BioXFEL Science: Future plans "Research: Current work - - PowerPoint PPT Presentation

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BioXFEL Science: Future plans "Research: Current work - - PowerPoint PPT Presentation

A US Na'onal Science Founda'on Science and Technology Center . BioXFEL Science: Future plans "Research: Current work (?) and Future Goals (40 min


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SLIDE 1

BioXFEL ¡Science: ¡Future ¡plans ¡ ¡

"Research: ¡Current ¡work ¡(?) ¡and ¡Future ¡Goals ¡(40 ¡min ¡presentaCon ¡+ ¡20 ¡min ¡Q&A)" ¡ ¡ Structure ¡of ¡talk ¡

  • 1. ¡Statement ¡of ¡future ¡goals. ¡
  • 2. ¡Future ¡XFELs ¡ ¡and ¡their ¡faciliCes: ¡EXFEL ¡& ¡LCLS ¡2. ¡
  • 3. ¡Plans ¡for ¡future ¡STC ¡research ¡and ¡how ¡they ¡advance ¡our ¡goals. ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡

JCHS ¡ ¡STC ¡First ¡annual ¡site ¡visit ¡June ¡19 ¡ ¡2014 ¡ ¡Buffalo ¡ ¡40 ¡mins, ¡+ ¡20 ¡mins ¡discussion. ¡

A ¡US ¡Na'onal ¡Science ¡Founda'on ¡Science ¡and ¡Technology ¡Center. ¡

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SLIDE 2

The ¡research ¡thrust ¡of ¡BioXFEL ¡STC ¡is ¡summarized ¡in ¡our ¡strategic ¡plan ¡ as ¡the ¡development ¡and ¡applica'on ¡of ¡free-­‑electron ¡X-­‑ray ¡lasers ¡(FELs) ¡ to ¡structural ¡biology ¡and ¡structural ¡dynamics. ¡ ¡

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SLIDE 3

The ¡DOE ¡is ¡building ¡a ¡second ¡X-­‑ray ¡laser ¡at ¡SLAC. ¡

¡ $400E6 ¡awarded ¡of ¡$750E6. ¡Work ¡has ¡started ¡on ¡LCLS ¡2. ¡ ¡

  • ­‑ ¡SuperconducCng ¡Linac. ¡
  • ­‑ ¡High ¡rep ¡rate. ¡(Detector ¡readout ¡ ¡2 ¡kHz ¡, ¡or ¡5MHz ¡(spectroscopy) ¡
  • ­‑ ¡StaCons ¡will ¡be ¡working ¡around ¡2016, ¡LCLS ¡2 ¡around ¡2019 ¡
  • ­‑ ¡About ¡the ¡same ¡number ¡of ¡photons ¡per ¡pulse ¡as ¡LCLS ¡1. ¡ ¡Get ¡same ¡data ¡faster. ¡
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SLIDE 4

LCLS ¡ ¡2 ¡

The Revised LCLS-II Project in Response to BESAC recommendations

Accelerator Superconducting linac: 4 GeV Undulators in existing LCLS-I Tunnel New variable gap (north) New variable gap (south), replaces existing fixed-gap und. Instruments Re-purpose existing instruments (instrument and detector upgrades needed to fully exploit)

South side source: 1.0 - 25 ¡keV ¡(120 ¡Hz, ¡copper” ¡linac ¡) 1.0 - 5 keV (up to ~1MHz, SC Linac) 4 GeV SC Linac In sectors 0-10

NEH FEH

14 GeV LCLS linac still used for x-rays up to 25 keV North side source: 0.2-1.2 keV (up to ~1MHz)

5

Chi-­‑Chang ¡ ¡Kao. ¡ ¡Starts ¡2019 ¡. ¡Uwe ¡Bergman ¡is ¡interim ¡ ¡LCLS ¡Boss. ¡

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SLIDE 5 12 LCLS Hutch 4.5 TDR LCLS Hutch 4.5 TDR 13

Detailed Technical Considerations and Design

The following sections of this document describe in greater detail the technical aspects required to make the MFX instrument in LCLS Hutch 4.5 a reality.

Beamline Layout and Schematic

The schematic layout of the components of the pro- posed MFX instrument is shown on Figure 9. It includes the necessary devices for beam transport through the XRT and Hutch 4. Some of the components are placed in Hutch 4. These devices do not need frequent access and therefore need not be located in the new Hutch 4.5. The components requiring close proximity to the interaction region with the X-rays are located in Hutch 4.5.

X-ray Beam Transport

The X-ray beam transport vacuum system will be based on the very similar system already built for the MEC instrument located in Hutch 6. The design and engineering of the MEC beamline through the XRT and part of Hutch 4 will be leveraged to minimize effort and cost for the Hutch 4.5 beamline. Modified MEC Mirror Slits Collimator Intensity Monitor Profile Monitor Pulse Shutter Calibration Foils Single Shot Spectrometer Attenuators Intensity Monitor Profile Monitor Collimator PPS Photon Stoppers Collimator Slits Intensity Monitor Profile Monitor Be Lenses Slits Intensity Monitor Profile Monitor Reference Laser Timing Dianostic Attenuators Slits Laser In-coupling Goniometer Detector and Support Robot Detector Arm Intensity Monitor Profile Monitor XRT Hutch 4 Hutch 4.5 Figure 9: Schematic layout of the optical components
  • f the MFX instrument serving Hutch 4.5. In black are
displayed components that are part of the baseline scope of the proposal. Components in blue are exist- ing components shared with other LCLS instruments. Components in red indicate possible upgrades. Figure 10: Layout of the components of the MFX instrument located at the end of the XRT. These components are mounted on orange stands, while the others are existing components used by the other instruments located in the Far Experimental Hall.

X-ray Optics and Diagnostics

Diagnostics

Every LCLS X-ray shot is new and presents unique characteristics due to the intrinsic nature of XFEL beams that result from the amplification of random noise in the electron beam. Diagnostics are therefore critical to characterize every pulse from the machine. Previous instrumentation projects at LCLS have designed and fabricated a suite of diagnostics that are in full use at all four LCLS hard X-ray instruments. The same designs will be used for the new beamline diagnostics. Figure 10 and Figure 11 show these diagnostics in the XRT and Hutch 4. These will include: Profile-intensity monitors Beam viewers to measure the profile and intensity of the beam. Intensity-position monitors [10] Transmissive intensity monitors for single- shot diagnostics of beam intensity and position fluctuations. Single-shot spectrometer [11-13] A thin bent crystal to spectrally disperse the beam allows measuring the energy spectrum of every LCLS pulse. Timing diagnostics [14] Cross-correlation of the arrival time of
  • ptical pump lasers and the X-ray pulse with
a few femtosecond accuracy for time- resolved measurements.

Optics

Regarding X-ray diagnostics: designs will be reused for the X-ray optical systems required to manipulate the X-ray pulse parameters. All such devices are already in use at multiple beamlines at LCLS. Figure 10 and Figure 11 show these diagnostics in the XRT and Hutch 4. These will include: A pulse selector Allows individual pulses or a train of pulses to be selected and allowed to propagate to the
  • sample. Such a device is absolutely critical to
allowing multiplexing of the beam, as it allows every instrument to select its own repetition rate or pulse train it needs independently of
  • ther hutches.
Attenuators A set of silicon foils of various thicknesses, independently inserted into the beam to control the intensity of the beam. Figure 11: Layout of the MFX components located at the end of Hutch 4 and in the new Hutch 4.5.

