SFX(結晶構造解析)
連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)の共用実験装置として、DAPHNIS(Diverse Application Platform for Hard X-ray diffractioN In SACLA)が利用可能です。
基本性能・成果DAPHNISの基本性能
光化学系II複合体の反応中間体の構造を解明
SACLAのX線短パルスを使用することで、光化学系II 複合体 (PSII) の水分解反応サイクルにおける中間体の構造を捉えることに成功しました。
ー Isomorphous difference Fourier map
参考文献: バクテリオロドプシンが光吸収後に構造を変化させる様子を捉え、水素イオンを輸送する仕組みを解明![]()
ー Crystallographic structural models of bR/Close-up view of difference electron density across the Asp85-Thr89 H bond
実験装置DAPHNIS[1]
蛋白質結晶などの試料を流体のキャリアに分散させ、 インジェクターからXFELの照射野に送り込み、試料の回折像をパルス毎に記録します。
※SFX実験システムは、X線自由電子レーザー 重点戦略研究課題 、科研費・新学術領域「高速分子動画」、SACLA基盤開発プログラムの支援を受け、京都大学を中心とするグループとの共同開発により整備されました。
参考文献 図面
オープンタイプ 1, 2 検出器
DAPHNISを使用したSFX実験では、Octal-MPCCDまたはRayonix(MX-300HS)を検出器として用いることができます。Octal-MPCCDを用いた場合、試料-検出器間の標準的な距離は約50 mmです。
Rayonix ソフトウェア
多くの場合、実験で取得したデータは、SACLA HPC (High Performance Computing)システムを用いて解析します。詳細はSACLA HPC Portal site (HPCアカウントによるVPN接続が必要です)をご参照ください。
参考文献 励起レーザーについて
励起光源として、波長可変ナノ秒レーザーもしくは波長可変フェムト秒レーザーが使用できます。利用可能な波長範囲、パルス時間幅、パルスエネルギーについては、下記「運転パラメータ」の中の「光学特性」をご参照ください。ナノ秒レーザーはEH3(BL2)、フェムト秒レーザーはEH2(BL3)での実験となります。
(a)光ファイバー+対物レンズ集光による2方向励起(openタイプの例) (b)平凸レンズによる1方向励起(closedタイプの例)
* 光ファイバーのダメージ損傷による制限 ** 光学レーザー特性参照 運転パラメータ(EH3@BL2)XFELパラメータ
参考文献: (参考)光子エネルギーとパルスエネルギー・光子数の関係(BL3の場合)
X線集光特性
*高エネルギー領域では2 mrad系、低エネルギー領域では4 mrad系を利用する。 光学レーザー特性
*光パラメトリック発振器(OPO: Optical Parametric Oscillator)のパルスエネルギーは波長に依存します。
※フェムト秒レーザーを利用する場合は、EH2@BL3で実施可能です。 実験セットアップ手順ビームタイム前までにSACLAのスタッフが行うこと
以下の作業はビームタイム前にSACLAのスタッフが行います。
同期レーザーを使用するポンプ・プローブ型実験の場合は、以下の作業も SACLAのスタッフが行います。
ビームタイム開始後にユーザー自身が行う主な操作
SFX実験を行うために、ユーザー自身に行っていただく実験操作を以下に示します。
試料調整各種準備室について
来所後に試料を作製される方は以下の準備室を使用可能です。調整に必要な薬品類はご持参ください。また実験廃液や化学薬品の付着した廃棄物などはお持ち帰りいただき、各所属機関で廃棄していたきますよう、ご協力をお願いいたします。
ガス、揮発性強酸などドラフトが必要な試料調整には、SACLAの測定準備室はご利用いただけません。SPring-8サイト内の化学試料準備室をご使用ください。化学試料準備室をご利用の際には、来所10日前までの申し込みが必要です。また、化学試料準備室および生物試料準備室は、SPring-8ユーザーも利用する共同実験室です。
関連成果プレスリリース
・光合成で”ゆがんだイス”型の触媒が酸素分子を形成する仕組みを解明-人工光合成開発への糸口に- ・光合成における水分解反応の機構の核心に迫る成果 光化学系Ⅱ複合体が酸素分子を発生する直前の立体構造を解明 ―人工光合成触媒開発の糸口に― ・タンパク質中の原子の動き、自由電子レーザーにより動画撮影に成功 -光によって水素イオンを輸送する仕組みを解明- ・結晶を損傷しない新しいタンパク質結晶の輸送媒体を発見 -タンパク質の結晶構造解析で新薬創生に一歩近づく- ・SACLAでの構造解析に必要な結晶の量を数百分の1に -パルス液滴法によるタンパク質微小結晶の構造解析に成功- ・光化学系II複合体の正確な三次元原子構造を解明 -人工光合成開発への糸口に- 論文発表 |
SFX (Crystal Structure Analysis)
DAPHNIS (Diverse Application Platform for Hard X-ray diffractioN In SACLA) is a shared experimental device available for continuous femtosecond crystal structure analysis (SFX).
