Multilayer optics for macromolecular X-ray crystallography [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Daniel Fullà Marsà

De
Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Daniel Fullà Marsà aus Barcelona/SpanienAls Dissertation genehmigt von der Naturwissen- schaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 30 April 2010 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch Erstberichterstatter/in: Prof. Dr. Reinhard Neder Zweitberichterstatter/in: Dr. Christian Kumpf To my parentsMultilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography ZUSAMMENFASSUNG Vielschichtenoptik für makromolekulare Röntgenkristallographie Die vorliegende Arbeit ist im Wesentlichen in zwei Teile gegliedert: einen instrumentellen, der sich mit der Entwicklung eines Vielschicht-Röntgenmonochromators (multilayer mononchromator) für makromolekulare Kristallographie (MX) beschäftigt und in einen zweiten Teil, in dem vergleichende proteinkristallographische Untersuchungen mit dem neu entwickelten Instrument und einem "traditionellen" Silizium-Einkristallmonochromator durchgeführt wurden.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography









Der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.





vorgelegt von

Daniel Fullà Marsà

aus Barcelona/SpanienAls Dissertation genehmigt von der Naturwissen-
schaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität
Erlangen-Nürnberg





























Tag der mündlichen Prüfung: 30 April 2010


Vorsitzender der
Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch

Erstberichterstatter/in: Prof. Dr. Reinhard Neder

Zweitberichterstatter/in: Dr. Christian Kumpf









To my parentsMultilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
ZUSAMMENFASSUNG

Vielschichtenoptik für makromolekulare Röntgenkristallographie

Die vorliegende Arbeit ist im Wesentlichen in zwei Teile gegliedert: einen
instrumentellen, der sich mit der Entwicklung eines Vielschicht-
Röntgenmonochromators (multilayer mononchromator) für makromolekulare
Kristallographie (MX) beschäftigt und in einen zweiten Teil, in dem vergleichende
proteinkristallographische Untersuchungen mit dem neu entwickelten Instrument und
einem "traditionellen" Silizium-Einkristallmonochromator durchgeführt wurden.

Das Instrument, ein fokussierender Vielschicht-Doppelmonochromator, wurde an der
durchstimmbaren Röntgenwiggler Strahlführung BW7a am DORIS III Speicherring
(DESY/Hamburg), einem Synchrotron der zweiten Generation, entworfen, aufgebaut
und charakterisiert. An dieser Strahlführung kann zwischen dem standardmäßig
eingebauten Si (111) Monochromator und dem Vielschichtmononchromator hin und
her geschaltet werden, so daß wahlweise zwei Versuchsaufbauten zur Verfügung
stehen.

Im Vergleich zum Standard-Kristallmonochromator bietet ein Vielschicht-
Monochromator eine erheblich größere Energiebandbreite, die zu einem höheren
Strahlungsfluß an der Probe führt. Die Flussdichten, die mit dem neuen Instrument
erreicht werden, sind bis zu 65-mal höher als die des Einkristallmonochromators und
sind mit denen vergleichbar, die typischerweise an MX Strahlführungen, die sich an
Speicherringen der dritten Generation befinden, anzutreffen sind. Nach der
Inbetriebnahme des Geräts konnte die Strahlführung BW7a daher auch für realistische
Tests von Instrumenten verwendet werden, die für Strahlführungen am PETRA III
Speicherring, einem Synchrotron der dritten Generation, vorgesehen sind.

Es wurden zwei unterschiedliche proteinkristallographische Testsysteme, Insulin und
Hydroxynitrillyase (HNL), sowohl mit dem Vielschichtmonochromator als auch dem
Einkristallmonochromator untersucht, wobei die mit dem Vielschichtmonochromator
aufgenommenen Datensätze etwa eine Größenordnung schneller gemessen werden
konnten. Es war in beiden Fällen möglich, die üblichen Programmpakete zu
verwenden, die für Daten geeignet sind, welche mit monochromatischen
Drehkristallaufnahmen gewonnen werden. Die mit Hilfe verschiedener Parameter
analysierte Datenqualität war vergleichbar und die mit den beiden
Monochromatortypen gewonnenen Daten führten zu sehr ähnlichen Proteinstrukturen.
Die Qualität der Vielschichtmonochromatordaten war sogar so gut, daß die
Elektronendichteverteilung von HNL mit atomarer Auflösung (etwa 1Å) bestimmt
werden konnte, ein bisher unseres Wissens noch nicht erreichtes Ergebnis mit
Vielschichtmonochromatoren.

