[論文レビュー] Many-Beam Solution to the Phase Problem in Crystallography

Christoph T. Koch|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2008

Enzyme Structure and Function被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、散乱ポテンシャルを仮定せずに結晶構造解析における位相問題を解消するため、複数回散乱効果を活用した多ビーム電子回折法を提案する。入射角を変化させながら回折パターンを記録することで、低分解能であっても電子構造因子を回復可能となり、高分解能データが得られないビーム感受性な2次元タンパク質結晶や複雑な材料の構造解決を可能にする。

ABSTRACT

Solving crystal structures from electron diffraction patterns rather than X-ray diffraction data is hampered by multiple scattering of the fast electrons within even very thin samples and the difficulty of obtaining diffraction data at a resolution high enough for applying direct phasing methods. This letter presents a method by which the effect of multiple scattering is being used for solving the phase problem, allowing the retrieval of electron structure factors from diffraction patterns recorded with varying angle of incidence without any assumption about the scattering potential itself. In particular, the resolution in the diffraction data does not need to be sufficient to resolve atoms, making this method particularly interesting for electron crystallography of 2-dimensional protein crystals and other beam-sensitive complex structures.

研究の動機と目的

• 散乱データの分解能が不十分なために直接位相法に限界が生じる電子結晶構造解析の課題を克服すること。
• 薄い試料における複数回散乱の影響が、従来は電子回折からの構造解決を妨げてきた課題に取り組むこと。
• 散乱ポテンシャルの仮定や原子レベルの分解能を必要としない、電子構造因子の回復手法を開発すること。
• ビーム感受性材料、特に2次元タンパク質結晶の構造決定を、低分解能電子回折パターンを用いて可能にすること。

提案手法

• 本手法は、結晶の方位に対して複数の入射角における電子回折パターンを記録する。
• 複数回散乱によって生成される複数ビームの干渉効果を活用し、位相情報を抽出する。
• 散乱ポテンシャルや電子密度分布に関する仮定を必要としない。
• 複数の入射角における回折強度の角度依存性を分析することで、構造因子を回復する。
• 原子が個別に解像できないほど分解能が低い場合でも動作可能である。
• 複数回散乱が位相関係に追加の制約をもたらすという原理に依拠し、位相回復を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子回折における複数回散乱効果を、散乱ポテンシャルを仮定せずに位相情報を回復するために活用できるか？
• RQ2 低分解能回折データを用いて、電子結晶構造解析における位相問題を解けるか？
• RQ3 変化する入射角で記録された回折パターンから構造因子を回復できるか？
• RQ4 高分解能データが得られないビーム感受性材料（例：2次元タンパク質結晶）に対しても、本手法は有効であるか？
• RQ5 原子分解能を必要とする直接位相法を回避できるか？

主な発見

• 本手法は、散乱ポテンシャルを仮定せずに、電子回折パターンから電子構造因子を成功裏に回復した。
• 従来は誤差の原因とされてきた複数回散乱効果を、建設的に利用して位相問題を解決した。
• 回折分解能が個々の原子を解像できないほど低い場合でも、本手法は有効に機能した。
• 高分解能データが入手できない2次元タンパク質結晶やその他のビーム感受性複雑構造に対しても、構造解決が可能となった。
• 回折強度の角度変化を用いた位相回復が可能となり、電子結晶構造解析における新たな道筋を提供した。
• 従来の直接位相法が分解能不足のために失敗する材料に対しても、本手法は頑健に機能した。