An ¡enCrely ¡new ¡SFX ¡hutch, ¡ ¡"MFX" ¡ installed ¡before ¡LCLS ¡2 ¡ Total ¡of ¡6 ¡SFX ¡chambers ¡soon: ¡CXI, ¡microdiffracCon ¡CXI, ¡Refocus ¡CXI, ¡In-­‑air ¡CXI, ¡ ¡MFX, ¡ ¡Lamp ¡ LCLS ¡needs ¡6 ¡new ¡injectors ¡! ¡

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SLIDE 6

What ¡are ¡plans ¡for ¡XFEL ¡growth ¡– ¡in ¡USA, ¡worldwide. ¡

¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡1. ¡LCLS ¡expansion. ¡ ¡Hutch ¡4.5, ¡ ¡Lamp ¡(soi ¡X-­‑rays), ¡CXI, ¡ ¡CXI ¡microdiffracCon, ¡XPP ¡(in ¡air), ¡XCS ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2. ¡LCLS ¡2. ¡("NGLS@SLAC"). ¡ ¡SC, ¡MulCple ¡endstaCons ¡switchyard, ¡High ¡Rep ¡Rate. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3. ¡ ¡An ¡alosecond ¡"table-­‑top" ¡XFEL ¡, ¡similar ¡to ¡DESY, ¡has ¡been ¡proposed ¡in ¡Texas ¡ ¡ Immediate ¡future ¡at ¡LCLS ¡ expect ¡ ¡

  • 1. ¡New ¡staCon ¡within ¡CXI ¡

main ¡chamber. ¡(total ¡3) ¡ ¡

  • 2. ¡Air ¡staCon ¡at ¡end ¡? ¡

¡

  • 3. ¡Do ¡LCP ¡in ¡air ¡at ¡XPP ¡? ¡

¡

  • 4. ¡Lamp. ¡Soi ¡Xrays. ¡

¡

  • 5. ¡Completely ¡new ¡staCon ¡

MFX ¡in ¡2 ¡years, ¡ ¡ before ¡LCLS ¡2. ¡ ¡ . ¡

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SLIDE 7

MFX ¡

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SLIDE 8

How ¡to ¡create ¡more ¡Beam,me ¡

  • Serial ¡Serial ¡Femtosecond ¡Crystallography ¡
  • The ¡beam ¡passing ¡through ¡a ¡4 ¡micron ¡water ¡jet ¡is ¡minimally ¡alenuated ¡

– > ¡97% ¡transmission ¡for ¡4 ¡keV ¡and ¡above ¡

  • There’s ¡a ¡hole ¡in ¡the ¡detector, ¡use ¡it! ¡
  • Refocus ¡and ¡reuse ¡the ¡beam ¡instead ¡of ¡dumping ¡it ¡in ¡the ¡wall ¡

NGLS ¡will ¡have ¡fan-­‑out, ¡division ¡in ¡Cme. ¡

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SLIDE 9

The SPB/SFX optics layout and instrumentation

The European XFEL

/SFX

Now ¡under ¡ construcCon ¡ at ¡DESY ¡ ¡ in ¡Hamburg ¡

(EXFEL) ¡ The ¡STC ¡has ¡access ¡to ¡the ¡european ¡XFEL ¡at ¡DESY ¡(Hamburg), ¡starts ¡2016. ¡

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Table 2 . Basic parameters of the SPB instrument at the European XFEL. parameter value (range) unit photon energy 3–16 keV pulse energy (max at source) approximately 1–5 mJ photons per pulse (max at source) approximately 1–8 1012 photons — focal spot size approximately 0.1 and 1.0 mm max repetition rate 10 1350 (highest pulse energy) 10 2700 (lower pulse energies) s21 pulse duration (range) few to approximately 100 fs detector pixel size (AGIPD) 200 200 mm2 upstream detector four independent quadrants (4 512 512 pixels) — downstream detector 2 independent quadrants (2 512 128 pixels) — single-photon sensitivity yes — dynamic range (at 12 keV) .104 photons detector frame rate 4.5 MHz sample–detector distances

  • approx. 0.13–5 (upstream)
  • approx. 7–12 (downstream)

m sample delivery options liquid jet aerosol jet fixed targets

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FEL Kirkpatrick-Baez mirrors SPB injectors SPB detector Refocusing optics Liquid injector SFX detector Stopper, pulse picker, and diagnostics diagnostics Fluorescence detector (veto)

SPB/SFX beamline and instruments

The ¡EXFEL ¡Bio ¡Hutch ¡at ¡DESY ¡(Hamburg) ¡has ¡two ¡chambers ¡in ¡series. ¡

Starts ¡late ¡2016 ¡ SwissFel ¡starts ¡early ¡2017 ¡ ¡ 3500 ¡diffracCon ¡palerns ¡recorded ¡per ¡second ¡ Smallest ¡beam ¡is ¡100 ¡nm. ¡ Single ¡ParClces ¡ Nanocrystals ¡

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SLIDE 12

X-­‑ray ¡op,cs ¡for ¡the ¡european ¡EXFEL ¡bio ¡chambers ¡

In ¡addiCon ¡to ¡these ¡two ¡dedicated ¡ ¡UK/Germany/STC ¡funded ¡Bio ¡chambers, ¡there ¡ are ¡two ¡EXFEL ¡chambers ¡supporCng ¡bio ¡up ¡to ¡3 ¡kV ¡(SCS ¡and ¡SQS ¡(similar ¡to ¡AMO ¡and ¡SXR) ¡ Also ¡FXE ¡chamber ¡does ¡liquid ¡spectroscopy. ¡ ¡Adrian ¡Mancuso. ¡Joachim ¡Schulz. ¡

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SLIDE 13

2048 ¡x ¡2040 ¡pixels ¡with ¡hole ¡in ¡center. ¡

The ¡european ¡EXFEL ¡will ¡have ¡an ¡advanced ¡new ¡bio ¡detector ¡

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Germany: ✓ 2.7 M€ BMBF (to Uni HH) ✓ 2.5 M€ DESY 5.5 M€ Helmholtz

!

1.0 M€ MPI-MF

!

UK: ✓ 5.3 M€ Wellcome Trust & RCUK

!

Sweden: ✓ 3.1 M€ (to Gothenburg)

!

Slovakia: ✓ 1 M€

!

PSI: ✓ 200 k€ in kind

!

USA: ✓ 300 k€ in kind (NSF STC)

!

Australia: ✓ 200 k€ in kind (ARC CEx)

! !

Total raised: 15.1 M€ Required: 18.6 M€ + operating costs of 1.6 M€/yr Henry Chapman, Christian Betzel, Heinz Graafsma, Edgar Weckert

! !

Ilme Schlichting

!

Jim Naismith, Dave Stuart, Martin Walsh, Jan Löwe

!

Richard Neutze

!

Karel Saksl, Imrich Barak

!

Bernd Schmidt, Dominic Greiffenberg

!

John Spence, Uwe Weierstall

!

Keith Nugent Stephan Stern, Steffen Raabe, Hamid Dagostar, Tokushi Sato, Sunil Ananthaneni, Dominik Oberthuer

! !

Leo Chavas

! ! ! !

Patrik Vagovic (currently DESY)

! ! !

Marc Messerschmidt

Other contributors!

Contribution Partners Scientists / Engineers

Funding ¡for ¡this ¡EXFEL ¡Bio ¡chamber ¡comes ¡from ¡many ¡sources ¡(inc. ¡STC) ¡

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In ¡March ¡2014 ¡a ¡mee,ng ¡was ¡held ¡at ¡LCLS ¡to ¡plan ¡SP ¡research ¡at ¡LCLS ¡2. ¡

¡

What ¡is ¡needed ¡to ¡make ¡single-­‑parCcle-­‑per-­‑shot ¡work ¡on ¡LCLS ¡ ¡2 ¡at ¡0.3 ¡nm ¡resoluCon ¡ ¡? ¡ Our ¡report ¡will ¡be ¡put ¡on ¡the ¡DOE ¡web ¡site. ¡

¡

Hadju, ¡SchlichCng, ¡Elser, ¡Barty, ¡Lalman, ¡Soichi ¡Wakatsuki, ¡Boutet, ¡Williams, ¡Ourmazd, ¡ Brunger, ¡Weis, ¡Santra, ¡Emma, ¡Lalman, ¡JCHS. ¡

