Серийная фемтосекундная кристаллография

Последовательная фемтосекундная кристаллография (SFX) — это форма рентгеновской кристаллографии, разработанная для использования в рентгеновских лазерах на свободных электронах (XFEL). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Одиночные импульсы лазеров на свободных электронах достаточно яркие, чтобы вызвать разрешимую брэгговскую дифракцию на субмикронных кристаллах. Однако эти импульсы также разрушают кристаллы, а это означает, что полный набор данных включает в себя сбор дифракционных данных от многих кристаллов. Этот метод сбора данных называется последовательным , что означает ряд кристаллов, проходящих через рентгеновский луч, по одному.

История

Хотя идея серийной кристаллографии была предложена ранее, ^{[ 4 ]} впервые это было продемонстрировано с помощью XFEL Чепменом и др. ^{[ 5 ]} в источнике когерентного света Linac (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 источникам синхротронного рентгеновского излучения.

Методы

По сравнению с традиционной кристаллографией, где одиночный (относительно большой) кристалл вращается для сбора трехмерного набора данных, необходимо разработать некоторые дополнительные методы для измерения в последовательном режиме. Во-первых, необходим метод эффективного потока 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 hkℓ интенсивностей .

Доставка образца

Первой системой доставки проб, использованной для этого метода, было газодинамическое виртуальное сопло (ГРВН) , которое 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 изложение этих методов, а также их ключевые относительные особенности приведены ниже:

Газодинамическое виртуальное сопло (ГРВН) ^{[ 6 ]} - низкое фоновое рассеяние, но большой расход образца. Единственный метод, доступный для источников с высокой частотой повторения. ^{[ 7 ]}
липидной кубической фазы (LCP) Инжектор ^{[ 8 ]} - Низкое потребление образцов при относительно высоком уровне фона. Специально подходит для мембранных белков
Другие вязкие среды доставки ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} - Аналогично LCP, низкий расход проб при высоком уровне фона.
Системы сканирования фиксированных целей (использовалось большое количество систем с различными функциями, со стандартными кристаллическими петлями, ^{[ 11 ]} или кремниевые чипы ^{[ 12 ]}) - Низкий расход проб, фон зависит от системы, сложная механика
Ленточный накопитель (кристаллы автоматически помещаются на каптоновую ленту и подвергаются фокусировке рентгеновских лучей) - аналогичен системам с фиксированной мишенью, за исключением меньшего количества движущихся частей.

Анализ данных

Чтобы восстановить трехмерную структуру по отдельным дифракционным картинам, их необходимо сориентировать, масштабировать и объединить для создания списка hkℓ интенсивностей . Эти интенсивности затем можно передать в стандартные программы кристаллографической фазировки и уточнения. Первые эксперименты лишь ориентировали закономерности ^{[ 13 ]} и получил точные значения интенсивности путем усреднения по большому количеству кристаллов (> 100 000). В более поздних версиях корректируются различия в свойствах отдельных узоров, таких как общие вариации интенсивности и вариации B-фактора , а также уточняются ориентации для исправления «частичностей» отдельных брэгговских отражений. ^{[ 14 ]}

