Xfel лазер: Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах — Википедия – XFEL: гибрид микроскопа с ускорителем

Содержание

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах — Википедия

Страны-партнёры проекта European XFEL обозначены тёмным цветом.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (англ. European x-ray free electron laser, European XFEL) — международный проект по созданию самого крупного в мире лазера на свободных электронах[1]. Проект разработан исследовательским центром DESY и представлен в 2002 году[2]. На строительство и ввод в эксплуатацию лазера было потрачено 1,22 млрд евро. 58 % этой суммы предоставила Германия, 27 % — Россия[3][1].

Лазерная установка длиной 3,4 километра расположена в Германии на глубине от 6 до 38 метров под землёй и протянулась от лаборатории DESY в Гамбурге до окраины Шенефельда, где на территории 15 гектаров построены административные здания, экспериментальные станции и лаборатории.

Содержание

  • 1 Конструкция
  • 2 Исследования
  • 3 Научные инструменты
    • 3.1 Фемтосекундные рентгеновские эксперименты (Femtosecond X-Ray Experiments, FXE)
    • 3.2 Частицы, кластеры, биомолекулы; фемтосекундная кристаллография (Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography, SPB/SFX)
    • 3.3 Спектроскопия и когерентное рассеяние (Spectroscopy and Coherent Scattering, SCS)
    • 3.4 Малые квантовые системы (Small Quantum Systems, SQS)
    • 3.5 Отображение и динамика материалов (Materials Imaging and Dynamics, MID)
    • 3.6 Физика высоких плотностей энергии (High Energy Density, HED)
  • 4 Хронология строительства
  • 5 Примечания
  • 6 Литература
  • 7 Ссылки

Лазер генерирует синхротронное излучение высокой интенсивности, излучённое электронами, ускоренными до релятивистских скоростей. XFEL построен так, чтобы электроны синхронизированно вызывали рентгеновское излучение, что обеспечивает рентгеновские импульсы со свойствами лазерного излучения и интенсивностью, значительно превосходящей получаемую в традиционных источниках СИ так называемого третьего поколения. Лазер будет самым мощным в мире источником рентгеновского излучения[4].

Электроны через сверхпроводящий линейный ускоритель с максимальной энергией 17,5 ГэВ попадут в магнитные поля ондуляторов, где они будут двигаться по искривленным (синусоидальным) траекториям, излучая в рентгеновском диапазоне. Для создания эффекта сверхпроводимости элементы ускорителя охлаждаются жидким гелием до температуры минус 271 °C[3].

Рентгеновское излучение будет генерироваться самоусиливающейся спонтанной эмиссией, когда электроны взаимодействуют с излучением, создаваемым соседними электронами. Спонтанная эмиссия волновых пакетов позволит получать до 30 тысяч импульсов в секунду, а яркость излучения будет на порядки превосходить существующие аналоги.

Продолжительность импульсов не будет превышать 100 фемтосекунд, что позволит исследовать химические реакции, которые слишком быстры, чтобы изучать их иными методами. Длина волны рентгеновского лазерного излучения будет меняться от 0,05 до 6 нм, позволяя проводить измерения на атомном масштабе длины.

Сначала предполагается создать 3 канала вывода фотонных пучков с 6 экспериментальными станциями, в дальнейшем планируется увеличить эти числа до 5 каналов и 10 станций. Лазер будет использоваться для экспериментов в области физики, химии, наук о материалах, биологии и нанотехнологии.

По состоянию на конец 2018 года используются шесть экспериментальных установок:

Фемтосекундные рентгеновские эксперименты (Femtosecond X-Ray Experiments, FXE)[править | править код]
Частицы, кластеры, биомолекулы; фемтосекундная кристаллография (Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography, SPB/SFX)[править | править код]
Спектроскопия и когерентное рассеяние (Spectroscopy and Coherent Scattering, SCS)[править | править код]
Малые квантовые системы (Small Quantum Systems, SQS)[править | править код]

Экспериментальная лаборатория изучает взаимодействие мягкого рентгеновского излучения с веществом. Типичные объекты исследования — от отдельных атомы, до крупных молекул. Методы исследования — различные варианты спектроскопии. В лаборатории используются три станции:

  • AQS — атомо-подобные квантовые системы — изучает атомы и небольшие молекулы
  • NQS — наноразмерные квантовые системы — изучает кластеры и наночастицы
  • SQS-REMI — реакционный микроскоп, позволяющий изучать процессы ионизации и фрагментации путём анализа продуктов реакции вещества с рентгеновскими импульсами.
Отображение и динамика материалов (Materials Imaging and Dynamics, MID)[править | править код]

В стадии завершения. Первые эксперименты пройдут в 2019 году.

Физика высоких плотностей энергии (High Energy Density, HED)[править | править код]

В стадии завершения. Первые эксперименты пройдут в 2019 году.

В строительстве участвовали 12 стран: Дания, Франция, Германия, Венгрия, Италия, Польша, Россия, Словакия, Испания, Швеция,
Швейцария и Великобритания. Строительные работы начались в 2009 году. Официальное открытие состоялось в 2017 году[5][3].

9 января 2009 начало подготовительных работ на стройплощадке.

23 июля 2009 года Россия присоединяется к проекту.

28 сентября 2009 года для организации строительства и эксплуатации проекта создана некоммерческая организация European XFEL GmbH, основным акционером которой изначально являлся DESY[3].

4 февраля 2010 года Франция подтверждает своё участие в проекте.

7 июля 2010 по 6 августа 2011 года прокладка первого тоннеля.

8 сентября 2010 года Польша присоединяется к проекту.

12 января 2011 по 7 июня 2012 года прокладка второго тоннеля.

7 октября 2011 года Испания присоединяется к проекту.

26 июля 2012 года из России доставлены 125 магнитов.

6 июня 2013 года завершены все подземные работы.

30 сентября 2013 года установка инжектора электронов.

18 декабря 2014 года Великобритания присоединяется к проекту.

25 августа 2015 года установлено первое научное оборудование.

1 марта 2016 года собран первый ондулятор.

26 сентября 2016 года установка в тоннеле сверхпроводниковых сегментов ускорителя.

6 октября 2016 года официальная дата ввода в эксплуатацию установки[6].

1 сентября 2017 года Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах был официально запущен[7].

XFEL: гибрид микроскопа с ускорителем

Предположим, нам хочется запечатлеть какое-то быстрое событие, происходящее с маленькими частицами. Нет, даже не так – очень быстрое, происходящее с очень маленькими. Пожалуй, пара молекул нам подойдет. Химики, как правило, знают, что там было в качестве исходных веществ и что стало результатом реакции, не знают только, как именно этот результат получился. Возьмем в качестве примера гемоглобин. В учебниках написана чистая правда: его молекула устроена так, что захватывает молекулярный кислород, а затем отдает его по назначению – для дыхания клеток. Может вместо кислорода по ошибке захватить что-то непригодное для дыхания, вроде угарного газа, и потом уже не отдавать, превращаясь в бесполезный для организма балласт.

 

Известно, что немаленькая молекула, захватывая свою «цель», колеблется или, если угодно, совершает движения. А вот какие, в какой последовательности и как они связаны с конечным результатом – в точности неизвестно, их никто еще не мог рассмотреть достаточно детально и не торопясь. Аналогично обстоит дело со многими другими артефактами микромира – ситуаций, когда на них хочется поглядеть поближе, в современной науке очень много. Обычный оптический микроскоп имеет, к сожалению, принципиальное ограничение: все, что мы рассматриваем в него, должно быть много больше длины световой волны, иначе картинки не получится. Из-за этого, кстати, объекты молекулярных размеров и меньше не имеют даже цвета в привычном нам понимании.

 

Выходом является переход в другой диапазон электромагнитного излучения – смотреть на изучаемый предмет не в свете, но в рентгеновском излучении. Его длины волн на много порядков меньше, соответственно, хотя здесь работает подобное ограничение, в его лучах можно увидеть куда более мелкие предметы.

