特開 2023-86675 三次元電子密度マップ特定装置、システム、方法およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023086675

(43)【公開日】2023-06-22

(54)【発明の名称】三次元電子密度マップ特定装置、システム、方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/20 20180101AFI20230615BHJP

【ＦＩ】

G01N23/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022174381

(22)【出願日】2022-10-31

(31)【優先権主張番号】P 2021200965

(32)【優先日】2021-12-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000250339

【氏名又は名称】株式会社リガク

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125391

【弁理士】

【氏名又は名称】白川 洋一

(74)【代理人】

【識別番号】100208605

【弁理士】

【氏名又は名称】早川 龍一

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 孝

(72)【発明者】

【氏名】松本 崇

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 智一

【テーマコード（参考）】

2G001

【Ｆターム（参考）】

2G001AA01

2G001BA14

2G001CA01

2G001KA13

2G001LA01

2G001LA05

2G001MA02

(57)【要約】

【課題】動的に揺らぎを持つ構造をとる溶液中の高分子の電子密度マップを正確に再現できる電子密度マップ特定装置、システム、方法およびプログラムを提供する。
【解決手段】溶液中の高分子の電子密度マップを特定する電子密度マップ特定装置２００であって、試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成する電子密度マップ生成部２２１と、複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出する指標算出部２２６と、算出された指標に基づいて複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択する電子密度マップ選択部２５８と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶液中の高分子の電子密度マップを特定する電子密度マップ特定装置であって、
試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成する電子密度マップ生成部と、
前記複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと前記実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出する指標算出部と、
前記算出された指標に基づいて前記複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択する電子密度マップ選択部と、を備えることを特徴とする電子密度マップ特定装置。

【請求項2】

前記複数の電子密度マップのそれぞれについて、前記算出された指標に対する分子サイズを表すパラメータの第１のプロットを作成し、前記第１のプロットの相関の有無を判定する相関判定部をさらに備え、
前記電子密度マップ選択部は、前記第１のプロットの相関が無い場合には、前記代表の電子密度マップを選択しないことを特徴とする請求項１記載の電子密度マップ特定装置。

【請求項3】

前記第１のプロットの相関が無い場合に、前記第１のプロットの分布を多変量解析する傾向解析部をさらに備え、
前記電子密度マップ生成部は、前記第１のプロットの分布に傾向がある場合には条件を変えて前記複数の電子密度マップを生成することを特徴とする請求項２記載の電子密度マップ特定装置。

【請求項4】

前記相関判定部は、前記第１のプロットの相関が無い場合に、出力可能な第1のプロットを作成し、
前記電子密度マップ生成部は、ユーザの指示に基づく条件で前記複数の電子密度マップを生成することを特徴とする請求項２記載の電子密度マップ特定装置。

【請求項5】

前記電子密度マップ生成部は、前記複数の電子密度マップのそれぞれを設定に応じて繰り返し処理で一つずつ生成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置。

【請求項6】

前記電子密度マップ生成部は、前記複数の電子密度マップのそれぞれを設定に応じて並列処理で一度に生成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置。

【請求項7】

各ボクセルサイズに対し、前記複数の電子密度マップに基づいて算出された分子サイズを表すパラメータの第２のプロットを作成し、前記第２のプロットを用いて前記溶液中の高分子の分子サイズを表すパラメータの計算値を算出する理論サイズ算出部と、
前記実測のＸ線散乱プロファイルから前記溶液中の高分子の分子サイズを表すパラメータを実測値として算出する実測サイズ算出部と、をさらに備え、
前記電子密度マップ選択部は、前記計算値と実測値との差が所定の範囲内になければ、前記代表の電子密度マップを選択しないことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置。

【請求項8】

Ｘ線溶液散乱装置と、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置と、を備え、
前記電子密度マップ特定装置は、前記Ｘ線溶液散乱装置で測定された前記溶液中の高分子のＸ線散乱プロファイルに基づいて前記溶液中の高分子の電子密度マップを特定することを特徴とするシステム。

【請求項9】

溶液中の高分子の電子密度マップを特定する方法であって、
試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成するステップと、
前記複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと前記実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出するステップと、
前記算出された指標に基づいて前記複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択するステップと、を含むことを特徴とする方法。

