Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy is erin geslaagd 's werelds krachtigste röntgenlaser te gebruiken om beelden vast te leggen van kleine eiwitkristallen - een doorbraak die meer gedetailleerde informatie zou kunnen opleveren over de structuur van bepaalde eiwitten.

Het LCLS-team, dat bestaat uit wetenschappers van de New York University School of Medicine, de University of Wisconsin-Milwaukee en het Argonne National Laboratory, is er ook in geslaagd om de eerste röntgenlaserverstrooiingsbeelden vast te leggen van een intact virus, het vacciniavirus, dat ongeveer de grootte van de kleinste bacteriën.

De resultaten, gerapporteerd in twee artikelen in Nature Communications, demonstreren de belofte van de röntgenlaser als een krachtig nieuw hulpmiddel voor het onderzoeken van biologische structuren.

"Dit was de eerste keer dat we röntgenlasers konden gebruiken om deze twee zeer belangrijke klassen van biologische monsters in beeld te brengen, die waardevolle informatie bevatten die zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om ziekten te behandelen", zegt Henrik Lemke, stafwetenschapper van SLAC. de corresponderende auteur van het onderzoek naar eiwitkristallen.

Om de klus te klaren moest het team een ​​paar aanpassingen maken aan de harde röntgenbundel van de Linac Coherent Light Source (LCLS) van SLAC, die ultraheldere, ultrakorte röntgenpulsen levert.

Eén uitdaging was dat de röntgenpulsen te helder en te geconcentreerd waren, waardoor de delicate monsters en de omliggende monsterhouder dreigden te worden beschadigd of vernietigd.

"Onze straal is normaal gesproken ongeveer zo groot als een heel dun mensenhaar, maar we hebben de straal honderd keer groter gemaakt, zodat we de röntgenstralen zachter van de monsters konden verstrooien en buigen", zegt LCLS-instrumentwetenschapper en mede-onderzoeker. auteur Schuyler Brown.

Onderzoekers moesten ook nieuwe monstervoorbereidingstechnieken ontwikkelen om schade veroorzaakt door de intense röntgenbundel te voorkomen. Omdat de flitsen van de laser slechts femtoseconden duren (viermiljardsten van een seconde), treedt er schade op binnen slechts tienkwartsten van een seconde.

Met behulp van een techniek die bekend staat als seriële femtoseconde-kristallografie, vuurden de wetenschappers één voor één intense röntgenpulsen af ​​op duizenden kleine kristallen, waardoor een schat aan diffractiepatronen ontstond:patronen van verstrooide röntgenstralen die structurele informatie over de kristallen bevatten.

"In de meeste gevallen vuurden we slechts één röntgenpuls af op elk kristal, omdat de eerste flits het zou vernietigen", zegt co-auteur Thomas White van de New York University School of Medicine. "Als resultaat genereerde elke flits slechts één diffractiepatroon. Vervolgens combineerden we alle patronen om een ​​driedimensionaal beeld van de kristallenstructuren te reconstrueren."

Met deze techniek heeft het team de structuur van eiwitkristallen opgelost die bekend staan ​​als fotosysteem II en die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van zonlicht in chemische energie tijdens fotosynthese. De resultaten vertegenwoordigen de kleinste fotosysteem II-structuur die ooit is verkregen.

De verspreide beelden van het vacciniavirus door het team leverden ook enkele verrassingen op, waaruit bleek dat sommige virussen in het monster zich in een onverwachte, zeer symmetrische conformatie bevonden. Dit type conformatie zou van invloed kunnen zijn op de manier waarop het virus met gastheren interageert en zou een achilleshiel kunnen onthullen die het doelwit zou kunnen zijn van antivirale medicijnen.

"Dit is opnieuw een geweldig voorbeeld van hoe de röntgenlaser onderzoekers in staat stelt dingen in de biologie te zien die ze nog nooit eerder hebben gezien", zegt SLAC-directeur Mike Witherell. “Door te kijken naar de details van virussen of eiwitten die met geen enkele andere techniek zichtbaar zijn, krijgen we niet alleen een dieper inzicht in de natuurlijke wereld, maar openen we ook de deur naar nieuwe manieren om ziekten te bestrijden en hernieuwbare energie te creëren.”

De LCLS van SLAC zal in 2018 worden geüpgraded, waardoor de kracht ervan dramatisch zal toenemen en nog meer mogelijkheden voor biologische beeldvorming zullen ontstaan. Toekomstige instrumenten bij SLAC's toekomstige röntgenlaser, LCLS-II, zullen ook biologische beeldvorming ondersteunen.

Het onderzoek werd gefinancierd door het Office of Science van het Department of Energy, de National Institutes of Health, de University of Wisconsin-Milwaukee en de New York University School of Medicine.