更好地洞察生物分子的清晰途径

由来自 MPSD 的 Kartik Ayyer 领导的国际科学家团队获得了一些最清晰的金纳米粒子 3D 图像。该结果为获得大分子的高分辨率图像奠定了基础。该研究是在欧洲 XFEL 的单粒子、簇和生物分子和串行飞秒晶体学 (SPB/SFX) 仪器上进行的，结果已发表在Optica 上。

碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸是存在于细胞中并对生命至关重要的小分子。了解这些大分子如何工作的关键在于了解它们的结构。该团队使用金纳米粒子作为生物分子的替代品，测量了 1000 万个衍射图案，并使用它们生成了具有破纪录分辨率的 3D 图像。金颗粒比生物样品散射更多的 X 射线，因此可以制成良好的测试样本。它们提供了更多的数据，这使得它们对于微调方法非常有用，然后可以用于生物分子。

“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，这需要使生物分子结晶，” MPSD 计算纳米尺度成像小组的负责人 Kartik Ayyer 说。“这不是一个简单的过程。另外，冷冻电子显微镜可以处理冷冻分子，”他补充道。然而，X 射线自由电子激光器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的高分辨率图像，无需结晶。因此，可以更接近于它们的天然状态来研究生物分子。这反过来又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：收集足够多的高质量衍射图并正确分类生物分子的结构变异性。该团队的工作表明，这两个障碍都可以克服，Kartik Ayyer 说：“以前的 SPI 实验仅产生了大约数万个衍射图案，即使在最好的情况下也是如此。然而，为了获得与结构生物学相关的分辨率，研究人员需要 10到 100 倍以上的衍射图案。” 艾耶尔解释道。“由于欧洲 XFEL 设施的独特能力，即每秒大量的 X 射线激光脉冲和高脉冲能量，该团队能够在一个为期 5 天的实验中收集 1000 万个衍射图案。

为了克服生物分子结构可的问题，即处理每个粒子之间略有不同的快照，研究人员开发了一种特殊的算法。的衍射图案是由一个二维检测器，很像一个快速透视摄像机采集。然后，一种算法对数据进行排序，并允许研究人员重建生物分子的图像。“我们使用了自适应增益集成像素检测器 (AGIPD) 的功能，这使我们能够以如此高的速率捕获模式。然后我们使用自定义算法收集和分析数据，以获得具有破纪录分辨率的图像，”Ayyer 说。

“这项研究真正利用了我们设施的高重复率、快速成帧探测器和有效样品输送的独特特性，”SPB/SFX 小组的首席科学家 Adrian Mancuso 说。“这表明，未来，欧洲 XFEL 可以很好地探索未结晶的室温生物分子的‘视觉’极限。”

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