 

Как это делается

 

Вернемся в макромир. На окраине Гамбурга подошел к концу строительство европейского лазера на свободных электронах. Его сокращенное название, XFEL, так и расшифровывается: European x-ray free electron laser, то есть Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах. На поверхности земли объект состоит из двух комплексов зданий, разнесенных на три километра. Все самое интересное, как водится, размещено ниже, под землей. Трасса ускорителя состоит из главного тоннеля длиной около двух километров и диаметром 5,3 метра и системы вентиляционных тоннелей диаметром по 4,6 метра.

 

Для строительства в 2009 году создан некоммерческий консорциум European XFEL GmbH, основным акционером которого изначально является германское агентство DESY. Финансовые затраты распределены. На строительство и ввод в эксплуатацию планируется затратить 1,22 млрд евро. 58% этой суммы предоставляет Германия, 27% – Россия, доли остальных участников лежат в интервале 1–3%. Всего в проекте участвуют 11 стран.

 

Большая часть тоннелей проложена горизонтально на глубинах от 6 до 38 метров в зависимости от профиля местности и расположения конкретного тоннеля. Общая длина тоннелей – 5777 метров. В создании этой непростой системы участвовали два проходческих щита. Пучок электронов формируется инжектором. Это миниатюрный ускоритель, размером всего-навсего около сотни метров, размещенный под землей на той же глубине, что и основной комплекс. Вылетев оттуда, электронный пучок попадает в основной тоннель, где сверхпроводящие разгонные блоки доводят его скорость до околосветовой. Это само по себе завораживает, но на этом работа системы только начинается.

 

 

Разогнанный поток электронов попадает в ондулятор. Этот прибор с названием французского происхождения (фр. onduler – волноваться, колебаться) представляет собой последовательность достаточно мощных электромагнитов, поле которых отклоняет пролетающие частицы то в одну, то в другую сторону, образуя что-то вроде синусоиды. Смысл происходящего в том, что при повороте в противоположную сторону электрон движется с ускорением, а значит, теряет часть своей энергии, испуская гамма-квант. Движущиеся рядом электроны взаимодействуют с излучением соседей и «подключаются» к нему.

 

 

Происходит то, что в физике называется самопроизвольным усилением спонтанного излучения. Очень важно, что при некотором подборе параметров ондулятора это излучение когерентно, то есть электроны испускают синхронизированные по фазе фотоны, как и положено делать лазеру. Именно поэтому установка так и называется. Длина получающейся волны зависит в общем случае от угла испускания гамма-квантов по отношению к направлению движения электронов, от периода ондулятора и скорости пучка.

 

Первый параметр в лазере равен нулю, два других мы можем подбирать по своему усмотрению. Разумеется, они рассчитываются так, чтобы у нас получалось рентгеновское излучение с заданными параметрами. На этом жизнь электронного пучка – короткая, но яркая, – заканчивается. Его отводят в сторону и «топят» в специальной ловушке. А лазерный луч летит дальше. Какой-либо специальной техники для управления и фокусировки нет – когерентному лучу она не нужна, да и невозможна ввиду высокой мощности. Получившийся рентгеновский пучок настолько «ярок», что успеет проплавить насквозь любую линзу. Разумеется, высокоточная техника, отвечающая за рождение частиц и манипуляции с ними на безумных скоростях, работает без непосредственного участия человека, которому остается лишь задавать параметры работы.

 

Предки и родственники

 

Концепция XFEL не является чем-то совершенно новым. В этом несложно убедиться, бегло просмотрев специальную литературу, в которой рождающееся в системе рентгеновское излучение называется синхротронным. Синхротрон – плод развития ускорителей заряженных частиц, «созревший» в последнюю четверть XX века. Это кольцевой ускоритель, в котором пучки электронов движутся по кругу, периодически проходя через направляющие магниты и ускоряющее электрическое поле.

 

 

Набранная ими энергия частично расходуется на ондуляторах, вроде описанного выше. Конструкция страдает от принципиальных ограничений, вызванных необходимостью поддерживать круговое движение. С одной стороны, движущиеся по кругу электроны все время бесполезно излучают, и потери на это излучение колоссальны. С другой стороны, при генерации рабочего луча с них нельзя снять слишком много энергии, иначе они вовремя не доберутся до следующего разгона.

 

В сумме это приводит к тому, что, хотя достигнутые энергии очень велики (электроны удается разогнать почти до скорости света), на полезные цели уходит совсем небольшая их часть, и сегодня уже не удается ее сколько-нибудь заметно увеличить. Результатами оказываются малая яркость и некогерентный пучок. Это, разумеется, не означает, что синхротроны бесполезны. Это означает, что данная техническая идея себя исчерпала. Появление «прямых» лазеров оказалось лишь вопросом времени.

 

 

На сегодняшний день их преимущества перед синхротронами таковы: 1. Существенно более яркое излучение – примерно в миллиард раз. 2. Генерация очень коротких вспышек – до нескольких фемтосекунд, что открывает возможность снимать «кино» из жизни молекул, участвующих в совсем коротких сценках. 3. Когерентное излучение, дающее исследователям дополнительные возможности. Сегодня в мире действует всего четыре научных лазера на свободных электронах – в США, Японии, Германии и Италии. Еще три строят.

 

Европейский лазер будет среди них самым мощным, но в первую очередь самым быстрым. EXFEL дает 27 тысяч вспышек в секунду, в то время как японская установка SACLA генерирует 60, а американская LCLS – 120. Эту величину не надо путать с продолжительностью самой вспышки, у EXFEL речь идет о фемтосекундах, то есть о квадрилионных долях секунды.

 

Судьба артистов

 

Колоссальная яркость новой техники помимо новых возможностей влечет за собой и некоторые проблемы. Практически любой подопытный образец за те невообразимо маленькие доли секунды, которые он подвергается облучению, успеет остаться без «своих» электронов. Их унесет потоком набегающих фотонов точно так же, как порыв ветра уносит кепку зазевавшегося прохожего. Разница в том, что прохожий, оказавшись без головного убора, бросится следом и с вероятностью близкой к единице его поймает, а под лучом рентгеновского лазера останется тело, в котором будут только положительно заряженные частицы.

 

Они тяжелее и потому задержатся на своих местах чуть дольше. Одним словом, наш образец не доживет до следующего дубля – его разорвет электростатическим отталкиванием. Этот процесс занимает десятки фемтосекунд и в наш кадр не попадает – вспышка закончилась. Но он, увы, неизбежен. Продолжение съемок потребует нового состава участников. Когда говорят, что новая техника может работать с одной молекулой – это правда, но не вся. Одной молекулы нам хватит для портретной фотосъемки, а для кино потребуется новый состав актеров на каждый кадр. Кстати сказать, «портрет», запечатлеваемый детекторами, совсем не похож на снимаемый образец. В кадре видна какая-то клякса с выростами и заусенцами. Чтобы превратить ее в картинку, соответствующую тому, что было на самом деле, нужны специальные процедуры обработки, среди которых спектральный анализ – не самая сложная вещь.

 

Зачем это нужно?

 

Мы подошли к самому, вероятно, важному вопросу. А зачем это все? Дорогая установка, квалифицированные (то есть тоже дорогие) специалисты, годы работы? По опыту применения синхротронов, самыми активными пользователями неизменно оказываются представители современной биологии и медицины. Рентгеновское излучение вовсю задействовано в изучении пространственной структуры биомолекул, строения и функционирования клеток на уровне отдельных органелл. В 1980 году было расшифровано пространственное строение нескольких десятков биомолекул, к 2017 году их число перевалило за 93 тысячи.

 

Существуют несколько препятствий, которые на существующей технике обойти не удается. Образцы, оказавшиеся под рентгеновским облучением, получают повреждения – об этом мы писали выше. Предполагается, что EXFEL за счет коротких вспышек обойдет эту проблему: повреждения образца будут происходить уже после его съемки. Другая трудность связана с тем, что для работы на синхротроне белок нужно соответствующим образом подготовить и экспонировать в соответствующих условиях. Первое в переводе на нормальный язык означает, что белок должны вырастить в виде кристалла.

 

 

Это почти всегда сложно, иногда очень. Получается, что если сама работа занимает минуты, то подготовка к ней иногда требует нескольких лет труда. Для EXFEL все это несущественно – достаточно очень небольших порций вещества и экспонировать их можно в условиях, приближенных к естественным: при комнатной температуре и т. п. Отдельно упомянем процессы, происходящие с белковыми молекулами при их укладке в нужные природе структуры и при движении.

