「新型 X 射線激光衍射測定蛋白質結構」與傳統 X 射線衍射的區別有哪些？
在應用中利用了哪些激光的特殊性質？為什麼這種新型的X射線激光衍射可以對蛋白質結晶情況有更低的要求？
Science評選的年度十大科技突破新聞原始地址，中文媒體轉載科學雜誌評年度十大科學突破。X射線激光衍射測定蛋白質結構的相關內容。
謝邀。雖然大學是激光方向，但主要還是原理。
物理這玩意，大學階段也就是個科普，而我又沒讀研……所以這裡也就只能科普一下了。
期待達人解釋更多。
這個科技突破的核心點在於「新型 X 射線激光」。以前研究原子晶體分子晶體或可形成較大晶體的蛋白質的時候，也是用的 X 射線激光的衍射圖樣來分析結構的，這次是將研究對象擴展到較小的蛋白質晶體。Science 原文中說，由於一些蛋白質晶體尺寸過小，無法用傳統的同步加速器產生的 X 射線激光產生衍射圖樣，也就無法了解其空間結構。
然而，這次的突破性進展，使這種研究成為可能。這次 Science 提到的 X 射線激光指的是 XFEL （x-ray free-electron laser），X 射線自由電子激光。而這種激光，是將自由電子激光技術（FEL）產生的激光，拓展到 X 射線範圍內而產生的一種 X 射線激光。這種激光的強度可達傳統方法產生的激光亮度的十億倍，因此可讓較小晶體產生出足夠強的衍射圖樣，也就可以進行研究了。
傳統激光技術，是以某種固體或氣體激發介質為載體，激發原子核外電子到高能級，利用其躍遷到低能級時發射出的光子作為激光源，經過諧振腔選擇波長、令其相干後發射到激光器外產生激光。顯而易見的，受制於介質所擁有的電子數目，這種激光器的總輸出能量是受限的。
而新型的自由電子激光技術（FEL）則不同。這種技術不再需要傳統激發介質，而直接使用激發的電子流作為介質，使用其躍遷到低能級產生的光子，經諧振後發射出激光器。下圖 就是這種激光器的工作原理示意。將激發的電子流射入到 N、S 級交錯排列的磁場，令其在磁場中做正弦運動，雖然在整個運動過程中，產生的光波長不一，但是由於磁場的排列是精心設計的，可令目標波長之外的光波互相干涉相消，而只留下目標波長的光波可以發射到外部，因此出射光即是滿足要求的激光。
由於電子束的密度不再受介質制約，而只受到產生能力的制約，而產生能力又是可以疊加的，因此產生的光強就可以遠超傳統方法產生的激光。
此外，由於外加磁場的排布可調，這種方法可以產生出寬範圍的激光——從毫米級波長的 THz 激光到納米級別 X 射線激光都可以用這種方法產生。_________
擴展閱讀：
Free-electron laser: X-ray uses
Free-electron laser
Relativistic electron beam
獲得蛋白結構對解釋生物反應機理、合理設計藥物至關重要。目前傳統X射線衍射的方法是最成熟，也是最主要採用的獲得蛋白結構的方法。但解出準確的蛋白空間結構，前提是獲得質量較好、體積夠大的蛋白質晶體，而很多蛋白難以結晶，或結晶的質量難以滿足該條件。正如@劉中陽 所說，這種新型X射線衍射的方法能夠產生信號足夠強的射線，這樣，即使我們只結晶出很小的晶體，也能用於研究、解出蛋白結構了。
2012年年初，美國科學家製造出了世界上波長最短、單色純度的第一束原子X射線激光，他們通過強大的X射線激光，從位於密封艙中的氖原子內層中敲除電子。當其他電子再回落填補那些位置時，大約有1/50的原子通過發出一束X射線回應。這些X射線接著又激發臨近的氖原子，隨之產生了更多的X射線，如此的多米諾效應將原始X射線激光放大了2億倍。這種強大的X射線激光（x-ray free-electron lasers，XFELs）能用於多個方面，此番德國的科學家們就將其用在了蛋白結晶技術上——他們利用XFELs確定了一種關鍵酶（半胱氨酸組織蛋白酶，cysteine protease cathepsin）的結構。這些酶能形成幾微米長，不到一微米寬的細長結晶結構。由於這種結晶體積太小，用環形粒子加速器產生的相對弱的X射線束無法進行研究，因此這一研究組採用了世界上首個XFEL，解析這一蛋白結構，獲得了這一蛋白前所未有的清晰結構。
同時這項研究也指出了XFEL的另外一個優點——能在同步加速器上研究的最小結晶結構，會受到X射線的破壞，即使是在數據積累的時候。研究人員認為利用XFEL能收集到無損數據。來源：科學網，超強X射線激光技術揭示蛋白原子結構
剛好我就是做這個的，在另外一個問題中回答了一下，這裡就XFEL是什麼，解結構時的特點，世界上XFEL裝置及國內研究現狀稍作介紹。
1.XFEL是被稱為「第四代同步輻射光源」的x射線自由電子激光（X-ray free electron laser, XFEL）.
