Een nieuw ontwikkelde experimentele opstelling maakt de bepaling van de röntgenstructuur van biomoleculen zoals eiwitten mogelijk met veel kleinere monsters en kortere belichtingstijden dan voorheen. Bij zogenaamde synchrotronbronnen, eiwitkristal kan aanzienlijk efficiënter en sneller worden bestudeerd met behulp van breedspectrumröntgenstralen. Echter, door de grote hoeveelheid strooistraling, hiervoor waren tot nu toe zeer grote kristallen nodig. De nieuw ontwikkelde experimentele opstelling maakt het nu mogelijk om de ongewenste strooistraling aanzienlijk te verminderen, zodat wetenschappers voor het eerst seriële kristallografie konden uitvoeren met behulp van breedspectrum synchrotronstraling. Het internationale team onder leiding van DESY-wetenschapper Alke Meents publiceerde zijn bevindingen van experimenten bij de Advanced Photon Source (APS) in de VS in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Synchrotronbronnen zijn cirkelvormige deeltjesversnellers die heldere röntgenstraling produceren. Deze röntgenbronnen zijn de werkpaarden voor het bepalen van de eiwitstructuur. Om de ruimtelijke structuur van een bepaald eiwit op te helderen, daaruit worden kristallen gekweekt en onderzocht met röntgenstraling op een synchrotron. Het kristal buigt de röntgenstralen op een karakteristieke manier af, en uit het resulterende diffractiepatroon de binnenstructuur van het kristal, en daarmee kan de structuur van het eiwit tot op atomair niveau worden berekend.

In tegenstelling tot conventionele röntgenkristallografie, die meestal wordt uitgevoerd op enkele of een klein aantal grote eiwitkristallen, seriële kristallografie kijkt naar honderd tot honderdduizenden zeer kleine kristallen. De verzamelde informatie wordt vervolgens samengevoegd tot een dataset waaruit de kristalstructuur kan worden afgeleid. Deze methode is al veelvuldig toegepast met behulp van X-ray free-electron lasers (XFEL's). In aanvulling, door gebruik te maken van de zeer korte röntgenpulsen van XFEL's, chemische en enzymreacties kunnen in korte tijdsintervallen worden bestudeerd.

"Seriële kristallografie kan ook eenvoudig worden uitgevoerd met behulp van synchrotronbronnen. de metingen duren bij die bronnen langer, omdat ze monochromatische röntgenstralen van een bepaalde kleur gebruiken, wat resulteert in een lage flux van de röntgenstralen, " legt Henry Chapman uit, vooraanstaande wetenschapper bij DESY en co-auteur van het artikel. Bij synchrotrons, meestal wordt voor dit soort analyse slechts een smalle band van röntgengolflengten gebruikt, zodat slechts een klein deel van de beschikbare röntgenfotonen voor het experiment wordt gebruikt. "Ook, we hebben veel kristallen nodig om een ​​complete set gegevens te verzamelen - vaak enkele tienduizenden. Omdat de belichtingstijden relatief lang zijn bij gebruik van een synchrotron, de enige manier om snelle reacties te bestuderen was met een röntgenlaser, ' zegt Chapman.

Door gebruik te maken van de zogenaamde "roze" polychromatische bundel, seriële kristallografie-experimenten met zeer korte belichtingstijden kunnen nu ook worden uitgevoerd bij synchrotronstralingsbronnen. In vergelijking met de gebruikelijke monochromatische bundel, het brede spectrum vergroot het aantal röntgenfotonen dat beschikbaar is om een ​​meting uit te voeren. Zoals foto's maken op een zeer zonnige dag, foto's kunnen worden gemaakt met kortere belichtingstijden, wat betekent dat snelle reacties kunnen worden onderzocht met behulp van synchrotronstralingsbronnen. De experimenten zelf kunnen ook met minder kristallen worden uitgevoerd, aangezien het brede spectrum meer ingewikkelde "kleurrijke" diffractiepatronen geeft met meer informatie over de moleculaire structuur dan het gebruik van monochromatische röntgenstralen van een enkele "kleur".

Tot nu, echter, het was niet mogelijk om seriële kristallografie uit te voeren met behulp van de roze straal, omdat de metingen ernstig worden belemmerd door hoge achtergrondniveaus die met zulke sterke stralen worden geproduceerd. "Ongewenste achtergrond in de gemeten patronen wordt geproduceerd omdat de röntgenstralen die worden gebruikt om het monster te onderzoeken niet alleen worden verstrooid door de moleculen in het kristal zelf, maar ook door de monsterhouder en de omringende lucht, " legt Max Wiedorn uit, DESY co-auteur van het papier. "Het daadwerkelijke signaal dat tijdens experimenten met de roze straal wordt gemeten, is verspreid over de vele "kleuren", wat betekent dat de verstrooide achtergrondstraling een duidelijk negatievere invloed heeft op de metingen dan bij monochromatische straling het geval is."

De wetenschappers hebben daarom een ​​nieuwe opzet bedacht, die de ongewenste strooistraling grotendeels onderdrukt. Ze gebruiken een monsterhouder van silicium, die geen röntgenstralen verstrooit; ook, ze zorgen ervoor dat er zeer weinig lucht in de baan van de röntgenstraal komt. Om dit te behalen, de röntgenstraal is ingesloten in een dunne metalen buis vlak voor en achter het monster, die voorkomt dat de verstrooide straling de röntgencamera bereikt. Ook, de lucht direct rondom het monster wordt vervangen door een stroom heliumgas, die minder verstrooiing veroorzaakt dan lucht. Door verstrooide straling te onderdrukken, de wetenschappers zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de driedimensionale structuur van twee eiwitten met zeer hoge precisie te bepalen door middel van roze bundel seriële kristallografie op een synchrotron. De bijbehorende metingen zijn gedaan aan de BioCARS-bundellijn van de Advanced Photon Source (APS) in het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten.

“Een groot voordeel van deze methode is dat je er heel nauwkeurig onderzoek naar eiwitstructuren mee kunt doen, maar vereist slechts een fractie van het monstermateriaal, " legt Meents uit van het Centre for Free Electron Laser Science (CFEL) een samenwerkingsverband van DESY, de Universiteit van Hamburg en de Duitse Max Planck Society.. "Omgekeerd, door de kleine steekproefomvang en de snelheid van de methode kunnen in korte tijd veel metingen worden verricht, bijvoorbeeld in farmaceutisch onderzoek, waarbij men wil weten welke potentiële werkzame stoffen binden aan een specifiek eiwit dat bij een ziekte betrokken is." de nieuwe methode kost veel minder tijd om het hele experiment uit te voeren, die high-throughput metingen van kristalstructuren mogelijk zal maken.

Verder, omdat metingen bij kamertemperatuur kunnen worden uitgevoerd, structurele veranderingen zoals die optreden wanneer een werkzame stof zich bindt aan een gericht eiwit, kunnen in de toekomst in de loop van de tijd worden bestudeerd. De nieuwe methode bereikt een zeer hoge temporele resolutie van 100 picoseconden, iets wat niet mogelijk was bij synchrotrons met de monochromatische röntgenstralen die in het verleden werden gebruikt. Een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Een lichtstraal reist ongeveer drie centimeter in 100 picoseconden.