The start-up of the Linac Coherent Light Source (LCLS), the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, California, has brought high expectations of a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. Two papers in this issue of Nature present proof-of-concept experiments showing the LCLS in action. Chapman et al. tackle structure determination from nanocrystals of macromolecules that cannot be grown in large crystals. They obtain more than three million diffraction patterns from a stream of nanocrystals of the membrane protein photosystem I, and assemble a three-dimensional data set for this protein. Seibert et al. obtain images of a non-crystalline biological sample, mimivirus, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The start-up of the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, the Linac Coherent Light Source, has brought high expectations for a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. This new capability is tested for the problem of imaging a non-crystalline biological sample. Images of mimivirus are obtained, the largest known virus with a total diameter of about 0.75 micrometres, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The measurements indicate no damage during imaging and prove the concept of this imaging technique. X-ray lasers offer new capabilities in understanding the structure of biological systems, complex materials and matter under extreme conditions1,2,3,4. Very short and extremely bright, coherent X-ray pulses can be used to outrun key damage processes and obtain a single diffraction pattern from a large macromolecule, a virus or a cell before the sample explodes and turns into plasma1. The continuous diffraction pattern of non-crystalline objects permits oversampling and direct phase retrieval2. Here we show that high-quality diffraction data can be obtained with a single X-ray pulse from a non-crystalline biological sample, a single mimivirus particle, which was injected into the pulsed beam of a hard-X-ray free-electron laser, the Linac Coherent Light Source5. Calculations indicate that the energy deposited into the virus by the pulse heated the particle to over 100,000 K after the pulse had left the sample. The reconstructed exit wavefront (image) yielded 32-nm full-period resolution in a single exposure and showed no measurable damage. The reconstruction indicates inhomogeneous arrangement of dense material inside the virion. We expect that significantly higher resolutions will be achieved in such experiments with shorter and brighter photon pulses focused to a smaller area. The resolution in such experiments can be further extended for samples available in multiple identical copies.

X-ray free-electron lasers have enabled new approaches to the structural determination of protein crystals that are too small or radiation-sensitive for conventional analysis1. For sufficiently short pulses, diffraction is collected before significant changes occur to the sample, and it has been predicted that pulses as short as 10 fs may be required to acquire atomic-resolution structural information1,2,3,4. Here, we describe a mechanism unique to ultrafast, ultra-intense X-ray experiments that allows structural information to be collected from crystalline samples using high radiation doses without the requirement for the pulse to terminate before the onset of sample damage. Instead, the diffracted X-rays are gated by a rapid loss of crystalline periodicity, producing apparent pulse lengths significantly shorter than the duration of the incident pulse. The shortest apparent pulse lengths occur at the highest resolution, and our measurements indicate that current X-ray free-electron laser technology5 should enable structural determination from submicrometre protein crystals with atomic resolution. Researchers describe a mechanism capable of compressing fast and intense X-ray pulses through the rapid loss of crystalline periodicity. It is hoped that this concept, combined with X-ray free-electron laser technology, will allow scientists to obtain structural information at atomic resolutions.

We demonstrate the use of an X-ray free electron laser synchronized with an optical pump laser to obtain X-ray diffraction snapshots from the photoactivated states of large membrane protein complexes in the form of nanocrystals flowing in a liquid jet.Light-induced changes of Photosystem I-Ferredoxin co-crystals were observed at time delays of 5 to 10 µs after excitation.The result correlates with the microsecond kinetics of electron transfer from Photosystem I to ferredoxin.The undocking process that follows the electron transfer leads to large rearrangements in the crystals that will terminally lead to the disintegration of the crystals.We describe the experimental setup and obtain the first timeresolved femtosecond serial X-ray crystallography results from an

We report experimental results on x-ray diffraction of quantum-state-selected and strongly aligned ensembles of the prototypical asymmetric rotor molecule 2,5-diiodobenzonitrile using the Linac Coherent Light Source. The experiments demonstrate first steps toward a new approach to diffractive imaging of distinct structures of individual, isolated gas-phase molecules. We confirm several key ingredients of single molecule diffraction experiments: the abilities to detect and count individual scattered x-ray photons in single shot diffraction data, to deliver state-selected, e. g., structural-isomer-selected, ensembles of molecules to the x-ray interaction volume, and to strongly align the scattering molecules. Our approach, using ultrashort x-ray pulses, is suitable to study ultrafast dynamics of isolated molecules.

The plasma dynamics of single mesoscopic Xe particles irradiated with intense femtosecond x-ray pulses exceeding ${10}^{16}\text{ }\text{ }\mathrm{W}/{\mathrm{cm}}^{2}$ from the Linac Coherent Light Source free-electron laser are investigated. Simultaneous recording of diffraction patterns and ion spectra allows eliminating the influence of the laser focal volume intensity and particle size distribution. The data show that for clusters illuminated with intense x-ray pulses, highly charged ionization fragments in a narrow distribution are created and that the nanoplasma recombination is efficiently suppressed.

Abstract The new European X-ray Free-Electron Laser is the first X-ray free-electron laser capable of delivering X-ray pulses with a megahertz inter-pulse spacing, more than four orders of magnitude higher than previously possible. However, to date, it has been unclear whether it would indeed be possible to measure high-quality diffraction data at megahertz pulse repetition rates. Here, we show that high-quality structures can indeed be obtained using currently available operating conditions at the European XFEL. We present two complete data sets, one from the well-known model system lysozyme and the other from a so far unknown complex of a β-lactamase from K. pneumoniae involved in antibiotic resistance. This result opens up megahertz serial femtosecond crystallography (SFX) as a tool for reliable structure determination, substrate screening and the efficient measurement of the evolution and dynamics of molecular structures using megahertz repetition rate pulses available at this new class of X-ray laser source.

There exists a conspicuous gap of knowledge about the organization of life at mesoscopic levels. Ultra-fast coherent diffractive imaging with X-ray free-electron lasers can probe structures at the relevant length scales and may reach sub-nanometer resolution on micron-sized living cells. Here we show that we can introduce a beam of aerosolised cyanobacteria into the focus of the Linac Coherent Light Source and record diffraction patterns from individual living cells at very low noise levels and at high hit ratios. We obtain two-dimensional projection images directly from the diffraction patterns, and present the results as synthetic X-ray Nomarski images calculated from the complex-valued reconstructions. We further demonstrate that it is possible to record diffraction data to nanometer resolution on live cells with X-ray lasers. Extension to sub-nanometer resolution is within reach, although improvements in pulse parameters and X-ray area detectors will be necessary to unlock this potential.