由DESY领导的一项由超过120名研究人员组成的国际合作宣布了欧洲新x射线激光XFEL首次科学实验结果。这项开拓性的研究不仅证明了新研究设施可以加快一个数量级以上的实验速度，而且还揭示了一种以前未知的酶的结构，这种酶负责抗生素耐药性。欧洲XFEL执行董事Robert Feidenhans'l强调：第一个使用欧洲XFEL团队的开创性工作为该设施的所有用户铺平了道路，他们从这些开拓性的实验中受益匪浅，我们非常高兴——这些结果表明，该设施的工作效果甚至比我们预期的还要好，并且已经准备好提供新的科学突破。
博科园-科学科普：科学家们在《自然通讯》上发表研究成果，其中包括在欧洲XFEL上首次发现的新蛋白质结构。来自自由电子激光科学中心(CFEL)的DESY科学家安东·巴蒂(Anton Barty)说：在一个全新的设施类别中，必须掌握许多以前没有人应对过的挑战。领导着大约125名研究人员组成的团队，参与了向整个科学界开放的第一批实验。我把它比作一架新型飞机的处女航：所有的计算和装配都完成了，一切都说它会工作，但直到你试飞，才能知道它是否真的能飞。这款3.4公里长的欧洲XFEL被设计成每220纳秒发射一次x射线。
当超亮的x射线闪光(紫色)击中水射流(蓝色)中的酶晶体时，记录的衍射数据允许重建酶的空间结构(右)的概念图。图片：DESY/Lucid Berlin
为了解开生物分子(如酶)的三维结构，这些脉冲被用来获得从生物分子中生长出来的微小晶体的闪光x射线曝光。每次曝光都会在探测器上产生一种特殊的衍射图样。如果从晶体的各个侧面记录到足够多的这种模式，就可以计算出生物分子的空间结构，生物分子结构可以揭示它是如何工作的。然而每一个晶体都只能被x射线照射一次，因为它被强烈的闪光蒸发了(在它产生了衍射图样之后)。因此为了构建完整的生物分子的三维结构，一个新的晶体必须通过水射流在激光的路径上喷射，及时进入光束，以备下一次闪光。在此之前，还没有人尝试过以如此快的速度对x射线样品进行原子分辨率分析。
迄今为止，任何一种x射线激光器的最快脉冲速率都是每秒120次闪光，即每0.008秒(或8000万纳秒)闪光一次。要以最快的速度探测生物分子，不仅要迅速补充晶体——水射流也会被x射线汽化，并且必须及时恢复。将携带样品的喷水速度提高到每秒100米，这大约是一级方程式赛车速度记录的速度。”Max Wiedorn和他来自CFEL的同事Dominik Oberthur一起处理了样品的运送工作，特别设计的喷嘴，确保高速射流稳定，满足要求。为了以如此快的速度记录x射线衍射图样，一个由DESY科学家Heinz Graafsma领导的国际联盟设计并建造了世界上最快的x射线照相机之一，专为欧洲XFEL制造。
自适应增益积分像素检测器(AGIPD)不仅能在x射线脉冲到达时快速记录图像，还能单独调节每个像素的灵敏度，最大限度地利用了编码样本结构信息的精密衍射模式。“欧洲XFEL的要求是如此独特，以至于探测器必须完全从零开始设计，并为这项任务量身定制。科学家们首先确定了一个非常著名的样品——蛋清溶菌酶的结构，作为试金石，以验证该系统是否如预期的那样工作。实际上，在欧洲XFEL衍生的结构与已知的溶菌酶结构完全吻合，显示出精细到0.18纳米(一毫米的百万分之一)。这是x射线激光性能的一个极好的证明，对分析的速度感到非常兴奋：过去需要几个小时的实验现在可以在几分钟内完成。使用的设置甚至可以进一步优化，加速数据采集。
欧洲XFEL为纳米宇宙的探索提供了光明的前景，x射线激光器的惊人性能也是DESY加速器部门的一个特殊成功，该部门领导了世界上最长、最先进的超导直线加速器的建设，推动了欧洲XFEL。作为研究的第二个目标，研究小组选择了一种在抗生素耐药性中起重要作用的细菌酶。分子指定CTX-M-14β-lactamase孤立于耐多药菌株的菌肺炎克雷伯菌医院在世界范围内的严重关切。两年前，根据美国疾病控制与预防中心(CDC)的说法，甚至在美国也发现了一种“泛耐药”肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)菌株，但26种常用抗生素均未对其产生影响。细菌的酶CTX-M-14β-lactamase存在于所有的菌株，工作原理就像一把分子剪刀剪开盘尼西林衍生抗生素的内酰胺环，从而使它们失去作用。
首席研究员安东·巴蒂博士(左)来自DESY和欧洲XFEL科学家理查德·比恩博士在SPB/SFX仪器，建立了第一个实验在新的设施。图片：DESY, Lars Berg
