Ett internationellt team av forskare ledda av Kartik Ayyer från MPSD har fått några av de skarpaste möjliga 3D-bilderna av guldnanopartiklar. Resultaten lägger grunden för att få högupplösta bilder av makromolekyler. Studien genomfördes vid den europeiska XFEL:s Single Particles, Kluster, och Biomolecules &Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) instrument och resultaten har publicerats i Optica .

Kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror är mikromolekyler som befolkar celler och är livsnödvändiga för livet. Nyckeln till att förstå hur dessa makromolekyler fungerar ligger i att förstå deras struktur. Att använda guldnanopartiklar som ersättning för biomolekyler, teamet mätte 10 miljoner diffraktionsmönster och använde dem för att generera 3D-bilder med rekordstor upplösning. Guldpartiklar sprider mycket mer röntgenstrålar än bioprover och blir därmed bra testexemplar. De ger mycket mer data som gör dem mycket användbara för att finjustera metoder som sedan kan användas på biomolekyler.

"Teknikerna som används för att få högupplösta bilder av biomolekyler inkluderar röntgenkristallografi, som kräver att biomolekylerna kristalliseras, " säger Kartik Ayyer, ledaren för Computational Nanoscale Imaging-gruppen vid MPSD. "Det här är ingen lätt process. Alternativt, kryo-elektronmikroskopi fungerar med frusna molekyler, " tillägger han. Men tillkomsten av röntgenfria elektronlasrar öppnade dörrarna till enkelpartikelavbildning (SPI), en teknik som har potential att leverera högupplösta bilder av biomolekyler vid rumstemperatur och utan kristallisering. Därför kan biomolekylerna studeras närmare deras ursprungliga tillstånd. Detta i sin tur ger bättre insikter om deras struktur och funktion i våra kroppar.

Men två hinder kvarstod i SPI:Samla tillräckligt med högkvalitativa diffraktionsmönster och korrekt klassificering av biomolekylernas strukturella variabilitet. Teamets arbete visar att båda dessa barriärer kan övervinnas, säger Kartik Ayyer:"Tidigare SPI-experiment producerade bara runt tiotusentals diffraktionsmönster, även i bästa fall. Dock, att få resolutioner som är relevanta för strukturbiologi, forskare behöver 10 till 100 gånger fler diffraktionsmönster." förklarar Ayyer. "Tack vare den europeiska XFEL-anläggningens unika kapacitet, nämligen, det höga antalet röntgenlaserpulser per sekund och hög pulsenergi, teamet kunde samla in 10 miljoner diffraktionsmönster i ett enda 5-dagars experiment. Denna mängd data är oöverträffad och vi tror att vårt experiment kommer att fungera som en mall för framtiden för detta forskningsfält, " han säger.

För att övervinna problemet med strukturell variation av biomolekyler, det är, hantera en ögonblicksbild från varje partikel som skiljer sig något från varandra, forskarna utvecklade en speciell algoritm. Diffraktionsmönstren samlas in av en tvådimensionell detektor - ungefär som en snabb röntgenkamera. En algoritm sorterar sedan data och låter forskarna rekonstruera bilden av biomolekylen. "Vi använde funktionerna hos Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), vilket gjorde att vi kunde fånga mönster i den höga hastigheten. Vi samlade sedan in och analyserade data med anpassade algoritmer för att få bilder med rekordstora upplösningar, säger Ayyer.

"Den här studien utnyttjade verkligen den unika egenskapen med den höga återfyllnadsgraden för vår anläggning, snabbbildsdetektorn och effektiv provleverans, " säger Adrian Mancuso, ledande vetenskapsman i SPB/SFX-gruppen. "Det visar att i framtiden, Europeiska XFEL har goda förutsättningar att utforska gränserna för "vision" för okristalliserade, rumstemperaturbiomolekyler."