第回

5線自由電子レーザー シ ン ポ ジ ウ ムX

日本発・実用線レーザーで拓く科学と未来

X

要旨集

主催

文部科学省、独立行政法人理化学研究所、財団法人高輝度光科学研究センター

後援

兵庫県、
（社）日本物理学会、日本加速器学会、（社）レーザー学会 、日本放射光学会

日時 平成
会場
［お問い合わせ先］
第5回X線自由電子レーザーシンポジウム事務局〒102-0072
東京都千代田区飯田橋3-11-15 UEDAビル 6F
（株）
クバプロ内
TEL ： 03-3238-1689
FAX ： 03-3238-1837
E-mail ： symposium@kuba.jp

21年 11月 27日

10：00 〜 17：20

品川インターシティホール （東京都港区港南 2-15-4）

要旨集

プログラム／目次
X 線自由電子レーザー計画について ……………………………………………………………………4

10：00 ～ 10：05

主催者挨拶

13：35 ～ 14：00

挨拶

山内

東京大学 教授

X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ ビームライン建設チームリーダー

14：00 ～ 14：25

薫

XFEL によるイメージング技術開発に向けた最近の進展 ……………… 19
京都大学 教授

松原 英一郎

14：25 ～ 14：50

XFEL の光学系・制御系に関する基礎技術 ………………………………… 22
大阪大学 教授

2．施設建設の進展 ………………………………………………………………… 10
X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器建設グループ 主加速部チーム

山内 和人

稲垣 隆宏

14：50 ～ 15：10

休憩

3．世界情勢と将来展望 …………………………………………………………… 12

15：10 ～ 15：35

XFEL による生体分子構造決定に向けた

X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器建設グループ 光源チームリーダー

田中 隆次

11：40 ～ 13：20

XFEL 光と先端レーザー光による原子・分子・クラスターのポンプ・プローブ計測 ……………………… 16

矢橋 牧名

11：10 ～ 11：40

X 線自由電子レーザー利用推進協議会 主査：プログラムディレクター、立命館大学総合理工学研究機構 SR センター長

藤嶋 信夫【X 線自由電子レーザーとは】
10：15 ～ 10：40 1．広がる未来 …………………………………………………………………………… 8

10：40 ～ 11：10

X 線自由電子レーザー利用推進協議会の活動と利用研究の展望 …… 14
太田 俊明

X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 本部長

10：05 ～ 10：15

13：20 ～ 13：35

理論構築とシミュレーション …………………………………………………… 25
日本原子力研究開発機構 グループリーダー

河野 秀俊

休憩＋展示（装置模型やパネルの展示・説明を行います）

15：35 ～ 16：00

X-RAY
FREE
ELECTRON
LASER
XFEL

002

X 線自由電子レーザーは細胞生物学に何をもたらすか ………………… 28
慶應義塾大学 教授

中迫 雅由

16：00 ～ 16：30

製薬からの XFEL への期待と要望 ……………………………………………… 31
第一三共株式会社 研究開発本部 探索第一研究所 第四グループ長

半沢 宏之

16：30 ～ 17：00

超ペタフロップス級コンピュータと X 線自由電子レーザー（XFEL）の連携により実現する生物学の発展 ……………………………………………… 32
理化学研究所 基幹研究所 杉田理論生物化学研究室 准主任研究員

杉田 有治

17：00 ～ 17：15

総括質疑

X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 プロジェクトリーダー

石川 哲也

17：15 ～ 17：20

閉会挨拶

X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 プロジェクトリーダー

石川 哲也※プログラムは一部変更される場合がございます。

XFEL

003

X 線自由電子レーザー計画について

XFEL

004

X 線自由電子レーザー計画について

XFEL

005

X 線自由電子レーザー計画について

XFEL

006

XFEL

007

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

X 線自由電子レーザーとは
1. 広がる未来

矢橋 牧名（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 利用グループ ビームライン建設チームリーダー）に還元すると期待されている。例えば、生体膜中に1. X 線自由電子レーザーが切り拓く世界

多数存在し、生理学上極めて重要な機能をもつ膜タ

光によってものを観察するとき、対象をどこまでンパク質の分子構造の解明や、触媒や電池の製品開細かく分解できるかという能力（分解能）は、用いる発に直結する化学反応の探索、さらには、非常に高光の波長に依存する。X 線は、極めて短い波長をもい電場強度を利用した宇宙空間における極限的な状

らの国の第三期科学技術基本計画の中で、「国家基共用施設としての利用運転が開始される予定である。

つ光であり、1895 年のレントゲンの発見以来、原子態の創成といった利用研究が、国内外で計画されて幹技術」に位置づけられ、2010 年度までの 5 年間で

XFEL は全く新しい光であり、サイエンスも急速にの世界を探索するプローブとして、基礎研究から医いる。

建設されることになった。

発展すると考えられている。したがって、利用運転

療 ･ 工業応用まで、社会の発展に大きく貢献してきた。例えば、遺伝を司る DNA の二重らせん構造の2. 日本における XFEL プロジェクト

解明（1962 年ノーベル医学 ･ 生理学賞）から、タン1980 年代から XFEL の理論的な検討が進展し、90

パク質の合成に関与するリボソームの構造解析（本年代にはその豊かな可能性が知られるようになった。

年のノーベル化学賞）といった最近の成果に至るま

これを受けて、欧米では、スタンフォード線形加速

で、数々の重要な物質の基本構造を明らかにしてき器センター（SLAC）、ドイツ電子シンクロトロン研

た。X 線を発 生する「 光 源 」もこの 100 年で長 足の現在、XFEL 施設の建設は、当初の計画に基づきを行いながら新しい実験装置や手法を開拓し、光源の高度化を行っていくことが非常に重要である。

順調に進展しており、建設終了後半年程度の試験調
整運転を経て、2011 年度中には、SPring-8 と同様の究所（DESY）を中心に、XFEL 施設建設の気運が高進歩を遂げ、現在では、SPring-8 に代表される放射

まり、装置の設計が進められた。しかしながら、彼

光施設が、日夜多数の成果を生み出している。しからの計画は非常に大型のシステムを基軸としている

しながら、これらも発光原理は旧来と変わらないイ

ため、新規に施設を建設し、運転しようとすると莫ンコヒーレント光源であり、輝度の向上には限界が大なコストがかかると試算されていた。SLAC の場あった。結果として、X 線固有の原子分解能の能力合は、既存の線形加速器の転用により建設コストのを発揮させるためには、測定対象は周期構造をもつ

圧縮を図ったが、特殊なケースである。したがって、試料（結晶）に限定され、また、化学反応を担う高XFEL は非常に優れた性能を有するが、世界に 1 〜 2

速の電子や原子 ･ 分子の動きを追跡することも困難で台しか設置することができず、結果として利用機会あった。

が極めて限られることが強く危惧されていた。

X 線自由電子レーザー（XFEL）は、新しい発生原

この問題を克服するために、日本では、2001 年度

理に基づくコヒーレントな X 線光源であり、100 兆より、コンパクトな XFEL 装置の実現に向けた検討

分の 1 秒（10 フェムト秒 ）という極めて短い発 光 時が理化学研究所において開始された。2003 年度には、

力な X 線パルスを発生する。既存の放射光源に比べ能を検証するために加速エネルギー 250 MeV の試験

析対象を「結晶」という特殊な状態に限定することなされ、実証試験が進められた。これらの成果を受けく、広汎に未知の世界を探索し、新たな成果を社会て、XFEL 施設の建設プロジェクトは、2006 年度か間の間に、1000 億個（1011 個）以上の光子を含む強システム構築の目処がたち、2005 年度には、基本性て 10 億倍を超える凄まじい輝度をもつ XFEL は、解機（SCSS 試験加速器）が SPring-8 キャンパスに建設

XFEL

008

XFEL

009

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

X 線自由電子レーザーとは
2. 施設建設の進展

稲垣 隆宏（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器建設グループ 主加速部チーム）

1. 装置の概要と機器開発の状況

は、特に安定性が重要な加速空胴にて、温度変X 線 自 由 電 子レーザー（ 以 下、XFEL）では、 電動を温度計の測定限界である 0.01℃程度まで抑子銃にて生成した電子ビームを、加速器にてエネル

