主要

截至2017年9月1日,科学家们可以来欧洲x射线自由电子激光(EuXFEL)结构生物学的追求。他们可以收集衍射数据等蛋白质纳米晶体颗粒病毒、蛋白质复合物和单分子。他们可能会创建动态病毒“电影”的一系列单独的快照。经过15年的发展,建设和测试,EuXFEL“拉斯维加斯”:它产生一束光明比由其他现有的x射线源(见箱1,“EuXFEL一览”)。更多的测试,一束被成功发送到“厨”,几个lead-and-steel-encased房间设施之一。一些窝持有光栅、过滤器和其他beam-tuning设备;其他仪器测量样本。从附近的控制室人员与设备交互的窝。

EuXFEL的大卖点是它的高重复率、亨利·查普曼说,自由电子激光科学中心研究员汉堡,德国,由马克斯·普朗克协会共同经营汉堡大学和谜底,德国电子同步加速器。与EuXFEL每秒27000 x射线激光脉冲的脉冲率将有可能完成一个实验比以前更快和更少的样本。“这对单粒子还可以帮助衍射成像,已受到很好的投篮的病毒或任何达到公平和广场的梁相当罕见,”查普曼说。

EuXFEL是单分子衍射实验,亨利·查普曼说。来源:美国Bajt

在世界各地,许多XFELs操作或几乎(框2,“一些x射线自由电子激光”),正在建设中,例如,在中国。的费尔斯和新EuXFEL提供科学家暴露在飞秒(10−15秒),甚至阿托秒(10−18秒)时间表,这样他们就可以测量结构,变化和动力学实验对象的选择1,2,3,4,5。

严格地说,生物对象从来都不是相同的,乌普萨拉大学的生物物理学家现在Janos豪伊杜说谁他职业生涯的大部分时间都用在牛津大学。大分子结构采用不同的构象。“既然生物学摆动,这都是关于运动,”他说。这种可塑性使这些分子的生物功能。一些运动发生在毫秒,原子振动只持续10飞秒。

实验在EuXFEL提供机会捕捉运动原子振动的时间尺度。“我们住我们的梦想”,不仅如此,豪伊杜还说。他是团队的一部分的早期EuXFEL用户将使用beamtime nanocrystallography和单粒子如病毒的研究。有一天,他说,单细胞研究是有可能的。

不仅如此,豪伊杜还一直积极XFELs科学理由,包括斯坦福大学的光源(拼箱)世界上第一个XFEL,始于2009年——EuXFEL激光。他和许多其他的研究人员现在可以设计实验和战略迫在眉睫的挑战。

XFEL可能性

使用单粒子LCLS-XFEL数据,阿巴斯Ourmazd,物理学家和算法开发人员在密尔沃基威斯康辛大学,和他的同事们让电影的病毒(发表在这个问题6)。这样的电影可以揭示生物重要信息,Ourmazd说。在未来,EuXFEL可以帮助研究人员地图能源景观的生物分子,识别功能路线沿着这些路线,风景和拍电影的,他说,“提供实验和分子动力学之间的多车道公路。“EuXFEL数据可以得到一个详细的配体结合,构成所有信号和监管流程。

今年早些时候,EuXFEL第一束激光达到了“厨”。信贷:杰西卡·曼库索

查普曼认为捕获实况报道的事件,比如在酶反应,在飞秒的时间尺度上通过应用XFEL-based时间分辨的结晶学与数以百计,甚至数以千计,微晶核。通常这样的实验涉及光触发的反应,但也有其他快速的冲动,他说。他和他的同事们做快速样本混合:一个解决方案与晶体与溶液配体或其他反应物的样本课程通过微流体通道在注射装置。“快速在这种情况下可能会快速0.1毫秒,”他说。另外,他指出,研究小组使用脉冲电场找到灵活的部分蛋白质。

