매우 짧은 펄스 폭의 X선 자유전자 레이저(XFEL)를 이용한 시간 분해능 연속 펨토초 결정학(time-resolved serial femtosecond crystallography, TR-SFX)기법에서 반응 물질과 생체분자 결정 샘플간의 혼합률(mixing rate)과 결정 샘 플과 X선 레이저 간의 충돌률(hit rate)은 생체분자의 시분해 구조 변화에 대한 정확한 이미지 획득 및 효율적인 샘플 소비와 같은 TR-SFX의 분석 성능을 결정짓는 핵심인자이다. 본 연구에서는 극초단 내 일어나는 생체분자의 시분해 구조 변화 해석을 위해 초고속 믹싱 기능을 가짐과 동시에 공압 기반의 주문형 액적 젯팅이 가능한 두 가지 다른 방식의 샘플 전달시스템을 고안하였다. 한 방식은 이중 노즐을 통해 토출된 액적의 고속 충돌에 유발된 관성 믹싱을 기반으로 하고 있으며, 다른 방식은 마이크로믹서가 내장된 공압 젯팅을 기반으로 하고 있다. 먼저, 이중 노즐을 통해 토출된 액 적의 충돌에 대한 동적 거동 및 액적 내부 관성 유동에 대한 믹싱에 대한 실험 및 수치해석적 연구를 수행하였다. 다 음으로 마이크로믹서가 내장된 공압 젯팅 시스템의 성능을 유사한 방법을 통해 평가하였다. 본 연구에서 개발한 샘플 전달시스템은 질환을 유발하는 특정 단백질들의 기작을 규명하거나, 항체 의약품과 신약 후보 물질 탐색하는 데 있어 필수적인 3차원 생체 분자 구조분석 연구에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Time-resolved serial femtosecond crystallography (TR-SFX) is a powerful technique for determining temporal variations in the structural properties of biomacromolecules on ultra-short time scales without causing structure damage by employing femtosecond X-ray laser pulses generated by an X-ray free electron laser (XFEL). The mixing rate of reactants and biomolecule samples, as well as the hit rate between crystal samples and x-ray pulses, are critical factors determining TR-SFX performance, such as accurate image acquisition and efficient sample consumption. We here develop two distinct sample delivery systems that enable ultra-fast mixing and on-demand droplet injecting via pneumatic application with a square pulse signal. The first strategy relies on inertial mixing, which is caused by the high-speed collision and subsequent coalescence of droplets ejected through a double nozzle, while the second relies on on-demand pneumatic jetting embedded with a 3D-printed micromixer. First, the colliding behaviors of the droplets ejected through the double nozzle, as well as the inertial mixing within the coalesced droplets, are investigated experimentally and numerically. The mixing performance of the pneumatic jetting system with an integrated micromixer is then evaluated by using similar approaches. The sample delivery system devised in this work is very valuable for three-dimensional biomolecular structure analysis, which is critical for elucidating the mechanisms by which certain proteins cause disease, as well as searching for antibody drugs and new drug candidates.

Time-resolved serial femtosecond crystallography Sample delivery Inertial mixing 3D printing Micromixer Pneumatic dispenser Level set method

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