 

То и другое напрашивается на «киносъемку» – и теперь у нас есть для нее подходящая техника. Еще один интересный пласт проблем связан с фотосинтезом, точнее – нашими попытками воспроизвести его человеческими технологиями. В природе расщепление молекул воды и затем атомов водорода на протоны и электроны происходит в сложных биомолекулярных комплексах, использующих только дешевые, широко распространенные металлы: марганец и кальций. Их никто пока не видел в действии, поэтому механизм процесса нам до сих пор не ясен. Отдельный, очень интересный класс задач – в области каталитической химии.

 

Что делает катализатор, знают более-менее все, учившие химию в школе. А вот как он это делает – пока не знает никто, посмотреть на него в момент действия еще не удавалось. Это приводит к тому, что новые катализаторы поныне подбираются методом тыка, с огромными затратами труда и времени. То и другое можно сэкономить. Этим, понятное дело, не исчерпывается список задач для нового лазера. Новые времена открывают для нас новые перспективы.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Скопировать ссылку

Лазер на свободных электронах — Википедия

Получение рентгеновских лазерных лучей

Лазер на свободных электронах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов — ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур.

Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур — есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм[1]). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения[2]. Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.

Получение рентгеновского лазерного излучения[править | править код]

Изображение ускорителя заряженных частиц
Рис.3,Вигглер Хальбаха

Для создания лазерного рентгеновского излучения необходим пучок электронов, разогнанный в синхротроне до скорости, близкой к скорости света. Полученный пучок направляется в специализированный прибор для генерации лазерного рентгеновского излучения — вигглер.

Вигглер представляет собой магнит, создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное магнитное поле. Его можно представить себе как последовательность коротких дипольных магнитов, полярность каждого следующего из которых противоположна предыдущему. Вигглер устанавливается в прямолинейный промежуток электронного синхротрона, и ультрарелятивистский пучок проходит в нём по извилистой траектории, близкой к синусоиде, излучая фотоны в узкий конус вдоль оси пучка. Типичный диапазон длин волн синхротронного излучения, генерируемого вигглером, — от жёсткого ультрафиолета до мягкого рентгена, хотя существуют вигглеры с энергией генерируемых квантов до нескольких МэВ.

Вигглер, помещённый в резонатор (например, два соосных зеркала), — простейшая модель лазера на свободных электронах. Магниты, из которых собран вигглер, могут быть обычными электромагнитами, сверхпроводящими, либо постоянными. Типичное магнитное поле вигглера — до 10 Тесла. Мощность получаемого синхротронного излучения — до сотен кВт — зависит как от тока пучка, так и от поля, а также от количества полюсов вигглера (от трёх до нескольких десятков).

В настоящее время рентгеновский лазер требует использования ускорителей электронов со встроенной защитой (поскольку ускоренные электроны представляют значительную лучевую опасность). Эти ускорители могут представлять собой циклические машины, или линейные ускорители. Имеются также проекты использования сверхмощного лазерного излучения для ускорения электронов. Сам электронный луч обычно поддерживается в вакууме, который требует использования многочисленных насосов на пути луча.

Применяется для кристаллографии и изучения строения атомов и молекул (лазерная рентгеновская микроскопия).

Рентгеновские лазеры, включая FEL, способны создавать «мягкое» рентгеновское излучение с длиной, которая используется в медицинских целях. Оно не может проникнуть даже через лист бумаги, но идеально подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью энергии (чем короче длина волны, тем глубже луч проникает в плотную плазму), а также для исследования новых и существующих материалов.

Рентгеновская микроскопия продолжает совершенствоваться, приближаясь к разрешению в 1 ангстрем (0,1 нм) и открывая возможности для получения изображений атомов и молекулярных структур. Также найдёт применение в медицинских целях и микроэлектронике.

Постоянное уменьшение размеров установок, снижение их стоимости, получение настольных рентгеновских лазеров станет привычным инструментом в лабораториях по исследованию физики плазмы, так как имеет почти всё, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые несколько минут и малую длину волны. Их приспособляемость делает их очень желательными во многих областях, включая область медицинского диагностирования и неразрушающего метода исследований и др.[3]

В 2009 году под Гамбургом (Германия) началось строительство Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах и предполагается что он будет самым крупным в мире рентгеновским лазером. В этом проекте участвуют Германия, Франция и Россия. Стоимость проекта превышает 1 млрд евро.[4]

1 сентября 2017 года в Гамбурге был запущен Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах.[5]

ВМС США изучает перспективы применения лазера на свободных электронах в качестве оружия противовоздушной и противоракетной обороны. Лазер, разработанный в Лаборатории Джефферсона имеет выходную мощность, достигающую 14 кВт[6]. Ведутся исследования мегаваттного лазера воздушного базирования[7]. 9 мая 2009 года Бюро военно-морских исследований объявило о заключении с Raytheon контракта на разработку экспериментального лазера на свободных электронах мощностью в 100 кВт[8]. 18 марта 2010 года Boeing Directed Energy Systems объявили об окончании предварительного проектирования оружейной системы, основанной на лазере на свободных электронах, начатой по заказу ВМС США[9]. Исследования лазеров ведутся и в Лос-Аламосской национальной лаборатории, испытания полноразмерного прототипа намечены на 2018 год[10].

Впервые испытан мощнейший в мире лазер на свободных электронах

Отражение синхротронного излучения от кристалла тербия

Daresbury Synchrotron Radiation Source, 1990

Европейский лазер на свободных электронах (European XFEL) сгенерировал свой
первый пучок когерентного рентгеновского излучения. Согласно проекту, установка
станет самым ярким источником рентгена, в десятки тысяч раз превзойдя
светимость синхротронов. Официально XFEL начнет работу в сентябре, его
основное предназначение — исследование атомарной и молекулярной структуры
материалов (в том числе биологических). Об этом сообщает
пресс-релиз организации.

Длина волны рентгеновского излучения в сотни раз меньше, чем
у видимого света — она сопоставима или гораздо меньше размеров атомов. Это
позволяет активно использовать его для изучения атомарной структуры кристаллов.
Есть несколько видов источников рентгеновского излучения. Впервые рентген был
обнаружен в катодных трубках — приборах, в которых электроны срываются с
катода, ускоряются электрическим полем и врезаются в анод, заставляя последний
генерировать излучение за счет электронных переходов в атомах. Подобные
источники используются, например, в рентгеновских аппаратах в поликлиниках.

Более интенсивное излучение генерируется на ускорителях
заряженных частиц. Согласно законам электродинамики, заряженная частица,
которая движется с ускорением, излучает фотоны. Если при этом кинетическая
энергия (и скорость) частицы велика, то большой оказывается и энергия фотонов. Одними
из самых мощных источников рентгеновского излучения являются синхротроны. В них
электроны движутся с околосветовыми скоростями по кругу, диаметром в сотни
метров и испытывают центростремительное ускорение благодаря поворотным
магнитам. Яркость синхротронов на несколько порядков выше, чем у катодных
трубок.

Схема синхротрона Soleil (недалеко от Парижа)

Wikimedia Commons

Следующий шаг развития рентгеновских источников — лазеры на
свободных электронах. В отличие от синхротронов, эти установки линейные.
Электроны в них ускоряются сверхпроводящими резонаторами и направляются в
ондуляторную линию. Она состоит из огромного числа магнитов с чередующейся
полярностью — они отклоняют электроны от изначальной траектории то влево, то
вправо. На каждом таком повороте испускаются кванты рентгеновского излучения.

Схема работы ондулятора

Wikimedia Commons

В Европейском лазере на свободных электронах количество
таких магнитов превышает 17 тысяч. Прежде чем попасть в ондулятор, электрон
пролетает через 2,1-километровую ускорительную линию. Общая его длина
составляет 3,4 километра, прибор располагается неподалеку от Гамбурга
(Германия). Основная часть лазера находится под землей. Это крупнейший лазер на
свободных электронах из существующих.

