Последовательная фемтосекундная кристаллография - Serial femtosecond crystallography

Последовательная фемтосекундная кристаллография (SFX) - это форма Рентгеновская кристаллография разработан для использования в Рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL).[1][2][3] Одиночные импульсы в лазерах на свободных электронах достаточно яркие, чтобы генерировать разрешаемую дифракцию Брэгга на субмикронных кристаллах. Однако эти импульсы также разрушают кристаллы, а это означает, что полный набор данных включает сбор дифракции от многих кристаллов. Этот метод сбора данных называется серийный, ссылаясь на ряд кристаллов, текущих поперек рентгеновского луча, по одному за раз.

Схема последовательной фемтосекундной кристаллографии (SFX)

История

Хотя идея серийной кристаллографии была предложена ранее[нужна цитата ], это было впервые продемонстрировано с помощью XFEL Chapman et al.[4] на Источник когерентного света линейного ускорителя (LCLS) в 2011 году. С тех пор этот метод был расширен для определения неизвестных структур, проведения экспериментов с временным разрешением, а позже даже вернулся к синхротронным источникам рентгеновского излучения.

Методы

По сравнению с традиционной кристаллографией, где один (относительно большой) кристалл вращается для сбора набора трехмерных данных, необходимо разработать некоторые дополнительные методы для измерения в серийный Режим. Во-первых, требуется способ эффективного перемещения кристаллов через фокус луча. Другое важное отличие заключается в конвейере анализа данных. Здесь каждый кристалл имеет случайную неизвестную ориентацию, которая должна быть определена с помощью вычислений, прежде чем дифракционные картины от всех кристаллов можно будет объединить в набор трехмерных изображений. hkℓ интенсивности.

Доставка образца

Первой системой доставки образца, использованной для этого метода, была Газодинамическое виртуальное сопло (ГДВН) который генерирует в вакууме струю жидкости (ускоряемую концентрическим потоком газообразного гелия), содержащую кристаллы. С тех пор многие другие методы были успешно продемонстрированы как на XFEL, так и на синхротронных источниках. Краткое описание этих методов вместе с их основными относительными характеристиками приводится ниже:

  • Газодинамическое виртуальное сопло (ГДВН)[5] - низкое рассеяние фона, но большой расход пробы. Единственный метод, доступный для источников с высокой частотой повторения.[6]
  • Липидная кубическая фаза (LCP) инжектор[7] - Низкое потребление пробы при относительно высоком фоне. Специально подходит для мембранных белков
  • Другие вязкие среды доставки[8][9] - Подобно LCP, низкий расход пробы с высоким фоном
  • Системы сканирования фиксированных целей (использовалось большое количество систем с различными функциями, со стандартными петлями кристалла,[10] или кремниевые чипы[11]) - Низкий расход образца, фон зависит от системы, механически сложный
  • Ленточный накопитель (кристаллы автоматически наносятся на Каптон лента и доведена до рентгеновского фокуса) - Подобна системам с фиксированными мишенями, за исключением меньшего количества движущихся частей

Анализ данных

Чтобы восстановить трехмерную структуру из отдельных дифракционных картин, их необходимо сориентировать, масштабировать и объединить для создания списка hkℓ интенсивности. Затем эти интенсивности можно передать в стандартные программы кристаллографической фазировки и уточнения. Первые эксперименты только ориентировали паттерны[12] и получили точные значения интенсивности путем усреднения по большому количеству кристаллов (> 100 000). В более поздних версиях исправлены отклонения в индивидуальных свойствах рисунка, таких как общие вариации интенсивности и B-фактор вариации, а также уточнение ориентации для фиксации «пристрастий» отдельных брэгговских отражений.[13]

