1.X射线激光的威力和生物学潜力在第一批出版物中得到证明

十多年来，研究人员一直梦想以高分辨率成像复杂的生物分子，而无需结晶。两项研究发表在2011年2月3日的自然展示了世界上第一台硬X射线自由电子激光器的独特性能，即位于美国斯坦福SLAC的Linac相干光源（LCLS），可以如何彻底改变生命维持分子的结构-功能研究。鉴于这些文件的长期重要性，以下仅对SLAC的新闻稿进行了非常小的修改，转载了完整的叙述。

在一项研究中，一个国际研究团队使用LCLS证明了一种确定蛋白质三维结构的捷径。激光明亮的X射线脉冲从微小的蛋白质纳米晶体中提取结构数据，避免了使用难以或不可能制备的大型蛋白质晶体。这可能会使一些蛋白质的结构分析中断数年，并使科学家能够破译数万种目前尚不可及的其他蛋白质，包括许多与传染病有关的蛋白质。

在另一篇论文中，同一研究小组报道了第一批完整病毒的单次拍摄图像，为分子、病毒和活微生物的快照和电影铺平了道路。

由德国DESY国家实验室自由电子激光科学中心的亨利·查普曼（Henry Chapman）和瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的贾诺斯·哈伊杜（Janos Hajdu）领导的团队于2009年12月，也就是LCLS开放研究的两个月后，由来自21个机构的80多名研究人员组成，进行了这些实验。他们的研究首次证明了LCLS在生物学方面的威力和潜力。

`查普曼说，LCLS光束的亮度是以前X射线源的10亿倍，其强度足以穿透钢材`然而，这些令人难以置信的X射线爆发被用于外科手术显微镜的精确性和精细的控制，这开启了科学可能性的全新领域，包括实时观察原子运动和化学键形成和断裂的能力。

在实验中，科学家们将病毒或纳米晶体喷射到X射线束的路径中，并用激光束将其摧毁。每一个像频闪灯一样的激光脉冲都很短，只有几十亿分之一秒长，它收集了在样品爆炸之前生成图像所需的所有信息。

哈伊杜早在十年前就提出了这种方法。亚利桑那州立大学、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、SLAC和乌普萨拉的研究人员花了数年时间开发将样品注入光束的专用设备，德国的马克斯·普朗克高级研究小组（Max Planck Advanced Study Group）引进了10吨重的样品，一种名为CAMP的耗资700万美元的仪器，用一台快速超灵敏的X射线相机记录每一个光子的数据，以便日后进行分析。

DESY和劳伦斯伯克利国家实验室的测试表明，该概念在较低的X射线能量下有效`但是，当你使用更高的能量时，你还能摆脱损害吗？”团队成员迈克尔·博根（Michael Bogan）问道，他是SLAC的一名科学家，也是位于SLAC和斯坦福大学的PULSE超快能量科学研究所的首席研究员。他说，答案是肯定的：“物理学仍然适用。”

蛋白质结构实验由查普曼和亚利桑那州立大学的约翰·斯彭斯和佩特拉·弗洛姆领导。他们选择了光系统I作为他们的目标，这是一个植物细胞中的生物工厂，在光合作用过程中将阳光转化为能量。它是生物学家和药物开发人员迫切希望更好地了解的一类重要蛋白质，即膜蛋白。

这些蛋白嵌入细胞膜中，控制进出细胞的流量，并作为传染源和抗病药物的对接点；事实上，它们是市场上60%以上药物的目标。然而，科学家们只知道少数膜蛋白的结构，因为在常规X射线分析中很难将其转变为大晶体，预计这些膜蛋白将占蛋白质总量的40%左右。

为了绕过这个瓶颈，研究人员在X射线束上喷射了数百万个含有光系统I副本的纳米晶。激光脉冲以不同角度撞击晶体并散射到探测器中，形成重建图像所需的图案。每一颗晶体都立即蒸发，但当下一个脉冲到达时，另一颗晶体已经进入靶心。

该团队结合了他们拍摄的300万张快照中的一万张，得出了与光系统I的已知分子结构很匹配的照片。

`弗吉尼亚大学（University of Virginia）的迈克尔·维纳（Michael Wiener）没有参与这项研究，他在谈到结果时说：“今年夏天，我参加了几次会议，会上介绍了这项工作，我对此感到异常兴奋。”。他领导着美国国立卫生研究院（National institutes of Health）设立的九个研究所之一，以破译膜蛋白的结构`维纳说，这些纳米晶的制备可能比迄今为止使用的更大的晶体要容易得多，这给科学家们留下了更多的时间和金钱来研究这些重要的生物分子是如何工作的。