え、レーザーの生成を安定化することに成功しギーを高め、アンジュレータに通すことによって Xた。

線レーザーを生成する。基本となる電子銃、加速器、

7）電子ビームを精度よくモニタし、制御する事。

アンジュレータに、日本発の最先端技術を導入する

電子ビームの位置を 1 ミクロン以下の精度で測ことにより、コンパクトかつ安定に運転できること

定する空胴型モニタ、スクリーン型モニタ、電を重視した設計となっている。

流モニタ等の測定システムを開発し、試験加速

1）「低エミッタンス熱電子銃」により高品質な電子器にて性能を確認した。

ビームを生成し、後段に続く圧縮装置にて電子ビームの密度を高める事。

こうした開 発を経て、 構 成 機 器の製 作・ 設 置が

2）
「C バンド加速器」により、効率よく電子のエネ

順調に進んでいる。メイン加速器となる C バンド加速器については、主要構成機器である加速管（128

ルギーを高める事。

3）「真空封止型アンジュレータ」により、低い電子

本）、RF パルス圧縮器（64 台）、クライストロン（64エネルギーにて X 線レーザーを生成する事。

台）等の製作が完了しつつある。そして昨年より順XFEL のプロトタイプ機である試 験 加 速 器にて、次、実機で使用する機器を組み立て、システムとし2007 年にレーザーパワーの飽和を達成し、以降は大ての性能試験を行っている。機器を入れ替え 3 度のきなトラブルも無く安定に運転を続けている。試験試験を行ったが、結果はいずれも良好であり、設計

加速器の運転を通して、安定にレーザーを生成するを上回る 40 MV/m（1 cm あたり 40 万ボルト）近い電ために重要な技術、勘所が明確になり、特に XFEL

界にて運転可能であることが確認された。

実機にとって以下の事が重要となった。

2. 施設建設の状況

4）加速器の動力源となる高電圧電源が、極めて安本 年 3 月、 写 真のように全 長 400 m の「 加 速 器

定である事。高精度の電源を開発し、出力電圧

ように 0.1 mm 以下の精度で並べられている。遮蔽壁工以降に設置が行われる。また、実験にて使用するを隔てた反対側には制御機器を収納するラックが並X 線検出器や膨大な測定データを適切に処理するシ

び、こちらも約半数が設置されている。ラックの間

ステムの開発も進められている。

の安定性を従来より 1 ケタ以上向上させ 0.01％

棟」、全長 250 m の「光源棟」が完成した。まず、装以下の安定性を実現した。

置の測量基準点を設置し、装置の設置される床面をアンジュレータは、所内にて最終組み立て、調整

研削する作業を行った後、8 月より本格的に加速器のが行われた後、光源棟に設置される。10 月より本格輸送トンネル」も建設工事が進められている。

設置を開始した。加速管は下流側から順次設置され、の 1 秒）の精度が要求される。高周波の分配シ的な設置が始まり、来年までに順次 18 台のアンジュ

現在までに全体の約半数が設置された。電子ビーム

レータが並べられる。

迎えている。来年秋から予定される加速管の調整運ステムを開発し、試験加速器にて表記の性能をのモニタ類は、電磁石と対にして組み立てられた後

光源棟の下流では、「実験研究棟」の建設が進めら実現した。

に、加速管の間に設置されている。これら加速管とれている。X 線レーザー光を実験装置へ導き、また

5）電子ビームと加速器の高周波とを極めて精度よく同期させる事。時 間にして 50 fsec（20 兆 分6）加速器の温度を安定させる事。試験加速器でモニタ類は、レーザー測量器を用い、一直線になる
XFEL

010

には、クライストロンが順次設置されている。

更に、 光 源 棟から分 岐し高 品 質 電 子ビームを

SPring-8 蓄積リングに輸送するための「電子ビーム
このように XFEL 施設では、施設の建設が佳境を転、来年度中の加速器の運転を目指し、着々と準備が続けられている。

モニタするビームライン機器は、来年 5 月の建屋竣
XFEL

011

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

X 線自由電子レーザーとは
3. 世界情勢と将来展望

田中 隆次（X 線自由電子レーザー計画合同推進本部 加速器建設グループ 光源チームリーダー）

盤技術は、それぞれの研究機関で独自に開発された

1. はじめにというだけではなく、長期間に渡って実際に運転さX 線自由電子レーザー（XFEL）は、電子ビームをれ、その性能が実証されたものが多い。一例として

磁場によって曲げたときに発生するシンクロトロン

電子銃と呼ばれる、最初に電子ビームを生成する機放射という現象を利用して X 線レーザーを作り出す

器を比 較すると、SPring-8 では 1500 ℃ 程 度に熱した単結晶のセリウムボライド（CeB6）製陰極にパル施設である。大型の加速器を必要とするという点において SPring-8 などの既存の放射光施設と共通する

ス高電圧を印加して電子ビームを取り出すのに対し、LCLS や Euro XFEL では銅製やセシウムテルライド

部分がある一方、光の発生機構が根本的にこれらと

図 1 ●世界の XFEL 施設及び計画。赤字は稼働中、緑字は建設中、青字は計画中を示す。

られるのがシード化と呼ばれる手法であり、実際にには施設規模を縮小することが最も効果的であり、この手法を採用した XFEL の計画も多数存在する。

このためには上述したシード化や、加速勾配の増強、

しかしながら現在提案されているシード方式では硬さらにアンジュレータの短周期化などが有効であり、は異なる。また、既存の放射光施設では、放射光の（Cs2Te）製の陰極にレーザー光を照射して電子ビー

X 線（オングストローム）領域まで短波長化することこれらの実現に向けた技術開発が各研究機関におい発生原理や採用されている加速器の技術にさほど大ムを取り出す方式を採用している。この他にも、主は困難であるため、何らかのブレークスルーが必要て進められている。

きな差があるわけではなく、敷地面積や電子のエネ加速器に用いられるマイクロ波の周波数や加速空胴になると思われる。一方、建設コストの削減のためルギーが決まると、その施設の主たる機器配置や光の種類、またアンジュレータの基本構造など、ほと源性能がほぼ決まるといっても過言ではない。一方、んど全ての基盤技術が独自の物であり、共通点を探XFEL では電子ビームの生成や加速、また光の発生すのが難しいほどである。各施設とも順調に建設がに至るまで、加速器を構成する機器には多種多様の進んでいるが、LCLS で 2009 年 4 月に波 長 1.5 オン

技術が利用可能である。そこで本講演では、世界各

グストロームにおいてレーザー発振が確認され、世国における XFEL 施設の基本方針を整理し、その現界最初のオングストローム X 線レーザーが実現した状について解説するとともに、XFEL が目指すべきことは特筆すべきである。

方向性とそれを実現するための技術開発の動向につ3. 将来展望いても紹介する。尚、本講演では XFEL という語句をある特 定の施 設を表すために用いるのではなく、前 述した LCLS におけるレーザー 発 振により、レーザー発振の方式あるいは施設を表す一般名詞とXFEL は一つの節目を迎えたといえる。しかしながして用いるので注意されたい。

ら光源としての進化はこれで完了したわけではなく、
むしろこれから新しい目標に向かって技術開発を進

2. 世界情勢

めていく必要がある。例として時間コヒーレンスの2009 年 11 月現在、世界各地には図 1 に示すよう

改善及び建設コストの軽減という 2 つの項目を挙げ

な XFEL 施設あるいは計画が存在する。これらの中ることができる。前者は光源としての究極の形態ででフロントランナーとして挙げられるのは、日本のある単一モードレーザー発振のために必要であり、SPring-8 XFEL&SCSS 試験加速器、米国の LCLS、

また後者は XFEL を新しい光源として定着させるの及びドイツ（EU）の Euro XFEL&FLASH である。

に重要である。
時間コヒーレンスの向上に有効な手法として挙げ

これら日米欧の三施設に採用されている加速器の基
XFEL

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XFEL

013

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

X 線自由電子レーザー利用推進協議会の活動と利用研究の展望

本 装 置の開 発と併 行して利 用 研
究（XFEL を利用した研究）を行
うための技 術 開 発、 想 定される様々な問題点の解決を戦略的に図ることは極めて重要なことと考えられます。
このため、2006 年 2 月、 文 部
科学省の下に外部有識者からなる

太田 俊明（X 線自由電子レーザー利用推進協議会 主査：プログラムディレクター、立命館大学総合理工学研究機構 SR センター長）「X 線自由電子レーザー利用推進協議会」が設置され、（1）利用推進方針及び利用推進計画の策定・見直し（2）利用推進研究課題に関する

1. X 線自由電子レーザー利用推進協議会の活動のグループが日本独自のアイデアによって大幅に小公募要領の決定及び実施課

型化し、コストを低減化したユニークな XFEL 計画

題の選定

を提案しました。これが、第 3 期科学技術基本計画の国 家 基 幹 技 術の一つとして認められ、2006 年よ高い指向性と単色性を持ち、位相が揃った高出力のレーザーを X 線領域にまで広げることは光科学技（3）実施課題の進捗状況の把握
共通基盤技術と個別技術を統合し、実際に利用研究と評価

り建 設が始まり、2010 年 度の完 成を目 指して着 々（4）シンポジウムの開催を実施するための解析・計測システムを構築してい術に携わる者の長年来の夢でした。これを実現させと進行しているところです。この計画は、極めて高といった取り組みを通じて利用技術の開発を進めます。

るための X 線自由電子レーザー（XFEL）計画は欧米

い輝度（SPring-8 の 10 億倍）、極めて短いパルス性（SPring-8 の 1,000 分の 1）を持ち、100％位相が揃っが先行してスタートしました。米国のスタンフォー
ドでは LCLS（Linac Coherent Light Source）を国家た、最短波長 0.06 ナノメートル（1 ナノメートルは10 億分の 1）の X 線を創り出そうとするものです。

