Ο γιγαντιαίος ιός, οι μικροσκοπικοί κρυστάλλοι πρωτεΐνης δείχνουν ισχύ και δυναμικό ακτίνων Χ
Η ομάδα LCLS, η οποία περιλαμβάνει επιστήμονες από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, το Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Milwaukee και το Argonne National Laboratory, κατάφερε επίσης να καταγράψει τις πρώτες εικόνες σκέδασης λέιζερ ακτίνων Χ ενός άθικτου ιού, του ιού Vaccinia, το οποίο είναι περίπου το μέγεθος της μικρότερης βακτηρίων.
Τα αποτελέσματα, που αναφέρονται σε δύο έγγραφα στις επικοινωνίες της φύσης, αποδεικνύουν την υπόσχεση του λέιζερ ακτίνων Χ ως ένα ισχυρό νέο εργαλείο για την εξερεύνηση των βιολογικών δομών.
"Αυτή ήταν η πρώτη φορά που μπορέσαμε να χρησιμοποιήσουμε λέιζερ ακτίνων Χ για να φανταστούμε αυτές τις δύο πολύ σημαντικές κατηγορίες βιολογικών δειγμάτων, τα οποία κατέχουν πολύτιμες πληροφορίες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέους τρόπους αντιμετώπισης των ασθενειών", δήλωσε ο επιστήμονας του SLAC Henrik Lemke, ο οποίος είναι ο αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης σε κρυστάλλους πρωτεϊνών.
Για να ολοκληρώσει τη δουλειά, η ομάδα έπρεπε να κάνει μερικές προσαρμογές στη σκληρή ακτίνα ακτίνων Χ στη συνεκτική πηγή φωτός Linac (LCLS) της SLAC, η οποία παρέχει UltraBright, Ultrashort παλμούς ακτίνων Χ.
Μια πρόκληση ήταν ότι οι παλμοί ακτίνων Χ ήταν πολύ φωτεινά και συγκεντρωμένα, απειλώντας να βλάψουν ή να καταστρέψουν τα ευαίσθητα δείγματα-και τον περιβάλλοντα κάτοχο δείγματος.
"Η δέσμη μας είναι κανονικά περίπου το μέγεθος μιας πολύ λεπτής ανθρώπινης τρίχας, αλλά κάναμε τη δέσμη εκατό φορές μεγαλύτερη, ώστε να μπορούμε να διασκορπίσουμε και να διαθάρρυναν τις ακτίνες Χ πιο απαλά από τα δείγματα", δήλωσε ο επιστήμονας του LCLS και ο συν-συγγραφέας Schuyler Brown.
Οι ερευνητές χρειάστηκαν επίσης για την ανάπτυξη νέων τεχνικών προετοιμασίας δείγματος για να αποτρέψουν τις βλάβες που προκαλούνται από την έντονη δέσμη ακτίνων Χ. Επειδή οι αναλαμπές του λέιζερ διαρκούν μόνο τα femtoseconds (τετράπλευρα του δευτερολέπτου), η ζημιά εμφανίζεται σε μόλις δέκα τετραγωνικά του δευτερολέπτου.
Χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως σειριακή κρυσταλλογραφία femtosecond, οι επιστήμονες πυροβόλησαν έντονες παλμούς ακτίνων Χ μία φορά τη φορά σε χιλιάδες μικροσκοπικούς κρυστάλλους για να δημιουργήσουν μια πληθώρα μοντέλων περίθλασης-patterns διάσπαρτων ακτίνων Χ που περιέχουν δομικές πληροφορίες για τους κρυστάλλους.
"Στις περισσότερες περιπτώσεις, πυροβόλησαμε μόνο έναν παλμό ακτίνων Χ σε κάθε κρύσταλλο, επειδή το πρώτο φλας θα το καταστρέψει", δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Thomas White της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης. "Ως αποτέλεσμα, κάθε φλας δημιούργησε μόνο ένα πρότυπο περίθλασης. Στη συνέχεια, συνδυάσαμε όλα τα μοτίβα για να ανακατασκευάσουμε μια τρισδιάστατη εικόνα των δομών των κρυστάλλων".
Με αυτήν την τεχνική, η ομάδα επιλύει τη δομή των πρωτεϊνικών κρυστάλλων γνωστών ως φωτοσυστήματος II, οι οποίοι είναι υπεύθυνες για τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε χημική ενέργεια κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. Τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν τη μικρότερη δομή του φωτοσυστήματος II που λαμβάνεται ακόμη.
Οι εικόνες σκέδασης της ομάδας του ιού Vaccinia παρήγαγαν επίσης μερικές εκπλήξεις, δείχνοντας ότι ορισμένοι από τους ιούς του δείγματος ήταν σε μια απροσδόκητη, εξαιρετικά συμμετρική διαμόρφωση. Αυτός ο τύπος διαμόρφωσης θα μπορούσε να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο ο ιός αλληλεπιδρά με τους ξενιστές και μπορεί να αποκαλύψει μια φτέρνα του Αχιλλέα που θα μπορούσε να στοχεύσει από αντιιικά φάρμακα.
"Αυτό είναι ένα άλλο εξαιρετικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο το λέιζερ ακτίνων Χ δίνει τη δυνατότητα στους ερευνητές να βλέπουν τα πράγματα στη βιολογία που δεν έχουν δει ποτέ πριν", δήλωσε ο διευθυντής της SLAC Mike Witherell. "Με την εξέταση των λεπτομερειών των ιών ή των πρωτεϊνών που δεν είναι ορατές με οποιαδήποτε άλλη τεχνική, δεν κερδίζουμε μόνο μια βαθύτερη κατανόηση του φυσικού κόσμου, αλλά ανοίγοντας την πόρτα σε νέους τρόπους για την καταπολέμηση των ασθενειών και τη δημιουργία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας".
Το LCLS της SLAC έχει προγραμματιστεί για αναβάθμιση το 2018, η οποία θα αυξήσει δραματικά τη δύναμή του, ανοίγοντας ακόμα περισσότερες δυνατότητες βιολογικής απεικόνισης. Τα μελλοντικά όργανα στο μελλοντικό λέιζερ ακτίνων Χ της SLAC, LCLS-II, θα υποστηρίξουν επίσης τη βιολογική απεικόνιση.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Milwaukee και την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης.
