研究论文\(\def\h填{\hskip5em}\def\hfil{\hski p3em}\def\eqno#1{\hfil{#1}}\)

期刊徽标结构性的
生物学
国际标准编号:2059-7983

EIGER探测器在高分子晶体学中的应用

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瑞士维利根5232号保罗·谢尔研究所瑞士光源,b条法兰克福歌德大学生物中心生物化学研究所,Max-von-Laue-Strasse 9,60438 Frankfurt am Main,Germany和c(c)DECTRIS有限公司,瑞士巴登-德特维尔5405 Taefernweg 1号
*通信电子邮件:meitian.wang@psi.ch

德国康斯坦茨大学K.Diederichs编辑(2016年6月9日收到; 2016年7月29日接受; 2016年8月31日在线)

PILATUS等单光子计数探测器的开发是最近大分子晶体学领域的一项重大突破,实现了无噪声检测和新型数据采集模式。新型EIGER探测器的像素尺寸为75×75µm,帧速率高达3000 Hz停滞时间低至3.8µs。在瑞士光源光束线X10SA和X06SA上测试了EIGER 1M和EIGER 16M在大分子晶体学中的应用。快速帧速率和极短的停滞时间允许在更短的时间内获得高质量的数据。超细φ-介绍并验证了切片数据采集方法,并给出了其在寻找最佳旋转角度、合适的旋转速度和足够的X射线剂量方面的应用。已经观察到数据质量的提高,达到了镶嵌度的十分之一,这比基于先前发现的预期要精细得多。讨论了关键数据收集参数对数据质量的影响。

1.简介

过去十年中,同步辐射源、高分子晶体学(MX)束线仪器、X射线探测器以及数据处理和结构确定软件的巨大改进(Gruner&Lattman,2015)【Gruner,S.M.和Lattman,E.E.(2015),《生物物理年鉴》第44期,第33-51页。】; 格鲁纳等。, 2012【Gruner,S.M.、Eikenberry,E.F.和Tate,M.W.(2012)。《国际晶体学表》,第F卷,第2版,在线版,由E.Arnold、D.M.Himmel和M.G.Rossmann编辑,第177-182页。切斯特:国际晶体学联合会。]; 史密斯等。, 2012[Smith,J.L.,Fischetti,R.F.和Yamamoto,M.(2012)。当前操作。结构生物学。22602-612。]; 次要等。, 2006[米诺·W·米诺、辛布罗夫斯基·M·米诺(Cymborowski)、奥特温诺夫斯基(Otwinowski),Z·&赫鲁斯茨(Chruszcz),M·(2006),《水晶学报》D62,859-866.]; 卡布施,2010年【Kabsch,W.(2010a),《结晶学报》,D66,133-144。】,b条【Kabsch,W.(2010b),《结晶学报》,D66,125-132。】; 谢尔德里克,2010年[Sheldrick,G.M.(2010),《水晶学报》,D66479-485.]; 亚当斯等。, 2010【Adams,P.D.等人(2010),《水晶学报》,D66,213-221。】)已启用X射线结构测定生物大分子以前所未有的速度(https://biosync.sbkb.org). 这些发展还要求修订使用旋转方法的单晶传统数据收集实践,高剂量曝光,最小冗余和粗旋转增量(通常为0.5–1°),最初设计用于成像板,后来应用于电荷耦合器件(CCD)探测器(Dauter,1999【Dauter,Z.(1999),《水晶学报》D551703-1717。】; Bourenkov&Popov,2006年[Bourenkov,G.P.&Popov,A.N.(2006),《结晶学报》,D62,58-64。]). 混合光子计数(HPC)像素阵列探测器,如PILATUS,提供了几个新特性,包括单光子灵敏度、一个像素、毫秒和无噪声读出的锐利点扩散功能,以及高动态范围20位(Hülsen等。, 2006【Hülsen,G.,Broenimann,C.,Eikenberry,E.F.&Wagner,A.(2006),《应用结晶杂志》39,550-557。】). HPC像素阵列探测器可以在所谓的“精细”状态下实现无快门数据采集φ-切片模式,提高数据质量并减少数据获取时间(米勒等。, 2012[Mueller,M.,Wang,M.&Schulze-Briese,C.(2012),《结晶学报》,D68,42-56。]). 我们已经证明,这些快速准确的探测器,结合新型衍射测角和低剂量高冗余数据采集方案,大大拓宽了实验定相的应用范围,特别是自然SAD,它现在可以被视为常规方法(Weinert等。, 2015【Weinert,T.等人(2015),《自然方法》,第12期,第131-133页。】; Liu&Hendrickson,2015年[Liu,Q.&Hendrickson,W.A.(2015),《当前手术结构生物学》,第34期,第99-107页。]). 新的实验技术,如微结晶术(Cusack等。, 1998【Cusack,S.、Belrhali,H.、Bram,A.、Burghammer,M.、Perrakis,A.和Riekel,C.(1998)。《自然结构生物学》第5期,第634-637页。】; 史密斯等。, 2012【Smith,J.L.、Fischetti,R.F.和Yamamoto,M.(2012),《当前操作结构生物学》22,602-612。】),系列晶体学(Gati等。, 2014【Gati,C.、Bourenkov,G.、Klinge,M.、Rehders,D.、Stellato,F.、Oberthür,D.、Yefanov,O.、Sommer,B.P.、Mogk,S.、Duszenko,M.、Betzel,C.、Schneider,T.r.、Chapman,H.N.和Redecke,L.(2014)。国际癌症研究所,187-94。】)和室温晶体学(欧文等。, 2014【Owen,R.L.、Paterson,N.、Axford,D.、Aishima,J.、Schulze-Briese,C.、Ren,J.,Fry,E.E.、Stuart,D.I.和Evans,G.(2014),《结晶学报》第70期,第1248-1256页。】),不断提出新的挑战,需要新的协议来获取最准确和完整的数据,同时限制辐射损伤的影响(Ravelli&Garman,2006[Ravelli,R.B.G.和Garman,E.F.(2006年),《当前操作结构生物学》,第16期,第624-629页。]).

