একটি প্রোটিন, এক্স-রের ঝলকে উড়ন্ত অবস্থায় ধরা

একটি প্রোটিন কীভাবে কাজ করে তা দেখতে জীববিজ্ঞানীরা চাইতেন তাকে আকৃতি বদলাতে দেখতে। এর মানে একটি একক অণুকে অনেক কোণ থেকে, খুব ছোট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের বিকিরণ দিয়ে দেখা। সমস্যা হলো, ইলেকট্রন ও এক্স-রে — যথেষ্ট শক্তিশালী একমাত্র অনুসন্ধানী মাধ্যম — যে অণুর ছবি তুলছে সেটিকে ক্ষতিগ্রস্তও করে। ক্রায়ো-ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি এটি এড়ায় হাজার হাজার অণুকে বরফে জমিয়ে এবং অনেকগুলো ঝাপসা ছবির গড় নিয়ে।

প্রতিটি বিক্ষেপণ ঘটনায় এক্স-রে ইলেকট্রনের চেয়ে প্রায় হাজার গুণ বেশি শক্তি জমা করে। কিন্তু একটি ফাঁক আছে, যা “ধ্বংসের আগে অপবর্তন” (diffraction before destruction) নামে পরিচিত: মাত্র কয়েক ফেমটোসেকেন্ড স্থায়ী একটি এক্স-রে ফ্রি-ইলেকট্রন লেজারের পালস দিয়ে, অণুটি ছিটকে যাওয়ার সময় পাওয়ার আগেই বিক্ষিপ্ত আলোর নকশা রেকর্ড হয়ে যায়। অণুটিকে জমাতে হয় না, কোনো অবলম্বনও লাগে না — তাকে উড়ন্ত অবস্থায় ধরা যায়। এখন পর্যন্ত এটি বড় ভাইরাসের ক্ষেত্রে কাজ করেছিল। কঠিন এক্স-রে দিয়ে একটি একক প্রোটিনের ত্রিমাত্রিক ছবি নাগালের বাইরেই ছিল।

শূন্যস্থানে কেঁচোর রক্ত

হামবুর্গের DESY-তে পল লুর্দু জেভিয়ার ও হেনরি চ্যাপম্যানের নেতৃত্বে, European XFEL ও বিশ্বজুড়ে কয়েক ডজন প্রতিষ্ঠানের সঙ্গে, একটি বড় আন্তর্জাতিক দল বেছে নেয় এরিথ্রোক্রুওরিন (erythrocruorin): একটি বিশাল হিমোগ্লোবিন, যা প্রায় একশোটি কেঁচোর রক্ত থেকে বিশুদ্ধ করা হয়েছে। এর ওজন ৩.৬ মেগাডাল্টন এবং এর আকৃতি অত্যন্ত প্রতিসম — একটির ওপর আরেকটি বসানো দুটি বলয়, মাঝখানে একটি ছিদ্র।

প্রোটিনগুলোকে সূক্ষ্ম ফোঁটায় ছিটিয়ে, নিস্তড়িৎ করে, একটি সরু রশ্মিতে কেন্দ্রীভূত করা হয়, যা একটি শূন্যস্থান-কক্ষের ভেতর দিয়ে সেকেন্ডে প্রায় ১০০ মিটার বেগে চলে। অবশিষ্ট গ্যাসের পটভূমি-আভা কমাতে হিলিয়াম যোগ করা হয়। এই রশ্মির আড়াআড়ি ছোড়া হয় জার্মানির শেনেফেল্ডের European XFEL থেকে পালস: ৬ কিলোইলেকট্রন-ভোল্টের এক্স-রে ফোটন, যা ১৮০ বাই ২২০ ন্যানোমিটারের একটি বিন্দুতে সংকুচিত, প্রতিটি পালস প্রায় ২৫ ফেমটোসেকেন্ড স্থায়ী।

