[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种新颖方法，利用极低信号水平下短暂的X射线衍射快照，重建微弱、高速旋转的大分子或纳米颗粒的三维结构——在信号强度仅为以往认为可行水平的1,000分之一时，仍能实现高分辨率结构测定。该方法利用旋转对称性并结合随机取向下的统计平均，从稀疏、噪声严重的数据中恢复结构信息，使下一代X射线光源实现单分子成像成为可能。

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.

研究动机与目标

• 为解决在飞行中确定弱散射、高速旋转大分子高分辨率结构的严峻挑战。
• 克服当前X射线衍射成像单分子时的信号限制，因为现有光源提供的信号仅为需求的约1,000倍。
• 开发一种方法，实现从取向未知且随机的衍射快照及极低信号水平下进行结构测定。
• 弥合当前实验能力与单分子X射线晶体学理论需求之间的差距。
• 将适用范围扩展至低剂量电子显微镜、超低信号断层扫描以及天文物体分析。

提出的方法

• 该方法利用物体的旋转对称性，从随机、未知取向下采集的衍射图案中提取结构信息。
• 采用统计框架，从大量信号极低的衍射快照集合中重建三维电子密度。
• 该方法对衍射图案中的强度分布进行建模，并应用最大似然估计以恢复潜在结构。
• 假设物体为非晶体且高速旋转，因此每个快照捕捉到的是独特的随机投影。
• 通过利用对称性和角相关函数，重建算法对每个快照的未知取向进行补偿。
• 在预计来自下一代X射线自由电子激光（XFEL）的X射线强度下验证了其可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从极低信号水平的衍射快照中重建弱散射、高速旋转大分子的三维结构？
• RQ2 当每个衍射图案仅包含少数光子时，是否仍可实现高分辨率结构测定？
• RQ3 如何从取向未知且随机的衍射图案中提取结构信息？
• RQ4 旋转对称性和统计平均能否克服单分子X射线成像中的信噪比限制？
• RQ5 此类实验中可靠结构恢复所需的最低信号水平是多少？

主要发现

• 该方法成功在X射线强度约为以往重建方法所需水平的1,000分之一时，恢复了弱散射大分子的三维结构。
• 仅需每个衍射图案中包含少量光子，该方法即实现了高分辨率，证明了在极端信号限制下的可行性。
• 该方法可实现从取向未知的衍射快照中进行结构测定，克服了单分子成像中的主要瓶颈。
• 该技术对噪声具有鲁棒性，在单个快照信号极低时仍能有效工作。
• 该方法可推广至其他低信号成像模式，包括电子显微镜和非稳定物体的断层扫描。
• 结果验证了X射线自由电子激光在生理条件下确定单分子结构的潜力。