【請求項10】

溶液中の高分子の電子密度マップを特定するプログラムであって、
試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成する処理と、
前記複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと前記実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出する処理と、
前記算出された指標に基づいて前記複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶液中の高分子の三次元電子密度マップを特定する三次元電子密度マップ特定装置、システム、方法およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

溶液中の生体高分子の観察方法については、研究が重ねられてきた。溶液中で自由で動いている状態の生体高分子にＸ線を当てるとスポットではなくリング状の散乱光が生じる。このような散乱光を検出し、得られた実測のＸ線散乱プロファイルから対象分子の三次元電子密度マップを得る技術が知られている（非特許文献１）。

【0003】

非特許文献１記載の方法は、粒子を含む実空間の立方体の体積を、Ｎ×Ｎ×Ｎグリッドに離散化された立方体のボクセルで表し、試料から得られたＸ線散乱データに基づいて反復して構造因子を探索することで電子密度マップを算出している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Thomas D Grant, "Ab initio electron density determination directly from solution scattering data", Nature Methods volume 15, 29 January 2018, pages191-193

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１記載の方法では、複数の構造を平均化した電子密度マップしか得られない。そのため、リジッドな分子の形態を解析する場合、妥当な電子密度マップが算出されるが、フレキシブルな分子の場合、動的な分子の形態が平均化され本来得られるべき電子密度が算出されない。

【0006】

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、動的な揺らぎを持つ構造をとる溶液中の高分子の電子密度マップを再現できる電子密度マップ特定装置、システム、方法およびプログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）上記の目的を達成するため、本発明の電子密度マップ特定装置は、溶液中の高分子の電子密度マップを特定する電子密度マップ特定装置であって、試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成する電子密度マップ生成部と、前記複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと前記実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出する指標算出部と、前記算出された指標に基づいて前記複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択する電子密度マップ選択部と、を備えることを特徴としている。

【0008】

（２）また、上記（１）記載の電子密度マップ特定装置においては、前記複数の電子密度マップのそれぞれについて、前記算出された指標に対する分子サイズを表すパラメータの第１のプロットを作成し、前記第１のプロットの相関の有無を判定する相関判定部をさらに備え、前記電子密度マップ選択部は、前記第１のプロットの相関が無い場合には、前記代表の電子密度マップを選択しないことを特徴としている。

【0009】

（３）また、上記（２）記載の電子密度マップ特定装置においては、前記第１のプロットの相関が無い場合に、前記第１のプロットの分布を多変量解析する傾向解析部をさらに備え、前記電子密度マップ生成部は、前記第１のプロットの分布に傾向がある場合には条件を変えて前記複数の電子密度マップを生成することを特徴としている。

【0010】

（４）また、上記（２）記載の電子密度マップ特定装置においては、前記相関判定部が、前記第１のプロットの相関が無い場合に、前記第１のプロットを作成し、前記電子密度マップ生成部は、ユーザの指示に基づく条件で前記複数の電子密度マップを生成することを特徴としている。

【0011】

（５）また、上記（１）から（４）のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置においては、前記電子密度マップ生成部が、前記複数の電子密度マップのそれぞれを設定に応じて繰り返し処理で一つずつ生成することを特徴としている。

【0012】

（６）また、上記（１）から（４）のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置においては、前記電子密度マップ生成部が、前記複数の電子密度マップのそれぞれを設定に応じて並列処理で一度に生成することを特徴としている。

【0013】

（７）また、上記（１）から（６）のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置においては、前記複数の電子密度マップのそれぞれについて、ボクセルサイズに対し、算出された分子サイズを表すパラメータの第２のプロットを作成し、前記第２のプロットを用いて前記溶液中の高分子の分子サイズを表すパラメータの計算値を算出する理論サイズ算出部と、前記実測のＸ線散乱プロファイルから前記溶液中の高分子の分子サイズを表すパラメータを実測値として算出する実測サイズ算出部と、をさらに備え、前記電子密度マップ選択部は、前記計算値と実測値との差が所定の範囲内になければ、前記代表の電子密度マップを選択しないことを特徴としている。

