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); 格鲁纳等。, 2012; 史密斯等。, 2012; 次要等。, 2006; 卡布施,2010年一,b条; 谢尔德里克,2010年; 亚当斯等。, 2010)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,即高剂量曝光,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; Bourenkov&Popov,2006年). 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). 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). 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; Liu&Hendrickson,2015年). 新的实验技术,如微结晶术(Cusack等。, 1998; 史密斯等。, 2012),系列晶体学(Gati等。, 2014)和室温晶体学(欧文等。, 2014),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).
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). 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; 约翰逊等。, 2012; 迪纳波利等。, 2011; 拉迪奇等。, 2012). 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).
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)纳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(一=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。
2.2.2. 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),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。
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)4三212 | P(P)4三212 | 我21三 | 我21三 | 单位-细胞参数 | 一(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 | 〈我/σ(我)〉 | 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). 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和2.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). 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°,即对应于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)。
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)4三212 | P(P)4三212 | P(P)4三212 | P(P)4三212 | P(P)4三212 | P(P)4三212 | P(P)4三212 | P(P)4三212 | 单位-细胞参数 | 一=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 | 〈我/σ(我)〉 | 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)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(即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。
3.结果和讨论
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 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。 |
3.4. 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)工作和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; Olieric公司等。, 2016). 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; 保龄球等。, 2010; 赞德等。, 2015; 沃伊迪拉等。, 2016). 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; 斯特拉托等。, 2014; 黄等。, 2015, 2016). 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; 大声地说等。, 2015). 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; 科凯勒等。, 2015; 巴克斯特等。, 2016)或定位晶体(赞德等。, 2015; 黄等。, 2016)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). 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; 科凯勒等。, 2015). 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).
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。
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| 结构性的 生物学 |
国际标准编号:2059-7983
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