علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية

علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية (SFX) هو شكل من أشكال علم البلورات بالأشعة السينية، طُوِّر خصيصًا للاستخدام مع ليزرات الإلكترون الحر للأشعة السينية (XFELs). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] تتميز النبضات المفردة في ليزرات الإلكترون الحر بسطوع كافٍ لتوليد حيود براغ قابل للتمييز من بلورات دون الميكرون. مع ذلك، تُؤدي هذه النبضات أيضًا إلى تدمير البلورات، مما يعني أن الحصول على مجموعة بيانات كاملة يتطلب جمع حيود من العديد من البلورات. تُعرف طريقة جمع البيانات هذه بالتسلسلية ، نسبةً إلى صف من البلورات التي تمر عبر حزمة الأشعة السينية، واحدة تلو الأخرى. يُمكن إجراؤها في درجة حرارة الغرفة، مما يسمح بدراسة الديناميكيات البيوكيميائية. [ 4 ] يُمكن استخدامها لتصوير العينات المعرضة للتلف الإشعاعي، مثل البروتينات المعدنية ، ولمراقبة التراكيب العابرة، مثل وسائط التفاعل، التي لا يُمكن رصدها باستخدام علم البلورات التقليدي بالأشعة السينية. [ 5 ]

مخطط علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية (SFX)

تاريخ

على الرغم من أن فكرة علم البلورات التسلسلي قد تم اقتراحها سابقًا، [ 6 ] فقد تم إثباتها لأول مرة باستخدام أشعة إكس الحرة الإلكترونية بواسطة تشابمان وآخرون [ 7 ] في مصدر الضوء المتماسك الخطي (LCLS) في عام 2011. ومنذ ذلك الحين تم توسيع هذه الطريقة لحل الهياكل غير المعروفة، وإجراء تجارب تعتمد على الوقت، وفي وقت لاحق تم إعادتها إلى مصادر أشعة إكس السنكروترون.

طُرق

بالمقارنة مع علم البلورات التقليدي، حيث تُدار بلورة واحدة (كبيرة نسبيًا) لجمع بيانات ثلاثية الأبعاد، يتطلب القياس التسلسلي تطوير بعض الطرق الإضافية . أولًا، يلزم وجود طريقة لتدفق البلورات بكفاءة عبر بؤرة الشعاع. أما الاختلاف الرئيسي الآخر فيكمن في مسار تحليل البيانات. هنا، تكون كل بلورة في وضعية عشوائية غير معروفة، يجب تحديدها حسابيًا قبل دمج أنماط الحيود من جميع البلورات في مجموعة من شدات hkℓ ثلاثية الأبعاد .

تسليم العينات

كان أول نظام لتوصيل العينات المستخدم في هذه التقنية هو الفوهة الافتراضية الديناميكية الغازية (GDVN)، التي تُولّد نفاثة سائلة في الفراغ (مُسرّعة بتيار غاز هيليوم متحد المركز) تحتوي على بلورات. ومنذ ذلك الحين، تم إثبات نجاح العديد من الطرق الأخرى في كل من مصادر أشعة إكس الإلكترونية الحرة (XFELs) ومصادر السنكروترون. فيما يلي ملخص لهذه الطرق مع خصائصها الرئيسية:

  • الفوهة الافتراضية الديناميكية الغازية (GDVN) [ 8 ] - تشتت خلفي منخفض، ولكن استهلاك عالٍ للعينة. الطريقة الوحيدة المتاحة لمصادر معدل التكرار العالي. [ 9 ]
  • حاقن الطور المكعب الدهني (LCP) [ 10 ] - استهلاك منخفض للعينات، مع خلفية عالية نسبيًا. مناسب بشكل خاص للبروتينات الغشائية
  • وسائط توصيل لزجة أخرى [ 11 ] [ 12 ] - على غرار LCP، استهلاك منخفض للعينات مع خلفية عالية
  • أنظمة المسح الضوئي ذات الهدف الثابت (استُخدمت مجموعة واسعة من الأنظمة بميزات مختلفة، مع حلقات بلورية قياسية [ 13 ] أو رقائق سيليكون [ 14 ] ) - استهلاك منخفض للعينات، وتعتمد الخلفية على النظام، وهي معقدة ميكانيكيًا
  • محرك الشريط (يتم وضع البلورات تلقائيًا على شريط كابتون باستخدام ماصة، ثم يتم ضبط بؤرتها على الأشعة السينية) - مشابه لأنظمة الهدف الثابت، باستثناء احتوائه على أجزاء متحركة أقل

