳米晶体的运动。

此研究成果由自然出版集团 (自然出版集团) 电子期刊“科学报告”将于 11 月 30 日发布在线版本。

这项研究是与东京大学、米乐m6官方网站和高亮度光子科学研究中心 (SPring-8/JASRI) 合作进行的。另外，本研究是在2014年度通过的科学研究补助金（创新领域的研究）“3D活性位点科学”（领域代表：奈良科学技术大学大门博教授）（研究代表：佐佐木裕二教授）和2015年度通过的科学研究补助金（A）下进行的。 （研究代表：佐佐木裕二教授）研究项目名称：“开发一种在实验室中测量自然变性蛋白质的单个X射线分子动力学的装置”和日本医学研究开发机构（国家研究开发机构）的支持下进行这项工作是在创新高级研究和开发支持项目（AMED-CREST）的研发项目“阐明维持磷稳态的器官间网络及其崩溃引起的病理状况”的支持下进行的（研究开发代表：Makoto Kuroo）的研发领域为“基于对生物稳态维持、转化和破坏机制的网络理解，实现最佳医疗护理的技术创造”。

杂志名称：科学报告（在线版本于 11 月 30 日发布）
论文标题：衍射 X 射线闪烁追踪单个蛋白质运动
作者：H关口²，仓持先生¹，K池崎¹，Y冈村¹，K吉村¹，松原松原¹，JW张¹，N奥塔²，久保大³，澪一宏³，铃木吉雄¹，伦纳德·M·G·查瓦斯⁴和佐佐木雄二^{1, 2, 3}，（通讯作者：H Sekiguchi，Y C Sasaki）
1 东京大学前沿科学研究生院材料科学系，2 高亮度光子科学研究中心 (JASRI/SPring-8)，3 先进操作测量技术开放创新实验室，AIST/东京大学，4Proxima-I，同步加速器太阳（法国巴黎的大型光学设施）

（注1）来自同步加速器辐射的单色X射线

同步加速器辐射是电子被加速到几乎与光速相同的速度，并被电磁体弯曲其行进方向时产生的一种细小而强大的电磁波（光）。它可以产生各种波长的白色X射线。当白色 X 射线照射到单晶体（衍射光栅）时，它会被反射（衍射）。由于此时的衍射角遵循布拉格定律，因此只能反射特定波长。换句话说，通过衍射X射线，可以从具有连续波长的白色X射线中提取特定波长。这种光学元件通常称为单色仪。在X射线领域，经常使用单晶硅。典型同步加速器辐射设施中的每条光束线均使用该单色仪，通过单色 X 射线进行测量。[返回来源]

(注2)X射线曝光量

X射线照射剂量是指由于X射线照射而吸收的剂量，也称为X射线吸收剂量或剂量。由于它是一个不依赖于物质类型的量，因此在医学领域中用作器官吸收剂量的单位，代表患者所受到的辐射剂量。 X射线探针通常被称为“非破坏性探针”，因为与电子束相比，它们对样品的损伤作用非常小，电子束也是量子探针。然而，由于它们是高能射线，当用高强度X射线照射时，光电效应对样品造成的破坏是不容忽视的问题，如何避免这种情况一直是一个问题。[返回来源]

(注3)X射线单分子追踪法(衍射 X 射线跟踪; DXT)

一种用几十纳米大小的金纳米晶体标记要评估动态特性的分子或聚集体，并以高速时分方式跟踪金纳米晶体的运动作为来自金纳米晶体的X射线衍射的劳厄斑的运动的技术。它主要检测旋转运动，但精度小于毫弧度（小于001度），以平移距离表示时，精度可达皮米级。虽然它依赖于同样使用时间分辨率的高速相机，但它已经实现了 100 纳秒的最快测量。这是世界上可见光区域单分子测量最快的速度。该方法由Yuji Sasaki教授于1998年设计并于2000年公布，并通过测量许多蛋白质分子的内部运动而发表（物理评论快报、物理评论、生物化学和生物物理研究通讯、细胞、生物物理杂志、科学报告等）。原理见图1。 DXT 是目前唯一检测动态分子组装体（异质结构材料）内部旋转运动的方法。如何使用单色 X 射线测量 DXT衍射 X 射线闪烁(DXB)。图1对DXT和DXB进行了比较和解释。[返回来源]

