פרוטוקול הכנה והעברה לדוגמה לקריסטלוגרפיה באורך גל ארוך בוואקום בקו קרן I23 במקור אור יהלום

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להכנת מדגם קריוגני והעברת גבישים לתוך תחנת הקצה ואקום על קו קרן I23 במקור אור יהלום, לניסויים קריסטלוגרפיה באורך גל ארוך רנטגן מקרומולקולרי.

Abstract

קריסטלוגרפיה מקרומולקולרית באורך גל ארוך (MX) מנצלת את תכונות הפיזור החריגות של יסודות, כגון גופרית, זרחן, אשלגן, כלור או סידן, שלעתים קרובות נמצאים באופן טבעי במקרומולקולות. זה מאפשר פתרון מבנה ישיר של חלבונים וחומצות גרעין באמצעות פאזה ניסיונית ללא צורך בתיוג נוסף. כדי לחסל את ספיגת האוויר המשמעותית של צילומי רנטגן במשטר אורך גל זה, ניסויים אלה מבוצעים בסביבת ואקום. Beamline I23 במקור אור יהלום, בריטניה, הוא מכשיר סינכרוטרון הראשון מסוגו, תוכנן ואופטימיזציה לניסויי MX בטווח אורך הגל הארוך לכיוון 5 Å.

כדי לאפשר זאת, כלי ואקום גדול מקיף את כל רכיבי תחנת הקצה של סביבת המדגם. הצורך לשמור על דגימות בטמפרטורות קריוגניות במהלך אחסון ואיסוף נתונים בריק דורש שימוש בבעלי מדגם מוליך תרמית. זה מאפשר הסרת חום יעילה כדי להבטיח קירור מדגם כ 50 K. הפרוטוקול הנוכחי מתאר את ההליכים המשמשים להכנת מדגם והעברת דגימות לוואקום בקו הקרן I23. הבטחת אחידות בפרקטיקות ובשיטות שכבר נקבעו בקהילת הקריסטלוגרפיה המקרומולקולרית, ניתן לבצע קירור מדגם לטמפרטורת החנקן הנוזלי בכל הגדרת מעבדה המצוידת בכלי MX סטנדרטיים.

אחסון קריוגני והובלה של דגימות דורשים רק ציוד זמין מסחרית סטנדרטית. ציוד מיוחד נדרש להעברת גבישים מקוררים קריוגנית מחנקן נוזלי לתחנת הקצה של ואקום. כלי טיפול בדגימות בהתאמה אישית ומערכת העברה קריוגנית ייעודית (CTS) פותחו בבית. נתוני עקיפה שנאספו על דגימות שהוכנו באמצעות פרוטוקול זה מראים סטטיסטיקות מיזוג מצוינות, המציינות כי איכות הדגימות אינה משתנה במהלך ההליך. זה פותח הזדמנויות ייחודיות עבור MX בוואקום בטווח אורך גל מעבר לקורות סינכרוטרון סטנדרטיות.

Introduction

עקיפה ארוכת-גל של קרני רנטגן משמשת לרתום את תכונות הפיזור החריגות של אטומי אור ספציפיים הנמצאים במקור במקרומולקולות. זה עוזר לפתור את בעיית השלב הקריסטלוגרפי ולאשר באופן חד משמעי את זהותם ומיקומם של אלמנטים כאלה בתוך מקרומולקולות. בעוד בימים הראשונים של קריסטלוגרפיה מקרומולקולרית, מבני דה נובו נפתרו על ידי תחליף איזומורפי ^{מרובים1}, עם הופעתם של קרני רנטגן טונה ב סינכרוטרון, phasing ניסיוני המבוסס על אורך גל רב גל ואורך גל יחיד (SAD) טכניקות עקיפה חריגה הפכו לשיטות הדומיננטיות2 . שתי השיטות הסתמכו היסטורית על האיתות איזומורפי או חריג ממתכות כבדות, אשר צריך להיות הציג באופן מלאכותי לתוך הגבישים על ידי התגבשות משותפת או טבילת ^{קריסטל3}. גישת הניסוי והטעייה והתוצאה הבלתי צפויה יכולות להפוך את הניסויים האלה לגוזלים זמן מתסכלים. השילוב של סלנו-מתיונין במהלך ביטוי ^חלבון4 היא דרך אלגנטית מאוד להתגבר על מגבלות אלה ולנצל עקיפה חריגה באורכי גל קצרים, אם כי זה יכול להיות מאתגר מאוד במערכות ביטוי חלבון אוקריוטי.

MX באורך גל ארוך מושך מאוד לקביעת מבנה על ידי ניסויי SAD ^{מקוריים5,6} בשל הנוחות של שימוש בגבישים ישירות מניסוי התגבשות מוצלח ללא טיפול נוסף. בנוסף, גישה לשולי הקליטה של אלמנטים בעלי חשיבות ביולוגית גבוהה, כגון סידן, אשלגן, כלור, גופרית וזרחן, פותחת את ההזדמנות לזהות ישירות את מיקומם של אלמנטים אלה במקרומולקולות7,8,9,10. ברזולוציה בינונית ונמוכה, הקצאת אלמנטים המבוססת על צפיפות אלקטרונים 2Fo-Fc וסביבה כימית יכולה להיות קשה, במיוחד עבור אלמנטים עם מספר דומה של אלקטרונים או יונים קשורים חלש עם תפוסות חלקיות. ניתן לפתור את העמימות הזו על ידי איסוף נתונים מתחת ומעבר לקצה הקליטה של אלמנט העניין והפרשנות של ההבדל החריג בשלבי הדגם המתקבלים Fourier ^Maps11,12. איתור עמדות אטום גופרית במפות אלה יכול גם לסייע בבניית מודלים למפות צפיפות אלקטרונים ברזולוציה ^נמוכה13. קצות הספיגה של יסודות אור אלה נצפים באורכי גל בין λ = 3 ו- 6 Å (ראו איור 1, למעלה). טווח אורך גל זה היה הרבה מעבר ליכולות של כל קו קרן MX סינכרוטרון, ופעולה יעילה בטווח זה דורשת התגברות על מספר אתגרים טכניים, כמפורט להלן.

