創薬研究に向けた新タンパク質結晶構造解析ビームライン
PFAR NE3A
山田悠介，五十嵐教之，松垣直宏，平木雅彦，若槻壮市(高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所）

新薬の開発にあたっては，如何に効率よく標的とするタ

プル回転軸や 1 ミリ秒単位で露光時間のコントロールがンパク質の機能を促進あるいは阻害する（効き目が高い）可能な高速シャッターを備えた高精度回折計，従来よりもか，そして如何に標的以外のタンパク質の機能に影響をあ感度の高い CCD 検出器，そして結晶交換ロボットに代表たえない（副作用が少ない）か，という点が重要となる。
そのために，標的となるタンパク質やそのタンパク質に化合物が結合した複合体の立体構造情報を解明することは薬剤開発に非常に有用である。このような立体構造情報を得るうえで X 線結晶構造解析は極めて有効な手法であり，放射光は最適な光源である。近年のタンパク質結晶構造解
析ビームラインでは，ハイスループット技術の整備が進められ，精度の高いデータを迅速に且つ簡便に収集することが可能となってきている。その結果，ある一つの標的タンパク質に対して多種多様の化合物との複合体の構造解析を網羅的に行うような研究も可能となり，新薬開発における放射光利用の需要は増大している。このような状況の中，

図

新ビームラインの設置される場所。新ビームラインは PF
AR 北東実験棟の NE3 セクションに設置される。NW12A
は既存のタンパク質結晶解析用ビームラインの 1 つである。

図

ビームラインのレイアウト。光学系や実験装置を格納する
光学実験ハッチのほかにコントロールキャビンと呼ばれる実験室を設置し，実験者が実験試料の準備から実験装置の制御，データ解析までを行なえるようにする。

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光科学研究施設（以下， PF ）は，アステラス製薬株式会社（以下，アステラス製薬）からの受託研究により，創薬に向けたタンパク質 X 線結晶構造解析用ビームラインを新規に設置する。
新ビームラインは PF AR の NE3 セクションに設置され，真空封止アンジュレータからの大強度の X 線ビームを利用する。光学系として上流から平行化ミラー，液体窒素冷却方式の二結晶分光器，集光ミラーを配置することを予定しているが，この配置は PF AR で現在稼動しているタンパク質結晶解析用ビームライン NW12A と同様である。集光ミラーの集光率を上げることで，サンプル位置でのビーム発散角は多少大きくなるものの，ビーム強度はNW12A 以上となることがレイトレース計算から求められている（表）。この大強度光源に偏芯誤差の小さいサン表

ビームサイズ（mm)
水平鉛直

発散角（mrad)
水平鉛直

エネルギー
分解能

1.8×1012

0.74

0.15

0.96

0.28

1.6×10－4

4.6×1011
6.9×1011

1.5

0.22

0.49

0.13

0.97

0.20

0.67

0.21

1.5×10－4
1.4×10－4

フラックス
（phs/sec）
新 ARNE3A（参考）
ARNW12ABL5A

レイトレース計算の結果（＠12.4 keV）

フラックスの値は，試料位置より 100 mm 下流に設置された 0.2 × 0.2 mm2 のスリットでビームを整形した後に，試料位置 0.2 × 0.2mm2 に入ってくる光子量322 ● 放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5
(C) 2007 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光ニュース ■される自動化技術を組み合わせることで，多量の実験試料から一定のビームタイムを継続して使用することになる。

を高速に，かつ簡便に解析できるよう開発を行う（図）。

なお，同社が使用しない期間は，全国の大学，公的研究機

これまでもアステラス製薬では，PF の既存ビームライ関および他の民間企業による共同利用施設利用等に供すンを使用してきたが，自社の研究に合わせたビームラインることで，タンパク質 X 線結晶構造解析ビームラインのを設置することにより，放射光を用いた創薬研究の効率を利用拡大を図ることが可能となり，放射光による物質構造従来よりも劇的に向上させることが可能となる。新ビーム科学研究の更なる発展を促すものと期待できる。