1. 原子・分子・クラスターの超高速光化学反応てきました。
この協議会の下には、利用推進方針策定プロジェ

に関する基礎研究のための先端レーザー光源とXFEL の同期技術、計測技術等の開発。

クトチームと利用推進研究課題選考・評価プロジェ
クトチームが設置され、前者においては利用推進研

2. 外場の影響によって誘起される物理・化学現象究（利用研究を実施する際に想定される様々な問題

を、フェムト秒時間分解能で観察・理解するた点の解決に向けた研究開発）の方針・計画を定め、めのイメージング測定・計測技術等の開発。

後者においてはこの方針・計画のもとに、利用推進
研究課題を採択し、利用推進研究を強力に進めていどの生体分子の立体構造解析に向け、試料供給

Laser）建設計画が進行しており 2014 年の運転開始

い光です。結晶化が困難な膜タンパク質 1 分子での3. 結晶化が困難な膜タンパク質や細胞内小器官な原子レベルの構造解析や化学反応の超高速変化の計

ます。

から測定・解析までの実験手法の開発。

を目指しているところです。

測・分析を可能にするポテンシャルをもっています。

プロジェクトとして推進しており、オバマ政権下で計測機器等の開発を加速するとともに、今年 10 月から人類が未だ手にしたことにないこの光源は、1 ナノ

は軟 X 線領域の利用研究が開始されます。また、ドメートルの空間分解能とフェムト秒（1 フェムト秒は1000 兆分の 1 秒）の時間分解能で物質を照らす新し

イツのハンブルグでは欧州国際共同プロジェクトとして超大型の E-XFEL（European X-Ray Free-Electron

したがって、ライフサイエンスやナノテクノロジー・

一 方、 後れをとった我が国では、 理 化 学 研 究 所
Ｘ線自由電子レーザー利用推進協議会

装置開発と並行して、具体的成果の見込まれる研究テーマを絞り込み、また、利用推進研究課題として利用研究を実施する際に想定される問題点の解決を図るなど、戦略的に利用研究を推進するための体制の構築

利用 推進 研究 課題の進め方については、 科 学 技

イミング合わせ技術、検出システム等、XFEL

究分野への貢献、基礎研究から

術・学術審議会や総合科学技術会議による事前評価

施設と利用者との間のインターフェース機能の国民の生活向上に役立つ応用研等も踏まえ、XFEL 完成後直ちに本格的な利用研究

整備・開発。

究・製品開発まで革新的な成果を実施し、革新的な成果を多数創出できるよう、要の創出が期待されています。

素技術開発期（前期：2006 〜 2008 年度）と統合シス

5. 生体分子の立体構造解析に必要な実験条件や回折像からの立体構造を決定するための方法論等

このような期待に応え、諸外国

テム開発期（後期：2009 〜 2010 年度）に分けて、利との熾烈な競争の中、多数の先端用推進研究を計画的に進めてきました。昨年度まで

次項からご紹介する利用推進研究課題は、いよい的研究成果を早期に創出していく

は、XFEL を利用したナノテクノロジー、ライフサ

よ再来年度からスタートする利用研究で革新的な成ためには、 本 装 置の完 成 直 後か

イエンス分野における計測・分析等に資する共通基果を創出するための基盤技術です。光科学技術関係

ら本格的な研究を開始できる環境

盤技術開発と個別研究開発を 18 課題実施してきまし

者のみならず他分野の皆様におかれましても、このレーザー研究者、放射光研究者、
さらには、生命科学、物質科学に携わる研究者の叡智を結集し、XFELるための、XFEL 光の加工（集光など）、照射タ

材料分野をはじめとする幅広い研を整備しておくことが必要です。

014

4. XFEL を活用するさまざまな科学実験を支援す

2. 今後の利用研究の展望の開発。

た。昨年 8 月に行われた、科学技術・学術審議会に機会に未来を開拓する貴重な光源、X 線レーザーによる XFEL 計画中間評価報告書の提言も踏まえ、こ関心を持って頂き、その新しい利用に関わって頂け

れらの研究課題について中間評価を行い、下記の 5れば幸いです。

つの課 題に絞り込み、 今 年 度からの後 期 2 年では、
XFEL

015

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

XFEL 光と先端レーザー光による原子・分子・クラスターのポンプ・プローブ計測
研究代表者

山内

薫（東京大学）

共同研究者 グループ 1				
グループ 2
		

山内 薫（東京大学）
柳下 明（高エネルギー加速器研究機構）
神成 文彦（慶應義塾大学）
山川 考一（日本原子力研究開発機構）
緑川 克美（理化学研究所）
中野 秀俊（NTT 物性科学基礎研究所）
上田 潔（東北大学）
八尾 誠（京都大学）
齋藤 則生（産業技術総合研究所）

分 子のように多 数 原 子からなる試 料は、

XFEL 照 射により数 百あるいは数 万といった電子・イオンを一度に放出されると予想されるため、反応の全貌を捉える
ため有効と考えられる多重同期計測による多粒子同時検出技術を開発した。また、

XFEL のパルス特 性を有 効に利 用するた

めに、試料ビームをパルス化させ、XFEL
光と同 期させて出 射する技 術を開 発し、

XFEL の元素選択性や短パルス性を利用する上で有効と考えられる、特殊な構造を有するクラスターを作成するための技術開発を進めている。また、現在稼働して本課題は、2 つのサブグループから構成され、理よばれるナノ構 造 体や、 生 体 分 子を試 料として、

化学研究所播磨研究所において開発されている X 線

XFEL と物質の相互作用の解明を可能とする実験技

自由電子レーザー（XFEL）を用いて、短波長領域の術の開発を行っている。XFEL を単一クラスター粒

高輝度光と物質、特に、原子、分子、クラスターと子・単一生体分子に照射すると、その中の多くの原の相互作用を理解する事を目標としている。そして、子が同時にイオン化される、あるいは 1 個の原子の中日本の持つ先端光科学・技術を基盤として、先端基の複数の電子が同時に剥ぎ取られる。このようなコ

礎学術分野において世界をリードすることを目指し

ヒーレントな励起に引き続いておこるさまざまな反ている。

応・緩和の追跡を目指している。

1. 研究実施の背景・目的

2. 研究内容

グループ 1

グループ 1

いる試験加速器（EUVFEL）実験施設において、20 年度に試作した荷電粒子運動量多重計測装置とクラスター作成装置を

図 1 ● Ar n+（n=1 〜 6）の生成量の XFEL 強度依存性

用いて、XFEL 利用実験に必要な実験技
術開発を行っている。

4. 平成 21 年度の研究概要

3. 期待される成果グループ 1

グループ 1

現在、軟エックス線領域のコヒーレント高次高調波による XFEL 光のシード化の実現を目指し、高輝

シーディング技術によって、極短波長領域高輝度
光源が時間コヒーレンスを得ることができる。さら度フェムト秒レーザーと FEL 光との同 期システムに、レーザーとの同期についても、ジッターの問題の構築やシード光源である高強度レーザーのアップが解決されるなど、XFEL とレーザー光による実時

グレードおよび高調波の発生を理研播磨研との共同間計測のための研究基盤が整備され、極短波長領域で進めている。また、同期実験に用いる超短パルス

コヒーレント高次高調波によってシード化するとい強光子場における原子・分子・クラスターのダイナ

レーザーシステムについては、波形整形や超広帯域現を目指す。

う基盤技術開発を行う。さらに、そのシード光源をミクスや、分子やクラスターの幾何学的構造の超高（目標 2）シード化された軟エックス線 FEL 光とレー用いて、 軟 X 線 領 域の強 光 子 場と原 子、 分 子およ

OPA などの先端レーザー光源技術の研究開発を進め

速過程が解明されると期待される。

ている。また、分子ダイナミクスの解明に向けた飛びクラスターの相互作用の解明を行う。そして、ポグループ 2

行時間型イオン・光電子計測装置や光電子・イオン（目標 1）XFEL 光と超短パルスレーザー光源との精

XFEL 光と超短パルスレーザー光との同期技術を確 立し、 プロトタイプ XFEL 機（ 軟 X 線 FEL）を、密な同期技術を確立し、軟エックス線領域のコヒーレント高次高調波によって XFEL 光のシード化の実

ザー光源との時間分解測定によって、軟 X 線領域における強光子場下での分子およびクラスターの光応

ンプ・プローブ計測により、実時間でのダイナミク

XFEL を吸収した物質において、「どのような電子

運動量画像計測装置をプロトタイプ XFEL 機のビー

答ダイナミクスをイオンおよび電子計測によって追ス計測を行うとともに、超短パルスレーザー光をデ素過程が起こるのか？」、更に「その影響により、物ムラインに設置し、理研播磨のプロトタイプ XFEL

