一种更清晰的蛋白质薄膜算法
蛋白质是在所有生命形式中执行几乎所有生化任务的生物分子。在这样做的过程中，微小的结构执行超快速运动。为了比以前更精确地研究这些动态过程，研究人员开发了一种新算法，可用于更有效地评估 SwissFEL 等 X 射线自由电子激光器的测量结果。他们现在已将其发表在《结构动力学》杂志上。
有时，在驾车旅行时使用导航系统时，设备会在短时间内定位您离开道路。这是由于 GPS 定位不准确，可能高达几米。然而，卫星导航中的算法很快就会注意到这一点并修正屏幕上显示的轨迹，即将其放回路上。
由 PSI 物理学家 Cecilia Casadei 领导的一组研究人员现已成功应用了解决不切实际运动序列的类似原理。然而，他们的研究对象比汽车小十亿倍：蛋白质。这些生命的基石在所有已知的生物体中发挥着至关重要的作用。在这样做的过程中，他们经常执行超快的动作。精确分析这些运动对于我们理解蛋白质至关重要，蛋白质可以帮助我们生产新的药物等。
如何“拍摄”蛋白质...
为了进一步提高对蛋白质运动的理解，Casadei 与其他 PSI 研究人员、汉堡 DESY 的研究员和美国密尔沃基威斯康星大学的其他同事一起开发了一种算法，该算法评估在 X-射线自由电子激光 (XFEL)。XFEL 是一种大型研究设施，可提供极强且短时间的激光质量 X 射线闪光。在这里，一种称为时间分辨串行飞秒 X 射线晶体学 (TR-SFX) 的方法可用于研究蛋白质的超快速运动。
由于以下几个原因，测量非常复杂：蛋白质太小而无法直接成像，它们的运动速度快得令人难以置信，FEL 的 X 射线光的强脉冲会完全破坏蛋白质。在实验层面，TR-SFX 已经解决了所有这些问题：没有测量单个分子，而是诱导大量相同的蛋白质分子以规则的排列生长在一起，形成蛋白质晶体。当 FEL X 射线照射在这些晶体上时，信息会在晶体及其蛋白质被光脉冲破坏之前及时捕获。来自测量的原始数据可用作所谓的衍射图像：由晶体中蛋白质的规则排列产生并由检测器记录的光点。
...以及如何评估测量数据
在克服了实验挑战的地方，对数据的评估才刚刚开始。“每个单独晶体的测量仅提供完整图像数据的百分之二。” 这种不完整性有物理和实验原因，只能通过以有意义的方式组合许多晶体的测量数据来消除。Casadei 的研究重点是如何解决这个问题。
到目前为止建立的方法称为“分箱和合并”。“在过去十年中，这种方法已经取得了很多成就，”Casadei 说。使用这种方法，数据被分成时间间隔，一个间隔内的所有数据，一个“bin”，被平均。然而，在这个平均过程中也丢失了很多详细信息。Casadei 继续说：“你可以说蛋白质薄膜的单个图像都被冲掉了一点。” “这就是为什么我们开发了一种方法，使我们能够从测量数据中获得更多信息。”
Casadei 和她的同事设计的新方法称为“低通光谱分析”，简称 LPSA。“与电子或音频技术类似，我们应用低通滤波器，”Casadei 解释道。“然而，在我们的例子中，它以高级线性代数的形式出现。我们应用这些公式来消除数据中不需要的噪音，而不会丢失相关细节。”
简而言之，在整个蛋白质运动过程中跟踪原始数据，即蛋白质晶体的衍射图像。假定该运动是平滑的，即无冲击。类似于当汽车似乎离开道路时导航系统如何自我纠正，Casadei 和她的同事的新算法减少了蛋白质运动重建的错误。
蛋白质薄膜的 HDR
外行人可能不会注意到新蛋白质薄膜的巨大差异。但对于 X 射线自由电子激光器的电影爱好者来说，这种改进相当于从 DVD 胶片切换到 HDR 质量。
“最重要的是，新算法现在允许 PSI 的 SwissFEL 的研究人员从他们的数据中提取更多信息，”Casadei 说。相反，这意味着该算法可以帮助缩短较长的测量时间。由于大型研究机构尤其是 SwissFEL 始终对束流时间有很高的要求，因此对于使用这种高度先进的机构的蛋白质研究人员来说，这是一个最受欢迎的前景。
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