Beamline I23 במקור אור יהלום, בריטניה, הוא מכשיר ייחודי, שתוכנן במיוחד כדי להקל על ניסויי MX באורך גל ארוך, טונה בטווח אורך גל בין λ = 1.13 ו 5.9 Å (טווח אנרגיה בין E = 2.1 ו 11 keV). על ידי הפעלה בסביבה של ואקום ^גבוה14, ספיגת האוויר ופיזור מסולקים, וכתוצאה מכך משפרים את היעילות של ניסויי עקיפה ואת יחס האות לרעש. תחנת קצה גדולה של ואקום מקיפה את כל הרכיבים של סביבת המדגם, כולל גלאי פילטוס 12M חצי גלילי, גוניומטר רב-צירי, מערכות הצפייה והאיסוף המקוונות, וכן ציוד מותאם אישית להעברת דגימה ואחסון (איור 2). כל ציוד עבר אופטימיזציה כדי להבטיח שניתן יהיה לאסוף את נתוני אורך הגל הארוך באיכות הטובה ביותר. גלאי פילטוס 12M המעוקל יכול לאסוף לזוויות עקיפה של 2θ = ±100°, וכתוצאה מכך נתוני עקיפה ברזולוציה גבוהה מספיק אפילו באורכי הגל הארוכים ביותר (איור 1, למטה). 120 מודולי הגלאי נבחרו במיוחד עבור תאימות אנרגיה נמוכה וכיול עבור מצב רווח אולטרה גבוה נוסף סופקו.

סף הגלאי הנמוך ביותר האפשרי הוא 1.8 keV, מה שמוביל להגברת השפעות הפינה והקצה עבור אנרגיות נמוכות מ-3.6 keV ופגיעה באיכות הנתונים באורכי הגל הארוכים ביותר, במיוחד עבור גבישי פסיפס נמוכים, ניתן לראות. יש לקחת בחשבון את האפקט הזה בשילוב עם הירידה ביעילות הקוונטית של ^הגלאי15 בעת תכנון ניסוי. הגוניומטר הרב-צירי מאפשר ארגון מחדש של גבישים כדי לאפשר אסטרטגיות איסוף נתונים הממקסמות את האיכות והעוצמה של האות החריג, כמו גם את השלמות של הנתונים החריגים שנאספו. ספיגת הדגימה היא גורם מגביל לניסויים, במיוחד באורכי הגל הארוכים ביותר. תיקוני ספיגה, כפי המיושמים בחבילות תוכנה לעיבוד MX ^{הנפוצות16,17}, פועלים היטב לאורכי גל סביב 3 Å. אורכי גל ארוכים יותר ידרשו תיקוני ספיגה אנליטיים המבוססים על שחזורים ^{טומוגרפיים18} או אבלציה בלייזר כדי להסיר חומר שאינו מתפזר ולחתוך את הגבישים לצורות מוגדרות ^היטב19. זה האחרון גם יסייע בהפחתת הגודל של גבישים גדולים יותר כמו ניסויי עקיפה קרני רנטגן באורכי גל ארוכים יותר יעילים יותר עבור גבישים קטנים ^יותר14. האתגר של שמירה על דגימות בטמפרטורות קריוגניות במהלך איסוף נתונים מטופל על ידי קירור מוליך, כמו באמצעות התקני זרם גז קר בזרימה פתוחה אינו תואם לסביבת ואקום. לפיכך, חומרים מוליכים תרמית, כגון נחושת, נדרשים לחיבור המדגם לקריוקולר שפופרת דופק. הפינים הסטנדרטיים של SPINE מפלדת אל-חלד המשמשים בכל MX, כמו גם כל תושבות מדגם זמינות מסחרית אחרות, אינן מתאימות ל-MX באורך גל ארוך ואקום בגלל מוליכות תרמית ירודה שלהן.

מחזיקי הדגימה (SHs) עבור MX בוואקום חייבים להיות חלק חיוני מהמסלול התרמי להסרת חום (איור 3A). ככזה, הם מורכבים גוף נחושת מוליך תרמית וסיכה וכוללים שני מאפיינים חשובים: בסיס מגנט חזק כדי להבטיח קישור תרמי נאות לראש הגוניומטר הקר, והר מדגם, עשוי פולימיד, כדי למזער את ספיגת קרני הרנטגן ^{ופיזור20}. נעשו מאמצים להבטיח שחוויית המשתמש של קצירת קריסטלים וקירור הבזקים כמעט זהה לזו הקשורה לנוהלי MX סטנדרטיים. מכיוון ש-I23 SHs הייעודיים אינם תואמים ישירות לקורות קרן סינכרוטרון אחרות, מתאם נירוסטה משמש לתאימות עם המטות המגנטיים קוצרי הגבישים וממשקי הגוניומטר הקיימים בקורות קרן MX אחרות (איור 3B). המתאם חשוב גם לשימוש במתקני האוטומציה על קרני יהלום MX אחרים, המבוססים על ראשי אחיזה רובוטיים מסוג ^ALS21 ופריסות בסיס בסגנון ^unipuck22, אם וריאציה מדגם דורשת הקרנה מוקדמת מהירה לבחירה של גבישי הדיפרטור הטובים ביותר. ניתן לפרק את פרוטוקול ההכנה והטעינה לדוגמה לשני שלבים:

