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.

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.

Abstract The idea of using ultrashort X-ray pulses to obtain images of single proteins frozen in time has fascinated and inspired many. It was one of the arguments for building X-ray free-electron lasers. According to theory 1 , the extremely intense pulses provide sufficient signal to dispense with using crystals as an amplifier, and the ultrashort pulse duration permits capturing the diffraction data before the sample inevitably explodes 2 . This was first demonstrated on biological samples a decade ago on the giant mimivirus 3 . Since then a large collaboration 4 has been pushing the limit of the smallest sample that can be imaged 5,6 . The ability to capture snapshots on the timescale of atomic vibrations, while keeping the sample at room temperature, may allow probing the entire conformational phase space of macromolecules. Here we show the first observation of an X-ray diffraction pattern from a single protein, that of Escherichia coli GroEL which at 14 nm in diameter 7 is the smallest biological sample ever imaged by X-rays, and demonstrate that the concept of diffraction before destruction extends to single proteins. From the pattern, it is possible to determine the approximate orientation of the protein. Our experiment demonstrates the feasibility of ultrafast imaging of single proteins, opening the way to single-molecule time-resolved studies on the femtosecond timescale.

The possibility of imaging single proteins constitutes an exciting challenge for X-ray lasers. Despite encouraging results on large particles, imaging small particles has proven to be difficult for two reasons: not quite high enough pulse intensity from currently available X-ray lasers and, as we demonstrate here, contamination of the aerosolised molecules by non-volatile contaminants in the solution. The amount of contamination on the sample depends on the initial droplet-size during aerosolisation. Here we show that with our electrospray injector we can decrease the size of aerosol droplets and demonstrate virtually contaminant-free sample delivery of organelles, small virions, and proteins. The results presented here, together with the increased performance of next generation X-ray lasers, constitute an important stepping stone towards the ultimate goal of protein structure determination from imaging at room temperature and high temporal resolution.