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 structure determination from nanocrystals of macromolecules that cannot be grown in large crystals. Over three million diffraction patterns were collected from a stream of nanocrystals of the membrane protein complex photosystem I, which allowed the assembly of a three-dimensional data set for this protein, and proves the concept of this imaging technique. X-ray crystallography provides the vast majority of macromolecular structures, but the success of the method relies on growing crystals of sufficient size. In conventional measurements, the necessary increase in X-ray dose to record data from crystals that are too small leads to extensive damage before a diffraction signal can be recorded1,2,3. It is particularly challenging to obtain large, well-diffracting crystals of membrane proteins, for which fewer than 300 unique structures have been determined despite their importance in all living cells. Here we present a method for structure determination where single-crystal X-ray diffraction ‘snapshots’ are collected from a fully hydrated stream of nanocrystals using femtosecond pulses from a hard-X-ray free-electron laser, the Linac Coherent Light Source4. We prove this concept with nanocrystals of photosystem I, one of the largest membrane protein complexes5. More than 3,000,000 diffraction patterns were collected in this study, and a three-dimensional data set was assembled from individual photosystem I nanocrystals (∼200 nm to 2 μm in size). We mitigate the problem of radiation damage in crystallography by using pulses briefer than the timescale of most damage processes6. This offers a new approach to structure determination of macromolecules that do not yield crystals of sufficient size for studies using conventional radiation sources or are particularly sensitive to radiation damage.

Nonlinear optics plays a central role in the advancement of optical science and laser-based technologies. We report on the confinement of the nonlinear interaction of light with matter to a single wave cycle and demonstrate its utility for time-resolved and strong-field science. The electric field of 3.3-femtosecond, 0.72-micron laser pulses with a controlled and measured waveform ionizes atoms near the crests of the central wave cycle, with ionization being virtually switched off outside this interval. Isolated sub-100-attosecond pulses of extreme ultraviolet light (photon energy approximately 80 electron volts), containing approximately 0.5 nanojoule of energy, emerge from the interaction with a conversion efficiency of approximately 10(-6). These tools enable the study of the precision control of electron motion with light fields and electron-electron interactions with a resolution approaching the atomic unit of time ( approximately 24 attoseconds).

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.

Size Matters Less X-ray crystallography is a central research tool for uncovering the structures of proteins and other macromolecules. However, its applicability typically requires growth of large crystals, in part because a sufficient number of molecules must be present in the lattice for the sample to withstand x-ray—induced damage. Boutet et al. (p. 362 , published online 31 May) now demonstrate that the intense x-ray pulses emitted by a free-electron laser source can yield data in few enough exposures to uncover the high-resolution structure of microcrystals.

In order to address the specific needs of the emerging technique of `serial femtosecond crystallography', in which structural information is obtained from small crystals illuminated by an X-ray free-electron laser, a new software suite has been created. The constituent programs deal with viewing, indexing, integrating, merging and evaluating the quality of the data, and also simulating patterns. The specific challenges addressed chiefly concern the indexing and integration of large numbers of diffraction patterns in an automated manner, and so the software is designed to be fast and to make use of multi-core hardware. Other constituent programs deal with the merging and scaling of large numbers of intensities from randomly oriented snapshot diffraction patterns. The suite uses a generalized representation of a detector to ease the use of more complicated geometries than those familiar in conventional crystallography. The suite is written in C with supporting Perl and shell scripts, and is available as source code under version 3 or later of the GNU General Public License.

Femtosecond X-ray pulses were used to obtain diffraction data on photosystem II, revealing conformational changes as the complex transitions from the dark S1 state to the double-pumped S3 state; the time-resolved serial femtosecond crystallography technique enables structural determination of protein conformations that are highly prone to traditional radiation damage. It has recently been shown that extremely short and intense radiation pulses from X-ray free-electron lasers can be used to obtain diffraction data on nanometre- to micrometre-sized protein crystals before the crystal suffers radiation damage. The hope is that this 'serial femtosecond crystallography' (SFX) approach will produce structures of proteins and protein complexes that do not yield well-ordered macroscopic crystals. These authors collected time-resolved SFX data on small crystals of photosystem II of photosynthesis during its transition from the 'dark' S1 state to the double-excited S3 state. At present the resolution of this technique is moderate, but it is sufficient to reveal significant conformational changes at the Mn4CaO5 cluster at the heart of the oxygen evolving complex and at the electron acceptor site. Photosynthesis, a process catalysed by plants, algae and cyanobacteria converts sunlight to energy thus sustaining all higher life on Earth. Two large membrane protein complexes, photosystem I and II (PSI and PSII), act in series to catalyse the light-driven reactions in photosynthesis. PSII catalyses the light-driven water splitting process, which maintains the Earth’s oxygenic atmosphere1. In this process, the oxygen-evolving complex (OEC) of PSII cycles through five states, S0 to S4, in which four electrons are sequentially extracted from the OEC in four light-driven charge-separation events. Here we describe time resolved experiments on PSII nano/microcrystals from Thermosynechococcus elongatus performed with the recently developed2 technique of serial femtosecond crystallography. Structures have been determined from PSII in the dark S1 state and after double laser excitation (putative S3 state) at 5 and 5.5 Å resolution, respectively. The results provide evidence that PSII undergoes significant conformational changes at the electron acceptor side and at the Mn4CaO5 core of the OEC. These include an elongation of the metal cluster, accompanied by changes in the protein environment, which could allow for binding of the second substrate water molecule between the more distant protruding Mn (referred to as the ‘dangler’ Mn) and the Mn3CaOx cubane in the S2 to S3 transition, as predicted by spectroscopic and computational studies3,4. This work shows the great potential for time-resolved serial femtosecond crystallography for investigation of catalytic processes in biomolecules.

