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.

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 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.

Abstract Diffraction-before-destruction imaging with ultrashort X-ray pulses can visualize non-equilibrium processes, such as chemical reactions, with sub-femtosecond precision in the native environment. Here, a nanospecimen diffracts a single X-ray flash before it disintegrates. The sample structure can be reconstructed from the coherent diffraction image (CDI). State-of-the-art X-ray snapshots lack high spatial resolution because of weak diffraction signal. Bleaching effects from photo-ionization significantly restrain image brightness scaling. We find that non-linear transient ion resonances can overcome this barrier if X-ray laser pulses are shorter than in most experiments. We compared snapshots from individual ≈ 100 nm Xe nanoparticles as a function of pulse duration and incoming X-ray fluence. Our experimental results and Monte Carlo simulations suggest that transient resonances can increase ionic scattering cross sections significantly beyond literature values. This provides a novel avenue towards substantial improvement of the spatial resolution in CDI in combination with sub-femtosecond temporal precision at the nanoscale.