Filmer ultrahurtige molekylære bevægelser i enkeltkrystal

At forstå stoffets adfærd er afgørende for at fremme videnskabelige områder som biologi, kemi og materialevidenskab. Røntgenkrystallografi har været medvirkende til denne forfølgelse, hvilket gør det muligt for forskere at bestemme molekylære strukturer med præcision.

I traditionelle røntgenkrystallografiske eksperimenter udsættes en enkelt krystal for røntgenstråler flere gange for at opnå diffraktionssignaler. Dette udgør et problem, hvor prøven får sin struktur ændret eller beskadiget af røntgeneksponering.

I de senere år har fremskridt inden for teknologi muliggjort udviklingen af ​​"tidsopløst seriel femtosekund krystallografi" (TR-SFX). I seriel krystallografi udsættes en krystal kun for røntgenstråler én gang, hvilket giver mulighed for måling af prøven i den bedst mulige tilstand, hvor krystallen ikke er beskadiget af røntgenstråler. Dette kombineres derefter med den populære tidsopløste teknik, som gør det muligt at følge de strukturelle ændringer af molekyler i krystaller i realtid under en reaktion.

TR-SFX har dog hidtil kun været begrænset til undersøgelsen af ​​proteinprøver. Hvis brugen af ​​TR-SFX kan udvides til ikke-proteinprøver, vil det frigøre muligheder for at undersøge bevægelse i realtid på tværs af en bredere vifte af materialer, der omfatter dem, der er afgørende for halvledere og batterier.

For første gang har forskere ledet af direktør IHEE Hyotcherl fra Center for Advanced Reaction Dynamics inden for Institute for Basic Science (IBS) anvendt TR-SFX til et andet system end proteiner. Værket er blevet offentliggjort i Nature Chemistry .

Materialet, de valgte, var en prøve kaldet porøst koordinationsnetværk–224(Fe), PCN–224(Fe), for at demonstrere gennemførligheden af ​​seriel krystallografi på molekylært niveau, hvilket giver dem mulighed for at observere molekylær bevægelse i realtid med atomopløsning.

Prøven består af carbonmonoxid (CO) adsorberet på jernporphyrin (Fe porphyrin) derivater og zirconium (Zr) klynger gentaget i en metal-organisk ramme.

Grunden til, at TR-SFX tidligere var begrænset til kun at studere proteinprøver, var, at der kræves meget højere standarder for at evaluere strukturerne af ikke-proteinprøver. Derfor måtte IBS-teamet i høj grad forbedre specifikationen af ​​krystallografien for at opfylde disse høje kriterier.

Holdets opsætning afslørede krystalstrukturen på i alt 33 tidspunkter fra 100 femtosekunder til 3 nanosekunder (10 ^-9 sekunder). Dette er et fremskridt i forhold til tidligere TR-SFX undersøgelser af proteinerne, som typisk rapporterer krystalstrukturer på kun omkring 10 tidspunkter. Denne betydelige stigning i tidsmæssig opløsning, næsten tre gange større end tidligere undersøgelser af proteiner, muliggjorde en mere nøjagtig repræsentation af strukturelle ændringer over en lang periode.

Når PCN-224(Fe) bestråles med lys, dissocieres den CO, der er adsorberet på Fe-porphyrinet, hvilket initierer en kaskade af strukturelle ændringer. Ved at bruge den forbedrede TR-SFX var forskerne i stand til at observere disse strukturelle ændringer med hidtil usete detaljer – med en femtosekunds tidsopløsning på 10 ^-15 sekunder og en atomopløsning på 10 ^-10 meter (eller ångstrøm).

De var i stand til at identificere tre forskellige veje for strukturelle ændringer:doming, bevægelsen af ​​jernatomer i jernporphyriner ud af porphyrinplanet; fonon-tilstand af zirconium og jern atomer; og tilfældig vibrationsbevægelse med stigende temperatur.

Med denne undersøgelse har forskerne vist, at det er muligt at anvende TR-SFX målinger på kemiske systemer, et vigtigt skridt fremad i at demonstrere teknikkens praktiske anvendelighed.

Undersøgelsen markerer en vigtig milepæl for det videnskabelige samfund, da det er første gang, molekylær adfærd er blevet observeret i realtid ved hjælp af seriel krystallografi. Ved at bruge TR-SFX, en teknik, der giver høj spatiotemporal opløsning, var holdet i stand til at fange små strukturelle ændringer i faststofmolekyler i realtid.

Direktør Ihee fra Center for Advanced Molecular Reaction Dynamics sagde:"Da de tekniske fremskridt og analytiske metoder, der foreslås i denne undersøgelse, kan bruges i vid udstrækning til at observere mange andre krystallinske fasereaktioner af forskellige molekylære systemer, åbner denne forskning ikke kun nye horisonter på området af molekylær strukturforskning, men har også uendelige anvendelser i fremtidige videnskabelige opdagelser."

Flere oplysninger: Dynamiske 3D-strukturer af en metal-organisk ramme fanget med femtosekund seriel krystallografi, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01460-w

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af Institute for Basic Science