Mit dem Aufkommen der vierten Generation Strahlungsquellen, Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (X-FEL), mehrere Felder der Forschung, einschließlich der atomaren und molekularen Wissenschaften, Materie unter extremen Bedingungen, X-ray Imaging, erhalten ein Werkzeug, dass die Realisierung ermöglicht von Experimenten an Bedingungen und Zeitskalen bisher unzugängliche für Forscher. Zeitskalen von atomaren Bewegungen und extreme Temperaturen und Drücke, die natürlicherweise in den Kernen der größten Sternen wurden, die dem Forscher zur Verfügung.
X-FEL Strahlungserzeugung basiert auf der „Selbst verstärkten spontanen Emission“ Prinzip (SASE). Zeiteigenschaften eines X-FEL, mit Femtosekunden optischen oder Infrarot Laser, der verwendet werden, um bestimmte Zustände in der Probe auszulösen kombiniert wird, aktiviert Studien von Prozessen, die bei Zeitskalen von Atombewegung treten in einer zeitlich aufgelöst. Eines der vielversprechenden Anwendungen dieser neuen Strahlungsquelle ist die Möglichkeit, den Bereich der biomolekularen Strukturbestimmung mit intensiven, ultrakurzen Röntgen-Pulse erweitern. Wiedergewinnen der Struktur eines bekannten Protein in einer Nano-Kristall angeordnet machte den ersten Schritt in Richtung der einzigen Biomolekül Bildgebung.
In dieser Dissertation eine ausführliche Studie über die Methodik und die Fähigkeiten von Seriell Femtosekunden Kristallographie (SFX) für neuartige Protein-Struktur Bestimmung vorgestellt. Zwei unbekannte Protein-Strukturen wurden von Zehntausenden von in-vivo gewachsenen Mikro-Kristalle mit X-FEL-Strahlung gelöst.
Umfassende Überprüfung und Beurteilung der SFX für neuartige Bestimmung von Proteinstrukturen von Mikro-Kristalle mit homologen Strukturen, um die Phase Problem zu lösen wird vorgestellt und die notwendigen Verbesserungen dieser Methode werden diskutiert. Beschreibung und den Einfluss der Variation des Röntgenpulse und Proteinkristalle Eigenschaften werden vorgestellt. Möglichkeiten der de-novo Bestimmung von Proteinstrukturen mit der hohen Intensität Multi-Wellenlängen anomale Dispersion (MAD)-Methode oder durch direkte Phase Recherche mit Informationen in Form kodiert verwandelt rund Bragg Peaks aus Protein Nano-Kristallen werden ebenfalls diskutiert gemessen.
With the advent of fourth generation radiation sources, X-ray free-electron lasers (X- FEL’s), several fields of research, including atomic and molecular sciences, matter at extreme conditions, X-ray imaging, obtained a tool that allows the realization of experiments at conditions and time scales previously inaccessible for researchers. Time scales of atomic motions and extreme temperatures and pressures that occur naturally in the cores of the largest stars became available to the researchers disposal.
X-FEL radiation generation is based on the self-amplified spontaneous emission principle (SASE). Timing properties of an X-FEL, combined with femtosecond op- tical or infra-red laser that is used to trigger specific states in the sample, enabled studies of processes that occur at time scales of atomic motion in a time-resolved manner. One of the promising applications of this new radiation source is the pos- sibility to expand the area of biomolecular structure determination by using intense, ultra-short X-ray pulses. The first step in the direction of single biomolecule imaging was made by retrieving the structure of a known protein arranged in a nano- sized crystal.
In this dissertation an exhaustive study about the methodology and capabilities of Serial Femtosecond Crystallography (SFX) for novel protein structure determination is presented. Two unknown protein structures were solved from tens of thousands of in-vivo grown micro-crystals using X-FEL radiation.
Comprehensive verification and assessment of SFX for novel protein structure determination from micro-crystals using homologous structures to solve the phase problem is presented and necessary improvements to this method are discussed. Description and influence of the variation of X-ray pulses and protein crystals prop- erties are presented. Possibilities of de-novo protein structure determination using the high intensity multi-wavelength anomalous dispersion (MAD) method or by direct phase retrieval using information encoded in shape transforms around Bragg peaks measured from protein nano-crystals are also discussed.