Außerdem wurde in dieser Arbeit untersucht, ob mit Hilfe der SAD Methode
(Phasenbestimmung mit Hilfe anomaler Beugung mit einer Wellenlänge) und unter
Verwendung der breitbandigeren Strahlung des Vielschichtmonochromators ab-initio
eine Struktur zu lösen ist. Dies gelang unseres Wissens zum ersten Mal an einem mit
Selen präparierten Proteinmolekül, einem Transkriptionsfaktor.


i Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
SUMMARY

Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography

The present work is divided essentially into two parts: an instrumental one, which is
centred on the development of a multilayer monochromator for macromolecular
crystallography (MX) and a second part, focused on the comparative protein
crystallography studies with the newly developed instrument and a "traditional"
silicon crystal monochromator.

The instrument, a focusing double multilayer monochromator, was designed, installed
and characterised at the tuneable wiggler beamline BW7a at the DORIS III storage
ring (DESY / Hamburg), a second-generation synchrotron. At this beamline, the
usually installed Si (111) monochromator and the multilayer monochromator can be
switched so that there is a choice between two experimental setups.

Compared to a standard crystal monochromator, a multilayer monochromator can
provide a larger energy bandpass, which leads to a higher photon flux at the sample.
The flux densities that are reached with the new instrument are up to 65 times higher
than those of the crystal monochromator and are comparable to those typically
available in MX beamlines, located at third generation storage rings. After the
commissioning of the multilayer monochromator, the beamline BW7a could hence
also be used for realistic testing of instruments that are intended for beamlines at
PETRA III storage ring, a third-generation synchrotron.

Two different protein crystal test systems, insulin and hydroxynitrile lyase (HNL),
were investigated both, with the multilayer monochromator and with the crystal
monochromator. The data sets were collected about one order of magnitude faster
with the multilayer monochromator. It was possible, in both cases, to use the standard
software packages that are suitable for data, which are obtained with the
monochromatic rotation method. The data quality analysed with various parameters
was comparable and the data obtained with the two types of monochromators led to
very similar protein structures. The quality of data collected with the multilayer
reached even a level that the electron density distribution of HNL could be determined
with atomic resolution (around 1Å). To our knowledge, such a result has been
achieved for the first time with a multilayer monochromator.

In this work also, the possibility was investigated whether with the help of the SAD
method (phase determination using anomalous diffraction with a single wavelength)
and using the larger energy bandwidth of a multilayer monochromator structures can
be solve ab-initio. This was achieved, to our knowledge for the first time, with the
solution of a selenium-derivatised protein, a transcription factor.







ii Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
Contents

ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................... i
SUMMARY ....................................................... ii
LIST OF ABREVIATIONS ............................. v
LIST OF VARIABLES ..... v
LIST OF FIGURES ......................................................................................................... vi
LIST OF TABLES ......... viii

1 – INTRODUCTION ....... 1

2 – MATERIALS AND METHODS ............................................................................... 5
2. 1 THE MULTILAYER MONOCHROMATOR ........................ 5
2.1. 1 Principles of multilayer optics .......... 5
2.1.1. 1 Reflectivity of a multilayer ......... 8
2.1.1. 2 Focusing with a multilayer substrate ....................................................... 12
2.1. 2 Synchrotron facilities and beamlines for MX ................. 13
2.1.2. 1 The beamline BW7A at DORIS Synchrotron ........... 15
2.1. 3 Construction of a multilayer monochromator ................ 19
2.1.3. 1 Optical specifications ............................................................................... 19
2.1.3. 2 Substrate production and multilayer deposition ...... 20
2.1.3. 3 Sagittal focusing ....................... 22
2.1.3. 4 Mechanical specifications, design and implementation .......................... 22
2.1.3.4. 1 Vertical positioning ........................................................................... 23
2.1.3.4. 2 Angular and longitudinal positioning of the substrates .................... 23
2.1.3.4. 3 Cooling system .................. 25
2.1.3.4. 4 Slits and beam diagnostics ................................................................ 27
2.1.3.4. 5 Vacuum enclosure ............. 29
2.1.3.4. 6 Alignment of the double multilayer ................... 30
2.1.3.4. 7 Software and control of the multilayer system .. 31
2.1. 4 Simulation software for X-ray optics .............................................................. 31
2.1.4. 1 IMD .......................................................................... 31
2.1.4. 2 XOP 32
2.1.4. 3 Shadow ..... 32
2.1. 5 Methods for the characterisation of the multilayer ........ 32
2.1.5. 1 Measurement of the reflectivity ................................................................ 33
2.1.5.1. 1 Energy dispersive spectrum of the double multilayer ....................... 33
2.1.5.1. 2 Rocking curve from a single multilayer ............ 34
2.1.5.1. 3 Detuning of the multilayer 35
2. 2 PROTEIN CRYSTALLOGRAPHY ...................................................................... 38
2.2. 1 Protein Crystallography with X-rays .............................. 38
2.2.1. 1 X-ray data collection from protein crystals ............. 44
2.2.1. 2 Data quality indicators ............ 45
2.2.1. 3 Software for data reduction and processing ................................ 48
2.2. 2 Protein crystal systems ................................................... 49
2.2.2. 1 Zinc Insulin .............................................................. 50
2.2.2. 2 Hydroxynitrile Lyase ................ 51


