马沙·基达比和詹妮·威特，马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所 八面体纳米粒子的3D衍射图案的图示，通过在结构选择后组合许多快照获得
信用:MPSD卡尔蒂克艾耶尔/约格哈姆斯 由来自MPSD的卡蒂克·艾耶尔领导的一个国际科学家小组已经获得了一些最清晰的金纳米粒子三维图像
该结果为获得高分辨率的大分子图像奠定了基础
这项研究是在欧洲XFEL的单粒子、团簇和生物分子&系列飞秒晶体学(SPB/SFX)仪器上进行的，研究结果已经发表在《光学》杂志上
碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸是构成细胞的小分子，对生命至关重要
理解这些大分子如何工作的关键在于理解它们的结构
使用金纳米粒子作为生物分子的替代品，该团队测量了1000万个衍射图案，并用它们生成了具有破纪录分辨率的三维图像
金粒子散射的x光远比生物样本多，因此是很好的测试样本
它们提供了更多的数据，这使得它们对微调方法非常有用，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光结晶学，这需要生物分子被结晶，”MPSD计算纳米成像小组的负责人卡蒂克·艾耶尔说
“这不是一个容易的过程
另外，冷冻电子显微镜也适用于冷冻分子，”他补充道
然而，x光自由电子激光器的出现打开了单粒子成像的大门，这种技术有可能在室温下不经结晶而传递生物分子的高分辨率图像
因此，生物分子可以更接近其自然状态进行研究
这反过来会让我们更好地了解它们在我们身体中的结构和功能
但是SPI仍然存在两个障碍:收集足够高质量的衍射图和对生物分子的结构可变性进行适当分类
该团队的工作表明，这两个障碍都是可以克服的，卡蒂克·艾耶尔说:“以前的SPI实验即使在最好的情况下也只能产生数万个衍射图样
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倍的衍射图样
”Ayyer解释道
“由于欧洲XFEL设施的独特能力，即每秒高数量的x光激光脉冲和高脉冲能量，该小组能够在一个5天的实验中收集1000万个衍射图案
这么多的数据是前所未有的，我们相信我们的实验将成为这个研究领域未来的模板，”他说
为了克服生物分子结构可变性的问题，即处理每个粒子彼此略有不同的快照，研究人员开发了一种特殊的算法
衍射图案由一个二维探测器收集——很像一个快速x光照相机
然后，一种算法对数据进行分类，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积分像素检测器(AGIPD)的功能，它允许我们以如此高的速率捕捉模式
然后，我们用定制的算法收集和分析数据，以获得创纪录分辨率的图像，”Ayyer说
“这项研究真正利用了我们设施的高重复率的独特性质，快速框架检测器和有效的样品递送，”SPB/SFX小组的首席科学家阿德里安·曼库索说
“它表明，在未来，欧洲XFEL处于探索非晶室温生物分子‘视觉’极限的有利位置
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