Kæmpe virus, bittesmå proteinkrystaller viser røntgenlaserens kraft og potentiale

Et forskerhold ledet af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory er lykkedes med at bruge verdens mest kraftfulde røntgenlaser til at fange billeder af bittesmå proteinkrystaller – et gennembrud, der kunne give mere detaljerede oplysninger om strukturen af ​​visse proteiner.

LCLS-teamet, som omfatter forskere fra New York University School of Medicine, University of Wisconsin-Milwaukee og Argonne National Laboratory, formåede også at optage de første røntgenlaserspredningsbilleder af en intakt virus, vacciniavirus, som er ca. størrelsen af ​​de mindste bakterier.

Resultaterne, rapporteret i to artikler i Nature Communications, demonstrerer røntgenlaserens løfte som et kraftfuldt nyt værktøj til at udforske biologiske strukturer.

"Dette var første gang, vi var i stand til at bruge røntgenlasere til at afbilde disse to meget vigtige klasser af biologiske prøver, som rummer værdifuld information, der kan føre til nye måder at behandle sygdomme på," siger SLAC-medarbejder Henrik Lemke, der er den tilsvarende forfatter til undersøgelsen om proteinkrystaller.

For at få arbejdet gjort, var teamet nødt til at foretage et par justeringer af den hårde røntgenstråle ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS), som giver ultraklare, ultrakorte pulser af røntgenstråler.

En udfordring var, at røntgenimpulserne var for lyse og koncentrerede og truede med at beskadige eller ødelægge de sarte prøver – og den omgivende prøveholder.

"Vores stråle er normalt på størrelse med et meget tyndt menneskehår, men vi gjorde strålen hundrede gange større, så vi kunne sprede og diffraktere røntgenstrålerne mere skånsomt ud af prøverne," sagde LCLS-instrumentforsker og studiemedarbejder. forfatter Schuyler Brown.

Forskere havde også brug for at udvikle nye prøveforberedelsesteknikker for at forhindre skader forårsaget af den intense røntgenstråle. Fordi laserens blink kun varer femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund), sker der skade inden for blot ti kvadrilliontedele af et sekund.

Ved hjælp af en teknik kendt som seriel femtosekund krystallografi affyrede forskerne intense røntgenimpulser én ad gangen mod tusindvis af små krystaller for at skabe et væld af diffraktionsmønstre - mønstre af spredte røntgenstråler, der indeholder strukturel information om krystallerne.

"I de fleste tilfælde affyrede vi kun én røntgenimpuls mod hver krystal, fordi den første flash ville ødelægge den," sagde studiemedforfatter Thomas White fra New York University School of Medicine. "Som et resultat genererede hver flash kun ét diffraktionsmønster. Derefter kombinerede vi alle mønstrene for at rekonstruere et tredimensionelt billede af krystallernes strukturer."

Med denne teknik løste holdet strukturen af ​​proteinkrystaller kendt som fotosystem II, som er ansvarlige for at omdanne sollys til kemisk energi under fotosyntesen. Resultaterne repræsenterer den mindste fotosystem II-struktur, der endnu er opnået.

Holdets spredningsbilleder af vacciniavirus frembragte også nogle overraskelser, som viste, at nogle af viraene i prøven var i en uventet, meget symmetrisk konformation. Denne type konformation kan påvirke, hvordan virussen interagerer med værter og kan afsløre en akilleshæl, som kan være målrettet af antivirale lægemidler.

"Dette er endnu et godt eksempel på, hvordan røntgenlaseren gør det muligt for forskere at se ting i biologi, de aldrig har set før," sagde SLAC-direktør Mike Witherell. "Ved at kigge ind i detaljerne i vira eller proteiner, der ikke er synlige med nogen anden teknik, får vi ikke kun en dybere forståelse af den naturlige verden, men åbner døren til nye måder at bekæmpe sygdom og skabe vedvarende energi."

SLAC's LCLS er planlagt til en opgradering i 2018, hvilket vil øge dens kraft dramatisk og åbne op for endnu flere biologiske billeddannelsesmuligheder. Fremtidige instrumenter på SLACs fremtidige røntgenlaser, LCLS-II, vil også understøtte biologisk billeddannelse.

Forskningen blev finansieret af Department of Energy's Office of Science, National Institutes of Health, University of Wisconsin-Milwaukee og New York University School of Medicine.