ブックタイトル日本結晶学会誌Vol60No2-3

概要

日本結晶学会誌Vol60No2-3

微小結晶を用いたタンパク質X線結晶構造解析におけるデータ処理システムの開発図1複数の微小結晶を用いたデータ収集の流れと開発した関連プログラム群．（The established workflow and keyprograms for data collection from microcrystals.）できる．放射線損傷の影響を極力抑えた上で高分解能の回折像を得るには，クライオ条件下で1結晶当たり5～10°程度の狭い振動範囲だけ測定するsmall-wedgeデータ収集がちょうどよい妥協点であり，通常数十から数百個程度の結晶だけで十分なデータが得られる．クライオループなどの結晶ホルダに複数の結晶が収められている場合，この程度の角度領域であれば正面から見た結晶の位置を決めるだけで照射野から測定中大きくずれずにデータを収集できるので自動化においても有利である．このようなデータ収集スキームの自動化はすでに仏ESRFでMeshAndCollectとして発表されている．3）SPring-8BL32XUにおいても，同時期に微小結晶を用いたデータ収集フローが確立され，ZOO 4）として自動化された．ZOOには現在small-wedge以外にも，ヘリカルデータ収集などさまざまなスキームが実装されている．複数の微小結晶を用いたデータ収集において鍵となるのが，結晶の位置探索，放射線損傷予測に基づいた最適な露光条件の決定，得られたデータの処理である．SPring-8 BL32XUでは，これらはそれぞれSHIKA，KUMA，KAMOとしてプログラム化され，これによってルーチン的にデータ収集・処理が可能になった（図1）．加えて自動ループセンタリングプログラムとしてINOCCが開発され，サンプル交換ロボットSPACEの制御を含むBSS（Beamline Scheduling Software）も組み合わせて自動化（ZOO）が達成された．本稿では，筆者が開発したSHIKAおよびKAMOについて詳細に記述し，いくつか実例を紹介する．2．SHIKAによる迅速な微小結晶探索回折データを収集する際，通常は回折計に備え付けられた顕微鏡を見ながらX線に対して位置合わせを行う．しかしながら微小結晶は顕微鏡下で目視しづらいことが多く，高い位置精度も要求されるため，X線を用いた結晶位置の決定が必須である．推定結晶サイズと合わ日本結晶学会誌第60巻第2･3号（2018）せたビームサイズ（通常は5×5または10×10μm 2）で二次元スキャンを行い，回折斑点の観測されたイメージを見つけることで結晶位置を決定する．このとき極力損傷を起こさない程度の低線量（通常は10 kGy/frame程度；BL32XUでは透過率2.42％で50 frames/sの条件におよそ相当）でスキャンを行う．後述するように強度の大きい低分解能領域の回折斑点のみを数えるため，データ収集に値するような結晶を見出すには低線量で十分である．スキャン領域はサンプルホルダの大きさに依存するが，多いときは1万箇所（例えば10×10μm 2のビームサイズで1×1 mm 2を走査）以上をスキャンして結晶位置を探索する．このため連続的高速読み出しが可能な検出器が必須であり，BL32XUではEIGER X 9M（DECTRIS Ltd.）を導入して通常50 Hz程度のフレームレートでスキャンを行っている．高速に生み出される大量のイメージを即座に解析して結晶位置を提示するため，世界中の施設でプログラム開発が行われた．放射光ビームラインでは，DISTL 5）などのピークサーチプログラムをビームライン制御ソフトウェアに組み込んで利用されていることが多い．SFX実験でもリアルタイムのHit-findは重要であり，米LCLSではCheetah 6）が開発され，日本のSACLAでもCheetahに基づいたプログラムが導入されている．7）筆者は，SPring-8において回折スキャンの結果を処理するためにプログラムSHIKA（Spot-wo Hirotte IchiwoKimeru Application）を開発した．SHIKAは並列計算によってイメージを高速処理し，GUI上に結果を表示する．BL32XUでは検出器EIGERのstreaming modeを活用したリアルタイムのイメージ処理を行っている．その仕組みを図2に示した．Cheetah clientは実際にイメージの処理を行う部分で，独立なプロセスとして複数実行されている．EIGERはZeroMQ（OMQ）ネットワークライブラリを利用してイメージデータをネットワーク上に順次送信（PUSH socket）しているので，それを複数プロセスから受け取る（PULL socket）ことによって，簡便に並列105