Künstler-Darstellung von X-Strahlen, die durch einen Kristall. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory.
Es gibt jetzt einen besseren Weg, um Bild die innere Struktur von biologischen Molekülen auf der atomaren Skala mit leistungsstarken x-ray Laser. Das könnte schließlich führen zu wichtigen Neuerungen in saubere Energie-Technologien und Arzneimittel-Entwicklung, unter anderem verwendet.
Kristalle sind definiert durch Ihre regelmäßige, gitterartige Anordnungen von Atomen und Wissenschaftler in der Regel verlassen sich auf eine Technik namens Röntgen-Kristallographie, um Bild, dass die interne Struktur. Aber der mehr zerrütteten der Kristall ist, desto schlechter ist die Auflösung des Bildes. Physiker am DESY in Deutschland und der Linac Coherent Light Source (LCLS) – Anlage am SLAC National Accelerator Laboratory haben eine Kombination Kristallographie mit einzelmolekül-imaging zu nehmen Bilder mit sehr hoher Auflösung auch mit ungeordneten Kristallen. Ihre Ergebnisse wurden heute veröffentlicht in der Natur.
Der Bereich der x-ray crystallography stammt aus dem frühen 20. Jahrhundert. Seitdem haben die Wissenschaftler diese Methode verwendet, um herauszufinden, die Atomare Struktur von einer Vielzahl von Materialien in Physik, Chemie und Biologie. Glanz Röntgenstrahlen auf einen Kristall, und Sie werden abprallen der Atome, aus denen der Kristall. Diese Streuung kann abgeholt werden durch einen Detektor, und das resultierende Beugungsmuster wird eine Menge von hellen Punkten. Diese sind bekannt als “Bragg-peaks.” Durch Messung dieser Gipfel, können die Wissenschaftler ableiten, die Kristall inneren Struktur.
“Die kristallografie würde, wie das stehen vor dem Wald und munter Milliarden von Fußball-Bälle auf ihn.”
Sebastian Boutet, equipment Wissenschaftler am LCLS und co-Autor auf dem Papier, zieht eine Analogie zu einem neu gepflanzten Wald mit Bäumen aufgereiht identisch perfekt Zeilen. “Die kristallografie würde, wie das stehen vor dem Wald und munter Milliarden von Fußball-Bälle auf Sie,” sagte er Gizmodo per E-Mail. Einige Fußball-Bälle schlagen wird, der erste Baum, in einer Reihe, während andere dringen tiefer in den Wald und trifft andere Bäume. “Nachdem Sie traf einen Baum, es gibt nur eine bestimmte Gruppe von Anweisungen Sie können hüpfen und immer noch einen Weg finden, aus der forect, ohne auf einen anderen Baum”, sagte Boutet.
Die Winkel von der Richtung sind verwandt mit Bragg-peaks. Wissenschaftler zählen Sie, wie viele “soccer balls” entstand aus jeder Richtung zu bestimmen, die Größe und Form des Baumes. Zugegeben, es ist eine unvollkommene Analogie; es gibt wahrscheinlich einen einfacheren Weg, um zu Messen die Bäume in einem Wald. Aber für winzige Objekte, wie Atome in einem Biomolekül, wie ein protein, müssen die Wissenschaftler resort zu verschiedenen Methoden und Kristallographie erwies sich seine Nützlichkeit immer wieder in den letzten Jahrhunderts.
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Wenn Sie hatte einen perfekt geordneten Kristall, Sie würde nichts bekommen, aber Bragg – peaks. Aber es ist wirklich schwer, all diese metaphorischen Bäume aufgereiht so genau. “Wenn die Kristalle sind ungeordnet, die Bragg-peaks kann es nicht mehr geben, da das array von Bäumen ist nicht perfekt”, sagte Boutet.
Künstlerische Darstellung eines unvollkommenen Kristall, mit sich wiederholenden Einheiten, dargestellt als eine Reihe von unendlichen Enten. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory.Obwohl Sie nicht bekommen, Bragg-peaks mit ungeordneten Kristalle, die alle, die x-ray-Energie, die Sie haben gezappt, Sie mit noch springt wieder raus, außer dieser Zeit, es bildet sich ein Muster mit der Bezeichnung ” kontinuierliche Beugung.