EIGER是一种新一代像素阵列探测器,其基本技术由Paul Scherrer Institute(PSI;Dinapoli)开发等。, 2011【Dinapoli,R.,Bergamaschi,A.,Henrich,B.,Horisberger,R.、Johnson,I.、Mozzanica,A.、Schmid,E.、Schmitt,B.、Schreiber,A.、Shi,X.和Theidel,G.(2011)。《物理研究方法学Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A》,650,79-83。】). PSI EIGER和DECTRIS EIGER探测器共享相同的基本技术,但具有针对不同目的优化的不同读出电子设备。本研究中使用了DECTRIS版本的EIGER探测器,在本文中称为EIGER。EIGER探测器的应用包括大分子晶体学(MX)、小角度X射线散射(SAXS)、相干衍射成像(CDI)和X射线光子相关光谱(XPCS)(山野等。, 2016[山野、T.、西马苏、H.、泽切、B.、平野、H.,斯莱梅克、I.M.、Li、Y.、Fedorova、I.、Nakane、T.,Makarova,K.S.、Koonin、E.V.、Ishitani、R.、Zhang、F.和Nureki,O.(2016)。细胞,165、949-962。]; 约翰逊等。, 2012【Johnson,I.、Bergamaschi,A.、Buitenhuis,J.、Dinapoli,R.、Greiffenberg,D.、Henrich,B.、Ikonen,T.、Meier,G.、Menzel,A.、Mozzanica,A.,Radici,V.、Satapathy,D.K.、Schmitt,B.和Shi,X.(2012)。J.Synchrotron Rad.19,1001-1005。】; 迪纳波利等。, 2011【Dinapoli,R.,Bergamaschi,A.,Henrich,B.,Horisberger,R.、Johnson,I.、Mozzanica,A.、Schmid,E.、Schmitt,B.、Schreiber,A.、Shi,X.和Theidel,G.(2011)。《物理研究方法学Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A》,650,79-83。】; 拉迪奇等。, 2012【Radicci,V.、Bergamaschi,A.、Dinapoli,R.、Greiffenberg,D.、Henrich,B.、Johnson,I.、Mozzanica,A.,Schmitt,B.和Shi,X.(2012),《仪器学杂志》第7期,第C02019页。】). 与PILATUS相比,EIGER的像素尺寸更小(75×75µm)停滞时间(低至3.8µs)、更高的帧速率(高达3000 Hz)和40 Gbit的高速传输−1读出。为了充分利用检测器的性能,网络和文件系统必须匹配。因此,旨在为每个文件存储一个图像的文件格式不再适用。为了克服这一点,EIGER数据以HDF5格式(分层数据格式;https://hdf5group.org). HDF5数据模型通过其分组和链接机制支持数据关系,并将实验元数据存储在与检测器数据相同的文件结构中(Mason等。, 2010[梅森,C.E.,Zumbo,P.,桑德斯,S.,福克,M.,罗宾逊,D.,艾特,R.,高尔利,M.、威尔士,M.和奥尔森,N.E.&史密斯,T.M.(2010),《高级实验医学生物学》680,693-700。]).

在这里,我们介绍了在瑞士光源的X10SA和X06SA光束线上使用EIGER 1M和EIGER 16M获得的EIGER在大分子晶体学中的应用结果。一种新的超细数据采集方法φ-演示了切片。EIGER的像素更小、数据收集速度更高和内部超精细求和的优点φ-给出了切片数据。此外,我们证明了高角速度下获得的EIGER数据的准确性,并通过仅1s内收集的数据成功实现了胰岛素的自然SAD定相。

2.材料和方法

2.1. 蛋白质和结晶

胰岛素溶于50米M(M)2高性能操作4,10米M(M)EDTA pH值10.8,在含25-32%乙二醇的低温保护条件下结晶。鸡蛋清溶菌酶在5%PEG MME 5000中结晶M(M)氯化钠,50米M(M)乙酸钠pH 4.5,25%乙二醇。TmrAB晶体(嗜热菌多药耐药蛋白A和B)在液氮中生长、低温保护和snap冷却(TmrAB工作将另行公布)。TmrAB晶体属于空间组 P(P)6522岁,特征是c(c)中的轴单位电池(=b条= 93.4,c(c) = 1044.0 Å).

2.2. EIGER探测器特性和帧求和方法

这里,术语“框架”和“图像”具有特定的含义。“帧”是指EIGER探测器中的单个内部读数。“图像”是指由检测器和/或计算机进行求和的帧组合。

2.2.1. 连续读出、内部帧速率、自动求和和计数率

EIGER探测器的特征之一是其连续读数。EIGER ASIC(专用集成电路)的每个像素都有一个用于无噪声光子检测的数字计数器和一个读出缓冲器。采集帧后,计数器的状态被传输到读出缓冲器。随后的帧可以在3.8µs后开始(本工作中介绍的EIGER 1M测试中使用了20µs),而之前的帧是从读出缓冲器中读出的。在每个像素的数字计数器中以高内部帧速率捕获所有计数(对于EIGER 4M、9M和16M大约为800Hz,对于EIGER 1M大约为3000Hz)。单个帧被限制为数字计数器的12位(4096计数),随后将帧相加到图像可以将数据深度扩展到32位或每像素43亿计数,具体取决于相加的帧数。即使请求较低的图像速率,内部帧仍以像素级的高速率获取,这有效地避免了数字计数器溢出,并通过相加帧的数量扩展了数据的位深度(图1[链接]). 此过程称为自动求和,以用户透明的方式执行,类似于X射线电视探测器中使用的概念(Arndt&Gilmore,1979[Arndt,U.W.&Gilmore,D.J.(1979),《应用结晶杂志》,第12期,第1-9页。]). 无论外部请求的图像速率如何,产生的EIGER占空比都大于99%。这里,占空比定义为探测器计数光子的时间与图像曝光时间的比例。最大外部图像速率受到探测器和探测器控制单元(DCU)之间的数据传输带宽的限制,对于EIGER 1M、4M、9M和16M,其分别为3000、750、238和133 Hz。在一次测试中,自动汇总模式被禁用,其中0.05 s的曝光被收集为单个内部帧(§[链接]3.2.1).

[图1]
图1
框架求和原理。描述了EIGER探测器像素读数和自动求和的示意图。在EIGER系统的数字计数器上采集的帧被传输到读出缓冲器,只需3.8µs即可采集另一帧。还表示了允许扩展计数器位深的求和逻辑。

图2绘制了EIGER计数性能[链接].计数率大于50 Mcps mm−2(其中Mcps是每秒一百万计数),EIGER的计数器开始偏离线性响应。这种偏离是由于“瘫痪计数器”效应;也就是说,当像素对随后到达的光子不敏感时,因为光子之间的整形时间太短(也称为堆积效应)。默认情况下应用计数率校正,检测器提供“真实计数”的值。修正基于根据测量的计数曲线拟合得出的表列修正系数(图2中的实线[链接]),计数率高达200 Mcps mm−2(每像素1.1 Mcps)计数器很好地遵循拟合函数。实际上,带有12位数字计数器的800–3000 Hz的内部帧速率可确保计数器在最高2×10的计数率限制之前不会溢出6光子−1每像素(~350 Mcps mm−2)已到达。由于像素尺寸较小,EIGER中的每面积计数率可与PILATUS3相比,后者的计数率极限通过重触发方法进行了扩展,通过检测光子堆积并重新启用计数电路,有效地克服了计数器瘫痪。

[图2]
图2
EIGER国家绩效。测量的计数率与12.4keV X射线的入射率成图。实线与测量数据符合以下方程光突发事件=0经验(−0×τ),其中光突发事件是检测到的计数率,0是真实的事件计数率τ是能量依赖性的吗停滞时间计数器的。在该图中,对于每个不同的速度数据集(参见§[链接]3.3和图9[链接])已标记。
2.2.2. 外部帧总和