ラインの完成は 2009 年 3 月の予定で，同社は 2009 年 4 月■会議報告
ERL 研究会「コンパクト ERL が拓く世界」報告平野馨一，原田健太郎，兵藤一行，足立伸一，木村真一，河田 洋
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 放射光科学研究施設
分子科学研究所 極端紫外光研究施設

自然科学研究機構

近年， Photon Factory では ERL （エネルギー回収型直線加速器）を次期光源とする方針を定め，昨年度より高エネルギー加速器研究機構（KEK）内に ERL 計画推進室を設置している。この推進室では， KEK の加速器研究施設，原子力研究開発機構，東京大学物性研究所，UVSOR，SPring-8 等の加速器研究者との協力体制を築き，共同でERL 実現に向けた計画の検討を進めている。この計画では，最初に 60 ～ 200 MeV 程度の小型 ERL （コンパクトERL ）を建設し，要素技術の開発や放射光利用のための原理実証を行い，さらにコンパクト ERL の特長（高輝度性，短パルス性，高繰り返し性等）を活かした利用研究を講演に熱心に聞き入る聴衆の様子行う予定である。そこで，コンパクト ERL の技術的可能性とそれが拓く利用研究を浮き彫りにするために， KEK最初に，原田健太郎氏（ KEK PF ）から，電子ビームの 4 号館 1 階セミナーホールにおいて ERL 研究会「コンエネルギー60 MeV ，バンチ長0.1ピコ秒，バンチ電荷100パクト ERL が拓く世界」を 7 月 9 日と 10 日の二日間にわ

pC，繰り返し130 MHz の場合，10 meV の光子が CSR にたって開催した。

よりおよそ 1 × 1016 個/ sec / mrad2 / 0.1  b.W 発生するこ研究会には 70 名の参加者があり，放射光ユーザーではない参加者が多かった点が特に印象的であった。と，レーザーコンプトン散乱では，ビーム繰り返し 1kHz ，バンチ長 1 ピコ秒，レーザー波長 800 nm でパルスコンパクト ERL で得られる光の大きな特長の一つは，エネルギー10 mJ の場合，43 keV の光子がパルス幅0.3 ピ

テラヘルツ遠赤外領域で大強度のコヒーレント放射光

コ秒でおよそ 1×106 個/pulse 発生することが示された。

（CSR ）が得られることである。また，レーザーコンプト

続いて，島田美帆氏（ UVSOR ）から， RF 加速勾配をン散乱を利用すれば微小光源でフェムト秒 X 線を発生さ使ったバンチ圧縮の最適化方法， CSR によるバンチ伸張せることができるため，位相型 X 線イメージングや時間の効果を抑制する方法についての講演があった。具体的な

分解ダイナミクス研究への応用も期待される。そこで，数値計算結果として電子エネルギー65 MeV の場合，バン研究会は以下の四つのセッションから構成されていた。

チ電荷 0.5 nC 以下であれば 0.2 ピコ秒まで圧縮可能，バン
チ電荷 1 nC の時は0.6ピコ秒までしか圧縮できず，エミッ１

光源

このセッションでは，テラヘルツ領域の光及びレーザータンスも非常に増加してしまうことが示された。
次に，浦川順治氏（ KEK 加速器施設）から ATF におコンプトン散乱による光を発生させる装置に関する講演がけるレーザーコンプトン散乱実験についての講演があった。

行われた。各講演の概要を順を追って以下に示す。

ILC の偏極陽電子源のための実験で，56 MeV のガンマ線放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5 ● 323

が 2×107 個/pulse 発生したことが示された。また，ATF

次に，白井光雲氏（阪大産研）は，「赤外光励起によるに存在するレーザーを使った非常に高性能なビーム形状モ半導体中の不純物拡散の制御」という題目で，赤外テラニタの技術，新たに開発中のレーザーコンプトン X 線源ヘルツ光励起によるサイト選択的に加熱拡散させる方法の進行状況が示された。

を理論の立場で示し，コンパクト ERL から得られる大強

その後，酒井文雄氏（住友重機械）から産総研で現在稼働中の装置についての講演があった。装置の改善及び安定度テラヘルツ光は，このような応用研究には最適な光源であることを示した。

