En ny generation af synkrotron

Inde i European Synchrotron Radiation Facility's lagerring med en diameter på 844 meter, elektroner, der rejser med næsten lysets hastighed, producerer nogle af de klareste røntgenstråler i verden. Disse røntgenstråler kan afsløre atomernes position og bevægelser i alle slags stof. Syv af anlæggets 44 beamlines er dedikeret til strukturel biologiforskning og drives i regi af et EMBL-ESRF-partnerskab kendt som Joint Structural Biology Group (JSBG).

Den makromolekylære krystallografi (MX) og små vinkelspredningsstrålelinjer drives af forskere fra begge institutioner, som bruger deres ekspertise til at hjælpe EMBL-forskere og gæsteforskere med at få strukturelle data. JSBG-strålelinjerne er en ekstremt værdifuld ressource for det internationale strukturbiologiske samfund.

En længe ventet åbning

For mere end halvandet år siden, ESRF blev lukket i 20 måneder, i hvilket tidsrum synkrotronringen blev fuldstændig ombygget og opgraderet til verdens første Extremely Brilliant Source (EBS) – et projekt på 150 millioner euro, der løber fra 2017 til 2022. Kort efter at den nye ring stod færdig i januar 2020, Der blev rutinemæssigt produceret røntgenstråler igen.

"Det var forbløffende, at når først den nye synkrotron var operationel, vi havde strålen tilbage og dataindsamlingen i gang på tre dage!" siger Matthew Bowler, fra McCarthy Team på EMBL Grenoble, og en af ​​videnskabsmændene, der er ansvarlige for en af ​​JSBG-strålelinjerne.

Efter en vellykket start på idriftsættelsen, ESRF-EBS - og med det beamlines - måtte forblive lukket igen på grund af COVID-19-pandemien. I løbet af de sidste måneder, Der blev kun givet ekstraordinær adgang til få brugere med projekter, der bidrog til den internationale videnskabelige indsats for forskningen i COVID-19.

Med åbningen i dag, innovationerne medført af EBS-projektet bliver endelig afsløret for det videnskabelige samfund. Udover konstruktionen af ​​en ny lagerring, de inkluderer et avanceret instrumentopgraderingsprogram, og forbedring af alle JSBG's strukturelle biologi-strålelinjer, især en væsentlig opgradering af MASSIF-1.

Et større niveau af automatiseret videnskab

MASSIF-1 er en af ​​de syv beamlines, der drives i fællesskab af ESRF og EMBL Grenoble, og var verdens første automatiserede beamline. Matthew Bowler, og Didier Nurizzo fra ESRF, forklar fordelene ved proceduren:"Strålelinjen arbejder 24 timer i døgnet. Forskere sender deres frosne krystaller med posten, og beamline-forskerne indlæser dem i et kryogent lagringssystem med stor kapacitet. Prøverne analyseres derefter af beamline helt automatisk."

Denne proces involverer en robot, der tager krystallen fra lageret ind i strålen, derefter finder komplekse algoritmer prøven og bestemmer den optimale eksperimentelle protokol. Når analysen starter, brugerne modtager en e-mail og kan se deres data blive indsamlet eksternt og i realtid.

"Automationen er fantastisk, " slutter Bowler. "Det vil gøre det samme arbejde for hver prøve, om det er klokken fire om eftermiddagen eller om morgenen."

I løbet af dette år bliver flere vigtige opgraderinger implementeret på MASSIF-1. For eksempel, et EMBL-udviklet mikrodiffraktometer – et instrument, der kan placere og rotere en krystal i røntgenstrålen med en nøjagtighed på en tusindedel af en millimeter – er netop blevet installeret. På et senere tidspunkt vil optikken, der fokuserer røntgenstrålerne på krystallen, blive tilpasset til den nye stråle produceret af EBS, som er 100 gange lysere end den forrige stråle.

En af de vigtigste opgraderinger til beamline vil være introduktionen af ​​FlexHCD-robotten. Denne robot er udviklet i fællesskab af Ciprani Team, EMBL Grenobles instrumenteringsteam, og ESRF Instrumentation Services and Development Division og Structural Biology-grupper. Denne nye enhed til håndtering af frosne krystal vil øge hastigheden af ​​dataindsamling væsentligt. "I øjeblikket, op til seks minutter er nødvendige pr. prøve, " forklarer Nurizzo. "Opgraderingen vil fordoble eller tredoble behandlingshastigheden."

Nye eksperimentelle muligheder

Før krystaller kan analyseres ved JSBG-strålelinjer, de skal genereres på et krystallisationsanlæg gennem en grundig og til tider kedelig proces med screening og optimering, hvilket typisk tager mange gange længere tid end selve diffraktionsforsøgene.

En anden vigtig opgradering involverer CrystalDirect-robotten, som blev udviklet i 2012 af Cipriani Team og Marquez Team på EMBL Grenoble. Denne teknologi muliggør fuld automatisering af krystalmontering og kryokøling, lette overførslen af ​​prøver mellem krystallisationsfaciliteten og synkrotronen.

I sin nye form, MASSIF-1 vil blive betjent i koordination med EMBL HTX Lab, hvilket vil bringe et nyt effektivitetsniveau, især i intensive fragmentscreeningskampagner til lægemiddelopdagelse. I øvrigt, i løbet af 2021, en af ​​CrystalDirect-robotterne fra HTX Lab vil blive integreret i MASSIF-1 beamline-miljøet. Dette vil være et stort skridt fremad og muliggøre levering af prøver direkte fra krystallisationspladen ind i røntgenstrålen. Alle disse udviklinger vil fastholde EMBL og ESRF på forkant med innovationer inden for MX beamline teknologi i verden til gavn for strukturel biologi.