Nowa technika obrazowania rentgenowskiego: przełom w badaniach strukturalnych
Po raz pierwszy zespół międzynarodowych naukowców wykorzystał nową technikę obrazowania rentgenowskiego nazywaną obrazowaniem dyfrakcyjnym z użyciem lasera swobodnych elektronów. Oczekuje się, że w przyszłości technika ta zrewolucjonizuje badania strukturalne poprzez umożliwienie naukowcom uzyskania obrazów wirusów, komórek, a nawet białek o rozdzielczości rzędu nanometrów. Badanie, które zostało częściowo sfinansowane z budżetu szóstego programu ramowego UE, zostało opublikowane na łamach internetowego wydania pisma "Nature Physics". Dotychczas doświadczenia z wykorzystaniem obrazowania rentgenowskiego były utrudnione z uwagi na fakt, że promieniowanie służące do wygenerowania obrazu jednocześnie niszczy próbkę. - Jednak istnieje sposób na uniknięcie problemu - powiedział jeden z autorów badania prof. Janos Hajdu z Uniwersytetu w Uppsali. - Zdjęcie należy wykonać szybciej niż trwa proces niszczenia próbki. Teorie przewidywały, że pojedynczy wzór dyfrakcji pochodzący od makrocząsteczki, wirusa lub komórki może być rejestrowany przez wyemitowanie niezwykle krótkiego, bardzo jasnego impulsu promieniowania rentgenowskiego. - Pozostają jednak dwa istotne pytania - zauważył prof. Hajdu. - Czy możliwy do zinterpretowania obraz może być uzyskany za pomocą pojedynczego impulsu lasera swobodnych elektronów, zanim próbka zostanie przekształcona w plazmę w wyniku oddziaływania promieni rentgenowskich? Oraz czy wzór dyfrakcji rzeczywiście jest nośnikiem informacji o strukturze obiektu przed jego zniszczeniem? Wyniki symulacji komputerowych sugerowały, że uzyskanie struktury o rozdzielczości zbliżonej do wielkości atomu przed zniszczeniem próbki jest możliwe poprzez właściwie przemyślany dobór długości impulsu i natężenia promieniowania rentgenowskiego. Aby sprawdzić tę teorię, naukowcy użyli lasera swobodnych elektronów FLASH, emitującego "miękkie" promienie rentgenowskie w DESY - niemieckim synchrotronie elektronowym. - Jako jedyny laser generujący niezwykle jasne, spójne impulsy o czasie trwania jedynie 25 femtosekund, FLASH stanowi pierwsze na świecie źródło promieniowania, które umożliwia przeprowadzenie tego i innych doświadczeń w celu zweryfikowania koncepcji - powiedział prof. Jochen Schneider, dyrektor ds. badań w DESY. - Z uwagi na pionierski charakter działań prowadzonych w DESY, FLASH to również pierwsze urządzenie użytkowe w tej dziedzinie dostępne dla szerszego środowiska naukowego. W trakcie przeprowadzania doświadczenia naukowcy skierowali intensywny impuls lasera swobodnych elektronów o długości fali 32 nm oraz czasie trwania 25 femtosekund na próbkę, którą stanowił obrazek o szerokości trzech mikrometrów prezentujący dwie schematycznie narysowane postaci idące w słońcu. W wyniku działania wiązki jonowej rysunek został przekształcony w cienką błonę. Energia laserowa szybko ogrzała próbkę do około 60 000 kelwinów, powodując jej wyparowanie, ale zanim próbka została zniszczona, naukowcy zdołali zarejestrować wzór dyfrakcji. Algorytmy komputerowe z powodzeniem przekształciły wzór z powrotem na oryginalny obraz. Rozdzielczość obrazu uzyskanego w doświadczeniu, w którym wykorzystano miękkie promienie rentgenowskie, wynosiła 62 nm. Teraz jednak naukowcy badają możliwości zastosowania "twardego" promieniowania rentgenowskiego, którego długość fali jest znacznie krótsza. Autorzy dokumentu zauważają, że to samo doświadczenie prowadzone z wykorzystaniem lasera swobodnych elektronów emitującego "twarde" promieniowanie rentgenowskie o długości fali 15 nm zapewni rozdzielczość jedynie 0,3 nm. Naukowcy zwrócili również uwagę, że technika ta pozwoli im na zbadanie struktury większej ilości białek niż jest to obecnie możliwe, ponieważ nie wymaga ona krystalizacji próbki, a wiele biocząsteczek nie poddaje się krystalizacji. - Osiągnięte wyniki czynią współpracę jako całość jest niezwykle ekscytującą - skomentował prof. Hajdu - Obrazowanie z użyciem lasera swobodnych elektronów skutkuje zupełnie nowym sposobem badania struktur cząsteczkowych. Środowisko naukowe organizuje się w celu osiągnięcia wspomnianych celów poprzez powiązanie po raz pierwszy biologii z fizyką atomu, plazmy i astrofizyką. Jednakże naukowcy będą musieli trochę poczekać, zanim sprawdzą nowa technikę z użyciem "twardego" promieniowania, ponieważ urządzenia, które mają je emitować, są dopiero konstruowane. W 2009 r. ma zacząć działać liniowy akcelerator jonowy emitujący spójne źródło światła (LCLS) w Ośrodku Akceleratorów Liniowych Stanforda w USA. Tymczasem w przyszłym roku w Hamburgu ma rozpocząć się budowa europejskiego rentgenowskiego lasera swobodnych elektronów (XFEL). Urządzenie, które ma rozpocząć działanie w 2013 r., zostało wyróżnione w niedawno opublikowanym europejskim planie działania na rzecz infrastruktury badawczej.
Kraje
Niemcy, Szwecja, Stany Zjednoczone