化に関する努力の結果，最大 17 keV の X 線がパルス幅

最後に高橋俊晴氏（京大原子炉）から，「京大炉ライナ0.15ピコ秒で発生し，光子数は105 個/pulse 以上を達成しック及び JAEAERL におけるテラヘルツコヒーレントたことが示された。

放射光の研究」という題目で，これまでに行ってきた京大最後に小林洋平氏（産総研）からタイミング同期レーザー

原子炉 linac および原子力機構 ERL からの種々のコヒーについて講演があった。これはレーザーコンプトン散乱とレン トな放射 の測定およ び利用実験か ら，コンパ クト

ERL 入射器の電子銃の両方に必要な技術で，フィードバ

ERL からの CSR の光源の利用についての可能性が示されック制御によりタイミングジッタが 10 フェムト秒以下にた。

抑えられたことが示された。また，レーザー共振器でエネルギーを高める方法についても講演が行われた。

３
イメージング研究

レーザーコンプトン X 線源を用いたイメージング研究２

テラヘルツCSR 利用研究

電子バンチの長さを取り出す電磁波の波長より短くするのセッションは，9 日午後と10日午前に開催された。

9 日は，まず兵藤一行氏（KEKPF）がレーザーコンプと，電磁波の強度はバンチ内電子数の 2 乗に比例して増トン X 線源をイメージングに用いる場合の特徴について加する。この現象は，コヒーレント放射光（ CSR ）とし紹介した。現在検討されているコンパクト ERL におけるて知られている。 ERL のバンチ長は 1 ピコ秒以下である

レーザーコンプトン X 線源の特性は，焦点サイズ 50

ため，テラヘルツ遠赤外領域で大強度な CSR が得られ

mm ， 発 散 角 10 mrad ， エネ ル ギ ーバ ン ド幅  10  ，る可能性がある。そこで，このセッションでは，大強度テレーザーの繰り返し周波数 10 kHz の場合の X 線強度

ラヘルツ CSR を使うことで可能になる利用研究について

106 photons/mm2/sec（40 keV，発光点からの距離10 m），の議論が行われた。

照射面積直径100 mm であることを示し，光学素子を用最初に，木村真一氏（分子研 UVSOR ）から，「テラヘいなくても屈折効果を取り入れたイメージング法が可能でルツ放射光の現状と大強度 CSR の利用」という題目で，あること，将来的には病院設置型の小型装置へ発展できるテラヘルツ放射光を利用した研究の現状と大強度のテラヘ可能性があることを示した。

ルツ光が利用可能になった場合に想定される実験研究につ続いて，百生敦氏（東京大学）から，タルボ干渉計によいての講演が行われた。コンパクト ERL からは，波数 1るイメージングの原理と最近の研究成果について報告がな

cm－1 あ た り の 平 均 強 度 は 10 W ， ピ ー ク 強 度 は 1 MWされた。タルボ干渉計は，レーザーコンプトン X 線源を（ CSR が発生する全領域を 1 mm2 に集めると，ピーク強含む従来型の X 線発生装置にも適応でき，被写体の X 線度は10 GW /cm2 に達する）が得られるため，テラヘルツ吸収情報の画像と位相情報の画像を分離して表示できるの近接場分光や励起光として，新規の分光研究への利用の可で，診断能の大幅な向上が期待されることが示された。

能性についての提案があった。

10 日は，兵藤一行氏（ KEK PF ）がレーザーコンプト2 番手として，斗内政吉氏（阪大レーザー研）から，ン X 線源の利用を考慮した放射光単色 X 線イメージング「テラヘルツ技術の現状と展望」という題目で，テラヘル研究の最新成果の紹介と，レーザーコンプトン X 線源をツ光の応用研究の現状についての発表があった。テラヘル用いたイメージングの特性に関するシュミレーション結果

