X射线自由电子激光在单分子成像中的应用及相关计算方法与理论研究

The coherent bright X-ray lasers makes the imaging from single particle scattering data feasible, thanks to the advances in X-ray free electron laser (XFEL) facility. The application of XFEL in biomolecule structure determination from micron sized crystals has become more routine, and emerging into a new technology, serial femtosecond crystallography (SFX). Nevertheless, growing high quality micron-sized crystals remains challenging for many biomolecules, especially for membrane proteins and protein complexes that function as molecular machines. For this reason, imaging single molecules using unprecedented bright X-ray lasers draws growing attention in both X-ray science and biological science community. Many obstacles have to be overcome to make single particle imaging practical, two of the most difficult problems to be solved are (1) how to extract information from noisy data; and (2) model reconstruction from scattering intensities. In this proposal, we aim to develop sophisticated computational method to tackles these two problems. Designing experiments that optimally utilize the power of XFEL is a critical issue for the success of single particle imaging method. By close collaborations with experimental groups in both U.S. and Europe, we will be able to work on first-hand experimental data to develop effective data analysis methods, which will be implemented in the form of open source software to help the community to move forward. This work should pave ways from computational and theoretical aspects for the development of XFEL facility in China.

X射线自由电子激光(XFEL)为生物大分子和纳米颗粒的结构研究提供了新的机会。原子分辨率、高重复频率和前所未有的峰值亮度等特性极大地拓展了XFEL在结构研究领域的应用，降低了对晶体的依赖性，微晶衍射技术已经成为一种重要的结构测定方法。即便如此，科学家对XFEL单分子成像技术的探索不曾减弱，因为这种技术可以在生理环境下研究生物分子的结构和动力学性质。理论上，XFEL单分子散射的信号足够解析原子分辨率的结构，然而实验成果却不令人满意，很多技术和仪器的困难还需要克服，也有很多的计算问题亟需解决。本项目是依据《指南》中“物理科学二处”的“同步辐射方法与技术”提出的。在实验部分，充分利用斯坦福线性加速器中心的XFEL设施以及配套资源，参加实验与数据采集；在理论与计算方法方面，依托北京计算科学研究中心，发挥多学科交叉研究的优势，解决信号处理和模型重构等难题，为我国的XFEL的建设奠定应用层面的基础。

X射线自由电子激光(XFEL)为生物大分子和纳米颗粒的结构研究提供了新的机会。原子分辨率、高重复频率和前所未有的峰值亮度等特性极大地拓展了XFEL在结构研究领域的应用，降 低了对晶体的依赖性，微晶衍射技术已经成为一种重要的结构测定方法。科学家对 XFEL单分子成像技术的探索不曾减弱，因为这种技术可以在生理环境下研究生物分子的结构和动力学性质。理论上，XFEL单分子散射的信号足够解析原子分辨率的结构，然而实验成果却不 令人满意，很多技术和仪器的困难还需要克服，也有很多的计算问题亟需解决。本项目是依据 《指南》中“物理科学二处”的“同步辐射方法与技术”提出的。在实验部分，充分利用斯坦 福线性加速器中心的XFEL设施以及配套资源，参加实验与数据采集；在理论与计算方法方面， 依托北京计算科学研究中心，发挥多学科交叉研究的优势，解决信号处理和模型重构等难题， 为我国的XFEL的建设奠定应用层面的基础。项目已经取得了很多成果，主要包括12篇学术论文，培养了1名博士，2名硕士，还有另外两个学生将于2020年毕业。开发了三套XFEL数据分析的软件系统。