Einzelpartikel-Bildgebung mithilfe von Freie-Elektronen-Röntgenlasern

Hochaufgelöste 3D-Bilder von Goldnanopartikeln

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Kartik Ayyer am MPSD hat genaue 3D-Bilder von Gold-Nanopartikeln mithilfe von Daten aus Untersuchungen am Freie-Elektronen-Röntgenlaser generiert. Die Forscher sehen in ihren Studienergebnissen einen wichtigen Schritt bei der Suche nach hochauflösenden Abbildungsmethoden für Makromoleküle.

Illustration des 3D-Beugungsmusters von oktaedrischen Nanopartikeln, welches durch die Kombination vieler Schnappschüsse nach der Strukturauswahl generiert wurde. © Kartik Ayyer / Jörg Harms

Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren sind an lebenswichtigen Abläufen beteiligt. Um die genauen Funktionen dieser Makromoleküle zu verstehen, muss ihre Struktur bis ins kleinste Detail erforscht werden. Das Forschungsteam am European XFEL und dem MPSD verwendete Gold-Nanopartikel als Ersatz für Biomoleküle, da sie weitaus mehr Röntgenstrahlen streuen. Anhand dieser Goldpartikel maß das Team zehn Millionen Beugungsmuster und erzeugte daraus 3D-Bilder mit besonders hoher Auflösung. Goldpartikel liefern eine große Menge an Daten, die für die Feinabstimmung von Methoden zur Erforschung von Biomolekülen eingesetzt werden können. Die Studie wurde am Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography-Instrument (SPB/SFX) des European XFEL durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.

"Zu den Bildgebungstechniken für Biomoleküle zählt die Röntgenkristallographie, aber die Kristallisation von Biomolekülen ist kein einfacher Prozess. Dazu gibt es noch die Kryo-Elektronenmikroskopie, die mit gefrorenen Molekülen arbeitet", sagt Ayyer. Nun eröffnen moderne Freie-Elektronen-Röntgenlaser neue Wege zur Einzelpartikel-Bildgebung (SPI), einer Technik, die das Potenzial hat, hochauflösende Bilder von Biomolekülen bei Raumtemperatur und ohne Kristallisation zu liefern. So können Biomoleküle näher an ihrem nativen Zustand untersucht werden, um bessere Einblicke in ihre Struktur und Funktion in unserem Körper zu erlangen.

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Auch im SPI-Bereich verblieben jedoch zwei Hürden: Das Sammeln von genügend qualitativ hochwertigen Beugungsmustern und die richtige Klassifizierung der strukturellen Variabilität der Biomoleküle. Die Arbeit des Teams zeigt nun, dass diese beiden Barrieren überwunden werden können, sagt Kartik Ayyer: "Bisherige SPI-Experimente lieferten selbst im besten Fall nur etwa zehntausend Beugungsmuster. Um für die Strukturbiologie relevante Auflösungen zu erhalten, benötigen die Forscher jedoch 10- bis 100-mal mehr Beugungsmuster", so Ayyer. „Aufgrund der einzigartigen Fähigkeiten der European XFEL-Anlage, nämlich der hohen Anzahl von Röntgenlaserpulsen pro Sekunde und der hohen Pulsenergie konnte das Team in einem einzigen fünftägigen Experiment 10 Millionen Beugungsmuster sammeln. Diese Datenmenge ist beispiellos und wir glauben, dass unser Experiment eine Vorlage für die Zukunft dieses Forschungsfeldes darstellt."

Maßgeschneiderte Algorithmen
Für das Problem der strukturellen Variabilität von Biomolekülen entwickelte das Team einen speziellen Algorithmus. Die Beugungsmuster werden von einem zweidimensionalen Detektor gesammelt - ähnlich wie eine schnelle Röntgenkamera. Ein Algorithmus sortiert daraufhin die Daten und ermöglicht es den Forschern, das Bild des Biomoleküls zu rekonstruieren. "Wir nutzten die Fähigkeiten des Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD), der es uns ermöglichte, Muster mit dieser hohen Rate zu erfassen. Anschließend sammelten und analysierten wir die Daten mit maßgeschneiderten Algorithmen, um Bilder mit bislang unerreichter Auflösung zu erhalten", sagt Ayyer.

Originalpublikation:
Kartik Ayyer et al.: 3D diffractive imaging of nanoparticle ensembles using an x-ray laser; Optica Vol. 8, Issue 1, pp. 15-23 (2021); https://doi.org/10.1364/OPTICA.410851

Quelle: Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

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