【0014】

（８）また、本発明のシステムは、Ｘ線溶液散乱装置と、上記の（１）から（７）のいずれかに記載の電子密度マップ特定装置と、を備え、前記電子密度マップ特定装置は、前記Ｘ線溶液散乱装置で測定された前記溶液中の高分子のＸ線散乱プロファイルに基づいて前記溶液中の高分子の電子密度マップを特定することを特徴としている。

【0015】

（９）また、本発明の方法は、溶液中の高分子の電子密度マップを特定する方法であって、試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成するステップと、前記複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと前記実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出するステップと、前記算出された指標に基づいて前記複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択するステップと、を含むことを特徴としている。

【0016】

（１０）また、本発明のプログラムは、溶液中の高分子の電子密度マップを特定するプログラムであって、試料を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成する処理と、前記複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと前記実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出する処理と、前記算出された指標に基づいて前記複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴としている。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明のシステムを示す概略図である。

【図2】Ｘ線溶液散乱装置を示す斜視図である。

【図3】本発明のシステムを示すブロック図である。

【図4】本発明の電子密度マップ特定装置の動作を示すフローチャートである。

【図5】Ｘ線散乱プロファイルの一例を示すグラフである。

【図6】電子密度マップを示す概略図である。

【図7】（ａ）、（ｂ）それぞれ理想的な分布および解析できないχ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）分布を示すグラフである。

【図8】実施例のχ^２に対するＲｇ（ｉｎｄ）の分布を示すグラフである。

【図9】実施例のボクセルサイズに対するＲｇ（ｓｅｃｔ）の外挿を示すグラフである。

【図10】実施例における電子密度マップと処理結果を示すリストである。

【図11】（ａ）～（ｃ）それぞれ選択された電子密度マップを示す正面、平面および右側面図である。なお、得られた電子密度マップの理解を助けるために、別途X線結晶構造解析により得られた構造リボンモデルをスーパーポーズしている。

【発明を実施するための形態】

【0018】

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【0019】

［電子密度マップ特定システム］
図１は、電子密度マップ特定システム１０を示す概略図である。電子密度マップ特定システム１０は、Ｘ線溶液散乱装置１００および電子密度マップ特定装置２００を備えている。Ｘ線溶液散乱装置１００は、試料Ｓ０にＸ線を照射し、散乱Ｘ線を検出することで、Ｘ線溶液散乱プロファイルを測定する。試料Ｓ０は、溶液中の高分子、特に生体高分子に適している。試料Ｓ０は、溶液中の医薬分子、分子複合体または構造体であってもよい。また、Ｘ線溶液散乱法を用いることで、凍結や結晶状態では観測不可能な生体高分子の構造のアンサンブルに相当する電子密度を可視化することができる。

【0020】

電子密度マップ特定装置２００は、コンピュータ２１０、入力装置２８０および出力装置２９０で構成され、Ｘ線溶液散乱装置１００の動作を制御するとともにＸ線溶液散乱装置１００から測定データを取得して処理する。

【0021】

Ｘ線溶液散乱装置１００は、Ｘ線生成部１１０、サンプルローディング機構１２０、検出器１３０および制御ユニット１４０を備えている。Ｘ線生成部１１０は、Ｘ線源１１１を有し、試料Ｓ０へＸ線を照射する。サンプルローディング機構１２０は、「溶液をともなう試料である高分子または高分子のみを除く溶液」をＸ線照射位置へと送り出す。検出器１３０は、試料Ｓ０により散乱されたＸ線を検出し、得られた測定データをコンピュータ２１０へ送信する。

【0022】

コンピュータ２１０は、例えばＰＣであり、処理を実行するプロセッサおよびプログラムやデータを記憶するメモリまたはハードディスク等により構成される。コンピュータ２１０は、キーボード、マウス等の入力装置２８０からユーザの入力を受ける。一方で、コンピュータ２１０は、ディスプレイ等の出力装置２９０にはプロット、可視化された電子密度マップ、入力画面等を表示する。コンピュータ２１０は、クラウド上に置かれたサーバ装置であってもよい。また、処理負担の観点で、Ｘ線溶液散乱装置１００の動作を制御する機能と、測定データを処理する機能とを分離し、制御を現場に設置されたＰＣで実行し、データ処理をサーバ装置で実行してもよい。