在第二个实验中，该团队超越了纳米晶，而完全没有晶体。在Hajdu的带领下，他们拍摄了单个病毒颗粒的单张照片。这些快照是朝着最终制作分子和活细胞内发生的化学变化的停止动作电影迈出的一步。

生物学家长期以来一直梦想着在不冷冻、切片或其他干扰的情况下制作病毒、整个微生物和活细胞的图像。这是LCLS的目标之一，研究人员测试了其对感染阿米巴的世界上已知最大病毒Mimivirus的能力。

在被LCLS光束击中的数百种模拟病毒中，有两种产生了足够的数据，科学家可以重建它们的图像。这些图像显示了咪咪的外层20面结构和内部密度较大的物质区域，这可能代表了它的遗传物质。该团队在2月3日的报告中写道，聚焦到较小区域的较短较亮脉冲将大大提高这些图像的分辨率，从而揭示小到1纳米的细节自然报告。

团队成员、法国马赛结构与基因组信息实验室主任Jean-Michel Claverie说，获得单个病毒内部结构的详细图片“将是一项巨大的成就”，他也是发现Mimi病毒性质的科学家之一`他说，这是一种看待生物物体的全新方式`这将使我们不仅能够解决与病毒内部结构有关的问题，而且能够解决病毒从一个病毒粒子到下一个粒子的内在变异性，这是一种可能在进化中起到基本作用的微观变异性。”

该团队于1月返回LCLS，在X射线波长下观察Mimivirus，以最大限度地提高图像的对比度和细节。他们将在未来几个月分析结果。

SLAC主任佩西斯·德雷尔（Persis Drell）坐在一个挤满科学家的控制室里，等待着两个实验的原始数据的到来，他说这次经历令人激动，生物学和医学的潜力也是如此`她说，这第一批数据和这些第一批论文实际上只是对一个新研究前沿的第一次观察`它们代表着LCLS的一个转折点，展示了新技术，这将是向前迈出的一大步。”

2.正在进行LCLS-II概念设计

2010年春天，美国能源部批准SLAC开始计划升级Linac相干光源（LCLS）。由项目总监John Galayda和项目副总监David Schultz领导的LCLS-II团队目前正在编写一份详细描述项目的概念设计报告。这份即将完成的报告描述了SLAC直线加速器的另一段1公里长的使用，第二个注入器允许独立改变束流参数，一个带有独立硬和软波动源的新隧道，以及一个新的实验大厅。总之，LCLS-II将使研究人员能够进入X射线光谱的新区域，改善对X射线束的控制，同时容纳更多同时工作的研究科学家。

LCLS-II团队将于2011年4月向能源部提交概念设计报告，届时将对其进行审查，如果一切顺利，将授予“关键决策1”，这将允许进行初步设计。

3.伦琴X射线研究奖授予克里斯蒂安·戴维

2010年11月26日，在德国吉森大学举行的仪式上，瑞士保罗·舍勒研究所微纳米技术实验室的科学家克里斯蒂安·戴维（Christian David）获得了辐射科学研究伦琴奖。Christian开创了一种提高X射线图像质量的方法。他开发了一种X射线干涉仪，除了获得吸收产生的常规射线照片外，还可以可视化物体的相移和散射功率。干涉仪基于一组带有微米大小狭缝的衍射光栅，由微纳技术实验室的David小组开发和制造。克里斯蒂安·戴维（Christian David）与慕尼黑理工大学（Technische Universityät München）的弗兰兹·菲佛（Franz Pfeiffer）共同获得该奖项，后者与他密切合作。

正常的X射线图像基于吸收对比度，这意味着它们显示了被研究对象内部结构的阴影。因此，具有不同吸收系数的材料，例如医学检查中的骨骼和软组织，可以在X射线图像中轻松区分。具有类似值的材料吸收系数，然而，看起来几乎是一样的，这在医学研究中可能会有问题，例如当肿瘤必须与周围的健康组织区分开来时。

4.Sine Larsen在利物浦举办首次Barkla X光公开讲座

国际结晶学联合会（IUCr）主席Sine Larsen教授在利物浦大学进行了第一次Barkla X射线讲座。这也是该校2011年的第一次科学与社会讲座。该系列探讨了科学与社会之间的有益关系。拉森教授在维多利亚美术馆向拥挤的观众讲述了X射线对社会的影响。几乎一半的观众是公众，其中包括一群来自当地一所高中的理科学生。