Ссылки

^ Лю, В.; и др. (2013). «Последовательная фемтосекундная кристаллография рецепторов, связанных с G-белком - PubAg» . Наука . 342 (6165). США: Национальная сельскохозяйственная библиотека США : 1521–1524 гг. дои : 10.1126/science.1244142 . ПМК 3902108 . ПМИД 24357322 . Проверено 26 февраля 2019 г.
^ Мизохата Э., Накане Т., Фукуда Ю., Нанго Э., Ивата С. (апрель 2018 г.). «Серийная фемтосекундная кристаллография в SACLA: прорыв в динамическую структурную биологию» . Биофизические обзоры . 10 (2): 209–218. дои : 10.1007/s12551-017-0344-9 . ПМК 5899704 . ПМИД 29196935 .
^ Мартин-Гарсия Дж. М., Конрад С. Э., Коу Дж., Рой-Чоудхури С., Фромм П. (июль 2016 г.). «Последовательная фемтосекундная кристаллография: революция в структурной биологии» . Архив биохимии и биофизики . 602 : 32–47. дои : 10.1016/j.abb.2016.03.036 . ПМЦ 4909539 . ПМИД 27143509 .
^ Нойце Р. и др. (август 2000 г.). «Возможность биомолекулярной визуализации с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов». Природа . 406 (6797): 752–757. дои : 10.1038/35021099 . ПМИД 10963603 . S2CID 4300920 .
^ Чепмен Х.Н., Фромм П., Барти А., Уайт Т.А., Кириан Р.А., Аквила А. и др. (февраль 2011 г.). «Фемтосекундная рентгеновская нанокристаллография белков» . Природа . 470 (7332): 73–7. Бибкод : 2011Natur.470...73C . дои : 10.1038/nature09750 . ПМЦ 3429598 . ПМИД 21293373 .
^ ДеПонте Д.П., Вейерстолл Ю., Шмидт К., Уорнер Дж., Стародуб Д., Спенс Дж.К., Доак Р.Б. (сентябрь 2008 г.). «Гадинамическое виртуальное сопло для генерации микроскопических капельных струй». Журнал физики D: Прикладная физика . 41 (19): 195505. arXiv : 0803.4181 . Бибкод : 2008JPhD...41s5505D . дои : 10.1088/0022-3727/41/19/195505 . S2CID 119259244 .
^ Видорн М.О., Авель С., Морган А.Дж., Айер К., Геворков Ю., Флекенштейн Х. и др. (сентябрь 2018 г.). «Быстрая доставка образцов для мегагерцовой серийной кристаллографии на рентгеновских ЛСЭ» . МСКРЖ . 5 (Часть 5): 574–584. дои : 10.1107/S2052252518008369 . ПМК 6126653 . ПМИД 30224961 .
^ Вейерстолл Ю, Джеймс Д., Ван С., Уайт Т.А., Ван Д., Лю В. и др. (2014). «Инжектор липидной кубической фазы облегчает последовательную фемтосекундную кристаллографию мембранных белков» . Природные коммуникации . 5 : 3309. Бибкод : 2014NatCo...5.3309W . дои : 10.1038/ncomms4309 . ПМК 4061911 . ПМИД 24525480 .
^ Сугахара М., Мизохата Э., Нанго Э., Сузуки М., Танака Т., Масуда Т. и др. (январь 2015 г.). «Смазочная матрица как универсальный носитель белков для серийной кристаллографии». Природные методы . 12 (1): 61–3. дои : 10.1038/nmeth.3172 . HDL : 2433/203008 . ПМИД 25384243 . S2CID 25950836 .
^ Конрад С.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» . МСКРЖ . 2 (Часть 4): 421–30. дои : 10.1107/S2052252515009811 . ПМЦ 4491314 . ПМИД 26177184 .
^ Гати С., Буренков Г., Клинге М., Редерс Д., Стеллато Ф., Обертюр Д. и др. (март 2014 г.). «Серийная кристаллография микрокристаллов, выращенных in vivo с использованием синхротронного излучения» . МСКРЖ . 1 (Часть 2): 87–94. дои : 10.1107/S2052252513033939 . ПМК 4062088 . ПМИД 25075324 .
^ Рёдиг П., Джинн Х.М., Пакендорф Т., Саттон Г., Харлос К., Уолтер Т.С. и др. (август 2017 г.). «Высокоскоростная последовательная кристаллография вирусов с фиксированной целью» . Природные методы . 14 (8): 805–810. дои : 10.1038/nmeth.4335 . ПМК 5588887 . ПМИД 28628129 .
^ Уайт Т.А., Кириан Р.А., Мартин А.В., Акила А., Насс К., Барти А., Чепмен Х.Н. (апрель 2012 г.). «CrystFEL: пакет программного обеспечения для последовательной кристаллографии снимков» (PDF) . Журнал прикладной кристаллографии . 45 (2): 335–41. дои : 10.1107/S0021889812002312 .
^ Уайт Т.А., Мариани В., Брем В., Ефанов О., Барти А., Байерляйн К.Р., Червинский Ф., Галли Л., Гати С., Накане Т., Толстикова А., Ямашита К., Юн Ч., Дидерихс К., Чепмен Х.Н. (апрель 2016 г.). «Последние события в CrystFEL» . Журнал прикладной кристаллографии . 49 (Часть 2): 680–689. дои : 10.1107/S1600576716004751 . ПМЦ 4815879 . ПМИД 27047311 .

Внешние ссылки

[1] Лю, В.; и др. (2013). «Последовательная фемтосекундная кристаллография рецепторов, связанных с G-белком - PubAg» . Наука . 342 (6165). США: Национальная сельскохозяйственная библиотека США : 1521–1524 гг. дои : 10.1126/science.1244142 . ПМК 3902108 . ПМИД 24357322 . Проверено 26 февраля 2019 г.

[pmid29196935-2] Мизохата Э., Накане Т., Фукуда Ю., Нанго Э., Ивата С. (апрель 2018 г.). «Серийная фемтосекундная кристаллография в SACLA: прорыв в динамическую структурную биологию» . Биофизические обзоры . 10 (2): 209–218. дои : 10.1007/s12551-017-0344-9 . ПМК 5899704 . ПМИД 29196935 .

