Kurzfassung
Single-Particle Imaging (SPI) ist eine Methode, die hochauflösende Strukturbildgebung von künstlichen oder biologischen Nanopartikeln wie Proteinen verspricht. Diese Teilchen werden in einem dünnen Strahl in die brillanten Pulse von Freie-Elektronen-Lasern gelenkt. Bei einem Treffer werden wenige Photonen an zufällig orientierten einzelnen Nanopartikeln in der Gasphase gestreut. Die signalschwachen Schnappschüsse werden klassifiziert und kombiniert, um die Raumstruktur der untersuchten Moleküle zu bestimmen. Da dies das Ergebnis der Mittelung hunderttausender einzelner Bilder ist, müssen die Nanopartikel strikt identisch sein, um mit SPI atomare Auflösung zu realisieren. Biologische Moleküle, wie zum Beispiel Proteine, weisen jedoch aus verschiedenen Gründen strukturelle Variabilität auf. Verschiedene Oligomere oder Konformationszustände können bereits in Lösung koexistieren, und Mehrfachladungen, die beispielsweise bei der Aerosolisierung entstehen, verformen flexible Proteine aufgrund Coulomb’scher Streckung. Wenn nicht berücksichtigt, führen
diese und andere morphologische Abweichungen zu Positionsambiguität und verringern die experimentell erreichbare Strukturauflösung. Angesichts dieser Herausforderungen müssen Methoden zur Charakterisierung und Kontrolle der Partikel entwickelt werden, um hochreine Partikelstrahlen für SPI-Experimente zu generieren. In dieser Arbeit werden experimentelle Ergebnisse zur Erzeugung von Strahlen aerosolisierter Nanopartikel mit eingehend charakterisierten Ladungs- und Oligomerzuständen sowie Möglichkeiten zur Modulation ihrer Ladungszustandsverteilungen vorgestellt. Darüber hinaus wird auf Grundlage von Simulationen ein elektrostatischer Deflektor beschrieben, mit dem ladungsneutrale biologische Makromoleküle entsprechend ihrer Konformationszustände getrennt werden können. Diese Erkenntnisse sind entscheidende Schritte auf dem Weg zu atomar aufgelöster Bildgebung identischer Moleküle in der Gasphase, die unmittelbar in SPI-Experimenten angewendet werden können.
Single-particle imaging (SPI) is a method that promises high-resolution structure determination of artificial or biological nanoparticles, including proteins. In a thin stream, these particles are guided into the brilliant flashes of free-electron lasers. Upon interception, incoming photons diffract off randomly-oriented individual nanoparticles in the gas phase. The low-signal snapshots are then classified and combined to retrieve the real-space structure of the investigated molecules. Since this is the result from averaging over hundreds of thousands of individual images, in order to achieve atomic resolution with SPI, the nanoparticles need to be identical on the same length scales. For various reasons, biological molecules, like proteins, have structural variability. Different oligomeric or conformational states may co-exist already in solution and multiple charges, for example acquired in the process of aerosolization, deform soft proteins due to Coulomb stretching. When not accounted for, these and other morphologic deviations introduce positional ambiguity and effectively reduce the overall achievable experimental resolution. In light of these challenges, methods to characterize and control the particles to deliver high-purity particle beams in SPI experiments need to be developed. Here I present experimental results on the production of beams of aerosolized nanoparticles with well-characterized charge- and oligomeric states and ways to modulate their charge-state distributions. Furthermore, based on computational modeling, an electrostatic deflection setup to enable the spatial separation of conformers is proposed, in which charge-neutral biological macromolecules can be separated according to their conformational states. These findings are crucial steps toward atomic-resolution imaging of identical macromolecules in the gas phase, which can be directly applied in SPI experiments.