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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-76091
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7609/


Data processing and analysis in serial crystallography at advanced X-ray sources

Datenprozessierung und -analyse in serieller Kristallographie an modernen Roentgenquellen

Gati, Cornelius

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SWD-Schlagwörter: Kristallographie , Proteine , Biophysik , Freie-Elektronen-Laser , Synchrotron , Datenanalyse , Röntgenstrahlung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Strukturbiologie , Serielle Femtosekunden Kristallographie , Serielle Kristallographie , Proteinkristallographie
Freie Schlagwörter (Englisch): Structural Biology , Serial Femtosecond Crystallography , Serial Crystallography , Protein Crystallography
Basisklassifikation: 33.05 , 35.62 , 35.70
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Betzel, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.11.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 17.11.2015
Kurzfassung auf Englisch: In the recent past a tremendous effort has been devoted to designing X-ray sources producing radiation pulses with unique properties. With the advent of X-ray Free-Electron Lasers (XFELs), inherent limits of bioimaging can be overcome by delivering X-ray pulses short enough to outrun conventional radiation damage processes and to allow probing of timescales which were previously unthinkable to investigate. An important milestone on the way to the visionary goal of single-particle imaging using XFEL pulses was the development of serial
femtosecond crystallography (SFX). Under the conditions provided at an XFEL, a protein crystal is only exposed to the X-ray beam for tens of femtoseconds before it is completely destroyed. In the novel technique of SFX, data is collected from randomly oriented crystals that are exposed to the X-ray beam one at a time. In order to assemble a complete data set, it was essential to develop data analysis techniques that are capable of dealing with large quantities of snapshot diffraction data, which significantly differ from data obtained by conventional rotation series.
The primary focus of this dissertation is the investigation of SFX datasets, with a strong emphasis on aspects of data collection and analysis, as well as an outlook on possible improvements to the currently most broadly applied SFX data analysis pipeline. General differences between conventional macromolecular crystallography and SFX with respect to data processing and resulting biomolecular structures are discussed. The case studies used to illustrate the
SFX technique in this dissertation are manifold, ranging from the demonstration of a high resolution structure from X-ray diffraction on the smallest crystals (in vivo polyhedrin nanocrystals) known so far, to the first human membrane protein (5-Hydroxytryptamine-2B receptor) structure at ambient temperatures, and the first completely unknown structure solved by SFX (angiotensin II type I receptor).
Inspired by the success of serial femtosecond crystallography, the first proof-of-concept demonstration of serial crystallography data collection schemes at modern microfocus synchrotron beamlines, both at cryogenic and room temperature, is presented. Since synchrotron light sources are readily available, these synchrotron based serial crystallography approaches will benefit a broad spectrum of the structural biology community and will be applicable to a broad
range of samples.
Kurzfassung auf Deutsch: In den letzten Jahren war ein enormer Aufwand für die Konzeption von Röntgenquellen mit einzigartigen Eigenschaften, wie zum Beispiel außerordentlich hoher Strahlintensität und räumlicher Kohärenz, zu verzeichnen. Mit dem Aufkommen von Freie-Elektronen-Röntgenlasern (XFELs) wurden die Limitierungen von bildgebenden Verfahren für die Strukturanalyse von Biomolekülen überwunden, bei denen Röntgenpulse generiert werden die kurz genug sind um konventionelle strukturelle Strahlenschäden zu umgehen. Gleichzeitig wurden Experimente mit zeitlicher Auflösung ermöglicht, die bisher undenkbar waren. Ein Meilenstein auf dem Weg zum visionären Ziel der Strukturanalyse von einzelnen Biomolekülen durch XFEL Pulse war die Entwicklung der Seriellen Femtosekunden Kristallographie (SFX). Wegen der einzigartigen Bedingungen, die an einem XFEL gegeben sind, übersteht ein Proteinkristall den Röntgenstrahl nur für Bruchteile einer Sekunde, bevor der Kristall komplett verdampft ist. Um das volle Potential dieser bahnbrechenden Errungenschaften auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik optimal auszunutzen, war es notwendig diese
neuartige Methode der Datenerfassung auszubauen, indem der Kristall für jeden Röntgenstrahlpuls ausgewechselt wird und jeweils nur ein Diffraktionsmuster pro Kristall aufgenommen werden kann. Zusätzlich war es essenziell Datenanalysemethoden zu entwickeln, die in der Lage sind mit einer großen Menge an Diffraktionsschnapschüssen von willkürlich orientierten Kristallen umzugehen, welche sich signifikant von Daten unterscheiden die mit konventionellen Rotationsserien generiert wurden. Der Hauptaugemerk dieser Dissertation liegt auf der Untersuchung von mehreren solcher Datensätze, die mit der SFX Methode generiert wurden, wobei ein starker Fokus auf der Datenerfassung und -analyse,
sowie auf Verbesserungsmöglichkeiten, liegt. Generall werden Unterschiede der Datenprozessierung, sowie der resultierenden Molekülstrukturen mit konventionellen Methoden verglichen.
Die Fallbeispiele, welche in dieser Dissertation beschrieben werden, sind vielfältig. Beginnend mit den momentan kleinsten Proteinkristallen, die jemals einen Datensatz zu atomarer Auflösung ermöglicht haben, wobei ein Kristall aus lediglich 10000 Einheitszellen besteht, über die erste Struktur eines humanen Membranproteins bei Raumtemperatur, bis hin zur ersten komplett unbekannten Proteinstruktur, welche mit SFX gelöst wurde, wobei wichtige Einsichten
über einen pharmakologisch äußerst wichtigen Rezeptor erlangt wurden, der eine große Rolle bei der Behandlung von Bluthochdruck spielt, werden im Detail analysiert und beschrieben.
Inspiriert durch den Erfolg der Seriellen Femtosekunden Kristallographie wird als letzter Teil dieser Dissertation die Adaptation dieser Methodik an eine moderne Mikrofokus Synchrotronmessstation, jeweils bei kryogenen, als auch bei Raumtemperatur, präsentiert und im Detail beschrieben. Der Hauptvorteil dieser synchrotronbasierten Methode ist die Option, diese Ansätze auf andere Synchrotronquellen zu übertragen, was diese für ein breites Spektrum der Strukturbiologengemeinde zugänglich macht, bei dem ermöglicht wird, kleine Proteinkristalle, in der Größenordnung von Mikrometern, sowohl bei kryogenen Temperaturen, als auch bei Raumtemperatur zu untersuchen.

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