(注4)衍射X射线闪烁

20世纪90年代，在可见光区域发现了一种现象，即强度以毫秒到秒的间隔重复闪烁。这种现象被称为“闪烁现象”，据说它是一种应该避免的现象的典型例子，因为它会导致测量信息不稳定。到目前为止，荧光蛋白绿色荧光蛋白(GFP)、有机荧光分子和半导体量子点。斯坦福大学教授。 WE莫尔纳使用特殊的光学显微镜在单分子水平上检查绿色荧光蛋白的黄色变体（YFP）的发光特性，发现在488 nm激发时，荧光闪烁（闪烁），并且在几次闪烁循环后，YFP分子进入稳定的黑暗状态。这一发现为他赢得了2014年诺贝尔化学奖。这是第一次在X射线中证实这种闪烁强度的现象（图2），并且还证实这是由发射衍射X射线的纳米晶体的运动特性引起的，与X射线光源无关。[返回来源]

（注5）自相关

一种基于时间轴的数据数学分析方法。自相关被定义为所获得的数据与其自身时移信号匹配程度的度量，并表示为时移幅度的函数。它是一种基本的初步分析方法，可用于查找信号中包含的微小模式，并且基于此数据分析，您可以进行更详细的分析。自相关分析方法也用于使用电子显微镜的单颗粒分析方法和可见光区域的动态光散射方法，这将在下面描述。即使在 X 射线区域，X 射线光子相关光谱 (X 射线光子相关光谱：XPCS），但测量条件非常有限，并且测量仅限于特殊的样品系统。相比之下，本研究中设计和演示的 DXB 具有广泛的测量条件，有望发展为通用测量方法。[返回来源]

（注6）使用可见光的超分辨率显微镜技术

包含图像处理的显微镜技术可以以超过光学显微镜理论极限（平面内大约 200 纳米）的分辨率观察荧光。 2014年诺贝尔化学奖授予了三名美国研究人员，这项技术实现了前所未有的超高分辨率观测。由于X射线单分子追踪方法利用了这一原理，因此可以说是X射线版的超分辨率显微镜。[返回来源]

(注7)使用电子显微镜的单颗粒分析方法

在使用电子显微镜的传统蛋白质分子结构分析方法中，使用蛋白质分子的二维晶体来确定结构。然而，这种结晶过程极其困难，尚未开发为通用方法。该方法采用不同的方法观察大量均匀的颗粒，通过图像处理将图像叠加，确定单个分子（颗粒）的结构。获得了比单幅图像分辨率更高的图像，并成功确定了三维结构。此外，为了克服电子束辐照造成的损伤问题，还使用了冷冻电子显微镜，最近我们成功地以原子级分辨率分析了三维结构。目前，许多研究人员正在利用这种方法进行动态分析，希望即使是这样的动态信息也能被检测到。 2017年诺贝尔化学奖授予了开发这种方法的三位西方研究人员。[返回来源]

(注8)白色X射线

在各种光中，包含多个宽波长（称为 X 射线）的光称为白色 X 射线。指由轫致辐射、同步加速器辐射等产生的连续光谱的 X 射线。与白色 X 射线不同，它们被称为单色 X 射线，因为它们只包含一种波长。[返回来源]

(注9)大型同步辐射装置SPring-8

这是位于兵库县播磨科学园区市的 RIKEN 设施，可产生世界上最高性能的同步辐射，并由日本同步辐射研究所 (JASRI) 运营和支持。 SPring-8 的名称是S上P霍顿环8源自GeV。同步加速器辐射是一种薄而强大的光束，当电子加速到几乎等于光速的速度，然后通过电磁体沿行进方向弯曲时，就会产生这种光束。 SPring-8 利用这种同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。[返回来源]