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

Multilayer

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 52
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

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 A