Mask-based approach in phasing and restoring of single-particle diffraction data

Развитие экспериментальной техники и, в частности, ввод в эксплуатацию рентгеновских лазеров на свободных электронах позволяют приблизиться к возможности регистрации рентгеновского рассеяния отдельной макромолекулярной частицей. Это открывает дорогу к определению методами рентгеновской дифракции структуры некристаллизованных макромолекулярных объектов. Возможность измерения интенсивностей не-Брэгговских рефлексов создает существенную избыточность экспериментальных данных, что существенно упрощает определение структуры объекта. Дискретизация непрерывной дифракционной картины на сетку с достаточно мелким шагом позволяет рассматривать проблему определения структуры как проблему определения структуры для “виртуального” кристалла с чрезвычайно большим относительным объемом растворителя в элементарной ячейке. В предположении, что область, занимаемая объектом в элементарной ячейке, известна, это позволяет ожидать высокой эффективности в решении фазовой проблемы итерационных методов, типа методов модификации электронной плотности. В то же время, итерационные методы чувствительны к точности задания области молекулы, неполноте экспериментальных данных и изначальной неединственности решения. Разработанный авторами метод предварительного решения фазовой проблемы осуществляет случайный поиск связных бинарных аппроксимаций распределения электронной плотности в объекте (масок области молекулы), воспроизводящих с достаточной точностью дифракционную картину, наблюдаемую в эксперименте. Выравнивание, в рамках группы эквивалентности решений фазовой проблемы, найденных масок с последующим усреднением позволяет получить приближенное решение фазовой проблемы. Помимо оценки неизвестных значений фаз структурных факторов разработанный подход позволяет восстанавливать фрагменты дифракционной картины (значения модулей структурных факторов), потерянные в эксперименте. Примерами таких фрагментов могут служить нерегистрируемая центральная зона рентгенограммы или области “переэкспонированных” (ввиду ограниченности рабочего диапазона детектора) рефлексов.