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深入了解生物大分子的新路径

2021-01-18 15:59:58 6
由德国马克斯·普朗克物质与结构动力学研究所的Kartik Ayyer领导的一个国际科学家团队,获得了金纳米粒子最清晰的3D图像,这一结果为高分辨率大分子图像的获取奠定了基础。该研究是在欧洲XFEL的单粒子,团簇和生物分子与系列飞秒晶体学(SPB / SFX)仪器上进行的,研究结果已在Optica上发表。
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结构选择后,将多个快照组合得到的八面体纳米粒子的三维衍射图

Credit: Kartik Ayyer and Joerg Harms, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter


碳水化合物,脂肪,蛋白质和核酸都是大分子,它们存在于我们的细胞中,对生命至关重要。了解这些大分子如何工作的关键在于了解有关其结构的详细信息。该团队使用了金纳米颗粒作为生物分子的替代品,测量了1000万个衍射图样,并使用它们生成了史上最高分辨率的3D图像。金粒子比生物样品散射的X射线要多得多,因此可以成为良好的测试样品。他们能够提供更多的数据,这对于随后可用于生物分子的微调方法很有用。

 

“用于获得生物分子高分辨率图像的技术包括X射线晶体学,这要求将生物分子结晶,这不是一个容易的过程,或者是用于冷冻分子的冷冻电子显微镜,” Ayyer说。X射线自由电子激光的出现打开了单粒子成像(SPI)的大门,该技术有可能在室温下提供生物分子高分辨率图像,而又不需要结晶。这意味着可以研究更接近其原始状态的生物分子,例如,可以更好地了解它们在我们体内的结构和功能。

 

“但是,SPI仍然存在两个障碍:收集足够的高质量衍射花样并正确分类生物分子的结构变异性。我们的工作表明,这两个障碍都是可以克服的。”他补充道。“即使在最好的情况下,以前的SPI实验也只能产生约数万个衍射图像。但是,要获得与结构生物学相关的分辨率,研究人员需要10到100倍以上的的衍射图。” Ayyer解释说。由于欧洲XFEL的独特能力,即每秒大量的X射线激光脉冲(也称为重复频率)和高的脉冲能量,我们团队能够在一个5天的实验内收集1000万个衍射图样。同时他提到 “这么多的数据是前所未有的,我们相信我们的实验为该领域的未来设定了范本。

 

为了克服生物分子结构变异的障碍,即处理每个彼此之间略有不同的粒子的快照,研究小组使用了他们开发的一种特殊算法。衍射图样是由类似于快速X射线照相机的二维探测器收集的。然后,一种算法对数据进行排序,让研究人员能够重建生物分子的图像。“我们使用了自适应增益积分像素探测器(AGIPD)的功能,该功能使我们能够以很高的速率捕获图像。然后,我们使用定制的算法收集并分析了数据,以获得有史以来分辨率最高的图像。”  Ayyer说。

 

SPB / SFX研究小组的首席科学家Adrian Mancuso说:“这项研究真正利用了我们设备的高重复频率,快速成帧的探测器以及有效的样品传输的独特性能。这表明,将来欧洲XFEL在探索未结晶的室温生物分子的'视觉'极限方面处于有利地位。”


参考信息:https://www.xfel.eu/news_and_events/news/index_eng.html?openDirectAnchor=1848&two_columns=0


点击阅读更多,了解原文“3D diffractive imaging of nanoparticle ensembles using an x-ray laser”详情。


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