2. XFEL 可以實現微米尺寸晶體的結構解析，理論上甚至可實現「無晶體」條件下的結構解析；可實現室溫下的結構解析；可實現時間分辨研究。
3. XFEL技術處於發展初期，仍面臨巨大的科學與工程難題，故目前冷凍電鏡仍是主流。
XFEL是直線加速器中的電子束加速至接近光速，成為相對論電子，在波盪器作用下產生正弦運動路徑，在運動軌跡切線方向產生同步輻射光，同步輻射光與電子束運動周期相同，於是得到相干疊加的光場，這種相對論電子束的能量被轉換為相干輻射的激光輸出，是一種「自放大自激發」（self-amplified spontaneous emission, SASE）方式，不同於傳統的激光中束縛電子的能級躍遷。產生的x射線具有超高亮度，全相干，飛秒脈衝等特性。理論上可用來進行原子級解析度的成像，時間分辨研究（time-resolved）,pump-probe研究等。
XFEL的特點用以下三張圖片直觀的表示：
圖 1 XFEL的產生機理示意圖
可參看文獻 Tetsuya Ishikawa, et al. Nat Photonics, 6 540 (2012) ；
P. Emma , R. Akre, et al. Nat Photonics, 4 641 (2010).
圖 2 XFEL相比於X射線發射管，一代同步（如兼用的北京正負電子對撞機），二代同步（合肥同步輻射國家實驗室），三代同步（如上海光源）的亮度對比
圖 3 XFEL在熱點研究問題中的研究潛力（時間尺度與空間尺度）
那麼既然這麼厲害，看似這麼有潛力，那麼XFEL(x射線自由電子激光)如何在結構生物學中展開研究呢？
首先要解決的是飛秒脈衝的超高亮度 XFEL能否緩解或者克服輻射損傷的問題。生物樣本與x射線或電子束相互作用時，輻射損傷是必須考慮的。解析度越高，輻射損傷效應越明顯，解析出的結構的真實性受影響。早在2000年時，瑞典Uppsala的Janos Hajdu研便利用分子動力學模擬的結果表明，溶菌酶分子在XFEL的高強度脈衝作用下，其結構可以在2fs的時間內保持不變，5fs的時間內結構的誤差還可以忍受，超過10fs後，分子結構將會發生很大的變化。結果說明只要脈衝足夠短，那麼則可以獲取未發生變化前的衍射信號，以解析結構，由此提出了「diffraction-before-destruction」的概念（文獻 R. Neutze. Wouts, et al., Nature, 406 752 (2000)）。
直到2006年，鼎鼎有名的德國DESY的Henry Chapman藉助德國境內的FLASH 軟x射線自由電子激光與相干衍射成像技術首次從實驗上證實了」Diffraction before Destruction」的可行性。證實了樣品在受到輻射損傷完全離子化並被汽化前可獲取有效衍射信號。第二個脈衝信號獲取的結果表明樣品已被高強度脈衝損壞並汽化。這一實驗的成功，對X射線自由電子激光在實際的科學研究中具有重大意義。
隨後，真正的應用出現了。
圖 4 PS-I低分辨X－ray nanocrystallography 結構解析裝置示意圖及結構
