Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-07-02
Issue Year
2010
Authors
Fulla Marsa, Daniel
Editor
Abstract

The present work is divided essentially into two parts: an instrumental one, which is centred on the development of a multilayer monochromator for macromolecular crystallography (MX) and a second part, focused on the comparative protein crystallography studies with the newly developed instrument and a traditional silicon crystal monochromator. The instrument, a focusing double multilayer monochromator, was designed, installed and characterised at the tuneable wiggler beamline BW7a at the DORIS III storage ring (DESY / Hamburg), a second-generation synchrotron. At this beamline, the usually installed Si (111) monochromator and the multilayer monochromator can be switched so that there is a choice between two experimental setups. Compared to a standard crystal monochromator, a multilayer monochromator can provide a larger energy bandpass, which leads to a higher photon flux at the sample. The flux densities that are reached with the new instrument are up to 65 times higher than those of the crystal monochromator and are comparable to those typically available in MX beamlines, located at third generation storage rings. After the commissioning of the multilayer monochromator, the beamline BW7a could hence also be used for realistic testing of instruments that are intended for beamlines at PETRA III storage ring, a third-generation synchrotron. Two different protein crystal test systems, insulin and hydroxynitrile lyase (HNL), were investigated both, with the multilayer monochromator and with the crystal monochromator. The data sets were collected about one order of magnitude faster with the multilayer monochromator. It was possible, in both cases, to use the standard software packages that are suitable for data, which are obtained with the monochromatic rotation method. The data quality analysed with various parameters was comparable and the data obtained with the two types of monochromators led to very similar protein structures. The quality of data collected with the multilayer reached even a level that the electron density distribution of HNL could be determined with atomic resolution (around 1Å). To our knowledge, such a result has been achieved for the first time with a multilayer monochromator. In this work also, the possibility was investigated whether with the help of the SAD method (phase determination using anomalous diffraction with a single wavelength) and using the larger energy bandwidth of a multilayer monochromator structures can be solve ab-initio. This was achieved, to our knowledge for the first time, with the solution of a selenium-derivatised protein, a transcription factor.

Abstract

Die vorliegende Arbeit ist im Wesentlichen in zwei Teile gegliedert: einen instrumentellen, der sich mit der Entwicklung eines Vielschicht-Röntgenmonochromators (multilayer mononchromator) für makromolekulare Kristallographie (MX) beschäftigt und in einen zweiten Teil, in dem vergleichende proteinkristallographische Untersuchungen mit dem neu entwickelten Instrument und einem traditionellen Silizium-Einkristallmonochromator durchgeführt wurden. Das Instrument, ein fokussierender Vielschicht-Doppelmonochromator, wurde an der durchstimmbaren Röntgenwiggler Strahlführung BW7a am DORIS III Speicherring (DESY/Hamburg), einem Synchrotron der zweiten Generation, entworfen, aufgebaut und charakterisiert. An dieser Strahlführung kann zwischen dem standardmäßig eingebauten Si (111) Monochromator und dem Vielschichtmononchromator hin und her geschaltet werden, so daß wahlweise zwei Versuchsaufbauten zur Verfügung stehen. Im Vergleich zum Standard-Kristallmonochromator bietet ein Vielschicht-Monochromator eine erheblich größere Energiebandbreite, die zu einem höheren Strahlungsfluß an der Probe führt. Die Flussdichten, die mit dem neuen Instrument erreicht werden, sind bis zu 65-mal höher als die des Einkristallmonochromators und sind mit denen vergleichbar, die typischerweise an MX Strahlführungen, die sich an Speicherringen der dritten Generation befinden, anzutreffen sind. Nach der Inbetriebnahme des Geräts konnte die Strahlführung BW7a daher auch für realistische Tests von Instrumenten verwendet werden, die für Strahlführungen am PETRA III Speicherring, einem Synchrotron der dritten Generation, vorgesehen sind. Es wurden zwei unterschiedliche proteinkristallographische Testsysteme, Insulin und Hydroxynitrillyase (HNL), sowohl mit dem Vielschichtmonochromator als auch dem Einkristallmonochromator untersucht, wobei die mit dem Vielschichtmonochromator aufgenommenen Datensätze etwa eine Größenordnung schneller gemessen werden konnten. Es war in beiden Fällen möglich, die üblichen Programmpakete zu verwenden, die für Daten geeignet sind, welche mit monochromatischen Drehkristallaufnahmen gewonnen werden. Die mit Hilfe verschiedener Parameter analysierte Datenqualität war vergleichbar und die mit den beiden Monochromatortypen gewonnenen Daten führten zu sehr ähnlichen Proteinstrukturen. Die Qualität der Vielschichtmonochromatordaten war sogar so gut, daß die Elektronendichteverteilung von HNL mit atomarer Auflösung (etwa 1Å) bestimmt werden konnte, ein bisher unseres Wissens noch nicht erreichtes Ergebnis mit Vielschichtmonochromatoren. Außerdem wurde in dieser Arbeit untersucht, ob mit Hilfe der SAD Methode (Phasenbestimmung mit Hilfe anomaler Beugung mit einer Wellenlänge) und unter Verwendung der breitbandigeren Strahlung des Vielschichtmonochromators ab-initio eine Struktur zu lösen ist. Dies gelang unseres Wissens zum ersten Mal an einem mit Selen präparierten Proteinmolekül, einem Transkriptionsfaktor.

DOI
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