Damage-free Femtosecond Structural Dynamics of Proteins in the Biologically Relevant Regime

In the first part of this work, we present two techniques that we developed to improve the existing protein serial crystallography technique. By implementing the first technique that we call “chip mapping”, we were able to decrease the time it takes to acquire enough data to reconstruct a single protein’s structure by a factor five. The second technique called oscillation serial crystallography allowed us to decrease by one order of magnitude the number of crystals needed to reconstruct said protein structure. In the second part of this work, we use transient absorption spectroscopy to measure the population dynamics in carboxymyoglobin when excited with different laser peak powers. This allowed us to fit a population dynamics model as a function of peak power allowing us to study the protein’s nonlinear absorption properties. We report for the first time the linear and nonlinear absorption cross section of carboxymyoglobin as, respectively, \mbox{$\sigma_0 = (1.07 \pm .02) \times 10^{-16}$ cm$^2$} and \mbox{$\sigma_0^{(2)} = (1.45 \pm .15)\times 10^{-19}$ cm$^4$/GW}. The latter part is an attempt at providing the threshold for excitation conditions to ensure that the structural dynamics of interest are studied under 1-photon excitation conditions, which are the most relevant to elucidating the biologically relevant protein response. To date, this essential condition has yet to be rigorously met in femtosecond time resolved x-ray studies of structural dynamics of biological systems. In that context, this thesis work provides the important criteria for next generation experiments. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons deux techniques que nous avons développées afin d'améliorer les techniques existantes de cristallographie en série. En développement une première technique que nous appelons "chip mapping", nous avons pu diminuer par cinq le temps nécessaire pour acquérir assez de données pour reconstruire la structure d'une protéine. Une seconde technique appelée cristallographie en série avec oscillations nous a permis de diminuer par un ordre de grandeur la quantité de cristaux requise pour reconstruire la structure de protéine mentionnée ci-haut. Dans la seconde partie de cette thèse, nous utilisons la spectroscopie par absorption transitoire pour mesurer la dynamique des populations dans la carboxymyoglobine lorsque excitée avec des impulsions laser de différentes puissances. Avec ces données, nous avons pu construire un modèle décrivant l'évolution temporelle des différentes espèces présentes, ainsi que les interactions interespèces et leurs propriétés d'absorption non linéaires. Nous présentons pour la première fois les sections efficaces d'absorption linéaire et non linéaire de la carboxymyoglobine qui sont, respectivement, \mbox{$\sigma_0 = (1.07 \pm .02) \times 10^{-16}$ cm$^2$} et \mbox{$\sigma_0^{(2)} = (1.45 \pm .15)\times 10^{-19}$ cm$^4$/GW}. Afin de s'assurer d'étudier des protéines dans des conditions pertinentes à la biologie structurelle qui se doit d'être un régime linéaire où un seul photon est absorbé par un chromophore; cette dernière partie se veut une tentative de démontrer l'existance de limites dans les conditions d'excitation par impulsions laser lors d'expériences de dynamique structurelle sur des protéines. À notre connaissance, ces conditions essentielles ont été que très peu utilisées et discutées dans la littérature de dynamiques structurelles femtosecondes de systèmes biologiques. Dans ce contexte, cette thèse fournie des critères importants pour les futures générations d'expériences de ce type.
In the first part of this work, we present two techniques that we developed to improve the existing protein serial crystallography technique. By implementing the first technique that we call “chip mapping”, we were able to decrease the time it takes to acquire enough data to reconstruct a single protein’s structure by a factor five. The second technique called oscillation serial crystallography allowed us to decrease by one order of magnitude the number of crystals needed to reconstruct said protein structure. In the second part of this work, we use transient absorption spectroscopy to measure the population dynamics in carboxymyoglobin when excited with different laser peak powers. This allowed us to fit a population dynamics model as a function of peak power allowing us to study the protein’s nonlinear absorption properties. We report for the first time the linear and nonlinear absorption cross section of carboxymyoglobin as, respectively, σ0 = (1.07 ± .02) × 10−16 cm2 and σ (2) 0 = (1.45 ± .15) × 10−19 cm4/GW. The latter part is an attempt at providing the threshold for excitation conditions to ensure that the structural dynamics of interest are studied under 1-photon excitation conditions, which are the most relevant to elucidating the biologically relevant protein response. To date, this essential condition has yet to be rigorously met in femtosecond time resolved x-ray studies of structural dynamics of biological systems. In that context, this thesis work provides the important criteria for next generation experiments.

Keywords: Crystallography
Myoglobin
nonlinear absorption
Peak Power
Transient Absorption
Ultrafast
Advisor: Miller, Dwayne RJDM
Ernst, Oliver OE