【0023】

［Ｘ線溶液散乱装置］
図２は、Ｘ線溶液散乱装置１００を示す斜視図である。Ｘ線溶液散乱装置１００は、Ｘ線源１１１、光学系１１５、クラツキーブロック１１７、試料保持管１２５および検出器１３０を有している。Ｘ線源１１１は、線放射源または点放射源であり、発散ビームを放出する。光学系１１５は、例えばＫＢ並列型または直列型光学系である。一対のクラツキーブロック１１７は、それぞれのエッジによりＸ線と相互作用をしてＸ線ビームの一方側と他方側を画定する。これにより、照射Ｘ線から寄生散乱を取り除くことができる。試料保持管１２５は、１μｌから２０μｌの溶液試料を送り出し保持する。検出器１３０は、溶液試料で散乱されたＸ線を検出する。

【0024】

［電子密度マップ特定装置］
図３は、電子密度マップ特定システム１０を示すブロック図である。電子密度マップ特定装置２００は、Ｘ線溶液散乱装置１００で測定されたＸ線散乱プロファイルのデータを取得し、データに基づいて高分子の電子密度マップを特定する。電子密度マップ特定装置２００の機能は、主にコンピュータ２１０により実現される。

【0025】

コンピュータ２１０は、入出力制御部２１１、測定制御部２１５、測定データ記憶部２１７、電子密度マップ生成部２２１、理論散乱強度算出部２２５、指標算出部２２６、相関判定部２３１、傾向解析部２３２、理論サイズ算出部２４５、実測サイズ算出部２４６、総合判定部２５７、電子密度マップ選択部２５８を備えている。各部は、制御バスＬにより情報を送受できる。

【0026】

入出力制御部２１１は、入力装置２８０からの入力を受け付けるとともに、出力装置２９０への出力を制御する。入出力制御部２１１は、例えば、測定条件の入力を受け付けたり、複数の電子密度マップを生成する条件の入力を受け付けたりすることができる。また、入出力制御部２１１は、各種のプロットを出力させたり、特定された高分子の電子密度マップを出力させたりすることができる。

【0027】

測定制御部２１５は、Ｘ線溶液散乱装置１００の動作を制御する。制御には、試料の送り出し、Ｘ線の発生、および試料位置と検出器の移動等が挙げられる。制御指示は、Ｘ線溶液散乱装置１００内の制御ユニット１４０に送信され、これにより、Ｘ線溶液散乱装置１００の各部が制御される。

【0028】

測定データ記憶部２１７は、Ｘ線溶液散乱装置１００により検出されたＸ線溶液散乱プロファイルの測定データを記憶する。記憶された測定データは、電子密度マップの生成、指標の算出や高分子の分子サイズの実測値の算出に利用される。

【0029】

電子密度マップ生成部２２１は、試料Ｓ０を測定して得られた実測のＸ線散乱プロファイルから複数の電子密度マップを生成する。電子密度マップの生成の詳細は後述する。

【0030】

得られた電子密度マップからは、対象分子を表す電子密度マップの動的回転半径の計算値Rg(ind)および各々の電子密度マップについての測定データと算出された散乱曲線との一致度を示す指標χ^２を算出し、それらをプロットして第1のプロットを作成できる(後述の図８参照)。分子の動的回転半径Ｒｇは、分子サイズを表すパラメータの好適な一例であり、その他の分子サイズを表すパラメータであってもよい。

【0031】

電子密度マップ生成部２２１は、第１のプロットの分布に傾向がある場合には条件を変えて複数の電子密度マップを生成することが好ましい。これにより、いずれの電子密度マップにも妥当性が無い場合に電子密度マップの再生成を試行することができる。電子密度マップ生成部２２１は、ユーザの指示に基づく条件で複数の電子密度マップを生成することもできる。これにより、いずれの電子密度マップにも妥当性が無い場合に条件を変えて電子密度マップの生成を試行できる。

【0032】

電子密度マップ生成部２２１は、複数の電子密度マップのそれぞれを設定に応じて繰り返し処理で一つずつ生成することができる。これにより、無駄な処理を抑えて電子密度マップの妥当性を確認しながら、必要な計算資源を割いて処理を進めることができる。また、電子密度マップ生成部２２１は、複数の電子密度マップのそれぞれを設定に応じて並列処理で一度に生成してもよい。これにより、妥当性の高い生体高分子の電子密度マップを短時間で再現できる。

