Szerkezetmeghatározás biológiai részecskéken röntgen-szabadelektronlézerrel  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
115504
típus K
Vezető kutató Tegze Miklós
magyar cím Szerkezetmeghatározás biológiai részecskéken röntgen-szabadelektronlézerrel
Angol cím Structure determination of biological particles with X-ray free-electron laser
magyar kulcsszavak szerkezetmeghatározás, szabadelektronlézer
angol kulcsszavak structure, X-ray free-electron laser
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Kísérleti fizika
zsűri Fizika
Kutatóhely SZFI - Kísérleti Szilárdtest-fizikai Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők Bortel Gábor
Faigel Gyula
Oszlányi Gábor
projekt kezdete 2015-10-01
projekt vége 2021-03-31
aktuális összeg (MFt) 24.648
FTE (kutatóév egyenérték) 11.30
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A szilárd anyagok, makromolekulák vagy élő sejtek szerkezetének ismerete alapvető fontosságú az alaptudományok és a fejlett technológiák sok területén. Az elmúlt évszázadban az atomi felbontású szerkezeti információ túlnyomó többsége kristályokon végzett diffrakciós kísérletekből származott. Azonban nem minden anyag kristályosítható, így ezek a krisztallográfiai módszerek számára elérhetetlenek.
Extrém rövid (10-100fs) és extrém nagy intenzitású röntgenimpulzusok egy egyedi részecskén szóródva (pl. szervetlen nano-részecskén, biológiai makromolekulán, vagy víruson), használható információt adhatnak a részecske szerkezetéről, mielőtt még a röntgenimpulzus a részecskét tönkretenné. A röntgen-szabadelektronlézerek képesek ilyen impulzusok előállítására és ezzel az új kísérletek realitássá válnak. Egyedi részecskéket juttatunk a röntgennyalábba és a szórásképüket 2D detektorokkal rögzítjük. Ahhoz, hogy a részecske szerkezetének meghatározásához elegendő adatot gyűjtsünk össze, sok mérést kell végeznünk azonos részecskék különféle orientációs állapotain.
A jelen pályázat célja két új típusú kísérlethez kapcsolódik. Ezek: 1. a fentiekben vázolt egyrészecske diffrakció és 2. a kétrészecske-holográfia kísérlete, amelyben az ismeretlen részecskék mellett egyidejűleg referencia részecskék is szórnak és adnak fázisinformációt. Célunk mindkét esetben kísérletek tervezése és végrehajtása röntgen-szabadelektronlézer forrásoknál, valamint adatfeldolgozó algoritmusok és szerkezetmeghatározó módszerek kifejlesztése és alkalmazása. Budapesti csoportunk ezeket a feladatokat az Uppsalai Egyetem (Svédország) Molekuláris Biofizikai Laboratóriumával szorosan együttműködve kívánja megoldani.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásaink két fő kérdésre keresik a választ:
1. Meg lehet-e határozni egyedi részecskék szerkezetét kristályosítás nélkül? Úgy gondoljuk, hogy a válasz igen, és e cél elérése érdekében végzünk kísérleteket és fejlesztünk módszereket. A két új kísérlet-típus, amelyeket el akarunk végezni, az egyrészecske diffrakció és a kétrészecske-holográfia. A kifejlesztendő módszerek között kísérleti eljárások, az adatfeldolgozás összes feladata és a szerkezetmeghatározó algoritmusok szerepelnek.