Фрагмент ускорительного комплекса European XFEL

European XFEL / Heiner Müller-Elsner

В рамках первого пуска установки ученым удалось получить лазерные
пучки с длиной волны 0,8 нанометра. Частота генерации коротких импульсов
составляла один герц — один импульс в секунду. Когда установка выйдет на
проектную мощность, за одну секунду будет генерироваться 27 тысяч таких
100-фемтосекундных импульсов. Ожидается, что с ее помощью можно будет заснять «видео» того, как изменяются молекулы в ходе химических реакций. К примеру, с помощью предшественников E-XFEL физики засняли взрывы нанометровых ксеноновых кластеров, разрыв связи в молекуле иода и циклогексадиена, а также движение ударной волны в алмазе.

Схема E-XFEL

Kartik Ayyer et al. / Structural Dynamics, 2015

European XFEL
— не первый лазер на свободных электронах. Впервые подобный лазер был создан в
1971 году в Стенфорде. Частота излучения таких систем может варьироваться от рентгеновской
до инфракрасной. Самый яркий рентгеновский лазер на свободных электронах
находится на данный момент в национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд) — LINAC.  Длина волны его излучения может быть
установлена в пределах от 0,13 до 6,2 нанометров.

Владимир Королёв

Физики показали пучок мощнейшего лазера на свободных электронах XFEL

XFEL

Опубликованы первые фотографии пучка рентгеновского излучения установки XFEL — международного сверхмощного рентгеновского лазера на свободных электронах в Гамбурге, который построен с участием России. Об этом сообщается на сайте проекта.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) представляет собой установку длиной около 3,4 километра, которая расположена в системе подземных тоннелей в окрестностях Гамбурга и предназначена для получения фемтосекундных рентгеновских импульсов высокой интенсивности. Строительство установки заняло почти 8 лет, в проекте на сегодняшний день участвуют 12 стран. Общая стоимость создания лазера оценивается в 1,22 миллиарда евро (по ценам 2005 года), основной вклад внесли Германия и Россия (58 и 27 процентов от общего объема расходов соответственно). Первый пучок рентгеновского излучения был получен на XFEL весной 2017 года, а в сентябре 2017 года состоялся его официальный запуск. По средней светимости этот лазер примерно на четыре порядка превосходит синхротрон, а по максимальной светимости — на девять порядков, на сегодняшний день XFEL является мощнейшим в мире источником рентгеновского излучения. 

XFEL

XFEL

На опубликованных снимках путь пучка рентгеновского излучения выглядит как тонкая синяя полоса, толщиной один миллиметр, которая образована свечением возбужденных молекул азота. Из-за относительно слабого свечения фотографии были сделаны в полной темноте, а время экспозиции составило 90 секунд. Съемка велась внутри экспериментальной камеры FXE (Femtosecond X-Ray Experiments).

Впервые подобный лазер был создан в 1971 году в Стенфорде. В отличие от синхротронов, подобные установки являются линейными ускорителями частиц. Электроны в них ускоряются сверхпроводящими резонаторами и направляются в ондуляторную линию. Она состоит из огромного числа магнитов (в XFEL их более 17 тысяч) с чередующейся полярностью — они отклоняют электроны от изначальной траектории то влево, то вправо. На каждом таком повороте испускаются кванты рентгеновского излучения. За счет очень высокой интенсивности излучения, с помощью лазера можно исследовать объекты, которые его очень слабо рассеивают, например очень небольшие кристаллы. Также с помощью рентгена можно проследить и за динамическими процессами, например за изменениями молекул в ходе химических реакций или распространением ударной волны. А несколько месяцев назад вышла первая научная статья по результатам работы лазера XFEL, в которой рассказывается об определении трехмерной структуры белков лизоцима и конканавалинов A и B.

Лазеры на свободных электронах используются для исследования быстрых реакций на атомарном уровне. К примеру, с их помощью физики засняли ранее взрывы нанометровых ксеноновых кластеров и разрыв связи в молекуле иода.

Александр Войтюк

Рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL настроили на новые научные открытия

1 сентября состоялось официальное открытие европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) в Гамбурге. Мегаустановка позволит отслеживать химические, биологические реакции, физические процессы на атомном уровне и даже записывать эти процессы в формате видео. Благодаря этому ученые смогут разглядеть процессы, которые нельзя детектировать других способом. Это может привести в том числе к созданию новых лекарств и фундаментальным прорывам в физике. В торжественной церемонии открытия приняли участие ректор Университета ИТМО Владимир Васильев и проректор по международной деятельности Дарья Козлова. 

Установка XFEL. Источник: twitter.com

Открытие

На торжественной церемонии по случаю открытия XFEL были запущены первые два эксперимента, в которых рентгеновское излучение на свободных электронах будет играть важнейшую роль. Так, с помощью первого ученые показали, как можно изучать быстрые реакции, в частности, взаимодействие определенных молекул с водной средой. Второй эксперимент был нацелен на то, чтобы «расшифровать» структуру молекулы.

В мероприятии участвовали представители 12 стран, которые внесли свой вклад в строительство мегаустановки. Гости церемонии, в том числе министры европейских правительств, подчеркнули, что XFEL – это проект, направленный на развитие международной науки и самых актуальных научных проектов.

Церемония открытия европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) в Гамбурге. Источник: twitter.comЦеремония открытия европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) в Гамбурге. Источник: twitter.com

«Открытие действительно было очень вдохновляющим. Помощник президента Андрей Александрович Фурсенко в своем выступлении сказал, что весь мир ждет новых открытий, потому как возможности, которые открывает XFEL, безграничны и уникальны. Кроме того, все выступающие отмечали, что проект был сделан в оговоренные сроки и не вылез за рамки запланированного бюджета. Также было здорово спуститься под землю в туннель, на 20 метров вниз, и своими глазами увидеть лаборатории, где скоро свершится не одно научное открытие. Также мы продуктивно пообщались с нашими партнерами из Германии и России», – прокомментировала Дарья Козлова.

Что происходит в XFEL?

Основными составляющими мегаустановки, в которой генерируется когерентное рентгеновское электромагнитное излучение высокой интенсивности, являются линейный ускоритель электронов и система магнитных ондуляторов, расположенных в подземном туннеле протяженностью три с половиной километра. Пучки электронов в сверхпроводящем линейном ускорителе ускоряются до высоких энергий, а затем попадают в магнитные поля ондуляторов, где движутся по искривленным траекториям, излучая в рентгеновском диапазоне. Рентгеновские импульсы, получаемые в результате этих процессов, характеризуются очень короткой длительностью (сотни фемтосекунд) и высокой интенсивностью излучения, значительно большей в сравнении с получаемой на других устройствах – например, на синхротронах.

В рамках первого пуска установки, который состоялся 4 мая, ученым удалось получить лазерные пучки с частотой генерации один импульс в секунду. Сейчас, когда установка полностью готова к работе, туннель, в котором осуществляется разгон электронов и генерация рентгеновского излучения, полностью закрыт. Он залегает под землей на глубине от шести до 38 метров.

Что это в итоге дает?

Установка XFEL. Источник: tass.ruУстановка XFEL. Источник: tass.ru

Во-первых, рентгеновское излучение имеет очень короткую длину волны, поэтому с его помощью можно «разглядеть» объекты на атомном уровне. Сделать это с помощью обычного оптического микроскопа нельзя, так как длина волны видимого света больше, чем размеры таких объектов. Во-вторых, рентгеновские импульсы-вспышки будут очень и очень быстрыми, поэтому получится наблюдать сверхбыстрые процессы, например, образование межатомных связей в ходе химических реакций. При этом, они будут «записываться» покадрово, как кино. В-третьих, с помощью рентгеновских вспышек ученые смогут создавать и изучать вещества в экстремальных условиях по типу тех, которые есть в недрах Земли или внутри звезд.

В каких областях это будет полезно?

В первую очередь, в медицине и химико-биологических исследованиях. Под действием рентгеновского излучения молекулы веществ взрываются, поэтому очень трудно получить информацию о пространственном состоянии молекулы. В XFEL рентгеновские вспышки будут настолько быстрыми, что удастся детектировать состояние молекулы до ее полного разрушения с помощью построения дифракционных картин, которые будут показывать распространение рентгеновских волн после их «столкновения» с молекулами. Таким образом, рентгеновские вспышки позволят ученым расшифровать структуру еще большего количества биомолекул и биологических объектов, таких как клетки или мембраны, изучать биохимические реакции в действии.