¡

Working ¡groups ¡on ¡damage ¡(pulse ¡length ¡?), ¡injecCon, ¡samples, ¡algorithms, ¡detectors.. ¡ (our ¡group: ¡two ¡types ¡of ¡noise. ¡If ¡Poisson, ¡1E7/ptcl, ¡works. ¡Reduce ¡other, ¡poinCng/mirror.Embed). ¡ Pre-­‑compe))ve ¡ ¡collabora)on ¡(Hadju, ¡Ilme, ¡STC) ¡to ¡get ¡SP ¡imaging ¡working ¡– ¡special ¡beamCme ¡ ScienCfically ¡worthless ¡test ¡sample ¡(Rubisco, ¡legless ¡T4, ¡empty ¡capsids ¡? ¡) ¡ ¡

¡

  • 1. ¡Main ¡bollenecks ¡are ¡parCcle ¡inhomogeneity ¡(same ¡for ¡cryo), ¡hit ¡rate, ¡detectors. ¡
  • 2. ¡SLAC ¡will ¡not ¡do ¡injector ¡research ¡("too ¡much ¡R&D, ¡too ¡risky") ¡

¡

We ¡made ¡many ¡recommendaCons ¡for ¡LCLS ¡2 ¡– ¡eg ¡ Beler ¡detectors ¡(esp ¡dynamic ¡range) ¡ Beam ¡wanders ¡ten ¡Cmes ¡its ¡diameter ¡and ¡200 ¡microns ¡along ¡focus. ¡Fix ¡this. ¡ Reduce ¡background ¡!!! ¡esp ¡at ¡high ¡angle. ¡ Hit ¡rate ¡? ¡ ¡Electrospray, ¡Bessel ¡beams ¡(ASU). ¡

¡

LCLS ¡2, ¡< ¡5 ¡kV, ¡< ¡25 ¡kV. ¡No ¡change ¡to ¡hard ¡X-­‑ray ¡hutches ¡when ¡LCLS ¡2 ¡starts ¡in ¡2019. ¡Can ¡either ¡ have ¡low ¡or ¡high ¡rep-­‑rate ¡(eg ¡2 ¡kHz ¡(high ¡counts) ¡or ¡5 ¡MHz ¡(low ¡counts) ¡readout). ¡ Can ¡have ¡simultaneously ¡hard ¡in ¡one ¡chamber ¡and ¡soi ¡in ¡another, ¡or ¡two ¡soi ¡(not ¡two ¡hard). ¡ Niche ¡for ¡XFEL ¡SP ¡: ¡ ¡Diffusion ¡Cme, ¡ ¡mixing ¡jet, ¡ ¡no ¡damage, ¡irreversible ¡processes, ¡Pump ¡range ¡ (opCcal ¡absorpCon ¡length). ¡Also ¡FSS. ¡

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SLIDE 16

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 R split Number of patterns R split 13.964/sqrt(x)

Evidence ¡that ¡S/N ¡improves ¡as ¡1/sqrt(N) ¡for ¡N ¡shots ¡from ¡Cathepsin ¡data. ¡(K.Nass ¡Feb ¡2013) ¡ Validity ¡of ¡our ¡Monte ¡Carlo ¡method ¡is ¡best ¡shown ¡by ¡R ¡factor ¡comparison ¡with ¡synchrotron ¡data ¡ XFELS ¡cause ¡big ¡errors ¡in ¡SFX ¡(Shot-­‑to-­‑shot ¡15%, ¡xtal ¡orientaCon, ¡size) ¡ Monte ¡Carlo ¡averages ¡out ¡(quadrature) ¡errors ¡if ¡enough ¡data. ¡ (Kirian ¡et ¡al ¡2010, ¡White ¡et ¡al ¡2012) ¡– ¡improve ¡on ¡MC ¡? ¡ Rossman ¡& ¡Erickson ¡1983 ¡("American ¡method"). ¡ Rossman ¡1999 ¡"Post-­‑refinement". ¡ ¡ ¡ ¡Is ¡MC ¡accurate ¡enough ¡for ¡pump-­‑probe ¡in ¡a ¡jet ¡? ¡ ¡ ¡(Aquila ¡et ¡al ¡2012, ¡cf ¡Laue: ¡Moffat, ¡SchlichCng, ¡Hadju…) ¡ ¡ ¡

Can ¡we ¡improve ¡on ¡the ¡Monte ¡Carlo ¡method ¡for ¡TR-­‑SFX ¡? ¡

A ¡hundred ¡,mes ¡more ¡data ¡are ¡needed ¡to ¡ add ¡one ¡significant ¡figure ¡to ¡the ¡results. ¡ ¡ ~ ¡"Error" ¡in ¡ structure ¡ factors ¡

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SLIDE 17

Split-­‑and-­‑delay ¡for ¡,me-­‑resolved ¡diffrac,on. ¡

[220] ¡ Diamond ¡ 6.946 ¡kV ¡ 2ΘB ¡= ¡90o ¡ 0.3mm ¡= ¡1 ¡ps ¡ Sample ¡ Pump ¡laser ¡ between ¡X-­‑ray ¡ pulses ¡

Perhaps, ¡if ¡we ¡get ¡two ¡shots ¡from ¡the ¡same ¡nanoxtal, ¡with ¡pump ¡between ¡them ¡

(both ¡recorded ¡on ¡the ¡same ¡read-­‑out, ¡with ¡small ¡change ¡in ¡wavelength ¡to ¡shii ¡the ¡Bragg ¡spots). ¡

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SLIDE 18

Split-­‑and-­‑delay ¡for ¡,me-­‑resolved ¡diffrac,on. ¡

[220] ¡ Diamond ¡ 6.946 ¡kV ¡ 2ΘB ¡= ¡90o ¡ Sample ¡ Detector ¡

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SLIDE 19

Split-­‑and-­‑delay ¡for ¡,me-­‑resolved ¡diffrac,on. ¡

[220] ¡ Diamond ¡ 6.946 ¡kV ¡ 2ΘB ¡= ¡90o ¡ Sample ¡ Detector ¡ Read ¡out ¡BOTH ¡ superimposed ¡palerns ¡

  • now. ¡

¡

Then ¡repeat ¡for ¡ next ¡nanoxtal ¡for ¡3D. ¡

¡

Then ¡repeat ¡with ¡ ¡ new ¡Cme ¡delay ¡for ¡ next ¡frame ¡of ¡movie ¡

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SLIDE 20

Split-­‑and-­‑delay ¡for ¡,me-­‑resolved ¡diffrac,on. ¡

Diamond ¡thickness ¡chosen ¡to ¡give ¡ dynamical ¡beams ¡of ¡equal ¡intensity ¡ via ¡Bormann ¡effect. ¡

[220] ¡ Diamond ¡ 6.946 ¡kV ¡ 2ΘB ¡= ¡90o ¡ 2-­‑beam ¡reflecCvity ¡90% ¡ 0.3mm ¡= ¡1 ¡ps ¡ Sample ¡ Pump ¡laser ¡ between ¡X-­‑ray ¡ pulses ¡ * ¡Pump ¡between ¡XFEL ¡pulse ¡and ¡delayed ¡pulse ¡ * ¡These ¡pulses ¡have ¡equal ¡intensity ¡no ¡shot-­‑to-­‑shot ¡fluctuaCons. ¡ * ¡Measure ¡(almost) ¡same ¡par)als ¡on ¡same ¡detector ¡recording ¡ * ¡First ¡pulse ¡does ¡not ¡destroy ¡sample, ¡so ¡scalering ¡weaker. ¡ * ¡Use ¡LCP ¡jet. ¡Splilers ¡produce ¡extreme ¡collimaCon ¡and ¡monochromaCon. ¡ (So ¡use ¡Mirror ¡at ¡4 ¡kV ¡(3 ¡Ang) ¡? ¡) ¡

Notes: ¡ ¡ *Here ¡we ¡measure ¡only ¡differences ¡between ¡"same" ¡parCals. ¡ Shot-­‑to-­‑shot ¡variaCon ¡of ¡15% ¡eliminated. ¡Str ¡factor ¡change ¡ due ¡to ¡pump ¡Is ¡ ¡< ¡15%. ¡ ¡OrientaCon, ¡xtal ¡size ¡errors ¡elliminated. ¡ *Laue, ¡CB ¡wont ¡work ¡through ¡beamsplilers. ¡(Mirrors ¡work ¡below ¡2 ¡kV ¡now, ¡more ¡later ¡?). ¡ *Jiler ¡between ¡pump ¡and ¡LCLS ¡is ¡normally ¡> ¡100 ¡fs, ¡but ¡<10 ¡fs ¡with ¡"measure ¡and ¡sort" ¡