2011年，Henry Chapman在美國建成的LCLS自由電子激光裝置上成功獲得了光合反應中心I（PS-I）晶體的低分辨衍射數據。他們將尺寸在0.2-2微米的PSI晶體輸送到自由電子激光光束中，獲得了衍射數據。這些低分辨的衍射數據和在同步輻射上獲得的同樣晶體的數據完全一致，證明了利用XFEL可以獲得準確的晶體衍射數據。（Chapman, H.N., et al., Nature, 470 7332(2011)）
圖 5 溶菌酶晶體的高分辨衍射數據
2012年Henry Chapman研究組利用LCLS的XFEL獲得了溶菌酶晶體的高分辨衍射數據，並利用分子置換法解析出了晶體結構。這次實驗使用的晶體尺寸很均一，為1X1X3 μm3，獲得了1.8埃解析度的溶菌酶晶體在常溫下的結構。此結果表明XFEL可以獲得高分辨的衍射數據，而且能夠解析出晶體結構。（Boutet, S., et al., Science, 337 6092 (2012)）
圖 6 一種GPCR的XFEL 結構解析
Henry Chapman報道了利用XFEL得到的GPCR的高分辨結構該實驗證明了膜蛋白結構也可以在XFEL上獲得，對於結構生物學研究者是很有吸引力的。隨後， Henry Chapman與Raymond（現任上海科技大學iHuman研究所所長，絕對大牛）合作解析出其他一些GPCR的高分辨結構。（Liu, et al., Science, 342 6165(2013)）
還有其他一些研究成果都表明， XFEL衍射技術正在發展，且可以明確地說，未來可以進行真正意義上不需要晶體的衍射，不需要優化使晶體長大到一定尺寸。 其他參考文獻：
Nature 470, 73 (2011);
Science 337, 362 (2012);
Science 339, 227 (2013);
Science 342, 1521 (2013);
Nature 513, 261 (2014)……
正因為 XFEL能夠在材料科學；化學物理學；原子、分子及光學；物理學；環境科學；地質學及地球科學；生命科學等學科應用，且能夠在熱點研究問題上發揮獨一無二的作用，2014年12月香山科學會議第S23次學術討論會專門討論了這一議題。具有代表性的主題評述報告：
1.X射線自由電子激光的科學意義和在我國的發展戰略，楊國幀
2.緊湊型X射線自由電子激光的現狀與未來，趙振堂
中心議題評述報告：
1.國際上X射線自由電子激光的發展趨勢，黃志戎
2.自由電子激光對於結構生物學的重要意義，施一公
3.緊湊型XFEL關鍵技術：高梯度加速結構，王聚文
《國家科學技術中長期發展計劃戰略研究第15專題》中明確指出：「更高性能的第四代光源—高增益FEL能產生極高強度的飛秒相干X射線，為極高空間分辨和時間分辨的動力學研究提供強有力的手段，它將對未來科學技術的發展帶來深刻的影響。我國應從深紫外FEL研究起步，分階段實施，在2015年前後建成X射線FEL，以在2020年左右能在此領域裡進入世界先進行列」。
值得一提的是，德國2006年前後就開放了DESY FLASH 軟線；2009年位於斯坦福SLAC 國家加速器實驗室的LCLS 硬線開放了；2011日本兵庫縣境內的RIKEN SPring-8 Center的SACLA硬x射線自由電子激光也向世界開放了，隨後，瑞士XFEL ,歐洲XFEL,韓國浦項XFEL紛紛開工建設並在未來幾年陸續開放。
