Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Bortel, Gábor Faigel, Gyula Jurek, Zoltán Oszlányi, Gábor
Starting date
2010-04-01
Closing date
2015-03-31
Funding (in million HUF)
11.980
FTE (full time equivalent)
8.22
state
closed project
Summary in Hungarian
Nagyon rövid (10-100fs) és nagy intenzitású röntgen impulzus használatával diffrakció egyetlen részecskén is adhat hasznos információt a részecske szerkezetéről, mielőtt a részecske megsemmisül. A most épülő röntgen szabadelektron lézerek (XFEL) lehetővé fogják tenni az ilyen méréseket. A kísérletben egyedülálló részecskéket juttatnak a röntgen nyalábba. A szórási képeket 2D detektorok rögzítik egyenként. Az ismeretlen orientációjú részecskék nagyon zajos szórási képeinek a kiértékelése komoly kihívást jelent. A kiértékelés három lépésből áll: osztályozás, az orientáció meghatározása és a szerkezet megoldása. Jelen pályázat az orientáció problémájára összpontosít. Több módszert szeretnénk kipróbálni és összehasonlítani, hogy megállapítsuk, melyik a legalkalmasabb a probléma megoldására. A kiválasztott módszer alapján kifejlesztünk egy számítógépprogramot, ami már valódi adatokon is képes dolgozni. Méréseket tervezünk XFEL-eknél és modellezni kívánjuk, hogyan robban fel a részecske a nyalábban és hogy ez milyen hatással van a szórásképre. A részecskék orientációjának sikeres meghatározása egy 3D intenzitás-térképet eredményez, amiből lehetővé válik a szerkezet megoldása. A pályázat eredményei jelentősen hozzájárulhatnak az atomcsoportokon, nanokristályokon, fehérjéken és más biomolekulákon, vírusokon, sejteken és más kisméretű élő szervezeteken végzett egyrészecske diffrakciós kísérletek sikeréhez. Ez pedig új lehetőségeket nyithat a szerkezet-meghatározások terén, sok alkalmazással a tudományban és az iparban.
Summary
Using a very short (10-100fs) and intense x-ray pulse, scattering on a single particle can give useful information on its structure before the sample would eventually be destroyed. X-ray Free Electron Lasers (XFELs) under construction will make such experiments feasible. Single particles will be injected into the x-ray beam and scattering patterns of single particles are collected by 2D detectors and stored individually. Evaluation of the very noisy patterns corresponding to particles of unknown orientation and solving the structure is a serious challenge. Data evaluation consists of three steps: classification, determination of the orientation of the diffraction patterns and structure solution. The present project will focus on the problem of orientation. We want to test and compare several methods and decide which is the most effective for solving the problem. Then we develop a computer program which can work on realistic data sets. We plan to do experiments at XFELs and detailed computer simulations on how the particle explodes in the beam and how this affects the measured patterns. Successful determination of the particle orientations would result in a 3D intensity map and solution of the structure would be possible. The results of the project could contribute significantly to the success of single molecule diffraction imaging experiments on small clusters, nanocrystals, proteins and other biomolecules, viruses, cells and other small living organisms. This would open new possibilities in the field of structure determination with many applications in science and industry.
Final report
Results in Hungarian
A szilárd anyagok, molekulák és élő szervezetek részletes szerkezetének megértése elengedhetetlen a tudomány és az ipar számára. Atomi szintű szerkezeti információt leggyakrabban kristályokon végzett (röntgen- elektron- és neutron-) diffrakciós kísérletekből nyerhetünk. Sajnos nem minden anyag vagy részecske kristályosítható. Például sok fehérje ilyen, beleértve majdnem az összes sejtmembrán-fehérjét. Diffrakciós kísérletek egyetlen részecskén szolgáltathatnának elegendő információt a részecske atomi szerkezetéről, de a sugárkárosodás tönkreteszi a mintát, mielőtt lemérhetnénk a diffrakciós képet. Ezt a problémát lehet kikerülni a közelmúltban kifejlesztett röntgen szabadelektron lézerek segítségével. Az általuk kibocsátott nagyon erős röntgenimpulzusok olyan rövidek, hogy velük még azelőtt lehet információt szerezni a részecske szerkezetéről, mielőtt az károsodna. Egy diffrakciós kép nem ad elegendő információt, ezért sok (néha sok százezer) képet kell készíteni azonos részecskékről. A részecskék orientációja véletlenszerű, ezért az első és talán legnehezebb feladat az orientációk meghatározása magukból a diffrakciós képekből. Pályázatunk fő célkitűzése ennek a problémának a megoldása volt. Kifejlesztettünk egy algoritmust, amely hatékonyan és nagy biztonsággal képes megtalálni a részecskék orientációját. Módszerünket sikeresen alkalmaztuk először szimulált diffrakciós képeken, majd pedig vírusokon mért valódi adatokon.
Results in English
Detailed understanding of the structure of solids, molecules and living organisms is essential for science and industry. Atomic-level structural information can be gained most commonly from diffraction experiments on crystals. Unfortunately, not all materials or particles form crystals readily. For example, many proteins, including almost all cell membrane-proteins are difficult or impossible to crystallize. In principle, diffraction experiments on a single particle can provide sufficient information on the structure of the particle, but radiation damage destroys the sample before the diffraction pattern could be recorded. One can avoid this problem by using the recently developed x-ray free-electron lasers. Their very strong x-ray pulse is so short that using them one can obtain information on the particle structure before radiation damage develops. A single diffraction image does not give enough information, so many (sometimes hundreds of thousands of) diffraction images of identical particles must be recorded. The particles are randomly oriented, therefore the first and probably most difficult task is to find the orientations of the particles from the diffraction patterns. The solution of this problem was the main aim of our project. We have developed an algorithm which can find the orientations of the particles effectively and with high accuracy. Our method was applied successfully first on simulated diffraction patterns, then on real experimental data on virus particles.
M. Tegze and G. Bortel: Orienting diffraction patterns in single particle imaging, 22nd International Congress on X-Ray Optics and Microanalysis, 2013. szeptember 2-6., Hamburg, 2013
Tegze M, Bortel G: Atomic structure of a single large biomolecule from diffraction patterns of random orientations, J STRUCT BIOL 179: (1) 41-45, 2012
G. Faigel, Z. Jurek: Dynamics of single molecules and atom clusters in XFEL pulses, International School of Crystallography: The Future of Dynamic Structural Science, 2013. május 30. - június 8., Erice, Olaszország, 2013
Tegze M, Bortel G: Selection and orientation of different particles in single particle imaging, J STRUCT BIOL 183: (3) 389-393, 2013
M. Tegze, G. Bortel: Orienting diffraction patterns in single particle coherent diffraction, 12th Biennial Conference on High-Resolution X-Ray Diffraction and Imaging (XTOP 2014), 2014. szeptember 14-19., Villard de Lans, Franciaország, 2014
G. Faigel: New uses of an old method, the x-ray diffraction, Workshop on "Ultrafast Processes in Photosynthesis. New Vistas at ELI-ALPS." 2014. október 18-21. Szeged, 2014