除了EIGER中的自动求和外,内部开发的Python脚本还用于执行帧的求和和跳过,以验证自动求和概念,并评估停滞时间关于数据质量。通过将定义数量的后续帧的单个像素值相加,从而增加每个相加图像的总旋转角度,即可获得结果图像。例如,在lys_2的情况下(表1[链接]),每40帧相加,每个帧的旋转角度为0.00125°,生成由旋转角度为0.05°的图像组成的数据集lys2_SUM40。通过改变求和的帧数,获得了数据集lys_2_SUM5、lys_2-SUM10、lys_2 _SUM20、lys~2_SUM80和lys2_SUM160,以模拟旋转角度分别为0.00625、0.0125、0.025、0.1和0.2°的数据集。ins_1_SUM5到ins_1_SUM160数据集的生成方式相同。帧总和也与帧的系统跳过相结合。通过调整跳过的帧数互易空间可以进行模拟。例如,在lys_2_SUM40的情况下,数据集lys_2_20SUM1SKIP1是通过先每隔一帧跳过一次,然后将剩余20帧的块求和为一个图像来获得一半的数据;SUM20SKIP20将20帧相加并跳过接下来的20帧。所有三个数据集涵盖了相同的总旋转范围,但lys_2_SUM20SKIP20和lys_2_20SUM1SKIP1都缺少一半的信息。以类似的方式,ins_1数据集用于生成ins_1_SUM40、ins_1_SSUM20SKIP20和ins_1_20SUM1SKIP1。

表1
数据收集和处理统计

括号中的值用于外壳。

数据集 lys_1 lys2 ins_1 二氟化铟
波长(Ω) 1.0332 1.0332 1.0332 1.5498
温度(K) 100 100 100 100
EIGER探测器 100万 100万 100万 16M中4M
探测器距离(mm) 50 50 60 130
总旋转范围(°) 180 180 90 160
每张图像的旋转范围(°) 0.05 0.00125 0.00125 1
图像数量 3600 144000 72000 160
暴露时间(s) 0.05 0.00125 0.00125 0.00625
通量(光子−1) 7.2 × 109 7.2 × 109 1.8 × 1010 1 × 1012
“空间”组 P(P)4212 P(P)4212 21 21
单位-细胞参数
(Å) 78.17 78.15 77.39 76.99
b条(Å) 78.17 78.15 77.39 76.99
c(c)(Å) 36.95 36.95 77.39 76.99
α(°) 90 90 90 90
β(°) 90 90 90 90
γ(°) 90 90 90 90
镶嵌度(°) 0.22 0.22 0.06 0.23
分辨率(Å) 1.4 1.4 1.81 2.3
反射次数 273655 273369 77145 17031
独特反射次数 22680 22683 7220 5453
完整性(%) 98.2 (90.3) 98.2 (90.0) 99.7 (99.6) 83.1 (38.8)
多重性 12.0 (5.8) 12.1 (5.8) 10.7 (10.2) 3.1 (1.5)
国际标准协会 25.9 26.4 37.9 42.2
/σ()〉 23.3 (2.6) 23.0 (2.5) 28.0 (3.7) 29.6 (3.0)
R(右)测量(%) 6.3 (55.4) 6.3 (58.7) 4.8 (58.6) 2.8 (24.4)
科科斯群岛1/2(%) 100.0 (75.5) 100.0 (75.0) 100.0 (91.3) 99.9 (91.9)
†显示了lys_2和ins_1数据集的SUM40统计信息。
统计数据采用未合并的Friedel对进行报告。

2.3. 数据收集

EIGER 1M数据是通过停滞时间在瑞士光源(SLS)的光束线X10SA上,20µs和高达800 Hz的帧速率。通过读取具有3.8µs的EIGER 16M的一个象限(感兴趣区域),获得EIGER 4M(16M)数据停滞时间SLS光束线X06SA上。这个阈值能量在所有实验中,将两个探测器的能量设置为X射线能量的一半,以实现单个像素的点扩散功能(布伦尼曼等。, 2006【Broennimann,C.,Eikenberry,E.F.,Henrich,B.,Horisberger,R.,Huelsen,G.,Pohl,E.,Schmitt,B.,Schulze-Briese,C.,Suzuki,M.,Tomizaki,T.,Toyokawa,H.&Wagner,A.(2006),J.Synchrotron Rad.13,120-130.】). 所有数据都是在100K下使用冷氮气流收集的。除了自然SAD相位实验外,还使用尺寸为50×30µm、12.0 keV(1.0332 Ye)的X射线束收集了溶菌酶和胰岛素晶体的数据。

表1总结了所有数据集最重要的数据收集和处理统计信息[链接]和2[链接].从一个约200×100×50µm的晶体中收集溶菌酶数据,探测器距离为50 mm。在相同的晶体位置,使用相同的起始角度,通过两种方式收集180°的数据:一种是精细的φ-切片数据集(命名为lys_1,由每帧0.05°/0.05 s组成)和一个超细数据集φ-切片数据集(lys2,每帧0.00125°/0.00125 s)。对于lys_1数据集,禁用EIGER检测器的内部求和,以获得0.05°的单帧。这会降低计数器的可用位深度。为了避免12位计数器过载,将波束传输设置为0.2%,这对应于通量第7.2×10页9光子−1每个数据集的累积X射线剂量估计约为0.20 MGy,镶嵌性估计为XDS公司为0.23°。同一溶菌酶晶体上的另一个点用于高角速度下的数据采集(表2[链接]). 在这种情况下,收集了一系列180°数据集,每帧曝光时间为0.00125 s(800 Hz),旋转范围为0.00125至0.9°,对应于1至720°s的速度−1(数据集lys3到lys10)。每个数据集收到的总剂量相同,为0.1 MGy,这不足以造成严重的辐射损伤(数据未显示)。

表2
快速旋转实验的数据收集和处理统计

括号中的值用于外壳。

数据集 赖氨酸 lys4 lys5 溶血素_6 溶血素_7 溶血素_8 赖氨酸_9 lys_10
波长(Ω) 1.0332 1.0332 1.0332 1.0332 1.0332 1.0332 1.0332 1.0332
温度(K) 100 100 100 100 100 100 100 100
EIGER探测器 100万 100万 100万 100万 100万 100万 100万 100万
探测器距离(mm) 50 50 50 50 50 50 50 50
分辨率(Å) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
总旋转范围(°) 180 180 180 180 180 180 180 180
每张图像的旋转范围(°) 0.00125 0.0125 0.025 0.05625 0.1125 0.225 0.45 0.9
图像数量 144000 14400 7200 3200 1600 800 400 200
暴露时间(s) 0.00125 0.00125 0.00125 0.00125 0.00125 0.00125 0.00125 0.00125
光束传输 0.001 0.01 0.02 0.045 0.09 0.18 0.36 0.72
转速(°s−1) 1 10 20 45 90 180 360 720
“空间”组 P(P)4212 P(P)4212 P(P)4212 P(P)4212 P(P)4212 P(P)4212 P(P)4212 P(P)4212
单位-细胞参数
=b条(Å) 77.98 78.31 78.32 78.32 78.35 78.38 78.37 78.38
c(c)(Å) 36.95 37.02 37.02 37.04 37.03 37.04 37.04 37.05
α=β=γ(°) 90 90 90 90 90 90 90 90
镶嵌度(°) 0.23 0.22 0.22 0.22 0.23 0.23 0.24 0.27
反射次数 248970 251327 251572 251909 251489 251726 253181 252979
独特反射次数 18845 19011 18994 18987 18965 18998 18979 18994
完整性(%) 99.5 (97.9) 99.2 (96.1) 99.2 (96.1) 99.3 (96.4) 99.5 (97.6) 99.6 (98.5) 99.5 (98.1) 99.5 (98.2)
多重性 13.2 (10.0) 13.2 (9.9) 13.2 (10.0) 13.3 (10.0) 13.3 (10.1) 13.3 (10.0) 13.3 (10.1) 13.3 (10.0)
国际标准协会 24.2 22.4 22.1 21.2 21.9 19.3 15.4 11.9
/σ()〉 23.8 (3.5) 23.8 (3.4) 22.7 (3.4) 21.5 (2.8) 22.2 (2.5) 21.3 (2.4) 20.1 (2.6) 17.6 (2.5)
R(右)测量(%) 6.9 (50.4) 6.8 (52.8) 7.2 (53.8) 7.5 (71.1) 7.4 (86.2) 7.7 (90.3) 8.6 (93.0) 10.2 (108.1)
科科斯群岛1/2(%) 100 (77.4) 99.9 (80.0) 99.9 (78.4) 99.9 (75.3) 99.9 (75.9) 99.9 (77.4) 99.9 (76.3) 99.8 (73.8)
†光束传输表示为全光束的一部分(3.6×1012光子−1).

