یک پروتئین، در حال پرواز با درخشش پرتو ایکس به دام افتاد
زیست‌شناسان برای دیدن این‌که یک پروتئین چگونه کار می‌کند، دوست دارند تغییر شکل آن را تماشا کنند. این یعنی دیدن یک مولکول منفرد از زاویه‌های بسیار، با تابشی با طول موج بسیار کوتاه. مشکل این است که الکترون‌ها و پرتوهای ایکس، تنها کاوشگرهایی که به اندازهٔ کافی نیرومندند، به مولکولی که از آن تصویر می‌گیرند آسیب هم می‌زنند. میکروسکوپی الکترونی سرمایی (cryo-EM) با منجمد کردن هزاران مولکول در یخ و میانگین‌گیری از تصاویر پرنوفهٔ فراوان، از این مشکل می‌گریزد.
پرتوهای ایکس در هر رویداد پراکندگی حدود هزار برابر بیشتر از الکترون‌ها انرژی بر جا می‌گذارند. اما راه گریزی هست، معروف به «پراش پیش از نابودی» (diffraction before destruction): با تپی از یک لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس که تنها چند فمتوثانیه طول می‌کشد، الگوی نور پراکنده پیش از آن‌که مولکول فرصت از هم پاشیدن داشته باشد ثبت می‌شود. مولکول نه به انجماد نیاز دارد و نه به تکیه‌گاه — می‌توان آن را در حال پرواز شکار کرد. تاکنون این روش روی ویروس‌های بزرگ جواب داده بود. یک پروتئین منفرد، تصویربرداری‌شده به‌صورت سه‌بعدی با پرتو ایکس سخت، دست‌نیافتنی مانده بود.
خون کرم خاکی در خلأ
گروهی بزرگ و بین‌المللی به رهبری پل لوردو خاویر و هنری چپمن در DESY هامبورگ، همراه با European XFEL و ده‌ها مؤسسه در سراسر جهان، اریتروکروئورین را برگزیدند: هموگلوبینی غول‌پیکر که از خون حدود صد کرم خاکی خالص‌سازی شد. جرم آن ۳٫۶ مگادالتون است و شکلی بسیار متقارن دارد: دو حلقهٔ روی هم چیده‌شده با سوراخی در میان.
پروتئین‌ها به قطره‌هایی ریز افشانده، خنثی و به باریکه‌ای باریک متمرکز شدند که با سرعت حدود ۱۰۰ متر بر ثانیه از یک محفظهٔ خلأ می‌گذشت. هلیوم افزوده شد تا درخشش زمینه از گاز باقی‌مانده کاهش یابد. از عرض این باریکه، تپ‌هایی از European XFEL در شنفلد آلمان شلیک شد: فوتون‌های پرتو ایکس ۶ کیلوالکترون‌ولتی، فشرده در لکه‌ای به ابعاد ۱۸۰ در ۲۲۰ نانومتر، با طول هر تپ حدود ۲۵ فمتوثانیه.
هر درخش حدود سه‌چهارم اتم‌های مولکول را یونیده می‌کند — اما پیش از آن‌که انفجار ناشی از آن فرصت مبهم کردن تصویر را بیابد، به پایان رسیده است.
۲۷۰ میلیون قاب برای یک شکل
- در ۲۱ ساعت، آشکارساز ۲۷۰ میلیون قاب ثبت کرد.
- تنها ۱۸۸٬۵۵۷ قاب از آن‌ها — ۰٫۰۷٪ — یک الگوی پراش داشتند، عمدتاً از یک پروتئین منفرد.
- بهترین ۵۰ هزار الگو در ۱۴۴ گروه از زاویه‌های دید مشابه دسته‌بندی شدند که تصاویر تصویری (projection) تختی با وضوح حدود ۱۵ آنگستروم به دست دادند.
- گروه از ۲۶٬۹۰۸ الگوی برگزیده، پراش را به‌صورت سه‌بعدی بازسازی کرد و سپس ۱۲۴۸ الگوی تمیزتر را نگه داشت تا نقشه‌ای سه‌بعدی از الکترون‌های پروتئین با وضوح حدود ۲۰ آنگستروم محاسبه کند. این نقشه سوراخ مرکزی و تقارن شش‌گانه‌ای را که از ساختار شناخته‌شده انتظار می‌رود نشان می‌دهد.
پروتئینی که در پرواز چروک می‌شود
همهٔ بازسازی‌های سه‌بعدی فشرده‌تر از ساختار بلوری شناخته‌شده از آب درآمدند، به‌ویژه در امتداد محور کوتاه. گروه علت را در خودِ خلأ یافت: بیرون از آب، پروتئین منقبض می‌شود. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای کل مولکول با این همخوان‌اند — در نخستین نانوثانیه ۲٫۵٪ چروک می‌شود و سپس آهسته‌تر. این تفاوت میان مولکول‌ها احتمالاً دلیل آن است که تصویر سه‌بعدی از تصاویر دوبعدی تارتر است.
نویسندگان گام‌های بعدی را برمی‌شمارند: محافظت از پروتئین‌ها در برابر این فروریزش، با قطره‌های کوچک‌تر، مسیری کوتاه‌تر یا انجماد آنی، یا رساندن آن‌ها درون لایه‌ای فوق‌نازک از مایع؛ و تپ‌های پرتو ایکس پایدارتر، کوتاه‌تر و پرتوان‌تر. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که با واضح‌تر شدن تصاویر، آسیب تابشی اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد.
به سوی فیلم‌هایی از تک‌مولکول‌ها
بیست آنگستروم با دیدن اتم‌ها فاصلهٔ زیادی دارد. اما نویسندگان این را هدفی توصیف می‌کنند که نزدیک به سه دهه دنبال شده است: یک پروتئین منفرد و جداافتاده، تصویربرداری‌شده در سه بعد با پرتو ایکس سخت، بدون بلور یا انجماد. نوید فراتر از آن، زمان است — به راه انداختن یک پروتئین و شکار کردنش در میانهٔ حرکت، درخش به درخش.