Sprængning af molekyler med ekstreme røntgenstråler

Når man læser disse ord, dine øjne lader dig se hvert bogstav og mellemrummene mellem dem. Men hvis du har brug for læsebriller, bogstaverne kan være uklare eller uforståelige. Forskere står over for en lignende udfordring. Indsamling af de rigtige data afhænger af at have værktøjer, der kan give nøjagtige, omfattende målinger. Trods alt, videnskabsmænd ønsker at have det klarest mulige syn.

Fysiker Artem Rudenko fra Kansas State University og hans kolleger overvejede, hvordan man kunne forbedre billederne af vira og mikropartikler, som videnskabsmænd får fra røntgenstråler. For at grave ind i problemet, de skød den kraftigste røntgenlaser i verden - placeret ved Department of Energy (DOE) Office of Science's Linac Coherent Light Source (LCLS) - mod en række atomer og molekyler.

Kan vi stole på det, vi ser?

Forskere bruger jævnligt røntgenlyskilder til at tage billeder og videoer af biologiske og kemiske processer og genstande. For eksempel, en nylig undersøgelse på LCLS så på, hvordan antibiotika og de dele af kroppen, der producerer proteiner, interagerer.

Men som en langsynet persons øjne, disse instrumenter kan påvirke videnskabsmænds opfattelse. På kortere tid end det tager lys at rejse en millimeter, røntgenbilledet udsletter prøven. Men røntgenstrålen beskadiger prøven længe før den er tilintetgjort - selv mens videnskabsmænd forsøger at fange deres billeder.

Det betyder, at billederne er af en beskadiget prøve, ikke originalen. Det kan forvrænge dataene, og hvordan videnskabsmænd fortolker dem.

Forskere har gjort en del arbejde med at studere virkningerne af "bløde" røntgenstråler med lavere energi. De konkluderede, at billeder fra bløde røntgenbilleder giver en god gengivelse af de originale strukturer på trods af skaderne.

Men de fleste billeddannelsesforskninger bruger "hårde" røntgenstråler med højere energi, fordi de ofte giver flere detaljer. Forskere havde færre data om skaden, som meget intense hårde røntgenstråler forårsager. De havde ingen ækvivalent til et øjendiagram til at vurdere omfanget af problemet, eller hvad der kunne være nødvendigt at justere. Rudenko og hans kolleger havde til formål at ændre det.

Det eneste sted i verden

Det var tydeligt, hvor de skulle hen - LCLS.

"Det var det eneste sted i verden, hvor vi kunne fokusere denne [mængde] lys, sagde Rudenko.

Holdet så på, hvordan røntgenstråler påvirker tunge atomer med masser af protoner, neutroner, og elektroner. Mange tunge atomer spiller vigtige funktioner i biologiske reaktioner, såsom jods rolle i at producere hormoner. Fordi tunge atomer interagerer mere med røntgenstråler end lette, videnskabsmænd bruger ofte tunge atomer til at få klarere billeder.

Som alle andre, holdet skulle konkurrere om tid ved LCLS, en Office of Science-brugerfacilitet hostet af DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. De omskrev og genindsendte deres forslag tre gange, før det blev accepteret. Sammenlignet med medicinsk forskning, det var et hårdt salg. "Vi ville bare sprænge pokker ud af et molekyle, " sagde Daniel Rolles, en assisterende professor ved Kansas State University. "Vores argument var, 'Hej se, I kan kun forstå, hvad I laver, hvis I lader os gøre vores ting først."

Sandhedens Øjeblik

Det var endelig tid til at tænde for røntgenbilledet.

"Det var bare alle knapper til højre, " sagde Rolles. "Vi gik dybest set alt ud med hensyn til intensitet."

Først, de rammer et xenonatom med LCLS'ens fulde kraft.

Den reaktion gik som forventet. De røntgenioniserede elektroner tæt på kernen, sprænge dem ud af atomet. Da de nærmeste rum blev tømt ud, elektroner længere væk bevægede sig indad. Så blev de nye elektroner aktiveret og zoomede også ud af atomet. Inden for en milliontedel af en milliardtedel af et sekund, den proces gentog sig, indtil der kun var få elektroner tilbage. Samlet set, et enkelt xenonatom udstødte 48 af dets 54 elektroner.

Tilfreds, holdet kørte hele eksperimentet igen. Denne gang, de pegede røntgenstrålen mod et jodatom omgivet af et par andre i et molekyle.

Det var da tingene blev mærkelige.

"Det var tydeligt, at der skete noget under disse eksperimentelle forhold, som vi ikke havde set andre steder, så det var meget spændende " sagde Rebecca Boll, en videnskabsmand på undersøgelsen, der arbejder på den europæiske røntgenfri elektronlaserfacilitet.

Holdet forventede, at jodet skubbes ud, suge ind, og skub derefter flere elektroner ud, som xenonet gjorde. Men da jod løb tør for elektroner, det stoppede ikke. I stedet, jodet slurvede elektroner op fra omgivende kulstof- og brintatomer. Efter at have udstødt 47 af sine egne elektroner, den cyklede gennem syv mere. Til sidst, jodet ændrede fundamentalt kulstof- og brintets elektronstrukturer.

Holdet ville se, om det samme ville ske med et større molekyle. At stikke et andet jodholdigt molekyle ind under røntgenbilledet, de så på, mens den spyttede så mange fragmenter ud, at det var svært at holde styr på dem. De vurderede, at det udstødte mere end 60 elektroner.

Afsløre hvorfor

Mens forskerne vidste, hvad der skete, de vidste ikke hvorfor. Et jodatom, der mister to elektroner, kan resultere i et stort antal mulige elektronstrukturer. Ikke alene mistede jodatomet mere end 50 elektroner, dens struktur ændrede sig fuldstændig efter hvert tab.

For at hjælpe med at forklare denne proces, de henvendte sig til deres kolleger i teoretisk fysik ved Center for Free-Electron Laser Science i Tyskland. Modellering afslørede, at under lavere intensiteter, både atomet i sig selv og atomet i molekylet absorberer kun nogle få fotoner ad gangen. På LCLS, molekylet absorberede op til 20 fotoner - langt mere end et atom. Det overladede systemet.

At finde ud af, at røntgenstråler kan påvirke atomer kraftigt, udover den, der er direkte ramt af røntgenstrålen, viste, at videnskabsmænd er nødt til at tage et ekstra kig på deres billeder. I fremtiden, holdet forudser, at de vil være i stand til at plotte en røntgenstråles virkninger på et bestemt molekyle. Ligesom læsebriller justerer en langsynet persons syn, forskere vil bedre kunne redegøre for strålingens indflydelse på deres resultater. Den viden vil hjælpe dem til at se et klarere billede end nogensinde før.