Test af, hvor nøjagtigt røntgenlasere kan måle de indre virkninger af biologiske molekyler

En af de store fordele ved røntgenfri elektronelasere som den ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory er, at de giver forskere mulighed for at bestemme strukturen af ​​biologiske molekyler i naturlige miljøer. Dette er vigtigt, hvis du vil undersøge, hvordan et potentielt nyt lægemiddel interagerer med en virus under forhold, der ligner dem, der findes i menneskekroppen. Ved at ramme disse prøver med ultrakorte røntgenlaserpulser, forskere kan indsamle data i det øjeblik, før skader fra røntgenstrålerne når at sprede sig gennem prøven.

Men er der virkelig ingen skader på prøver undersøgt ved denne metode, som er kendt som "diffraktion før ødelæggelse"? At kende svaret på finere og finere måleskalaer er vigtigt for at analysere resultaterne af disse eksperimenter og forstå, hvordan biologiske molekyler udfører deres arbejde. En sådan forståelse er afgørende for at designe lægemidler til effektivt at målrette mod specifikke sygdomme.

Takket være en tofarvet røntgenlasersteknik udviklet ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS), et eksperiment på LCLS tester denne teknik til grænser, der aldrig før er set.

Et team ledet af Ilme Schlichting fra Max Planck Institute for Medical Research og Sébastien Boutet fra SLAC ramte to typer krystalliserede biologiske molekyler med par røntgenlaserpulser, der havde lidt forskellige bølgelængder og var op til 100 femtosekunder, milliontedele af en milliarddel af et sekund, en del. Den første puls passerede gennem prøven og blev absorberet af et foliefilter. Den anden spredte prøven, passerede gennem filteret og kom ind i en detektor, danne mønstre, der kunne analyseres for at genskabe strukturen af ​​prøvens molekyler og måle eventuelle ændringer forårsaget af den første puls.

Med denne metode, teamet fandt ud af, at de dele af et molekyle, der indeholder atomer, der er tungere end ilt, absorberede størstedelen af ​​røntgenskaden. Kæder af kulstofatomer, som danner rygraden i alle proteiner, oplevede også ændringer over tid, men i langt mindre grad. Disse ændringer var ikke konsistente i hele molekylet, forekommer mere på bestemte områder end i andre, og de steg, da tiden mellem pulser blev øget. Disse resultater viser, at for at kunne foretage pålidelige målinger, forskere skal modellere disse specifikke dele af en prøve i stedet for at antage, at alle dele af molekylet er lige beskadiget.

Dette studie, udgivet i Naturkommunikation , er begyndelsen på en mere fuldstændig forståelse af, hvordan meget korte røntgenpulser produceret af røntgenlasere som LCLS ændrer strukturen af ​​biologiske molekyler. Teamet konkluderede, at "diffraktion før ødelæggelse" er en effektiv metode til at bestemme strukturen af ​​biologiske molekyler, så længe forskere overvejer intensiteten og varigheden af ​​de pulser, der bruges til at studere dem, når de fortolker deres resultater. Sådan viden kan anvendes på tværs af den brede vifte af undersøgelser, der foretages på disse faciliteter, som spænder fra at undersøge nye måder at bekæmpe mygbårne sygdomme til at studere virulens af dødelige patogener og udvikle en bedre forståelse af anti-astmatiske lægemidler.