Sniger op på små krystaller med elektrondiffraktion

Forståelse af proteiners struktur, livets byggesten, er afgørende for at få indsigt i deres biologiske funktion. På grund af deres lille størrelse og ekstreme skrøbelighed, disse strukturer er enormt svære at bestemme. At indhente data med tilstrækkelig opløsning kræver enorme doser af højenergi røntgenstråling, hvilket desværre uigenkaldeligt skader de proteiner, der primært undersøges.

Nu har forskere fra MPSD og DESY i Hamborg udviklet en opfindsom ny metode, som undgår disse faldgruber og bruger tilgængelige, omkostningseffektiv teknologi. Deres arbejde med at beskrive den nye metode er nu blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

I årtier, forskere fra mange områder såsom fysik, biologi, og biokemi har hældt deres kreativitet i at omgå strålingsskade-gåden. Nuværende tilgange omfatter brugen af ​​ekstremt korte og intense røntgenglimt på faciliteter som den nye europæiske røntgenfri elektronlaser (EuXFEL) i Hamborg, som kan tage godt eksponerede billeder af proteiner, før de bogstaveligt talt får dem til at eksplodere.

Selvom denne metode har været spektakulær succesfuld til at opnå højopløsningsproteinstrukturer, generering af røntgenstråler med den nødvendige lysstyrke nødvendiggør brugen af ​​store og dyre partikelacceleratorer. Et yderst effektivt alternativ, som praktiseres intensivt på Center for Structual Systems Biology (CSSB) i Hamborg, for eksempel, er helt at give afkald på røntgenstråler, og brug elektronstråler i stedet, som er skånsommere for de sarte biomolekyler og nemmere at generere.

MPSD/DESY forskerholdet ved Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) har genialt kombineret sådanne metoder med big data computing og nylige forbedringer inden for kamerateknologi og formået at opnå højopløselige proteinstrukturer fra relativt let tilgængelige nanokrystaller. For at opnå dette, de har udviklet en teknik kaldet seriel elektrondiffraktion ved at tilpasse eksperimentelle metoder, der allerede er kendt i røntgenkrystallografisamfundet til sekventielt at erhverve og behandle diffraktionsmønstre fra tusindvis af krystaller.

I stedet for at implementere et milliard-euro-instrument som EuXFEL, de fordelte simpelthen disse krystaller på en tynd kulstoffilm og indsatte dem i et transmissionselektronmikroskop, en allestedsnærværende enhed. Elektronstrålen er lavet til at hoppe fra den ene nanokrystal til den næste for at opnå diffraktionsdata. Bortset fra materialebesparelser på ofte sjældne og dyre prøver, at bruge nanokrystaller betyder, at forskerne ikke længere behøver at dyrke store proteinkrystaller, som det kræves af ældre (røntgen)metoder - en opgave, der ofte viser sig uoverkommelig vanskelig.

For at omgå skaden forårsaget af elektronstrålen, i stedet for kun at tage et enkelt billede, en kort film optages med et højhastighedskamera, mens elektronstrålen hviler på hver krystal. I filmen, man kan bogstaveligt talt se proteinerne i krystallen "smelte væk" - dog der er nok information i denne diffraktion-under-destruktion-film til at rekonstruere data næsten, som om der ikke var nogen skade overhovedet. Denne procedure gentages for tusindvis af nanokrystaller, og inden for et par timer, ved hjælp af specialiseret software udviklet hos DESY, den enorme mængde data omdannes til en proteinstruktur med høj opløsning.

Ud over proteiner og andre biomolekyler, seriel elektrondiffraktion er også anvendelig til mange klasser af nye funktionelle materialer, såsom perovskitter og metalorganiske rammer - alle lovende kandidater til fremtidige anvendelser i solceller og brintlagring. Forskerholdet er begejstret for brugervenligheden af ​​denne innovative teknik, med dets lave udstyrskrav og brede anvendelighed. De forventer, at det vil sprede sig fra MPSD til laboratorier over hele verden.