Sériová femtosekundová krystalografie - Serial femtosecond crystallography

Sériová femtosekundová krystalografie (SFX) je forma Rentgenová krystalografie vyvinut pro použití v Rentgenové lasery s volnými elektrony (XFEL).[1][2][3] Jednotlivé impulsy u laserů s volnými elektrony jsou dostatečně jasné na to, aby generovaly rozlišitelnou Braggovu difrakci z submikronových krystalů. Tyto impulsy však také ničí krystaly, což znamená, že úplný soubor dat zahrnuje sběr difrakce z mnoha krystalů. Tato metoda sběru dat se označuje jako seriál, odkazující na řadu krystalů proudících přes rentgenový paprsek, jeden po druhém.

Schéma sériové femtosekundové krystalografie (SFX)

Dějiny

Zatímco myšlenka sériové krystalografie byla navržena dříve[Citace je zapotřebí ], to bylo poprvé demonstrováno na XFELs Chapman et al.[4] na Koherentní světelný zdroj Linac (LCLS) v roce 2011. Tato metoda byla od té doby rozšířena o řešení neznámých struktur, provádění časově rozlišených experimentů a později dokonce přivedla zpět k synchrotronovým rentgenovým zdrojům.

Metody

Ve srovnání s konvenční krystalografií, kde se otáčí jeden (relativně velký) krystal za účelem sběru 3D datové sady, je třeba vyvinout některé další metody pro měření v seriál režimu. Nejprve je nutná metoda pro efektivní proud krystalů přes ohnisko paprsku. Další hlavní rozdíl je v potrubí analýzy dat. Zde je každý krystal v náhodné neznámé orientaci, kterou je třeba výpočetně určit, než lze difrakční obrazce ze všech krystalů sloučit do sady 3D hkℓ intenzity.

Ukázková dodávka

První systém dodávky vzorků použitý pro tuto techniku ​​byl Plynová dynamická virtuální tryska (GDVN) který ve vakuu vytváří proud kapaliny (zrychlený koncentrickým proudem plynného helia) obsahující krystaly. Od té doby bylo úspěšně prokázáno mnoho dalších metod jak u zdrojů XFEL, tak u synchrotronových zdrojů. Souhrn těchto metod a jejich klíčových relativních funkcí je uveden níže:

  • Plynová dynamická virtuální tryska (GDVN)[5] - nízký rozptyl pozadí, ale vysoká spotřeba vzorku. K dispozici je pouze metoda pro zdroje s vysokou rychlostí opakování.[6]
  • Lipidová kubická fáze (LCP) injektor[7] - Nízká spotřeba vzorku s relativně vysokým pozadím. Speciálně vhodný pro membránové proteiny
  • Jiná viskózní média pro doručování[8][9] - Podobně jako LCP, nízká spotřeba vzorku s vysokým pozadím
  • Pevné cílové skenovací systémy (byla použita široká škála systémů s různými funkcemi, se standardními krystalovými smyčkami,[10] nebo křemíkové čipy[11]) - Nízká spotřeba vzorku, pozadí závisí na systému, mechanicky složité
  • Pásková jednotka (krystaly se automaticky pipetují na a Kapton páska a přivedena k rentgenovému zaostření) - Podobně jako pevné cílové systémy, s výjimkou méně pohyblivých částí

Analýza dat

Aby bylo možné obnovit 3D strukturu z jednotlivých difrakčních vzorů, musí být orientovány, zmenšeny a sloučeny, aby se vytvořil seznam hkℓ intenzity. Tyto intenzity lze poté předat standardním krystalografickým fázovacím a vylepšovacím programům. První experimenty pouze orientovaly vzory[12] a získali přesné hodnoty intenzity zprůměrováním velkého počtu krystalů (> 100 000). Novější verze opravují odchylky ve vlastnostech jednotlivých vzorů, jako jsou variace celkové intenzity a B-faktor variace i zpřesnění orientací k opravě „parciálnosti“ jednotlivých Braggových odrazů.[13]