שלב 1: קצירת גבישים והקפאת הבזק המבוצעים על ידי משתמשים במעבדות שלהם

לאחר הערכת התאמת הפרויקט לאיסוף נתוני I23, מחזיקי מדגם עם לולאות התואמות את גדלי הגביש (שהורכבו מראש עם מתאמים) נשלחים למעבדות משתמשים לקצירת קריסטלים. כדי למנוע נזק, אין להפריד בין SHs ומתאמים ויש להשתמש בהם כיחידה אחת לצורך דיג גבישים עם לולאות בגודל המתאים באמצעות שרביטים מגנטיים סטנדרטיים לקצירת גבישים. כמקובל ב- MX, משימה זו מתבצעת באופן ידני תחת המיקרוסקופ, וגבישים מקוררים מיד בדוואר קצף עם חנקן ^נוזלי23. בשל חוסר התאמה של כוחות מגנטיים, SHs אינם תואמים כרגע עם unipucks. האחסון והמשלוח מתממשים באמצעות מסרקים (ראו טבלת החומרים), הזמינים למשתמשים על פי בקשה, יחד עם תוספות השולח היבש התואמות (איור 3C). דיסקיות אלה חולקות את אותה צלחת בסיס עם unipucks בשימוש נרחב ולאפשר הקרנה מוקדמת מהירה של דגימות בקורות MX יהלום אחרות. השאלת ציוד זה למשתמשים היא כרגע ההסדר הטוב ביותר, עד שבעלי המדגם בהתאמה אישית יהיו זמינים מסחרית. הובלה לקו הקרן דורשת את השולחים היבשים הסטנדרטיים המשמשים בקהילת MX.

שלב 2: העברת דגימות מקוררות קריו לתחנת הקצה של הוואקום

ברגע שהדגימות מגיעות לקו הקרן, הן מוכנות להעברה לתחנת הקצה של הוואקום. זה כרוך בהסרת SHs מ combipucks והפרדה ממתאמים. החדרת דגימות ביולוגיות לוואקום מתבצעת באופן שגרתי בתחום מיקרוסקופיית הקריו-אלקטרונים. חלק מהמושגים המבוססים היטב הותאמו להעברת מדגם I23. בקיצור, SHs מועברים תחת חנקן נוזלי על בלוקי העברה (איור 3D). בלוקים אלה יש מוליכות תרמית מעולה ומסה תרמית משמעותית, מניעת הגבישים מלהגיע לטמפרטורת מעבר זכוכית כאשר בוואקום. עד ארבעה בלוקים, עם קיבולת של ארבע דגימות כל אחד, נטענים תחת חנקן נוזלי לתוך דיסקית בלוק (איור 3H), המשמשת להעברת דגימות למערכת ההעברה הקריוגנית (CTS) או לאחסון במחדלי חנקן נוזליים בין ניסויים.

מערכת ההעברה הקריוגנית שפותחה ב-Diamond Light Source מורכבת משני תתי-מכלולים, תחנת הדגימה והמעבורת (איור 4A). תחנת הדגימה מורכבת מאמבט חנקן נוזלי לאחסון זמני של גבישי חלבון ויש לה תכונות ספציפיות כדי להבטיח בטיחות ולאפשר חוויה ידידותית למשתמש (איור 5). ה- CTS נשלט על-ידי בקר לוגי הניתן לתכנות באמצעות ממשק מסך מגע ידידותי למשתמש. בתחנה לדוגמה יש דיודות פולטות אור שנבנו להדמיה טובה יותר ומערכת של תנורי חימום הנשלטים בלולאה קרובה כדי להפוך את הייבוש של אמבט החנקן הנוזלי לאוטומטי לאחר העברת הדגימות. יש לו גם מגוון חיישנים כדי להבטיח בטיחות ותפקוד יעיל של המערכת. תחנת הדגימה כוללת חומרה מותאמת אישית כדי לספק ממשק חשמלי אמין לאינטראקציה עם המעבורת לפעולות, כגון שאיבת ואקום גס להעברת דגימה, כמו גם ניטור של רמות החנקן הנוזלי והטמפרטורה בתוך המעבורת.