胰岛素数据集ins_1是从大约150×100×50µm的晶体中收集的。用衰减至0.5%(1.8×10)的光束收集90°的数据10光子−1),探测器距离设置为60 mm,采用0.00125°/0.00125 s策略(数据集ins_1)。累积剂量为0.25 MGy。

对于TrmAB晶体的实验,在EIGER探测器的传感器处将X射线束聚焦到50×10µm,以最小化衍射光斑尺寸,实现最大光斑分离,并使用光束定义狭缝制作尺寸为100×100µm的光束,以匹配TrmAB晶体的尺寸。在300 mm探测器距离处收集衍射图案。

胰岛素天然SAD实验(表1中的数据集ins_2[链接])使用80×30µm X射线束在8.0keV(1.5498º)下测量200×200×100µm的晶体上进行,该X射线束被选为异常信号强度和可记录衍射分辨率之间的折衷。在130 mm的距离处,我们在EIGER 4M(16M)探测器边缘获得了2.8º的分辨率。以160 Hz的帧速率和0.4°的旋转范围收集64°的数据集(每幅图像的曝光时间为0.00625 s)。总曝光时间为1s。使用80×30µm大小的光束和通量共1×1012光子−1,累积剂量估计为0.5 MGy。

2.4. 数据处理和分析

所有数据集都使用XDS公司一揽子计划(Kabsch,2010年【Kabsch,W.(2010a),《结晶学报》,D66,133-144。】,b条【Kabsch,W.(2010b),《结晶学报》,D66,125-132。】). 按中的CORRECT步骤计算的结果报告缩放统计信息XDS公司。本文中使用的镶嵌定义如下所述XDS公司,反射剖面的标准偏差假设为高斯分布。根据Holton(2009)中的方程式(5)估算X射线剂量[Holton,J.M.(2009)。《同步辐射杂志》第16期,第133-142页。]). 对于胰岛素天然SAD结构,使用SHELXC公司/D类/E类(谢尔德里克,2010年[Sheldrick,G.M.(2010),《水晶学报》,D66479-485.])通过这个香港特别行政区2地图接口(Pape&Schneider,2004【Pape,T.&Schneider,T.R.(2004),《应用结晶杂志》,第37期,第843-844页。】)、迭代建模、密度修改和精炼是用海盗(Cowtan,2012年【Cowtan,K.(2012),《水晶学报》,D68,328-335。】),鹦鹉(Cowtan,2010年[Cowtan,K.(2010),《晶体学报》,第D66期,第470-478页。])和REFMAC公司5(穆尔舒多夫等。, 2011【Murshudov,G.N.,Skubák,P.,Lebedev,A.A.,Pannu,N.S.,Steiner,R.A.,Nicholls,R.A..,Winn,M.D.,Long,F.&Vagin,A.A..(2011),《晶体学报》,D67,355-367。】)通过这个曲柄2条管道(Skubák&Pannu,2011年【Skubák,P.&Pannu,N.S.(2011),《水晶学报》,D67,345-354。】, 2013【Skubák,P.&Pannu,N.S.(2013),《自然通讯》第4期,第2777页。】). 溶菌酶和胰岛素结构用菲尼克斯定义(黄嘌呤等。, 2012【Afonine,P.V.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Echols,N.,Headd,J.J.,Moriarty,N.W.,Mustakimov,M.,Terwilliger,T.C.,Urzhumtsev,A.,Zwart,P.H.&Adams,P.D.(2012),《结晶学报》D68,352-367。】).

坐标和衍射数据已作为条目保存在蛋白质数据库(PDB)中5林溶菌酶1°s−1结构,5里奥用于溶菌酶360°s−1结构和5英里胰岛素1的天然SAD结构。

3.结果和讨论

3.1. 像素尺寸小的优点

图3显示了用EIGER 1M收集的溶菌酶晶体的衍射图案[链接](). 如特写视图和横截面绘图。小像素尺寸和清晰的单像素点扩散功能相结合,可以测量背景噪声较低的衍射点,从而提高了集成强度的信噪比。通过将EIGER数据集lys_1的数据质量与相同数据集的2×2 bined图像进行比较,以模拟面积为四倍的像素,这一点得到了令人信服的证明(图4[链接]和补充表S1)。由于衍射峰的强信号和仪器误差使背景噪声相形见绌,因此面元划分对中低分辨率数据没有影响。然而,在衍射信号较弱的高分辨率壳体中,装箱图像中衍射峰下增加的背景计数确实会降低数据质量[例如下降32%/σ()在最高分辨率外壳中]。为了将这种比较扩展到最大格式的EIGER和PILATUS探测器,需要考虑到EIGER 16M具有PILATUS-6M 55%的有效面积。为了达到等效衍射分辨率,EIGER 16M需要定位为0.551/2=0.74倍于PILATUS 6M。因此,每单位面积的各向同性背景是1/0.55=1.8倍,每像素的各向异性背景是(172/75)2/1.8=低2.9倍,每像素的立体角小4倍[(75/172)2/0.551/2]对于EIGER 16M而言,比对于PILATUS 6M而言。衍射点的更好采样和每像素更低的背景可以抵消记录的背景散射的增加。

[图3]
图3
用EIGER 1M获得的衍射图像。()溶菌酶晶体的衍射图。特写视图和横截面图中显示了一个点仅记录在一个像素上。(b条)TmrAB晶体的衍射图样;特写显示了清晰的斑点分隔,斑点之间的间距指示了1070°的单位-细胞轴。
[图4]
图4
2×2装箱对EIGER 1M数据的影响,与探测器像素四倍大的数据采集相对应。将用EIGER 1M采集的溶菌酶数据集(lys_1)与相同数据集与所有2×2 bined衍射图像进行比较。两者都有R(右)测量/σ()绘制了中报告的解析shell对的。有限合伙人第个文件,共个XDS公司.中的特写(b条)显示了两个最高分辨率外壳的差异,其中2×2装箱会降低数据质量。

然后,我们通过测量EIGER 1M分离近距离反射的能力来测试其空间分辨率。为此,我们从一个单位-细胞轴为c(c)=1044.0Å,使用12keV(1.0332Å)X射线聚焦在距离样品300mm的EIGER 1M探测器表面。在图3中[链接](b条)在主图像和特写视图中,沿倒数方向的反射c(c)*轴线定义明确,分隔良好。在水平方向横截面在连续像素中,峰值对应于1044°的单位-细胞轴。我们注意到,在这个探测器距离,但使用EIGER 16M探测器,在探测器边缘获得的分辨率将为2.2º。因此,使用EIGER 16M可以有效地解析大单位-细胞轴,同时捕获高分辨率衍射。

