Kunstenaar representatie van X-stralen passeren van een kristal. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory.
Er is nu een betere manier om het imago van de interne structuur van biologische moleculen op de atomaire schaal, met de krachtige x-ray lasers. Dit kan uiteindelijk leiden tot belangrijke innovaties in technologieën voor schone energie en de ontwikkeling van geneesmiddelen, onder andere toepassingen.
Kristallen worden gedefinieerd door hun regelmatige, netwerk-als arrays van atomen, en wetenschappers meestal rekenen op een techniek genaamd x-ray kristallografie aan het beeld dat de interne structuur. Maar de meer verstoorde de kristal, de armere de resolutie van de afbeelding. Natuurkundigen in DESY in Duitsland en de Linac Coherent Light Source (LCLS) faciliteit op het SLAC National Accelerator Laboratory hebben gecombineerd kristallografie met single-molecule beeldvorming te nemen zeer hoge resolutie beelden, zelfs met verstoorde kristallen. Hun resultaten vandaag gepubliceerd werden in de Natuur.
Het gebied van de x-ray kristallografie dateert uit het begin van de 20e eeuw. Sindsdien zijn wetenschappers hebben gebruik gemaakt van deze methode om erachter te komen de atomaire structuur van een groot aantal materialen in de natuurkunde, scheikunde en biologie. Stralen x-stralen op een kristal en zal ze stuiteren op de atomen waaruit het kristal. Deze verstrooiing kan worden opgepikt door een detector, en de daaruit voortvloeiende diffractie patroon zal een hoop lichtpuntjes. Deze staan bekend als “Bragg pieken.” Door het meten van die pieken, kunnen wetenschappers afleiden uit de crystal is de interne structuur.
“Kristallografie zou worden als staande in de voorkant van dat bos en schoppen miljarden voetballen.”
Sebastian Boutet, een technische wetenschapper op LCLS en co-auteur op het papier, trekt een analogie met een opnieuw aangeplant bos met bomen omzoomde in identieke perfecte rijen. “Kristallografie zou worden als staande in de voorkant van dat bos en schoppen miljarden van voetballen,” vertelde hij Gizmodo via e-mail. Sommige voetballen tegen de eerste boom in een rij, terwijl anderen zal dieper doordringen in het bos en raken andere bomen. “Nadat ze raakte een boom, er is alleen een bepaalde set van routebeschrijvingen ze kunnen stuiteren en nog steeds een manier van het vinden van de forect, zonder het raken van een andere boom,” zei Boutet.
Die hoeken van richting zijn verwant aan Bragg pieken. Wetenschappers kunnen tellen hoeveel “voetballen” is ontstaan vanuit elke richting te bepalen van de grootte en de vorm van de boom. Toegegeven, het is een perfecte analogie; waarschijnlijk is er een eenvoudiger manier voor het meten van de bomen in een bos. Maar voor kleine objecten zoals de atomen in een biomolecule als een eiwit, moeten wetenschappers resort op verschillende methoden, en kristallografie zijn nut heeft bewezen keer op keer in de afgelopen eeuw.
Gesponsord
Als je had een perfect geordende kristallen, je krijgt niets, maar Bragg ‘ s toppen. Maar het is heel moeilijk om al die metaforische bomen opgesteld, zodat precies te zijn. “Als de kristallen zijn ontredderd, de Bragg pieken kan niet meer bestaan, omdat het aanbod van bomen is niet perfect,” zei Boutet.
Artistieke weergave van een onvolmaakte kristal, met herhalende eenheden voorgesteld als een reeks van oneindige eenden. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory.Ook al krijg je niet Bragg pieken met verstoorde kristallen, al die x-ray energie je hebt gezapt ze met nog stuitert terug, behalve deze keer het vormt een patroon heet continu diffractie.
Om opnieuw het bos in analogie “in Plaats van schoppen de bal op een hele bos te achterhalen van de gemiddelde vorm van een boom, het zou een stuk makkelijker om de bal te schoppen op een enkele boom, en erachter te komen in de vorm waar de ballen stuiteren,” zei Boutet, net als wat er gebeurt met één moleculaire beeldvorming. “In dit geval, want de ballen stuiteren uit de boom niet zou worden beperkt tot een paar hoeken, zouden ze niet verzamelen op enkele punten (Bragg pieken), maar zou in plaats daarvan worden meer gelijkmatig verdeeld (continue diffractie).”
Het blijkt dat dit laatste patroon bevat veel meer informatie over een molecuul structuur, want er is informatie niet alleen op de Bragg pieken, maar tussen hen in. Dit op zijn beurt levert een betere resolutie dan is het mogelijk met behulp van traditionele kristallografie. In essentie, onvolmaakte (verstoorde) kristallen hebben zowel Bragg pieken en de niet-Bragg signalen van enkele moleculaire beeldvorming, zodat deze nieuwe aanpak maakt gebruik van de beste van beide werelden.
Advertentie
Vergelijking van de resolutie van het beeld bereikt door conventionele kristallografie (links) en de combinatie methode (rechts). Credit: Dominik Oberthuer en Kartik Ayyer, DESY.
Het kennen van de precieze structuur van biologische moleculen is van cruciaal belang als het gaat om real-world applicaties. Neem drug design en ontwikkeling als een case in point. Het doel hier is om het ontwerp van moleculen te neutraliseren die aanleiding geven tot ziekten. Boutet vergelijkt het met een slot en sleutel. Een virus, bijvoorbeeld, heeft een “gat” of “lock”, waardoor het kan zich hechten aan een overeenkomstige “key” op bepaalde vitale moleculen in je lichaam. Dit effectief wordt uitgeschakeld en het virus te verspreiden. Als je zou kunnen ontwerpen van een drug waarvan de moleculen effectief stekker dat gat, het virus zou worden uitgeschakeld in de plaats. Maar om dat te doen, zou je moeten weten dat de precieze locaties van alle atomen in die moleculen.
Zo ver het team heeft gebruik gemaakt van hun methode op slechts een soort van biomolecule: photosystem II. Ze koos het omdat het zeer efficiënt bij fotosynthese: het gebruik van zonlicht om de beurt het water in zuurstof, terwijl het leveren van energie voor planten of bacteriën. “Geen door de mens gemaakt systeem benaderingen is de efficiëntie bereikt door de natuur in dit geval,” zei Boutet. “Dus dit kan een pad naar het ontwikkelen van nieuwe [schoon] energie technologieën, door het kopiëren van de natuur.”
Ze zijn ervan overtuigd dat ze kunnen uitbreiden van hun methode ook vele andere soorten biomoleculen in de toekomst. Een potentieel struikelblok is de vraag of deze techniek zal werken op andere voorzieningen. X-ray lasers zoals de LCLS zijn zeer krachtig, waardoor de onderzoekers de gegevens zeer snel. Dit is belangrijk omdat het langer, moet het monster worden blootgesteld aan de x-stralen, hoe hoger het risico van schade. Andere x-ray bronnen, zoals synchrotrons, niet zo krachtig is, zodat de monsters zou moeten langere belichtingen.
Echter, “als het volledige potentieel van de nieuwe methode is begrepen, kan blijken te zijn een van de grootste vooruitgang sinds de geboorte van de kristallografie,” LCLS directeur Mike Dunne zei in een verklaring.
[Natuur]