2. Lehet-e alkalmazni az egyrészecske szerkezetmegoldó módszereket biológiai részecskékre? Úgy gondoljuk, hogy a válasz igen, és az új módszerek lehetővé teszik érdekes biológiai rendszerek belső szerkezetének a meghatározását. Vizsgálni fogjuk egyes növényi vírusok (búza törpülés vírus, paradicsom bokros törpülés vírus, szatellit dohány nekrózis vírus, szatellit dohány mozaik vírus) génállományának szerkezetét. Ezeknek a vírusoknak jól ismert ikozaéderes alakja van, de a génállomány elhelyezkedése és szerkezete a fehérjeburkon belül nem ismert.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az anyagok szerkezetének atomi skálájú meghatározáshoz a legfontosabb eszközünk a röntgendiffrakciós krisztallográfia. Ennek módszerei csak kristályokra alkalmazhatók. Sajnos számos fontos biológiai makromolekula vagy vírus egyáltalán nem kristályosítható. Ezen túl sok, a technológiai fejlesztések számára fontos nano-részecske atomi szerkezetének ismerete alapvető. A fentiek miatt nagy jelentőségű lenne olyan szerkezetmeghatározó módszerek kifejlesztése, amelyek kristályok nélkül is működnének. A jelen pályázatban javasolt új módszerek ezt a problémát oldják meg, és utat nyitnak nano-részecskék és biológiai rendszerek (fehérjemolekulák, vírusok és sejtek) szerkezetének meghatározására. Ez gyakorlati szempontból új anyagok, gyógyszerek és orvosi eljárások kifejlesztéséhez vezethet.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A szilárd anyagok, molekulák vagy élő sejtek részletes szerkezetének ismerete alapvető fontosságú az alaptudományok és a fejlett technológiák sok területén; az anyagtudománytól a mérnöki tervezésig, a biológiától a biotechnológiáig és a gyógyszeriparig. Az elmúlt évszázadban az atomi felbontású szerkezeti információ túlnyomó többsége kristályokon végzett diffrakciós kísérletekből származott. Manapság a siker a fő akadálya maga a kristályosítás, nem minden anyag kristályosítható, és ezek így elérhetetlenek a fejlett krisztallográfiai módszerek számára. Ezért nagy jelentőséggel bír olyan szerkezetmeghatározó módszerek kifejlesztése, amelyeknek nincs szüksége kristályra. Újfajta röntgenforrások, a kilométer-hosszú lineáris gyorsítók végére telepített röntgen- szabadelektronlézerek nagyon rövid és nagyon erős röntgenimpulzusok kibocsátására képesek. Ezek az erős röntgenimpulzusok tönkreteszik a mintát, de mielőtt ez bekövetkezik, használható információt adnak a minta szerkezetéről. Kutatásaink célja olyan röntgen szabadelektronlézereken alapuló kísérleti módszerek kifejlesztése, amelyek lehetővé teszik nano-részecskék, fehérjemolekulák, vírusok, vagy sejtek szerkezetének részletes megismerését anélkül, hogy szükség lenne ezek kristályosítására. Ez pedig végső soron új anyagok, gyógyszerek és orvosi eljárások kifejlesztéséhez vezethet.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The knowledge of the detailed structure of solids, molecules or living cells is essential for many fields of basic science and advanced technology. For the last century the vast majority of structural information at atomic resolution was obtained from diffraction experiments on crystals. However, not all materials can be crystallized, and these substances are beyond the scope of crystallographic techniques.
Using a very short (10-100fs) and intense x-ray pulse, scattering on a single particle (e.g. an inorganic nanoparticle, biological macromolecule or a virus) can give useful information on its structure before the sample would eventually be destroyed. X-ray Free Electron Lasers (XFELs) make such “diffract-and-destroy” experiments feasible. Single particles are injected into the x-ray beam and scattering patterns of single particles are collected by 2D detectors. To assemble a full 3D dataset suitable for the determination of the structure of the particle, measurements on fresh replicas of the same particle with different orientations are needed.
The aim of the present proposal is related to two types of experiments: (i) single-particle diffraction that was introduced above, (ii) in-flight holography, a completely new experiment where xenon clusters as reference objects are also injected into the beam. In both cases we would like to devise and improve experiments at XFEL sources, develop data analysis algorithms and structure reconstruction methods. Our group at Budapest will work on these problems in close collaboration with the Laboratory of Molecular Biophysics, Uppsala University, Sweden.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our research focuses on two main questions:
1. Can we reconstruct the structure of single particles without the need for crystallization? We think that the answer is yes, and to achieve this goal we will both perform experiments and develop methodology. The two types of new experiments that we will perform are single-particle diffraction and in-flight holography. The methodology that we will develop includes experimental protocols, and all aspects of the data analysis and structure determination algorithms.
