Onderzoekers van de afdeling Atomisch opgeloste dynamiek van de MPSD van het Center for Free-Electron Laser Science, het Centrum voor Ultrasnelle Beeldvorming (allemaal in Hamburg), de Universiteit van Toronto in Canada en de ETH in Zürich, Zwitserland, hebben een nieuwe methode ontwikkeld om biomoleculen aan het werk te zien.

Deze methode vereenvoudigt niet alleen het experiment, maar versnelt het zo veel dat veel snapshots nu kunnen worden opgenomen in een enkele experimentele sessie. Deze kunnen vervolgens worden samengevoegd tot een time-lapse-reeks die de moleculaire grondslagen van de biologie laat zien.

Al het leven is dynamisch, en dat geldt ook voor de moleculaire bouwstenen. De bewegingen en structurele veranderingen van biomoleculen zijn fundamenteel voor hun functie. Echter, het begrijpen van deze dynamische bewegingen op moleculair niveau is een enorme uitdaging. Een methode om ze te begrijpen is in de tijd opgeloste röntgenkristallografie, waarbij de reactie van een biologisch molecuul wordt geactiveerd en vervolgens momentopnamen worden gemaakt terwijl het reageert. Echter, deze experimenten zijn zeer tijdrovend.

De nieuwe hit-and-return-methode is afgestemd op de studie van biologisch relevante reactietijdschalen, die in de orde van milliseconden tot seconden of zelfs minuten zijn. Deze tijdschalen zijn van bijzonder belang voor biologen en farmaceutische onderzoekers, omdat ze vaak de structurele veranderingen onthullen die relevant zijn voor een bepaalde biologische functie of de omzet van een medicijn. Door de zeer intense microgerichte röntgenstralen die beschikbaar zijn op bundellijn P14 van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) en bundellijn P11 bij DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) te combineren met de hit-and-return-methode, kon het team een ​​belangrijk enzym ondervragen voor de afbraak van door de mens veroorzaakte verontreinigende stoffen in actie, op de milliseconde tijdschaal.

De sleutel tot hun succes was dat de hit-and-return-methode het hele experiment een stuk sneller maakt dan eerdere benaderingen. Terwijl een enkele structurele momentopname voorheen alleen kon worden verkregen na enkele uren gegevensverzameling, de nieuwe hit-and-return-methode biedt ongeveer één tijdstip per uur, ongeacht de vertragingstijd. De methode werkt zo goed dat het nu mogelijk is om veel snapshots achter elkaar te verzamelen, de onderzoekers een time-lapse-reeks laten vastleggen van de structurele veranderingen tijdens de volledige reactie van een biomolecuul binnen een enkel experiment van 24 uur.

Deze nieuwe methode heeft een groot potentieel voor bestaande en toekomstige synchrotronstralingsbronnen met een hoge helderheid. Omdat het veel minder tijdrovend is, het zal veel meer onderzoekers in staat stellen om in de tijd opgeloste kristallografiestudies uit te voeren. Samen met EMBL en de Universiteit van Hamburg, met de steun van het Duitse Departement voor Onderwijs en Onderzoek (BMBF), de hit-and-return-methode wordt al geïmplementeerd als een standaard monsteromgeving voor het nieuwe in de tijd opgeloste macromoleculaire kristallografie-eindstation op de EMBL-bundellijn P14 bij de PETRA III-synchrotron bij DESY.

Het team verwacht dat door toepassing van dergelijke geavanceerde technologieën nog veel meer belangrijke inzichten over biochemische processen zullen ontstaan. Een dieper begrip van deze processen zal, beurtelings, helpen bij het beantwoorden van enkele van de meest prangende vragen over onze gezondheid en het milieu.