3.2. 超细φ-切片数据采集

超细φ-用EIGER进行切片数据采集如图5所示[链接]其中,具有背景和沿旋转角的反射剖面的摇摆曲线模型(φ)如图所示。这表示反射强度的高斯分布σφ= 0.1°. 相比之下,典型的罚款φ-PILATUS检测器使用的切片数据收集策略,其中每个图像对应0.05°/0.05 s,如左图所示(注意,旋转角度是镶嵌的一半)。在右侧,一个800 Hz的超细φ-举例说明了用EIGER进行切片数据采集。这里,每个图像对应于0.00125°/00.125秒。任何单个帧上的衍射点都非常微弱,只有当它们相加在一起时,才会出现清晰的衍射图案。在本例中,将40个EIGER帧相加将产生具有等效旋转范围、曝光和总剂量的PILATUS样图像。EIGER数据收集方法只有在没有读出噪声且非常低的情况下才可行死区时间。以下部分将进一步讨论的优点是:φ-切片可以产生比当前标准fine更高的数据质量φ-切片方法,以及使用EIGER探测器的高帧速数据采集,可以在曝光期间以及以尽可能高的速度采集数据后的事后,对晶体旋转范围进行最佳选择。

[图5]
图5
两种精细的示意图φ-切片和超细φ-切片数据采集方法。描述了沿旋转角具有反射轮廓的摇摆曲线模型(高斯分布σφ= 0.1°). 对比显示典型的PILATUS 0.05°/0.05 s精细φ-左侧切片数据采集,右侧800 Hz 0.00125°/0.00125 s EIGER数据采集。EIGER数据中的单个帧非常微弱,但当将它们相加(示例中为40帧)时,可以获得与0.05°/0.05 s数据相同的旋转角度、曝光和总剂量。
3.2.1. EIGER自动汇总验证

使用EIGER检测器从同一溶菌酶晶体中收集了两组数据:一组(lys_1)在0.05°/0.05s内,但EIGER以特殊的低帧率模式运行,无需自动总结(§[链接]2.2.1),另一个(lys_2)在0.00125°/0.00125 s内。X射线剂量率已调整得足够低,以避免lys_1数据集的12位计数器过载。然后将lys2中每40个0.00125°/0.00125 s帧相加以模拟0.05°/0.05 s图像。不同的是总数停滞时间对于lys _1数据集为20µs,对于lys _2数据集为800µs(40×20µs)。图6绘制了数据处理统计数据[链接]和列在补充表S2中。这两个数据集的质量相当高,CC几乎相同1/2在整个分辨率范围内。这个R(右)测量/σ()对于lys2,在分辨率较高的壳层中情况稍差。使用更短的停滞时间在EIGER探测器的生产模型中,对于3.8µs,单帧图像的数据与多帧图像的总和之间的微小差异有望进一步最小化。

[图6]
图6
使用内部求和验证EIGER数据采集方法。对从同一溶菌酶晶体中采集的两组数据进行了比较。第一组数据以0.05°/0.05 s的速度收集,无需内部求和(lys_1)。第二个数据集以0.00125°/0.00125 s的速度收集,但每40张图像的总和模拟0.05°的数据集(lys_2_SUM40)。两者都有R(右)测量/σ()表明这两个数据集具有可比性。
3.2.2. 最佳旋转角度

罚款的好处φ-切片数据收集策略已经在理论上得到了证明(Pflugrath,1999【Pflugrath,J.W.(1999),《结晶学报》,D551718-1725。】)和实验(Mueller等。, 2012[Mueller,M.,Wang,M.&Schulze-Briese,C.(2012),《结晶学报》,D68,42-56。]). PILATUS探测器的一般建议是使用一半的镶嵌性(定义为精确“摇摆曲线”的r.m.sXDS公司,这说明了晶体镶嵌性和X射线束发散性)作为每个图像的旋转角度。对于EIGER,我们测试了超细φ-使用溶菌酶数据集(镶嵌度为0.23°的lys2)进行切片,帧以各种方式进行外部求和。对5个(lys2_SUM5)、10个(lys_2_SUM10)、20个(lys1_SUM20)、40个(lyS2_SUM40)、80个(lyp2_SUM80)和160个(lyh2_SUM160)帧进行求和,分别模拟0.00625、0.0125、0.025、0.05、0.1和0.2°的旋转角。不同总和对R(右)测量/σ()在不同的衍射分辨率下进行了分析(图7[链接]和补充表S3)。虽然lys_2_SUM40给出的统计数据与对照数据集lys_1(0.05°/0.05s)非常相似,但lys_2-SUM80和lys_2S_SUM160均导致较高的R(右)测量和更低/σ()高分辨率下的值。这是因为lys2_SUM80和lys_2_SUM160没有利用罚款φ-切片策略以减少衍射峰周围的背景。与PILATUS的类似研究相比(米勒等。, 2012[Mueller,M.,Wang,M.&Schulze-Briese,C.(2012),《结晶学报》,D68,42-56。]),我们观察到,在镶嵌度的一半以下进行精细切片仍然可以提高数据质量,如数据集lys_2_SUM20、lys_2S_SUM10和lys_2-SUM5所示,其中旋转角度分别约为镶嵌度的1/9、1/18和1/37。我们注意到这三个数据集之间的边际差异,这意味着沿旋转方向对反射剖面进行超过1/10的镶嵌过度采样后,不会有进一步的增益。

[图7]
图7
EIGER lys_2数据的求和优化。通过比较5帧(lys2_SUM5)、10帧(lys_2_SUM10)、20帧(lys1_SUM20)、40帧(lyS2_SUM40)、80帧(lys_2_SUM80)和160帧(ly_2_SUM160)的总和来分析lys2数据集。在每种情况下,都会显示产生的旋转角度以及不同总和对R(右)测量/σ()表示。最低的R(右)测量当旋转角度为镶嵌度的1/10或更低时,可以获得这些值。

对使用镶嵌度较低的0.06°胰岛素晶体获得的数据集(ins_1_SUM5到ins_1_SSU160)进行了类似的分析(图8[链接]和补充表S4)。在这里,我们还观察到,相加的帧数越低(切片越细R(右)测量/σ()尤其是在高分辨率下。对于ins_1_SUM5数据集,其数据质量在汇总的数据集中最好,0.00625°的角步长代表约1/10的镶嵌性。请注意,在两个测试用例中,处理包含少于五个求和图像的数据集的统计结果都较差(未显示数据)。我们认为这是因为单个衍射框或求和框中包含的数据非常微弱,因此在分度和积分过程中定位光斑位置和轮廓拟合的准确性降低,最终数据质量受到影响。我们推测,适用于这种具有低计数统计的超细取样的数据集成方法可以进一步提高低镶嵌晶体的集成数据质量(Ayyer等。, 2015【Ayyer,K.,Philipp,H.T.,Tate,M.W.,Wierman,J.L.,Elser,V.&Gruner,S.M.(2015),国际癌症研究联合会,第2期,第29-34页。】).