המעבורת (איור 6) היא מכשיר נייד המשמש לאיסוף בלוק העברה מאמבטיית החנקן הנוזלי Sample Station ולהעברתו בתוך סביבת קריוגנית ואקום לתחנת הקצה. הוא כולל חנקן נוזלי dewar כדי לשמור על הדגימות קר במהלך ההעברה, ניטור רמת הנוזלים dewar, ומגוון של חיישנים לפעולה ובטיחות המשתמש. זרוע ההעברה מצוידת בכונן מגנטי וכוללת חריצים במכונה כדי להנחות את המשתמשים בטעינה ופריקה בטוחה של בלוקי העברה לתחנת הקצה. ההעברה מהמעבורת לכלי הוואקום מתבצעת באמצעות מנעל אוויר. מנעל האוויר הוא ממשק עבור המעבורת בתחנת הקצה המשמשת לפינוי המרחב הבין-מרחבי בין המעבורת לתחנת הקצה, לפני פתיחת שסתומי ואקום המעבורת ותחנות הקצה. רצפי השאיבה והאוורור הם אוטומטיים לחלוטין וניתן להפעילם באמצעות מסך מגע גדול עם ממשק ידידותי למשתמש (איור 4C). הפרוטוקול הנוכחי משמש להעברת גביש תאומטין לתחנת הקצה ואקום לאיסוף נתונים.

Protocol

1. קצירת קריסטל

הערה: השתמש בציוד מגן אישי מתאים: משקפי מגן וכפפות, במידת האפשר.

1. לאחר שה-SHs מגיעים למעבדת המשתמשים ב-combipucks (איור 3C), מפרידים את המכסה מבסיס המסרק כך שה-SHs יישארו מחוברים לבסיס, ובקבוקונים יישמרו במכסה.
2. יש לטבול את המכסה בבקבוקונים בחנקן נוזלי. חברו מתאם SH + (איור 3B, מימין) לשרביט מגנטי, וקצור גבישים כרגיל.
3. קירור פלאש כל מדגם ישירות לתוך combipuck, מה שהופך את ההערות של מיקום המדגם. כדי לסגור את הדיסקית, השתמש בשרביט דיסקית כדי לחבר את הבסיס למכסה.
4. מעבירים את המסרק מחנקן נוזלי לשולח היבש או לאחסון חנקן נוזלי. שלח את השולח היבש אל דיאמונד (https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Mx/Common/Common-Manual/Shipping-Samples.html).