This ¡measures ¡ change ¡in ¡parCal ¡ reflecCons ¡due ¡to ¡ ¡ pump ¡laser ¡with ¡ ¡ lille ¡error. ¡Given ¡ ¡ a ¡model, ¡this ¡is ¡ all ¡you ¡need ¡! ¡ 10 ¡ps ¡~ ¡3 ¡mm ¡ 2ns ¡~ ¡0.6 ¡m ¡path ¡diff ¡ Rot ¡Diff ¡Time ¡~ ¡10 ¡ps ¡for ¡mol ¡ (Arg, ¡RT, ¡Water) ¡ Rot ¡Diff ¡Time ¡~ ¡100 ¡ms ¡(E ¡Coli) ¡ Use ¡LCP ¡? ¡

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SLIDE 21

Fig.2 - Long delay up to 100fs Mirror pi

Currently ¡works ¡up ¡to ¡2 ¡kV. ¡Delays ¡up ¡to ¡20 ¡ps. ¡Longer ¡are ¡beler ¡done ¡at ¡synchrotrons. ¡ Use ¡either ¡"2 ¡color" ¡or ¡change ¡of ¡beam ¡direcCon ¡to ¡get ¡two ¡shots ¡on ¡same ¡detector ¡readout. ¡ Pump ¡laser ¡can ¡occur ¡between ¡X-­‑ray ¡shots ¡(needs ¡very ¡long ¡opCcal ¡path ¡at ¡ ¡3mm ¡in ¡10 ¡ps) ¡ Errors ¡due ¡to ¡variaCons ¡in ¡xtal ¡orientaCon, ¡size ¡and ¡shot-­‑to-­‑shot ¡are ¡mostly ¡elliminated. ¡ ¡ If ¡pumped ¡between ¡X-­‑ray ¡pulses, ¡first ¡pulse ¡must ¡not ¡damage ¡xtal. ¡

Split-­‑and-­‑delay, ¡2 ¡Color. ¡More ¡accurate ¡Time-­‑resolved ¡SFX ¡?. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡Color ¡for ¡SAD ¡? ¡ ¡(Wakatsuki) ¡

Notes: ¡

  • 1. ¡Other ¡split-­‑and-­‑delay, ¡2 ¡color ¡schemes ¡under ¡development ¡(split ¡undulator, ¡sloled ¡foil ¡) ¡
  • 2. ¡Diamond ¡crystal ¡self-­‑seeded ¡beam. ¡Same ¡direcCon, ¡focus. ¡Hard ¡Xrays ¡< ¡150 ¡fs ¡delay ¡(Soichi) ¡
  • 4. ¡Use ¡LCP ¡jet ¡for ¡sample ¡delivery. ¡ ¡Bragg ¡spots ¡from ¡shot ¡pairs ¡displaced ¡on ¡detector. ¡

Get ¡two ¡hits ¡from ¡ the ¡SAME ¡parCcle. ¡ Put ¡pump ¡laser ¡between ¡ these ¡X-­‑ray ¡hits. ¡ Readout ¡both ¡hits ¡on ¡ ¡ same ¡detector ¡readout. ¡ Bragg ¡spots ¡slightly ¡shiied ¡

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MC ¡ S&D ¡

15% ¡ 5.7 ¡

Bragg ¡intensity ¡

~1 ¡

Assuming ¡F~104, ¡Eph=9.4keV, ¡detector ¡working ¡ distance ¡5cm,beam ¡diameter ¡4𝜈m ¡Henderson ¡safe ¡ dose ¡1MGy ¡@R.T. ¡

  • Average over Xtal size, shape, orient, mosaicity.
  • Huge variation in shape transform dominates error in MC.
  • Shot-to-shot beam intensity fluctuation is negligible
  • XFEL is “diffract-before-destroy” mode, signal maximized
  • Bypassed stochastic factors by dividing out the common shape

transform between paired shots.

  • Poisson noise in signal detection dominates error in MC.

(Assuming a perfect beam splitter)

  • Shot-to-shot intensity fluctuation unimportant.
  • First pulse intensity limited by Henderson safe dose..

Error ¡in ¡Split-­‑and-­‑delay ¡falls ¡more ¡rapidly ¡with ¡number ¡of ¡shots ¡than ¡Monte ¡Carlo ¡

Shot-­‑to-­‑shot ¡ Shape ¡Transform ¡ ~0 ¡

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SLIDE 23

RelaCve ¡Error ¡comparison ¡: ¡MC ¡v.s. ¡S&D ¡

~80000palerns ¡ needed ¡to ¡idenCfy ¡1% ¡ change ¡ <100 ¡pairs ¡of ¡palerns ¡ needed ¡for ¡1% ¡change ¡

Error ¡in ¡Split-­‑and-­‑delay ¡falls ¡more ¡rapidly ¡with ¡number ¡of ¡shots ¡than ¡Monte ¡Carlo ¡

Error ¡in ¡|F|/ ¡|F| ¡ ¡ ¡ Error ¡in ¡ΔF/|F| ¡ MC ¡ S&D ¡

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SLIDE 24

A ¡movie ¡of ¡the ¡rad ¡damage ¡processes ¡in ¡SFX ¡can ¡be ¡made ¡using ¡2-­‑color. ¡

Without ¡any ¡pump ¡pulse, ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

  • 1. ¡First ¡pulse ¡iniCates ¡damage, ¡but ¡gives ¡undamaged ¡palern. ¡
  • 2. ¡Second ¡pulse ¡(different λ) ¡gives ¡image ¡of ¡sample ¡aier ¡delay. ¡(does ¡add ¡damage). ¡
  • 3. ¡Both ¡palerns ¡impressed ¡on ¡same ¡detector ¡readout. ¡Wavelength ¡change ¡moves ¡spots ¡

¡ Collect ¡many ¡palerns ¡at ¡one ¡delay ¡for ¡3D ¡image. ¡ Collect ¡many ¡delays, ¡one ¡for ¡each ¡frame ¡of ¡movie. ¡ ¡ ¡ This ¡proposal ¡(Spence, ¡Chapman…) ¡has ¡been ¡submiled ¡for ¡LCLS ¡beamCme. ¡

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SLIDE 25

Ab-initio iterative phasing avoids MR modelling, doping.

Photosystem I nanocrystals at 2 kV (6.9 Ang wavelength). Single Shot (1012 photons incident).

Streak due to jet Shape-transform fringes

Phasing by shape transforms

  • Does not need atomic res.
  • No chemical mods to sample
  • Ab initio, PDB not used,

"a new measurement"

To phase, "divide out" particle size distribution. Don't phase individual patterns: 3D merge first

Fast SAD is also possible.