跡する。

ザインし、 ダイナミクスの制 御を行う。 また、 実

質がどのように破壊されていくのか？」が明らかにな機を利用し、高強度極短波長光源の波長可変性と高（目標 3）硬 X 線領域の XFEL 光とレーザー光源との機 XFEL 光と超短パルスレーザー光との同期実験にれば、例えば、タンパク質の構造解析を行なう際に、強度を活用して原子・分子の相互作用の計測やレー

ポンプポローブ計測により、X 線回折像の変化から、

よって、X 線回折の実時間計測を行い、分子やクラ「どのようにすればタンパク質が壊れる前に測定がでザーと FEL の同期実験を実施し、高強度の極短波長

分子およびクラスターの幾何学的構造の変化を実時

スターの幾何学的構造の変化を実時間で追跡する。

きるのか？」、更に「たとえ壊れても、壊れる前の情

光と原子 ･ 分子の非線形過程を解明する（図 1）。

間計測する。

グループ 2

報をどのように回復させられるのか？」という問題

これらの研究プロジェクトは、山内グループ、柳を考える道筋が見えてくる。また、XFEL の著しい下グループ、神成グループ、山川グループ、緑川グ（目標 4）近赤外域から真空紫外領域の広い波長域に

XFEL を利用する実験の基本的なスタイルは、微おいて、デザインされた先端レーザー光源を開発し、量の試料を真空中に噴射させ、それに XFEL を照射特徴である元素選択性（即ち、X 線波長を選ぶこと

ループ、そして、協力機関である中野グループの緊し、単粒子構造解析を行う、あるいは、XFEL と試により、ある特定の元素のみに X 線を吸収させるこ

密な連携体制の下に推進されている。

料との相互作用の結果として生じる現象を調べること）を利用して、ナノ構造体の電気伝導特性を非接グループ 2硬 X 線による回折測定によって追跡する。

とである。このために、我々は、単粒子導入のため

触（即ち、電極を用いない方法）で、且つ原子レベル［1］EUVFEL 光と電子・イオン運動量多重計測装置

グループ 2の各種クラスター源の開発と電子・イオン運動量多で測定することも可能になるであろう。

分子制御及び反応制御を行い、その過程を高強度極
端紫外〜軟 X 線 FEL 光源によるイオン化、または、を用いて、いくつかの希ガス・クラスターの光吸重計測装置の開発を行っている。クラスターや生体原子が数個から数万個凝集した「クラスター」と
XFEL

016

収・脱励起過程の観測を行なった。クラスター
XFEL

017

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウムの光イオン化によって生成される多数のイオンについて 3 次元運動量の多重計測に成功した（図 2［4］EUVFEL での実験経験を生かし、XFEL による単粒子解析と同時に荷電粒子の運動量を計測するための装置を設計・製作中である。

参照）。その結果、クラスター内で多数の原子が同時にイオン化すること、ある程度多価になる

5. 成果の社会還元と、それ以上のイオン化が抑制されること等を見グループ 1出した。本研究の成果については、専門誌に論文が掲載されている。

本 研 究によって、 得られる成 果は、 直 接 的に国［2］20 年度に製作したパルス・クラスター作製装置

民 生 活を豊かにするものではないが、 理 研 播 磨のを用いて、希ガス巨大クラスターや 2 成分クラス

XFEL 施設を最大限活用し、学術研究の成果を積み

ターなど種種のクラスターで生成条件を確認し重ね知のフロンティアを開拓すること自体が、社会た。さらに、EUVFEL 施設において電子・イオへの還元につながるものである。

ン運動量多重計測装置を用いた典型的なクラス

グループ 2

ターの計測を実施して、FEL 実験に必要な計測

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

XFEL によるイメージング技術開発に向けた最近の進展
松原 英一郎（京都大学工学研究科）
北川 進（京都大学物質 - 細胞統合システム拠点）
守友 浩（筑波大学数理物質科学研究科）
角田 匡清（東北大学工学研究科）
高田 昌樹、西野 吉則、田中 義人（理化学研究所播磨研究所）
中村 哲也、鈴木 基寛（高輝度光科学研究センター利用研究促進部門）
淡路 直樹（富士通株式会社ストレージプロダクト事業本部）

本研究から得られる FEL と物質の相互作用に関する知見は、FEL を利用する研究において最も基本的技術の開発を進めている。
［3］極低温カロリーメーターを用いて、EUVFEL 光

な情報を与える。その波及効果は、生体関連あるいはナノ関連物質の研究すべてにおよぶ。

の高精度強度絶対値測定を行った。

1. 研究実施の背景・目的
高強度で超短パルス性を示す完全コヒーレンスな2. 研究内容（1）超短パルス・コヒーレント光を用いた結像技術

X 線 光 源である X 線 自 由 電 子レーザー（XFEL）をの開発（松原、西野）

X 線 自 由 電 子レーザー（XFEL）からの超 短パル

用いると、物質内部の様々な物理現象や化学現象を

図 2 ●平均サイズ <N> のアルゴンクラスターから生成する Ar イオンの運動エネルギー分布の測定例（左図）。実験結果から予想された、クラスターのイオン化抑制のモデル（右図）。FEL の強い光電場で生成した著しく多価のクラス
ターイオンが作る強いクーロン引力場から電子が逃れられなくなることで、クラスターのイオン化が抑制されると考えられる。
+

100 フェムト秒（10 兆分の 1 秒）以下の時間分解能でス・コヒーレント光を用いた結像技術は、フェムト

観察することができる。そこで本グループでは、多秒時間分解能で物質の組織や形状変化を連続撮影し孔性金属錯体ナノ細孔ガス吸着材料や光応答性物質

観察できる画期的な材料評価技術である。そこで、や高品質スピントロニクス薄膜デバイスなどの物質

反復位相回復法やホログラフィー法を使った結像技

創製や物性の研究者、コヒーレント X 線回折顕微鏡術を対象に、実験装置、測定手法、解析法などの研やホログラフィーによる結像技術の研究者、電子イ究を行っている。

メージング法や時間分割 X 線回折法や共鳴磁気散乱（2）ガス吸着ダイナミクス研究のための時間分割 Xなどの放射光散乱技術の研究者らが協力し、物質内

線回折データ測定技術の開発（北川、高田）部で起こる物理現象や化学現象に伴う物質の原子レ

多孔性金属錯体は、図 1 に示すように、極めて規ベルでの構造やナノスケールでの組織や形態の変化

則性の高いナノサイズの細孔を持つ結晶物質であり、を、フェムト秒オーダーの時間分解能で計測する技

ガスの分離や精製、貯蔵への応用が期待される新し術を開発することを目的としている。

い材料である。ガス吸着の際にガス分子に応じて骨格構造を柔軟に変化させ分子を取り込む機構を理解することが、この材料開発において重要である。そこで、多孔性金属錯体のナノ細孔へのガス吸着過程を、超高輝度 XFEL 光源を利用した回折実験と精密結晶構造解析により可視化し、吸着現象をガス分子とナノ細孔の相互作用の観点から解明するために、ガス吸着材料の最適化技術、ガス
吸着状態での回折データその場測定技
術、高速時間分解 X 線回折データ測定技術、ならびに電子密度解析と静電ポテンシャルを用いた吸着現象の可視

図 1 ●多孔性金属錯体

XFEL

018

化技術の開発を研究している。
XFEL

019

（3）極小デバイス磁化挙動解析のための回折スペッ
クル計測技術の開発（角田、淡路、中村、鈴
木）のフェムト秒時間分解能顕微鏡装置の開発研究を像として再構成されているのが行っている。

分かる。

3. 期待される成果

次世代スピントロニクスデバイスの開発に必要な（2）ガス吸着ダイナミクス研究のための時間分割X線回微小磁性体の静的・動的磁化挙動の解析を実現する

本グループでは、 光 励 起 現 象や動的 磁化 挙動な

折データ測定技術の開発

ために、XFEL による回折スペックル計測による微

どの物理現象及びガス吸着などの化学現象を取り上回 転シャ ッターと CCD カメ

小磁性体内の磁化ベクトル分布解析技術を開発する

げ、現象が進行する過程での原子レベルの構造変化

ラを組み合わせた時 間 分 解 回ための研究を行っている。

や相転移、ナノスケールでの組織変化や形態変化を、

折データ測 定 装 置を開 発し、（4）フェムト秒時間分解顕微鏡の本機への組込と光数 100 フェムト秒という XFEL の超短パルス幅を活

SPring-8 の BL19XLU で試験しかしたストロボ撮影により、フェムト秒時間分解能

た結果、多孔性物質からのガス

オーバーサンプリング条件下で反復位相法によるでの材料評価技術を開発している。これにより、従放出過程での回折データを時間

位相回復を行うためには、1 μm 以下の大きさの物

来の方法では得ることができなかった時間的、空間分解能で測定し、図 4 に示すよ応答性物質の探索（守友、田中）

図４●多孔性物質からのガス放出過程での試験的に得た時間分解回折データ

質を試料として用いる必要がある。また、XFEL を的に極めて鮮明な構造情報の観察ができるようにな

試料に照射すると、試料が破壊される可能性がある。

り、本グループで取り上げている現象も含め、物質を進めている。

したがって、図 2 に示す SPring-8 の放射光用に開発

状態（12）の構造変化を反映する回折パターンの差の様々な物理現象や化学現象の理解と機構の解明にを明確にとらえることができるようになった。現在、（2）ガス吸着ダイナミクス研究のための時間分割 X

