XFEL: Auf dem Weg zu besseren Einblicken in Biomoleküle

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Kartik Ayyer vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie hat 3D-Bilder von Gold-Nanopartikeln in bestmöglicher Auflösung erhalten. Die Ergebnisse legen den Grundstein dafür, hochauflösende Bilder von Makromolekülen zu erhalten. Für Ihre Studie nutzten die Forschenden die European XFEL-Experimentierstation Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX), die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.

Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren, die als lebenswichtige Bestandteile in unseren Zellen vorkommen, sind Makromoleküle. Ein Schlüssel zum Verständnis, wie diese Makromoleküle funktionieren, sind die Details ihrer Struktur. Als Ersatz für Biomoleküle verwendete das Team Gold-Nanopartikel, nahm 10 Millionen Beugungsmuster auf und erzeugte daraus 3D-Bilder mit rekordverdächtiger Auflösung. Goldpartikel streuen Röntgenstrahlen viel stärker als biologische Proben und eignen sich daher gut für Tests. Sie liefern viel mehr Daten, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für die Feinabstimmung von Methoden nutzen können, bevor sie sie auf Biomoleküle anwenden.

"Möchte man mit Hilfe von Röntgenkristallographie hochauflösende Bilder von Biomolekülen erhalten, müssen diese zunächst kristallisiert werden, und das ist kein einfacher Prozess“, sagt Ayyer. Bei einem anderen Verfahren, der Kryo-Elektronenmikroskopie, arbeitet man mit gefrorenen Molekülen", sagt Ayyer. Die Freie-Elektronen-Röntgenlaser öffnen die Türen zur Einzelpartikel-Bildgebung (SPI), einer Technik, die das Potenzial hat, hochauflösende Bilder von Biomolekülen bei Raumtemperatur und ohne Kristallisation zu liefern.  Biomoleküle können dann in einem Zustand untersucht werden, der dem natürlichen Vorkommen ähnlicher ist, was zum Beispiel zu besseren Einblicken in ihre Struktur und Funktion in unserem Körper führt.

"Bei SPI gibt es jedoch zwei Hürden: das Sammeln von genügend qualitativ hochwertigen Beugungsmustern und die richtige Einordnung verschiedener Strukturen der Biomoleküle. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass diese beiden Barrieren überwunden werden können", fügt er hinzu. "Bisherige SPI-Experimente lieferten selbst im besten Fall nur etwa zehntausend Beugungsmuster. Um strukturbiologisch relevante Auflösungen zu erhalten, benötigen die Forscher jedoch 10 bis 100 Mal mehr Beugungsmuster", erklärt Ayyer. Aufgrund der hohen Anzahl von Röntgenlaserpulsen pro Sekunde (auch als Wiederholrate bezeichnet) und der hohen Pulsenergie, konnte das Team am European XFEL in einem einzigen fünftägigen Experiment 10 Millionen Beugungsmuster sammeln. "Diese Datenmenge ist beispiellos und wir glauben, dass unser Experiment eine Vorlage für die Zukunft des Feldes darstellt", sagt er.

Um die Hürde der strukturellen Variabilität von Biomolekülen zu überwinden, die zu vielen sich in winzigen Details unterscheidenden Schnappschüssen führen, verwendete das Team einen speziell von ihnen entwickelten Algorithmus. Der Algorithmus sortiert die Daten und ermöglicht es den Forschenden, das Bild des Biomoleküls zu rekonstruieren. "Die besonderen Fähigkeiten des Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD)hat es uns ermöglicht, Muster mit dieser hohen Rate zu erfassen. Anschließend haben wir die Daten mit maßgeschneiderten Algorithmen gesammelt, analysiert, und Bilder mit rekordverdächtiger Auflösung erhalten", sagt Ayyer.

"Diese Studie hat die einzigartigen Eigenschaften des Detektors und der effektiven Probenzufuhr genutzt", sagt Adrian Mancuso, leitender Wissenschaftler der SPB/SFX-Gruppe. "Sie zeigt, dass der European XFEL in Zukunft gut aufgestellt ist, um die Grenzen des 'Sehens' für nicht kristallisierte Biomoleküle bei Raumtemperatur zu erforschen."

Weitere Informationen:

3D diffractive imaging of nanoparticle ensembles using an x-ray laser