难以捉摸的光合作用细节用快速X射线脉冲解锁

图形显示了X射线游离电子激光器或XFEL的基本设计，其中辉煌的X射线突发撞击结晶样品，导致可以将衍射图案重新组装成详细的图像。X射线损
伤生物分子，这是一种困扰结构的问题几十年来的决心。但是，XFEL产生的X射线突发是如此短持久的仅仅是飞秒 - 可以在破坏之前从分子记录来自分子的X射线散射，类似于使用快速的相机快门。（Fem​​tosecond是百万分之十亿分之一，比例与一秒相同，是3200万年。）

将阳光转化为能量的能力是大自然更加出色的壮举之一。科学家们了解光合作用的基本过程，但许多重要细节仍然难以捉摸，在尺寸和短暂的时间尺度中发生，长期被视为探针。

现在，这正在发生变化。

在由Petra Fromme和Nadia Zatsepin领导的新研究中，在Applied Structural Discovery的Applation Accounty Centr，分子科学学院和亚利桑那州立大学的物理系，研究人员用超短X射线脉冲调查了照相I（PSI）的结构在德国汉堡的欧洲X射线自由电子激光器（Euxfel）。

Petra fromme是应用结构结构发现（CASD）的生物阶段中心主任，并引领项目的实验团队努力。

PSI是一种大型生物分子系统，充当将太阳能转化为化学能的大型转换器。光合作用为地球上的所有复杂生命提供能量，并提供我们呼吸的氧气。解开光合作用的秘密的进步提高了改善农业，援助开发结合自然效率的下一代太阳能储存系统，以人工工程系统的稳定性。

“这项工作非常重要，因为它显示了Megahertz串行晶体学概念的第一个证明，其中光合作用中最大和最复杂的膜蛋白之一：照片电影我，“罗伊梅说。“这项工作铺平了Euxfel的时间解决的研究，以确定光合作用中电子的光驱动路径的分子电影，或者可视化癌症药物如何发生蛋白质攻击蛋白质。”

最近开始运行的Euxfel是第一个采用超导线性加速器，产生令人兴奋的新功能，包括其X射线脉冲的非常快的Megahertz重复率 - 比任何其他XFEL快9000倍 - 脉冲分开的脉冲百万分之一的一百万。随着这些令人难以置信的X射线光爆发，研究人员将能够更快地记录基本生物过程的分子电影，并可能影响佩戴物体，包括药物和药理学，化学，物理，材料科学，能源研究，环境研究，电子，纳米技术和光子学。从Me和Zatsepin是本文的共同作者，在当前发布的新西西通讯问题。

数字的力量

FROMME是应用结构结构发现（CASD）的生物阶段中心主任，并引导了项目的实验团队努力，而Zatsepin LED XFEL数据分析团队。

纳迪亚Zatsepin，ASU物理系和生物赛凯德系的前研究助理教授，现在是澳大利亚La Trobe University的高级研究员。

“这是串行飞秒晶体学的发展中的重要里程碑，建立了大型，跨学科，国际团队和不同领域发展多年的协调努力，”ASU前的研究助理教授Zatsepin说物理学和生物赛凯德科技部，澳大利亚洛博大学的高级研究员。

该论文的COSTOPHER GISRIEL Christopher Gisriel在该项目上工作，而来自美国实验室的博士后研究员，对该项目感到兴奋。

“串行飞秒晶体学实验中的快速数据收集使得这种革命性的技术更易于对酶的结构功能关系感兴趣的技术。这是我们在自然通信中的新出版物的例子，表明即使是最困难和复杂的蛋白质结构也可以通过串行飞秒晶体学求解，同时收集在Megahertz重复率的数据。“

“看到这项项目的许多人来说，这是非常令人兴奋的，这是将这个项目变化的努力，”杰西科伊州的联合第一作者，他去年毕业的博士学位，在ASU的生物化学博士学位。“这是朝着正确了解自然的电子转移过程的正确方向迈出了一大十亿年的过程。”

极度科学

XFEL（对于X射线自由电子激光器）提供比传统X射线源更亮的X射线光。通过电子加速到光速度的电子产生亮，激光样的X射线脉冲，并通过一系列交替磁铁之间的间​​隙，称为波浪器的装置。起伏器迫使电子摇晃并束缚到离散包装中。每个完美同步的Wiggling电子串串沿电子飞行路径发出强大的简要X射线脉冲。

在串行飞秒晶体中，在室温下将蛋白质晶体的射流注入脉冲XFEL梁的路径中，以衍射图案的形式产生结构信息。从这些模式来看，科学家可以确定蛋白质的原子尺度图像在近乎生物的条件下，铺平了朝向工作中分子的准确分子电影的方式。