Например, ученым до сих пор не ясно, как происходит процесс складывания белка из линейной цепочки молекул аминокислот. Нередко процесс происходит неправильно, что связано со многими болезнями: сахарным диабетом, болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Кроме того, мегаустановка позволит лучше изучить природу вирусов и создать основу для будущих лекарств. Благодаря XFEL также удастся исследовать новые технологии и материалы для освоения солнечной энергии, анализировать свойства различных материалов для получения новых композитов, а также детально исследовать наноматериалы.

Испытания лезера. Источник: twitter.comИспытания лезера. Источник: twitter.com

Как будет организована работа на XFEL

Вклад России в строительство XFEL составляет 27%, Германии – 58%, остальные страны-участницы проекта вложили от 1% до 3%. Такое активное участие России в строительстве позволит отечественным ученым существенно влиять на планирование научной работы на мегаустановке, определять направления проводимых там исследований. Ведь главный ресурс установки – время работы с рентгеновским пучком – будет использоваться с учетом вклада стран в создание XFEL.

Работа российских ученых на установке осуществляется под эгидой национальной научно-образовательной ассоциации «Исследовательские установки МЕГА-класса», которая координируется национальным исследовательским центром «Курчатовский институт». Университет ИТМО является участником ассоциации. Главная задача ассоциации – готовить проекты для их реализации на XFEL и других мегаустановках.

Сейчас по всему миру в ведущих научных институтах создаются центры по подготовке проектов для XFEL. Так, еще в 2015 году в Университете ИТМО было организовано новое подразделение – Транснациональный научно-образовательный UniFEL-центр перспективных методов исследования материалов. Для этого между Университетом ИТМО и Техническим университетом Фрайберга (TU Bergakademie Freiberg) было заключено соглашение о сотрудничестве. Российские и немецкие ученые будут совместно готовить материалы для дальнейших экспериментов на XFEL, а также разрабатывать совместные образовательные магистерские и аспирантские программы. В ближайшее время должен быть объявлен конкурс среди научных организаций на использование пучкового времени мегаустановки.

Проекты Университета ИТМО для XFEL

Делегация Университета ИТМО в ГамбургеДелегация Университета ИТМО в Гамбурге

Университет ИТМО намерен участвовать в конкурсе с двумя проектами. Первый – это изучение фотокаталитической активности коллоидного раствора наночастиц бисиликата серебра. Фотокатализ – это ускорение химической реакции за счет одновременного воздействия определенного химического вещества (катализатора) и света. Ученые Университета ИТМО обнаружили, что в растворе наночастиц бисиликата серебра происходит реакция окисления железа. С помощью рентгеновского лазера исследователи планируют проследить динамические изменения в структуре фоточувствительного наноматериала.

Второй проект – это исследование полупроводниковых нанопроволок. Такие наноматериалы могут найти применение в устройствах интегрированной кремниевой оптоэлектроники. Однако для того, чтобы начать разрабатывать практические приложения для нанопроволок, необходимо более детально изучить различные физические процессы, которые происходят при их формировании и модификации. Это можно будет сделать на установке XFEL.

«Условия отбора научных групп для реализации их проектов на XFEL пока точно не известны. Однако, скорее всего, рассмотрением заявок будет заниматься экспертный совет, состав которого будет выбран комиссией XFEL и который будет, вероятно, засекречен, чтобы защитить экспертов от возможного давления», – прокомментировал руководитель UniFEL-центра, заведующий кафедрой современных функциональных материалов Алексей Романов.

Алексей РомановАлексей Романов

Контакты вуза с XFEL

В середине лета научная делегация Университета ИТМО уже посетила XFEL, где ознакомилась с устройством мегаустановки на рабочей встрече, организованной научным директором XFEL и соруководителем UniFEL-центра Сергеем Молодцовым. Также делегация обсудила перспективы возможного сотрудничества с председателем совета директоров мегаустановки, доктором Робертом Фейденханслом (Dr. Robert Feidenhans’l). Оказалось, что доктор Фейденхансл является экспертом в области исследований физико-химических свойств нанопроволок.

Участие Университета ИТМО в работе европейского рентгеновского лазера – это не только возможность для ученых вуза реализовывать свои эксперименты на мощнейшей мегаустановке. Обучающиеся вуза также смогут участвовать в работе UniFEL-центра перспективных методов исследования материалов и готовить проекты для XFEL, подчеркнул Алексей Романов. Для работы на лазере будут выбираться самые инновационные и перспективные проекты, находящиеся на переднем крае науки.

Фемтосекундные рентгеновские лазеры — кристаллография будущего

Метод рентгеноструктурного анализа до сих пор является «золотым стандартом» в исследовании пространственной организации биополимеров, в частности белков. Несмотря на это, он не лишен существенных недостатков и ограничений: необходимые кристаллы трудно получать, кристаллизуемые молекулы обычно помещают в условия, далекие от таковых в клетке (температура, ионная сила и т. п.), получаемая структура зачастую является «средним по палате», а информация о подвижности молекул и вовсе напрямую недоступна. Однако новые фемтосекундные рентгеновские лазеры сулят истинный переворот в области структурной биологии. Возможно, в скором будущем кристаллизовать и вовсе не придется, а исследователи будут снимать «кино» про единичные молекулы с атомарным разрешением.

Нет сомнений, что белки — молекулы, определяющие жизнь. С помощью белковых каналов в нервных клетках мы думаем, с помощью белковых ферментов перевариваем пищу, с помощью белков-антител защищаемся. Но белок работает на нас только тогда, когда правильно сложен, то есть приобрел правильную конформацию, укладку. А какая она, правильная? Вновь синтезированный белок — как квадрат белой бумаги для оригами: можно сложить кораблик, а можно журавля. Конечно, выбор ограничен, но огромен, даже если известна длина белка и все входящие в его состав аминокислоты (в нашей аналогии — размер квадрата бумаги).

Знание структуры белка необходимо в первую очередь для медицинских разработок, особенно для подбора эффективных лекарств — драг-дизайна [1]. Если разработчики будут знать точное место белка-мишени, на которое действует активный компонент лекарства, это и удешевит драг-дизайн (а значит, снизит стоимость лекарства), и — с большой вероятностью — устранит побочные эффекты.

На фоне этой необходимости родилось новое направление биологии — структурная геномика, которая, комбинируя компьютерное моделирование и экспериментальные подходы, ставит амбициозные цели определить структуры всех белков, кодируемых данным геномом*. За 15 лет существования программа по структурным исследованиям белков (PSI — Protein Structure Initiative) автоматизировала систему кристаллизации и анализа, охарактеризовала около 7000 белков, но породила некоторые споры [2]. Дело в том, что охарактеризованные белки большей частью бактериальные, функции их не всегда известны, и подходят они разве что для «соревнований» компьютерных программ предсказания белковых структур по последовательности аминокислот (I-TASSER и Rosetta), но не для целей драг-дизайна [3].

Однако основное возражение куда более конструктивно, чем «вы определяете структуру не тех белков» (попробуйте, определите структуру «тех»). А такая ли в клетке, in vivo, структура белка, как вы определили? Это указывает на слабое место современной структурной биологии. Главный физический метод, которым она оперирует, — рентгеноструктурный анализ — работает с кристаллами, а при кристаллизации белок может сложиться не так, как в клетке. Кроме того, кристалл не может показать конформационных изменений, происходящих при модификации белка или взаимодействии фермента с субстратом, не говоря уже о том, что мембранные белки — рецепторы и каналы (как раз первые цели лекарств) — вообще плохо кристаллизуются. Однако луч света — яркого света лазеров на свободных электронах — уже забрезжил в темном царстве.