iii Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
3 - RESULTS ................................................................................................................... 52
3. 1 CHARACTERISATION OF THE MULTILAYER ............. 52
3.1. 1 Flux density as function of energy .................................................................. 52
3.1. 2 Beam size measurements ................. 54
3.1. 3 Spectral characteristics .................................................................................. 57
3.1.3. 1 Reflectivity curve of the double multilayer .............. 57
3.1.3. 2 Rocking curve of a single multilayer ....................... 58
3.1.3. 3 Energy dependent width of the reflectivity curves ................................... 61
3.1.3. 4 The Kiessig fringes ................................................................................... 62
3.1.3. 5 Detuning of the multilayer ....... 63
3. 2 COMPARATIVE CRYSTALLOGRAPHIC STUDIES ....... 67
3.2. 1 The Zn-Insulin system ..................... 67
3.2. 2 The Hydroxynitrile Lyase system .................................................................... 72
3.2.2. 1 High resolution structure solution of HNL .............. 76

4 – DISCUSSION ............................................ 81
4. 1 MULTILAYER SYSTEM ..................................................................................... 81
4.1. 1 Flux and focus ................................. 81
4.1. 2 Multilayer spectrum ........................ 83
4.1. 3 Substrate detuning .......................... 84
4.1. 4 Presence of higher harmonics ........................................ 85
4. 2 CRYSTALLOGRAPHIC COMPARISONS ......................... 86
4.2. 1 The Zn-Insulin system ..................................................... 86
4.2. 2 The HNL system .............................................................. 87

5 – CONCLUSIONS ....................................................................... 89
5. 1 Instrumentation ...... 89
5. 2 Crystallography ..................................... 89

6 – OUTLOOK ................................................................................ 91
6. 1 SAD phasing with multilayer beam ........ 91
6. 2 Pseudo Laue or limited bandpass method with multilayer radiation .................... 92

APPENDIX ...................................................................................................................... 95
A. 1 Tables/Simulations of DORIS Synchrotron/beamline BW7A ............................... 95
A. 2 Simulations of the multilayer ................ 96

ACKNOWLEDGEMENTS ......................................................................................... 116












iv Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
LIST OF ABREVIATIONS

DCM: Double crystal monochromator
DMFM: multilayer focusing monochromator
DMM: Double multilayer monochromator
ES: Ewald Sphere
FWHM: Full width at half maximum
FWQM: Full width at quarter maximum
HNL: Hydroxynitrile Lyase
IR: Isomorphous replacement
MAD: Multiple wavelength anomalous dispersion
MIR: Multiple isomorphous replacement
ML: Multilayer
ML1: First multilayer
ML2: Second multilayer
Mo: Molybdenum
MR: Molecular replacement
MX: X-ray Protein or Macromolecular Crystallography
PDB: Protein Data Bank
PX: X-ray Protein or Macromolecular Crystallography
RC: Rocking curve(s)
RLP: Reciprocal lattice point(s)
SAD: Single wavelength anomalous dispersion
Si: Silicon