ツ帯には様々な物質の特徴的現象が存在するため，工業を報告し，多くの医学応用，産業応用の可能性があること

医療バイオ農業セキュリティ情報通信分野で，新を示した。

しい科学と応用が展開しつつあることが示された。

続いて，酒井俊氏（筑波大）からは，臨床研究者の立場

続いて田中耕一郎氏（京大理）から，「テラヘルツ時間から，病院および放射光イメージングの最新状況の紹介と領域分光法と基礎科学への応用」という題目で，短パルス将来光源でのイメージングに関して，特に被写体の立体的レーザーの発展に伴って生まれた簡便な手法である時間領情報表示と機能評価イメージングへの期待と要望が示され域テラヘルツ分光（THzTDS）の現状と今後の展開につた。

いての報告がなされた。また，最近ではチェレンコフ効果

次に，池浦広美氏（産総研）からは，産総研に設置されを用いた発生法の利用により，3 桁以上大きなピーク強度ている国内で唯一高エネルギー X 線が得られるレーザー（ 10 MW / cm2 ）が得られており，励起光としての利用のコンプトン X 線発生装置の現状とイメージング研究の最可能性も出てきていることが示された。

新成果，今後の計画，また， X 線強度の放射光との比較

324 ● 放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5

放射光ニュース ■検討の結果などが報告された。

転測定からサブピコ秒オーダーで電荷整列した絶縁体状態が強磁性金属状態に相転移していることが明瞭に示され４

時間分解ダイナミクス研究

コンパクト ERL の電子バンチにフェムト秒レーザーパた。また強磁性金属状態からのナノ秒以上の緩和過程で見られる長寿命成分を同定するためには，100ピコ秒 X 線にルスを衝突させると，レーザーコンプトン散乱により，フよる時間分解 X 線回折実験が不可欠であることが指摘さェムト秒 X 線が発生する。このセッションでは，フェムれた。

ト秒 X 線を利用した時間分解ダイナミクス分野の利用研究の可能性について発表及び議論が行なわれた。

このセッションの最後に，田原太平氏（理研）から，「超高速反応する分子の核波束運動実時間観測と励起状態イントロダクションとして，足立伸一氏（ KEK PF ）ポテンシャル曲面のトポロジー」という題目で，最新の未から放射光リングを利用した100ピコ秒分解能の X 線研究発表データを交えて溶液反応のフェムトケミストリーの最の現状について，衝撃波圧縮，光誘起相転移，溶液反応，先端についての紹介があった。 10 フェムト秒レーザーパタンパク質構造解析の 4 つの例が紹介された。さらに時ルスを用いて，溶液中の励起状態分子のポテンシャル曲面間分解能をフェムト秒領域に引き上げた場合に想定される形状を検出する測定例を示した。また短パルス X 線利用実験例についても紹介があった。

実験に関連して，金属錯体の超高速溶液反応を時間分解続いて，中村一隆氏（東工大）から，「光誘起キャリアXAFS 法で測定解析することにより，超高速レーザーとコヒーレントフォノンの超高速ダイナミクス」として，分光測定からは得られない励起状態の構造情報を直接測定

フェムト秒レーザーとレーザープラズマ X 線を組み合わする可能性についての指摘があった。

せたコヒーレントフォノンの観測例についての講演があっこれらのセッションの後，最後に総合討論が行われた。

た。レーザープラズマ X 線光源は発散角の大きな光源でまず，この研究会の提案代表者である河田洋氏（ KEK はあるものの，フェムト秒幅の X 線パルスを発生させるPF ）が全体のまとめを行った。続く議論では，様々な指ことができ，フェムト秒オーダーの X 線回折強度の時間摘やコメントが寄せられた。特にレーザーコンプトン X変化を測定することにより，単結晶の非平衡状態の構造情線源の強度を 2 3 桁向上させる可能性を秘めているエン報が直接得られることが示された。
次に，沖本洋一氏（東工大）が，「強相関電子材料におハンスメントキャビティへの期待は大きく，これによりX 線イメージング研究の幅が大いに広がるだろうとのコける光誘起相転移の超高速ダイナミクス」として，ペロブメントが寄せられた。最後に河田洋氏（ KEK PF ）が参スカイト型マンガン酸化物における光誘起強磁性金属相転加者全員に対して ERL 計画への協力を要請して研究会を移についての講演をした。時間分解反射率および Kerr 回締めくくった。

放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5 ● 325