圖 7 LCLS XFEL 美國 2009；SACLA XFEL 日本 2011； Flash XFEL 德國 2006
張江園區的上海光源內上海軟x射線自由電子激光裝置情況如下：
2013年11月，國家發展改革委批複了X射線自由電子激光試驗裝置項目可行性研究報告。
2014年12月，SXFEL在中國科學院上海應用物理研究所張江園區舉行了開工奠基儀式。
圖 8 SXFEL設計平面圖及工程現場照片
此外，除上海軟線建設，高能所及九院等單位也在低溫超導技術的 XFEL硬線上做了一些戰略性調研。由此可見XFEL受到極大重視，也不難理解DOE會在財政緊縮條件下出資6億美金用於LCLS一期的建設。可以預見，未來國內的 XFEL研究及在結構生物學中的應用會更加呈現百花齊放的態勢。所以大家在研究Cryo-TEM的同時，多多注意XFEL級相關技術，因為Cryo-TEM以後做不到的事情XFEL都能做到，只是因為XFEL的發展就想30年前同步輻射技術的發展一樣，遭遇方法學及技術瓶頸，未來十年一旦解決，科學研究必將出現不同的局面。
有些回答說X-射線激光是因為"射線強度高"就能"得到好的衍射圖樣"這個結論是怎麼來的... 稍微了解一些衍射的物理常識也知道傳統X-射線衍射中, 提升射線強度也很容易的. X-射線激光之所以牛逼, 絕對不是因為它的強度高.
基本物理背景知識:- X-射線衍射之所以能測定晶體結構是利用了晶體結構的周期性. 當晶體結構有周期性時, X-射線在晶體表面和內部發生干涉. 根據干涉圖樣, 我們可以反推出晶體的周期結構.
- 之所以用X-射線不能用可見光是因為X-射線的波長和晶體中一個重複的周期結構的大小相當, 用長波長的光看不到比波長更短的尺度上的結構.
- 當一個晶體中重複的周期結構越多, 干涉效果越強, 衍射圖樣越清晰. 因此傳統X-射線衍射測定蛋白質結構, 需要儘可能將蛋白質結成大的單晶. 這樣重複的周期結構多, X-射線的強度不需要很大也能得到很不錯的衍射譜.
- 在測定蛋白質結構時, X-射線的強度不能太大. 因為X-射線的能量是很高的(回憶有機化學中的很多牛逼的反應的條件是"光照"), 強度太大會使其結構很快就損壞, 來不及得到完整的衍射圖樣.
因此對於結構生物學家來說, 長一個又大又好的蛋白質單晶是其最重要, 也是最困難的工作.
但是對於有一些蛋白, 比如膜蛋白, 很難做出很好的單晶. 通常一個膜蛋白的單晶中也只有300多個重複的結構(在一般的金屬等固體中這個數量至少要多幾百萬倍). 為了得到可以分辨的衍射圖樣, 必須加很大的X-射線強度. 但是強度一大, 這些蛋白質的結構都損壞了, 得不到完整的衍射譜, 所以很長一段時間, 這種膜蛋白的結構很難用X-射線衍射測量.
不過物理學家們是很厲害的. 他們發明了一個叫"激光"的東西. 自由電子通過相干的同步輻射, 可以製造出時域寬度為飛秒(秒)級別的X-射線激光. (感謝 @Wang Erdong 指正錯誤. ) 將這種高強度的高速激光打在蛋白質上, 可以在蛋白質結構損壞之前就得到大量可用的衍射圖樣, 從而測定蛋白質的結構. 這項工作最早是在2010年由德國的實驗組完成的: Femtosecond X-ray protein nanocrystallography : Nature : Nature Publishing Group.
