Con la pubblicazione delle prime misure sperimentali eseguite presso la struttura, il laser europeo a elettroni liberi a raggi X (EuXFEL) ha superato un'altra pietra miliare critica dal suo lancio nel settembre 2017. È il primo di una "prossima generazione" di XFEL che offrono una raccolta dati molto più rapida di quanto fosse possibile prima. Poiché EuXFEL fornisce impulsi a raggi X alla velocità quasi incredibile di un milione di impulsi al secondo, le misurazioni sperimentali possono essere completate più rapidamente, consentendo di eseguire più esperimenti all'anno. Non era ovvio però che le attuali tecniche di misurazione sarebbero in grado di gestire questo diluvio di impulsi a raggi X. Ricercatori del Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg e della Rutgers University di Newark, STATI UNITI D'AMERICA, lavorando con un team internazionale di collaboratori e scienziati di DESY e EuXFEL, hanno ora dimostrato che non solo questo può essere fatto, ma anche che si ottengono informazioni strutturali di alta qualità sulle molecole biologiche. Questa è una svolta per la struttura e per i biologi strutturali che utilizzano XFEL in tutto il mondo.

I laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) consentono ai ricercatori di ottenere immagini tridimensionali di molecole biologiche mediante esposizioni istantanee a raggi X della durata di pochi femtosecondi. Tali immagini possono essere combinate per fornire "filmati" di molecole sulla scala temporale incredibilmente breve delle reazioni chimiche. Ciò fornisce nuove intuizioni sul nanomondo che non sono importanti solo per le scienze di base che vanno dalla biologia alla fisica, ma anche contribuire a far progredire gli sviluppi verso farmaci nuovi e migliori, batterie e supporti di memorizzazione, e tante altre cose.

Sfortunatamente, solo una manciata di XFEL esistono in tutto il mondo, e solo una frazione degli esperimenti che gli scienziati vogliono fare può essere adattata. Questo anche perché l'originale, Gli XFEL di "prima generazione" forniscono impulsi a raggi X solo alla frequenza dei fotogrammi di una telecamera TV, circa 50 volte al secondo. Però, utilizzando un risonatore superconduttore per accelerare gli elettroni utilizzati per produrre i raggi X, gli XFEL di nuova generazione come l'XFEL europeo (EuXFEL) erogano fino a un milione di impulsi al secondo. L'eccitazione nella comunità è stata quindi enorme quando l'EuXFEL è stato inaugurato meno di un anno fa.

Le nuove possibilità di raccolta dati ad alto tasso di ripetizione XFEL sono, però, accompagnato da sfide completamente nuove per gli scienziati che eseguono gli esperimenti. Gli stessi impulsi XFEL a femtosecondi straordinariamente intensi che consentono di studiare oggetti minuscoli necessariamente riscaldano ed eventualmente vaporizzano il campione. Questo non è un problema in sé e per sé, poiché l'istantanea a raggi X a femtosecondi è stata completata molto prima che il campione si disperda. Occorre prestare la massima attenzione, però, che il danno da un impulso XFEL non disturbi il campione da sondare dall'impulso successivo. Il mezzo campione deve quindi essere spostato tra impulsi a raggi X, in modo che il raggio XFEL non colpisca mai due volte lo stesso punto. A 50 impulsi al secondo questo è facile; ma con solo un milionesimo di secondo tra gli impulsi non era ovvio che sarebbe mai stato possibile.

Esperimenti di successo

A giugno 2018, scienziati del dipartimento di Meccanismi Biomolecolari del Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg insieme a un team di ricerca internazionale, guidato da Ilme Schlichting, direttore dell'Istituto Max Planck, eseguito uno dei primi esperimenti all'EuXFEL. Il team ha affrontato e padroneggiato le sfide associate al rapido arrivo degli impulsi EuXFEL, ottenendo e analizzando con successo dati di alta qualità per una varietà di molecole proteiche.

"Nel nostro giornale, dimostriamo che, nelle condizioni attuali, l'onda d'urto indotta da un impulso XFEL non influenza il campione sondato dall'impulso successivo, anche quando quel secondo impulso arriva solo un milionesimo di secondo dopo, "dice Thomas Barends, un capogruppo di ricerca presso l'MPI e uno degli autori corrispondenti. I dati sono di qualità sufficientemente elevata da consentire anche un'analisi dettagliata di un campione precedentemente non caratterizzato. Questa è una pietra miliare per la struttura e di grande significato pratico, data la domanda in rapida crescita di tempo del fascio XFEL. "EuXFEL ci consente di raccogliere più dati in molto meno tempo, permettendoci di fare una nuova scienza", afferma Marie Grünbein, primo autore della pubblicazione e un dottorato di ricerca. studente al Max Planck Institute di Heidelberg.