Diffraction Before Destruction A bottleneck in x-ray crystallography is the growth of well-ordered crystals large enough to obtain high-resolution diffraction data within an exposure that limits radiation damage. Serial femtosecond crystallography promises to overcome these constraints by using short intense pulses that out-run radiation damage. A stream of crystals is flowed across the free-electron beam and for each pulse, diffraction data is recorded from a single crystal before it is destroyed. Redecke et al. (p. 227 , published online 29 November; see the Perspective by Helliwell ) used this technique to determine the structure of an enzyme from Trypanosoma brucei , the parasite that causes sleeping sickness, from micron-sized crystals grown within insect cells. The structure shows how this enzyme, which is involved in degradation of host proteins, is natively inhibited prior to activation, which could help in the development of parasite-specific inhibitors.

Visualizing a response to light Many biological processes depend on detecting and responding to light. The response is often mediated by a structural change in a protein that begins when absorption of a photon causes isomerization of a chromophore bound to the protein. Pande et al. used x-ray pulses emitted by a free electron laser source to conduct time-resolved serial femtosecond crystallography in the time range of 100 fs to 3 ms. This allowed for the real-time tracking of the trans-cis isomerization of the chromophore in photoactive yellow protein and the associated structural changes in the protein. Science , this issue p. 725

Observing ultrafast myoglobin dynamics The oxygen-storage protein myoglobin was the first to have its three-dimensional structure determined and remains a workhorse for understanding how protein structure relates to function. Barends et al. used x-ray free-electron lasers with femtosecond short pulses to directly observe motions that occur within half a picosecond of CO dissociation (see the Perspective by Neutze). Combining the experiments with simulations shows that ultrafast motions of the heme couple to subpicosecond protein motions, which in turn couple to large-scale motions. Science , this issue p. 445 , see also p. 381

The structures of three intermediate states of photosystem II, which is crucial for photosynthesis, have been solved at room temperature, shedding new light on this process. During the conversion of light into energy in plants, photosystem II oxidizes water within a Mn4CaO5 cluster in the oxygen evolving complex (OEC). This process involves five intermediate states that have eluded structural determination until now. Junko Yano and colleagues use a femtosecond X-ray free electron laser (XFEL) to capture three of these states at room temperature. As the structure was solved in the presence of ammonia, a water analogue, the authors are able to conclude that the ammonia-binding Mn site is not a substrate water site. Light-induced oxidation of water by photosystem II (PS II) in plants, algae and cyanobacteria has generated most of the dioxygen in the atmosphere. PS II, a membrane-bound multi-subunit pigment protein complex, couples the one-electron photochemistry at the reaction centre with the four-electron redox chemistry of water oxidation at the Mn4CaO5 cluster in the oxygen-evolving complex (OEC). Under illumination, the OEC cycles through five intermediate S-states (S0 to S4)1, in which S1 is the dark-stable state and S3 is the last semi-stable state before O–O bond formation and O2 evolution2,3. A detailed understanding of the O–O bond formation mechanism remains a challenge, and will require elucidation of both the structures of the OEC in the different S-states and the binding of the two substrate waters to the catalytic site4,5,6. Here we report the use of femtosecond pulses from an X-ray free electron laser (XFEL) to obtain damage-free, room temperature structures of dark-adapted (S1), two-flash illuminated (2F; S3-enriched), and ammonia-bound two-flash illuminated (2F-NH3; S3-enriched) PS II. Although the recent 1.95 Å resolution structure of PS II at cryogenic temperature using an XFEL7 provided a damage-free view of the S1 state, measurements at room temperature are required to study the structural landscape of proteins under functional conditions8,9, and also for in situ advancement of the S-states. To investigate the water-binding site(s), ammonia, a water analogue, has been used as a marker, as it binds to the Mn4CaO5 cluster in the S2 and S3 states10. Since the ammonia-bound OEC is active, the ammonia-binding Mn site is not a substrate water site10,11,12,13. This approach, together with a comparison of the native dark and 2F states, is used to discriminate between proposed O–O bond formation mechanisms.