为了避免这种情况，抗生素通常与一种叫做avibactam的化合物一起使用，这种化合物可以阻断酶的分子剪刀。不幸的是，突变改变了剪刀的形状。一些医院的肺炎克雷伯氏菌菌株已经能够分裂，甚至专门开发出第三代抗生素。如果我们知道这种情况是如何发生的，就可能有助于设计出能够避免这种问题的抗生素。科学家们研究了一种CTX-M-14型β-内酰胺酶复合体，它是一种不耐药的“野生型”细菌，与该酶的活性中心结合在一起，这种结构以前从未被分析过。研究结果以0.17纳米的精度展示了Avibactam是如何贴合到酶表面上标志其活性中心的峡谷中。这种特殊的综合体以前从未见过，尽管这两个独立组成部分的结构已为人所知。
测量结果表明，可以记录高质量的结构信息，这是用欧洲XFEL记录酶与底物在不同阶段的生化反应快照的第一步。与汉堡大学医院UKE教授的合著者马丁艾普费巴赫和霍尔格罗德的研究小组一起，该团队计划使用X射线激光作为胶片相机，将这些快照组装成avbactam和这种β-内酰胺酶的分子动力学影像。这样的影像将使我们对生化过程有重要的洞察力，有一天它可以帮助我们设计出更好的抑制剂，减少抗生素的耐药性。影像化学和生化反应只是一个例子，一个全新的科学实验光谱由欧洲XFEL。一个关键因素是数据收集的速度。欧洲XFEL科学家Adrian Mancuso强调说：这为结构发现开辟了新的途径。
这个实验表明使用欧洲XFEL可能的发现率的差异，就像能够赶上一架飞越大西洋的飞机而不是搭乘一艘轮船在旅行时间上的差异一样引人注目，影响可能是巨大的。第一次在欧洲XFEL进行实验的时间是在2017年9月设施开放两周后，并向社区所有科学家开放，让他们参与、贡献、学习和获得在该设施进行此类测量的经验。这项开放科学政策的成功，可以从SPB/SFX工具上后来的宣传活动的成果迅速传播中看出。此外在欧洲XFEL进行所有连续结晶学实验时，社区的大量努力解决了以前未解决的数据管理和可视化挑战。DESY光子科学研究主任Edgar Weckert对整个团队的开创性工作表示祝贺：这些伟大的成就充分展示了超导高重复x射线激光器在高通量分析方面的潜力，这种分析可以从根本上改变这一领域的研究。
进一步说明（读者可参考）：
系列飞秒x射线结晶学(SFX)是测定样品原子结构的一种强有力的方法，通常是像蛋白质这样的生物分子。它建立在一个多世纪前开发的经典结晶学的基础上。在晶体学中，x射线照射晶体，晶体以特有的方式衍射x射线，在探测器上形成衍射图样。如果从晶体的各个侧面记录到足够多的衍射图样，就可以通过组合图样计算出晶体的内部结构，从而揭示晶体的基本结构——分子的形状。然而大多数生物分子非常脆弱，很容易被x射线破坏，也不容易形成晶体。通常，只有非常微小的晶体可以生长。像欧洲的XFEL这样短暂但极其明亮的x射线激光器的闪光同时克服了两个问题：它们的亮度足以产生可用的衍射图案，即使是最小的晶体，它们的长度也足以超过晶体的辐射损伤。
一个典型的x射线激光闪光只持续几飞秒(千万亿分之一秒)，并且在它蒸发之前就离开了晶体。这种“破坏前的衍射”方法甚至可以从微小的晶体中产生高质量的衍射图样。但是，由于每一个晶体都是在一次闪光中蒸发的，所以每一次闪光都必须用x光透视新的晶体。因此科学家们将数千个随机定向的蛋白质晶体喷射到x射线激光的路径中，并记录一系列的衍射图样，直到他们收集到足够的数据以原子分辨率计算出蛋白质的结构。为了收集数据，探测器必须记录世界上最快的x射线序列图像：欧洲XFEL每秒发射10次所谓脉冲序列的x射线闪光，闪光灯之间的间隔只有220纳秒。以前的x光相机都无法以如此快的速度拍摄图像。
自适应增益的开发者集成像素探测器(AGIPD)不得不使用一个小技巧：与传统数码相机不同，每个像素的像素的x射线相机配备了自己的352年记忆细胞的速度可以写近5兆赫(MHz)，匹配的x射线激光的脉冲重复频率。内存单元缓存图像数据并每秒读取10次。通过这种方式，AGIPD每秒可以记录3520张图像，产生与每秒两张dvd对应的数据流。而且每个像素都动态地调整其对进入的x射线光的灵敏度。这种“自适应增益”大大扩大了探测器的灵敏度范围。在同一幅图像中，只有一个光子的像素和有成千上万光子的像素。传统的数码相机不可能有如此大的动态范围。在欧洲的XFEL，一个AGIPD已经安装并投入使用，第二个AGIPD将在未来几个月内安装。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature Communications》
研究/来自：Deutsches Elektronen-Synchrotron
DOI: 10.1038/s41467-018-06156-7
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