Рентгеновские лазеры на свободных электронах для изучения структуры и динамики в биологии

Рассмотрены развитие и применение рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) для изучения структуры и динамики в биологии с момента его создания в 2009 году. Описаны исследовательские возможности, обусловленные способностью опережать большинство эффектов радиационного повреждения, и предложены некоторые масштабные научные задачи. Благодаря отсутствию необходимости охлаждать образцы для минимизации повреждения XFEL обеспечил получение изображений молекулярных процессов с атомным разрешением в масштабе времени 100 фс в условиях, близких к физиологическим, и в соответствующей тепловой среде, в которой функционируют молекулярные машины. Обсуждаются радиационное повреждение, сравнение исследований с использованием XFEL и синхротронного излучения, дифракция на одиночных частицах, быстрое рассеяние в растворах, исследования светочувствительных белков методом «накачка–зондирование», эксперименты с перемешиванием и впрыском, соединения с фотозащитными клетками, скачки pH и другие методы инициирования реакций, а также исследование молекулярных машин. Также рассмотрены методы доставки образцов и алгоритмы анализа данных для различных режимов, от серийной фемтосекундной кристаллографии до быстрого рассеяния в растворах, флуктуационного рентгеновского рассеяния, экспериментов со струйным смешиванием и дифракции на одиночных частицах.