2. העברה מדגמית לוואקום

1. טעינת SH מ- combipuck לבלוק ההעברה
   1. הניחו את בסיס דיסקית הבלוק (איור 3H) שכבר מאוכלסת בבלוקי העברה ריקים (איור 3D) על בסיס התמיכה שלה בתוך החנקן הנוזלי במיכל קצף (איור 3J-b).
      הערה: הכיוון של בלוקי ההעברה חשוב לדיוק של העברת מדגם בתוך כלי הוואקום. ככזה, יש למקם את הבלוקים על בסיס דיסקית הבלוק ולוודא שהסיכה המסומנת בחץ באיור 3D נמצאת בצד שמאל של הבלוק.
   2. מניחים את דיסקית הבקבוקון במיכל הקצף המלא בחנקן נוזלי, ומוודאים שבסיס הדיסקית מאובטח למחזיק המגנטי בתוך מיכל הקצף (איור 3J-a).
   3. מצננים מראש את כל הכלים הדרושים בחנקן נוזלי. השתמשו בכלי מפריד הדיסקיות המוצג באיור 3G בהגדרה הגבוהה H כדי להפריד את המכסה מהבסיס, כך שהבסיס יישאר מחובר למחזיק המגנטי וה-SHs ייחשפו בתוך החנקן הנוזלי.
   4. כדי להסיר כל SH מהמתאם שלו, השתמשו בשרביט המפריד (איור 3F) כדי לאסוף את ה-SH מבסיס המסרק, והמקמו במיקום המתאים של בלוק ההעברה במיקום האופקי של הקרוסלה באיור 3J-b.
      1. הנח את שרביט המפריד מעל מתאם SH + ככל שהוא יכול ללכת למטה, לוודא את השרביט הוא אנכי, כדי למנוע נגיעה במדגם.
      2. הזז את הידית הקטנה על שרביט המפריד כלפי מטה עם האגודל עד שהוא לוחץ, כדי לאבטח את SH בפנים ולמשוך את SH מן המתאם.
      3. הורידו את המפריד מעל תנוחת הבלוק הרצויה, וודאו שאחת משלוש השיניים מתאימה לחור המרכזי של הבלוק.
      4. שחרר את ה- SH על-ידי הזזת הידית למעלה. חזור על שלבים אלה עבור כל SH.
   5. לטעינת דוגמאות לבלוק הדגימה הבא, השתמשו בכלי מקש הקרוסלה (איור 3E) כדי לסובב בלוק ריק למיקום האופקי.
   6. חברו את הכלי מפריד הדיסקית המוצג באיור 3G באמצעות ההגדרה הנמוכה L למכסה דיסקית הבלוק על ידי הברגה בכיוון השעון.
   7. לאחר העברת כל ה-SHs, כדי לסגור את דיסקית הבלוק, הניחו את המכסה בחנקן נוזלי והמתינו שהטמפרטורה תשתווה, ואז התאימו את המכסה מעל הבסיס כמו באיור 3I. כאשר כלי ההפרדה מחובר, הרימו בעדינות כדי לשחרר מהקרוסלה.
   8. בשלב זה, ניתן להעביר את דיסקית הבלוק ל-CTS (איור 4B) או לאחסון חנקן נוזלי.
2. טעינת בלוקי העברה לתוך כלי הוואקום
   1. ודא שהמעבורת מחוברת בבטחה לתחנה. פתח את גז החנקן ושסתומי האוויר, וודא שהגזים זורמים. תדליק את הסי.טי.טי.
   2. אם לא ניכרות הודעות אזהרה בתצוגה, המשיכו בקירור האמבטיה והמעבורת עם חנקן נוזלי. מניחים את המשפך שסופק ביציאת המילוי על המעבורת, ויוצקים לאט לאט חנקן נוזלי לתוך המשפך תוך ניטור הרמה על המסך. עצור כאשר המחוון הופך מאדום לכחול.
      הערה: המעבורת מוכנה לשימוש כאשר טמפרטורת המושב הקר המוצגת במסך המגע היא מתחת ל- 100 K. ניתן למלא את אמבט התחנה לדוגמה בו זמנית באמצעות המשפך הנכון לרמה המסומנת על קיר האמבטיה או 100% בתצוגת רמת החנקן הנוזלי. רמות החנקן הנוזלי וחיישני הטמפרטורה צריכים להיות מנוטרים כל הזמן לאורך כל הפעולה; יידרשו מספר שכיבות סמיכה.
   3. ברגע שטמפרטורת המושב הקרה של המעבורת נמוכה מ-100 אלף ורמות החנקן הנוזליות במעבורת ובאמבטיה מתייצבות, העבירו דיסקית בלוק מחנקן נוזלי לאמבטיית CTS באמצעות כלי הפרדת הדיסקוס המצורף. הסר את המכסה של דיסקית הבלוק, ולסגור את המכסה של אמבט CTS.
   4. כדי להציג בלוק לתוך המעבורת, לפתוח את שסתום CTS, אם לא כבר פתוח, על ידי לחיצה על כפתור שסתום הסעות פתוח בתצוגה. פתחו את ידית המעבורת על ידי סיבוב של 90° בכיוון השעון, וקידום אותה לכיוון האמבטיה כך שהמסלול המודרך על הידית יאכוף את הנתיב הנכון של הנסיעה לכיוון האמבטיה. ברגע שכיסוי הבלוק נראה בתוך האמבטיה, אפשר לכיסוי להתקרר. לאחר מבעבע של חנקן נוזלי סביב הכיסוי נעצר, להתקדם לבלוק ההעברה.
   5. כדי לנעול את בלוק ההעברה על המעבורת, סובב את הידית 180° בכיוון השעון.
   6. משוך את נקודת האחיזה למיקום האחורי המקורי ולאחר מכן 'נעל' אותה במקומה על-ידי סיבוב של 90° נגד כיוון השעון.
   7. לחץ על סגור שסתום הסעות & משאבה במסך התצוגה כדי להתחיל בפינוי המעבורת.
   8. לאחר שהמסר ש-Shuttle מוכן להתנתק מוצג במסך המגע, לחץ על הידית שמתחת למעבורת והרם אותה בזהירות באמצעות הידית בחלק העליון.
   9. סעו את המעבורת למנעל האוויר בתחנת הקצה של הוואקום בתנוחה זקופה.
   10. חבר את המעבורת למנעל האוויר בתחנת הקצה של הוואקום.
       הערה: לאחר ההצמדה המאובטחת, מסך המגע בתחנת הקצה יאשר את מצב המעבורת ואת ההשתלבות.
   11. בחר מיקום בלוק ריק בתוך כלי השיט על ידי לחיצה על הכפתור המתאים במסך המגע והעברת המלון לדוגמה לעמדת הטעינה הנכונה.
   12. ברגע שהמלון לדוגמה נמצא במיקום, כפתור הפתיחה יהפוך לפעיל. לחץ על לחצן זה כדי לאתחל את רצף שילובי ואקום.
       הערה: המשאבה תופעל וההתקדמות תוצג בצג. פעולה זו עשויה להימשך עד שתי דקות.
   13. לאחר השלמת הרצף, המצב ישתנה ל - Airlock פתוח, העברה מתבצעת. סובב את הידית 90° בכיוון השעון כדי לפתוח את המוט, ולדחוף בעדינות את המוט לתוך כלי השיט כך שהמסלול המודרך שוב יאכוף את הנתיב הנכון של הנסיעה לכיוון מיקום המלון לדוגמה. באמצעות הזנת הווידאו המוצגת על המסך לקבלת הדרכה, הכנס באיטיות את הבלוק למלון, והבטיח שנורית מיקום החסימה בתצוגת המגע תופעל. לאחר ההפעלה, לסובב את הידית 180 ° נגד כיוון השעון כדי לשחרר את הבלוק, ולמשוך את המוט מתוך הכלי. לאחר משיכה מלאה, לסובב את הידית 90 ° נגד כיוון השעון כדי לנעול את המוט.
   14. לאחר נעילת המוט, לחצן סגור יהפוך לפעיל. לחץ על זה כדי לסגור את שסתום ואקום תחנת הקצה, ולפרוק את הרווח בין המעבורת ואת כלי השיט ללחץ אטמוספרי, מחכה עד 20 שניות להשלמה.
   15. המתן עד שהתצוגה תציג את אישור המצב כדי להסיר את המעבורת לאחר השלמת הרצף. בשלב זה, הסר את המעבורת וחזור ל- CTS כדי לחזור על התהליך עבור הבלוק הבא.
   16. כדי להכין את הבלוק הבא להעברה, סובב את דיסקית הבלוק בתוך האמבטיה. דחפו את מקש הסיבוב המובנה בחלק העליון של מכסה האקריליק כלפי מטה אל תוך המנעול במרכז דיסקית הבלוק. תוך כדי החזקתו, סובב את המפתח למיקום הבלוק הרצוי בתנוחת האיסוף.
   17. לאחר שכל הבלוקים הועברו, ודאו ששסתום המעבורת פתוח בזמן שהוא מותקן על ה- CTS. לחצו על כפתור האפייה במסך המגע, ובחרו גם אמבטיה וגם הסעות, ואז לחצו על Bake.
       הערה: זה מחמם הן את המעבורת והן את האמבטיה כדי להרתיח את החנקן הנוזלי ולאחר מכן להתאדות כל קרח / עיבוי שנצבר לפני השימוש הבא. לאחר שהאפייה התחילה, ניתן לכבות את הגז והאוויר.