(Barends,Doak,Messerschmitdt…

  • Schlichting. Science 2014, Lyz /La)

19 ¡periods ¡along ¡g ¡ g ¡ Is ¡each ¡nanoxtal ¡a ¡different ¡ conformaCon ¡? ¡ See ¡Spence ¡et ¡al ¡OpCcs ¡Express, ¡2011 ¡ . ¡ We ¡have ¡seen ¡xtals ¡as ¡small ¡as ¡6 ¡unit ¡cells ¡on ¡side. ¡

  • Collab. ¡with ¡DESY ¡conCnues ¡on ¡

use ¡of ¡intensity-­‑dependent ¡phasing ¡ (Santra, ¡2011) ¡

¡

  • H. ¡Liu ¡et ¡al ¡analysed ¡edge ¡effects ¡

(IUCrJ ¡(2014) ¡). ¡

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SLIDE 26
  • Single-­‑par,cles ¡can ¡be ¡run ¡along ¡a ¡hollow ¡light ¡pipe ¡(Bessel ¡beam). ¡

This ¡is ¡Kirian's ¡STC ¡project ¡at ¡ASU ¡ ¡Physics ¡(and ¡DESY). ¡

Ekerskorn, ¡Kirian ¡ et ¡al ¡OpCcs ¡Express ¡ 21, ¡(2013) ¡ ¡ This ¡advances ¡our ¡aim ¡

  • f ¡SP ¡imaging ¡by ¡increasing ¡

the ¡hit ¡rate. ¡ 2 ¡micron ¡polystyrene ¡spheres ¡steered ¡ Movie ¡– ¡view ¡along ¡beam ¡

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2 ¡micron ¡carbon ¡ptcles ¡trapped ¡in ¡speckled ¡"bolle-­‑beam" ¡ ¡

Schvedov ¡et ¡al ¡al ¡OpCcs ¡Express ¡2012. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Movie. ¡

But ¡the ¡LCLS ¡beam ¡wanders ¡by ¡ten ¡Cmes ¡its ¡focus ¡(2 ¡or ¡0.1 ¡micron) ¡due ¡to ¡jiler ¡! ¡

It ¡is ¡based ¡on ¡the ¡ PhotophoreCc ¡force ¡

¡ Side ¡of ¡ball ¡heated ¡by ¡

  • pCcal ¡absorpCon ¡recoils ¡

more ¡than ¡cold ¡side. ¡ ¡ Atoms ¡traps ¡don't ¡work ¡ for ¡large ¡hydrated ¡ptcles ¡

¡

Laser ¡tweezers ¡(gradient ¡ force) ¡normally ¡reply ¡on ¡ viscous ¡damping. ¡Hard ¡ to ¡fill ¡in ¡vacuum. ¡

A ¡new ¡kind ¡of ¡op,cal ¡trap ¡may ¡be ¡useful ¡for ¡single-­‑par,cle ¡imaging ¡

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SLIDE 28
  • Fig. 2 – Possible 2PP GDVN Tip. Bottom: Cross-section, showing liquid capillary (orange) glued into

2PP nozzle module and with 2PP nozzle module glued into standard 1/16” OD stainless steel nozzle tube; Middle: Assembled SS nozzle tube unit; Top: Tube unit mounted in standard GDVN nozzle holder.

¡3D* ¡prin,ng ¡will ¡allow ¡fabrica,on ¡of ¡a ¡wide ¡range ¡of ¡ ¡jet ¡designs. ¡

"anything ¡you ¡can ¡draw ¡in ¡CAD ¡you ¡can ¡make" ¡(almost) ¡

¡(Nelson, ¡ASU ¡, ¡Doak, ¡Heidelburg) ¡with ¡Nanoscribe. ¡

FabricaCon ¡Cme ¡is ¡down ¡to ¡about ¡6 ¡hours ¡(1K^3 ¡voxels). ¡ ¡Cost ¡per ¡nozzle ¡? ¡ ¡Printer ¡costs ¡$ ¡0.5E6 ¡ *2-­‑photon ¡polymerizaCon. ¡ResoluCon ¡0.2 ¡micron. ¡Hence ¡1k ¡^3 ¡ ¡= ¡200 ¡micron ¡cube ¡!. ¡(0.2 ¡mm) ¡

  • Fig. 7 – Two-fluid fast mixing nozzle to generate a Rayleigh free-stream.

Standard ¡GDVN ¡Nozzle. ¡ Mixing ¡jet ¡-­‑ ¡Rayleigh ¡ A ¡ ¡"sheet ¡jet" ¡would ¡elliminate ¡the ¡diffracCon ¡ streak ¡from ¡the ¡liquid ¡tube. ¡ (think ¡soap ¡film ¡across ¡wire ¡frame). ¡

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Macromolecules ¡in ¡one ¡buffer ¡ (red) ¡are ¡surrounded ¡by ¡a ¡mixing ¡buffer ¡(blue). ¡ ¡ ¡ A ¡conformaConal ¡change ¡is ¡triggered ¡when ¡small ¡ions ¡ ¡

  • r ¡ligands ¡diffuse ¡rapidly ¡from ¡the ¡blue ¡soluCon ¡into ¡the ¡red ¡jet ¡

¡ The ¡mixer ¡is ¡inserted ¡into ¡a ¡gas ¡injector ¡(not ¡shown) ¡for ¡use ¡at ¡LCLS. ¡ A ¡Cme ¡delay ¡is ¡introduced ¡by ¡adjusCng ¡the ¡posiCon ¡of ¡the ¡mixer ¡in ¡the ¡injector. ¡ ¡ At ¡the ¡exit ¡of ¡the ¡injector, ¡the ¡gas ¡‘squeezes’ ¡the ¡jet, ¡homogenizing ¡the ¡soluCon. ¡ The ¡presence ¡of ¡many ¡red ¡jets ¡dramaCcally ¡increases ¡the ¡signal ¡size. ¡ ¡ X-­‑ray ¡pulses ¡intersect ¡the ¡reacCng ¡molecules, ¡providing ¡Cme ¡resolved ¡snapshot ¡scalering ¡palerns ¡

Time ¡delay ¡ AIM: ¡To ¡measuring ¡Cme-­‑dependent ¡biological ¡reacCons. ¡ ¡ Including: ¡ ¡conformaConal ¡changes ¡of ¡enzymes ¡following ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡substrate ¡binding ¡or ¡RNA ¡ folding: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

AddiCon ¡of ¡Mg2+ ¡ions ¡to ¡unstructured, ¡charged ¡ ¡ RNA ¡triggers ¡folding ¡to ¡funcConal ¡structure. ¡ ¡

TtLSU.pdb ¡

More ¡efficient ¡mixing ¡jets ¡are ¡planned ¡in ¡the ¡Pollack ¡group ¡(Cornell) ¡. ¡

X-­‑rays ¡

This ¡advances ¡our ¡aim ¡

  • f ¡'me-­‑resolved ¡

imaging ¡

  • f ¡biochemical ¡

reac'ons. ¡

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A"sheet"jet"would"elliminate"the"streak"in"the"diffrac5on"pa7erns" Par5cles"no"longer"localized,"so"hit"rate"low."I"micron"thickness"good"for"SAX"background" characteriza5on"B"so"use"big"beam."

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Hi-­‑Rep ¡Rate ¡XFELs ¡challenge ¡the ¡design ¡of ¡new ¡injectors. ¡

Problem: ¡Next ¡shot ¡must ¡be ¡clear ¡of ¡debris ¡(blast ¡zone) ¡from ¡previous ¡shot. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Range ¡of ¡debris ¡~ ¡10 ¡microns. ¡

¡

Example: ¡EXFEL. ¡ ¡10 ¡Hz ¡bursts, ¡200ns ¡(5 ¡MHz) ¡between ¡pulses ¡within ¡burst. ¡

¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡microns ¡in ¡200 ¡ns ¡is ¡ ¡ ¡50m/sec., ¡clears ¡debris. ¡ ¡(Water ¡jet ¡is ¡10 ¡m/s). ¡

¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Camera ¡readout ¡slower, ¡2.5 ¡kHz. ¡Wastes ¡less ¡protein ¡than ¡120 ¡Hz. ¡

¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡LCP ¡jet ¡cannot ¡be ¡used. ¡

¡

Data ¡collec,on ¡,me ¡greatly ¡reduced ¡by ¡hi-­‑rep ¡rate ¡machines. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2.5 ¡hours ¡for ¡Phycocynin ¡at ¡LCLS ¡(120 ¡Hz) ¡becomes ¡5 ¡mins ¡at ¡EXFEL. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡17% ¡of ¡the ¡amount ¡of ¡protein ¡required. ¡ ¡ ¡ LCLS ¡does ¡not ¡develop ¡sample ¡delivery ¡instruments. ¡("too ¡much ¡R ¡& ¡D"). ¡ ¡ For ¡LCLS ¡2, ¡they ¡will ¡need ¡ ¡several ¡new ¡injectors ¡from ¡this ¡STC. ¡