[图8]
图8
EIGER ins_1数据的求和优化。生成了Ins_1_SUM5到Ins_1_SUM160。不同总和对R(右)测量/σ()表示。最低的R(右)测量该值是在镶嵌度的1/10的振荡角度下获得的。

总而言之,对溶菌酶和胰岛素的求和分析结果表明,使用EIGER检测器进行数据采集的最佳旋转角度约为镶嵌度的1/10。PILATUS研究中的1/2镶嵌规则与当前EIGER的1/10镶嵌规则之间的差异可能与像素大小和三维峰值集成软件的进步有关。PILATUS的像素尺寸越大,探测器空间采样越粗,光斑轮廓越宽。因此,更精细的角度(φ)采样缩小了探测器空间中光斑的宽度,因此PILATUS的采样效果不如EIGER。另一个影响可能来自数据处理软件,该软件已针对空间和角度更精细采样的数据集进行了优化,并且每张图像的背景噪声非常低。总的来说,超细φ-EIGER的切片和较小的像素尺寸可以更准确地测量三维反射轮廓。

3.2.3. 倒易空间中不完全角覆盖的影响

为了更好地理解数据质量与反射剖面(镶嵌度)、旋转角度和在停滞时间在检测器中,图像总和还与系统跳过宽或薄楔形帧相结合。使用lys2和ins1数据集进行测试,分别表示具有大镶嵌和小镶嵌的场景。在这两种情况下,将每幅0.00125°的40帧相加,对应于每幅相加图像的0.05°旋转,作为参考。lys_2_SUM20SKIP20和lys_2_20SUM1SKIP1数据集模拟0.05°旋转数据,并以不同方式删除一半帧(数据)。宽楔(lys_2_SUM20SKIP20)和薄楔(lys2_2_20SUM1SKIP1)跳跃的比较,包括不跳跃的对照(lys_2 _SUM40),如下所示R(右)测量/σ()值(图9[链接]和9[链接]b条和补充表S5)。正如统计数据所预期的那样,跳过一半的帧会在整个分辨率范围内产生较差的数据处理统计数据。有趣的是,这两种跳过方案给出了非常相似的结果。这是因为具有0.23°镶嵌度的斑点轮廓仍然沿φ即使去除了与0.025°或1/9镶嵌度对应的宽楔形图像,也可以准确地确定光斑质心和光斑轮廓。在图9中[链接](c(c))图中以图形方式说明了宽楔跳跃。很明显,每隔0.025°删除一次数据(用白色条表示),仍然可以对反射摇摆曲线进行充分采样。因此,如20SUM1SKIP1中那样,以0.00625°的间隔进行更精细的采样,其效果可以忽略不计。

[图9]
图9
帧的系统跳过对数据质量的影响。两种lys_2(,b条,c(c))和ins_1(d日,e(电子),(f))对数据集进行了类似的分析。以SUM40为参考,将跳过宽楔形数据(每40帧中有20个;SUM20SKIP20)与跳过细楔形数据(每两帧中有一个,将20加在一起;20SUM1SKIP1)进行比较。(c(c))和((f))是对摇摆曲线(镶嵌)进行良好采样的重要性的图形说明。白色条表示SUM20SKIP20中删除的数据。

ins_1数据集的情况不同,其镶嵌度几乎低了五倍(0.05°)。这里,ins_1_SUM20SKIP20数据集比ins_1_SSUM1SKIP1数据集差得多,特别是在低到中等分辨率下(图9[链接]d日和9[链接]e(电子)和补充表S5)。我们的解释是,在ins_1_SUM20SKIP20数据中,反射剖面明显采样不足,其中缺失的0.025°楔形约为镶嵌度的一半(图9[链接](f)). 尽管ins_1_20SUM1SKIP1的净删除数据量相同,但以0.00625°间隔(镶嵌度的1/10)进行删除可确保反射剖面的良好采样,并大大提高数据质量。这种影响在低到中等分辨率时更为明显,在宽楔形滑动过程中,峰值强度的很大一部分可能会丢失。

3.2.4. 最佳暴露和剂量效率

辐射损伤限制了从给定晶体体积中获得的衍射数据量。蛋白质晶体在低温下的辐射损伤已经得到了很好的研究,可耐受的剂量范围为10至30 MGy(Henderson,1990)[Henderson,R.(1990),《生物科学学报》第241期,第6-8页。]; 欧文等。, 2006[Owen,R.L.,Rudiño-Piñera,E.&Garman,E.F.(2006)。美国国家科学院院刊,103,4912-4917。]). 然而,一个数据集应该使用多少剂量并不容易定义。“传统燃烧”策略旨在在每个衍射图像上获得记录良好的高分辨率反射,同时在一个完整的数据集中保持累积剂量在10-30 MGy范围内,该数据集通常由180°旋转数据组成。一种替代策略是将总剂量分布到多个数据集(刘等。, 2011【刘,Z.-J.,陈,L.,吴,D.,丁,W.,张,H.,周,W.、傅,Z.-Q.和王,B.-C.(2011)。《结晶学报》A67,544-549。】). 第二种策略特别适用于使用无噪音读出X射线探测器(Weinert等。, 2015【Weinert,T.等人(2015),《自然方法》,第12期,第131-133页。】). 由于EIGER能够在高帧速率下保持99%的占空比,系统地跳过图像可以有效地模拟以较少曝光时间记录的数据集,只要跳过的角度范围远低于镶嵌性,并且辐射损伤不明显。在lys_2(0.2 MGy)和ins_1(0.25 MGy)示例中,半数据集(每隔一帧跳过一次)只会减少大约10%/σ()在最低分辨率外壳中,而不是计数统计中预期的30%的减少。这意味着观察到的/σ()因为强反射仍然在很大程度上受到仪器误差的限制(Diederichs,2010【Diederichs,K.(2010),《水晶学报》,D66733-740。】). 因此,不是一个“完整”的数据集,而是两个曝光时间或光束传输时间减半的数据集可以改善合并的/σ(). 从这个角度来看,这种半数据模拟可用于优化每个数据集的剂量,以避免对来自同一晶体或类似晶体的下一个数据集造成不必要的辐射损害。

总之,使用EIGER进行数据收集本质上是好的φ-切片。每帧的精确切片取决于旋转速度,获得的每幅图像的切片由自动求和决定。类似的超细纤维φ-切片数据收集方法可用于PILATUS3探测器。然而,如果想要将PILATUS3占空比保持在99%,则只能使用10 Hz的帧速率,这将使实验非常长。当使用100和500 Hz的较高帧速率时,PILATUS3的相应占空比分别为90%和50%。这错过了10或50%的角度覆盖倒易空间,后者对应于跳过上面讨论的一半测量图像。如§[链接]3.2.3. 更糟糕的是,探测器读出过程中这些“丢失的光子”仍然会造成辐射损伤。

3.3. 高速下的数据采集

微秒停滞时间,只要探测器读出过程中丢失的角度范围明显小于晶体镶嵌度,EIGER应允许以高转速进行数据采集。转速高达720°s的数据采集−1使用EIGER 1M进行测试,工作频率为800 Hz,帧速率为20µs死时间。20µs对应于角速度为1、10、20、45、90、180、360和720°s时的0.00002、0.0002、0.0004、0.0009、0.0018、0.0036、0.0072和0.0144°缺失数据−1分别是。本测试中使用的溶菌酶晶体的镶嵌度为0.23°,约为720°s中缺失间隙的16倍−1实验。因此,如前一节所述,缺失的楔形不应严重影响数据质量。这个通量调整后,使每个数据集具有相同的累积X射线剂量(§2.3[链接]). 这个R(右)测量/σ()数据采集速度在1到720°s之间−1(数据集lys_3至lys_10)如图10所示[链接]()和10[链接](b条),数值见表2[链接]和补充表S6。1、10和20°s的数据质量−1数据集具有可比性,这意味着旋转速度最快可达20°s−1可用于标准数据收集。