תוצאות

גביש תאומטין הוצג לתחנת הקצה של הוואקום באמצעות הפרוטוקול המתואר לעיל. נתוני עקיפה נאספו באורך גל של 2.7552 Å (E = 4500 eV) כ- 3600 תמונות עם תוספת סיבוב של חשיפה של 0.1° ו- 0.1 שניות לתמונה. גודל הקרן הותאם ל-150 מיקרומטר x 150 מיקרומטר והופחת ל-10% שידור, עם מדידת שטף מקבילה של 7.1 x ¹⁰⁹ פוטונים/ש'. הבחירה של λ = 2.7552 Å מבוססת על פשרה בין העלייה באפקטים חריגים של אותות חריגים וספיגת מדגם לבין הירידה ברזולוציה לאורכי גל ארוכים יותר. אמנם לא קרוב לקצה הקליטה התיאורטי של גופרית (λ = 5.0095 Å), באורך גל זה, התרומה הדמיונית לגורם הפיזור של גופרית f" היא 1.57 e^- , גורם של 1.6-2.1 גדול יותר לעומת אורכי גל בין 1.7 ל 2 Å. האותות החריגים החזקים יותר הנובעים מכך מאפשרים דגש S-SAD מוצלח לפרויקטים מאתגרים יותר.

מגוון של ניסויי פאזה קשים כבר בוצעו על beamline I2324,25,26,27, עם נתונים שנאספו באורך גל זה. בעוד שלבים על ידי S-SAD אפשרי באמצעות אורכי גל קצרים בהרבה, זה לעתים קרובות דורש בניית אות חריג באמצעות מיזוג נתונים מגבישים איזומורפיים רבים כדי להגיע לערכי ריבוי מעל ¹⁰⁰²⁸. בשל האות החריג המשופר באורכי גל ארוכים יותר, רוב פרויקטי השלבים שנפתרו ב- I23 דרשו נתונים רק מגביש אחד. תמונת עקיפה מייצגת מוצגת באיור 7, משמאל. עיבוד נתונים באמצעות Xia2-3dii29 הפיק סטטיסטיקת מיזוג מעולה, כמפורט בטבלה 1. איור 7, נכון, מציג חלק מתמונת עקיפה מייצגת מערכת הנתונים של תאומטין וממחיש את הרקע הנמוך המקיף את השתקפויות Bragg, התורם לערכי ה- I/σ(I) הגדולים שנצפו בדרך כלל במערך הוואקום, ומבטיח שרק צילומי רנטגן הפזורים על ידי הדגימה יגיעו לגלאי.

הרזולוציה המקסימלית ברת השגה של 1.8 Å נובעת מגיאומטריית הגלאים ואורך הגל הנבחר של קרינת הרנטגן. ערכת הנתונים הניבה אות אנומלי חזק מאוד, משתקף באמצע השיפוע של פרמטר הסתברות נורמלית חריגה של 2.677, להקל על פתרון המבנה על ידי צינור phasing אוטומטי CRANK2. האיכות הגבוהה של מפת צפיפות האלקטרונים המתקבלת אפשרה בניית דגם אוטומטי מוצלחת על ידי מודול ^Buccaneer30 בתוך ^CRANK231, עם מיקום נכון עבור 100% מרצף חומצות האמינו של תאומטין. ההבדל החריג בשלבים מפת פורייה, המחושב עם ^ANODE11, חושף 16 אטומי גופרית מסודרים היטב ואטום גופרית אחד מ- Cys159 עם שתי קונפורמציות חלופיות, כפי שאושר על ידי 18 הגבהים המשמעותיים של הפסגות במיקומים של פיזורים חריגים בטבלה 2. 16 שאריות הציסטאין שבתוך תאומטין יוצרות 8 גשרים דיסולפידיים, שכולם נראים בבירור במפת 2Fo-Fc (איור 8).