Basic Performance and ResultsBasic DAPHNIS performance
Structure analysis of the reaction intermediates of the Photosystem II Complex
By using the short X-ray pulses from SACLA, the capture of the structure of the intermediates in the photosystem II complex (PSII) hydrolysis reaction cycle was successfully performed.
ー Isomorphous difference Fourier map
References: To analyze the mechanisms of transporting hydrogen ions by understand how bacteriorhodopsin changes structure after absorbing light.![]()
ー Crystallographic structural models of bR/Close-up view of difference electron density across the Asp85-Thr89 H bond
References: Experimental EquipmentDAPHNIS[1]
Samples, such as protein crystals, are dispersed in a fluid carrier then sent from the injector to the XFEL irradiation field, and the diffraction images of the sample are then recorded for each pulse.
※The SFC experimental system was established as a joint development, with Kyoto University playing a leading role, to pursue X-ray Free Electron Laser priority strategy research, receiving support from grants in aid for scientific research for new academic areas in "high speed molecular movies", as well as from the SACLA Basic Development Program.
References: Diagram
Open-type1, 2 Detector
For SFX experiments using DAPHNIS, both the Octal-MPCCD or the Rayonix(MX-300HS) detector can be used. When using the Octal-MPCCD, the standard distance between the sample and the detector is approximately 50 mm.
Rayonix Software
In most cases, the data obtained in the experiment is analyzed by using the SACLA HPC (High Performance Computing) system. For more information, please see the SACLA HPC Portal site (This requires a VPM connection with an HPC account).
References: About the excitation lasers
A tunable nanosecond laser, or a tunable femtosecond laser can be used as the excitation source. For the available wavelength ranges, pulse time widths, and pulse energies, please refer to the “optical characteristics” section in the “operating parameters” below. The nanosecond laser is used with experiments in EH3(BL2), and the femtosecond laser is used with experiments in EH2(BL3).
(a) Two-way excitation by optical fiver + objective lens focusing (open-type example) (b) One-way excitation by plano-convex lens (closed-type example)
*Limitations due to damaged optical fibers **See the optical laser characteristics Operating Parameters(EH3@BL2)XFEL parameters
References: (Reference) The relationship between photon energy and pulse energy / the number of photons (In the case of BL3)
X-ray focusing characteristics
*The 2 mrad system is used in the high-energy region, and the 4 mrad system is used in the low-energy region. Optical laser characteristics
*The pulse energy of the optical parametric oscillator (OPO) depends on the wavelength.
※When using a femtosecond laser, EH2@BL2 can be performed by a single machine. Steps for the Experimental SetupWhat the SACLA staff do before the beamtime
The following tasks are performed by the SACLA staff before the beam time.
For pump-probe experiments which use synchronous lasers, the SACLA staff will also perform the following tasks:
Main operations performed by the user at the start of the beam time
In order to conduct SFX experiments, the following are the experimental operations that the user must perform.
Sample AdjustmentAbout various preparation rooms
If you are preparing a sample after coming to the office, the following preparation rooms can be used. Please bring the necessary chemicals for the adjustments. In addition, please take all experimental waste liquid and waste materials with you and dispose of them at your affiliated institution.
The measurement preparation room at SACLA is not available for sample adjustments that require drafting of gasses and volatile strong acids. Please use the chemical sample preparation room at the SPring-8 site. When using the chemical sample preparation room, you must apply at least 10 days prior to your visit. The chemical sample preparation room and the biological sample preparation room are joint laboratories, which are also used by SPring-8 users.
Related ResultsPress Release
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