【0033】

指標算出部２２６は、複数の電子密度マップのそれぞれから算出された計算上のＸ線散乱プロファイルと実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標を算出する。具体的には統計処理のなされた指標としてχ^２が好ましいが、Ｘ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標であれば特に限定されない。χ^２以外では、正規分布またはポアソン分布のパラメータ、実測の回折データから求められた構造因子と解析で得られた電子密度に基づく構造因子の一致度を表す指標のＲ値、ＲＭＳ値およびＲＭＤ値等が挙げられる。χ^２は、以下の通り算出できる。

【0034】

【数1】

【0035】

相関判定部２３１は、複数の電子密度マップのそれぞれについて、上記の算出された指標に対する分子サイズを表すパラメータをプロットすることで第１のプロットを作成し、第１のプロットの相関の有無を判定する。相関判定部２３１は、出力可能な第１のプロットを作成し第１のプロットをディスプレイ上に表示させることが好ましい。これにより、ユーザは第１のプロットの相関の有無を目視でも確認できる。

【0036】

相関判定部２３１は、繰り返し処理を行う場合には繰り返し処理ごとにプロットの相関の有無を判定することが好ましい。これにより、繰り返し処理ごとに電子密度マップの妥当性を確認しながら処理を進めることができる。その結果、計算資源が限られている場合に効率よく処理できる。

【0037】

傾向解析部２３２は、第１のプロットの相関が無い場合に、第１のプロットの分布を多変量解析する。多変量解析としては例えばＭＣＡ(多重コレスポンデンス分析)やＰＣＡ（主成分分析）が挙げられる。これにより、例えば相関は無くても何らかの傾向の有無を判定できる。例えば、全体のデータでは相関が無い場合でも、複数種類の相関するデータを分離することで各種類のデータを相関するデータとして利用できる。

【0038】

理論サイズ算出部２４５は、各ボクセルサイズに対し、複数の電子密度マップに基づいて算出された分子サイズを表すパラメータをプロットすることで第２のプロットを作成する。算出された分子サイズを表すパラメータとしては、回転半径の計算値Ｒｇ（ｉｎｄ）の回帰直線のχ^２＝１における切片Ｒｇ（ｓｅｃｔ）が好ましい。そして、理論サイズ算出部２４５は、第２のプロットを用いてボクセルサイズによらない溶液中の高分子の分子サイズを表すパラメータの計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）を算出する。

【0039】

実測サイズ算出部２４６は、実測のＸ線散乱プロファイルから溶液中の高分子の分子サイズを表すパラメータを実測値として算出する。具体的には、ギニエプロットを実行し、分子の動的回転半径の実測値Ｒｇ（ｅｘｐ）を算出することができる。なお、試料が溶液中で水和圏を形成する場合には、ギニエプロットから得られる数値から水和圏の分の所定値を引いた数値を実測値Ｒｇ（ｅｘｐ）として扱うことが好ましい。

【0040】

総合判定部２５７は、理論サイズ算出部２４５で算出された回転半径の計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）と実測サイズ算出部２４６で算出された実測値Ｒｇ（ｅｘｐ）とに統計的な有意差が無いか否かを判定する。有意差が無いと判定された場合は、複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択させる。有意差があると判定された場合は、処理を終了させる。

【0041】

電子密度マップ選択部２５８は、算出された指標に基づいて複数の電子密度マップから代表の電子密度マップを選択する。具体的には、得られた複数の電子密度マップのRg-χ2相関に従い、かつχ^２が１に近い電子密度マップを代表の電子密度マップとして選択する。指標に基づいて代表となる電子密度マップを選択するため、動的に揺らぎを持つ構造をとる溶液中の高分子の電子密度マップを正確に再現できる。その結果、全く事前情報のない溶液中の生体高分子でも正確に可視化できる。

【0042】

電子密度マップ選択部２５８は、第１のプロットの相関が無い場合には、代表の電子密度マップを選択しないことが好ましい。これにより、いずれの電子密度マップにも妥当性が無い場合には、電子密度マップの特定を停止し、無駄な計算を省略できる。そして、状況に応じて電子密度マップの再生成または再実験を行なうことができる。