LIST OF VARIABLES

E Energy
n (E) Refractive index between materials A and B A,B
δ (E) Refractive index decrement A,B
β (E) Absorption coefficient of the refractive index n (E) A,B A,B
m Number of harmonic (m=1,2,3..)
λ Wavelength
δ Real part average of the refraction index between two materials
d Space between layers
d Thickness of layer material A A
θ Bragg angle
I  θ  Intensity reflected dependent on the Bragg angle
I Intensity of incidence o
N Number of layers
K Polarisation factor
F( θ ) Angular dependent structure factor m
φ Scatterering amplitude density, for material A or B AB
π Pi
 Gamma parameter
Atomic number Z
v Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
f Complex atomic scatterering factor
'f Resonance correction to the atomic scatterering factor
''f Absorption correction to the atomic scatterering factor
r Classical electron radius e
peakR Peak reflectivity for the harmonic m m
IntegratedR Integrated reflectivity for the harmonic m m
N Effective number of bilayers eff
1 2Δθ Width of rocking curve (fwhm) m
p Distance source to focusing element
q Distance focusing element to focal position
f Focal position
r Sagittal radius
s
r Meridional radius m
M Demagnification ratio
d Space between crystallographic hkl planes hkl
 Angular spot spread or apparent mosaicity R
L Lorentz correction
ξ Position of a RLP projected onto the rotation axis
γ Horizontal crossfire angle h
γ Vertical crossfire angle v
η Mosaicity
h Horizontal distance
v Vertical distance
  Width of the beam bandpass in Å beam
  Intrinsic beam bandpass necessary to stimulate RLP in a given crystal crystal
I(h,k,l) Intensity of reflection with Miller index h,k,l
F Structure factor with Miller index h,k,l
hkl
F Structure factor from derivatised crystal PH
F Protein structure factor P
F Heavy atom structure factor H
 r  Electron density
r Position vector
R Crystallographic R factor also called R mergesy m
R Crystallographic R factor also called Rmeas r.i.m .
B B factor


LIST OF FIGURES


Fig 2.1.1 Side view of a multilayer structure
vi Multilayer Optics for Macromolecular X-ray Crystallography
Fig 2.1.2 Simulations of multilayer spectrum
Fig 2.1.3 DuMond diagrams for multilayers in a non-dispersive set-up
Fig 2.1.4 Spectrum Wiggler/Bending Magnet
Fig 2.1.5 Reflectivity curve Si(111) and multilayer
Fig 2.1.6 Cumulative transmission Be-filter, Rh mirror and Wiggler spectrum
Fig 2.1.7 Schematic representation of the beamline BW7A
Fig 2.1.8 Set-up at the beamline BW7A
Fig 2.1.9 Standard magnetron sputtering deposition vessel
Fig 2.1.10 Picture of the three multilayers
Fig 2.1.11 Main movements of the multilayer system
Fig 2.1.12 Schematic of the main degrees of freedom
Fig 2.1.13 Cooling of the multilayers
Fig 2.1.14 Multilayer first stage
Fig 2.1.15 Beam diagnostics of the multilayer system
Fig 2.1.16 3D schematic of the main mechanical parts of the multilayer system
Fig 2.1.17 Picture of the multilayer system
Fig 2.1.18 Set-up to measure reflectivity curves from the double multilayer
Fig 2.1.19 Set-easure reflectivity curves from the single multilayer
Fig 2.1.20 DuMond diagram showing detuning of double multilayers
Fig 2.1.21 Experimental set-up with PILATUS detector

Fig 2.2.1 Ewald spheres represented in 2D (monochromatic and polychromatic)
Fig 2.2.2 Bandpass required to stimulate RLP
Fig 2.2.3 Ewald sphere with limited energy bandpass beam
Fig 2.2.4 Protein structure of an Insulin hexamer
Fig 2.2.5 Model of the Hydroxynitrile Lyase

Fig 3.1.1 Flux densities of multilayers and Si(111) monochromators
Fig 3.1.2 Gain in flux density between multilayers and Si(111) monochromators
Fig 3.1.3 Direct beam images from the focusing multilayer monochromator
Fig 3.1.4 Simulation of the waist of the multilayer beam around the focus
Fig 3.1.5 Reflectivity curve of the double multilayer
Fig 3.1.6 Rocking curve of the single multilayer
Fig 3.1.7 Intensity monitor response versus position
Fig 3.1.8 Bandwidth and rocking curve width of the multilayer
Fig 3.1.9 Kiessig fringes from the multilayer
Fig 3.1.10 Section of Silicon Powder diffraction patterns
Fig 3.1.11 Radial cross section of the Si powder diffraction patterns
Fig 3.1.10 Peak intensity versus multilayer detuning

Fig 3.2.1 Diffraction patterns from Insulin
Fig 3.2.2 Zoom of the diffraction patterns form Insulin (spots)
Fig 3.2.3 Background cross section
Fig 3.2.4 Structure factors correlation (Insulin)
Fig 3.2.5 Angular spot spread versus resolution shell
Fig 3.2.6 Bandpass necessary to fully stimulate a RLP
2Fig 3.2.7 Angular spot spread versus (1/resolution) .
Fig 3.2.8 Structure factor correlation (HNL)
Fig 3.2.9 Section of the atomic resolution electron density of the HNL
Fig 3.2.10 Differences in atomic positions (HNL model)
vii

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