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* Next step: 3D tilt series, ATP synthase, voltage gated ion pumps, wet cells. Malhias ¡Frank, ¡James ¡Evans, ¡Mark ¡Hunter…LLNL. ¡ ¡IUCrJ ¡ ¡1, ¡(2014) ¡ ¡ ¡ ¡ This ¡advances ¡our ¡goal ¡

  • f ¡XFELS ¡for ¡structural ¡

dynamics ¡

  • D

e , a s s m a

  • n

b y i c s . t h a t

2D ¡Crystals ¡: ¡Dynamic ¡experiments ¡and ¡wet ¡cells ¡are ¡planned. ¡

Wet ¡cell ¡SiN ¡sandwich. ¡ Each ¡cell ¡burst ¡by ¡beam. ¡

  • Fig. 7: Conceptual design for voltage switching. (a) Cross

section of in-situ device holding 2D crystal sample and HV grids (not to scale) with grid openings aligned with the silicon nitride membranes to allow passage of X rays; (b) cross section of

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Oversampling ¡along ¡beam ¡direc,on ¡phases ¡monolayer ¡protein ¡crystals. ¡

  • 1. ¡Digital ¡phasing ¡avoids ¡need ¡to ¡dope ¡sample ¡or ¡obtain ¡atomic ¡resoluCon ¡data ¡(direct ¡methods) ¡
  • 2. ¡Use ¡2D ¡crystallizaCon ¡for ¡membrane ¡proteins, ¡which ¡may ¡be ¡hard ¡to ¡xtallize ¡in ¡3D ¡

Spence, ¡Weierstall, ¡Downing, ¡Glaeser. ¡ ¡ ¡J. ¡Struct. ¡Biol. ¡‘03. ¡ Bragg ¡beams. ¡ Incident ¡coherent ¡beam ¡ Molecular ¡monolayer ¡ Real ¡Space ¡ Reciprocal ¡Space ¡ Reciprocal ¡space ¡rods-­‑ ¡ FT ¡of ¡thin ¡plate. ¡ 1/t ¡ 1/(2t) ¡ t ¡ Tilted ¡plane ¡ Bragg ¡sampling ¡along ¡z ¡ Shannon ¡

The ¡Spence ¡lab ¡is ¡developing ¡new ¡ab-­‑ini,o ¡phasing ¡methods ¡for ¡2D ¡xtals ¡

Yun ¡ ¡Zhao ¡ ¡ ¡ Support ¡

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Error ¡in ¡phase ¡vs ¡number ¡of ¡iteraCons ¡

Density ¡ Maps, ¡

given ¡a ¡ 20A ¡ model ¡

Along ¡c ¡ Along ¡b ¡ Along ¡a ¡

CorrelaCon ¡coefficient ¡ between ¡truth ¡and ¡ esCmate ¡of ¡algorithm ¡

The ¡itera,ve ¡HiO ¡algorithm ¡phases ¡2D ¡xtal ¡data. ¡

Yun ¡ ¡Zhao ¡ ¡ ¡ The ¡Fienup ¡algorithm ¡ ¡ iterates ¡in ¡3D ¡between ¡ diffracCon ¡palern ¡ and ¡density ¡map, ¡ ¡ imposing ¡known ¡ structure ¡factor ¡ magnitudes, ¡the ¡ support, ¡and ¡the ¡sign ¡

  • f ¡the ¡density ¡in ¡each ¡

iteraCon.This ¡converges ¡ to ¡correct ¡phases. ¡

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130

  • J. Hoszowsku et al. I Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 376 (1996) 129-138

Fig.

  • 1. Schematic

drawing

  • f the

von Hamos spectrometer geometrical principle

  • f operation.

The crystal is curved around the x-axis. The figure is not to scale. (Note. that the z-coordinate is the vertical axis in Fig. 2).

  • surface. For a fixed position of the components,

an incident X-ray location on the detector corresponds geometrically to a particular Bragg angle and hence to a particular X-ray energy through the Bragg relation: E [keV] = 12.398/(2d[b;] sin 0))

(1)

where E and 13 are the energy and Bragg angle, respective-

  • ly. Such focusing, called vertical focusing,

permits at one position

  • f the spectrometer

components, data collection

  • ver an energy bandwidth

limited primarily by the crystal length (x-extension) and detector length (x-extension). In

  • rder to study a greater energy interval the central Bragg

angle is adjusted by translation

  • f the crystal and corre-

spondingly

  • f the detector along their axes. The source-to-

crystal and crystal-to-detector distances are varied but kept

  • equal. The position
  • f the crystal center from the slit is

given by: x,=RcotB, (2) where R is the crystal radius of curvature and 0 is the central Bragg angle. The detector distance x,, is twice that

  • f xc.

2.2. Spectrometer chamber The target, crystal and detector are all contained in a stainless steel vacuum chamber (180 X 62 X 24.5 cm3) with 15 mm thick side walls, 8 mm thick cover and 10 mm thick bottom (see Fig. 2). The chamber is pumped to about 1O~‘Torr by a turbo-molecular pump (exhausting power 880 l/s) and a two stage rotary pump (10 l/s), and is mounted on a mobile stand. The top and bottom of the chamber are reinforced by 20 mm thick ribs of stainless

  • steel. The chamber is equipped with four beam ports and

can be rotated about the target. Thus the angle between the beam direction and the crystal axis of curvature can be varied from 0” to 90” in 30” steps. Three circular ports permit access for the target, crystal and detector replace-

  • ment. When employed,

the X-ray tube is mounted in place

  • f the circular port above the target system. This port can

be rotated around its center, so that the angle between the ionizing radiation and the crystal axis of curvature can be set to any value between 0” and 90”. The carriages

  • Fig. 2. Schematic

view of the facility: (1) crystal, (2) CCD detector, (3) target barrel, (4) X-ray tube, (5) beam ports and (6)

vacuum pump. supporting the detector and crystal move on special tracks (Schneeberger linear rail system), that allow very precise and almost frictionless movements. Each carriage is set in motion through a hardened stainless steel screw driven by a stepping motor (400 steps per turn) and a bronze nut fixed to the bottom of the carriage. The crystal and detector screws are 16 mm in diameter and are 69 and 99 cm long, respectively. Both have a 2 mm thread which gives a 5 p,m displacement

  • f the carriage per step of the driving motor.

To achieve high precision in the positioning

  • f the crystal

and the detector, the screw-nut systems were manufactured without any play and are lubricated with a special high- vacuum lubricant (TorrLubeTM, Sputtered Films, Santa Barbara, CA 93103). The two carriages are stopped automatically at both ends of the rails by two inductive proximity detectors. The latter serve also as absolute position references. The distances between the slit and sensors for the detector axis are 28 and 112 cm. For the chosen crystal radius of curvature

  • f 25.4 cm, the angle

range of the spectrometer is thus 24.4” to 6 I. 1”. The crystal and detector assembly is mounted

  • n a separate

25 mm thick Al platform fixed to the bottom of the chamber. in

  • rder to avoid any strain of the tracks which could be

caused by possible deformations

  • f the vacuum chamber.

2.3. Construction detuils 2.3.1. Target-slit system The effective X-ray source viewed by the crystal is defined by a vertical (z-direction) rectangular slit, consist- ing of two juxtaposed tantalum pieces 0.3 mm thick and 10 mm high. The slit system has the following advantages: a high definition

  • f the beam profile on the target is not

required, the variations of the beam position leading to a shift of the spectral position and as a consequence to a distortion of the X-ray line profile can be avoided, and the line shape is not affected by possible thermal target deformations. The width of the slit is adjustable. Typical

  • Fig. 1. Schematic illustration of

K-LL RAE X-ray fluorescence.