1. РЛСЭ в структурной биологии

Недавние разработки в области рентгеновских лазеров на свободных электронах (РЛСЭ, XFEL, X-Ray Free-Electron Laser) открывают совершенно новые возможности для структурной биологии. Еще в конце прошлого столетия невозможно было поверить, что появится возможность получать изображения единичной молекулы, используя рассеяние электромагнитного излучения, поскольку необходимые для наблюдения высокоуглового упругого рассеяния дозы излучения попросту разрушат исследуемый объект [5]. Позднее было высказано предположение, что использование кратковременных импульсов позволит избежать разрушений [6]. Если в исследовании применить «мгновенный» и сверхинтенсивный рентгеновский пучок, то картину упругого рассеяния без искажений от разрушения объекта можно будет получить вне зависимости от дозы излучения, разрешения и размера образца — вплоть до уровня единичной молекулы. Фактически молекула «расскажет» о себе всё, еще не успев разрушиться. А там — будь что будет.

Современные эксперименты показали, что, если доза излучения передается за короткое время, действительно можно получить картину рассеяния без следов разрушения [7]. В данном случае рассеяние происходит быстрее, чем последующее разрушение образца, что дает возможность получать «молекулярные снимки» в режиме «рассеяние-до-разрушения». Однако неизбежное разрушение объекта после прохождения луча требует постоянного обновления образца — подбора частиц с идентичными характеристиками: молекул белка и их олигомеров, вирусов и т.д. Достичь атомного разрешения при использовании методики «рассеяние-до-разрушения» возможно только с помощью когерентного суммирования Брэгговского рассеяния от нанокристаллов.

Если «молекулярные снимки» получены для множества случайных ориентаций и молекула имеет предположительно ограниченное число конформаций, то появляется возможность отсортировать полученные данные и объединить их в трехмерное «молекулярное кино». При этом, как было показано в вычислительных экспериментах [8], для реконструкции требуется, чтобы конформационные и ориентационные изменения можно было различить.

1.1. Принцип работы систем с использованием РЛСЭ (физика)

На сегодняшний день уже очевидно, что только технические характеристики РЛСЭ и инжекторов образцов (яркость, диаметр пучка, частота повторения импульсов, коэффициент попадания, фоновые эффекты от растворителя и т.д.) ограничивают получение картины рассеяния на уровне единичных молекул.

Рассмотрим физические основы метода РЛСЭ. Для получения лазерного луча (рис. 1), «несущего» необходимое когерентное излучение, используется пучок электронов, разогнанных на линейном ускорителе до скорости, близкой к скорости света (uc). Эмиссия и усиление электромагнитных волн происходит в системе, состоящей из массива магнитов, поочередно меняющих свою полярность (ондулятор) с периодом L. Периодическое магнитное поле B ондулятора описывается формулой:

B = B0sin (2πut/L)

Электроны, попадая в такое магнитное поле, начинают осциллировать с поперечной скоростью (vt), что приводит к испусканию ими электромагнитных волн. В отличие от обычного ондулятора, в РЛСЭ электроны испускают скоррелированные электромагнитные волны*.

Схема работы рентгеновского лазера

Рисунок 1. Схема работы рентгеновского лазера на свободных электронах. 1. Источник и ускоритель электронов. 2. Система магнитов (ондулятор). 3. Ловушка для электронов. 4. Рентгеновский луч. Траектория движения электронов показана красной синусоидой. Пучок электронов из ускорителя (1) на высокой скорости попадает в периодическое магнитное поле, создаваемое ондулятором (2), и сам начинает испускать скоррелированные электромагнитные волны каждые 10–200 фс (4). После создания лазерного рентгеновского пучка электроны удаляются улавливателем электронов (3). Рисунки из [9] и [10], адаптированы.

При использовании РЛСЭ в структурной биологии необходимо знать, что длина импульса излучения обычно составляет 10–200 фс (фемтосекунд), а мощность — примерно 5 МДж. Это соответствует пиковой рентгеновской мощности вплоть до 50 ГВт. При энергии фотонов 8 кЭВ данный импульс несет 4 × 1012 фотонов (или 6 × 1013 — при энергии 500 ЭВ). При этом эффективность передачи излучения от источника к образцу составляет 20%. Импульсы практически полностью когерентны и монохроматичны, разброс в диапазоне частот составляет ~ 0,1% (хотя длина волны от импульса к импульсу может варьировать в пределах 0,3%).

На рисунке 2 показана общая схема* установки, используемой в ранних работах по белковой нанокристаллографии в Стэнфорде.

Схема стэнфордской установки LCLS

Рисунок 2. Схема стэнфордской установки LCLS для фемтосекундной нанокристаллографии. Частицы образца распыляются в вакууме газодинамическим распылителем. Рентгеновское излучение проходит перпендикулярно сквозь полученную струю. Дифракционная картина регистрируется детектором. Возбуждение образца возможно с помощью дополнительного оптического лазера-помпы. Левый рисунок из [11], правый — с сайта desy.cfel.de.

В зависимости от типа исследуемого объекта (например, нанокристаллы белков, вирусные частицы, паста, содержащая мембранные белки и липиды в кубической или губчатой фазе) может варьировать система доставки образца: обычно это струя жидкости или газа с возможным охлаждением. Для нанокристаллов белков подходит доставка в струе жидкости, потому что интенсивность брэгговских пиков от нанокристалла намного выше, чем от окружающего растворителя (воды). Обычно диаметр такой струи составляет несколько микрон (минимум 0,3 мкм) [12]. Кроме того, такие исследования можно проводить при комнатной температуре, что тоже выгодно отличает нанокристаллографию от ее «обычной» разновидности.

На сегодняшний день были апробированы различные варианты стандартных схем доставки. Например, смешивание нескольких растворов, содержащих фермент и субстрат, в инжекторе [13] позволяет получать временны́е серии рентгеновских снимков, отражающих протекание реакции. А использование инжекторов для жидкостей с повышенной вязкостью (как у зубной пасты) сильно облегчает изучение мембранных белков в липидном окружении [14]. Также была показана возможность формирования текучих бислойных плёнок, пересекающих рентгеновский пучок и обеспечивающих постоянный поток мембранных белков, таких как G-белоксопряженные рецепторы [15], ионные каналы [16] или даже двумерные белковые кристаллы [17].

Высокий расход белкового материала, характерный для ранних экспериментов, можно уменьшить, изменяя характеристики РЛСЭ. Чтобы получать больше данных от меньшего количества образца, можно, например, увеличить частотный диапазон излучения (c 0,1% до 2%), что планируется реализовать в швейцарской установке РЛСЭ (SwissFEL), или в сотни раз повысить частоты повторения импульсов, что заявлено для Европейского РЛСЭ в Гамбурге (European XFEL). Позволяют оптимизировать необходимое количество биологического образца и свойства инжектора: скорость протекания жидкости, ее вязкость и пр.

1.2. Характеристика установки РЛСЭ в Стэнфорде (LCLS)

Первым работающим РЛСЭ стал LCLS (Linac Coherent Light Source; параметры см. в таблице 1), расположенный неподалеку от Стэнфорда (Калифорния, США) и использующий для получения пучка разогнанных электронов Стэнфордский линейный ускоритель длиной 3 км. LCLS запустили в национальной ускорительной лаборатории SLAC в 2009 году, и все основные работы по белковой фемтосекундной кристаллографии были проведены именно на нём. Среди них следует выделить изучение структуры фотосистемы I (мембранного белкового комплекса растений, участвующего в процессе фотосинтеза) с низким, ~ 8 Å, разрешением [18], изучение единичного вириона мимивируса [19] и получение структуры белка (лизоцима) с разрешением 2 Å [20] (подробнее — в соответствующих разделах). Лаборатория активно сотрудничает с Аргоннской и Ливерморской национальными лабораториями США, Институтом Макса Планка (Германия) и многими другими учреждениями по всему миру.

При финансировании Министерством энергетики Соединенных Штатов планируется модификация установки до LCLS-II с частотой миллион импульсов в секунду (106 Гц). Подобная модификация позволит изучить прежде недосягаемые явления в химическом катализе и фотокатализе, изменение структуры биологических объектов в реальном времени, состояние материи в экстремальных условиях, динамику энергии, заряда и материи.