【0043】

電子密度マップ選択部２５８は、計算値と実測値との差が所定の範囲内になければ、代表の電子密度マップを選択しないことが好ましい。これにより、電子密度マップを特定できる場合でも分子サイズの面で電子密度マップに妥当性が担保されない場合に電子密度マップの特定を停止できる。

【0044】

［電子密度マップ特定方法］
（方法全体）
上記のように構成された電子密度マップ特定システム１０を用いて、溶液中の高分子の電子密度マップを特定する方法を説明する。図４は、電子密度マップ特定装置２００の動作を示すフローチャートである。まず、Ｘ線溶液散乱装置１００は、試料Ｓ０を伴う溶液を所定位置に送り出すとともに、試料Ｓ０にＸ線を照射する。Ｘ線溶液散乱装置１００は、散乱されたＸ線を検出し、Ｘ線散乱プロファイルのデータとしてコンピュータ２１０へ送信する。コンピュータ２１０は、受け取ったＸ線散乱プロファイルのデータを記憶しておく。

【0045】

コンピュータ２１０は、ユーザによる指定を受けて、電子密度マップを特定しようとする試料Ｓ０から得られたＸ線散乱プロファイルのデータを読み出す（ステップＳ１）。そして、ユーザにより指定された境界値サイズ、ボクセルサイズやボクセルサイズごとの試行回数等の電子密度マップの生成条件を取得する（ステップＳ２）。

【0046】

取得された生成条件に沿って、読み出されたＸ線散乱プロファイルから導かれる電子密度マップを生成する（ステップＳ３）。電子密度マップの生成の詳細は後述する。次に、生成された電子密度マップをもとに理論散乱プロファイルを算出する（ステップＳ４）。読み出された実測のＸ線散乱プロファイルと算出された理論散乱プロファイルをもとに対象分子の粒子回転半径の電子密度マップごとの計算値Ｒｇ（ｉｎｄ）および電子密度マップに基づいた計算上のＸ線散乱プロファイルと実測のＸ線散乱プロファイルとの一致度を表す指標χ^２を算出し（ステップＳ５）、χ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）のプロットを作成する（ステップＳ６）。

【0047】

次に、繰り返し条件として、特定のボクセルサイズについて電子密度マップの生成を所定回数試行したか否かを判定する（ステップＳ７）。所定回数試行してないと判定された場合には、ステップＳ３に戻る。所定回数試行したと判定された場合には、ステップＳ８に進む。所定回数は例えば５０回である。なお、上記の例ではステップＳ７で特定のボクセルサイズについて繰り返し処理を行っているが、単に所定回数で繰り返し処理を行ってもよい。

【0048】

このようにして特定のボクセルサイズについて作成されたχ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）のプロットに相関があるか否かを判定する（ステップＳ８）。相関の判定処理の詳細は後述する。相関が無いと判定された場合には、多変量解析によりプロットに何らかの傾向があるか否かを判定する（ステップＳ９）。傾向があると判定された場合にはステップＳ３に戻り、条件を変更して電子密度マップを再度作成する。傾向が無いと判定された場合には、電子密度マップの代表を選択することなく一連の処理を終了する。ステップＳ７の繰り返し処理を終了した段階で相関の有無を判定して見込みの無い処理を終了することで、計算資源を効率的に利用できる。

【0049】

一方、ステップＳ８において相関があると判定された場合には、複数あるボクセルサイズのすべてについて電子密度マップの生成を完了するという繰り返し終了の条件を満たすか否かを判定し（ステップＳ１０）、条件を満たさないと判定された場合には、ボクセルサイズを変更しステップＳ３に戻る。

【0050】

ステップＳ１０で、繰り返し終了の条件を満たした場合には、電子密度マップの集合に応じて、χ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）のプロットから回帰直線を得て、その回帰直線のχ^２＝１における切片Ｒｇ（ｓｅｃｔ）を算出する（ステップＳ１１）。そして、ボクセルサイズに対する切片Ｒｇ（ｓｅｃｔ）のプロットを作成し（ステップＳ１２）、そのプロットから回帰直線を得て、その回帰直線でボクセルサイズがゼロとなる外挿値として分子の回転半径の計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）を算出する（ステップＳ１３）。一方、読み出されたＸ線散乱プロファイルに対しギニエプロットを作成し、分子の回転半径の実測値Ｒｇ（ｅｘｐ）を算出する（ステップＳ１４）。

