بروتين واحد، التُقط في طيرانه بومضة أشعة سينية

لمعرفة كيف يعمل البروتين، يودّ علماء الأحياء لو يشاهدونه وهو يغيّر شكله. ويعني ذلك رؤية جزيء واحد من زوايا كثيرة، بإشعاع ذي طول موجي قصير جدًا. والمشكلة أن الإلكترونات والأشعة السينية، وهي المسابير الوحيدة القوية بما يكفي، تُتلف أيضًا الجزيء الذي تصوّره. ويلتفّ المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) على ذلك بتجميد آلاف الجزيئات في الجليد وأخذ متوسط كثير من الصور المشوّشة.

تُودِع الأشعة السينية في كل حدث تشتّت طاقةً تفوق ما تودعه الإلكترونات بنحو ألف مرة. لكن ثمة منفذًا يُعرف بـ**“الحيود قبل الدمار”**: فبنبضة من ليزر الإلكترونات الحرّة للأشعة السينية لا تدوم سوى بضع فيمتوثوانٍ، يُسجَّل نمط الضوء المشتّت قبل أن يتسنّى للجزيء أن يتطاير. فلا يحتاج الجزيء إلى تجميد ولا إلى حامل — بل يمكن التقاطه وهو طائر. وحتى الآن، نجح ذلك مع الفيروسات الكبيرة. أما تصوير بروتين واحد بثلاثة أبعاد بالأشعة السينية الصلبة فظلّ بعيد المنال.

دم دودة الأرض في الفراغ

اختار فريق دولي كبير بقيادة بول لوردو كزافييه وهنري تشابمان في DESY بهامبورغ، مع European XFEL وعشرات المؤسسات حول العالم، بروتين الإريثروكرورين (erythrocruorin): وهو هيموغلوبين عملاق، نُقّي من دم نحو مئة دودة أرض. يزن 3.6 ميغادالتون، وله شكل شديد التناظر، حلقتان متراكبتان في وسطهما ثقب.

رُشّت البروتينات في قطيرات دقيقة، ثم عُودلت شحنتها ورُكّزت في حزمة ضيقة تسير بنحو 100 متر في الثانية عبر حجرة مفرغة. وأُضيف الهيليوم للحدّ من التوهّج الخلفي الصادر عن الغاز المتبقي. وعبر هذه الحزمة أُطلقت نبضات من European XFEL في شينيفيلد بألمانيا: فوتونات أشعة سينية طاقتها 6 كيلو إلكترون فولت، مركّزة في بقعة مساحتها 180 في 220 نانومترًا، وتدوم كل نبضة نحو 25 فيمتوثانية.

تؤيّن كل ومضة نحو ثلاثة أرباع الذرّات في الجزيء — لكنها تنتهي قبل أن يتسنّى للانفجار الناتج أن يطمس الصورة.

270 مليون إطار من أجل شكل واحد

في 21 ساعة، سجّل الكاشف 270 مليون إطار.
لم يحمل منها نمطَ حيود سوى 188557 — أي 0.07% — ومعظمها من بروتين واحد.
فُرزت أفضل 50000 منها في 144 مجموعة ذات زوايا رؤية متقاربة، فأعطت صور إسقاط مسطّحة بدقة نحو 15 أنغستروم.
ومن 26908 أنماط مختارة، أعاد الفريق بناء الحيود في ثلاثة أبعاد، ثم احتفظ بأنقى 1248 منها لحساب خريطة ثلاثية الأبعاد لإلكترونات البروتين بدقة نحو 20 أنغستروم. وتُظهر الثقب المركزي والتناظر السداسي المتوقّع من البنية المعروفة.

بروتين ينكمش أثناء الطيران

جاءت جميع عمليات إعادة البناء ثلاثية الأبعاد أكثر تراصًّا من البنية البلورية المعروفة، ولا سيما على امتداد المحور القصير. وتتبّع الفريق ذلك إلى الفراغ نفسه: فخارج الماء ينكمش البروتين. وتتفق محاكاة حاسوبية للجزيء كاملًا مع ذلك — إذ ينكمش بنسبة 2.5% في النانوثانية الأولى، ثم ببطء أكبر. وهذا التفاوت بين الجزيئات هو على الأرجح سبب كون الصورة ثلاثية الأبعاد أقل وضوحًا من الصور ثنائية الأبعاد.

ويسرد المؤلفون الخطوات التالية: حماية البروتينات من هذا الانهيار، بقطيرات أصغر، أو رحلة أقصر، أو تجميد خاطف، أو بإيصالها في غشاء سائل فائق الرقة؛ ونبضات أشعة سينية أكثر ثباتًا وأقصر وأقوى. وتُظهر المحاكاة أن ضرر الإشعاع سيزداد أهمية كلما ازدادت الصور وضوحًا.

نحو أفلام لجزيئات منفردة

عشرون أنغستروم بعيدة عن رؤية الذرّات. لكن المؤلفين يصفون ذلك بأنه هدف سُعي إليه قرابة ثلاثة عقود: بروتين واحد معزول، مصوَّر بثلاثة أبعاد بالأشعة السينية الصلبة، دون بلّورات أو تجميد. والوعد الذي يتجاوز ذلك هو الزمن — تحفيز البروتين والتقاطه في منتصف حركته، ومضةً بعد ومضة.