Reference

  1. ^ "Sériová femtosekundová krystalografie receptorů spojených s G proteiny - PubAg". pubag.nal.usda.gov. NÁS: Americká národní zemědělská knihovna. Citováno 2019-02-26.
  2. ^ Mizohata E, Nakane T, Fukuda Y, Nango E, Iwata S (duben 2018). „Sériová femtosekundová krystalografie na SACLA: průlom k dynamické strukturní biologii“. Biofyzikální recenze. 10 (2): 209–218. doi:10.1007 / s12551-017-0344-9. PMC  5899704. PMID  29196935.
  3. ^ Martin-Garcia JM, Conrad CE, Coe J, Roy-Chowdhury S, Fromme P (červenec 2016). „Sériová femtosekundová krystalografie: revoluce ve strukturní biologii“. Archivy biochemie a biofyziky. 602: 32–47. doi:10.1016 / j.abb.2016.03.036. PMC  4909539. PMID  27143509.
  4. ^ Chapman HN, Fromme P, Barty A, White TA, Kirian RA, Aquila A a kol. (Únor 2011). "Femtosekundová rentgenová proteinová nanokrystalografie". Příroda. 470 (7332): 73–7. Bibcode:2011 Natur.470 ... 73C. doi:10.1038 / nature09750. PMC  3429598. PMID  21293373.
  5. ^ DePonte DP, Weierstall U, Schmidt K, Warner J, Starodub D, Spence JC, Doak RB (září 2008). Msgstr "Plynová dynamická virtuální tryska pro generování mikroskopických proudů kapiček". Journal of Physics D: Applied Physics. 41 (19): 195505. arXiv:0803.4181. Bibcode:2008JPhD ... 41s5505D. doi:10.1088/0022-3727/41/19/195505. S2CID  119259244.
  6. ^ Wiedorn MO, Awel S, Morgan AJ, Ayyer K, Gevorkov Y, Fleckenstein H a kol. (Září 2018). „Rychlé dodání vzorků pro megahertzovou sériovou krystalografii na rentgenových FEL“. IUCrJ. 5 (Pt 5): 574–584. doi:10.1107 / S2052252518008369. PMC  6126653. PMID  30224961.
  7. ^ Weierstall U, James D, Wang C, White TA, Wang D, Liu W a kol. (2014). „Injektor lipidické kubické fáze usnadňuje sériovou femtosekundovou krystalografii membránových proteinů“. Příroda komunikace. 5: 3309. Bibcode:2014NatCo ... 5,3309 W.. doi:10.1038 / ncomms4309. PMC  4061911. PMID  24525480.
  8. ^ Sugahara M, Mizohata E, Nango E, Suzuki M, Tanaka T, Masuda T a kol. (Leden 2015). "Mastná mast jako univerzální nosič proteinů pro sériovou krystalografii". Přírodní metody. 12 (1): 61–3. doi:10.1038 / nmeth.3172. hdl:2433/203008. PMID  25384243. S2CID  25950836.
  9. ^ Conrad CE, Basu S, James D, Wang D, Schaffer A, Roy-Chowdhury S a kol. (Červenec 2015). „Nové médium pro dodávání inertních krystalů pro sériovou femtosekundovou krystalografii“. IUCrJ. 2 (Pt 4): 421–30. doi:10.1107 / S2052252515009811. PMC  4491314. PMID  26177184.
  10. ^ Gati C, Bourenkov G, Klinge M, Rehders D, Stellato F, Oberthür D a kol. (Březen 2014). "Sériová krystalografie na in vivo pěstovaných mikrokrystalech pomocí synchrotronového záření". IUCrJ. 1 (Pt 2): 87–94. doi:10.1107 / S2052252513033939. PMC  4062088. PMID  25075324.
  11. ^ Roedig P, Ginn HM, Pakendorf T, Sutton G, Harlos K, Walter TS a kol. (Srpen 2017). „Vysokorychlostní krystalografie sériového viru s pevným cílem“. Přírodní metody. 14 (8): 805–810. doi:10.1038 / nmeth.4335. PMC  5588887. PMID  28628129.
  12. ^ White TA, Kirian RA, Martin AV, Aquila A, Nass K, Barty A, Chapman HN (duben 2012). „CrystFEL: softwarová sada pro sériovou krystalografii snímků“ (PDF). Journal of Applied Crystallography. 45 (2): 335–41. doi:10.1107 / S0021889812002312.
  13. ^ White TA, Mariani V, Brehm W, Yefanov O, Barty A, Beyerlein KR, Chervinskii F, Galli L, Gati C, Nakane T, Tolstikova A, Yamashita K, Yoon CH, Diederichs K, Chapman HN (duben 2016). „Poslední vývoj v CrystFEL“. Journal of Applied Crystallography. 49 (Pt 2): 680–689. doi:10.1107 / S1600576716004751. PMC  4815879. PMID  27047311.

externí odkazy