تحليل البيانات

لاستعادة بنية ثلاثية الأبعاد من أنماط حيود الأشعة السينية الفردية، يجب توجيهها وتغيير حجمها ودمجها لإنشاء قائمة بقيم شدة hkℓ . يمكن بعد ذلك تمرير هذه القيم إلى برامج تحديد الطور البلوري وتحسينه القياسية. اقتصرت التجارب الأولى على توجيه الأنماط فقط [ 15 ] ، وحصلت على قيم دقيقة للشدة عن طريق حساب المتوسط ​​على عدد كبير من البلورات (> 100,000). أما الإصدارات اللاحقة، فتُصحح الاختلافات في خصائص الأنماط الفردية، مثل اختلافات الشدة الكلية واختلافات معامل B، بالإضافة إلى تحسين التوجيهات لتصحيح "جزئيات" انعكاسات براغ الفردية. [ 16 ]

مراجع

  1. ليو، و.؛ وآخرون  (2013). "علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية لمستقبلات البروتين المقترن بـ G - PubAg" . مجلة ساينس . 342 (6165). الولايات المتحدة: المكتبة الزراعية الوطنية الأمريكية : 1521-1524 . doi : 10.1126/science.1244142 . PMC 3902108. PMID 24357322. تاريخ الاسترجاع: 26 فبراير 2019 .  
  2. ميزوهاتا إي، ناكان تي، فوكودا واي، نانغو إي، إيواتا إس (أبريل 2018). "علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية في مختبر SACLA: اختراق في علم الأحياء البنيوي الديناميكي" . مراجعات الفيزياء الحيوية . 10 (2): 209-218 . doi : 10.1007/s12551-017-0344-9 . PMC 5899704. PMID 29196935 .  
  3. مارتن-غارسيا، جيه إم، كونراد، سي إي، كو، جيه، روي-تشودري، إس، فروم، بي (يوليو 2016). " علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية: ثورة في البيولوجيا التركيبية" . أرشيف الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية . 602 : 32-47 . doi : 10.1016/j.abb.2016.03.036 . PMC 4909539. PMID 27143509 .  
  4. "علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية | مصدر الضوء المتماسك في معجل الجسيمات الخطي البيولوجي" . biology-lcls.slac.stanford.edu . تاريخ الاسترجاع: 29-05-2025 .
  5. ^ باريندز، توماس آر إم؛ ستوتش، بنيامين. تشيريزوف، فاديم؛ شليتشتينج ، إيلمي (2022/08/04). "علم البلورات الفيمتو ثانية التسلسلية" . مراجعات الطبيعة طرق الاشعال . 2 (1): 1– 24. دوى : 10.1038/s43586-022-00141-7 . ردمك 2662-8449 . بمك 9833121 .  
  6. نيوتز وآخرون (أغسطس 2000). " إمكانات التصوير الجزيئي الحيوي باستخدام نبضات الأشعة السينية الفيمتوثانية". مجلة نيتشر . 406 (6797): 752-757 . doi : 10.1038/35021099 . PMID 10963603. S2CID 4300920 .   
  7. تشابمان إتش إن، فروم بي، بارتي إيه، وايت تي إيه، كيريان آر إيه، أكويلا إيه، وآخرون . (فبراير 2011). "علم البلورات النانوية للبروتينات باستخدام أشعة إكس الفيمتوثانية" . نيتشر . 470 (7332): 73-77 . Bibcode : 2011Natur.470...73C . doi : 10.1038/nature09750 . PMC 3429598. PMID 21293373 .   