Таблица 1. Сравнительные характеристики РЛСЭ в Стэнфорде и Гамбурге. Таблица с сайта www.xfel.eu, адаптирована.
LCLS SACLA European XFEL
Аббревиатура от… Linac Coherent Light Source The SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser European X-Ray Free-Electron Laser
Местонахождение Калифорния, США Япония Германия
Ввод в эксплуатацию 2009 2011 2017
Частота РЛСЭ, Гц 120 60 27 000
Минимальная длина волны, Å 1,5 0,8 0,5
Длина ускорителя, км 3 0,7 3,4
Число ондуляторов 1 3 5
Число экспериментальных станций 3–5 4 6, с возможностью увеличения до 10
Пиковая светимость [фотоны / с / мм2 / мрад2/ 0,1% частоты] 2 × 1033 1 × 1033 5 × 1033
Средняя светимость [фотоны / сек / мм2 / мрад2/ 0,1% частоты] 2,4 × 1022 1,5 × 1023 1,6 × 1025

1.3. Характеристика установки РЛСЭ в Японии (SACLA)

Через 2 года после успеха cтэнфордской установки в Японии расцвела «САКУРА» (именно так следует произносить аббревиатуру SACLA: The SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser). Отличительной чертой установки является малая длина ускорителя (0,7 км), но при этом достигается субангстремное разрешение — 0,6 Å. Интересный факт: компания SPring-8 выпустила научно-популярные аниме, объясняющие широкой публике возможности прибора.

1.4. Характеристики строящейся установки РЛСЭ в Гамбурге (European XEFL)

С 2009 года в Гамбурге (Германия) ведется строительство нового центра РЛСЭ (European XEFL). Плановое окончание работ предусмотрено в 2016 году, а первый эксперимент — в 2017. Для создания электронного пучка будет использован ускоритель длиной 3,4 км, расположенный между Шенефельдом и Гамбургом. Основным отличием European XEFL от LCLS станет использование эффекта сверхпроводимости при −271 °С в электронном ускорителе. Сверхпроводимость позволяет создавать электронные пучки повышенного качества. В результате частота рентгеновских импульсов будет в несколько сотен раз выше (27 кГц), чем у LCLS (табл. 1), что значительно увеличит объем получаемых в единицу времени кристаллографических данных, позволит использовать меньшие количества образца, более скоростные инжекторы и т.д.

В целом, многие эксперименты, которые ранее проводились на LCLS, на European XFEL будут выполняться значительно быстрее, а также появится возможность проводить исследования, «неподдающиеся» LCLS. Большее число генерируемых электронных пучков позволит создать больше одновременно работающих экспериментальных станций.

Проект European XEFL реализуется международной командой, в состав которой вошли более 200 исследователей и инженеров из 12 стран. Германия и Россия предоставили 54 и 23% от общего объема финансирования соответственно, что дает этим странам преимущественные права использования установки.

1.5. Основные отличия последовательной фемтосекундной кристаллографии с использованием РЛСЭ от классического рентгеноструктурного анализа

Разрешение и «качество» классического рентгеноструктурного анализа (РСА) обычно ограничены качеством исследуемого кристалла и эффектом от его разрушения под действием рентгеновского излучения. Поэтому ключевым моментом для РСА макромолекул является подготовка большого, хорошо дифрагирующего кристалла. На подбор условий кристаллизации разных биомолекул (например, белков) могут уходить годы.

Обычно РСА проводят в низкотемпературных (крио-) условиях, что, с одной стороны, повышает стабильность кристалла, а с другой — ограничивает конформационное разнообразие изучаемой молекулы. Недавние исследования белков с помощью РСА при комнатной температуре показали, что охлаждение приводит к преобладанию «вымороженной» конформации молекулы, в которой зачастую до 35% боковых групп аминокислотных остатков может иметь не такую упаковку, как при комнатной температуре. Это, в свою очередь, может играть критическую роль в изучении аллостерических эффектов связывания лигандов с белком [21]. Многие из перечисленных проблем можно решить с помощью последовательной фемтосекундной кристаллографии (ПФК) с использованием РЛСЭ.

Так, в ПФК нет необходимости растить крупные кристаллы: размер используемых нанокристаллов обычно составляет десятые или даже сотые доли микрона (при этом кристалл содержит всего несколько элементарных ячеек). Можно получать дифракционные картины вообще от единичных биочастиц (например, вирусов). ПФК-исследования обычно проводятся при комнатной температуре, и образец находится в условиях, близких к нативным (водные растворы, липиды в различном фазовом состоянии).

Качество кристалла и его вероятное повреждение под действием излучения практически перестают играть роль. Кроме того, появляется возможность получать данные о конформационных изменениях белковых молекул в ходе различных биохимических процессов. Уже были проведены пробные исследования фотосистемы I в связанном с ферредоксином состоянии, где сравнивали дифракцию от комплекса в темновой фазе и возбужденном (с помощью лазерной помпы) состоянии [22].

Тем не менее стоит отметить, что характер дифракционных картин, получаемых в ПФК (рис. 3а), отличается от таковых при классическом РСА (рис. 3б).

Сравнение дифракционных картин

Рисунок 3. Сравнение дифракционных картин, полученных в ходе ПФК и РСА. а — Картина, полученная от одного 40-фс импульса РЛСЭ для единичного нанокристалла фотосистемы I в жидкой струе. Полоса в центре соответствует дифракции от непрерывного столба жидкости. По числу дополнительных минимумов можно определить, что кристалл содержит 17 элементарных ячеек. б — Дифракционный портрет белка, полученный методом рентгеноструктурного анализа на ускорителе HASYLAB/DESY в Германии. Фото: HASYLAB/DESY, Max Planck working groups, Hamburg. Рисунки из [11] и с сайта www.vokrugsveta.ru.

При исследовании субмикронных кристаллов с помощью РЛСЭ дифракционные снимки содержат неполные Брэгговские рефлексы, в отличие от дифракционной картины, получаемой на синхротроне, где непрерывное вращение кристалла обеспечивает угловое интегрирование, необходимое для определения структурных факторов. Для решения прямой кристаллографической задачи необходимо индексирование* и объединение миллионов дифракционных снимков, получаемых на LCLS с частотой 120 штук в секунду в течение многих дней, что в итоге генерирует терабайты информации. (Использование нового РЛСЭ в Гамбурге существенно ускорит подобные эксперименты.)

Как и в классическом РСА, серьезную проблему представляет двоение пиков. Даже если для индивидуального нанокристалла двоение не наблюдается, оно может возникнуть при объединении данных от различных нанокристаллов.

Несмотря на то, что проблема фазирования (сбора информации не только об интенсивности света, попадающего на исследуемый объект, но и о его фазе [23]) так же важна для ПФК, как и для классического РСА, появляются новые способы ее решения — в первую очередь в связи с использованием полностью когерентного рентгеновского пучка. Например, метод «избыточного сэмплирования» предполагает определение точного числа элементарных ячеек (рис. 3а) в нанокристаллах и/или объединение данных от многих кристаллов в 3D. Наконец, для ПФК возникает проблема эффективности попадания лазерного пучка в нанокристаллы, движущиеся в струе инжектора. Многие вспышки могут происходить «впустую» или же взаимодействовать с кристаллом «по касательной», что ведет к искажению дифракционных картин. Эффективность попадания также необходимо учитывать при реконструкции дифракционной картины от многих нанокристаллов.

Помимо исследования нанокристаллов, РЛСЭ позволяет получать дифракционные картины от произвольно ориентированных единичных биочастиц (например, вирусов). В данном случае задача объединения тысяч различных дифракционных снимков сходна с нахождением усредненной электронной плотности в методе криоэлектронной микроскопии.

1.6. Использование ПФК в исследовании мембранных белков

ПФК дает уникальные возможности в исследовании белков, с трудом поддающихся кристаллизации. Используемые нанокристаллы настолько малы, что обычно невидимы в оптический микроскоп. Этот метод позволяет изучать белки, которые при кристаллизации дают только россыпь нанокристаллов, формирующих аморфный осадок в растворе для кристаллизации. Возникает вопрос: как много нанокристаллов мембранных белков, которые можно использовать для исследований, уже имеется в различных лабораториях мира?

На сегодняшний день нанокристаллы можно регистрировать с помощью метода SONICC, который при систематическом скрининге позволит выявить более тысячи нанокристаллов различных мембранных белков (около 30% осадков, получаемых при кристаллизации, может содержать нанокристаллы) [24]. Таким образом, стоит ожидать, что в ближайшее время установление структуры мембранных белков может стать вполне рутинной процедурой.