上面的工作測定的是已知結構的蛋白質. 第一次測定未知結構蛋白質完成於2013年: http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7482/full/nature12773.html
事實上, 飛秒激光很早就應用在了化學中. 1999年的諾貝爾化學獎就發給了利用飛秒激光研究化學反應過渡態的埃及化學家 Zewail. 這個技術之所以到最近才得以應用在生物上主要在於其是X-射線激光. 我們常見的激光都在可見光區, 利用的是原子中電子在不同能級上受激輻射所發出的光子. 但這個光子的能量和X-射線的能量相比實在太低了. 為了實現X-射線激光, 必須採用全新的方式產生激光, 即所謂自由電子激光. 這種激光器製造困難, 成本極高. 全世界也只有幾十台. (好像上面提到的實驗的想法是在德國漢堡的 FLASH 自由電子激光器得到驗證, 但 FLASH 的激光波長不夠短. 實際實驗似乎是在美國 Stanford 的 SLAC國家加速器實驗室 完成的. )
下圖是位於荷蘭的 FELIX 自由電子激光器:
與一個典型的在可見光區的飛秒激光器相比:
完全不在一個數量級上.當然現在做結構生物學的測定的手段也很多樣, 不止X-射線激光一種. 冷凍電鏡也是一個最近發展出的很強大的手段: 為什麼冷凍電鏡 (Cryo-EM) 去年突然火了？是有什麼技術突破嗎？
Science Magazine: Sign In
X-ray diffraction has long been the mainstay of structural biology. When many copies of a molecule are arranged in an orderly array called a crystal lattice, they scatter the x-rays from an incoming beam in concert. The pattern of scattering reveals the structure of the crystal, including that of the molecule. Using circular particle accelerators called synchrotrons to generate x-rays, biologists have determined tens of thousands of protein structures.
Some proteins, such as those found in cell membranes, do not readily form crystals big enough to be studied with synchrotrons, however. So, scientists hope they can probe those tough cases with new x-ray lasers, which are powered by straight-shot linear accelerators and shine a billion times brighter than synchrotron sources. In November, researchers unveiled the first protein structure revealed with such a laser.
Working with the Linac Coherent Light Source (LCLS) at SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, California, researchers from Germany and the United States determined the structure of the inactive 「precursor」 form of an enzyme that"s key for the survival of the single-celled parasite that causes African sleeping sickness, Trypanosoma brucei. To produce micrometer-sized crystals of the enzyme, they overexpressed it in cultured cells. They dropped the crystals through the beam of the LCLS, which turned on in 2009. A pulse of x-rays would obliterate a crystal even as it produced a diffraction pattern. Adding up 178,875 individual patterns, researchers determined the precursor"s structure, which includes a kind of molecular safety cap that deactivates it. That information could help scientists find a drug to tie up the active form of the enzyme.