X射线损坏生物分子，几十年来困扰结构确定努力的问题，需要将生物分子冷冻以限制损坏。但是由XFEL产生的X射线突发是如此短持久的模糊秒 - 可以在破坏之前从分子中记录来自分子的X射线散射，类似于使用快速的相机快门。作为参考点，Femtosecond是十亿分之一的百万分之一，比例与一秒相同，是3200万年。

由于XFEL设施的复杂性，大小和成本，目前仅适用于全球此类实验 - 从研究人员的严重瓶颈，因为每个XFEL通常只能一次举办一个实验。大多数XFELS每秒产生30到120次的X射线脉冲，并且可能需要几个小时才能收集确定单个结构所需的数据，更不用说分子电影中的一系列帧。EUXFEL是第一个在其设计中采用超导线性加速器的，从而实现任何XFEL的X射线脉冲的最快连续，这可以显着减少确定电影的每个结构或帧所需的时间。

高风险，高奖励

因为样品被强烈的X射线脉冲湮灭，所以必须及时为下一个X射线脉冲补充，这需要PSI晶体在Euxfel上速度快9,000倍，而不是在早期的Xfels - 以喷射速度每秒约50米（每秒160英尺），如微流体消防软管。这挑战，因为它需要大量含有均匀晶体中的珍贵蛋白质，以达到这些高喷射速度，并避免阻止样品输送系统。大膜蛋白很难分离，结晶和递送到梁，如果可以在EUXFEL上研究这类重要的蛋白质，则不知道。

该团队开发了允许PSI的新方法，这是一种由36个蛋白质和381个辅助剂组成的大型综合体，包括288个叶绿素（吸收光的绿色颜料）并具有超过150,000个原子，并且比以前大于20倍以上的20倍以上在Euxfel上研究的蛋白质，使其结构在室温下确定为显着的2.9埃分辨率 - 一个重要的里程碑。

衍生自蓝藻的PSI膜蛋白的数十亿微晶，必须为新的研究生长。需要纳米晶种子的快速晶体生长来保证晶体尺寸和形状的基本均匀性。PSI是一种膜蛋白，这是一类高度重要的蛋白质，令人惊奇地棘手。它们的精心结构嵌入细胞膜的脂质双层中。通常，必须从其本地环境中仔细地分离它们，并转化为结晶状态，其中分子包装成晶体，但保持其所有天然功能。

在PSI的情况下，通过用非常温和的洗涤剂提取替代膜的非常温和的洗涤剂来实现这一点，如池内管，这种蛋白质类似于池内管，这使得它一旦填充在晶体内，就会保持PSI全功能。因此，当研究人员通过PSI的天线系统捕获光线的绿色颜料（叶绿素）上的光线时，使用能量用于在膜上射击电子。

为了保持PSI功能齐全，晶体仅含有78％的水，这使得它们像阳光下的一块黄油一样柔软，使得难以处理这些脆弱的晶体。

“孤立，表征和结晶一克PSI，或十亿亿亿分子分子，以其完全活跃的形式为实验是我团队中的学生和研究人员的巨大努力，”FROMME说。“在未来，甚至更高的重复率和新型样品递送系统，样品消耗将会大大减少。”

衍射数据的记录和分析是另一个挑战。由Euxfel和Desy开发了独特的X射线探测器，以处理Euxfel的结构生物学研究的要求：自适应增益集成像素检测器或AGIPD。AGIPD的100万像素中的每一个都小于百分之一英寸，并包含352个模拟存储器单元，使AGIPD能够在大型动态范围内以MEGAHERTZ速率收集数据。然而，为了从大膜蛋白的微晶中收集精确的晶体数据所需的空间分辨率与数据采样之间的折衷所需的折衷。

“使用当前探测器大小推动更高分辨率的数据收集可能会阻止晶体数据的有用处理，因为衍射斑点由X射线探测器像素不充分地解决，但在数据速率和动态范围方面也是”警告Zatsepin“的，AGIPD能够令人难以置信的。“

专门设计的新型数据减少和晶体摄像软件，专门设计为XFEL晶体学中大规模数据集的挑战 - 其开发由CFEL，贫民和ASU的合作者领导，自第一个高分辨率XFEL是长途的2011年的实验。

“我们的软件和缺饮的高性能计算能力实际上是用Euxfel生成的前所未有的数据卷进行测试。Zatsepin说，推动最先进技术的极限总是令人兴奋的。

膜蛋白质：软盘，但变得强大

膜蛋白如psi - 命名为嵌入细胞膜 - 对所有生命过程至关重要，包括呼吸，神经功能，营养吸收和细胞 - 细胞信号传导。因为它们在每个细胞的表面上，它们也是最重要的药物靶标。超过60％的当前药物靶向膜蛋白。因此，更有效的药物的设计具有更少的副作用的药物是理解特定药物与其靶蛋白质的结合以及它们高度详细的结构构象和动态活性。