图1 （从左至右）迈克尔·达科姆（Michael Dacombe）、西恩·拉森（Sine Larsen）、安迪·考森斯（Andy Cossins）、萨马尔·哈斯南（Samar Hasnain）、伊恩·格里尔（Ian Greer）和史蒂夫·霍洛韦（Steve Holloway）在参观巴卡拉生物物理X射线实验室期间。

尽管这是第一次Barkla X光讲座，但自2006年以来，该大学已经举办了一系列Barkla讲座。2006年2月3日，诺贝尔奖得主弗兰克·安东尼·威尔泽克（Frank Anthony Wilczek）发表了第一次巴卡拉演讲。他谈到了“质量的起源和引力的脆弱性”。该系列的其他演讲者包括诺贝尔奖得主马丁努斯·贾斯汀斯·戈德弗里杜斯·维尔特曼（Martinus Justinus Godefriedus Veltman）和杰拉德·霍夫特（Gerard Hooft），沃尔夫奖得主弗朗索瓦斯·恩格勒（Francois Englert）教授和剑桥大学卢卡斯数学教授迈克尔·格林（Michael Green）。

查尔斯·格洛弗·巴克拉（1877-1944）因对X射线科学的贡献而获得1917年诺贝尔物理学奖。他于1877年6月7日出生于Widnes，距离Sine Larsen演讲的大学VGM大楼只有12英里。巴克拉在利物浦学院接受教育，1894年进入利物浦大学学院学习数学和物理，后者在奥利弗·洛奇（Oliver Lodge）手下学习。他于1898年以物理学一等荣誉毕业，次年获得硕士学位。同样在1899年，他获得了1851年皇家展览委员会颁发的研究奖学金，并前往剑桥三一学院与J.J.汤姆森一起在卡文迪什实验室工作。1902年，他以奥利弗·洛奇研究员的身份回到利物浦。从1905年到1909年，他先后担任该大学的演示者、物理助理讲师和高级电学特别讲师。巴卡拉的第一项研究是关于电波沿电线的速度，但1902年，他开始研究伦琴辐射，这几乎占据了他一生的时间。他对元素均匀辐射特性的发现表明，这些元素在X射线中有其特征线谱，他是第一个表明二次辐射有两种类型的人，一种是由X射线无变化地散射而成，另一种是特定物质特有的荧光辐射。他发现了X射线的偏振，这是一个相当重要的实验结果，因为这意味着X射线可以被视为与普通光类似。在1906年以后的一系列论文中，他报道了许多关于X射线及其与物质相互作用的研究，关键是表明元素具有特征X射线线谱。

Sine Larsen还参观了新委托的X射线结构实验室，该实验室将于7月由Tom Blundell爵士和Louise Johnson爵士开放，被称为“生物物理的Barkla X射线实验室”。在访问期间，她会见了科学与工程学院（Stephen Holloway教授）和健康与生命科学学院（Ian Greer教授）的副院长。

图2 Sine Larsen在演讲结束后与高中学生见面。

几乎从1895年11月威廉·伦琴（William Röntgen）的发现开始，这所大学就与X射线科学界建立了联系。仅仅三个月后，奥利弗·洛奇FRS教授（1851-1940）拍摄了一颗嵌在一名12岁男孩手腕上的子弹，为X射线提供了最早的医学用途之一(刺胳针1896年2月22日，第497页）。

5.研讨会表彰Edward A.Stern对XAFS领域的贡献

为纪念Ed Stern在XAFS公司2010年8月3日，与丹佛X射线会议同时举行的第一届北美核壳光谱学会议开幕当天举行。研讨会强调了XAFS公司实验和理论，并强调了距离XAFS公司自20世纪70年代初塞耶斯、莱特和斯特恩发现XAFS公司振荡可以用来确定选定原子类型周围的局部结构，即使在没有长程有序的情况下也是如此。有趣的是，第一个正确的短程阶理论XAFS公司这些作者在近三十年前的同一次丹佛X射线会议上提出的。研讨会的晚宴以Daryl Crozier教授（西蒙·弗雷泽大学）的演讲结束，他回顾了埃德杰出职业生涯的各个方面。这是及时的，因为埃德今年已经80岁生日了。我们祝愿他生日快乐，祝贺他取得的成就，并领导全世界的社区使用和应用XAFS公司严格适用于任何应用程序。XAFS公司如果不是像Ed这样的人，这可能仍然是一项深奥的技术。

图3 埃德·斯特恩（Ed Stern）出席了最近的一次国际XAFS会议，第一次会议是30年前于1981年3月在英国达斯伯里举行的。