איור 1: נתוני עקיפה ברזולוציה גבוהה מניסויי MX באורך גל ארוך. (A) חלקה של ערכי f" כנגד אנרגיה, המציינת את קצות הספיגה של יסודות אור הנגישים בקו הקרן I23. (ב) רזולוציה מרבית הניתנת להשגה בפינות גלאי P12M נגד אנרגיה. קיצור: MX = קריסטלוגרפיה מקרומולקולרית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: מקטע אופקי דרך כלי הוואקום עם כל מרכיבי תחנת הקצה. קיצור: OAV = מערכת צפייה על ציר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: כלי טיפול לדוגמה. (א) מחזיק מדגם I23. (B) סיכה סטנדרטית לעמוד השדרה MX (משמאל) לצד מחזיק מדגם I23 עם מתאם (מימין). (C) מכסה Combipuck ובסיס עם מחזיקי מדגם I23 (כחול). חסום מכסה דיסקית ובסיס עם שני בלוקי העברה (זהב). מקל משלוח יבש, התואם הן מסרקיות והן עם דיסקיות בלוק, נראה מאחור. (ד) בלוק העברה עם ארבעה מחזיקי מדגם I23. (ה) כלי מפתח המשמש לסיבוב של בסיס דיסקית הבלוק. (ו) שרביט מפריד. (ז) הכלי מפריד דיסקית עם שני חצים המציגים את ההגדרות הגבוהות והנמוכות. (H) לחסום בסיס דיסקית עם ארבעה בלוקים Cu ריקים. (אני) מכסה עבור דיסקית הבלוק. (J) מיכל קצף עם כל הכלים הדרושים להעברת מחזיקי מדגם מבסיסי combipuck לבלוקים נחושת. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: מערכת העברה קריוגנית. (A) תחנת מדגם CTS עם הסעות מחוברות והמשפכים המשמשים למילוי. (ב) דיסקית בלוק עם שני בלוקים העברה הממוקמים בתוך CTS. (C) CTS בקרת מסך מגע של תוכנת בקרה. קיצור: CTS = מערכת העברה קריוגנית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: תחנת מדגם מערכת העברה קריוגנית. קיצורים: נורות LED = דיודות פולטות אור; LN2 = חנקן נוזלי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: מעבורת מערכת העברה קריוגנית. קיצורים: נורות LED = דיודות פולטות אור; LN2 = חנקן נוזלי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: תמונות עקיפה. משמאל, תמונת עקיפה מקבוצת הנתונים שנאספה על גביש הטאומטין. מימין, נקודת עקיפה המוקפת בפיקסלים ברקע בספירה נמוכה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8: פתרון מבנה של תאומטין עם צינור אוטומטי CRANK2 (הגדרות ברירת מחדל, ללא עידון עוקב). (A) סקירה כללית של _{תאומטין} עם מפת 2Fo-Fc ב- 1.6σ (כחול) והפרש חריג בשלבים מפת פורייה ב- 5σ מחושבת ב- ANODE (ירוק). (ב) סקירה כללית של תאומטין המציגה רק את ההבדל החריג בשלבים מפת פורייה ב 5σ. (ג) מבט מקרוב על גשר דיסולפיד הנמצא בתאומטין עם מפת 2Fo-Fc ב 1.6σ (כחול) והבדל חריג בשלבים מפת פורייה ב 5σ. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

שם	תאומטין
אורך גל לאיסוף נתונים (Å) (אנרגיה (eV))	2.7552 (4500)
מספר התמונות x גודל טריז (°)	3600 x 0.1
קבוצת חלל	עמ' 41212
קבועי תא יחידה
(a = b, c) (Å)	57.8, 150.2
(α = β = γ) (°)	90
רזולוציה (Å)	150.22–1.80 (1.84–1.80)
השלמות	96.3 (81.1)
ISa	36.48
רמיאס	0.042 (0.118)
רפים	0.01 (0.049)
CC1/2	1 (0.989)
I/σ(I)	57.9 (14.7)
הריבוי	15.0 (5.4)
מדרון אמצעי	2.677

טבלה 1: סטטיסטיקת איסוף ועיבוד נתונים עבור Thaumatin ב- 2.755 אורך גל של Å בקו קרן I23, DLS. לרזולוציה, שלמות, _Rmerge, _Rmeas, _Rpim, _CC1/2, I/σ(I) וריבוי, פגזים ברזולוציה גבוהה מוצגים בסוגריים. קיצור: DLS = מקור אור יהלום.

האטום הקרוב ביותר	גובה שיא (סיגמא)
CYS9	25.83
CYS56	25.03
MET112	24.54
CYS149	24.37
CYS126	24.21
CYS145	24.2
CYS134	23.6
CYS177	23.48
CYS204	23.43
CYS66	23.17
CYS164	22.54
CYS193	22.15
CYS158	21.51
CYS77	21.21
CYS121	20.8
CYS71	19.17
CYS159_1	12.27
CYS159_2	8.34

טבלה 2: הפרש חריג פורייה מפה גבהים שיא כפי שחושב על ידי ANODE באמצעות הדגם בשלבים שנבנה באופן אוטומטי מ CRANK2.

Discussion

הפרוטוקול הנוכחי פותח כדי לעמוד בדרישות הכנת המדגם לניסויי MX ארוכי גל בוואקום בקו הקרן I23. זה היה בשימוש על קו הקרן בשנה האחרונה ותרם להשלמה מוצלחת של פרויקטים מרובים. כפי שעולה מהתוצאות המוצגות כאן, הפרוטוקול מאפשר העברה בטוחה ואמינה של דגימות לתחנת הקצה של הוואקום תוך שמירה על איכות העקיפה שלהן. זהו היבט חשוב לפעולת קו הקרן והוא ילווה בהכשרת משתמשים פנים אל פנים על ידי צוות beamline. חלק מהצעדים ראויים להדגשה כקריטיים להשלמתו המוצלחת והבטוחה של ההליך: העברת דגימות מבסיסי combipuck לבלוקים מדגם דורש דיוק ותשומת לב כדי למנוע דגימות מזיקות (ראה שלב 2.1.4); ניטור רמת החנקן הנוזלי בכל השלבים חשוב כדי למנוע דגימות להיחשף לאוויר או להיות במגע קרוב לחלקים שאינם מקוררים כראוי (2.1.3 ו 2.2.2); המתנה עד לסיום רצף Close (2.2.14), לפני הסרת המעבורת מתחנת הקצה (2.2.15), כדי למנוע השפלה של ואקום תחנת הקצה.

