XFEL: Erste molekulare Filme am European XFEL

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18.11.2019
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Erste molekulare Filme am European XFEL

Wie sich mithilfe extrem kurzer Röntgenpulse am European XFEL Filme von molekularen Prozessen erzeugen lassen

 

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Künstlerische Darstellung für ein Experiment, mit dem Molekülfilme aufgenommen werden können (serial crystallography experiment). Ein Laser, der im sichtbaren Bereich arbeitet, startet die Reaktion. Anschließend wird mit Röntgenlaserlicht ein Bild aufgenommen. Aus dem Streubild wird die Struktur des Moleküls zu unterschiedlichen Zeitpunkten berechnet. Daraus kann dann ein Film zusammengesetzt werden. Copyright: European XFEL / Blue Clay Studios

In einem heute in Nature Methods veröffentlichten Fachartikel zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich die hohe Wiederholrate der Röntgenpulse am European XFEL effektiv nutzen lässt, um detaillierte molekulare Filme zu erhalten. Diese Art von Information kann helfen, besser zu verstehen, wie zum Beispiel ein Wirkstoffmolekül mit Proteinen in einer menschlichen Zelle reagiert oder wie Pflanzenproteine Lichtenergie speichern.

Herkömmliche strukturbiologische Methoden verwenden Röntgenstrahlen, um Momentaufnahmen der dreidimensionalen Struktur von Molekülen, wie zum Beispiel Proteinen, zu erstellen. Diese Informationen offenbaren aber keine Einzelheiten des Ablaufs biomolekularer Prozesse. Werden jedoch mehrere Schnappschüsse in schneller Folge aufgenommen, können diese zu einem sogenannten molekularen Film zusammengesetzt werden. Die hohe Wiederholrate der extrem kurzen Röntgenpulse des European XFEL ermöglicht es, große Datenmengen zu sammeln, um Filme mit einer bislang unerreichten Zahl von Einzelbildern zu produzieren. Eine internationale Forschungsgruppe hat nun herausgefunden, wie sich die sehr hohe Wiederholrate des European XFEL optimal nutzen lässt, um solche molekularen Filme aufzunehmen und neue Details unserer Welt zu enthüllen.

Für diese Art von Experimenten müssen Instrumente und Komponenten sorgfältig ausgerichtet und ihre Eigenschaften genau verstanden sein. In einem heute in Nature Methods veröffentlichten Artikel stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Versuchsaufbau vor, der die wertvolle Experimentierzeit optimal nutzt. Sie zeigen, wie Messungen schnell genug nacheinander durchgeführt werden können, um möglichst viele Daten sammeln zu können und gleichzeitig sicherzustellen, dass die zu untersuchende Probe ausschließlich von dem vorgesehenen Laserpuls getroffen wird. „Wir wissen jetzt, wie wir die Pulsstruktur des European XFEL effektiv und effizient nutzen können, um detaillierte molekulare Filme zu erstellen“, erklärte Prof. Adrian Mancuso, Leiter der SPB/SFX-Experimentierstation am European XFEL, an der die Studie durchgeführt wurde.

 
Ein kurzer Molekularfilm, der einen Teil der Struktur des photoreaktiven gelben Proteins zeigt. Die Sequenz verläuft von 100 fs bis 100 ps in die Reaktion und besteht aus 10 Strukturen, von denen vier am European XFEL gemessen wurden (dunkel d.h. 100 fs, 10 ps, 30 ps und 80 ps). Dieser zeigt das Potenzial des European XFEL, molekulare Prozesse im Detail zu untersuchen. Copyright: Marius Schmidt

 

Prof. Marius Schmidt von der University of Wisconsin-Milwaukee in den USA, der die Untersuchung leitete, betonte: „Die extrem kurzen und hellen Röntgenpulse des European XFEL ermöglichen uns, feinste Details biologischer Prozesse zu untersuchen. Stellen Sie sich einen Film über ein Ski-Abfahrtsrennen vor, der aus nur drei Einzelaufnahmen besteht. Damit erfahren Sie etwas über den Start und das Ende des Rennens und können sich ein Bild des Skifahrers sowie der Landschaft irgendwo am Berg machen, aber viel mehr nicht. Ein Film mit wesentlich mehr Bildern würde das Rennen dagegen im Detail zeigen und wäre viel informativer. Jetzt, da wir verstehen, wie wir die Röntgenpulse des European XFEL nutzen können, um große Datenmengen zu sammeln und detaillierte molekulare Filme zu erzeugen, sind wir sehr gespannt, welche ungeahnten Erkenntnisse nun möglich sind.“

Das Team der SPB/SFX-Experimentierstation kann zudem die Parameter jedes Experiments an das jeweils untersuchte Protein anpassen. Dazu gehören die Änderung des Durchmessers des sichtbaren Laserlichtpulses in Abhängigkeit von der Größe der einzelnen Proteinkristalle und die Anpassung der Zeitverzögerung zwischen diesem Lichtpuls und dem des Röntgenlasers an die Dauer der zu untersuchenden Reaktion. „Das Wissen und die Erfahrung, die wir bei diesen Experimenten am European XFEL gesammelt haben, werden es ermöglichen, an der SPB/SFX-Experimentierstation molekulare Filme von Proben zu produzieren“, erklärte Mancuso.