EuXFEL是单分子衍射实验,查普曼说。”,我们有一个疯狂的想法如何使用样品的荧光光结构,”他说。数以百计的x射线光子在示例实际上比分散的原子所吸收,形成衍射图案。这些photo-excited原子会发出荧光x射线不同波长,根据元素的问题。他和他的同事想要测量这个荧光通过使用脉冲获得衍射图案。

查普曼和其他人想自动化样品交付XFEL,在不到10秒的研究人员可以获得一个单一结构或结构在一系列的快照。“我们可以有巨大的吞吐量,”他说。这个吞吐量可以支持片段筛选药物开发,改善研究性结晶和筛选瓶颈结构生物学管道和地址。在XFEL片段筛选可能会“大大增加”任务完成的速度在同步加速器,允许更大的图书馆和减少所需的蛋白质片段。

研究人员可以开始传输技术与传统晶体学XFELs。传统上,他们使用光学显微镜寻找可行的晶体。现在,研究人员尝试”小晶体,“这是更快的交付样品到梁是否期刊,查普曼说。在不到一个小时,成千上万的结晶条件可以进行测试。大型组合研究可以揭示结构如何变化在不同的温度和pH值。

结合技术

拼箱到目前为止,研究开创了单分子成像和连续结晶学研究中,夏洛特Uetrecht说,海因里希·Pette研究所的一位科学家,与莱布尼兹研究所实验病毒学在汉堡。EuXFEL会更强烈,因为它允许研究人员观察小型系统,她说,开车的方法探索单一蛋白复合物。XFEL-based工作仅限于病毒颗粒相对较大,她说。

高脉冲率使高通量分子的探索不同的州能源景观;研究人员可以监视蛋白复合物在以前不可能的方式行动。的高时间分辨视图还大力冷宫过渡状态的极大的兴趣在药物发现和帮助科学家探索函数。

x射线衍射的一种病毒。信贷:a . Hosseinizadeh等威斯康辛大学

称为VISAVIX Uetrecht领导一个项目,结合质谱和XFEL-based工作。让她的方法深化研究质量规范透露:没有蛋白质复杂,正如她所说,“一个味道。“每一个都有不同的修改或灵活的区域,这可能导致广泛的构象集合体和平衡不同的绑定。VISAVIX,结构分析是加速,因为数据图像可以被选中的样品。

质量规范和XFEL在真空条件下工作,简化了这两种方法的耦合。去年Uetrecht和她的团队在FLASH运行了一个测试,一个较小的版本的EuXFEL。“我们学到了很多关于系统”,她说,最重要的是,高强度辐射不损害质量规范的电子产品。现在集团是分析他们的片段数据,她希望运行在2018年或2019年EuXFEL第一次实验。

牛病毒BEV2 XFEL-based研究,生物物理学家Alke Meents发达的固定目标的方法来缓解样本加载和减少晶体的数量7。他说,它使用beamtime更有效,并且可以吸引更多用户连环飞秒结晶学(自解压),一个技术,许多微晶核都交在梁来生成一组衍射数据。Meents去年加入了查普曼的集团。他需要晶体BEV2上面得到探测信号噪音实验,但XFELs将可行的“形象”non-crystallized粒子。

Meents合作者在几个EuXFEL建议的例子,他是参与SFX用户财团在单粒子,集群和生物分子工具尽管他没有提交自己的建议。他和他的同事目前推进固定靶样品指定方法,成千上万的晶体被加载到一个芯片和光栅扫描。他正在探索如何让光束扫描在样本,类似于激光微加工技术。

团队正在想法到附近的佩特拉三世,同步更beamtime可用的主要仪器,可以使这个实验需要进行修改。科学家们尝试在拼箱大芯片持有超过50000晶体。如果他们能扫描芯片1 kHz,解决结构的数据可以被收集在不到一分钟,Meents说。1-kHz数据采集率是远离EuXFEL 5 mhz与脉冲重复频率成捆。

