Bayesian structure reconstruction from single molecule X-ray scattering data

Abstract

Röntgenlicht-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) schaffen neue Möglichkeiten für die molekulare Strukturbestimmung in Einzelmolekülexperimenten. In dieser Arbeit stelle ich zwei alternative bayessche Verfahren vor, das Orientational Bayes und das Structural Bayes Verfahren, die das Extrahieren der Strukturinformationen aus dünn besetzten und verrauschten Streuungsbildern ermöglichen. Im ersten Verfahren wird ein "Seed"-Modell verwendet, um die zugrunde liegende molekulare Orientierung für jedes aufgezeichnete Streuungsbild separat zu bestimmen. Eine verbesserte molekulare Transformation der bestrahlten Moleküle wird durch Ausrichten und Mitteln dieser Bilder im dreidimensionalen reziproken Raum erhalten. Im Structural Bayes Verfahren wird ein Realraum-Strukturmodell optimiert, sodass es am besten zum gesamten Streuungsbildersatz passt. Auf diese Weise wird ermöglicht, zwischen verschiedenen Strukturmodellen zu unterscheiden.

Ich habe die Auflösung bei der Abbildung einzelner Moleküle mit unterschiedlichen Massen für verschiedene XFEL Strahlintensitäten abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die erreichbare strukturelle Auflösung mit der Molekülmasse wie M^{-1/ 6} steigt. Laut dieser Skalierung ist hierbei, im Gegensatz zur traditionellen Röntgenkristallographie, die hochaufgelöste Strukturbestimmung kleiner Einzelmoleküle, im Vergleich zu großen Molekülen, schwieriger.

Als Machbarkeitsnachweis des Orientational Bayes Verfahrens wurde beispielhaft die Elektronendichte eines Glutathion-Moleküls aus 20.000 synthetischen Streuungsbildern, mit durchschnittlich 82 aufgezeichneten elastisch gestreuten Photonen und bis zu 50% zusätzlichem Hintergrundrauschen pro Bild, berechnet. Um die Anwendbarkeit des Structural Bayes Verfahrens in einer de novo Strukturbestimmung zu testen, wurde zudem die Struktur des Glutathion-Moleküls in einer Monte Carlo-Verfeinerungs-Simulation gelöst, für die zufällige Aminosäure-Konformationen als Ausgangsmaterial verwendet wurden. Um zusätzlich zu prüfen, ob mehrere Längenskalen umfassende Strukturänderungen in einem komplexen Molekül unter Verwendung des Structural Bayes Verfahrens rückverfolgbar sind, wurden Konformationsänderungen von drei Immunglobulin-Domänen eines Titin-Moleküls sowie der tRNA-Translokationsvorgang im Ribosom untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist sowohl zwischen unterschiedlichen molekularen Konformationen zu unterscheiden als auch kleinere strukturelle Änderungen, die mit der tRNA-Translokation assoziiert sind, zu erkennen.

Insgesamt betrachtet deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass sich mithilfe der beiden hier vorgestellten bayesschen Verfahren die Struktur einzelner Moleküle mit atomarer Auflösung von dünn besetzten und verrauschten Röntgenstreuungsbildern aus XFEL-Einzelmolekülexperimenten für ein breites Spektrum von Molekülmassen bestimmen lässt.