科学家在X射线晶体学样品策略方面取得了重大技术进步

在过去的三年中，ASU（亚利桑那州立大学）和欧洲科学家之间一直在进行重大的合作，从而在X射线晶体学样品策略方面取得了重大的技术进步。

ASU的贡献来自物理系分子科学学院(SMS)和生物设计研究所应用结构发现中心。

欧洲X射线自由电子激光器(EuXFEL)是最高级的研究设施：它产生超短X射线脉冲-每秒27，000次，其亮度比最佳传统X-射线高十亿倍。经过10年的建设，它于2017年底开始进行初步实验。ASU SMS的Alexandra Ros小组被授予全球竞争对手中的第二次波束时间分配。

他们的研究结果于9月9日发表在《自然通讯》上，在其团队的系列飞秒晶体学(SFX)实验中，验证了一种独特的微流液滴发生器可减少样品量以及减少废物(高达99%)。他们使用此方法确定了3-脱氧-d-甘露糖八酸合8磷酸合酶(KDO8PS)的晶体结构，并揭示了该酶先前未定义的环区域的新细节，这是抗生素研究的潜在靶标。

Ros解释说：“我们为XFEL社区的广泛合作而感到高兴，这项工作得到了巨大的合作。” “我们正在进一步开发这种方法，并寻求微流体液滴与XFEL脉冲的同步。此刻，一小队ASU学生刚刚完成了SLAC National的Linac相干光源(LCLS)的实验。位于加利福尼亚州门洛帕克的加速器实验室对方法进行了改进，发布我们的工作的最佳时机再合适不过了。”

SLAC是XFEL设施，是美国科学家最著名的设施，在那里进行了著名的蛋白质纳米晶体晶体学研究(由John Spence教授和Petra Fromme教授领导的ASU团队)。SLAC及其在欧洲的同伴(同样在汉堡)也非常成功，因此已被严重超额预定。新设施的上线，具有2.6英里长的巨大加速器通道和原子长度尺度的分辨率，缓解了对其他设施的一些需求，同时为物理学提供了巨大的新可能性。

SFX是用于蛋白质结构确定的有前途的技术，其中包含蛋白质晶体的液体流与高强度XFEL光束相交，该光束的亮度比传统同步加速器X射线源的亮度高十亿倍。

尽管晶体在衍射后立即被强力XFEL光束破坏，但由于采用了先进的检测器，因此仍可显着记录衍射信息。已经开发了功能强大的新数据分析方法，使一个团队可以分析这些衍射图并获得电子密度图和蛋白质的详细结构信息。

该方法特别适用于难以结晶的蛋白质，例如膜蛋白，因为它可以从微晶体甚至纳米晶体中获得高分辨率的结构信息，从而减少了晶体缺陷的产生并避免了繁琐的(如果不是不可能的话)生长。传统的基于同步加速器的晶体学要求的大晶体的数量。

尽管使用XFEL进行晶体学分析一直是一项强大的技术，可以揭示大型蛋白质复合物的结构，并且还可以进行时间分辨的晶体学分析，但这项前沿科学仍带来了一个主要问题。由于“命中”率低，因此需要大量的悬浮蛋白，尽管不进行辐照，但对于大多数蛋白质样品而言却很麻烦。可以浪费多达99%的蛋白质。

这就是罗斯及其团队取得的重大技术进步。他们开发了一种3D打印的微流体装置，该装置具有高分辨率，并产生可变液滴分段的油包水液滴，该液滴可以与自由电子激光脉冲同步。这大大减少了欧洲XFEL实验所需的纯化蛋白质的数量，而从目前典型的(几乎不可访问的)完整数据集记录的需求量是1 g。

这一发展的重要性值得重申。研究人员的方法是在牺牲性液体中插入载有样品的液体“团块”，以便仅在暴露于飞秒XFEL脉冲(持续时间的十亿分之一秒的百万分之一)期间，存在快速移动的液体微射流并保持样品存在。 。

科学家团队已经证明了使用微流体液滴产生器产生的酶KDO8PS晶体悬浮液的液滴产生，并表明可以通过水和油流的速率来控制液滴产生的频率。当将KDO8PS晶体注入被油包围的水性液滴中或通过用气体动态虚拟喷嘴(GDVN)连续注入时，其KDO8PS晶体的衍射质量均相似，而通过液滴注入实现的样品消耗减少了约60%。

确定的结构揭示了KDO8PS先前不确定的环区域的新细节，KDO8PS是抗生素研究的潜在靶标。这些结果提倡将来通过全球其他XFEL的分段油流进行液滴生成的常规集成。