Inuti European Synchrotron Radiation Facility's lagringsring med en diameter på 844 meter, elektroner som färdas med nästan ljusets hastighet producerar några av de ljusaste röntgenstrålarna i världen. Dessa röntgenstrålar kan avslöja atomernas position och rörelser i all slags materia. Sju av anläggningens 44 strållinjer är dedikerade till strukturell biologiforskning och drivs under överinseende av ett EMBL-ESRF-partnerskap känt som Joint Structural Biology Group (JSBG).

Den makromolekylära kristallografin (MX) och små vinkelspridningsstrållinjer drivs av forskare från båda institutionerna, som använder sin expertis för att hjälpa EMBL-forskare och gästforskare att få fram strukturella data. JSBG-strållinjerna är en extremt värdefull resurs för det internationella strukturbiologiska samfundet.

En efterlängtad öppning

För mer än ett och ett halvt år sedan, ESRF stängdes i 20 månader, under vilken tid synkrotronringen byggdes om helt och hållet och uppgraderades till världens första Extremely Brilliant Source (EBS) – ett projekt på 150 miljoner euro som löper från 2017 till 2022. Kort efter att den nya ringen färdigställdes i januari 2020, Röntgenstrålar producerades rutinmässigt igen.

"Det var fantastiskt att när den nya synkrotronen väl var i drift, vi hade strålen tillbaka och datainsamlingen igång på tre dagar!" säger Matthew Bowler, från McCarthy Team på EMBL Grenoble, och en av forskarna som ansvarar för en av JSBG:s strållinjer.

Efter en framgångsrik start på driftsättningen, ESRF-EBS – och med det strållinjerna – var tvungen att förbli stängd igen på grund av covid-19-pandemin. Under de senaste månaderna, exceptionell tillgång beviljades endast ett fåtal användare med projekt som bidrog till den internationella vetenskapliga insatsen om forskningen om covid-19.

Med öppningen idag, de innovationer som EBS-projektet åstadkommer presenteras äntligen för forskarvärlden. Förutom konstruktionen av en ny förvaringsring, de inkluderar ett avancerat uppgraderingsprogram för instrumentering, och förbättring av alla JSBG:s strukturbiologiska strållinjer, särskilt en betydande uppgradering av MASSIF-1.

En högre nivå av automatiserad vetenskap

MASSIF-1 är en av de sju strållinjer som drivs gemensamt av ESRF och EMBL Grenoble, och var världens första automatiserade strållinje. Matthew Bowler, och Didier Nurizzo från ESRF, förklara fördelarna med proceduren:"Strållinjen fungerar 24 timmar om dygnet. Forskare skickar sina frusna kristaller med post, och strållinjeforskarna laddar dem i ett kryogent lagringssystem med stor kapacitet. Proverna analyseras sedan av strållinjen helt automatiskt."

Denna process innebär att en robot tar kristallen från lagringen in i strålen, sedan hittar komplexa algoritmer provet och bestämmer det optimala experimentella protokollet. När analysen börjar, användarna får ett e-postmeddelande och kan se deras data samlas in på distans och i realtid.

"Automationen är fantastisk, " avslutar Bowler. "Den kommer att göra samma jobb för varje prov, oavsett om klockan är fyra på eftermiddagen eller på morgonen."

Under detta år implementeras flera viktiga uppgraderingar på MASSIF-1. Till exempel, en EMBL-utvecklad mikrodiffraktometer – ett instrument som kan placera och rotera en kristall i röntgenstrålen med en noggrannhet på en tusendels millimeter – har precis installerats. I ett senare skede kommer optiken som fokuserar röntgenstrålningen på kristallen att anpassas till den nya strålen som produceras av EBS, vilket är 100 gånger ljusare än den föregående strålen.

En av de viktigaste uppgraderingarna för strållinjen kommer att vara introduktionen av FlexHCD-roboten. Denna robot utvecklades gemensamt av Ciprani Team, EMBL Grenobles instrumenteringsteam, och ESRF Instrumentation Services and Development Division och Structural Biology-grupper. Denna nya enhet för hantering av frysta kristaller kommer att avsevärt öka hastigheten för datainsamling. "Just nu, upp till sex minuter behövs per prov, " förklarar Nurizzo. "Uppgraderingen kommer att fördubbla eller tredubbla bearbetningshastigheten."

Nya experimentmöjligheter

Innan kristaller kan analyseras vid JSBG-strållinjer, de måste genereras vid en kristalliseringsanläggning genom en grundlig och ibland tråkig process av screening och optimering, vilket vanligtvis tar många gånger längre tid än själva diffraktionsexperimenten.

En annan viktig uppgradering involverar CrystalDirect-roboten, som utvecklades 2012 av Cipriani Team och Marquez Team på EMBL Grenoble. Denna teknik möjliggör full automatisering av kristallmontering och kryokylning, underlätta överföringen av prover mellan kristallisationsanläggningen och synkrotronen.

I sin nya form, MASSIF-1 kommer att drivas i samordning med EMBL HTX Lab, som kommer att ge en ny nivå av effektivitet, särskilt i intensiva fragmentscreeningskampanjer för läkemedelsupptäckt. Dessutom, under 2021, en av CrystalDirect-robotarna från HTX Lab kommer att integreras i MASSIF-1 strållinjemiljön. Detta kommer att vara ett stort steg framåt och möjliggöra leverans av prover direkt från kristalliseringsplattan in i röntgenstrålen. Alla dessa utvecklingar kommer att hålla EMBL och ESRF i framkanten av innovationer inom MX beamline-teknologi i världen till förmån för strukturbiologin.