Besuch des Wald-Analogie”, Anstatt den ball an einen Wald, um herauszufinden, die Durchschnittliche Form eines Baumes, wäre es viel einfacher, den ball zu kicken, sich auf einem einzigen Baum, und herauszufinden, die Form von denen die Kugeln abprallen”, sagte Boutet, viel wie, was passiert mit dem einzelnen molekularen Bildgebung. “In diesem Fall, weil die Kugeln abprallen die einzigen Baumes würde nicht nur ein paar Winkel, würden Sie nicht sammeln, einzelne Punkte (Bragg-peaks), sondern mehr gleichmäßig verteilt (kontinuierliche Beugung).”
Es stellt sich heraus, dass dieses letztere Muster enthält wesentlich mehr Informationen über ein Molekül, das die Struktur, denn es gibt Informationen nicht nur an den Bragg-peaks, aber zwischen Ihnen als gut. Dies wiederum liefert eine bessere Auflösung als möglich mit traditionellen Kristallographie. Im Grunde unvollkommen (ungeordneten) Kristalle haben die beiden Bragg-peaks und die nicht-Bragg-Signale der einzelnen molekulare Bildgebung, so dass dieser neue Ansatz nutzt das beste aus beiden Welten.
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Vergleich der Auflösung erreicht, die durch herkömmliche Kristallographie (Links) und die Kombination-Methode (rechts). Credit: Dominik Oberthuer und Kartik Ayyer, DESY.
Die Kenntnis der genauen Struktur von biologischen Molekülen ist entscheidend, wenn es um real-world-Anwendungen. Nehmen Sie drug design und Entwicklung, wie ein Fall in Punkt. Das Ziel hier ist es, design-Molekülen entgegenwirken, diejenigen, die Anlass zu Krankheiten. Boutet vergleicht es mit einem Schloss und Schlüssel. Ein virus, zum Beispiel, hat ein “Loch” oder “lock”, mit denen Sie es anbringen können, sich einen entsprechenden “Schlüssel” für bestimmte lebenswichtige Moleküle im Körper. Diesem effektiv deaktiviert Sie, und ermöglicht es dem virus, sich zu verbreiten. Wenn Sie entwerfen könnte ein Medikament, dessen Moleküle effektiv-Stecker, die Bohrung, das virus deaktiviert werden, statt. Aber zu tun, dass, würden Sie brauchen, zu wissen, die genaue Lage der Gesamtheit der Atome in diesen Molekülen.
Bisher hat das team genutzt, Ihre Methode auf nur eine Art von Biomolekül: photosystem II. Sie wählte es, weil es ist hoch effizient bei der Fotosynthese: durch Sonnenlicht zu verwandeln von Wasser in Sauerstoff, während die Bereitstellung von Energie für Pflanzen oder Bakterien. “Keine von Menschen gemachte system nähert sich der Wirkungsgrad erreicht durch die Natur-in diesem Fall”, sagte Boutet. “So könnte dies ein Weg, um die Entwicklung neuer [clean] Energie-Technologien, die durch das kopieren der Natur.”
Sie sind zuversichtlich, Sie erweitern Sie Ihre Methode, um viele andere Arten von Biomolekülen in die Zukunft. Ein Stolperstein ist, ob diese Technik funktionieren wird, bei anderen Einrichtungen. X-ray-Laser, wie wir Sie bei LCLS sind extrem leistungsstark, ermöglicht den Forschern Daten sehr schnell. Dies ist wichtig, denn je länger die Probe muss ausgesetzt werden, um die x-Strahlen, desto höher ist die Gefahr von Schäden. Andere x-ray-Quellen, wie zum Beispiel synchrotrons, sind nicht so leistungsstark sein, damit die Proben müssten längeren Belichtungszeiten.
Jedoch, “Sobald das volle Potenzial der neuen Methode verstanden, so könnte Sie sich zu einer der größten Fortschritte, die seit der Geburt der Kristallographie” LCLS director Mike Dunne sagte in einer Erklärung.
[Natur]