[图10]
图10
转速较高的数据采集。(,b条)速度在1至720°s之间时从溶菌酶晶体中收集的数据集的比较−1如图所示(lys3至lys10)。所有数据集的探测器均以800 Hz帧速率运行,并对光束传输进行调整,以保持每个数据集的总剂量相同。(c(c),d日)图9中使用的相同数据集[链接]通过对每个数据集中的帧求和重新分析,使所有数据集的旋转角度为0.9°。这样可以进行速度比较,不考虑不同旋转角度的影响。

转速越高,情况就越糟R(右)测量/σ()在低分辨率和高分辨率炮弹中。显然,高速实验引入了额外的测量误差,这些误差可能来自测角仪在高速旋转时的不精确性、X射线束强度和位置的高频波动、单个光子计数探测器的计数率限制以及每张图像相对较大的旋转角。对于高分辨率下的弱反射,计数率远低于50 Mcps mm的安全水平−2线性探测器响应和/σ()由统计数据确定,对仪器误差相对不敏感(Diederichs,2010【Diederichs,K.(2010),《水晶学报》,D66733-740。】). 因此,高分辨率下数据质量的恶化应归因于高速数据采集所用的旋转角度越来越大。的确,在20°s时−10.025°的旋转角度约为晶体镶嵌度(0.23°)的1/9,这与上述图像叠加研究的建议一致,也解释了当旋转速度低于20°s时数据质量的相似性−1如预期,当将较低转速的图像相加以模拟0.9°旋转角的数据时,所有转速的处理数据的高分辨率统计非常相似,如图10所示[链接](c(c))和10[链接](d日).

对于中低分辨率的强反射/σ()和渐近〈/σ()〉比率(表2中的ISa[链接])提示各种高频仪器错误。此外,检测器计数率限制可以降低/σ()在高速数据集中。在高速系列数据集中,观察到的最高计数小于每像素500,这低于12位计数器的限制。在1°s内−1数据集显示,中到强反射每点约有10-200个计数。对于每像素十个计数,计数率为1.42 Mcps mm−2[10计数/0.00125 s/(0.075 mm)2]. 在快速旋转实验中通量需要保持每个数据集的总剂量不变,这意味着在更短的时间内有更多的衍射光子:更高的计数率。因此,可以通过乘以“加速”系数来近似估计高速数据集的计数率。不同转速下计算的计数率绘制在图2中的计数率校正曲线上[链接].高达20°s−1,计数率在线性响应区内。45°和90°s时−1,必须对已经有10个计数的像素进行校正,并且对于计数更多的像素需要更大的校正(更强的反射)。这至少可以部分解释低分辨率外壳中数据质量开始下降的原因。从180°s−1此后,计数率超过了强反射的校正极限,并开始逐渐污染中等分辨率的数据质量。值得注意的是,尽管存在大量的计数限制和其他仪器误差,即使是360°s−1根据CC的判断,仅用半秒钟收集的数据集质量仍然很好1/299.9%,可用于结构精细化。精致的R(右)工作R(右)自由的对于360°s,分别为0.195和0.249−1对于1°s,分别为0.182和0.233−1数据。注意,使用PILATUS3重触发技术可以更好地处理快速旋转数据中的高计数率。然而,1毫秒停滞时间PILATUS3探测器在90°s的速度下导致0.09°的缺失角−1,这将大大降低数据质量,即使是镶嵌度相对较大的0.2°晶体。实际上,这使得数据采集速度大于90°s−1使用任何探测器技术都不可能停滞时间超过1ms。

3.4. 使用EIGER 4M(16M)实现本地SAD阶段化

本机SAD定相的成功与否在很大程度上取决于衍射数据的精度和准确性,因为定相信号来自衍射强度的微小差异。为了探索本地SAD相位的快速数据采集,尝试使用胰岛素晶体进行1s本地SAD实验。使用EIGER 16M探测器的象限模拟EIGER 4M(16M)探测器。在160 Hz下以0.4°旋转增量收集衍射数据,在1s.尽管与0.23°的晶体镶嵌相比,旋转角度较大,但粗切片引入的额外背景不会对中低分辨率强反射的数据质量造成太大影响,其中包含用于实验相位调整的大量异常信号。这个下部结构测定、密度修改和相位调整都很简单SHELXC公司/D类/E类 通过这个香港特别行政区2地图接口(补充图S1)。完整的模型是用曲柄2和最终精炼R(右)工作R(右)自由的分别为0.208和0.256。

4.结论与未来展望

2007年PILATUS探测器的引入改变了高分子晶体学的数据采集。连续无窗数据采集方法及精细化φ-切片策略很快就被开发出来了。自那时以来,PILATUS探测器已安装在世界各地的许多同步加速器MX光束线上。EIGER技术改进了PILATUS3代探测器,像素尺寸更小停滞时间在低至3.8µs的帧之间,并利用千赫兹内部帧速率和帧总和的组合提供了一种新的数据采集模式,其显著扩展了数据深度并保持占空比高于99%。因此,EIGER探测器系列代表了同步加速器应用X射线探测器的当前技术水平。在1s内收集的数据集上,本机SAD阶段化是可能的,这表明新的EIGER探测器可以以前所未有的速度产生高数据质量。EIGER的高空间分辨率在微晶和大复杂晶体学中特别有用,在这些领域,需要准确地分辨和测量弱反射点。

虽然很好φ-对于PILATUS检测器,使用1/2的镶嵌进行切片比使用粗切片获得的数据要好得多,使用1/10的镶嵌进行更精细的切片可以使用EIGER检测器获得更好的结果。我们相信,EIGER的小像素尺寸能够更好地对探测器表面的反射进行采样,这反过来有助于改进超微粒反射的角度采样φ-切片法。这种效应在使用低发散度微聚焦X射线束的低镶嵌度晶体的微晶照相中可能很突出,这在全世界正在建设或规划阶段的近衍射限制同步加速器光源中是有希望的。另一个好处是,对各种求和和跳过方案的分析可以使用在高帧速率下收集的一个数据集来优化旋转角度和曝光时间,这些数据集的最佳设置可以应用于类似的晶体。