  8. ديبونتي دي بي، ويرستال يو، شميدت كيه، وارنر جيه، ستارودوب دي، سبنس جيه سي، دواك آر بي (سبتمبر 2008). "فوهة افتراضية ديناميكية غازية لتوليد تيارات قطرات مجهرية". مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية . 41 (19) 195505. arXiv : 0803.4181 . Bibcode : 2008JPhD...41s5505D . doi : 10.1088/0022-3727/41/19/195505 . S2CID 119259244 . 
  9. ويدورن، م. أ.، أويل، س.، مورغان، أ. ج.، آير، ك.، جيفوركوف، ي.، فليكنشتاين، هـ.، وآخرون . (سبتمبر 2018). "توصيل سريع للعينات لعلم البلورات التسلسلي بالميغاهرتز في ليزرات الإلكترون الحر للأشعة السينية" . مجلة الاتحاد الدولي لعلم البلورات . 5 ( الجزء 5): 574-584 . doi : 10.1107/S2052252518008369 . PMC 6126653. PMID 30224961 .   
  10. ويرستال يو، جيمس دي، وانغ سي، وايت تي إيه، وانغ دي، ليو دبليو، وآخرون (2014). " حاقن الطور المكعب الدهني يُسهّل علم البلورات التسلسلي لبروتينات الغشاء بتقنية الفيمتو ثانية" . نيتشر كوميونيكيشنز . 5 : 3309. Bibcode : 2014NatCo...5.3309W . doi : 10.1038/ncomms4309 . PMC 4061911. PMID 24525480 .   
  11. سوغاهارا إم، ميزوهاتا إي، نانغو إي، سوزوكي إم، تاناكا تي، ماسودا تي، وآخرون . (يناير 2015). "مصفوفة الشحوم باعتبارها حاملة متعددة الاستخدامات للبروتينات لعلم البلورات التسلسلية". طرق الطبيعة . 12 (1): 61-3 . دوى : 10.1038/نميث.3172 . اتش دي ال : 2433/203008 . بميد 25384243 . S2CID 25950836 .   
  12. كونراد سي إي، باسو إس، جيمس دي، وانغ دي، شافير إيه، روي-تشودري إس، وآخرون (يوليو 2015). "وسط جديد خامل لنقل البلورات من أجل علم البلورات التسلسلي بالفيمتوثانية" . مجلة الاتحاد الدولي لعلم البلورات . 2 (الجزء 4): 421-430 . doi : 10.1107/S2052252515009811 . PMC 4491314. PMID 26177184 .   
  13. غاتي سي، بورينكوف جي، كلينج إم، ريدرز دي، ستيلاتو إف، أوبرثور دي، وآخرون (مارس 2014). "علم البلورات التسلسلي على البلورات الدقيقة المزروعة داخل الجسم الحي باستخدام إشعاع السنكروترون" . مجلة الاتحاد الدولي لعلم البلورات . 1 (الجزء 2): 87-94 . doi : 10.1107/S2052252513033939 . PMC 4062088. PMID 25075324 .   
  14. روديج ب، جين إتش إم، باكندورف ت، ساتون ج، هارلوس ك، والتر تي إس، وآخرون . (أغسطس 2017). " علم البلورات الفيروسية التسلسلي عالي السرعة ذو الهدف الثابت" . نيتشر ميثودز . 14 (8): 805-810 . doi : 10.1038/nmeth.4335 . PMC 5588887. PMID 28628129 .   
  15. وايت، تي. أ.، كيريان، ر. أ.، مارتن، أ. ف.، أكويلا، أ.، ناس، ك.، بارتي، أ.، تشابمان، هـ. ن. (أبريل 2012). "كريستفيل: مجموعة برامج لعلم البلورات التسلسلي الفوري" (ملف PDF) . مجلة علم البلورات التطبيقي . 45 (2): 335-341 . doi : 10.1107/S0021889812002312 .
  16. وايت، تي. أ.، مارياني، ف.، بريم، و.، يفانوف، أ.، بارتي، أ.، بايرلين، ك. ر.، تشيرفينسكي، ف.، غالي، ل.، غاتي، س.، ناكان، ت.، تولستيكوفا، أ.، ياماشيتا، ك.، يون، س. هـ.، ديدريش، ك.، تشابمان، هـ. ن. (أبريل 2016). " التطورات الحديثة في تقنية CrystFEL" . مجلة علم البلورات التطبيقي . 49 (الجزء 2): 680-689 . doi : 10.1107/S1600576716004751 . PMC 4815879. PMID 27047311 .