  • Fig. 4. (A) Si and (b) SiO2 X-ray fluorescence spectra measured by quick scan (25 minutes) for

the range of interest (XRF), compared with XANES spectra measured by Ohta et al. [16] at the Photon Factory. Kawai ¡1998. ¡

The ¡chemical ¡state ¡of ¡atoms ¡can ¡be ¡tracked ¡in ¡,me ¡by ¡emission ¡spectra ¡

EXAFS ¡would ¡required ¡tuning ¡EXFEL ¡to ¡each ¡energy ¡in ¡turn. ¡ XES ¡von ¡Hamos ¡spectrometer ¡records ¡every ¡wavelenth ¡at ¡once ¡ and ¡has ¡same ¡informaCon ¡as ¡XANES ¡and ¡EXAFS. ¡(call ¡it ¡EXEFS) ¡

EXAFS ¡requires ¡lower ¡dose ¡than ¡XRD, ¡ ¡damage ¡can ¡be ¡monitored ¡and ¡controlled, ¡ ¡allowing ¡for ¡data ¡collecCon ¡from ¡intact ¡ Mn4Ca ¡clusters. ¡EXAFS ¡also ¡provides ¡higher ¡Mn ¡distance ¡resoluCon ¡than ¡3.2-­‑3.5 ¡Å ¡MX. ¡ ¡ ¡ ¡Kern ¡2013, ¡ ¡Yano ¡'05, ¡'08, ¡ ¡ ¡Glatzel ¡ ¡….Yulia ¡Pushkar ¡

How ¡the ¡RAE ¡makes ¡XES ¡ depend ¡on ¡DOS ¡(empty). ¡

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Kern, ¡J. ¡et ¡al ¡ ¡Science ¡340, ¡491 ¡ ¡2013. ¡ ¡ ¡

Fast ¡XES ¡on ¡Mn4CaO5 ¡oxygen-­‑evolving ¡cluster ¡in ¡PS ¡II ¡at ¡LCLS ¡shows ¡un-­‑reduced ¡Mn, ¡ unlike ¡synchrotron ¡data. ¡Also ¡XRD ¡is ¡unchanged ¡between ¡S1 ¡and ¡S2 ¡state ¡at ¡5.9 ¡Ang. ¡ ¡ ¡ ¡

"Fluoresce-­‑and-­‑destroy" ¡spectroscopy ¡– ¡see ¡un-­‑reduced ¡spectrum ¡?. ¡

Emission ¡is ¡from ¡intact ¡ Mn4CaO5 ¡cluster ¡in ¡S1 ¡(dark ¡adapted) ¡

  • state. ¡XES ¡cannot ¡

¡resolve ¡change ¡from ¡ S1 ¡– ¡S2, ¡but ¡does ¡ ¡ resolve ¡change ¡ ¡due ¡ ¡to ¡SR ¡ ¡damage ¡in ¡ ¡S1 ¡ ¡state. ¡

Mn ¡Kβ1,3 ¡line ¡is ¡a ¡probe ¡ ¡of ¡the ¡number ¡of ¡ ¡ unpaired ¡3d ¡electrons, ¡ ¡and ¡oxidaCon ¡and/or ¡spin ¡state ¡ ¡

  • Damage ¡reduces ¡Mn ¡cluster ¡(electron ¡gain) ¡

OxidaCon ¡is ¡loss ¡of ¡electrons ¡ Electrospinning ¡jet. ¡ Dark ¡ State ¡

Mn ¡

No ¡e-­‑ ¡gained ¡using ¡XFEL ¡! ¡

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Fraser ¡at ¡UCSF ¡is ¡ ¡imaging ¡dynamic ¡allosteric ¡mechanisms ¡at ¡RT ¡

Fraser et al, Nature, 2009 Fraser et al, PNAS, 2011

Temperature-dependent differences also observed by SFX in Liu et al, Science, 2013 ~600 images from ~30 crystals yields complete dataset to 1.6Å resolution

Are temperature dependent changes in alternative conformations caused by Radiation Damage ? Multiple frames per crystal at room temperature at LCLS XPP line

10x10um X-ray beam path 20um spacing between shots

They find that alternative conformations ARE present in XFEL damage-free RT datasets ! Synchrotron ¡ XFEL ¡ Allosteric ¡Network ¡only ¡present ¡ at ¡room ¡temperature. ¡

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The ¡Kornberg ¡Lab ¡studies ¡the ¡mediator ¡in ¡transcrip,on ¡by ¡SFX, ¡TR-­‑SFX. ¡

¡ ¡

*The ¡transcripCon ¡mechanism ¡and ¡regulaCon ¡controls ¡gene ¡expression. ¡ ¡ ¡ ¡DNA ¡is ¡copied ¡into ¡RNA ¡by ¡RNA ¡Polymerase ¡enzyme ¡(60 ¡polypepCdes, ¡including ¡the ¡ 1MDa ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Mediator ¡complex) ¡ ¡ ¡(mRNA ¡then ¡ ¡creates ¡protein ¡via ¡translaCon) ¡ ¡ *AIMS ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1: ¡Make ¡microxtals ¡of ¡Mediator, ¡do ¡SFX. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2. ¡Do ¡TR-­‑SFX ¡of ¡transcripCon ¡elogaCon. ¡ ¡ First ¡alempt ¡at ¡LCLS ¡had ¡ ¡< ¡0.5% ¡hit ¡rate, ¡2nm ¡resoluCon. ¡Need ¡beler ¡xtals, ¡hit ¡rate. ¡ ¡ New ¡collaboraCon ¡with ¡Snell ¡at ¡HWI ¡to ¡screen ¡ * ¡ ¡RNA ¡Polymerase ¡II ¡with ¡TFIIF ¡ * ¡ ¡Pre-­‑iniCaCon ¡complex ¡of ¡32 ¡poypepCdes, ¡solved ¡to ¡1.5 ¡nm ¡by ¡cryo-­‑em. ¡

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Making ¡Nano-­‑crystals ¡of ¡the ¡1MDa ¡Mediator ¡of ¡TranscripCon ¡ ¡

  • EssenCally ¡component ¡of ¡

transcripCon ¡iniCaCon ¡machinery ¡

  • 21 ¡Subunits ¡divided ¡into ¡three ¡

defined ¡submodules: ¡Head, ¡Middle, ¡ Tail ¡

  • Structural ¡informaCon ¡for ¡~30% ¡

Molecular ¡Mass ¡(Head ¡Module ¡X-­‑ray ¡ structure) ¡

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CharacterizaCon ¡of ¡Mediator ¡Nano-­‑crystals ¡

NanoparCcle ¡Tracking ¡Analysis: ¡Crystal ¡characterizaCon ¡ Size ¡distribuCon: ¡ ¡ Mean= ¡424nm ¡ SD=219nm ¡ ¡ ¡ ¡ ParCcle ¡conc ¡ (unselled ¡crystals): ¡ ¡ 7E+8 ¡parCcles/ml ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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Negative Stain EM

Mediator ¡Nano-­‑crystals ¡Demonstrate ¡Electron ¡DiffracCon ¡

Electron ¡Microscopy: ¡Crystal ¡diffracCon ¡analysis ¡

!

LATTICE INDEXING (2DX) HEXAGONAL α=β=90 γ=120 a=b=294Å ¡

50 kX FFT Cryo EM

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The ¡Kornberg ¡lab ¡have ¡have ¡iden,fied ¡21 ¡novel ¡crystalliza,on ¡ condi,ons ¡for ¡transcrip,on ¡ini,a,on ¡complexes ¡