された時間・空間領域で分光学的に測定試料を監視大きく寄与することが期待される。

これらの成果を踏まえ、計測速度のさらなる高速化

するフェムト秒時間分解顕微鏡を改良し、XFEL 用

4. 平成 21 年度の研究概要（1）超短パルス・コヒーレント光を用いた結像技術の開発
現 在 建 設 中の XFEL からの超 短パルス、 コヒー
レント光を用いたフェムト秒ストロボ撮 影 技 術および結像技術の検証は、極紫外自由電子レーザー（EUVFEL）を使って行われている。測定装置および試料として用いたテストパターン、EUVFEL の 1

パルス（数 100 フェムト秒露光）で測定したホログラ

図 2 ● XFEL に組み込むフェムト秒時間分解顕微鏡（計測速度：950 Hz、ビームサイズ 3 μm）

うにガス放出の始状態（1）と終線回折データ測定技術の開発
ガス分子がナノ細孔によってどのように認識され、や精密構造解析法への展開を進めている。
また、他の課題においても、微少薄膜試料からの取り込まれていくのかを連続的に観測して可視化す

スペックルプロファイルから、磁気スペックルを抽ることは、ガス分子とナノ細孔との相互作用の理解出し、それを用いた結像技術の研究が現在進行してにつながり、また、ガスの貯蔵や分離を始めとする

いる他、図 2 で示した装置を XFEL に組み込むため機能を有する多孔性金属錯体の合理的な設計・合成の改造のための研究も進んでいる。

に指針を与える。ガス分子は現代社会の様々な課題に広く関わっており、エネルギー（アセチレン、メタ

5. 成果の社会還元

ン、水素など）、環境（二酸化炭素、低分子イオウお（1）超短パルス・コヒーレント光を用いた結像技術

よび窒素酸化物など）、生体（酸素、一酸化窒素なの開発

ど）などを始めとする様々な分野での問題解決に貢ム、1 回のフーリエ変換で再構成した像を図 3 に示す。

超短パルス・コヒーレント光を用いた結像技術の予備的な解析ながら、テストパターンとして描いた

開発は、時間的に鮮明な構造情報を我々に提供してSPring-8 のロゴマークが、 解 析に用いた HERALD

くれる。したがって、これまで人類が時間的な平均（自己相関線形微分演算による広がった参照体を用いに隠されて見ることができなかった新しい現象の発微小磁性体の静的・動的磁化挙動解析技術としたホログラフィー）法により、合計 4 個の実像及び虚見につながることが期待される。また、原子が物質て、X 線自由電子レーザーのコヒーレント性を利用

内を激しく動き回っている場合や、組織が変化してした回折スペックル計測による微小磁性体内の磁化いる場合などについてもストロボ撮影による変化のベクトル分布解析技術を開発することは、次世代ス

連続記録が実現する。特に、せん断変形による相変

ピントロニクスデバイスの開発に大きく寄与する。

態などの極めて速い現象の機構解明に寄与できると（4）フェムト秒時間分解顕微鏡の本機への組込と光献する重要な知見を得ることができる。
（3）極小デバイス磁化挙動解析のための回折スペッ
クル計測技術の開発考えられる。ただ、現状では、EUVFEL の短パルス

応答性物質の探索を用いたマイクロスケールの組織観察においては数

試料を時間・空間領域で分光学的に監視するフェ100 フェムト秒での測定が実現しているが、原子レ

ムト秒時間分解顕微鏡の開発と FEL 本機への組込のベルの構造解析に必要な高速回折測定技術では 100実現により、高速回折測定や結像技術と組み合わせ

ナノ秒のオーダーである。したがって、結像技術にて、次世代の光応答物質の探査に関わる研究開発をおいては位置的分解能の改善、回折技術においては飛躍的に推進することになる。

時分割測定のさらなる短縮のための技術開発の研究
図 3 ●（a）EUVFEL の超短パルス、コヒーレント光を用いたフェムト秒ストロボ撮影実験配置、（b）「SPring-8」ロゴマーク入りの試料、（c）水平線参照図形を用いた HERALD 法で再構成した像

XFEL

020

XFEL

021

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

XFEL の光学系・制御系に関する基礎技術
山内 和人（大阪大学）
三村 秀和（大阪大学）
中村 一隆（東京工業大学）
北村 光（京都大学）
初井 宇記（理化学研究所）

大森 整（理化学研究所）
玉作 賢治（理化学研究所）
米田 仁紀（電機通信大学）
兒玉 了祐（大阪大学）

1. 研究実施の背景・目的

2. 研究内容

今、 西 播 磨に建 設 中の X 線 自 由 電 子レーザー

集光技術：（XFEL）は、 ピーク強 度が SPring-8 の 10 億 倍、 パ

XFEL の様な極限のピーク強度をもつ X 線を受けルス幅は SPring-8 の 1000 分の 1 である。レーザーと止め、これを集光するためには、ミラーによる X 線

しての完全な可干渉性をもった超高強度かつ極短のの吸収を可能な限り小さくする必要がある。このた

パルス光源であり、人類がこれまでに経験した光とめには、ミラーの素材に軽元素（C 系など）を採用する必要がある。その結果、X 線を全反射するためにはあまりにもかけ離れた夢の光とも言える。私たちは、ミラーに対してすれすれの角度（1 〜 2 mrad）でのグループでは、この光を集める技術や、光を照射するタイミングを 1000 億分の 1 秒の精度で制御する

X 線を入射することが必要である。すべての光を受技術、そして、更なる短パルス化など、XFEL 光の

図 2 ●ミラーによる XFEL 集光の概念図

除く技 術を確 立して、 これまでに XFEL
を 50 nm レベルで集光することが可能なミラーの開発に成功した（図 2、3）。XFEL

1の集光は、未踏科学への挑戦を加速する

0.8

ものであり、さらに集光率を上げるための研究も着実に進めつつある。

け止めるためには、ミラーを非常に長くしなければ加工を行う機能光学素子の開発を進めている（図 1）。

ならず、具体的には 400 mm 長の集光ミラーが必要

XFEL 照射タイミング計測技術：

めて重要な基盤的技術であり、日本の XFEL でしかことなく集 光するためには、1 nm（10 億 分の 1 m）

は、XFEL をプローブに用い、フェムト秒のレベルでミラー全域に亘って形状精度を保証するのレベルで変化する化学反応や構造変化

年度の供用開始に向け、ミッションを達成しつつあ必要がある。また、誤差形状のミラー面内方向の幅を調べる時間分解計測にとって必要不可

り、集光性能では世界 No.1 の成果を上げている。

は、原子のサイズである 0.1 nm からミラーの全長に欠である。 本 研 究では、XFEL の発 生と亘って保証する必要がある。我々は、この形状誤差の正確な時間相関をもつ電子ビームの電場の分布を評価し、その 1 つひとつを原子単位で取りを、光信号に刻む技術を開発し、化学反様々な応用研究において、XFEL 光の質を決める極できない研究を可能にするための研究である。2011である。ところが、X 線のコヒーレンシーを損なう

1.2

XFEL 照射タイミングを正確に知ること

計測
理想プロファイル
75 nm

0.6
0.4
0.2
0
−200

これによって、固体の光学的性質が著しく変化する。

照射と XFEL 照射との相対時間差をショットごとに、

この様な効果は、弱い光との相互作用では見られな

フェムト秒の精度で計測するシステムを開発しつつい非線形効果と呼ばれている。この効果を利用すれある。また、時間原点を決め、XFEL と励起レーザー

ば、入射する XFEL の先頭部分のみを切り出すことの絶対的な時間差を決めるための技術も必要であるなど、XFEL 利用研究の高度化を目指した光の加工が、このためには、固体に励起用レーザーを照射しが可能になる。これまでの科学が経験していない新た際に生じる結晶格子の振動を XFEL によってとら規の現象の探索を目指している。

3. 期待される成果
XFEL の集光技術は、さまざまな応用研究にとっ

機能光学素子の開発：

XFEL が照射された固体では、内殻電子が急激にて必要不可欠な技術である。特に、タンパク質 1 分

励起され、極めて高い励起状態が瞬時に形成される。
XFEL

200

応や構造変化の時間原点を決める励起用レーザーの

中である。

022

0
100
位置（ナノメートル）

図 3 ●作製した集光鏡により集められた X 線の強度プロファイル（X 線の波長 0.8 オングストローム）。青が理論的に予測される強度
プロファイル、○が計測結果。理想的な集光が実現されていることがわかる。