尽管对生物学巨大的重要性，但膜蛋白质结构占迄今为止解决的所有蛋白质结构的1％，因为它们是令人惊奇的令人棘手的，以孤立，表征和结晶。这就是为什么晶体方法的主要进步，例如膜蛋白兆赫串行渐进式晶体学的出现，无疑会对科学界产生重大影响。

它需要一个村庄

如果没有来自15个机构的近80名研究人员的专业团队，其中包括ASU，欧洲XFEL，斯瓦西，Hauptman-Woodward Institute，Suny Buffalo，Suny Buffalo，Suny Buffalo，Suny Buffalo，Suny Buffalo，Saly Buffalo，Sany Buffalo，Sany Buffalo，Saly Cuffalo，Salac，Suny Buffalo田纳西州匈牙利大学甘菊大学，汉堡理工大学，汉堡理工大学和威斯康星大学，田纳西大学匈牙利科学院哈德廷大学哈德廷大学。该研究小组包括美国NSF Bioxfel科技中心的合作者，以及一群国际合作者，包括Adrian P. Mancuso和Romain Letrun，Euxfel Beamline的主要科学家，以及来自CFEL / Desy的Oleksandr Yefanov和Anton Barty，他们工作与ASU团队密切相关的复杂数据分析。

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参考：“欧洲Xfel膜蛋白梅戈赫斯晶体学”由Chris Gisriel，Jesse Coe，Romain Letrun，Oleksandr M. Yefanov，Cesar Luna-Chavez，Natasha E. Stander，Stella Lisova，Valerio Mariani，Manuela Kuhn，Steve Aplin，Thomas D. Grant，Katerinadörner，Tokushi Sato，Austin echelmeier，Jorvani Cruz Villarreal，Mark S. Hunter，Mak O. Wiedorn，Juraj Knoska，Victoria Mazalova，Shatabdi Roy-Chowdhury，Jay-yang，亚历克斯·琼斯，理查德豆，Johan Bielecki， Yoonhee Kim，Grant Mills，Britta Weinhausen，Jose D. Meza，Nasser Al-Qudami，SašaBajt，Gerrit Brehm，SabineBotha，Djelloul Boukhelef，Djelloul Boukhelef，Djelloul Boukhelef，Barry D. Bruce，Matthew A. Coleman，Cyril Danilevski，Erin Danilevski，Erin Danilevski，Erin Danilevski，Erin Danilevski， Zachary Dobson，Hans Fangohr，Jose M. Martin-Garcia，Yaroslav Gevorkov，Steffen Hauf，Ahmad Hosseinizadeh，Frieerike Januschek，Gihan K. Ketawala，Christopher Kupitz，Luis Maia，Maurizio Manetti，Marc Messerschmidt，Thomas Michelat，Jyotigicoy Mondal，Jyotigicoy Mondal，Abbas Ourmazd ，gianpietro previtali，iosifina sarrou，s IlvanSchön，彼得斯·施韦德，梅根L. Shelby，Alessandro Silenzi，Jolanta Sztuk-Dambietz，Janusz Szuba，Monica Turcato，Thomas A. White，Krzysztof Wrona，Chen Xu，Mohamed H. Abdellatif，James D.Zook，John Ch Spence， Henry N. Chapman，Anton Barty，Richard A.基亚安，Matthias Frank，Alexandra Ros，Marius Schmidt，Rairian P. Mancuso，Petra Fromme和Nadia A. Zatsepin，2019年11月4日，2019年11月4日，自然信息.DOI：
10.1038 / s41467-019-12955-3

ASU团队包括在生物选择性的应用结构发现，分子科学学院和物理系中工作的教师，包括教师John Spence，Richard Kirian，Alexandra Ros和Raimund Fromme。研究人员包括Chris Gisriel和Jesse Coe的克里斯吉斯里埃尔和杰西Coe，他们建立了PSI的隔离和结晶，并在数据分析上工作以及与Petra Fromme，Nadia Zatsepin和所有团队成员的纸张写作。PSI样品准备团队由CESAR Luna-Chavez，Shatabdi Roy-Chowdhury，Jay-Choy-Chowdhury，亚历山大·琼斯，Jose Domingo Meza，Erin Discianno，Zachary Dobson，James Zook和Jose M. Martin-Garcia。Stella Lisova，Austin Echelmeier，Jorvani Cruz Villarreal，Gerrit Brehm，Marc Messerschmidt和Sabine Swea在样品注射上工作。Natasha E. Stander和Gihan K. Ketawala在数据评估上工作。

该研究部分得到了能源部，国有科技基金会（NSF）科学和技术中心（STC）Bioxfel奖第15651.80号Bioxfel奖第1565180号，国家健康机构授予Femtosecond晶体晶胞蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质R01GM095583澳大利亚研究委员会通过高级分子成像的卓越中心（CE140100011）。