【0051】

次に、回転半径の計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）と実測値Ｒｇ（ｅｘｐ）との差が一定の範囲に収まっているか否かを判定することで、計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）が妥当か否かを判定する（ステップＳ１５）。このとき、試料が溶液中で水和圏を形成する場合には、ギニエプロットから得られる数値から水和圏の分の所定値を引いた数値を実測値Ｒｇ（ｅｘｐ）として扱うことが好ましい。水和圏を形成する場合、所定値は１．５Å～２．０Åとすることが好ましい。あるいは、水和圏の存在を明示的に計算することを目的とした、各種計算方法によって推定される水和圏のサイズを用いても良い。

【0052】

ステップＳ１５において、計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）が妥当であると判定されなかった場合には、電子密度マップの代表を選択することなく一連の処理を終了する。計算値Ｒｇ（ｃａｌｃ）が妥当であると判定された場合には、一連のχ^２-Ｒｇ相関に従う電子密度マップから、χ^２が１に近いものから代表の電子密度マップを選択し、選択された電子密度マップを出力装置２９０に出力して（ステップＳ１６）、一連の処理を終了する。

【0053】

代表の電子密度マップは、必ずしも単一ではなく、複数あってもよい。例えばχ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）のプロットに強い一連の相関があり、かつχ^２が1に極めて近い電子密度マップが複数得られている場合には、これらを動的構造アンサンブルのそれぞれのcanonical structure に相当する電子密度マップとして、選択することとしても良い。この場合、最も小さいボクセルサイズの相関より選択することが望ましい。または、様々なボクセルサイズで生成された相関関係のうち最小のボクセルサイズで定義された相関関係を選択することが望ましい。

【0054】

なお、上記の例では、繰り返しごとに複数の電子密度マップのそれぞれを生成しているが、並列処理により一度に生成してもよい。また、一定数の並列処理を繰り返し行うことにしてもよい。いずれの処理を選ぶかは、計算資源と結果の出る速さのいずれを重視するかに応じて決めることができる。

【0055】

（電子密度マップの生成）
次に、電子密度マップの生成の詳細を説明する。図５は、Ｘ線溶液散乱プロファイルの一例を示すグラフである。溶液中の生体高分子にＸ線を照射すると、ｑ≦０．７Å^－１程度の範囲に緩やかなリング状の散乱Ｘ線強度ピークが生じる。それを円周方向に積算することで図５に示すようなＸ線溶液散乱プロファイルが得られる。特に、ｑレンジが、０．７Å^－１までの間での散乱強度のデータを高精度で取得し、解析することで、実際の構造に対して意味のある電子密度を直接可視化することができるようになる。

【0056】

図６は、電子密度マップを示す概略図である。電子密度マップの生成では、まず高分子を含む実空間の一辺Ｈの立方体のボックスの体積を、立方体のボクセルのＮ×Ｎ×Ｎグリッドに離散化する（図６に示す例ではＮ＝４）。図６の各ボクセルの濃淡が示すように、各ボクセルの電子密度ρ（ｘ，ｙ，ｚ）は、一定範囲の数値がランダムで与えられる。そして、３次元の構造因子から３次元の逆格子空間強度を計算し、散乱ベクトルｑの大きさの関数として同心シェルに分割する。

【0057】

そして、３次元の散乱強度を１次元のプロファイルに変換し、実験的な散乱データと比較する。３次元の構造因子を、各ｑの同心シェルの実験データに一致するようにスケーリングし、逆フーリエ変換により、実空間に新たな電子密度マップを作成する。マップの外側の密度はゼロに設定する。前方フーリエ変換によって、新しい構造因子を取得し、収束するまでこのサイクルが繰り返される。このようにして試行回ごとに異なる電子密度マップが生成され、それぞれの電子密度マップについて指標χ^２および計算値Ｒｇ（ｉｎｄ）が算出される。

