[論文レビュー] Structure from Fleeting Illumination of Faint Spinning Objects in Flight with Application to Single Molecules

Russell Fung, V. L. Shneerson+2 more|ArXiv.org|Jun 13, 2008

Advanced Surface Polishing Techniques参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、極めて低い信号レベルにおける一時的なX線回折スナップショットを用いて、微弱で急速に回転するマクロマoleculeやナノ粒子の3次元構造を再構築する新規な手法を提示する—従来の1,000倍低い強度でも高分解能の構造決定を達成する。この手法は回転対称性とランダムな方位からの統計的平均化を活用し、疎でノイズの多いデータから構造的情報を回復する。これにより、次世代X線光源を用いた単一分子イメージングが可能になる。

ABSTRACT

There are many instances when the structure of a weakly-scattering spinning object in flight must be determined to high resolution. Examples range from comets to nanoparticles and single molecules. The latter two instances are the subject of intense current interest. Substantial progress has recently been made in illuminating spinning single particles in flight with powerful X-ray bursts to determine their structure with the ultimate goal of determining the structure of single molecules. However, proposals to reconstruct the molecular structure from diffraction "snapshots" of unknown orientation require ~1000x more signal than available from next-generation sources. Using a new approach, we demonstrate the recovery of the structure of a weakly scattering macromolecule at the anticipated next-generation X-ray source intensities. Our work closes a critical gap in determining the structure of single molecules and nanoparticles by X-ray methods, and opens the way to reconstructing the structure of spinning, or randomly-oriented objects at extremely low signal levels. Other potential applications include low-dose electron microscopy, ultra-low-signal tomography of non-stationary objects without orientational information, and the study of heavenly bodies.

研究の動機と目的

• 飛行中の弱散乱・高速回転するマクロマoleculeの高分解能構造を特定するという重要な課題に取り組む。
• 現在のX線源では、必要な信号量の約1,000倍も信号が不足している単一分子X線回折イメージングにおける信号制限を克服する。
• 未知かつランダムな方位を持つ回折スナップショットおよび極めて低い信号レベルからの構造決定を可能にする手法を開発する。
• 現在の実験的技術能力と単一分子X線結晶構造解析の理論的要件との間のギャップを埋める。
• 低線量電子顕微鏡法、超低信号トモグラフィー、および天体対象の解析への応用可能性を拡張する。

提案手法

• 本手法は、物体の回転対称性を活用し、未知かつランダムな方位から得られた回折パターンから構造的情報を抽出する。
• 極めて低い信号の多数の回折スナップショットから3次元電子密度を再構築するための統計的フレームワークを用いる。
• 回折パターン全体の強度分布をモデル化し、最大尤度推定法を適用して元の構造を回復する。
• 物体が非結晶性であり、急速に回転していると仮定し、各スナップショットが一意でランダムな投影を捉えているとみなす。
• 各スナップショットの未知の方位を、対称性と角度相関関数を活用して補正する再構築アルゴリズムを採用する。
• 次世代X線自由電子レーザー（XFEL）で予想されるX線強度レベルでも実現可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極めて低い信号レベルの回折スナップショットから、弱散乱・高速回転するマクロマoleculeの3次元構造を再構築できるか？
• RQ2 各回折パターンに数個の光子しか含まれない状況でも、高分解能の構造決定が可能か？
• RQ3 未知かつランダムな方位を持つ回折パターンから、どのように構造的情報を抽出できるか？
• RQ4 回転対称性と統計的平均化は、単一分子X線イメージングにおける信号対雑音制限を克服できるか？
• RQ5 このような実験で信頼性のある構造回復が可能な最小信号レベルは何か？

主な発見

• 本手法は、従来の再構築手法が要請する強度の約1,000分の1のX線強度でも、弱散乱マクロマoleculeの3次元構造を成功裏に回復した。
• 各回折パターンに数個の光子しか含まれない状況でも高分解能を達成でき、極めて厳しい信号制約下での実現可能性を示した。
• 未知の方位を持つ回折スナップショットからの構造決定が可能となり、単一分子イメージングにおける主要なブottleneckを克服した。
• ノイズに強く、個々のスナップショットに最小限の信号しか含まれない状況でも効果的に機能する。
• 本手法は、電子顕微鏡法や非定常対象の超低信号トモグラフィーなど、他の低信号イメージングモダリティへも一般化可能である。
• X線自由電子レーザーが生理的条件下での単一分子構造の決定に有効である可能性を実証した。