প্রতিটি ঝলক অণুর প্রায় তিন-চতুর্থাংশ পরমাণুকে আয়নিত করে — কিন্তু ফলস্বরূপ বিস্ফোরণ ছবিটিকে ঝাপসা করার সময় পাওয়ার আগেই ঝলকটি শেষ হয়ে যায়।

একটি আকৃতির জন্য ২৭ কোটি ফ্রেম

২১ ঘণ্টায় ডিটেক্টর ২৭ কোটি ফ্রেম রেকর্ড করেছে।
এর মধ্যে মাত্র ১,৮৮,৫৫৭টিতে — ০.০৭% — একটি অপবর্তন-নকশা ছিল, বেশির ভাগই একটি একক প্রোটিনের।
সেরা ৫০,০০০টিকে একই রকম দেখার কোণের ১৪৪টি দলে সাজানো হয়, যা প্রায় ১৫ অ্যাংস্ট্রম বিভেদনের সমতল প্রক্ষেপ-ছবি দিয়েছে।
বাছাই করা ২৬,৯০৮টি নকশা থেকে দলটি ত্রিমাত্রায় অপবর্তন পুনর্গঠন করে, তারপর সবচেয়ে পরিষ্কার ১,২৪৮টি রেখে প্রায় ২০ অ্যাংস্ট্রমে প্রোটিনের ইলেকট্রনের একটি ত্রিমাত্রিক মানচিত্র হিসাব করে। এতে কেন্দ্রীয় ছিদ্র এবং পরিচিত গঠন থেকে প্রত্যাশিত ছয়-ভাঁজ প্রতিসাম্য দেখা যায়।

উড়ন্ত অবস্থায় সংকুচিত হওয়া প্রোটিন

সব ত্রিমাত্রিক পুনর্গঠনই পরিচিত ক্রিস্টাল গঠনের চেয়ে বেশি ঘন হয়েছে, বিশেষত ছোট অক্ষ বরাবর। দলটি এর উৎস খুঁজে পেয়েছে শূন্যস্থানেই: পানির বাইরে এসে প্রোটিনটি সংকুচিত হয়। পুরো অণুর কম্পিউটার সিমুলেশনও একমত — এটি প্রথম ন্যানোসেকেন্ডে ২.৫% সংকুচিত হয়, তারপর আরও ধীরে। অণুগুলোর মধ্যকার এই তারতম্যই সম্ভবত ত্রিমাত্রিক ছবিটি দ্বিমাত্রিকগুলোর চেয়ে ঝাপসা হওয়ার কারণ।

লেখকেরা পরের পদক্ষেপগুলোর তালিকা দেন: প্রোটিনকে এই ধসে পড়া থেকে রক্ষা করা — আরও ছোট ফোঁটা, আরও ছোট যাত্রা বা তাৎক্ষণিক হিমায়ন দিয়ে, অথবা একটি অতি-পাতলা তরল পর্দায় পৌঁছে দিয়ে; এবং আরও স্থির, আরও ছোট, আরও শক্তিশালী এক্স-রে পালস। সিমুলেশন দেখায়, ছবি যত স্পষ্ট হবে, বিকিরণজনিত ক্ষতি তত বেশি গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠবে।

একক অণুর চলচ্চিত্রের দিকে

বিশ অ্যাংস্ট্রম পরমাণু দেখা থেকে অনেক দূরে। কিন্তু লেখকেরা একে প্রায় তিন দশক ধরে অনুসৃত একটি লক্ষ্য হিসেবে বর্ণনা করেন: একটি একক, বিচ্ছিন্ন প্রোটিন, কঠিন এক্স-রে দিয়ে ত্রিমাত্রায় ছবি তোলা, কোনো ক্রিস্টাল বা হিমায়ন ছাড়াই। এর পরের প্রতিশ্রুতি হলো সময় — একটি প্রোটিনকে সক্রিয় করে তাকে চলার মাঝপথে ধরা, একটি একটি ঝলকে।