这些“群列车”对用户来说是具有挑战性的,尤其是对于固定靶实验。对于那些实验,Meents需要移动样本10毫米在200 -纳秒脉冲之间的停顿,以拍下一个样品的位置。解决这个问题的一个方法是通过扫描光束的样本。这样做,可以建立一个镜子反射射线上游几米的样品。脉冲之间的杠杆臂将镜子根据计算角度值。具有挑战性的和仍在发展,他说,但这是更现实的比扫描样品快一百倍。

光学成像,大部分实验室采取多通道的方法,但是随着XFELs研究人员必须得到尽可能多的信息从一个拍摄曝光。他们希望所有的光子:弹性和inelastically散射和荧光光子。探测器需要能量分辨率,让实验者区分光子从不同的交互过程。在这个紧要关头,Meents和他的同事们正在探索如何利用康普顿散射图像使用同步加速器辐射更大的生物样本。结合所有这些努力随着新的数据分析方法,他说,应该帮助他们赶上电子显微镜社区。

XFELs,科学家们可以与电子显微镜方法达到规模单粒子成像,Meents说,但与辐射x射线破坏样品。电子显微镜的研究人员获得信息1000倍左右的样品比之前研究人员使用x射线样本保持太多的伤害。

使用XFELs时,实验者可以逃脱的辐射损伤,因为他们收集数据对x射线衍射后但在样品被摧毁。“尽管所有的软件方法,需要进一步发展,我看到一个伟大的需要和潜在的最优检测这样的实验中,“Meents说。现在可以nanofocused最明亮的x射线,但实验往往依赖于样品持有人和仪表设计20年前,他说。

另一个问题是背景散射,这应低于大多数XFEL-based实验,Meents说。只是减少散射将大幅提高分辨率。

处理脉冲火车

一天的beamtime EuXFEL值得225天在拼箱,查普曼说,但这一天带来一些挑战。自适应增益像素探测器必须跟上海量数据由x射线“火车”,这是2700 -脉冲束在4.7 MHz,重复十次220纳秒脉冲之间。探测器可以存储3500帧每秒,这是巨大的能力,他说,但只有大约10%的一个完整的梁。尽管实验不能利用所有生成的数据,脉冲使许多类型的实验。研究人员可以建立一个反应和探针以这种速度,捕捉许多生物学过程。对于更高的分辨率,实验者可以交错数据从不同的火车和启动反应在不同的时间。

牛病毒结构与固定目标的确定方法。信贷:a . Meents CFEL

EuXFEL梁的高脉冲率是有益的快速和示例消费,但是,不仅如此,豪伊杜还说,一个人需要离开镜头之间的“烟清晰。“第一枪的碎片可能仍然在互动区域,研究人员正在研究。“理想脉冲需要均匀分布集之一,”他说。脉冲模式有一些历史:它是为了使某些类型的物理实验,然后成为“根深蒂固”项目,这并不是理想的结构的研究。“我们必须忍受它,”他说。改变它将花费钱。一些药物实验可以包括beam-tuning下降脉冲序列的脉冲或脉冲间隔彼此远离。

总的来说,结构生物学的EuXFEL潜力巨大,Uetrecht说。“然而,现在还没有一个真正的单分子技术,”她说。无数的单一物种的图像仍然必须获得结构相结合。“是了不起的记录在一个点以高分辨率三维结构,因此真正对于每个粒子,”她说。全息方法显示了很大的潜力,特别是对于大型对象,如细胞。

应用研究

除了EuXFEL,欧洲SwissFEL,保罗谢勒研究所的一部分在Villigen (PSI),瑞士。飞行员实验今年晚些时候开始,它将在2018年开放的研究社区。相比之下EuXFEL的每秒27000次脉冲,SwissFEL提供每秒100次脉冲,leadXpro首席执行官迈克尔•亨尼希表示PSI消磨。他花了二十年罗氏指导基于结构的研究。这种脉冲速率差异涉及到不同的实验和测量策略。