использованная литература

  1. ^ "Последовательная фемтосекундная кристаллография рецепторов, связанных с G-белком - PubAg". pubag.nal.usda.gov. НАС: Национальная сельскохозяйственная библиотека США. Получено 2019-02-26.
  2. ^ Мидзохата Е., Накане Т., Фукуда Ю., Нанго Е., Ивата С. (апрель 2018 г.). «Последовательная фемтосекундная кристаллография в SACLA: прорыв в динамической структурной биологии». Биофизические обзоры. 10 (2): 209–218. Дои:10.1007 / s12551-017-0344-9. ЧВК  5899704. PMID  29196935.
  3. ^ Мартин-Гарсия Дж. М., Конрад К. Э., Коу Дж., Рой-Чоудхури С., Фромм П. (июль 2016 г.). «Последовательная фемтосекундная кристаллография: революция в структурной биологии». Архивы биохимии и биофизики. 602: 32–47. Дои:10.1016 / j.abb.2016.03.036. ЧВК  4909539. PMID  27143509.
  4. ^ Чапман Х.Н., Фромм П., Барти А., Уайт Т.А., Кириан Р.А., Акила А. и др. (Февраль 2011 г.). «Фемтосекундная рентгеновская нанокристаллография белков». Природа. 470 (7332): 73–7. Bibcode:2011 Натур.470 ... 73C. Дои:10.1038 / природа09750. ЧВК  3429598. PMID  21293373.
  5. ^ Депонте Д.П., Вейершталь Ю., Шмидт К., Уорнер Дж., Стародуб Д., Спенс Дж. К., Доак РБ (сентябрь 2008 г.). «Газодинамическое виртуальное сопло для генерации микроскопических потоков капель». Журнал физики D: Прикладная физика. 41 (19): 195505. arXiv:0803.4181. Bibcode:2008JPhD ... 41s5505D. Дои:10.1088/0022-3727/41/19/195505. S2CID  119259244.
  6. ^ Видорн М. О., Авель С., Морган А. Дж., Айер К., Геворков Ю., Флекенштейн Н. и др. (Сентябрь 2018 г.). «Быстрая доставка образцов для мегагерцовой серийной кристаллографии на рентгеновских ЛСЭ». IUCrJ. 5 (Pt 5): 574–584. Дои:10.1107 / S2052252518008369. ЧВК  6126653. PMID  30224961.
  7. ^ Weierstall U, James D, Wang C, White TA, Wang D, Liu W и др. (2014). «Инжектор липидной кубической фазы облегчает серийную фемтосекундную кристаллографию мембранных белков». Nature Communications. 5: 3309. Bibcode:2014 НатКо ... 5,3309 Вт. Дои:10.1038 / ncomms4309. ЧВК  4061911. PMID  24525480.
  8. ^ Sugahara M, Mizohata E, Nango E, Suzuki M, Tanaka T, Masuda T. и др. (Январь 2015 г.). «Смазочная матрица как универсальный носитель белков для серийной кристаллографии». Методы природы. 12 (1): 61–3. Дои:10.1038 / nmeth.3172. HDL:2433/203008. PMID  25384243. S2CID  25950836.
  9. ^ Конрад К.Э., Басу С., Джеймс Д., Ван Д., Шаффер А., Рой-Чоудхури С. и др. (Июль 2015 г.). «Новая инертная среда доставки кристаллов для серийной фемтосекундной кристаллографии». IUCrJ. 2 (Pt 4): 421–30. Дои:10.1107 / S2052252515009811. ЧВК  4491314. PMID  26177184.
  10. ^ Гати С., Буренков Г., Клинге М., Редерс Д., Стеллато Ф., Обертюр Д. и др. (Март 2014 г.). «Последовательная кристаллография микрокристаллов, выращенных in vivo с использованием синхротронного излучения». IUCrJ. 1 (Pt 2): 87–94. Дои:10.1107 / S2052252513033939. ЧВК  4062088. PMID  25075324.
  11. ^ Рёдиг П., Джинн Х.М., Пакендорф Т., Саттон Дж., Харлос К., Уолтер Т.С. и др. (Август 2017 г.). «Высокоскоростная серийная кристаллография вирусов с фиксированной целью». Методы природы. 14 (8): 805–810. Дои:10.1038 / nmeth.4335. ЧВК  5588887. PMID  28628129.
  12. ^ Белый Т.А., Кириан Р.А., Мартин А.В., Акила А., Насс К., Барти А., Чепмен Х.Н. (апрель 2012 г.). «CrystFEL: программный комплекс для серийной кристаллографии снимков» (PDF). Журнал прикладной кристаллографии. 45 (2): 335–41. Дои:10.1107 / S0021889812002312.
  13. ^ Белый Т.А., Мариани В., Брем В., Ефанов О., Барти А., Бейерлейн К.Р., Червинский Ф., Галли Л., Гати С., Накане Т., Толстикова А., Ямашита К., Юн С.Х., Дидерикс К., Чепмен Н.Н. (апрель 2016 г.). «Последние разработки в CrystFEL». Журнал прикладной кристаллографии. 49 (Pt 2): 680–689. Дои:10.1107 / S1600576716004751. ЧВК  4815879. PMID  27047311.

внешние ссылки