【0058】

（相関の判定処理）
それぞれの電子密度マップについて算出されたχ^２およびＲｇ（ｉｎｄ）をプロットし、互いに相関があるか否かを判定することで、実測データに対する電子密度マップの妥当性を判定できる。プロットに相関があるか否かは、例えば相関係数を用いることで客観的に判定できる。さらに、相関が無い場合には、プロットに傾向があるか否かを判定することで、見込みのないデータなのか、測定条件次第では意味のあるものになりうるデータなのかを判定できる。

【0059】

図７（ａ）および７（ｂ）は、それぞれ理想的な分布および解析できないχ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）分布を示すグラフである。図７（ａ）に示す理想的な分布では、χ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）のプロットに相関が現れており、複数の電子密度マップが妥当であることが分かる。一方、図７（ｂ）に示す解析できない分布では、χ^２－Ｒｇ（ｉｎｄ）のプロットに相関および傾向が現れず、複数の電子密度マップが妥当でないことが分かる。電子密度マップが妥当である場合には、χ^２が１から所定範囲に含まれる電子密度マップを代表の電子密度マップとして選択できる。

【0060】

［実施例］
実際に溶液中の生体高分子の試料（人血清アルブミン（ＨＳＡ））を用いて電子密度マップの特定を行った。一辺１０Å、５Å、４Å、３Åのそれぞれのボクセルサイズに対して５０回の試行により電子密度マップを生成した。そして、生成した電子密度マップのχ^２およびＲｇ（ｉｎｄ）を算出した。図８は、実施例の指標χ^２に対する分子の回転半径の計算値Ｒｇ（ｉｎｄ）の分布を示すグラフである。１０Å、５Å、４Å、３Åのボクセルサイズのそれぞれについて相関を確認できた。

【0061】

そして、相関を表す直線に基づき、ボクセルサイズ１０Å、５Å、４Å、３ÅのそれぞれのＲｇ（ｓｅｃｔ）を算出した。図９は、実施例のボクセルサイズに対するＲｇ（ｓｅｃｔ）の外挿を示すグラフである。ボクセルサイズと得られたＲｇ（ｓｅｃｔ）でプロットし、複数の電子密度マップ全体に対するＲｇ（ｃａｌｃ）を算出した。これらの結果から、生成した電子密度マップは妥当であることが分かった。

【0062】

図１０は、実施例における電子密度マップと処理結果を示すリストである。ボクセルサイズを小さくした方がより妥当な電子密度マップを得ることができるため、ボクセルサイズ３Åの各試行回についてχ^２を小さい順に並べた。得られたリストによれば、χ^２の１に対する差分が０．００２である第１３の試行回の電子密度マップが最も妥当であったので、これを代表の電子密度マップとして選択した。

【0063】

図１１（ａ）～１１（ｃ）は、それぞれ選択された電子密度マップを示す正面、平面および右側面図である。上記のようにボクセルサイズ３Åで第１３の試行回における電子密度マップを特定し、可視化することができた。

【0064】

可視化された電子密度は、全体としてヒト肝臓様の形状を示している。これは、ＨＳＡのＸ線結晶構造解析から得られる分子表面形状をよく表現している。さらに、図１１（ａ）において、右下最長辺中央部から左上に向かって、５Å程度の凹みと、それに沿った円筒形の膨らみが観察されている。このように可視化された形状は、全体形状のみならず、分子表面構造の微細な特徴についても、Ｘ線構造解析から得られる形状とよく一致している。

【符号の説明】

【0065】

１０ 電子密度マップ特定システム
１００ Ｘ線溶液散乱装置
１１０ Ｘ線生成部
１１１ Ｘ線源
１１５ 光学系
１１７ クラツキーブロック
１２０ サンプルローディング機構
１２５ 試料保持管
１３０ 検出器
１４０ 制御ユニット
２００ 電子密度マップ特定装置
２１０ コンピュータ
２１１ 入出力制御部
２１５ 測定制御部
２１７ 測定データ記憶部
２２１ 電子密度マップ生成部
２２５ 理論散乱強度算出部
２２６ 指標算出部
２３１ 相関判定部
２３２ 傾向解析部
２４５ 理論サイズ算出部
２４６ 実測サイズ算出部
２５７ 総合判定部
２５８ 電子密度マップ選択部
２８０ 入力装置
２９０ 出力装置
Ｌ 制御バス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】