Uno dei grandi vantaggi dei laser a elettroni liberi a raggi X come quello del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia è che consentono ai ricercatori di determinare la struttura delle molecole biologiche negli ambienti naturali. Questo è importante se vuoi studiare come un potenziale nuovo farmaco interagisce con un virus in condizioni simili a quelle che si trovano nel corpo umano. Colpendo questi campioni con impulsi laser a raggi X ultracorti, gli scienziati possono raccogliere dati nell'istante prima che il danno dei raggi X abbia il tempo di propagarsi attraverso il campione.

Ma c'è davvero zero danni ai campioni esaminati con questo metodo, che è noto come "diffrazione prima della distruzione"? Conoscere la risposta su scale di misurazione sempre più sottili è importante per analizzare i risultati di questi esperimenti e comprendere come le molecole biologiche svolgono il loro lavoro. Tale comprensione è fondamentale nella progettazione di farmaci per colpire efficacemente malattie specifiche.

Grazie a una tecnica laser a raggi X a due colori sviluppata presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, un esperimento alla LCLS sta testando questa tecnica a limiti mai visti prima.

Un team guidato da Ilme Schlichting del Max Planck Institute for Medical Research e Sébastien Boutet dello SLAC ha colpito due tipi di molecole biologiche cristallizzate con coppie di impulsi laser a raggi X con lunghezze d'onda leggermente diverse e fino a 100 femtosecondi, milionesimi di miliardesimo di secondo, a parte. Il primo impulso è passato attraverso il campione ed è stato assorbito da un filtro a lamina. Il secondo si è disperso dal campione, è passato attraverso il filtro ed è entrato in un rilevatore, formando modelli che potrebbero essere analizzati per ricreare la struttura delle molecole del campione e misurare eventuali cambiamenti causati dal primo impulso.

Con questo metodo, il team ha scoperto che le parti di una molecola che contengono atomi più pesanti dell'ossigeno hanno assorbito il peso maggiore del danno dei raggi X. Catene di atomi di carbonio, che costituiscono la spina dorsale di tutte le proteine, ha visto anche cambiamenti nel tempo, ma in misura molto minore. Questi cambiamenti non erano coerenti in tutta la molecola, che si verificano più in alcune aree che in altre, e aumentavano all'aumentare del tempo tra gli impulsi. Questi risultati mostrano che per effettuare misurazioni affidabili, i ricercatori devono modellare queste parti specifiche di un campione piuttosto che presumere che tutte le parti della molecola siano ugualmente danneggiate.

Questo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , è l'inizio di una comprensione più completa di come impulsi a raggi X molto brevi prodotti da laser a raggi X come LCLS modificano la struttura delle molecole biologiche. Il team ha concluso che "la diffrazione prima della distruzione" è un metodo efficace per determinare la struttura delle molecole biologiche, purché gli scienziati considerino l'intensità e la durata degli impulsi utilizzati per studiarli quando interpretano i loro risultati. Tale conoscenza può essere applicata attraverso l'ampia gamma di studi in corso presso queste strutture, che vanno dallo studio di nuovi modi per combattere le malattie trasmesse dalle zanzare allo studio della virulenza di agenti patogeni mortali e allo sviluppo di una migliore comprensione dei farmaci antiasmatici.