Эти удивительные результаты могут во многих случаях сделать поиск лучших кристаллов устаревшим и фундаментально изменить способ изучения учеными сложных биологических механизмов, участвующих в фотосинтезе, катализе и многих других важных процессах в живых организмах. Лучшее понимание этих процессов может стимулировать инновации в ряде областей, от производства чистой энергии до разработки лекарств.«Как только весь потенциал нового метода будет понят, он может стать одним из самых больших достижений с момента зарождения кристаллографии», — сказал Майк Данн, директор рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS). Управление науки Министерства энергетики США.
Новые результаты были опубликованы в журнале Nature.Сигналы между сигналамиБолее 100 лет назад британский физик австралийского происхождения Уильям Лоуренс Брэгг нашел способ использовать рентгеновские лучи для исследования внутренней части кристаллов, которые состоят из регулярных массивов атомов или молекул.
Это открытие положило начало области рентгеновской кристаллографии, одного из важнейших методов анализа структуры материалов, химических процессов и биологических молекул.Например, этот метод оказался чрезвычайно успешным в определении атомных структур белков и пролил свет на функцию белков. На сегодняшний день с помощью рентгеновской кристаллографии определено более 100 000 белковых структур, что требует включения множества копий белка в монокристалл.
Когда рентгеновские лучи проходят через кристалл, они рассеиваются от белковых молекул и образуют узор на детекторе. В этой дифракционной картине преобладают яркие пятна, известные как пики Брэгга, и исследователи используют эти пятна для восстановления атомной структуры молекул.Совершенно упорядоченный кристалл не даст ничего, кроме пиков Брэгга.
Однако беспорядок ограничивает количество обнаруживаемых пиков и, следовательно, разрешение молекулярного изображения, которое может быть получено только по пикам.Беспорядок также порождает мягкую рябь между острыми пиками Брэгга и за их пределами. Хотя эти структуры, известные как «непрерывная дифракция», активно изучаются, они не считались способными создавать изображения молекул с высоким разрешением.«Теперь мы продемонстрировали, что на самом деле можем использовать непрерывную дифракцию несовершенных кристаллов для получения более качественных молекулярных изображений, чем с использованием одних только пиков Брэгга», — сказал Картик Айер, ведущий автор исследования из Центра исследований лазеров на свободных электронах (CFEL).
Немецкий исследовательский центр DESY.Исследователи применили свой метод к кристаллам фотосистемы II — большой белковой машины, участвующей в фотосинтезе — и обнаружили, что объединение информации от брэгговских и небрэгговских сигналов дает изображения более высокого разрешения со значительно большей структурной детализацией, чем изображения, полученные с помощью обычного брэгговского сигнала. -только метод.
Кристаллография и визуализация отдельных частицИсследование показывает, что непрерывная дифракция кристаллов фотосистемы II происходит от молекул в кристаллической решетке, которые сместились из своего идеального положения всего на ширину одного атома. Рентгеновские лучи, рассеянные этими смещенными молекулами, объединяются, образуя наблюдаемую непрерывную картину, а не пики Брэгга.
«Мы уже знаем, как анализировать эти сигналы», — сказал ученый CFEL Генри Чепмен, главный исследователь исследования. «Что особенного в непрерывной дифракции, так это то, что она содержит значительно больше информации о молекулярной структуре, чем можно измерить, используя одни только пики Брэгга. Это полностью меняет нашу способность определять структуры этих больших сложных биологических машин с почти невозможной задачи на решаемая проблема ".Одно очевидное преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет исследователям в принципе реконструировать атомную структуру биомолекулы с нуля, не зная заранее расположение некоторых из ее атомов или структуру аналогичного белка в качестве отправной точки. Это устранило бы основное узкое место.
«Этот метод представляет собой очень элегантное сочетание двух подходов: дифракции рентгеновских лучей кристаллов и рентгеновских изображений отдельных частиц», — сказал Ильме Шлихтинг из Немецкого института медицинских исследований Макса Планка, который не принимал участия в исследовании. «Он использует лучшее из обоих миров».По ее словам, этот подход также может стать ступенькой к молекулярной визуализации отдельных частиц. Это ключевая цель современной науки о рентгеновских лучах, поскольку она позволяет проводить измерения большого количества биологических образцов, которые нелегко кристаллизовать.
Однако одиночные молекулы производят заведомо слабую дифракционную интенсивность, и также сложно определить индивидуальную ориентацию молекул — предварительное условие для этого типа исследований. Наличие нескольких копий молекулы в решетке несовершенных кристаллов решает обе проблемы.Новый подход с многообещающими перспективами
Этот подход обещает кардинально изменить то, как ученые используют рентгеновские лазеры для биологических исследований, и в настоящее время оценивается его более широкое применение. Еще неизвестно, можно ли использовать этот метод на синхротронных установках — источниках рентгеновского света, которые менее мощны, но гораздо более распространены, чем рентгеновские лазеры.«Поскольку свет от LCLS очень яркий, наши данные могут быть получены очень быстро и на очень маленьких кристаллах», — сказал исследователь и соавтор LCLS Себастьян Буте. «Тот же эксперимент на синхротроне, вероятно, будет более сложным, потому что он потребует более длительного воздействия рентгеновских лучей, увеличивая риск повреждения образца, а также потребует более крупных кристаллов, которые с большей вероятностью покажут дополнительное нежелательное нарушение».Хотя исследователи продемонстрировали свой метод только на фотосистеме II, они уверены, что он будет работать и для других биомолекул.
Шлихтинг соглашается. «Тип расстройства, используемый в этом исследовании, встречается часто», — сказала она. «Это делает этот подход чрезвычайно ценным инструментом».