Phasing using high intensity free-electron laser radiation

Abstract

X-ray free-electron lasers (XFELs) provide extremely bright X-ray pulses of femtosecond duration, that promise to revolutionize structural biology, as they can be used to collect diffraction data from micrometer-sized crystals while outrunning radiation damage. The high fluence of the XFEL pulses induces severe electronic radiation damage to the sample, and especially the heavy atoms are strongly ionized by the X-ray radiation. The aim of this thesis is to test if it may be possible to use this specific radiation damage effect as a new approach to phasing. By simulating serial femtosecond crystallography experiments at different X-ray fluence conditions, I describe that it is possible to use a Radiation damage-Induced Phasing scheme to retrieve the coordinates of the heavy atoms, and to correctly phase the model structure. Experimental data showed an effective reduction of the scattering power of a heavy atom inside a chemically modified protein, and of the sulfurs in a native protein. From the analysis of these experimental data, quantitative methods have been developed to retrieve information about the effective ionization of the damaged atomic species. The same analysis demonstrated that statistical methods can be used to sort the collected diffraction patterns, according to photon flux impinging on the sample. The knowledge of the real experimental conditions is critical for the success of high intensity phasing technique.

Freie Elektronen Röntgenlaser (X-ray Free-electron Laser - XFELs) liefern extrem helle Röntgenpulse von Femtosekunden Dauer, die die Strukturbiologie zu revolutionieren versprechen, weil diese verwendet werden können, um Beugungsdaten von mikrometergroßen Kristalle zu sammeln bevor Strahlenschäden auftreten. Die hohe Photonen Fluenz der XFEL Impulse induziert schwere elektronischen Strahlenschäden an der Probe und vor allem die schweren Atome werden stark von der Röntgenstrahlung ionisiert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu testen, ob es möglich sein kann, diese spezifische Strahlenschäden Effekte zur Phasierung zu verwenden. Durch die Simulation von seriellen Femtosekunden Kristallographie Experimenten bei unterschiedlichen Röntgenphotonen Fluenz Bedingungen zeige ich, dass es möglich ist, ein Schema des Phasierens mit Strahlenschäden (Radiation damage-Induced Phasing - RIP) zu verwenden, um die Koordinaten der Schweratome zu bestimmen, und so im Folgenden die Modellstruktur korrekt zu phasieren. Experimentelle Daten zeigten eine effektive Verringerung des Streukraft eines schweren Atoms innerhalb eines chemisch modifizierten Proteins und von Schwefel in einem nativen Protein. Aus der Analyse dieser experimentellen Daten wurden quantitative Methoden entwickelt, um Informationen über die effektive Ionisierung der beschädigten Atomarten abzurufen. Die gleiche Analyse zeigte, dass statistische Verfahren verwendet werden können, um die gesammelten Beugungsmuster nach Photonenfluss der auf die Probe trifft zu sortieren. Die Kenntnis der realen Versuchsbedingungen ist notwendig für den Erfolg der Technik des Phasierens mit hohe Röntgenintensität (high intensity phasing - HIP).