Om de snelheid van biologie - de eiwitchemie achter elke levensfunctie - te bestuderen, moeten wetenschappers moleculen zien veranderen en interageren in onvoorstelbaar snelle tijdsintervallen - biljoensten van een seconde of korter.

Beeldapparatuur met dat soort snelheid werd vorig jaar eindelijk getest bij de Europese X-ray Free-Electron Laser, of EuXFEL. Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen van de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee heeft de eerste moleculaire film van de faciliteit voltooid, of "in kaart brengen, " van de ultrasnelle beweging van eiwitten.

Met dit vermogen, wetenschappers kunnen zien hoe eiwitten hun werk goed doen - of hoe hun vormverandering misgaat, ziekte veroorzaken.

"Het maken van kaarten van het fysieke functioneren van een eiwit opent de deur naar het beantwoorden van veel grotere biologische vragen, zei Marius Schmidt, een UWM-professor in de natuurkunde die het experiment heeft ontworpen. "Je zou kunnen zeggen dat de EuXFEL nu gezien kan worden als een hulpmiddel dat helpt om levens te redden."

Hun bevindingen markeren een nieuw tijdperk van eiwitonderzoek dat het mogelijk maakt om enzymen die betrokken zijn bij ziekte in realtime te observeren voor een betekenisvolle tijdsduur in ongekende helderheid. De paper is vandaag online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmethoden .

De EuXFEL produceert intense röntgenstralen in extreem korte pulsen met een megahertz-snelheid - een miljoen pulsen per seconde. De stralen zijn gericht op kristallen die eiwitten bevatten, in een methode die röntgenkristallografie wordt genoemd. Wanneer een kristal wordt geraakt door de röntgenpuls, het buigt de straal, verstrooiing in een bepaald patroon dat onthult waar de atomen zijn en een "momentopname" produceren.

De snelle röntgenpulsen produceren 2D-snapshots van elk patroon vanuit honderdduizenden hoeken waar de straal op het kristal terechtkomt. Die worden wiskundig gereconstrueerd tot bewegende 3D-beelden die veranderingen in de rangschikking van atomen in de loop van de tijd laten zien.

De Europese XFEL, die vorig jaar opende, heeft deze atoomtoewijzing naar een nieuw niveau getild. Extreem krachtige bursts bevatten röntgenpulsen van een biljardste van een seconde, in "bursts" die optreden met intervallen van 100 milliseconden.

Schmidts experiment begon met een blauwe flits, zichtbaar licht dat een chemische reactie veroorzaakte in het eiwitkristal, onmiddellijk gevolgd door een uitbarsting van intense röntgenstralen in megahertz-pulsen die de "momentopnamen" produceren.

Het is een experiment dat hij in 2014 voor het eerst uitvoerde in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in Californië. Daar, hij en zijn studenten waren in staat om atomaire veranderingen in hun eiwitmonsters voor het eerst op een XFEL te documenteren.

Vervolgens, in 2016, ze waren in staat om de herschikking van atomen in kaart te brengen in het bereik van de tijd die eiwitten nodig hebben om hun vorm te veranderen - quadriljoensten van een seconde (femtoseconden) tot 3 biljoenste van een seconde (picoseconden). In een picoseconde, wat een biljoenste van een seconde is, licht reist de lengte van de punt aan het einde van deze zin.

Eerdere in de tijd opgeloste kristallografie op hun fotoreactieve eiwit was al voltooid met behulp van andere röntgenbronnen die tijdschalen van meer dan 100 picoseconden konden weergeven, waardoor een kloof van onbekende tijd tussen 3 en 100 picoseconden ontstond die de wetenschappers konden opvullen met behulp van de EuXFEL.

Dankzij de uitzonderlijke helderheid van de laser en de megahertz-röntgenpulsfrequentie konden ze veel sneller en met een grotere resolutie en over langere tijdspannes gegevens verzamelen.

Schmidt beschrijft EuXFEL als "een machine van superlatieven." De grootste XFEL ter wereld, het is 3 kilometer lang, over de afstand tussen de Duitse deelstaten Hamburg en Sleeswijk-Holstein. Supergeleidende technologie wordt gebruikt om hoogenergetische elektronen te versnellen, die de röntgenstralen genereert.

Schmidt, een biofysicus die tot nu toe heeft deelgenomen aan meer dan 30 XFEL-beeldvormingsprojecten, bood een voorproefje van het medische potentieel van verbeterde kristallografie met de XFEL:met behulp van deze methode, hij heeft gezien hoe meerdere eiwitten samenwerken, hoe enzymen die verantwoordelijk zijn voor antibioticaresistentie een medicijn uitschakelen en hoe eiwitten van vorm veranderen om licht te absorberen en zicht mogelijk te maken.

Promovendus Suraj Pandey, die vanuit zijn geboorteland Nepal naar UWM kwam, is de eerste auteur op het papier. Hij heeft nu ervaring met technologie die maar weinig mensen ter wereld kunnen claimen, tenminste voor nu. Hij zei dat hij niet zeker wist wat hij van het experiment moest verwachten.

Pandey's rol was om de gegevens te analyseren en de kaarten van structurele verandering te berekenen. Van de miljoenen röntgenpulsen die XFEL's afgeven, de meerderheid raakt helemaal geen doel. In feite, slechts 1% tot 2% diffracteert van een eiwitkristal, terwijl de resterende pulsen "ruis" produceren die uit de gegevens moet worden verwijderd.

Het team had ook andere zorgen, hij zei. Het kostte Pandey maanden om het eiwit te kweken dat nodig is om de kristallen van het experiment te produceren. maar tijdens hun transport naar Duitsland, de 5 gram bevroren eiwit werd enkele dagen vastgehouden bij de douane, waarbij een deel ervan smolt.

Na de eerste beeldvormingsdag, hij verwerkte de gegevens en kon voor het eerst een sterk signaal in de resulterende kaart identificeren. "Dit was een doorbraak, " zei hij. "Maar het signaal kwam niet overeen met de voorspelde verandering van eerdere experimenten. Ik dacht dat het experiment was mislukt."

In plaats daarvan, hij en EuXFEL-operators leerden hun eerste les:optische pulsen die de reactie initiëren, moeten exact worden gesynchroniseerd met de megahertz-röntgenpulsen. Anders, de eiwitreactie ontvouwt zich in onbekende tijdsindelingen. En ze moesten er zeker van zijn dat het monster maar één keer opgewonden was, wat best lastig bleek te zijn met megahertz-pulsfrequenties.

Het uiteindelijke succes van het experiment gaf Pandey enorme voldoening.

"Het is een unieke technologie, " zei hij over de EuXFEL. "We waren een pionier in het gebruik van Europese XFEL bij het zien van films over hoe eiwitten functioneren. Ik vlieg gewoon."