Een internationaal onderzoeksteam heeft in realtime waargenomen hoe voetbalmoleculen gemaakt van koolstofatomen in de straal van een röntgenlaser barsten. De studie toont het temporele verloop van het barstproces, wat minder dan een biljoenste van een seconde duurt, en is belangrijk voor de analyse van gevoelige eiwitten en andere biomoleculen, die ook vaak worden bestudeerd met behulp van heldere röntgenlaserflitsen. De voetbalmoleculen desintegreren langzamer en anders dan verwacht, zoals het team rond Nora Berrah van de Universiteit van Connecticut en Robin Santra van DESY rapporteren in het tijdschrift Natuurfysica . Deze waarneming draagt ​​bij aan een meer gedetailleerde eiwitanalyse met X-ray free-electron lasers (XFEL).

De onderzoekers hadden geëxperimenteerd met buckminster fullerenen, of kortweg buckyballs. Deze bolvormige moleculen bestaan ​​uit 60 koolstofatomen, gerangschikt in afwisselende vijfhoeken en zeshoeken, zoals de leren jas van een voetbal. "Buckyballs zijn zeer geschikt als een eenvoudig modelsysteem voor biomoleculen, " legt Santra uit, die een hoofdwetenschapper is bij DESY bij het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en een professor natuurkunde aan de Universität Hamburg. "Omdat ze uit slechts één type atoom bestaan ​​en een symmetrische structuur hebben, ze zijn goed vertegenwoordigd in theorie en experiment. Dit is een eerste stap voor het onderzoek naar moleculen van verschillende soorten atomen."

Met behulp van de röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) in het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië, de wetenschappers schoten korte röntgenflitsen van ongeveer 20 femtoseconden (quadrillionste van een seconde) op individuele voetbalmoleculen en observeerden hun effect in realtime met een temporele resolutie in het bereik van ongeveer tien femtoseconden. De gegevens laten zien dat de röntgenflits elektronen uit ongeveer een op de vijf van de 60 koolstofatomen slaat. "Daarna, er gebeurt een tijdje niets. Pas na enkele tientallen femtoseconden laten koolstofatomen zich geleidelijk los van het molecuul, " meldt Santra.

"Wat dan volgt is geen echte explosie, " legt de wetenschapper uit. "In plaats daarvan, de buckyballs desintegreren relatief langzaam. Koolstofatomen verdampen geleidelijk - met veel meer neutrale dan elektrisch geladen, wat verrassend was." Aangezien de fragmentatie van de buckyballs op deze tijdschaal niet explosief is, maar geleidelijk gebeurt, de onderzoekers spreken van de verdamping van de atomen. De experimentele gegevens konden alleen zinvol worden geïnterpreteerd met behulp van theoretische modellering van het proces.

"Typisch, ongeveer 25 neutrale en slechts 15 elektrisch geladen koolstofatomen vliegen uit het molecuul, " legt Santra uit. "De rest bestaat uit fragmenten van verschillende atomen." Het hele proces duurt ongeveer 600 femtoseconden. Dit is nog steeds onvoorstelbaar kort naar menselijke maatstaven, maar extreem lang voor structurele analyse met röntgenlasers. "In de typisch 20 femtoseconden van een röntgenlaserflits, de atomen bewegen maximaal 0,1 nanometer - dat is in het bereik van individuele atoomdiameters en kleiner dan de meetnauwkeurigheid van structurele analyse." Een nanometer is een miljoenste van een millimeter.

Voor de structurele analyse van eiwitten, onderzoekers kweken meestal kleine kristallen uit de biomoleculen. De heldere röntgenlaserflits wordt vervolgens op het kristalrooster afgebogen en genereert een typisch diffractiepatroon waaruit de kristalstructuur en daarmee de ruimtelijke structuur van de afzonderlijke eiwitten kan worden berekend. De ruimtelijke structuur van een eiwit onthult details over zijn exacte functie. De eiwitkristallen zijn erg gevoelig en verdampen door de röntgenlaserflits. Echter, eerdere onderzoeken hadden aangetoond dat het kristal lang genoeg intact blijft om het diffractiebeeld vóór verdamping te genereren en zo de ruimtelijke structuur ervan te onthullen.

De nieuwe studie bevestigt nu dat dit ook het geval is bij individuele moleculen die niet gebonden zijn in een kristalrooster. "Onze bevindingen met buckyballs spelen waarschijnlijk een rol in de meeste andere moleculen, " zegt Santra. Omdat veel biomoleculen notoir moeilijk te kristalliseren zijn, onderzoekers hopen in de toekomst de structuur van ensembles van niet-gekristalliseerde eiwitten of zelfs individuele biomoleculen te kunnen bepalen met röntgenlasers. De verkregen resultaten leggen nu de basis voor een dieper begrip en kwantitatieve modellering van de stralingsschade in biomoleculen veroorzaakt door röntgenlaserflitsen, schrijven de wetenschappers.