え、時間軸の原点をあらかじめ知るシステムを開発

図 1 ●開発中のシステムの全様

−100

XFEL

023

子から、その構造を決定することが可能な 1 分子構

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

造解析では、十分な散乱 X 線を得るための集光が不究の際に 1 ショットごとに、ネットワークを通じて、可欠であり、本研究によって開発された集光システ

そのタイミングをユーザーに伝えることが可能なシムによって、これが可能になるものと期待されていステムとしての整備を進めつつある。非線形光学をる。また、光の短パルス化、照射タイミングの高精利用した機能光学素子の開発においても、内殻励起度化が進めば、1 分子解析の更なる高精度化や、生分子の構造安定性の評価を可能にするとともに、プ体反応を始めとする化学反応のより詳細なダイナミ

ロトタイプ FEL を用いて、励起飽和現象を観測する

クスを真に実時間で計測できる可能性がある。これことに成功した。これは、光の更なる短パルス化にによって、次世代の創薬のために最も重要でありな

道を拓くものである。また、1 分子解析に必要な散乱

X 線の検出器の開発も進めている。

がら、調べることができなかった膜タンパク質の構造を決定することができ、医学、創薬研究の分野か

5. 成果の社会還元

ら、大きな期待が寄せられている。

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

XFEL による生体分子構造決定に向けた理論構築とシミュレーション

研究代表者

河野 秀俊 1

共同研究者

郷信広 1、2

森林 健悟 1福田 祐仁 1

（1. 日本原子力研究開発機構、2. 理化学研究所）

XFEL の応用研究では医学、生物、材料などのす

4. 平成 21 年度の研究概要

べての分野において革新的な研究成果が期待されて

1 分子構造解析等への応用が期待される回折顕微いる。本研究はその質の向上に極めて重要な役割を鏡をターゲットに、真空対応の集光システムの開発

果たすものであり、あらゆる分野への波及効果が大を進めるとともに、集光状態の高精度モニターの開きい。また、極限の光学素子の開発は、日本の強み

タンパク質や核酸及びそれらの複合体の立体構造

子の散乱光強度データをシミュレートし、そこから発を進めている。また、タイミング信号についても、である超精密加工技術をさらに発展させるものであは、分子機能を解明する上で非常に貴重な情報を与

立体構造を導き出す計算アルゴリズムの構築とソフ

必要な基礎技術の開発にめどをつけ、XFEL 利用研

り、工業分野に広く応用が可能である。

える。その立体構造を得るためには、おもに X 線結

トウェアの開発を行う。そのためには、散乱光強度のため、未だ人類が手にしたことのない大強度でコ

1. 研究実施の背景・目的

ヒーレンスな XFEL 光によって得られるであろう分晶構造解析と NMR 分光法が使われている。前者は、データの雑音や標的分子と XFEL 光との相互作用を分子を結晶化する必要があるが、ゲノム中のタンパ理解する必要がある。本研究では、それに加えて散ク質の約半分は結晶化ができておらず、この結晶化

乱と同時に起こる標的分子の損傷、崩壊過程等のシが構造解析の最大のボトルネックとなっている。一ミュレーションを行うことにより、その立体構造計

方、後者はあまり大きな分子の構造を決定すること算への影響を調べる。これらのシミュレーションをはできない。

通して、立体構造決定という目標達成のための各種

現在、理化学研究所に建設中の XFEL 光はこれら

装置パラメータ値を導くことができる。

の問題を解決してくれるかもしれない。XFEL 光は、その輝度とコヒーレンス性が高いため、単分子ある

2. 研究内容
実験的に得られる散乱光強度データは、2 次元回

いは（生体分子複合体の）単粒子を標的とした、その弾性散乱光測定による、立体構造決定の可能性が折像である。分子の立体構造を得るためには、3 次元示唆されている。

回折像を構築し、それに対して位相回復計算を行う

本 研 究の目 的は、 この XFEL 光を用いた生 体 分

か、2 次元回折像の段階で位相回復を行いコンピュー
タトモグラフィーの方法で 3 次元構築を行うかどち子の構造決定方法の理論を構築することである。そらかの方法をとらなければならない。今年度は、前者の 3 次元回折像を得るために必要なアルゴリズムを開発する。
測 定されるのは、 単 粒 子であるがゆえに回折強度が弱く、量子ノイズがのった 2 次元回折像である（ 図 1）。 しかも、 分子姿勢のわからない回折像である。そのため、2 次元回折像自図 1 ●量子雑音なしの回折像（左）と雑音ありの回折像（右）の例。色コードのゼロは、フォトン数が 1 に対応する。

XFEL

024

XFEL

025

体の精度を上げる必要があること、また、2 次元回折像自体の図 3 ● X 線強度と束縛電子の数の関係。図 2 に示した原子素過程を考慮し、レート方程式（実線 ）及 び PIC（particle in cell）法（ 青 丸 ）で 計算。条件：分子半径 100 Å、波長 1 Å、パルス幅
10 fs。緑：光吸収のみ考慮。オレンジ：光吸収とコンプトン効果。赤：光吸収、コンプトン効
果、電場電離、オージェ過程、電子衝突。

図 2 ●想定される、さまざまな原子素過程

相対配置を明らかにするといったことが必要になる。

の間に考え、それぞれの大きさごとに、XFEL 照射ある結晶化ステップを省くことができ、その意義はこれらのことが、量子ノイズのもと、どこまで精度の際に起こる分子の損傷、崩壊過程を取り込んで計

計り知れない。分子の立体構造を手にすることによよく行えるか明らかにする。

算を行うことによって、実際の測定データに近い回

り、分子ダイナミクスとの関係が明快になり、我々分子の損傷、崩壊（図 2）を調べるために、生体分

折像のシミュレーション、及び、できるだけ損傷及の分子機能発現のメカニズムの理解が大幅に向上す

子を構成する硫黄、リン（炭素、酸素、水素、窒素

び崩壊を抑えるべきＸ線強度の上限を求めること（図るとともに、新たなナノ分子素子などの開発にも貢3）が可能となる。一方、可能な限り高分解能の構

献すると期待される。また、多くの医薬品の標的で[1]については計算済み ）の電離状態のエネルギー及び X 線吸収、オージェ過程等の反応確率データを計造を得る立場からは、測定器の 1 画素当たり光量子
が平均 1 個に満たない微弱な強度データまでも構造から、XFEL 光による全く新しい立体構造決定法の化に加え、イオン化で分子外に脱離した電子集団と計算に用いたい。これらのシミュレーション計算か可能性への期待は大きい。

正に帯電した分子との間に生成する誘起電場によるら、X 線パルスの強度の下限、パルス幅などの実験

イオン化の存在を見出し、これまで考えられていた

パラーメータの条件提示、そこから得られる分解能、よりも早い時間スケールで分子崩壊が起こることをまた、データ解析に必要な計算量について情報が得算する。我々は、XFEL 光吸収による分子のイオン[2]

明らかにした 。そこで、これらすべての現象を考[1] K.Moribayashi, J.Phys.B, 41, 085602 (2008), T.Kai and
K.Moribayashi, J.Phys: Conference Series 163, 012035(2009), K.Moribayashi and T. Kai, J.Phys: Conference
Series 163, 012097 (2009), T. Kai, “Single-differential
and integral cross sections for electron-impact ionization
for the damage of carbon clusters irradiated with x-ray
free-electron lasers”, Phys.Rev.A, in press (2009).
[2] T. Nakamura, Y. Fukuda, and Y. Kishimoto, "Ionization
dynamics of cluster targets irradiated by x-ray freeelectron-laser light", Phys. Rev. A, in press (2009)[3] K. Moribayashi, Phys. Rev.A. 80 025403 (2009).

