Een van de grote voordelen van röntgenvrije-elektronenlasers, zoals die van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, is dat ze onderzoekers in staat stellen de structuur van biologische moleculen in natuurlijke omgevingen te bepalen. Dit is belangrijk als je wilt onderzoeken hoe een potentieel nieuw medicijn interageert met een virus in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in het menselijk lichaam. Door deze monsters te raken met ultrakorte röntgenlaserpulsen, wetenschappers kunnen gegevens verzamelen in het moment voordat de schade door de röntgenstralen de tijd heeft om zich door het monster te verspreiden.

Maar is er echt geen schade aan monsters die met deze methode worden onderzocht, wat bekend staat als "diffractie voor vernietiging"? Het antwoord op steeds fijnere meetschalen kennen is belangrijk om de resultaten van deze experimenten te analyseren en te begrijpen hoe biologische moleculen hun werk doen. Een dergelijk begrip is van cruciaal belang bij het ontwerpen van medicijnen om specifieke ziekten effectief aan te pakken.

Dankzij een tweekleuren röntgenlasertechniek ontwikkeld door SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), een experiment bij LCLS test deze techniek tot nooit eerder vertoonde grenzen.

Een team onder leiding van Ilme Schlichting van het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek en Sébastien Boutet van SLAC sloeg twee soorten gekristalliseerde biologische moleculen met paren röntgenlaserpulsen die enigszins verschillende golflengten hadden en tot 100 femtoseconden waren, miljoenste van een miljardste van een seconde, deel. De eerste puls ging door het monster en werd geabsorbeerd door een foliefilter. De tweede verspreidde zich van het monster, ging door het filter en ging een detector binnen, patronen vormen die kunnen worden geanalyseerd om de structuur van de moleculen van het monster na te bootsen en eventuele veranderingen veroorzaakt door de eerste puls te meten.

Met deze methode, het team ontdekte dat de delen van een molecuul die atomen bevatten die zwaarder zijn dan zuurstof, de dupe van de röntgenschade absorbeerden. Ketens van koolstofatomen, die de ruggengraat vormen van alle eiwitten, zag ook veranderingen in de tijd, maar in veel kleinere mate. Deze veranderingen waren niet consistent in het hele molecuul, in bepaalde gebieden meer voorkomt dan in andere, en ze namen toe naarmate de tijd tussen pulsen toenam. Deze resultaten laten zien dat om betrouwbare metingen te kunnen doen, onderzoekers moeten deze specifieke delen van een monster modelleren in plaats van aan te nemen dat alle delen van het molecuul even beschadigd zijn.

Deze studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , is het begin van een beter begrip van hoe zeer korte röntgenpulsen geproduceerd door röntgenlasers zoals LCLS de structuur van biologische moleculen wijzigen. Het team concludeerde dat "diffractie vóór vernietiging" een effectieve methode is om de structuur van biologische moleculen te bepalen, zolang wetenschappers rekening houden met de intensiteit en duur van de pulsen die worden gebruikt om ze te bestuderen bij het interpreteren van hun resultaten. Dergelijke kennis kan worden toegepast in het brede scala aan onderzoeken dat in deze faciliteiten wordt uitgevoerd, die variëren van het onderzoeken van nieuwe manieren om door muggen overgedragen ziekten te bestrijden tot het bestuderen van de virulentie van dodelijke ziekteverwekkers en het ontwikkelen van een beter begrip van anti-astmatische medicijnen.