Første offentliggjorte resultater fra ny røntgenlaser

Med offentliggørelsen af ​​de første eksperimentelle målinger udført på anlægget, den europæiske røntgenfri-elektronlaser (EuXFEL) har passeret endnu en kritisk milepæl siden lanceringen i september 2017. Det er den første af en "næste generation" af XFEL'er, der tilbyder meget hurtigere dataindsamling end tidligere var muligt. Da EuXFEL leverer røntgenpulser med den næsten utrolige hastighed på en million pulser pr. Sekund, eksperimentelle målinger kan udføres hurtigere, muliggøre flere eksperimenter om året. Det var dog ikke indlysende, at aktuelle måleteknikker ville være i stand til at håndtere denne syndflod af røntgenpulser. Forskere ved Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg og fra Rutgers University i Newark, USA, arbejder med et internationalt team af samarbejdspartnere og forskere fra DESY og EuXFEL, har nu vist, at dette ikke kun kan lade sig gøre, men også at strukturel information af høj kvalitet om biologiske molekyler opnås. Dette er et gennembrud for anlægget og for strukturbiologer, der bruger XFEL'er verden over.

X-ray free-electron lasers (XFELs) gør det muligt for forskere at få tredimensionelle billeder af biologiske molekyler ved hjælp af snapshot-røntgeneksponeringer, der kun varer femtosekunder. Sådanne billeder kan kombineres til at levere "film" af molekyler på den utroligt korte tidsskala for kemiske reaktioner. Dette giver ny indsigt i nanoworlden, der ikke kun er vigtig for grundvidenskaber lige fra biologi til fysik, men også hjælpe med at fremme udviklingen mod nye og bedre lægemidler, batterier og lagermedier, og mange andre ting.

Desværre, kun en håndfuld XFEL'er findes på verdensplan, og kun en brøkdel af de eksperimenter, forskere ønsker at lave, kan rummes. Dette er også fordi originalen, "første generation" XFEL'er leverer røntgenpulser med kun omkring billedhastigheden på et tv-kamera, omkring 50 gange i sekundet. Imidlertid, ved at bruge superledende resonator til at accelerere de elektroner, der bruges til at producere røntgenstrålerne, ny generation XFEL'er som den europæiske XFEL (EuXFEL) leverer op til en million impulser i sekundet. Spændingen i samfundet var derfor enorm, da EuXFEL blev indviet for mindre end et år siden.

De nye muligheder for dataindsamling ved XFEL'er med høj gentagelse er, imidlertid, ledsaget af helt nye udfordringer for forskerne, der laver eksperimenterne. De samme ekstraordinært intense femtosekund XFEL -pulser, der gør det muligt at studere små objekter nødvendigvis også varme og til sidst fordampe prøven. Dette er ikke et problem i sig selv, da femtosekundets røntgenbillede er afsluttet længe før prøven blæser fra hinanden. Der skal udvises ekstrem forsigtighed, imidlertid, at skaden fra en XFEL -puls ikke forstyrrer prøven, der skal undersøges af den næste puls. Prøvemediet skal derfor flyttes mellem røntgenpulser, så XFEL -strålen aldrig rammer tæt på det samme sted to gange. Ved 50 impulser i sekundet gøres dette let; men med kun en milliontedel af et sekund mellem pulser var det ikke indlysende, at det nogensinde ville være muligt.

Vellykkede eksperimenter

I juni 2018, forskere fra afdelingen for biomolekylære mekanismer ved Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg sammen med et internationalt forskerhold, ledet af Ilme Schlichting, direktør ved Max Planck Institute, udførte et af de første forsøg på EuXFEL. Teamet konfronterede og mestrede udfordringerne i forbindelse med den hurtige ankomst af EuXFEL -pulser, med succes opnåelse og fuldstændig analyse af højkvalitetsdata for en række proteinmolekyler.

"I vores papir, vi viser det, under de nuværende forhold, chokbølgen induceret af en XFEL -puls påvirker ikke prøven, der undersøges af den næste puls, selv når den anden puls først kommer en milliontedel af et sekund senere, "siger Thomas Barends, en forskergruppeleder på MPI og en af ​​de tilsvarende forfattere. Dataene er af tilstrækkelig høj kvalitet til også at muliggøre detaljeret analyse af en tidligere ukarakteriseret prøve. Dette er en milepæl for anlægget og af stor praktisk betydning, i betragtning af den hurtigt voksende efterspørgsel efter XFEL stråletid. "EuXFEL giver os mulighed for at indsamle flere data på meget kortere tid, gør det muligt for os at lave ny videnskab "siger Marie Grünbein, første forfatter til publikationen og en ph.d. studerende ved Max Planck Institute i Heidelberg.