Projektowanie synchrotronowej mikrowiązki dla krystalografii białkowej

Abstrakt

Krystalograficzna wiązka 08ID-1, która jest jedną z dwóch wiązek tworzących „Canadian Macromolecular Crystallography Facility” (CMCF) zlokalizowanych w ośrodku synchrotronowym Canadian Light Source (CLS), była zaprojektowana ponad trzynaście lat temu. Od 2006 roku pomiary wykonywane w CMCF zaowocowały ponad 400 pracami opublikowanymi w wysoko notowanych czasopismach naukowych oraz depozytami ok. 750 struktur białek w PDB. Krystalografia białek jest podstawowym narzędziem biologii strukturalnej. Dotąd jednak tylko niewielki ułamek z około 30,000 białek kodowanych przez genom człowieka zbadano strukturalnie z uwagi na ogromne trudności z syntezą i krystalizacją tych białek. Ponadto białka membranowe i duże kompleksy białek, które są zaangażowane w ważne procesy biologiczne, są również bardzo trudne w krystalizacji, a ich kryształy, jeśli uda się je otrzymać, zwykle słabo rozpraszają promieniowanie rentgenowskie. Dlatego konieczna była modernizacja wiązki 08ID-1 – aby umożliwić pomiary kryształów mniejszych niż 5 μm. Ponieważ synchrotron CLS ma stosunkowo wysoką emitancję (18 nm-rad), jedynym sposobem zwiększenia strumienia fotonów padającego na kryształ, bez zbytniego powiększenia rozbieżności wiązki, jest zastosowanie dłuższego niż obecnie undulatora (3.82 m). Nowy undulator wymagał modernizacji całej optyki rentgenowskiej. Ważnym elementem projektowania nowej wiązki była komputerowa symulacja propagacji promieniowania. Wyniki tej symulacji przedstawione są w niniejszej publikacji. Po modernizacji, wiązka naturalnie zogniskowana na krysztale będzie miała strumień >1013 fotonów/s i wymiar 50 x 5 μm2. Dodatkowe szczeliny pozwolą zmniejszyć średnicę wiązki do 5 x 5 μm2 przy strumieniu fotonów >1011fotonów/s. Stacja końcowa tej wiązki będzie wyposażona w robot zdolny pomieścić co najmniej 400 kryształów i zmienić kryształ w ciągu 20 s, oraz w nowoczesny detektor o powierzchni czynnej nie mniejszej niż 300 x 300 mm2, pozwalający na odczyt danych z częstotliwo-ścią nie mniejszą niż 20 Hz. Taki detektor daje możliwość pomiaru ciągłego, bez zamykania migawki wiązki, co zmniejsza nie tylko czas pomiarów, ale nade wszystko zmniejsza błędy związane z synchronizacją migawki z goniostatem i detektorem. Będzie też możliwość badania kryształów bezpośrednio w kroplach krystalizacyjnych w temperaturze pokojowej.