Für ihre Experimente untersuchten die Forschenden ein lichtempfindliches Protein namens photoaktives gelbes Protein (PYP), das häufig als Modellsystem zur Evaluierung neuer Versuchsaufbauten verwendet wird. Soweit bereits bekannt stimmten die neuen Daten mit denjenigen überein, die bei früheren Experimenten an anderen Anlagen gesammelt wurden und bestätigten damit, dass der Versuchsaufbau funktioniert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem aber auch eine bisher unerforschte Zeitspanne erschließen und so neue Details über Teile der biologischen Reaktion enthüllen.

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So funktioniert das molekulare Filmen:

Die biologischen Prozesse, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am European XFEL erforschen wollen, laufen auf Zeitspannen ab, die von weit weniger als einer milliardstel Sekunde bis hin zu mehreren tausendstel Sekunden reichen können. Zum Vergleich: Ein Augenzwinkern dauert etwa eine zehntel Sekunde. So wie für hochwertige Momentaufnahmen eines Rennens eine sehr kurze Belichtungszeit benötigt wird, so braucht man extrem kurze Röntgenpulse, um ein Folge von Schnappschüssen während einer biologischen Reaktion aufzunehmen. Die Röntgenpulse des European XFEL sind dafür kurz genug. Ihre hohe Wiederholrate ermöglicht es den Forschenden, während der Experimente genügend Daten zu sammeln.

In einem zeitaufgelösten Kristallographie-Experiment kann ein sehr kurzer Laserpuls im sichtbaren Bereich des Lichts verwendet werden, um kristalline Proteine anzuregen. Dadurch wird der Beginn einer Reaktion innerhalb des Proteins ausgelöst. Nach einer extrem kurzen, vordefinierten Verzögerungszeit von wenigen Pikosekunden (eine Pikosekunde ist ein Millionstel einer millionstel Sekunde) wird der Proteinkristall vom Röntgenlaserpuls getroffen. Der European XFEL ist so leistungsstark, dass der Röntgenpuls den Kristall zerstört – jedoch erst, nachdem der Detektor hinter der Probe Informationen über die Positionen der Atome im Protein aufgezeichnet hat. Dieser Prozess wird dann mit neuen Kristallen wiederholt, die über einen Flüssigkeitsstrahl kontinuierlich in den Röntgenstrahl eingespeist werden. Die voreingestellte Verzögerungszeit wird ebenfalls geändert, so dass verschiedene Zeitpunkte während der Reaktion untersucht werden können. Informationen zu Dynamik und Strukturveränderungen, die zu einer Reihe von Zeitpunkten während der Reaktion auftreten, können schließlich zu einem molekularen Film zusammengefügt werden.

Für ihre Experimente nutzten die Forschenden die SPB/SFX-Experimentierstation (Single Particles, Clusters, and Biomolecules and Serial Femtosecond Crystallography) zur Untersuchung von Biomolekülen und biologischen Prozessen sowie für serielle Femtosekunden-Kristallographie am European XFEL. Die Experimentierstation wurde entwickelt, um die extrem kurzen, nur wenige Femtosekunden langen und intensiven Röntgenpulse für bildgebende und kristallographische Experimente zu nutzen um die Struktur und Reaktionen kleiner biologischer Proben zu untersuchen.

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Veröffentlichung:
Time-Resolved Serial Femtosecond Crystallography at the European XFEL
Suraj Pandey, Richard Bean, Tokushi Sato, Ishwor Poudyal, Johan Bielecki, Jorvani Cruz
Villarreal, Oleksandr Yefanov, Valerio Mariani, Thomas A. White, Christopher Kupitz, Mark
Hunter, Mohamed H. Abdellatif, Saša Bajt, Valerii Bondar, Austin Echelmeier, Diandra
Doppler, Moritz Emons, Matthias Frank, Raimund Fromme, Yaroslav Gevorkov, Gabriele
Giovanetti, Man Jiang, Daihyun Kim, Yoonhee Kim, Henry Kirkwood, Anna Klimovskaia,
Juraj Knoska, Faisal H. M. Koua, Romain Letrun, Stella Lisova, Luis Maia, Victoria Mazalova,
Domingo Meza, Thomas Michelat, Abbas Ourmazd, Guido Palmer, Marco Ramilli, Robin
Schubert, Peter Schwander, Alessandro Silenzi, Jolanta Sztuk-Dambietz, Alexandra
Tolstikova, Henry N. Chapman, Alexandra Ros, Anton Barty, Petra Fromme, Adrian P.
Mancuso, Marius Schmidt. Nature Methods, 2019. DOI: 10.1038/s41592-019-0628-z