EIGER的高帧率和较小的像素大小将有助于改进X射线晶体学的标准旋转方法。高速数据收集大大减少了收集多方向数据集所需的总时间,从而加快了本地SAD阶段化(Weinert等。, 2015【Weinert,T.等人(2015),《自然方法》,第12期,第131-133页。】; Olieric公司等。, 2016【Olieric,V.,Weinert,T.,Finke,A.D.,Anders,C.,Li,D.,Olieric.,Borca,C.N.,Steinmetz,M.O.,Caffrey,M.,Jinek,M.&Wang,M.(2016),《基督学报》第72期,第421-429页。】). 高帧速率可以进一步加快网格扫描,以定位微晶或定位大晶体的“甜点”(Aishima等。, 2010【艾希玛·J·、欧文·R·L·、阿克斯福德·D·、谢泼德·E·、温特·G·、莱维克·K·、吉本斯·P·、阿什顿·A·和埃文斯·G·(2010),《结晶学报》D66,1032-1035。】; 保龄球等。, 2010【Bowler,M.W.、Guijarro,M.、Petitdemange,S.、Baker,I.、Svensson,O.、Burghammer,M.,Mueller-Dieckmann,C.、Gordon,E.J.、Flot,D.、McSweeney,S.M.和Leonard,G.A.(2010),《结晶学报》D66、855-864。】; 赞德等。, 2015【Zander,U.,Bourenkov,G.,Popov,A.N.,de Sanctis,D.,Svensson,O.,McCarthy,A.A.,Round,E.,Gordeliy,V.,Mueller-Dieckmann,C.&Leonard,G.A.(2015),《结晶学报》第71期,第2328-2343页。】; 沃伊迪拉等。, 2016[Wojdyla,J.A.,Panepucci,E.,Martiel,I.,Ebner,S.,Huang,C.-Y.,Caffrey,M.,Bunk,O.&Wang,M.(2016),《应用结晶杂志》第49期,第944-952页。]). 从这些进展中特别受益的一个领域是串行同步辐射晶体学(SSX),在该领域中,从数百或数千个微晶收集静态图像或几度旋转数据,并合并在一起以获得完整的数据集(Gati等。, 2014【Gati,C.、Bourenkov,G.、Klinge,M.、Rehders,D.、Stellato,F.、Oberthür,D.、Yefanov,O.、Sommer,B.P.、Mogk,S.、Duszenko,M.,Betzel,C.、Schneider,T.r.、Chapman,H.N.和Redecke,L.(2014)。国际癌症杂志,1,87-94。】; 斯特拉托等。, 2014[Stellato,F.等人(2014).国际货币联盟期刊,1204-212。]; 等。, 2015【Huang,C.-Y.,Olieric,V.,Ma,P.,Panepucci,E.,Diederichs,K.,Wang,M.&Caffrey,M.(2015),《结晶学报》第71期,第1238-1256页。】, 2016【Huang,C.-Y.,Olieric,V.,Ma,P.,Howe,N.,Vogeley,L.,Liu,X.,Warshamanage,R.,Weinert,T.,Panepucci,E.,Kobilka,B.,Diederichs,K.,Wang,M.&Caffrey,M.(2016),《结晶学报》D72,93-112.】). SSX中广泛使用了两种样本传递方法;一种是基于注射器的,另一种是以测角仪为基础的。在基于注入器的方法中,当晶体通过X射线束(Botha等。, 2015[Botta,S.,Nass,K.,Barends,T.R.M.,Kabsch,W.,Latz,B.,Dworkowski,F.,Foucar,L.,Panepucci,E.,Wang,M.,Shoeman,R.L.,Schlichting,I.&Doak,R.B.(2015)。晶体学报D71,387-397.]; 大声地说等。, 2015【Nogly,P.等人(2015年),IUCrJ,2168-176。】). 根据注入器的速度和介质的粘度,晶体将进行各种运动,因此以千赫兹速率收集数据可以记录衍射图案中的运动,并允许在数据处理中最佳选择有用的图像和正确处理。在基于测角仪的方法(也称为固定目标和固体支撑方法)中,可以使用更快的扫描来收集静态衍射图像(Gati等。, 2014【Gati,C.、Bourenkov,G.、Klinge,M.、Rehders,D.、Stellato,F.、Oberthür,D.、Yefanov,O.、Sommer,B.P.、Mogk,S.、Duszenko,M.,Betzel,C.、Schneider,T.r.、Chapman,H.N.和Redecke,L.(2014)。国际癌症杂志,1,87-94。】; 科凯勒等。, 2015【Coquelle,N.,Brewster,A.S.,Kapp,U.,Shilova,A.,Weinhausen,B.,Burghammer,M.&Colletier,J.-P.(2015),《结晶学报》第71期,第1184-1196页。】; 巴克斯特等。, 2016【Baxter,E.L.等人(2016),《晶体学报》D72,2-11.】)或定位晶体(赞德等。, 2015【Zander,U.,Bourenkov,G.,Popov,A.N.,de Sanctis,D.,Svensson,O.,McCarthy,A.A.,Round,E.,Gordeliy,V.,Mueller-Dieckmann,C.&Leonard,G.A.(2015),《结晶学报》第71期,第2328-2343页。】; 等。, 2016【Huang,C.-Y.,Olieric,V.,Ma,P.,Howe,N.,Vogeley,L.,Liu,X.,Warshamanage,R.,Weinert,T.,Panepucci,E.,Kobilka,B.,Diederichs,K.,Wang,M.&Caffrey,M.(2016),《结晶学报》D72,93-112.】)随后,在有限的角度范围内从最佳衍射晶体中进行剂量有限的数据采集。如果SSX数据集是在室温下记录的,而室温下的辐射损伤要比低温下严重得多,那么极快的数据采集将能够更好地监测辐射损伤的影响(Huang等。, 2015【Huang,C.-Y.,Olieric,V.,Ma,P.,Panepucci,E.,Diederichs,K.,Wang,M.&Caffrey,M.(2015),《结晶学报》第71期,第1238-1256页。】). 此外,高速、高通量数据采集应允许在室温下损伤显现之前在时间尺度上收集更多数据(Owen等。, 2014【Owen,R.L.、Paterson,N.、Axford,D.、Aishima,J.、Schulze-Briese,C.、Ren,J.,Fry,E.E.、Stuart,D.I.和Evans,G.(2014),《结晶学报》第70期,第1248-1256页。】; 科凯勒等。, 2015【Coquelle,N.,Brewster,A.S.,Kapp,U.,Shilova,A.,Weinhausen,B.,Burghammer,M.&Colletier,J.-P.(2015),《结晶学报》第71期,第1184-1196页。】). 探索新型晶体输送方法(如声悬浮)本质上取决于像EIGER 16M这样的快速探测器的可用性(Tsujino&Tomizaki,2016【Tsujino,S.&Tomizaki,T.(2016),科学报告6,25558。】).

第一次X光检查后近60年晶体结构由于X射线源、束线仪器、自动化、结晶、样品输送、数据采集和处理方法以及结构测定软件等方面的诸多改进,蛋白质的大分子晶体学仍在迅速发展。我们预计较小的像素尺寸、较高的帧速率和可忽略的读数停滞时间EIGER不仅将提高标准数据收集的质量和生产力,还将促进新兴数据收集技术在实验阶段的发展,就地和X射线同步加速器源的串行晶体学。

致谢

我们要感谢Roman Schneider和James Leuenberger在SLS光束线上安装了EIGER探测器,感谢Heiner Billich提供的计算支持,感谢Laura Vera准备测试晶体,感谢Thierry Zamofing提供的外部帧求和,感谢Kay Diederichs对XDS公司Clemens Vonrhein负责分析衍射图像和评估数据质量,Bernd Schmitt和SLS探测器小组负责PSI的EIGER开发。爱格16M的开发部分得到了瑞士技术与创新委员会CTI项目13454.1PFFLE-NM的资助。我们还要感谢审稿人为改进原稿提出了非常有用的建议。

工具书类

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