ある膜タンパク質は結晶化が極めて困難であることられる。

慮して、生体分子の典型的な原子数比のもと、生体

4. 平成 21 年度の研究概要

分子のサイズ、フォトン数、波長、パルス幅等のパラメータを変えて、XFEL 光との相互作用による原

1）2 次元回折像から 3 次元回折像を得る方法論の子の電子状態変化、生体分子内に留まっている（原開発を行う。

2）分子の損傷及び崩壊過程のシミュレーション計

子から電離した）電子及びイオンの運動の時間発展を計算することで、分子の損傷及び崩壊を評価する。

算とそれを考慮した回折像計算を行う。

3）誘起電場によるイオン化に伴う分子崩壊条件

また、数千原子数で構成される生体分子に対して損[3]

傷 及び崩壊を伴う回折像をシミュレーション計算（つまり、崩壊を抑える条件）を調べる。

により求める。最終的に、この回折像にもとづいて

5. 成果の社会還元

分子の立体構造の決定を試みる。

ゲノム中のタンパク質の約半分は結晶化できてな

3. 期待される成果

い現在、XFEL 光を用いて生体分子の構造決定が可

標的分子のサイズを、直径 1 nm から 100 nm 程度

能となれば、X 線結晶解析におけるボトルネックで

XFEL

026

XFEL

027

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

X 線自由電子レーザーは細胞生物学に何をもたらすか研究代表者

中迫 雅由（慶應義塾大学）

中嶋

敦（慶應義塾大学）

共同研究者

生体単粒子解析用クライオ試料固定照射装置グループ
白濱 圭也（慶應義塾大学）
難波 啓一（大阪大学）
山本 雅貴（理化学研究所）
米倉 功治（理化学研究所）
西野 吉則（理化学研究所）
前島 一博（遺伝学研究所）
蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置グループ
真船 文隆（東京大学）
国島 直樹（理化学研究所）
堂前 直（理化学研究所）
内藤 久志（理化学研究所）

実 施する段 階となっている。
大型放射光実験施設などにおいて先行的実験を実施しながら、XFEL 実 機 利 用に向けた実験技術および解析技術の確
立や解析方法の検討を行う予定である。

3. 期待される成果
生命が誕生して約 40 億年といわれ、生物細胞は、高度なナノマシンの集積体をその中に創造してきた。生物細胞に1. 研究実施の背景・目的

2. 研究内容

2008 年度のノーベル化学賞は、特定生体分子の細平成 18 年度に実施された調査研究を受け、XFEL

は、まだまだ人類が踏み込めていない未知の領域が多数存
在し、細胞内の構造体や結晶胞内動態を光学顕微鏡観察することを可能とする蛍の 60 Hz パルスに対応した高効率な単粒子構造解析

化が困難な膜蛋白質などはそ

光蛋白質の発見者と利用方法の開拓者に授与された。

実験を実現可能な装置として、急速試料粒子を極低の典型例である。製作中の照

また、放射光 X 線を用いて、結晶化が可能な蛋白質温に保持して照射野に導入する「生体単粒子解析用

射装置を用いれば、原理的にの姿を、高い解像度で可視化できるようになっていクライオ試料固定照射装置」と、試料分子・粒子を結晶化が不可能な構造体の観る。この実験手法によって生命活動に不可欠な分子

微小液滴として照射野に飛翔させる「蛋白質単粒子察が可能となるであろう。高

やその集合体の立体構造を明らかにした研究者が、解析用液体・分子ビーム生成装置」が開発されてきい解像度で観察できれば、生

2003、2006、2009 年度のノーベル化学賞を授与さた。

命現象の理解をさらに一歩進れている。近年、ノーベル賞は人類社会の発展に寄「生体単粒子解析用クライオ試料固定照射装置」

めることができる。結晶構造解析が困難な蛋白質の与する研究成果に与えられる傾向にあり、細胞の営（図 1）は、電子顕微鏡や低温 X 線回折実験技術を基

立体構造をオングストローム（1 億分の 1 cm）の解像

4. 平成 21 年度の研究概要

みを分子のレベルで明らかにする研究が与える社会礎とし、ミクロン〜百ナノメートルサイズの生体粒的波及の大きさが窺い知れる。一方で、生物細胞に子を低温固定試料とし、XFEL パルスに同期した照前後の大きさを持つ細胞内構造体をナノメートル（1化を実施するとともに、実験技術および解析技術のは、まだまだ人類が踏み込めていない未知の階層構

射位置投入を目指すものである。精密位置制御機械

造が多数存在している。生命の営みを深く理解する

図1●クライオ試料固定照射装置の製作設計図と高度化が進行中の装置（SPring-8, BL29XUL にて）度で明らかにすること、 ミクロン（10 万 分の 1 cm）

XFEL 実機利用に向けた 2 つの装置の整備と高度確立や解析方法の検討している。

要素群、低温試料装填ローダー、試料を 8 K 以下の千万分の 1 cm）の解像度で明らかにできれば、次世

代生物学に大きな発展をもたらすだけでなく、将来「生体単粒子解析用クライオ試料固定照射装置の整ためには、個々の生体分子に注目する実験研究、細低温状態に保つ液体ヘリウム冷却ポット装置、装置のナノテクノロジーの模範を多数見出すことが期待

備と高度化」

胞や構造体全体を見通すような実験研究が必要とさを XFEL ビーム位置へ高精度設置する定盤などで構

される。

れている。

成される。

液体ヘリウム試料ポット周辺の輻射遮蔽の高度化

結晶構造解析が困難または原理的に不可能な蛋のために高熱伝導材質を利用した遮蔽用い、試料位

白質分子やその集合体の XFEL 単粒子構造解析は、置制御装置との接続に使用している低熱伝導材料のこのような背景下、X 線自由電子レーザー（XFEL）「 蛋 白 質 単 粒 子 解 析 用 液 体・ 分 子ビーム生 成 装のバイオサイエンス分野利用では、百ナノメートル

置」（ 図 2）は、クラスター科学で発展してきたクラ程度の巨大超分子複合体やミクロンサイズの細胞内スターならびに液体のビーム生成技術や質量分析技

小 器 官や細 胞のように、 結 晶 化が絶 望 的または原術を基礎として、蛋白質水溶液試料の微細な液体が 60 Hz であり、単粒子解析に要求されるスペック

子顕微鏡試料マウント法をより模倣できる試料ホル

理的に不可能な生体非晶物体の立体構造を、ナノビームから分子ビームを作成する。液体ビーム技術、

ル散乱パターン数を鑑みた場合、高い歩留まりで試ダーの改良など、試料操作と装置内環境の高度化をメートル以上の分解能で可視化する生体単粒子立体

レーザー粉砕法、超高圧ガスパルス噴出技術、さら料に XFEL ビームを照射する必要がある。本課題で図っているところである。また、液体ヘリウム温度

構造解析に大きな期待が寄せられているところであに飛行時間型高感度質量分析法を精緻に組み合わせ開発する「生体単粒子解析用クライオ試料固定照射で動作する圧電素子を用いて、より小型化した照射る。我々は、このような構造解析を現実のものとすて、蛋白質試料粒子を非破壊かつ単粒子として飛翔装置」や「蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生装置を実現するべく設計と製作を行っているところるため、生体粒子を操作して XFEL 照射野に効率的させる手法を開拓している。

成装置」は、他に類を見ない独自開発の世界先端実である。21 年 10 月には、SPring-8 に装 置 本 体を移に導入することを可能とする照射装置の開発を行い、平 成 21-22 年 度は、XFEL 実 機においてそれらを

XFEL 完成とともに迅速な実験と解析が可能なよう実験投入することを想定した要素技術の更なる整備に準備を整えているところである。

と高度化、実験手順の構築、画像解析方法の検討を
XFEL

028

EU や米国の XFEL 計画においても主要テーマとして

利 用を検討している。本 装 置は、電 子 顕 微鏡に慣取り上げられている。我国の XFEL ではパルス間隔れた生物学系ユーザーを想定して設計しており、電験技術を展開・高度化していることから、その内容

設して XFEL ビームに対する装置全体の位置・方位は、諸外国にも波及するものと期待される。

調整を容易かつ精密に可能とする専用精密定盤に搭載し、ナノサイエンスで利用されているサブミクロ
XFEL

029

第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

製薬からの XFEL への期待と要望

ンサイズの粒子を標準試料として用いた実機利用想定実験を開始する予定である。
この装 置で用いる試 料は、 ア
モルファス氷に包埋されているため、X 線散乱の観点からは、氷とのコントラストが小さい。そのため、回折 X 線顕微鏡法実験で得られるスペックル散乱パターンから、 如 何にして三 次 元 構 造の構

半沢 宏之（第一三共株式会社 研究開発本部 探索第一研究所 第四グループ長）

築を行うか、様々な要因を想定しながら解析方法を多面的にシミュレーションによって検討を始めている。2 年後の実機 XFEL の利用を発揮している。従来の解析は静的な解析に終始し

1. はじめに実 験に向けては、 これまでにグていた感があるが、X 線自由電子レーザーのフェム

ループメンバーが手掛けてきた染医薬品の開発研究は、化学物質である医薬品を理

ト秒での測定が可能になるとタンパク質の動きに関色体やバクテリア鞭毛システムな解する化学と対象である人間を理解する生物学をそする情報が爆発的に得られるものと想像される。こどの他にも、興味深い生体粒子試の基盤としており、両学問分野の再先端の研究・技れは学問的に重要なだけではなく創薬にとっても特術を活用することで、新規の医薬品が生み出されてに重要である。実際、創薬標的タンパク質に結合すいく。最先端の分析装置である放射光施設は、既にる医薬品の候補化合物がシグナルを促進するのか？