[pmid27143509-3] Мартин-Гарсия Дж. М., Конрад С. Э., Коу Дж., Рой-Чоудхури С., Фромм П. (июль 2016 г.). «Последовательная фемтосекундная кристаллография: революция в структурной биологии» . Архив биохимии и биофизики . 602 : 32–47. дои : 10.1016/j.abb.2016.03.036 . ПМЦ 4909539 . ПМИД 27143509 .

[neutze2000-4] Нойце Р. и др. (август 2000 г.). «Возможность биомолекулярной визуализации с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов». Природа . 406 (6797): 752–757. дои : 10.1038/35021099 . ПМИД 10963603 . S2CID 4300920 .

[pmid21293373-5] Чепмен Х.Н., Фромм П., Барти А., Уайт Т.А., Кириан Р.А., Аквила А. и др. (февраль 2011 г.). «Фемтосекундная рентгеновская нанокристаллография белков» . Природа . 470 (7332): 73–7. Бибкод : 2011Natur.470...73C . дои : 10.1038/nature09750 . ПМЦ 3429598 . ПМИД 21293373 .

[6] ДеПонте Д.П., Вейерстолл Ю., Шмидт К., Уорнер Дж., Стародуб Д., Спенс Дж.К., Доак Р.Б. (сентябрь 2008 г.). «Гадинамическое виртуальное сопло для генерации микроскопических капельных струй». Журнал физики D: Прикладная физика . 41 (19): 195505. arXiv : 0803.4181 . Бибкод : 2008JPhD...41s5505D . дои : 10.1088/0022-3727/41/19/195505 . S2CID 119259244 .

[pmid30224961-7] Видорн М.О., Авель С., Морган А.Дж., Айер К., Геворков Ю., Флекенштейн Х. и др. (сентябрь 2018 г.). «Быстрая доставка образцов для мегагерцовой серийной кристаллографии на рентгеновских ЛСЭ» . МСКРЖ . 5 (Часть 5): 574–584. дои : 10.1107/S2052252518008369 . ПМК 6126653 . ПМИД 30224961 .

[pmid24525480-8] Вейерстолл Ю, Джеймс Д., Ван С., Уайт Т.А., Ван Д., Лю В. и др. (2014). «Инжектор липидной кубической фазы облегчает последовательную фемтосекундную кристаллографию мембранных белков» . Природные коммуникации . 5 : 3309. Бибкод : 2014NatCo...5.3309W . дои : 10.1038/ncomms4309 . ПМК 4061911 . ПМИД 24525480 .

[pmid25384243-9] Сугахара М., Мизохата Э., Нанго Э., Сузуки М., Танака Т., Масуда Т. и др. (январь 2015 г.). «Смазочная матрица как универсальный носитель белков для серийной кристаллографии». Природные методы . 12 (1): 61–3. дои : 10.1038/nmeth.3172 . HDL : 2433/203008 . ПМИД 25384243 . S2CID 25950836 .

[pmid26177184-10] Конрад С.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» . МСКРЖ . 2 (Часть 4): 421–30. дои : 10.1107/S2052252515009811 . ПМЦ 4491314 . ПМИД 26177184 .

[pmid25075324-11] Гати С., Буренков Г., Клинге М., Редерс Д., Стеллато Ф., Обертюр Д. и др. (март 2014 г.). «Серийная кристаллография микрокристаллов, выращенных in vivo с использованием синхротронного излучения» . МСКРЖ . 1 (Часть 2): 87–94. дои : 10.1107/S2052252513033939 . ПМК 4062088 . ПМИД 25075324 .

[pmid28628129-12] Рёдиг П., Джинн Х.М., Пакендорф Т., Саттон Г., Харлос К., Уолтер Т.С. и др. (август 2017 г.). «Высокоскоростная последовательная кристаллография вирусов с фиксированной целью» . Природные методы . 14 (8): 805–810. дои : 10.1038/nmeth.4335 . ПМК 5588887 . ПМИД 28628129 .

[13] Уайт Т.А., Кириан Р.А., Мартин А.В., Акила А., Насс К., Барти А., Чепмен Х.Н. (апрель 2012 г.). «CrystFEL: пакет программного обеспечения для последовательной кристаллографии снимков» (PDF) . Журнал прикладной кристаллографии . 45 (2): 335–41. дои : 10.1107/S0021889812002312 .

[pmid27047311-14] Уайт Т.А., Мариани В., Брем В., Ефанов О., Барти А., Байерляйн К.Р., Червинский Ф., Галли Л., Гати С., Накане Т., Толстикова А., Ямашита К., Юн Ч., Дидерихс К., Чепмен Х.Н. (апрель 2016 г.). «Последние события в CrystFEL» . Журнал прикладной кристаллографии . 49 (Часть 2): 680–689. дои : 10.1107/S1600576716004751 . ПМЦ 4815879 . ПМИД 27047311 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]