2. Can single particle reconstruction methods be applied to biological particles? We think that the answer is yes, and the application of the new methods will allow the determination of the interior structure of interesting biological systems. We plan to investigate the structure of the genomes of plant viruses (wheat dwarf virus, tomato bushy stunt virus, satellite tobacco necrosis virus and satellite tobacco mosaic virus). These viruses have well-known icosahedral shapes, but the packing of the genome inside the capsid is not known.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The main tool for structure determination at the atomic scale is X-ray crystallography. X-ray crystallography needs crystals, but, unfortunately, many important biological macromolecules or viruses cannot be crystallized. Further, the knowledge of the structure of various nano-particles interesting in technological applications is also crucial. Therefore it is of great importance to develop methods of structure determination without the need of crystals. The new methods proposed in this project would solve this problem and open the way to acquire detailed structural information of nano-particles and of many biological systems like protein molecules, viruses or even cells. This could eventually lead to the development of new materials, pharmaceuticals and medical techniques.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The knowledge of the detailed structure of solids, molecules or living organisms is essential for many fields of basic science and advanced technology, ranging from materials science to engineering or from biology to biotechnology and the whole pharmaceutical industry. For the last century the vast majority of structural information at atomic resolution was obtained from diffraction experiments on crystals. Today, the bottleneck of success is still crystallization; not all materials can be crystallized, and these substances are beyond the scope of crystallographic techniques. Therefore it is of great importance to develop methods of structure determination without the need of crystals. Novel x-ray sources, called X-ray Free-Electron Lasers (XFELs), installed at the ends of kilometre-long linear accelerators, can produce very short and intense x-ray pulses. These intense pulses will destroy the sample, but before this happens, useful information on its structure can be collected. The aim of our research is to develop experimental methods using XFELs for the determination of the structures of small biological objects without the need to crystallize them first and open the way to acquire detailed structural knowledge of nano-particles, protein molecules, viruses or cells. This could eventually lead to the development of new materials, pharmaceuticals and medical techniques.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt legfőbb eredményei két újtípusú kísérlethez kapcsolódnak: egyrészecske diffrakció és kétrészecske-holográfia röntgen szabadelektron lézerrel. Eredményeket értünk el a Kossel-vonalak értelmezése szorosan kapcsolódó területén is. A projekt keretében kísérleteket végeztünk röntgen szabadelektron lézer, szinkrotron és laboratóriumi röntgenforrásokkal. Kifejlesztettünk adatkiértékelési algoritmusokat és szerkezetmegoldó módszereket. A munka egy részét hasonló problémákon dolgozó európai és amerikai kutatócsoportokkal együttműködésben végeztük. A következő témákban értünk el fontos új kutatási eredményeket: 1. Nagyintenzitású röntgen szabadelektron lézer nyaláb hatásának vizsgálata atom-klasztereken. 2. Orientációs módszerek fejlesztése egyrészecske leképezésre: Korrelációs térképek és a C-faktor bevezetése az orientációs algoritmusok megbízhatóságának tesztelésére. Orientációs és szerkezetmegoldó módszer szimmetrikus részecskékre. Az EMC és CM orientációs módszerek összehasonlítása és továbbfejlesztése. 3. Csúszó-térfogat törlés módszere ab initio duális-tér fázismeghatározásra. 4. A kísérleti paraméterek hatásának vizsgálata egyrészecske leképezésre. 5. Kétrészecske holográfia kísérlet röntgen szabadelektron lézerrel. 6. Fázis kísérleti meghatározása Kossel-vonalakból. 7. Gyors röntgen fluoreszcens holográfia. 8. Kristályszerkezet kísérleti meghatározása Kossel-vonalakból.
kutatási eredmények (angolul)