תפיסת הפרוטוקול החלה יחד עם מאמץ הנדסי שמטרתו פיתוח ציוד ייעודי להעברת גבישי חלבון לסביבת הוואקום. המוצרים הסופיים של פרויקט זה היו CTS וכלי הטיפול לדוגמה המשויכים שתוארו לעיל. ה- CTS מהווה שיפור משמעותי על קודמו, Leica EM VCT10014, ומסיר מגבלות מרובות, כגון היעדר מיגון מדגם וסביבת ואקום במהלך ההעברה, הצטברות קרח בתוך אמבט החנקן הנוזלי והיעדר ממשק משתמש אינטואיטיבי ותכונות בטיחות. מאפיינים נוספים של ה-CTS שמשפרים את חוויית המשתמש הם ניטור טמפרטורה ורמת חנקן נוזלי בתוך תחנת המעבורת והדגימה, אמבט בעל קיבולת גדולה יותר המאכלס ארבעה בלוקים בו זמנית, ולא אחד, ומנגנון בהדרכה עצמית לפעולת המעבורת. ה- CTS משולב באופן מלא במערכת בקרת קו הקרן עם ממשק מסך מגע ידידותי למשתמש ובטיחות ואקום ומכאני משופרת בעת התממשקות עם תחנת הקצה.

Beamline I23 הוא מכשיר סינכרוטרון MX באורך גל ארוך הראשון מסוגו, וככזה, החדרת גבישי חלבון לסביבה עתירת ואקום ואחסון שלהם בטמפרטורות קריוגניות, דרשה מאמצים ניכרים. שיפורים בכלי ההכנה לדוגמה ובפרוטוקול, כמו גם המאמצים לייעל תהליכים, הם מתמשכים. כחלק מתמיכת המשתמשים, צוות Beamline זמין תמיד כדי לסייע בפתרון בעיות. דוגמה לתרחיש אחד כזה תהיה בעיות שפוגעות בשלמות מערכת הוואקום, מה שמוביל לקשיים בהצמדה או הסרה של המעבורת אל / מ- CTS או מנעל האוויר של תחנת הקצה. רמות שונות של בדיקות מבוצעות על בסיס שבועי ויומיומי, והכשרת משתמשים תכסה בדיקות נוספות כדי למנוע כשלים פוטנציאליים, כמו בדיקה חזותית של טבעות O בממשקים שהמעבורת מתחברת אליהם. בעוד שסביבת הוואקום פותחת את ההזדמנות לבצע ניסויי עקיפה בטווח אורך גל שאינו נגיש בקורות אחרות, שלב ההעברה הנוסף מפחית את תפוקת הדגימה הכוללת.

ההעברה הידנית עם ארבע דגימות בלבד לכל בלוק העברה ועד חמישה בלוקים בתוך כלי הוואקום מגבילה את הקיבולת הכוללת ל -20 דגימות. לפיכך, עבור פרויקטים עם מדגם גדול כדי לדגום שונות, דגימות צריך להיות מוקרן מראש על beamlines תפוקה גבוהה יהלום, ולאחר מכן רק את הדגימות המבטיחות ביותר צריך להיות מועבר לניסוי אורך גל ארוך אופטימיזציה לאחר מכן. בעוד שמחזיקי המדגם ובלוקי ההעברה אינם משתנים מההקדמה הראשונית שלהם לפני מספר שנים, כלי הטיפול המוצגים כאן הם כל ההתפתחויות החדשות. מחזיקי הדגימה הייעודיים של I23 אינם ניתנים לשינוי בשל תפקידם בקונספט הקירור של קו הקרן. ככזה, העיצוב של כלי הטיפול בדגימות נועד ליצור קשר בין סוג חדש זה של מחזיק וכלים מסחריים סטנדרטיים הזמינים מסחרית שקהילת המשתמשים של MX אימצה במשך זמן רב, כגון combipucks, שרביט קצירת קריסטלים, ומערכת הובלת השולח היבש. העיצוב שלהם כלל התייעצות משמעותית עם קהילת המשתמשים ונדרש מספר איטרציות כדי להשלים. הציוד, הכלים והפרוטוקול המוצגים כאן מייצגים מערכת פשוטה וחזקה להעברת דגימות משתמשים לניסויים בקו הקרן I23 במקור אור יהלום. מכשיר זה לקריסטלוגרפיה מקרומולקולרית באורך גל ארוך פותח הזדמנויות חדשות לביולוגיה מבנית.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
12M detector	Dectris, Switzerland		single-photon-counting X-ray detector
CombiPuck	MiTeGen	SKU: M-CBP-P1	Cryopucks used for cryogenic storage and transport of I23 samples holders and samples
Crystal-harvesting magnetic wand	Molecular Dimensions	MD7-411	Used for harvesting crystal
Dry Shipper (CX100)	Molecular Dimensions	MD7-21	Used for cryogenic storage and transport of I23 samples holders and samples
Dry shipper insert (CombiPuck Transport Cane)	MiTeGen	SKU: M-CBP-PTC1	Used for cryogenic storage and transport of I23 samples holders and samples
Kapton polyimide			sample mount made of Kapton polyimide
Perpsex lid			acrylic lid with built-in rotation key
Thaumatin powder	Sigma-Aldrich	T7638	Used for production of thaumatin crystals by vapour diffusion