2. Примеры биологических задач, решенных с помощью ПФК

2.1. Структура фотосистемы I

С помощью ПФК (на установке LCLS) недавно удалось получить структуру низкого разрешения (8,5 Å) одного из наиболее крупных комплексов мембранных белков — фотосистемы I (рис. 4) [18]. С использованием импульсов длительностью 70 фс получили около трех миллионов дифракционных картин, собранных с нанокристаллов размером 0,2–2 мкм. При этом все измерения проводились при комнатной температуре с подачей кристаллов в струе жидкости.

Структура фотосистемы I

Рисунок 4. Структура фотосистемы I низкого разрешения (8,5 Å). Слева показана электронная плотность, полученная с помощью ПФК при комнатной температуре в струе жидкости, справа — полученная на синхротроне при температуре 100 К. Вписанная модель белкового комплекса показана желтым. Авторы утверждают, что на левом рисунке ясно видны электронно-плотные участки отдельных трансмембранных доменов и даже некоторые петлевые структуры. Действительно, сильно присмотревшись, можно заметить, что модель белкового комплекса вписывается в левую структуру «плотнее», чем в правую. То есть точность полученных методом ПФК структур выше. Рисунок из [18], адаптирован.

2.2. Исследование мимивирусов

С помощью ПФК можно получать дифракционные картины с единичных вирусных частиц и крупных макромолекул, находящихся в некристаллическом состоянии. Дифракционные картины высокого качества получили, например, для отдельной частицы мимивируса* на LCSL [19]. Несмотря на то, что после прохождения рентгеновского пучка вирусные частицы разрушались в результате нагревания до 105 K (переходили в плазменное состояние), удалось получить карты электронной плотности с разрешением 32 нм, которые показали гетерогенную организацию материала внутри вириона, а также его икосаэдрическую структуру (рис. 5). В исследовании использовали импульсы длительностью 70 фс и гидратированные вирусные частицы в виде аэрозоля. В дальнейшем можно достичь существенного повышения разрешения при уменьшении длительности импульса и области фокусировки и увеличении яркости пучка.

В 2015 году получили 3d-реконструкцию внутренней структуры мимивируса [27]. Исследователям удалось модифицировать алгоритм expand, maximize and compress (EMC) для правильного совмещения 198 полученных дифракционных картин. Это нетривиальная задача, поскольку каждая частица попадает под луч лазера в произвольной ориентации. Исследователи обнаружили асимметричность внутренней структуры вируса (рис. 5).

Вирион мимивируса

Рисунок 5. Исследование единичных вирионов мимивируса с помощью ПФК. а — 3d-реконструкция. Видна несимметричность «внутренностей» вируса. б — Проекция полученной электронной плотности. в — Срез через центр проекции. Рисунок из [27].

2.3. Структура лизоцима высокого разрешения

Наряду с получением структур низкого разрешения была показана возможность достижения атомного разрешения при использовании ПФК в исследованиях белковых кристаллов в струе жидкости при комнатной температуре. Так, для кристаллов лизоцима сравнительно небольших размеров (1 × 1 × 3 мкм3) на LCLS с 40-фс импульсами были получены дифракционные картины с разрешением 2 Å (около 1,5 миллионов изображений). Они позволили реконструировать карту электронной плотности, практически не отличающуюся от полученной на синхротроне в ходе «классического» рентгеноструктурного анализа (рис. 6) [20].

Кристалл лизоцима

Рисунок 6. Дифракционный снимок кристалла лизоцима. Картина получена с помощью единичного 40-фс импульса РЛСЭ для кристалла лизоцима в струе жидкости при комнатной температуре. Разрешение составляет 1,8 Å. Фоновое рассеяние от растворителя вычтено. Рисунок из [20].

Метод РЛСЭ пока не слишком широко известен из-за своей дороговизны и специфики, однако уже через 2–3 года появится третий в мире и первый в Европе центр, способный использовать такую технологию. В связи с высоким уровнем развития науки в Европе ожидается волна открытий структур важнейших белков и других биомолекул, не поддающихся кристаллизации. В конечном итоге станет возможным и создание «биокино», поэтапно показывающего жизнь одиночной молекулы или ее изменения в ходе какого-то процесса. РЛСЭ — будущее структурной биологии.

Статья написана при участии Егора Приказюка.

  1. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
  2. Структурная геномика меняет курс;
  3. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
  4. Ловля бабочек, или Чем структурная геномика поможет биологии;
  5. Ферменты haut couture;
  6. Solem J.C. (1986). Imaging biological specimens with high-intensity soft x rays. J. Opt. Soc. Am. B. 3, 1551–1565;
  7. Chapman H.N., Barty A., Bogan M.J., Boutet S., Frank M., Hau-Riege S.P. et al. (2006). Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser. Nat. Physics2, 839–843;
  8. Fung R., Shneerson V., Saldin D.K., Ourmazd A. (2008). Structure from fleeting illumination of faint spinning objects in flight. Nat. Physics5, 64–67;
  9. Margaritondo G. and Rebernik Ribic P. (2011). A simplified description of X-ray free-electron lasers. J. Synchrotron Radiat. 18, 101–108;
  10. Понятов А. (2013). Построены подземные сооружения комплекса XFEL. Сайт «Наука и жизнь»;
  11. Spence J.C., Weierstall U., Chapman H.N. (2012). X-ray lasers for structural and dynamic biology. Rep. Prog. Phys. 75, 102601;
  12. Deponte D.P., McKeown J.T., Weierstall U., Doak R.B., Spence J.C. (2011). Towards ETEM serial crystallography: Electron diffraction from liquid jets. Ultramicroscopy111, 824–827;
  13. Park H.Y., Qiu X., Rhoades E., Korlach J., Kwok L.W., Zipfel W.R. et al. (2006). Achieving uniform mixing in a microfluidic device: hydrodynamic focusing prior to mixing. Anal. Chem. 78, 4465–4473;
  14. Johansson L.C., Arnlund D., White T.A., Katona G., Deponte D.P., Weierstall U. et al. (2012). Lipidic phase membrane protein serial femtosecond crystallography. Nat. Methods9, 263–265;
  15. Структуры рецепторов GPCR «в копилку»;
  16. О чем не знал Гальвани: пространственная структура натриевого канала;
  17. Beerlink A., Wilbrandt P.J., Ziegler E., Carbone D., Metzger T.H., Salditt T. (2008). X-ray structure analysis of free-standing lipid membranes facilitated by micromachined apertures. Langmuir24, 4952–4958;
  18. Chapman H.N., Fromme P., Barty A., White T.A., Kirian R.A., Aquila A. et al. (2011). Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature470, 73–77;
  19. Seibert M.M., Ekeberg T., Maia F.R., Svenda M., Andreasson J., Jönsson O. et al. (2011). Single mimivirus particles intercepted and imaged with an X-ray laser. Nature470, 78–81;
  20. Boutet S., Lomb L., Williams G.J., Barends T.R., Aquila A., Doak R.B. et al. (2012). High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science337, 362–364;
  21. Fraser J.S., van den Bedem H., Samelson A.J., Lang P.T., Holton J.M., Echols N., Alber T. (2011). Accessing protein conformational ensembles using room-temperature X-ray crystallography. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108, 16247–16252;
  22. Aquila A., Hunter M.S., Doak R.B., Kirian R.A., Fromme P., White T.A. et al. (2012). Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Express20, 2706–2716;
  23. Ripoll M.M. and Cano F.H. Crystallography. The Spanish National Research Council;
  24. Fromme P. and Spence J.C. (2011). Femtosecond nanocrystallography using X-ray lasers for membrane protein structure determination. Curr. Opin. Struct. Biol. 21, 509–516;
  25. Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?;
  26. Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов;
  27. Ekeberg T., Svenda M., Abergel C., Maia F.R., Seltzer V., Claverie J.-M. et al. (2015). Three-dimensional reconstruction of the giant mimivirus particle with an x-ray free-electron laser. Phys. Rev. Lett. 114, 098102..

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *