Dieses Webinar (Instruct Webinar Nr. 49: „Structure Meets Function“) stellt zwei neu in das Instruct-ERIC-Portfolio integrierte Dienstleistungen der Strukturbiologie vor. Joachim Schulz und Hijong Han präsentieren die Serviceangebote des European XFEL in Schenefeld bei Hamburg, insbesondere die X-ray Biology Infrastructure (XBI) für serielle Femtosekunden-Kristallographie (SFX) und die biologische Probenvorbereitung. Im zweiten Teil stellt Olga Gulker (Universität Düsseldorf und Forschungszentrum Jülich) einen neuen Service für molekulare Bioinformatik und computergestützte biophysikalische Chemie vor, der massgeschneiderte, wissenschaftlich geführte Kollaborationen und KI-gestützte Strukturanalysen anbietet.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:02 Webinar-Einführung: Begrüssung durch Pauline und Eröffnung der Vorstellung zweier neuer Serviceangebote im Instruct-ERIC-Katalog.
1:12 European XFEL Infrastruktur: Joachim Schulz erläutert den 3,4 km langen, supraleitenden Linearbeschleuniger, der Elektronen auf 17,5 GeV beschleunigt und am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg endet.
3:42 Beugung vor Zerstörung: Erklärung des Funktionsprinzips des Freie-Elektronen-Röntgenlasers, bei dem ultrakurze Pulse (ca. 100 Femtosekunden) Beugungsmuster erzeugen, bevor die biologische Probe durch die hohe Energiedichte zerstört wird.
11:01 XBI-Labor am European XFEL: Hijong Han stellt die X-ray Biology Infrastructure (XBI) vor – ein 500 qm grosses Labor direkt über der SPB/SFX-Messstation für die komplette biologische Probenpipeline.
13:34 XBI-Dienstleistungssäulen: Die Unterstützung umfasst Probenvorbereitung (Dunkelkammern, Roboter), Qualitätskontrolle und Charakterisierung (SHG, TEM) sowie Injektionstests für den Messbetrieb.
29:02 Strahlzeit-Antragswege: Erläuterung der Antragsverfahren, einschliesslich des QUAS-Formats (PIX/OXETS-Screening auf rollender Basis) und regulärer Anträge für zeitaufgelöste Experimente.
33:47 Molekulare Bioinformatik: Olga Gulker präsentiert den neuen computergestützten Service der Universitäten Düsseldorf und Jülich, der Brücken zwischen atomaren Strukturen und biologischen Mechanismen schlägt.
45:11 KI-basierte Vorhersagemodelle: Vorstellung von Methoden wie TOPBC (Graph-Neuronale Netze zur Enzymklassifikation) und OnePro (multimodale KI zur Integration von Proteinsequenzen und -strukturen).
50:23 Recheninfrastruktur & Kollaboration: Nutzung des europäischen Exascale-Supercomputers JUPITER in Jülich sowie das spezifische Modell, Gastwissenschaftler für wochen- bis monatelange Projekte in Jülich aufzunehmen.
Glossar
European XFEL: Ein internationales Röntgenlaser-Forschungszentrum in Hamburg und Schenefeld, das extrem intensive, kohärente Röntgenlichtpulse im Femtosekundenbereich erzeugt.
SFX (Serielle Femtosekunden-Kristallographie): Eine Kristallographiemethode, bei der viele kleine Kristalle bei Raumtemperatur mit ultra-kurzen, hochenergetischen Röntgenpulsen durchstrahlt werden.
XBI (X-ray Biology Infrastructure): Das biologische Labor- und Servicezentrum direkt am European XFEL, das Nutzern bei Probenvorbereitung und Charakterisierung hilft.
GeV (Gigaelektronenvolt): Eine Masseinheit für Teilchenenergie (1 Milliarde Elektronenvolt); hier zur Beschreibung der Elektronenbeschleunigung (17,5 GeV).
Femtosekunde: Ein Billiardstel einer Sekunde ($10^{-15}$ s); die Pulsdauer von Röntgenlasern, um atomare Bewegungen "einzufrieren".
SHG (Second Harmonic Generation): Ein nichtlineares optisches Verfahren (Frequenzverdopplung), das spezifisch geordnete Kristalle in Lösungen identifiziert.
TEM (Transmissionselektronenmikroskopie): Ein Mikroskopieverfahren, das Elektronenstrahlen anstelle von Licht nutzt, um Nanokristalle und Proteine abzubilden.
GDVN (Gas Dynamic Virtual Nozzle): Eine Gasdynamische virtuelle Düse, die einen extrem dünnen Flüssigkeitsstrahl (Jet) für die Probeninjektion in den Röntgenstrahl erzeugt.
QUAS: Ein optimiertes Screening-Format (früher PCS) am European XFEL zur schnellen Überprüfung von Proteinkristallen auf rollender Basis ohne feste Fristen.
Exascale-Computer: Ein Höchstleistungsrechner der nächsten Generation, der mindestens eine Trillion ($10^{18}$) Rechenoperationen pro Sekunde ausführen kann (hier: JUPITER).
OnePro: Ein vom Team entwickeltes multimodales KI-Modell, das Proteinstrukturen, Sequenzen, Bindungstaschen und Textannotationen in einem einheitlichen Rahmen integriert.
TOPBC: Ein auf Graph-Neuronalen Netzen basierendes 3D-Modell zur präzisen Klassifikation von Enzymfunktionen anhand von Enzym-Commission-Nummern (EC-Nummern).