x-射線自由電子激光（XFEL）需要的高品質的電子束需要同步加速器，因此斯坦福的自由電子激光（LCLS）是依託於SLAC實驗室的。相比起第三代同步輻射光源（比如斯坦福同步輻射光源SSRL或者上海光源SSRF），XFEL的最大特點是極高的峰值亮度與時間解析度，測定蛋白質結構只不過是利用了其第一個特點罷了；其採用的脈衝方式（飛秒）輸出能量使得其非常適合用來研究化學反應動力學（reaction dynamics），比如最近報道的化學鍵形成過程Scientists Get First Glimpse of a Chemical Bond Being Born。
目前全世界有條件的國家、地區都在建造XFEL，美國的LCLS是最早的，日本的SACLA，歐洲的EXFEL都是性能非常好的，中國依託上海光源的相關設施建造的軟x-射線自由電子激光（SXFEL）也即將投入運行，然後逐步升級到硬x-射線能區。以SACLA為例，其依託SPring-8加速器建造，脈衝持續時間10 fs，包含
一般來說，X射線晶體衍射確定蛋白質結構分為如下幾個步驟：分子克隆，蛋白表達與純化，蛋白結晶和收集衍射數據。前兩個步驟的技術現在已經日趨成熟，而高強度的X射線能夠幫助克服後兩個步驟中存在的技術障礙。
先說蛋白質結晶吧，這應該是crystallographer們最頭疼的問題了。一個結構生物學的博士，五年中可能有三年都是在尋找結晶條件。而如果有一個好的晶體，課題就結束一半了。那麼什麼是好的晶體呢？
晶體根據其結晶形狀，大致分這麼幾種：
Diamond：
Cube:
Needle:
如果你長出來的晶體是前兩種呢，而且比較大，你就可以慶祝了，因為這兩種晶體的衍射數據一般都比較好。但是如果是第三種呢，呵呵。。。大部分時間你是拿不到好的衍射數據的。除了上述三種單晶，其實還有其他的晶體，比如說孿晶（多個晶體長在了一起），這種晶體就更不能去做衍射了。
即使Needle和孿晶長得比較大，為什麼他們的衍射數據差呢？我們要從晶體衍射說起了。晶體衍射就是用X射線照射晶體。晶體中分子規則排列，這時的晶體就是一個光柵，照入的X射線就會產生衍射。孿晶中蛋白質分子在局部是規則排列的，但在整體上不是，所以孿晶不是一個好的光柵。當蛋白質晶體大的時候，X射線通過的路徑長，衍射發生的更充分，得到的衍射數據也就更好。另外呢，設計衍射數據不是照一下就完了，我們需要的是蛋白質的3D結構，所以為了得到這些信息，我們要用X射線轉著圈的照晶體。對於Needle來說，照到截面比較窄的地方，衍射數據就差了。
高強度的X射線在一定程度上解決了獲取Needle或者比較小的晶體衍射圖樣的問題。雖然衍射路徑短，但是射線強度高，也能得到較好的衍射圖樣。對於孿晶就無能為力了，除非能把孿晶中的小單晶手工剝離出來。同時，用高強度射線可以拿到已有晶體更好的衍射圖樣，進而提高蛋白質結構解析度，對於大分子蛋白或者複合體的結構解析有幫助，比如ribosome。
@劉中陽 在他的答案里很好的說明了這個新技術里激光的強度比現有激光強度的優勢。那麼在這麼強的激光下，到底能用多小的蛋白晶體呢？原始文獻里所使用的晶體大小在nm量級（200nm～2um）（見下圖）。我們把這個大小和他們所用的單個蛋白複合體的大小比較一下，就會發現這有多麼驚人了。單個蛋白複合體的大小在20nm左右，也就是說最小晶體的一邊上只有十個蛋白質複合體排列在一起。而普通X射線衍射技術所需要的晶體大小在20-200um左右，也就是說我們用了小倍的晶體，解析出了同樣好的結構。
另外談一談無損衍射吧。在這麼高的強度下是不可能存在真正的無損衍射的。一個蛋白晶體在高強度的X射線（遠高於普通synchrotron的強度）下估計存活不了太長時間。這裡所指的無損，並不是說蛋白質晶體在收集數據以後還是完好無損的，而是說在蛋白質晶體玩兒完之前，就能夠收集到足夠的數據。所以你收集數據時，蛋白晶體是完好的，能夠產生最好的信號，但是收集結束後蛋白晶體是什麼狀態就沒有保證了。
剛剛看了一下 @任浩引用science的介紹。「A pulse of x-rays would obliterate a crystal even as it produced a diffraction pattern. Adding up 178,875 individual patterns, researchers determined the precursor"s structure, which includes a kind of molecular safety cap that deactivates it.」 確認了我上一段晶體會損壞的想法，同時，他們用了178,875個微晶體收了一套數據。
另外展望一下這個技術的發展前景。以前聽過UWM一個生物（輕讀）物理（重讀）學家的報告，他理想的實驗是用單分子，無需結晶。這時需要的射線強度足以打破化學鍵，但是化學鍵破裂是需要時間的，如果能在化學鍵破裂之前拿到數據（已經不是衍射數據了吧）就算成功了。聽著比較科幻，不知道哪年能實現。
高端，上海光源是不是弱爆了呀！
precursor」 form of an enzyme that"s key for the survival of the single-celled parasite that causes African sleeping sickness, Trypanosoma brucei. To produce micrometer-sized crystals of the enzyme, they overexpressed it in cultured cells. They dropped the crystals through the beam of the LCLS, which turned on in 2009. A pulse of x-rays
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