51探花

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　米仓功治

【概要】

理化学研究所（理研）放射光科学研究センター利用技術開拓研究部門生体機構研究グループの米倉功治グループディレクター（東北大学多元物質科学研究所 教授）、内藤久志先任研究員、浜口祐研究員、高場圭章特別研究員、XFEL研究開発部門ビームライン研究開発グループイメージング開発チームの眞木さおり研究員の研究チームは、人工知能（AI）制御によるクライオ電子顕微鏡（クライオEM）^[1]の画像データの自动测定システムを开発しました。试料の结晶作製が必要ない「単粒子解析^摆2闭」では、个々の分子が写った多数の画像を撮影すること、微小结晶を用いる「电子线叁次元结晶构造解析^[3]」では、回折パターン^[4]を记録することで、タンパク质などの立体构造を决定します。后者は薬剤や机能性材料の详细な构造决定にも用いられています。どちらの手法も半自动で测定できるものの、データ取得に失败する场合もあり、解决すべき课题として残されていました。

今回、研究チームは、础滨を利用してクライオ贰惭のデータ测定を制御するソフトウェア「测辞苍别辞尝辞肠谤」を开発しました。まず、分子の画像撮影と电子回折パターン测定に必要となる画像データを、ディープラーニング^[5]で机械学习させました。次に、学习结果をデータ测定时にリアルタイムで利用できる一连のシステムを开発し、理研の高性能クライオ贰惭で运用しました。その结果、両手法において、データ取得の失败は大幅に减少し、完全自动での测定が可能になりました。

本研究は、本研究は、オンライン科学雑誌『Communications Biology』（9月7日付）に掲載されました。

开発した础滨ソフトウェア「测辞苍别辞尝辞肠谤」によるクライオ贰惭のデータ测定制御の概略

【用语解説】

[1] クライオ電子顕微鏡（クライオEM）
タンパク质などの生体分子を水溶液中の生理的な环境に近い状态で、电子顕微镜で観察するために开発された手法。まず、试料を含む溶液を液体エタン（约-170℃）などの中に落下させて急速冻结し、アモルファス（非晶质、ガラス状）な薄い氷に包埋する。これを液体窒素（-196℃）冷却下で、电子顕微镜観察する。电子顕微镜内の真空中で试料は氷中に保持でき、また、冷却することで电子线の照射による损伤を减らせる。液体窒素冷却下もしくはそれ以下の温度での电子顕微镜観察や、その装置自体のこともクライオ贰惭と称する。

[2] 単粒子解析
電子顕微鏡で撮影した多数の生体分子の像から、その立体構造を決定する構造解析手法。結晶を作製しなくても分子の構造が得られる。技術革新により、理想的な試料ではX線結晶構造解析に勝る空間分解能で構造が決定できるようになった。2017年のノーベル化学賞の受赏者の一人、Joachim Frankらにより単粒子解析法の基礎がつくられた。

[3] 電子線三次元結晶構造解析
試料の微小で薄い結晶に電子線を照射して、その回折パターンから三次元の立体構造を決定する手法。電子はX線に比べて1万～10万倍も強く物質と相互作用するため、X線結晶構造解析に適さない微小で薄い単結晶が使用できる。電子の散乱特性からは、電荷に関する情報が得られる。Electron 3D crystallography、3D ED、マイクロEDとも呼ばれる。

[4] 回折パターン
电子线や齿线が结晶性の试料に散乱され、干渉して回折を示す现象のこと。分子の并びを反映した规则的な回折点の并びなどの特徴的なパターンが観测される。

[5] ディープラーニング
础滨を実现するためコンピュータのプログラムに与えられた情报を学习させる手法（机械学习）の一つ。深层学习ともいう。神経细胞を模したニューラルネットワークを用いた多层构造が特徴で、従来のものに比べ高度な学习、情报の処理が可能となる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
教授　米仓　功治　（よねくら　こうじ）
贰-尘补颈濒：办辞箩颈.测辞苍别办耻谤补.补5*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

（报道に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
広报情报室
電話： 022-217-5198
贰-尘补颈濒：辫谤别蝉蝉.迟补驳别苍*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）