Последовательности мегагерцовых импульсов позволяют

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4708 (2022) Цитировать эту статью

2491 Доступов

2 цитаты

23 Альтметрика

Подробности о метриках

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) и источник когерентного света Linac (LCLS) II являются чрезвычайно интенсивными источниками рентгеновского излучения, способными генерировать данные последовательной фемтосекундной кристаллографии (SFX) с частотой повторения мегагерц (МГц). Предыдущая работа показала, что можно использовать последовательные рентгеновские импульсы для сбора дифракционных картин от отдельных кристаллов. Здесь мы используем структуру импульса в МГц европейского XFEL, чтобы получить два полных набора данных из одного и того же кристалла лизоцима: первое попадание и второе попадание, прежде чем он выйдет из луча. Два набора данных, разделенные интервалом <1 мкс, дают структуры с разрешением до 2,1 Å. Сравнение двух структур не выявило никаких признаков радиационного повреждения или значительных изменений в активной зоне, что соответствует рассчитанным оценкам дозы. Это демонстрирует, что МГц SFX можно использовать в качестве инструмента для отслеживания субмикросекундных структурных изменений в отдельных монокристаллах. Этот метод мы называем многократным SFX.

Появление последовательной фемтосекундной кристаллографии (SFX) создало возможности, с помощью которых можно исследовать макромолекулярные структуры и исследовать их динамику. SFX идеально подходит для изучения молекулярной динамики молекул, претерпевающих необратимые процессы, которые невозможно измерить с помощью обычных синхротронных или лабораторных источников рентгеновского излучения1,2,3,4,5,6,7. Одним из практических препятствий для реализации SFX является получение достаточно большого набора данных для определения трехмерной структуры с высоким разрешением, что обычно достигается за счет большого количества образцов. Первое поколение рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL) обычно имело частоту повторения импульсов порядка 120 Гц или меньше, что означает, что получение достаточно большого набора данных для восстановления структуры является неэффективным процессом как с точки зрения количества образцов, так и с точки зрения количества образцов. необходимого времени, но также и с точки зрения необходимого времени луча XFEL8. С развитием источников с высокой частотой повторений, таких как европейский XFEL9, время сбора данных и потребление образцов значительно сокращаются1,10. Еще одним направлением исследований, открытым для мегагерцовых (МГц) XFEL-установок, является возможность использования уникальной импульсной структуры этих источников для проведения экспериментов с временным разрешением9,11,12. Типичные эксперименты с SFX с временным разрешением (tr-SFX) проводятся либо с помощью реакций оптической накачки/рентгеновского зонда, инициируемых оптическим лазером, либо экспериментов по смешиванию и инжекции, инициируемых диффузией растворителя в кристалле13. Метод разделения и задержки также позволяет получить доступ к временным режимам 20–100 фс для исследования молекулярной динамики14. Сверхкороткая длительность импульса XFEL позволяет изучать молекулярную динамику in-situ в субпикосекундном масштабе времени путем измерения большого количества кристаллов при различных временах задержки накачки-зонда или временах смешивания15,16,17,18,19. Кроме того, при исследовании сверхбыстрой молекулярной динамики эти измерения обычно приводят к дифракции перед разрушением, когда каждый кристалл измеряется один раз перед разрушением.

Временная задержка между двумя последовательными импульсами на источниках XFEL МГц обычно находится в диапазоне микро- и наносекунд. Это создает возможность исследовать диапазон молекулярной динамики, происходящей во временных масштабах субмикросекунды, используя последовательные импульсы в серии (которые обычно имеют порядок 10 фс) для захвата нескольких дифракционных картин от одного и того же кристалла, когда он пересекает X-образное пространство. лучевой луч. Ранее множественные попадания одного и того же монокристалла с помощью XFEL обнаруживались только с использованием струйных струй высокой вязкости и статической системы чипов. Это связано с тем, что, в отличие от струй жидкости, струи высокой вязкости могут течь на достаточно медленных скоростях, так что даже при более низкой (например, не МГц) частоте повторения XFEL-установки и синхротроны могут наблюдать множественные попадания в один и тот же кристалл20,21,22,23.