Algorithmen und Gold verbessern die Diffraktion mit holographischen Referenzen

25. Mai 2020

Die Röntgen-Einzelteilchen-Bildgebung (SPI) ist eine Technik, bei der die von XFELs erzeugten sehr hellen Röntgenblitze zur Abbildung einzelner Teilchen wie Biomoleküle genutzt werden. Wenn der Laserstrahl auf das Teilchen (ein Molekül oder einen Kristall) "geschossen" wird, erzeugt jedes Objekt ein Beugungsmuster, das den Wissenschaftlern hilft, die Struktur und das Verhalten dieses Materials zu verstehen. Die Forscher sammeln eine große Anzahl von Beugungsmustern von zufällig gedrehten Versionen dieser Partikel und kombinieren die Informationen dann rechnerisch zu einer 3D-Struktur.

Nun hat der Leiter der Forschungsgruppe, Kartik Ayyer, eine neue Methode entwickelt, um viel kleinere Biomoleküle mit einer feineren Auflösung als bisher abzubilden, indem bestimmte Materialien mit dem Partikel kombiniert werden, das dem Laser ausgesetzt wird - entweder Goldnanopartikel oder 2D-Kristalle. Dadurch entsteht eine so genannte holographische Referenz, eine zusätzliche Beugung, die - paradoxerweise - das Beugungsmuster des zu untersuchenden Materials verbessert. Seine Arbeit ist jetzt in Optica veröffentlicht worden.

Simuliertes Beugungsmuster eines Testobjekts, welches holografisch mit einem 2D-Gitter interferiert.

Holographische Referenzen sind eine Möglichkeit, die Effizienz von SPI-Experimenten deutlich zu verbessern. Eine holographische Referenz ist etwas, das sich in unmittelbarer Nähe des Zielteilchens befindet und dessen Beugung mit der des Teilchens "interferiert". Diese Interferenz hat den Vorteil, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern, aber noch wichtiger ist, dass sie das Gesamtsignal deutlich erhöht. Dadurch werden die großen Probleme der Partikelerkennung und der Hintergrundtoleranz gemildert, die das Verfahren vor allem bei kleineren Objekten plagen.

Das Hauptproblem bei solchen Referenzen ist jedoch, dass das zusammengesetzte Objekt (Zielpartikel plus Referenz) in der Regel sehr heterogen ist. Das bedeutet, dass man nicht mehrere Beugungsmuster zu einer guten 3D-Struktur kombinieren kann. Während die Idee der Holographie also mindestens seit den 1940er Jahren besteht (Dennis Gabor erhielt 1971 den Nobelpreis für die Methode) und seit Mitte der 2000er Jahre im SPI-Kontext vorgeschlagen wurde, konnte bisher noch niemand mit ihr hochauflösende 3D-Strukturen erzielen.

Dr. Ayyer, der die Gruppe Computational Nanoscale Imaging am MPSD leitet, hat einen neuen Algorithmus entwickelt, um die Struktur des Zielpartikels aus diesen zusammengesetzten Beugungsmustern zu rekonstruieren, indem er gleichzeitig die relativen Positionen, die Grösse usw. der Referenz löst. Er schlägt auch zwei experimentelle Konfigurationen vor, bei denen solche Referenzen verwendet werden könnten.

Die erste besteht darin, ein Gold-Nanopartikel auf dem Zielobjekt anzubringen und die Partikel in einem aerosolisierten Zustand abzubilden. Die experimentellen Methoden, sowohl für die Aerosol-Röntgenbildgebung als auch für das Anbringungsverfahren, haben sich in den letzten Jahren rasch entwickelt. Die zweite Konfiguration verwendet einen 2D-Kristall als Referenz. Das Signal wird nun in kristallographischen Spitzen konzentriert, was aus einer SNR-Perspektive ein wesentlicher Vorteil ist, aber die relative Position und Orientierung des Zielteilchens in Bezug auf die Einheitszelle des Kristalls muss für jedes Muster bestimmt werden.

"Diese Methoden sollten es uns ermöglichen, die SPI-Technik nicht nur auf große Viren und Proteinkomplexe auszudehnen, sondern auch auf wesentlich kleinere Partikel, die die Mehrheit der biologisch interessanten Moleküle ausmachen", sagt Kartik Ayyer. "Genau wieviel kleiner diese sein könnten, werden wir mit den Simulationen herausfinden, die wir derzeit durchführen."

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