製薬企業では大型放射光施設 SPring-8 や高エネル

それとも遮断してしまうのか、静的な構造を見てい料を探索しながら、その凍結方法
や保存方法、実験時の位置決めな

図 2 ●蛋白質溶液試料からビームを生成するための質量分析装置製作設計
図と高度化が進行中の装置

どについて準備を進めている。
「蛋白質単粒子解析用液体・分子ビーム生成装置のの試料の前処理法について連続透析法や連続クロマ

ギー加速器機構におけるフォトンファクトリーなどるだけではよく分からない場合も多いのである。タ

整備と高度化」

トグラフィー法の検討を進めた。試料調製法では、を活用しながら創薬研究を推進してきた。特に現在、ンパク質の動きの理解により、医薬品の候補化合物

蛋白質試料溶液を液体ビーム、もしくは液滴とし

試 料ビーム用モデルタンパク質 系の構 築しながら、の働きが解明されていくものと期待している。

て、噴出することにより、真空装置内の XFEL 照射

使用頻度が高いのは X 線結晶解析であり、創薬標的

試料に合わせた保存方法を確立してンパク質試料を定常的に供給する体制を整えた。さらに、2 年後の位置に蛋白質単粒子生成する要素技術を開発してき実機 XFEL の利用実験に向けて、分子スペックルパ

た。これまでに開発してきた単粒子解析用液体・分タンパク質の 3 次元構造解析による医薬品設計や医4. 細胞内の観察

薬品の候補となる有機化合物の物性解析等に用いられている。本発表では現状の創薬研究が抱える課題

細胞の中で多くのタンパク質・生理活性物質が存

子ビーム生成装置を用いて、XFEL パルスに同期しターンからの位相回復計算機シミュレーションを実と X 線自由電子レーザーに対する期待に関して紹介在する中で多くのシグナル伝達経路が複数走っていた照射位置に蛋白質単粒子を安定して導入できるよ

施し、スペックル解析手法の検討を進めている。

したい。

る。お互いがクロストークをして、細胞の機能を発5. 成果の社会還元

2. 膜タンパク質解析への期待

うに、液体試料の効果的な粉砕と電荷付与を検討し、イオン量の定常化、加速電極形状、静電レンズ位置

揮していくのか？多くの研究が進行しているところであるが、実際に 1 細胞からの情報を得ることの価の最適化などを通じて、高度化を進めた。2 kV 以上

XFEL と本研究課題で製作中の装置を用いて、細現在のタンパク質の結晶解析は、タンパク質試料

値は今後も重要である。ゲノムの解析が終了したが、の高い加速電圧が安定して動作する試料導入ならび胞やその構造体を高い分解能で観察できれば、細胞を調製し結晶化するところにボトルネックがあり、特それぞれの遺伝子が実際に細胞内で働いているかをに真空排気系の構築し、正イオン、負イオンの両方

生物学や分子生物学の視野を大きく広げることがでに細胞の膜表面に存在し細胞内外でのシグナル伝達

理解せず医薬品を設計しても、細胞のリスポンスをに対応する質量分離・検出系の高精度化と高感度化

きよう。また、現在の技術ではまだ困難な、病気にを行っているタンパク質に関しては、創薬の現場では予測できず、合理的な研究の進展が難しい。X 線自を進めた。また、蛋白質溶液試料を真空中の液体連

関連した生体分子や粒子の姿形を可視化することで、ほとんど構造情報を取得できていないのが現状であ由電子レーザーが細胞に対しどの程度威力を発揮で続ビームとして真空中に導入し、XFEL を照射して病気の治療や予防に関わる薬の開発へとつながり、る。結晶化が不要になり 3 次元構造情報が得られる

きるか未知の部分も多いが断トツの感度・時間分解

蛋白質単粒子のスペックル散乱パターンを直接観測

社会福祉に大きく貢献できる可能性がある。また、ことは医薬品の設計にとって画期的なことである。

能を活用してさまざまな情報を取得していくことがするために、ノズルの高度 化とその評価を行った。

長い年月をかけて熟成された蛋白質分子や生体粒子

ガラスキャピラリーを液体ビームのノズルとして用いには、ナノテクノロジーの模範を多数見出すことがて液体ビーム径の微小化を図るとともに液体ビーム

できるであろう。このように、生物体の中にいまだに紫外のパルスレーザーを照射し、その干渉パター

隠された構造を明らかにすることは、基礎科学の進ンから、液体ビームの直径を求める手法を確立した。

展のみならず、社会還元を可能とする新たなナノテ

XFEL 照射装置へのタンパク質試料を導入する際期待される。

3. タンパク質の動きの解析への期待
タンパク質分子は生体内では動くことでその作用

クノロジー創生につながるものと期待される。
XFEL

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XFEL

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第 5 回 X 線自由電子レーザーシンポジウム

日本発・実用 X 線レーザーで拓く科学と未来

超ペタフロップス級コンピュータと
X 線自由電子レーザー（XFEL）の連携により実現する生物学の発展
杉田 有治（理化学研究所 基幹研究所 杉田理論生物化学研究室 准主任研究員）

ションを実行し、異なるモデルを用いた計算結果を

1. はじめに接続する。次世代スパコンの利用によって初めて可神 戸 市に建 設 中の次 世 代スーパーコンピュ ータ

能になる長時間のシミュレーションは、大規模な構（次世代スパコン）は、10 ペタフロップスを超える演

造変化を含む分子運動まるごとの理解を深めるだけ

算能力（理研が保有するスパコンの約 100 倍）を持つ

でなく、精度の高いドラッグデザインなどを実現す

世界最速の計算機になる予定である。本講演では、る。

生 命 科 学の分 野で行われるマルチスケールシミュ

細胞スケールのシミュレーションは未だにその構

レーションと大規模データ解析の概略と今後の展望

成方程式が明らかになっていない困難な課題であるを述べるとともに、X 線自由電子レーザー（XFEL）

が、 細 胞 動 態に関するイメージング等の定 量 的なを作成することができる。具体的には、基質結合前

小器官やタンパク質超複合体などに関する非結晶状との連携の可能性に関して議論する。

実験と連携することにより、解くべき課題が明らか後における構造変化の分子機構を動的構造情報デー

態のイメージング像は、分子から細胞に至る階層にになっていくだろう。一方で、臓器レベルのシミュ

タベースに基づいて考察することが可能になり、効おける新しい構造生物学的基盤を提供する。近 年

レーションは主に連続体力学を基礎として急速に発率的なドラッグデザインなどへの貢献も期待される。

急速に発展しつつある粗視化モデルを用いた分子シ

2. マルチスケールシミュレーションによる生命体の統合的理解

展しつつある。特に、血栓症のモデルとして血小板生命体を統合的に理解するということはどんなこ

凝集と血栓形成プロセス、心筋細胞から心臓に至るとだろうか？良く知られているように生命体を構成

多 自 由 度のシミュレーションなどが行われており、しているのは細胞であり、その中には生命現象を司

次 世 代スパコンの利 用により予 測 医 療に向けたシるタンパク質や遺伝情報の担い手である核酸などのミュレーションの実現が期待される。

分子が存在している。さらに細胞が多数集まって心3. 大規模データ解析の重要性

臓や肺などの臓器を構成している。従って、生命現象を理解するためには、分子・細胞・臓器などの各

次世代スパコンはシミュレーション研究だけでな階層における諸問題を解決し、さらには異なる階層

く、次世代シークエンサなどによって爆発的に増大にまたがる現象を理解していく必要がある。

するゲノムデータの解析にも貢献する。従来は数百

我々は次世代スパコンを用いたマルチスケールシ

日を要していたような生体ネットワーク解析や疾患

ミュレーションを行うことによりこの問題に挑戦す

遺伝子の発見が数時間から数日で可能になることがる。 分 子スケールのシミュレーションにおいては、予想されている。従って、ゲノム資源に関して部分

巨大タンパク質複合体のモデルを作成しミリ秒以上ごとのバラバラな解析に留まっていた解析が、ゲノの時間スケールの分子運動を解析するとともに、酵ム資源全体に関する完全なデータ解析に変化し、生素反応などタンパク質内で生じる化学反応を量子化

命のロジックの解明に寄与できる可能性がある。ま

学に基づく第一原理的な手法で解析する。そのためた、次世代スパコンを用いてタンパク質等に関するには、量子化学・全原子分子動力学・粗視化モデル

大規模シミュレーションを網羅的に行うことにより、などの分子のレベルでのマルチスケールシミュレー

動的な情報を付加した新しい構造情報データベース
XFEL

032

ミュレーションと XFEL によって明らかになる構造（XFEL）との4. X 線自由電子レーザー

情報を連携することにより、細胞内環境下での生命連携による新しい生命科学

現象の理解が飛躍的に進むと思われる。次世代スパ

XFEL によって実現する高解像度イメージングは、

コンと XFEL はいずれも従来の実験技術では困難で

そもそも大量の回折データに関する計算科学的な解あった時空間スケールの生命現象を理解するための析を通して初めて実現する。従って、XFEL による新しい基盤技術であり、生命科学を予測可能な科学

イメージングの実現には次世代スパコンの利用は欠に変える大きな可能性を秘めている。

かせないものである。一方で、XFEL による細胞内XFEL033