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Des mesures de cristallographie de macromolécules à bas flux de photons possibles à des fréquences d’images de plusieurs kHz !

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En septembre 2017, une équipe de ELI Beams (Extreme Light Infrastructures, Prague, République Tchèque), ainsi que des scientifiques de l'IBT-Biocev (Institut de biotechnologie, Vestec près de Prague, République Ttchèque) et de l’Université Paris-Sud (Orsay, France) ont réalisé des expériences de cristallographie de protéines à une fréquence d’images  très élevée, 3 kHz, en utilisant le détecteur EIGER X 1M installé sur la ligne de lumière PROXIMA-2A.

Les mesures ont été effectuées grâce à du temps de faisceau alloué pour un projet intitulé « Étude comparative des différences structurales observées dans des cristaux de protéines étudiés avec des rayons X produits par un synchrotron ou par un plasma laser femtoseconde ».
Ces mesures rapides (i.e. temps d'exposition de 330 microsecondes seulement) entrent dans le cadre d’un projet RP4 de ELI Beams, mené par le Dr Jakob Andreasson, pour le développement d'applications femtosecondes pour les sciences atomiques, moléculaires et les Biosciences. La station de diffraction pour les expériences résolues dans le temps à l’échelle de la femtoseconde sera construite par le Dr Borislav Angelov, la station d'éllipsométrie femtoseconde sera montée par le Dr Shirly Espinosa, tandis que l'environnement échantillon et les équipements pour la cristallisation des protéines seront fournis par le Dr Vitaly Polovinkin et le Dr Jan Dohnalek.
Fin 2016, ELI Beams et IBT-Biocev ont reçu un financement pour le projet ELIBIO, dirigé par le Prof. Dr. Janos Hajdu, axé sur les processus dynamiques dans les biomolécules. Les mesures effectuées à SOLEIL en septembre sont essentielles pour évaluer la faisabilité des expériences de la branche de diffraction des rayons X de ce projet.

La génération des impulsions de rayons X femtoseconde sera basée sur une source de plasma laser (XPS) avec une cible réalisée à partir d'un alliage de métal liquide. Le flux attendu sur l'échantillon sera de 106 photons par impulsion avec un taux de répétition de 1 kHz, ce qui correspond à un flux de 109 photons par seconde. Sur PROXIMA-2A, les scientifiques ont atténué le faisceau d'un facteur 1000 et ont collecté des images de diffraction 2D, qui ont ensuite été traitées à l'aide du programme XDS.

Les résultats obtenus montrent que la cristallographie des protéines est possible à la fréquence d'images de 3 kHz du détecteur Eiger X 1M, même lorsque le flux de rayon X n’est que de 108 photons par seconde. À l'avenir, il est prévu de comparer des détecteurs de comptage de photons uniques, tels que l'Eiger, avec des détecteurs à intégration (en cours de développement) afin d'identifier les limites et les avantages de ces différentes classes de détecteurs.

Photo 1 :
De gauche à droite : Damien Jeangerard (SOLEIL), Angelina Angelova (Université Paris-Sud), William Shepard (SOLEIL), Martin Savko (SOLEIL), Jan Dohnalek (IBT, Biocev), Shirly Espinosa (ELI Beams), Borislav Angelov (ELI Beams), Vitaly Polovinkin (ELI Beams).

Photo 2 : Le détecteur Eiger X 1M (ELI beams) installé devant le Eiger X 9M (SOLEIL). Les deux détecteurs peuvent transmettre les informations mesurées  à 40 GB/sec à l’ordinateur traitant les données. A cause du nombre faible de pixels, la fréquence d’images peut atteindre 3 kHz pour le Eiger X 1M, contre 238 Hz pour le Eiger X 9M.