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助成番号 180301
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ（和文） ＡＢ

低温電子顕微鏡を用いた革新的 4 次元イメージング法の確立

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Establishment of innovative technique for four-dimensional imaging from cryo-electron
microscopy experimental data研究氏代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓） ヨシドメ名） タカシ

研究期間 Ｂ

２０１８年 ～ ２０２０年

漢字 ＣＢ

吉留

崇

報告年度 ＹR

２０２０ 年度

Takashi

研究機関名

東北大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Yoshidome

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名

東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻・助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
近年の低温電子顕微鏡実験の技術発展により、生体粒子の 4 次元イメージング（複数の 3 次元構造の取得＋それらの構造変化に応じた並び替え）の可能性が指摘されるようになった。これを実現するには、生体粒子の 2 次元投影像を、粒子の構造の違いに応じて分類する必要がある。本研究者が開発した 2 次元投影像データ分類プログラム「閻魔」を発展させ、4 次元イメージングを行う手法を確立する事が、本研究の目的である。
本研究によって、以下の成果が得られた。
1. 低温電子顕微鏡実験で得られる画像データには、水に起因するノイズが含まれている。このノイズは「閻魔」による分類を困難にする。低温電子顕微鏡実験データへの「閻魔」の応用に向け、強いノイズが加わった画像を「閻魔」で分類するプロトコルを開発した。計算機上で作成した画像に応用したところ、画像を構造の違いに応じて分類することが出来、プロトコルの妥当性を示すことに成功した。
2. 低温電子顕微鏡実験データから 3 次元構造を再構成する際、再構成に使用する粒子の投影像には、投影方向に偏りがないことが仮定される。しかし、必ずしもこの仮定が満たされるとは限らない。そこで、「閻魔」を用いて仮定が満たされた実験データかどうかを判定するプロトコルを開発した。
これらの成果を元に、4 次元イメージング法の開発を進めている（吉留 崇、“マニフォールドラーニングを用いた低温電子顕微鏡 4 次元イメージング法の確立に向けて”、第 57 回日本生物物理学会年会、2019 年 9 月 26 日）。計算機上でのテスト実行後、実験データに適用する予定である。

キーワード ＦＡ

低温電子顕微鏡4 次元イメージング

マニフォールドラーニング（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Effects of a Low-pass Filter on the Classification of Projection Images using theManifold Learning: A Simulation Study for Cryo-electron Microscopy Experiments

著者名 ＧＡ

Naoto Takano and 雑誌名 ＧＣ
Takashi Yoshidome

雑誌

ページ ＧＦ発行年 ＧＥ

201

9

巻号 ＧＤ88

論文標題ＧＢA Measure for the Identification of Preferred Particle Orientations in Cryo-ElectronMicroscopy Data: A Simulation Study

著者名 ＧＡ

Ryota Kojima and 雑誌名 ＧＣ
Takashi Yoshidome

ページ ＧＦ

掲載決定(2021 年 3 月)

雑誌

094801(1-11)

Journal of the Physical Society of Japan発行年 ＧＥ

Biophysics and Physicobiology
202

1

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Recent developments of cryo-electron microscopy experiments allow us to achieve four-dimensional
imaging of biomolecules, in which the structural change of a biomolecule is visualized. To achieve
four-dimensional imaging, it is necessary to classify two-dimensional electron density maps of abiomolecule in accordance with its structural polymorphism. The purpose of the present study is toestablish a method for four-dimensional imaging by developing our program suite "EMMA" for theclassification of two-dimensional electron density maps.
The following developments were achieved:
1. A low signal-to-noise ratio of the two-dimensional electron density maps obtained throughcryo-electron microscopy experiment would lead to the failure of the classification using EMMA.
Here, we have proposed a protocol for the classification of the maps of a biomolecule with a low
signal-to-noise ratio in accordance with its structural polymorphism. A simulation for acryo-electron microscopy experiment has been shown the usefulness of the protocol.
2. An assumption required for the reconstruction of the three-dimensional electron density map is thatthe orientation of the biomolecules in the vitreous ice is isotropic. However, this is not always
the case, and maps are often sampled using preferred biomolecular orientations. Here we proposea measure of whether cryo-electron microscopy data is obtained from the biomolecules adopting apreferred orientation. A simulation for a cryo-electron microscopy experiment suggests theusefulness of the measure.
We are now developing a four-dimensional imaging technique. After a test using a simulation cryo-electron
microscopy experiment, we will apply the technique to experimental data.

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