Met de publicatie van de eerste experimentele metingen die in de faciliteit zijn uitgevoerd, de Europese X-ray Free-Electron Laser (EuXFEL) heeft sinds de lancering in september 2017 opnieuw een cruciale mijlpaal bereikt. Het is de eerste van een "volgende generatie" XFEL's die veel snellere gegevensverzameling bieden dan voorheen mogelijk was. Aangezien de EuXFEL röntgenpulsen levert met de bijna ongelooflijke snelheid van een miljoen pulsen per seconde, experimentele metingen kunnen sneller worden afgerond, waardoor meer experimenten per jaar kunnen worden uitgevoerd. Het was echter niet evident dat de huidige meettechnieken deze stortvloed aan röntgenpulsen aankunnen. Onderzoekers van het Max Planck Institute for Medical Research in Heidelberg en van de Rutgers University in Newark, VS, werken met een internationaal team van medewerkers en wetenschappers van DESY en de EuXFEL, hebben nu aangetoond dat dit niet alleen kan, maar ook dat structurele informatie van hoge kwaliteit over biologische moleculen wordt verkregen. Dit is een doorbraak voor de faciliteit en voor structurele biologen die XFEL's wereldwijd gebruiken.

X-ray free-electron lasers (XFEL's) stellen onderzoekers in staat om driedimensionale beelden van biologische moleculen te verkrijgen door middel van snapshot-röntgenopnamen die slechts femtoseconden duren. Dergelijke beelden kunnen worden gecombineerd om 'films' van moleculen af ​​te leveren op de ongelooflijk korte tijdschaal van chemische reacties. Dit levert nieuwe inzichten op in de nanowereld die niet alleen belangrijk zijn voor basiswetenschappen, variërend van biologie tot natuurkunde, maar ook om de ontwikkelingen naar nieuwe en betere medicijnen te bevorderen, batterijen en opslagmedia, En veel andere dingen.

Helaas, slechts een handvol XFEL's bestaat wereldwijd, en slechts een fractie van de experimenten die wetenschappers willen doen, kan worden ondergebracht. Dit komt ook omdat de originele, "eerste generatie" XFEL's leveren röntgenpulsen met slechts ongeveer de framesnelheid van een tv-camera, ongeveer 50 keer per seconde. Echter, door een supergeleidende resonator te gebruiken om de elektronen te versnellen die worden gebruikt om de röntgenstralen te produceren, nieuwe generatie XFEL's zoals de Europese XFEL (EuXFEL) leveren maar liefst een miljoen pulsen per seconde. De opwinding in de gemeenschap was dan ook enorm toen de EuXFEL minder dan een jaar geleden werd ingehuldigd.

De nieuwe mogelijkheden voor gegevensverzameling met XFEL's met een hoge herhalingssnelheid zijn, echter, vergezeld van geheel nieuwe uitdagingen voor de wetenschappers die de experimenten uitvoeren. Dezelfde buitengewoon intense femtoseconde XFEL-pulsen waarmee kleine objecten kunnen worden bestudeerd, verhitten noodzakelijkerwijs ook het monster en verdampen uiteindelijk. Dit is op zich geen probleem, sinds de femtoseconde röntgenfoto is voltooid lang voordat het monster uit elkaar knalt. Er moet uiterste voorzichtigheid worden betracht, echter, dat de schade van de ene XFEL-puls het monster dat door de volgende puls moet worden onderzocht, niet verstoort. Het monstermedium moet daarom tussen röntgenpulsen worden bewogen, zodat de XFEL-straal nooit tweemaal in de buurt van dezelfde plaats komt. Bij 50 pulsen per seconde is dit eenvoudig te doen; maar met slechts een miljoenste van een seconde tussen pulsen was het niet duidelijk dat het ooit mogelijk zou zijn.

succesvolle experimenten

In juni 2018, wetenschappers van de afdeling Biomoleculaire Mechanismen van het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg samen met een internationaal onderzoeksteam, onder leiding van Ilme Schlichting, directeur van het Max Planck Instituut, voerde een van de eerste experimenten uit bij de EuXFEL. Het team ging de uitdagingen aan die gepaard gaan met de snelle aankomst van de EuXFEL-pulsen, het succesvol verkrijgen en volledig analyseren van gegevens van hoge kwaliteit voor een verscheidenheid aan eiwitmoleculen.

"In onze krant wij laten zien dat onder de huidige omstandigheden, de schokgolf die door een XFEL-puls wordt opgewekt, heeft geen invloed op het monster dat door de volgende puls wordt onderzocht, zelfs als die tweede puls slechts een miljoenste van een seconde later komt, " zegt Thomas Barends, een onderzoeksgroepleider bij het MPI en een van de corresponderende auteurs. De gegevens zijn van voldoende hoge kwaliteit om ook een eerder niet-gekarakteriseerd monster gedetailleerd te kunnen analyseren. Dit is een mijlpaal voor de faciliteit en van groot praktisch belang, gezien de snel groeiende vraag naar XFEL-straaltijd. "De EuXFEL stelt ons in staat om meer gegevens te verzamelen in veel minder tijd, waardoor we nieuwe wetenschap kunnen bedrijven", zegt Marie Grünbein, eerste auteur van de publicatie en een Ph.D. student aan het Max Planck Instituut in Heidelberg.