Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Kartik Ayyer van de MPSD heeft enkele van de scherpst mogelijke 3D-beelden van gouden nanodeeltjes verkregen. De resultaten leggen de basis voor het verkrijgen van afbeeldingen met een hoge resolutie van macromoleculen. De studie werd uitgevoerd bij de Europese XFEL's Single Particles, clusters, en Biomolecules &Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) instrument en de resultaten zijn gepubliceerd in optiek .

Koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren zijn micromoleculen die cellen bevolken en van levensbelang zijn. De sleutel om te begrijpen hoe deze macromoleculen werken, ligt in het begrijpen van hun structuur. Gouden nanodeeltjes gebruiken als vervanging voor biomoleculen, het team heeft 10 miljoen diffractiepatronen gemeten en deze gebruikt om 3D-beelden te genereren met een recordresolutie. Gouddeeltjes verstrooien veel meer röntgenstraling dan biomonsters en vormen dus goede testmonsters. Ze bieden veel meer gegevens, waardoor ze zeer nuttig zijn voor het verfijnen van methoden die vervolgens op biomoleculen kunnen worden gebruikt.

"De technieken die worden gebruikt om afbeeldingen met een hoge resolutie van biomoleculen te verkrijgen, zijn onder meer röntgenkristallografie, waarvoor de biomoleculen moeten worden gekristalliseerd, " zegt Kartik Ayyer, de leider van de Computational Nanoscale Imaging-groep bij de MPSD. "Dit is geen gemakkelijk proces. Als alternatief, cryo-elektronenmicroscopie werkt met bevroren moleculen, "voegt hij eraan toe. Echter, de komst van röntgenvrije elektronenlasers opende de deuren naar beeldvorming met enkelvoudige deeltjes (SPI), een techniek die het potentieel heeft om hoge resolutiebeelden van biomoleculen te leveren bij kamertemperatuur en zonder kristallisatie. Daarom kunnen de biomoleculen dichter bij hun oorspronkelijke staat worden bestudeerd. Dit levert op zijn beurt een beter inzicht op in hun structuur en functie in ons lichaam.

Maar er bleven twee hindernissen in SPI:het verzamelen van voldoende hoogwaardige diffractiepatronen en het correct classificeren van de structurele variabiliteit van de biomoleculen. Het werk van het team laat zien dat beide barrières kunnen worden overwonnen, zegt Kartik Ayyer:"Eerdere SPI-experimenten produceerden slechts ongeveer tienduizenden diffractiepatronen, zelfs in de beste scenario's. Echter, om resoluties te krijgen die relevant zijn voor structurele biologie, onderzoekers hebben 10 tot 100 keer meer diffractiepatronen nodig", legt Ayyer uit. "Dankzij de unieke mogelijkheden van de Europese XFEL-faciliteit, namelijk, het hoge aantal röntgenlaserpulsen per seconde en de hoge pulsenergie, het team was in staat om 10 miljoen diffractiepatronen te verzamelen in een enkel experiment van 5 dagen. Deze hoeveelheid gegevens is ongekend en we geloven dat ons experiment zal dienen als een sjabloon voor de toekomst van dit onderzoeksgebied, " hij zegt.

Om het probleem van structurele variabiliteit van biomoleculen op te lossen, dat is, omgaan met een momentopname van elk deeltje dat enigszins van elkaar verschilt, de onderzoekers ontwikkelden een speciaal algoritme. De diffractiepatronen worden verzameld door een tweedimensionale detector, vergelijkbaar met een snelle röntgencamera. Een algoritme sorteert vervolgens de gegevens en stelt de onderzoekers in staat het beeld van het biomolecuul te reconstrueren. "We gebruikten de mogelijkheden van de Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), waardoor we patronen in dat hoge tempo konden vastleggen. Vervolgens hebben we de gegevens verzameld en geanalyseerd met aangepaste algoritmen om afbeeldingen te verkrijgen met recordbrekende resoluties, ' zegt Ayer.

"Deze studie maakte echt gebruik van de unieke eigenschap van de hoge repletiesnelheid van onze faciliteit, de fast-framing detector en effectieve monsterlevering, " zegt Adrian Mancuso, vooraanstaande wetenschapper van de SPB/SFX-groep. "Het laat zien dat in de toekomst Europese XFEL is goed geplaatst om de grenzen van 'visie' voor niet-gekristalliseerde, kamertemperatuur biomoleculen."