Dieses Webinar präsentiert neue Dienstleistungen, die über das europäische Forschungsnetzwerk Instruct-ERIC angeboten werden. Joachim Schulz und Hijong Han stellen die biologischen und kristallografischen Serviceangebote des European XFEL in Schenefeld/Hamburg vor, insbesondere die Nutzung der Seriellen Femtosekunden-Kristallografie (SFX) im XBI-Labor (X-ray Biology Infrastructure) zur Untersuchung ultrakurzer biologischer Prozesse. Im zweiten Teil präsentiert Olga Guls (Forschungszentrum Jülich und Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) maßgeschneiderte computergestützte Dienstleistungen in der molekularen Bioinformatik und computergestützten biophysikalischen Chemie, welche multimodale KI (OnePro) und Exascale-Computing (JUPITER) für die Struktur-Wirkungs-Analyse integrieren.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:02 Webinar-Einführung: Pauline eröffnet das Instruct-Webinar Nr. 49 aus der Reihe „Structure-Function“ und kündigt die neuen Dienstleistungsangebote an.
0:14 European XFEL Infrastruktur: Joachim Schulz beschreibt den 3,4 km langen supraleitenden Linearbeschleuniger in Hamburg und Schenefeld, der Elektronen von DESY kommend auf 17,5 GeV beschleunigt.
0:31 Röntgenlaser-Eigenschaften: Der European XFEL kombiniert Synchrotronstrahlung mit Laser-Interferenz, wodurch ultrakurze Röntgenpulse von rund 100 Femtosekunden (fs) und eine hohe Leistungsdichte erreicht werden, die Beugungsbilder vor der Zerstörung der Probe ermöglichen ("diffraction before destruction").
0:08 Pulsstruktur & Injektion: Das System erzeugt Pulszüge mit bis zu 3.700 Bunches im Abstand von 200 Nanosekunden, unterstützt durch effiziente Probeninjektionssysteme wie Flüssigstrahlen und Tintenstrahl-Technologien.
0:11 XBI-Labor: Hijong Han stellt die 500 $m^2$ große X-ray Biology Infrastructure (XBI) vor, die sich direkt über dem SPB/SFX-Messplatz befindet und Zellkultur, Charakterisierung (TEM, AFM, Massenspektrometrie) sowie Probeninjektionstests ermöglicht.
0:16 SFX-Probenanforderungen: Die Serielle Femtosekunden-Kristallografie (SFX) erfordert Kristalldichten von ca. $10^9$ Partikeln/ml, homogene Größen unter 30 µm (bzw. <5 µm für zeitaufgelöste Experimente) und Durchflussraten von 10–30 µl/min.
0:29 Antragswege für Strahlzeit: Nutzer können sich über das rollende QUAS-Verfahren (Protein Crystal Screening ohne feste Fristen) oder reguläre Strahlzeitanträge für komplexe Experimente wie Pump-Probe-Messungen bewerben.
0:33 Molekulare Bioinformatik: Olga Guls stellt die neue computergestützte Serviceplattform des Forschungszentrums Jülich und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf vor, die von der Proteinstruktur zum mechanistischen Verständnis führt.
0:36 Multimodale KI (OnePro): Vorstellung von OnePro, einem multimodalen KI-Modell, das Proteinsequenzen, 3D-Strukturen, Bindungstaschen und Textannotationen ohne Multiple Sequence Alignments (MSAs) verknüpft und bestehende Sequenzmodelle bei divergenten Proteinen übertrifft.
0:50 Exascale-Rechenleistung: Nutzung lokaler Recheninfrastrukturen sowie des ersten europäischen Exascale-Supercomputers JUPITER am Jülich Supercomputing Centre (JSC) für rechenintensive molekulare Simulationen.
0:51 Gastwissenschaftler-Modell: Im Gegensatz zu mehrtägigen Labordiensten ist dieser Service auf wochen- bis monatelange Gastaufenthalte von Forschern in Jülich ausgelegt, um gemeinsam maßgeschneiderte digitale Pipelines und Simulationen zu entwickeln.
Glossar
XFEL (X-ray Free-Electron Laser): Ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser, der extrem helle, kohärente und ultrakurze Röntgenblitze erzeugt, um atomare Strukturen und ultraschnelle molekulare Prozesse zu analysieren.
Linearbeschleuniger: Eine Teilchenbeschleuniger-Anlage, in der geladene Teilchen (wie Elektronen) auf einer geraden Strecke durch hochfrequente elektromagnetische Felder auf hohe Energien beschleunigt werden.
Supraleitender Undulator: Eine Vorrichtung aus magnetischen Wechselfeldern, die bei extrem niedrigen (supraleitenden) Temperaturen betrieben wird, um hochenergetische Elektronen in Schwingungen zu versetzen und intensive Röntgenstrahlung abzustrahlen.
GeV (Gigaelektronenvolt): Eine Maßeinheit für Teilchenenergie, entsprechend einer Milliarde Elektronenvolt.
Femtosekunde (fs): Ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde ($10^{-15}$ Sekunden); die physikalische Zeitskala, auf der sich atomare Bindungen und Schwingungen bewegen.
SFX (Serial Femtosecond Crystallography / Serielle Femtosekunden-Kristallografie): Eine experimentelle Methode, bei der mikroskopisch kleine Kristalle bei Raumtemperatur mit ultrakurzen Röntgenpulsen beschossen werden, um Beugungsdaten vor der Strahlungszerstörung zu erfassen.
GDVN (Gas Dynamic Virtual Nozzle): Eine hydrodynamische Gas-Flüssigkeits-Düse zur Erzeugung extrem stabiler, mikrometerdünner Flüssigkeitsstrahlen (Jets) von Proben im Vakuum.
TEM (Transmission Electron Microscopy / Transmissionselektronenmikroskopie): Ein Mikroskopieverfahren, bei dem Elektronenstrahlen durch eine extrem dünne Probe transmittiert werden, um hochauflösende Bilder bis hin zum Kristallgitter darzustellen.
SHG (Second Harmonic Generation / Frequenzverdopplung): Eine nichtlineare optische Methode, die spezifisch auf ungespiegelte, geordnete kristalline Materialien reagiert und zur Identifizierung von Proteinkristallen in amorphem Präzipitat dient.
QUAS (Protein Crystal Screening): Ein flexibles, kontinuierliches Antragsformat (ohne feste Deadlines) am European XFEL für das Screening von Proteinkristallen.
MSA (Multiple Sequence Alignment): Der algorithmische Abgleich mehrerer biologischer Sequenzen (DNA, RNA oder Aminosäuren), um evolutionäre Verwandtschaften und funktionelle Regionen zu bestimmen.
Exascale-Supercomputer: Ein Höchstleistungsrechner der neuesten Generation, der mindestens eine Trillion ($10^{18}$) Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPS) ausführen kann (wie das System JUPITER in Jülich).