De structuur van eiwitten begrijpen, de bouwstenen van het leven, is essentieel om inzicht te krijgen in hun biologische functie. Vanwege hun minieme grootte en extreme kwetsbaarheid, deze structuren zijn enorm moeilijk te bepalen. Het verkrijgen van gegevens met voldoende resolutie vereist enorme doses röntgenstraling met hoge energie, die helaas onherroepelijk de eiwitten die voornamelijk worden onderzocht, beschadigt.

Nu hebben onderzoekers van de MPSD en DESY in Hamburg een inventieve nieuwe methode ontwikkeld die deze valkuilen vermijdt en toegankelijke, kosteneffectieve technologie. Hun werk dat de nieuwe methode beschrijft, is nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Al decenia, onderzoekers uit vele vakgebieden, zoals natuurkunde, biologie, en biochemie hebben hun creativiteit gestoken in het omzeilen van het raadsel van stralingsschade. De huidige benaderingen omvatten het gebruik van extreem korte en intense röntgenflitsen in faciliteiten zoals de nieuwe Europese X-ray Free Electron Laser (EuXFEL) in Hamburg, die goed belichte afbeeldingen van eiwitten kan maken voordat ze letterlijk exploderen.

Hoewel deze methode spectaculair succesvol is geweest in het verkrijgen van eiwitstructuren met een hoge resolutie, het genereren van röntgenstralen met de vereiste helderheid vereist het gebruik van grote en dure deeltjesversnellers. Een zeer effectief alternatief, die intensief wordt beoefend in het Centre for Structual Systems Biology (CSSB) in Hamburg, bijvoorbeeld, is om helemaal af te zien van röntgenstralen, en in plaats daarvan elektronenstralen gebruiken, die zachter zijn voor de delicate biomoleculen en gemakkelijker te genereren zijn.

Het MPSD/DESY-onderzoeksteam van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) heeft dergelijke methoden op ingenieuze wijze gecombineerd met big data computing en recente verbeteringen in cameratechnologie en is erin geslaagd eiwitstructuren met een hoge resolutie te verkrijgen van relatief gemakkelijk verkrijgbare nanokristallen. Om dit te behalen, ze hebben een techniek ontwikkeld die seriële elektronendiffractie wordt genoemd door experimentele methoden aan te passen die al bekend zijn in de röntgenkristallografiegemeenschap voor het achtereenvolgens verkrijgen en verwerken van diffractiepatronen van duizenden kristallen.

In plaats van een instrument van een miljard euro zoals EuXFEL in te zetten, ze verdeelden deze kristallen eenvoudig op een dunne koolstoffilm en plaatsten ze in een transmissie-elektronenmicroscoop, een alomtegenwoordig apparaat. De elektronenbundel wordt gemaakt om van het ene nanokristal naar het andere te springen om diffractiegegevens te verkrijgen. Afgezien van materiaalbesparingen op vaak zeldzame en kostbare monsters, het gebruik van nanokristallen betekent dat onderzoekers niet langer grote eiwitkristallen hoeven te kweken zoals vereist door oudere (röntgen)methoden - een onderneming die vaak onbetaalbaar blijkt te zijn.

Om de schade veroorzaakt door de elektronenstraal te omzeilen, in plaats van slechts één enkele foto te maken, een korte film wordt opgenomen met een hogesnelheidscamera terwijl de elektronenstraal op elk kristal rust. In de film, men kan letterlijk zien hoe de eiwitten in het kristal "wegsmelten" - maar er is genoeg informatie in deze diffractie-tijdens-destructiefilm om gegevens te reconstrueren alsof er helemaal geen schade was. Deze procedure wordt herhaald voor duizenden nanokristallen, en binnen een paar uur met behulp van gespecialiseerde software ontwikkeld door DESY, de enorme hoeveelheid gegevens wordt omgezet in een eiwitstructuur met een hoge resolutie.

Naast eiwitten en andere biomoleculen, seriële elektronendiffractie is ook van toepassing op vele klassen van nieuwe functionele materialen, zoals perovskieten en metaal-organische raamwerken - allemaal veelbelovende kandidaten voor toekomstige toepassingen in zonnecellen en waterstofopslag. Het onderzoeksteam is enthousiast over het gebruiksgemak van deze innovatieve techniek, met zijn lage apparatuurvereisten en brede toepasbaarheid. Ze verwachten dat het zich vanuit de MPSD naar laboratoria over de hele wereld zal verspreiden.