The main results of the project are related to two types of experiments: single-particle diffraction and in-flight holography, a completely new experiment exploiting the interference between two different particles in the XFEL beam. We also had new results in the closely related field of Kossel-lines. In the framework of the project we performed experiments using XFEL, synchrotron and laboratory X-ray sources. We developed data analysis algorithms and devised structure reconstruction methods. Part of the work was done in collaboration with other groups working on similar problems in institutions in Europe and in the USA. We have achieved important new results in the following fields: 1. Modelling and reconstruction of clusters in intense XFEL beams. 2. Orientation method development for single particle imaging: Introduction of correlation maps and the C-factor to test the reliability of orientation algorithms. Orientation and structure solution method for symmetric objects Comparison and combination of EMC and CM orientation methods for single particle imaging. 3. Volumic omit maps in ab initio dual-space phasing. 4. Investigation of the effect of experimental conditions on single particle imaging. 5. In-flight X-ray holography. 6. Experimental determination of the phase from Kossel-lines. 7. Fast X-ray fluorescent holography. 8. Experimental determination of crystal structure from Kossel-lines.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115504
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Faigel G, Bortel G, Tegze M: Experimental phase determination of the structure factor from Kossel line profile, SCI REP 6: 22904, 2016
Tegze M, Bortel G: Coherent diffraction imaging: Consistency of the assembled three-dimensional distribution, ACTA CRYSTALLOGR A FOUND ADV 72: (4) 459-464, 2016
Oszlányi G, Sütő A: Volumic omit maps in ab initio dual-space phasing, Acta Cryst. A72, 480–488, 2016
Faigel G, Bortel G, Tegze M: Experimental phase determination of the structure factor from Kossel line profile, SCI REP 6: 22904, 2016
Tegze M, Bortel G: Coherent diffraction imaging: Consistency of the assembled three-dimensional distribution, ACTA CRYSTALLOGR A FOUND ADV 72: (4) 459-464, 2016
Oszlányi G, Sütő A: Volumic omit maps in ab initio dual-space phasing, Acta Cryst. A72, 480–488, 2016
Ho P J, Knight C, Tegze M, Faigel G, Bostedt C, Young L: Atomistic three-dimensional coherent x-ray imaging of nonbiological systems, Phys. Rev. A 94: 063823, 2016
Bortel G, Tegze M, Faigel G: A krisztallográfiai fázisprobléma és a Kossel-vonalak profilja, Fizikai Szemle LXVI 12: 418-423, 2016
Tegze M, Bortel G: Incorporating particle symmetry into orientation determination in single-particle imaging, Acta Crystallogr. A Found. Adv. 74: 512-517, 2018
Gorkhover T, Ulmer A, Ferguson K, Bucher M, Maia F R N C, Bielecki J, Ekeberg T, Hantke M F, Daurer B J, Nettelblad C, Andreasson J, Barty A, Bruza P, Carron S, Hasse D, Krzywinski J, Larsson D S D, Morgan A, Mühlig K, Müller M, Okamoto K, Pietrini A, Rupp D, Sauppe M, van der Schot G, Seibert M, Sellberg J A, Svenda M, Swiggers M, Timneanu N, Westphal D, Williams G, Zani A, Chapman H N, Faigel G, Möller Th, Hajdu J, Bostedt Ch: Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles, Nature Photonics 12: 150-153, 2018
Lundholm I V, Sellberg J A, Ekeberg T, Hantke M F, Okamoto K, van der Schot G, Andreasson J, Barty A, Bielecki J, Bruza P, Bucher M, Carron S, Daurer B J, Ferguson K, Hasse D, Krzywinski J, Larsson D S D, Morgan A, Mühlig K, Maria Müller M, Nettelblad C, Pietrini A, Reddy H K N, Rupp D, Sauppe M, Seibert M, Svenda M, Swiggers M, Timneanu N, Ulmer A, Westphal D, Williams G, Zani A, Faigel G, Chapman H N, Möller Th, Bostedt Ch, Hajdu J, Gorkhover T, Maia F R N C: Considerations for three-dimensional image reconstruction from experimental data in coherent diffractive imaging, IUCrJ 5: 531-541, 2018
Tegze M, Bortel G: Incorporating particle symmetry into orientation determination in single-particle imaging, Acta Crystallogr. A Found. Adv. 74: 512-517, 2018
Gorkhover T, Ulmer A, Ferguson K, Bucher M, Maia F R N C, Bielecki J, Ekeberg T, Hantke M F, Daurer B J, Nettelblad C, Andreasson J, Barty A, Bruza P, Carron S, Hasse D, Krzywinski J, Larsson D S D, Morgan A, Mühlig K, Müller M, Okamoto K, Pietrini A, Rupp D, Sauppe M, van der Schot G, Seibert M, Sellberg J A, Svenda M, Swiggers M, Timneanu N, Westphal D, Williams G, Zani A, Chapman H N, Faigel G, Möller Th, Hajdu J, Bostedt Ch: Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles, Nature Photonics 12: 150-153, 2018
Lundholm I V, Sellberg J A, Ekeberg T, Hantke M F, Okamoto K, van der Schot G, Andreasson J, Barty A, Bielecki J, Bruza P, Bucher M, Carron S, Daurer B J, Ferguson K, Hasse D, Krzywinski J, Larsson D S D, Morgan A, Mühlig K, Maria Müller M, Nettelblad C, Pietrini A, Reddy H K N, Rupp D, Sauppe M, Seibert M, Svenda M, Swiggers M, Timneanu N, Ulmer A, Westphal D, Williams G, Zani A, Faigel G, Chapman H N, Möller Th, Bostedt Ch, Hajdu J, Gorkhover T, Maia F R N C: Considerations for three-dimensional image reconstruction from experimental data in coherent diffractive imaging, IUCrJ 5: 531-541, 2018
Bortel G, Faigel G, Tegze M, Angelov B: Fast inside-source X-ray fluorescent holography, J. Synchrotron Rad. 26, 170–174, 2019
Bortel G, Faigel G, Tegze M, Angelov B: Fast inside-source X-ray fluorescent holography, J. Synchrotron Rad. 26, 170–174, 2019
Bortel G, Tegze M, Faigel G: Constrained geometrical analysis of complete K-line patterns for calibrationless auto-indexing, J. Appl. Cryst. 54: 123–131, 2021



vissza »