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欧洲XFEL可以提供大分子的高分辨率3D图像

X射线 XFEL设施 X射线晶体学
发布:2021-01-06 10:49:57    

由德国马克斯·普朗克物质与结构动力学研究所的Kartik Ayyer领导的国际科学家团队已获得了金纳米颗粒的最清晰的3D图像,这些结果为获得高分辨率的金纳米粒子图像奠定了基础。该研究是在欧洲XFEL的单颗粒,簇和生物分子与系列飞秒晶体学(SPB / SFX)仪器上进行的,研究结果已在Optica上发表。


 

八面体纳米颗粒的3D衍射图,通过在结构选择后组合许多快照获得

碳水化合物,脂质,蛋白质和核酸都是大分子,它们遍布我们的细胞,对生命至关重要。了解这些大分子如何工作的关键在于了解有关其结构的详细信息。该团队使用了金纳米颗粒,该纳米颗粒可以替代生物分子,测量了1000万个衍射图样,并使用它们生成了破纪录的分辨率的3D图像。金颗粒比生物样品散射的X射线要多得多,因此可以制成良好的测试样品。他们能够提供更多的数据,这对于随后可用于生物分子的微调方法很有用。

“用于获取生物分子高分辨率图像的技术包括X射线晶体学,这要求将生物分子结晶,这不是一个容易的过程,或者是用于冷冻分子的低温电子显微镜,” Ayyer说。X射线自由电子激光的出现打开了单颗粒成像(SPI)的大门,该技术具有在室温下提供高分子量生物分子图像而又不会结晶的潜力。这意味着可以研究更接近其天然状态的生物分子,例如,从而更好地了解它们在我们体内的结构和功能。

“但是,SPI仍然存在两个障碍:收集足够的高质量衍射图谱并正确分类生物分子的结构变异性。我们的工作表明,这两个障碍都可以克服。”他补充说。“即使在最佳情况下,以前的SPI实验也只能产生约数万个衍射图样。但是,要获得与结构生物学相关的分辨率,研究人员需要的衍射图要多10到100倍。” Ayyer解释说。由于欧洲XFEL设施的独特功能,即每秒高数量的X射线激光脉冲(也称为重复率)和高脉冲能量,该团队能够在一个周期内收集1000万个衍射图样5天的实验。

为了克服生物分子结构变异的障碍,即处理每个彼此之间略有不同的粒子快照,研究小组使用了他们开发的特殊算法。衍射图样是由二维检测器收集的,非常类似于快速X射线照相机。然后,一种算法对数据进行排序,并允许研究人员重建生物分子的图像。“我们使用了自适应增益积分像素检测器(AGIPD)的功能,该功能使我们能够以很高的速率捕获模式。然后,我们使用定制算法收集并分析了数据,以获得具有破纪录的分辨率的图像。” 艾耶说。

SPB / SFX研究小组的首席科学家Adrian Mancuso说:“这项研究真正利用了我们设备的高回收率,快速成帧的检测器以及有效的样品输送的独特性能。” “这表明,将来,欧洲XFEL可以很好地探索未结晶的室温生物分子的'视觉'极限。”

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