Il team LCLS, che comprende scienziati della New York University School of Medicine, dell’Università del Wisconsin-Milwaukee e dell’Argonne National Laboratory, è anche riuscito a registrare le prime immagini di diffusione laser a raggi X di un virus intatto, il virus vaccinia, che è circa la dimensione dei batteri più piccoli.
I risultati, riportati in due articoli su Nature Communications, dimostrano la promessa del laser a raggi X come nuovo e potente strumento per esplorare le strutture biologiche.
"Questa è stata la prima volta che siamo stati in grado di utilizzare i laser a raggi X per acquisire immagini di queste due importantissime classi di campioni biologici, che contengono informazioni preziose che potrebbero portare a nuovi modi di curare le malattie", ha affermato lo scienziato dello SLAC Henrik Lemke, che è l'autore corrispondente dello studio sui cristalli proteici.
Per portare a termine il lavoro, il team ha dovuto apportare alcune modifiche al fascio di raggi X duri presso la sorgente di luce coerente Linac (LCLS) di SLAC, che fornisce impulsi di raggi X ultraluminosi e ultracorti.
Una sfida era che gli impulsi dei raggi X erano troppo luminosi e concentrati, minacciando di danneggiare o distruggere i campioni delicati e il supporto dei campioni circostante.
"Il nostro raggio ha normalmente le dimensioni di un capello umano molto sottile, ma lo abbiamo reso cento volte più grande in modo da poter disperdere e diffrangere i raggi X più delicatamente dai campioni", ha affermato lo scienziato dello strumento LCLS e co-autore dello studio. autore Schuyler Brown.
I ricercatori dovevano inoltre sviluppare nuove tecniche di preparazione dei campioni per prevenire i danni causati dall'intenso fascio di raggi X. Poiché i lampi del laser durano solo femtosecondi (quadrilionesimi di secondo), il danno si verifica entro soli dieci quadrilionesimi di secondo.
Utilizzando una tecnica nota come cristallografia seriale al femtosecondo, gli scienziati hanno sparato intensi impulsi di raggi X uno alla volta su migliaia di minuscoli cristalli per creare una ricchezza di schemi di diffrazione, schemi di raggi X sparsi che contengono informazioni strutturali sui cristalli.
"Nella maggior parte dei casi, abbiamo sparato solo un impulso di raggi X su ciascun cristallo perché il primo lampo lo avrebbe distrutto", ha detto il coautore dello studio Thomas White della School of Medicine della New York University. "Di conseguenza, ogni flash generava solo un modello di diffrazione. Quindi abbiamo combinato tutti i modelli per ricostruire un'immagine tridimensionale delle strutture dei cristalli."
Con questa tecnica, il team ha risolto la struttura dei cristalli proteici noti come fotosistema II, che sono responsabili della conversione della luce solare in energia chimica durante la fotosintesi. I risultati rappresentano la struttura del fotosistema II più piccola mai ottenuta.
Anche le immagini sparse del virus vaccinico del team hanno prodotto alcune sorprese, mostrando che alcuni dei virus nel campione avevano una conformazione inaspettata e altamente simmetrica. Questo tipo di conformazione potrebbe influenzare il modo in cui il virus interagisce con gli ospiti e potrebbe rivelare un tallone d’Achille che potrebbe essere preso di mira dai farmaci antivirali.
"Questo è un altro ottimo esempio di come il laser a raggi X consenta ai ricercatori di vedere cose in biologia che non avevano mai visto prima", ha affermato il direttore dello SLAC Mike Witherell. “Scrutando i dettagli di virus o proteine che non sono visibili con nessun’altra tecnica, non solo stiamo acquisendo una comprensione più profonda del mondo naturale, ma stiamo aprendo la porta a nuovi modi per combattere le malattie e creare energia rinnovabile”.
Nel 2018 è previsto un aggiornamento dell'LCLS di SLAC, che ne aumenterà notevolmente la potenza, aprendo ancora più possibilità di imaging biologico. I futuri strumenti del futuro laser a raggi X di SLAC, LCLS-II, supporteranno anche l'imaging biologico.
La ricerca è stata finanziata dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia, dal National Institutes of Health, dall’Università del Wisconsin-Milwaukee e dalla New York University School of Medicine.