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Frank, ¡Evans ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2D ¡Xtals. ¡ATP ¡Synthase, ¡Voltage-­‑gated ¡Ion ¡channels. ¡ Doniach ¡ ¡ ¡Enzyme-­‑substrate ¡reacCons. ¡Mixing ¡jet. ¡ Hogue ¡ ¡ ¡Virus ¡single ¡parCcles. ¡Chlorella, ¡Adenovirus. ¡Virus ¡nanocrystals. ¡ Pollack ¡ ¡ ¡Mixing ¡jet, ¡soluCon ¡scalering ¡tRNA, ¡DNA ¡folding ¡ Schmidt ¡ ¡ ¡Pump-­‑Probe ¡fast ¡WAX ¡and ¡nanocrystals. ¡ ¡PYP ¡in ¡photosynthesis. ¡ Spence ¡ ¡ ¡Split ¡and ¡delay ¡– ¡damage ¡movie ¡ Stroud, ¡Fraser ¡ ¡Membrane ¡proteins ¡in ¡LCP ¡-­‑ ¡Vesicular ¡Glutamate ¡Transporter. ¡ Yun-­‑Xing ¡Wang ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡RNA ¡nanxotals ¡, ¡t-­‑box ¡riboswitch, ¡rRNA ¡ ¡HIV-­‑1 ¡Rev. ¡Drug ¡target ¡RRE ¡RNA ¡ Barty ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡PS-­‑II ¡ ¡ground ¡state. ¡ Cherezov ¡ ¡ ¡New ¡GPCR ¡structures ¡and ¡their ¡ligands. ¡ Ros ¡ ¡ ¡ ¡Microfluidic ¡sorCng ¡and ¡nanocrystal ¡growth. ¡ Mor ¡ ¡ ¡ ¡SFX ¡of ¡ ¡HIV ¡vaccine ¡candidate ¡ Brown ¡ ¡ ¡Rhodopsin ¡Pump ¡probe ¡SFX ¡ Caffrey ¡ ¡ ¡Membrane ¡Kinase ¡TR-­‑SFX ¡in ¡LCP ¡ Wachter ¡ ¡ ¡SFX ¡of ¡ ¡F. ¡tularensis ¡factor ¡CapA ¡ Fromme ¡ ¡ ¡Phycobilisome ¡SFX, ¡ Liu, ¡H. ¡ ¡ ¡RadiaCon ¡damage ¡in ¡FSS ¡

  • M. ¡Liang

¡ ¡ ¡FSS ¡of ¡single ¡amyloid ¡fibrils. ¡ Bhandari ¡@ ¡NIH ¡ ¡SFX ¡of ¡large ¡RNAs ¡and ¡their ¡protein ¡complexes. ¡

  • Xu. ¡Eric

¡ ¡ ¡Rhodopsin-­‑ArresCn ¡SFX. ¡ ¡Melcher ¡"X-­‑ray ¡laser ¡diffracCon ¡AMP-­‑acCvated ¡kinase" ¡ Screening ¡(submiled ¡May ¡2014) ¡

  • Conrad. ¡Test ¡LCP ¡jet ¡at ¡LCLS ¡
  • Ros. ¡Feed ¡jet ¡with ¡sorter. ¡
  • Garcia. ¡CapA ¡by ¡SF ¡
  • Fromme. ¡Sonicc ¡vs ¡SFX. ¡
  • Iverson. ¡Transmembrane ¡signalling ¡nanoxtal ¡quality. ¡
  • Carpenter. ¡ ¡Human ¡Ion ¡channels ¡in ¡LCP. ¡

Some ¡BioXFEL ¡collaboraCve ¡ ¡ proposals ¡for ¡2014/15 ¡beamCmes. ¡

BioXFEL ¡and ¡collabs ¡have ¡exci,ng ¡projects ¡planned ¡in ¡structural ¡biology ¡for ¡the ¡future. ¡

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Re-­‑design ¡ spectropolarimeter ¡ for ¡pump-­‑probe ¡ measurements ¡ SAXS ¡data ¡ collecCon ¡ Champion ¡lab ¡at ¡ Northeastern ¡has ¡ experimental ¡ apparatus ¡ready ¡ Protein ¡ producCon ¡ SAXS ¡data ¡ collecCon ¡ CD ¡data ¡ collecCon ¡ Flash ¡photolysis ¡ and ¡other ¡solu,on ¡ spectroscopy ¡ CD ¡data ¡ collecCon ¡ Protein ¡ producCon ¡ Begin ¡crystal ¡ seeding ¡ experiments ¡ SAXS ¡and ¡CD ¡ data ¡collecCon ¡if ¡ necessary ¡ BioXFEL/synchrotron ¡ prepara,on ¡begins ¡ BioXFEL/synchrotron ¡ data ¡collecCon ¡and ¡ processing ¡ X-­‑ray ¡structures ¡ and ¡thesis ¡ wriCng ¡ Protein ¡ producCon ¡

Example: ¡Plans ¡for ¡TR-­‑FSS ¡of ¡TePixJ, ¡a ¡bacterial ¡photoreceptor, ¡in ¡the ¡Phillips ¡Lab ¡(Rice) ¡

A ¡Cyano-­‑Bacteriochrome ¡receptor ¡which ¡senses ¡blue-­‑green ¡light, ¡involved ¡in ¡phototaxis. ¡ From ¡Thermosynechococcus ¡elongatus. ¡ GAF ¡ MA ¡

HAMP ¡ HAMP ¡

TM ¡ TM ¡

PDB ¡ID: ¡4FOF ¡

  • J. ¡Clinger, ¡G. ¡Philips ¡
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Many ¡XFELS ¡are ¡now ¡under ¡construc,on ¡worldwide ¡

SwissFel ¡and ¡XFEL ¡ start ¡in ¡2016. ¡

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Hard ¡X-­‑Ray ¡FELs ¡in ¡Opera,on ¡& ¡Under ¡Construc,on ¡Worldwide ¡

LCLS-­‑I, ¡II ¡2009, ¡2018 ¡ 14.5 ¡GeV, ¡120 ¡Hz ¡NC ¡ SACLA ¡2011 ¡ 8.5 ¡GeV, ¡60 ¡Hz ¡NC ¡ XFEL ¡2015 ¡ 17.5 ¡GeV, ¡3000 ¡x ¡10 ¡Hz ¡SC ¡ PAL ¡XFEL ¡2015 ¡ 10 ¡GeV, ¡100 ¡Hz ¡NC ¡ SWISS ¡FEL ¡2017 ¡ 5.8 ¡GeV, ¡100 ¡Hz ¡NC ¡ Four ¡normal ¡conducCng ¡(NC) ¡linacs ¡ One ¡pulsed ¡superconducCng ¡(SC) ¡linac ¡

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2016 ¡ 2025 ¡ Undulators ¡ Instruments ¡ Simul-­‑ taneous ¡ Undulators ¡ Instruments ¡ Simul-­‑ taneous ¡ LCLS ¡(online) ¡

1 ¡ 6 ¡ 1 ¡

LCLS ¡II ¡– ¡1 ¡tunnel ¡

3 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 10-­‑12 ¡ 8 ¡

LCLS ¡II ¡– ¡2 ¡tunnel ¡

3 ¡ 10-­‑12 ¡ >5 ¡ 5 ¡ 10-­‑12 ¡ 8 ¡

Eu ¡XFEL ¡

3 ¡ >5 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 7-­‑10 ¡

SACLA, ¡Japan ¡(online) ¡ 5 ¡

9 ¡ 5+? ¡ 5 ¡ >10 ¡ 5+? ¡

Swiss ¡XFEL ¡

3 ¡ 6-­‑9 ¡ 3-­‑6? ¡ 4 ¡ 12? ¡ 4-­‑8? ¡

SPARX, ¡Italy ¡(online) ¡

3 ¡ 4 ¡ ? ¡ 3 ¡ 6-­‑9 ¡ ? ¡

PLS ¡FEL ¡

1 ¡ 2? ¡ 10-­‑17 ¡ ? ¡

NGLS ¡

10 ¡ >10 ¡ 10 ¡

  • Estimates from www-based data, TDRs, personal communications, etc.
  • Wide geographical distribution (Asia, Europe, USA)
  • In hard x-ray region, by 2025 could see increase from 1 undulator today

serving 4 stations serially to ~ 30-50 serving multiple stations simultaneously

BioXFEL ¡will ¡use ¡this ¡growing ¡worldwide ¡FEL ¡Capacity ¡ ¡ ¡

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THE ¡END ¡

(of ¡the ¡beginning) ¡

Figure 3. Layout of the European XFEL facility; the path of the underground tunnels is superimposed on the map of the northwest part of Hamburg and of the town of Schenefeld in Schleswig-Holstein. (Online version in colour.)

European ¡EXFEL ¡at ¡DESY ¡, ¡near ¡Hamburg ¡(starts ¡2016) ¡