SwissFEL建立学术和商业研究,亨尼希说。公司侧重于结构生物学和生物物理学药物发现方法,尤其是对于膜蛋白的目标,如离子通道,转运蛋白和G-protein-coupled受体。膜处理可溶性蛋白质,他和他的团队使用低温电子显微镜或x射线晶体学研究绑定属性的潜在药物分子和设计未来的药物。亨尼希想找领导分子与“小说”是否会明显的特异性和有效性。与结构,药物开发人员可以承担具有挑战性的系统时,例如,寻找潜在的小分子,目标蛋白质转运蛋白的相互作用。他还做了实验等XFELs拼箱在美国和SACLA在日本,他和他的团队已经申请beamtime EuXFEL。

夏洛特Uetrecht结合质谱和XFEL-based研究。

互动与beamline科学家从样本准备数据分析是至关重要的,他说。例如,他的团队可能会请求调整beamline设置。“最令人兴奋的研究领域之一XFELs是蛋白质动力学的调查,”亨尼希说。相比与传统cryo-crystallography观察到,他和他的团队看到不同的构象和B-factors当执行结构分析在室温下与串行晶体学等。“一起调查的时间分辨的配体结合,”他说,“我相信这将影响未来药物分子的计算分析和设计。”

数据洪流

EuXFEL将收获大量的实验数据对他们的生物分子。数据分析工具和数据门户是新兴8(见“XFEL项目、工具、数据门户”Methagora)。重复率,EuXFEL在极端的大数据挑战现在常见的在许多领域,Uetrecht说。“自动数据分类丢弃空或之前图像将至关重要,”她说。探测器在EuXFEL”功能否决制度。”

在VISAVIX实验中,将会有更少的大数据的挑战,研究人员可能会看到很多“空镜头,”Uetrecht说。由于低背景提供的质谱仪,会比较容易区分空帧和真实的数据。可能是潜在的长数据分析困难时期相比单粒子成像数据采集率。“从长远来看,我真的希望同事EuXFEL将提供一个集成的数据分析管道,”她说。鉴于实验产生的数据量,只是这些数据的转移国内机构将耗时。

Ourmazd说XFEL成功措施之一,是别人的程度,包括医药行业研究人员确信这些机器的使用和现有的和新兴的数据分析算法是有益的。他希望数据分析工具集成到设施的规划。“我们已经学会建造宏伟的机器,但往往忽视给他们的大脑,”他说。

尤其是考虑到的复杂性和规模数据集从XFEL-based实验,与设备交互的关键人员,实验之前和期间,亨尼希说。自解压数据分析是一个关键领域的进步将使电子密度地图告诉更多的关于绑定目标的候选药物和蛋白质。

更多XFELs

EuXFEL操作,韩国浦项市加速器实验室XFEL拉斯维加斯,和SwissFEL很快就会操作。桌面XFELs正在发展中。拼箱已经建立了一个新的beamline称为大分子飞秒晶体学,和LCLS-II设施升级,在工作。查普曼解释说,LCLS-II涉及相同的加速器技术用于EuXFEL重复率高。“设施之间的竞争是绝对惊人的像我们这样的用户,”他说。还没有尽可能多的XFELs有同步源,但XFELs”已被证明是更有用的和通用的比以往想象的。”

XFEL社会展示了一个边疆精神,Janos不仅如此,豪伊杜还说。来源:安德森,乌普萨拉大学

结构生物学曾经是一个科学的前沿。改变随着领域的成长1934年第一批衍射模式生成后,不仅如此,豪伊杜还说。与电子显微镜不同的是,这是发达国家在第二次世界大战期间,或蛋白质晶体学,这可以追溯到20世纪早期,XFELs是一个年轻的技术:第一个激光在世界上第一个XFEL是在2009年。“一切都从头开始开发,”他说。XFEL-based研究令人兴奋,不久的一天会有工业应用,。国际合作XFEL社区工作,他感觉“拓荒精神”,引发了新的科学。