एक प्रोटीन, एक्स-रे की कौंध में उड़ते हुए क़ैद

कोई प्रोटीन कैसे काम करता है, यह देखने के लिए जीवविज्ञानी उसे आकार बदलते देखना चाहेंगे। इसका मतलब है एक अकेले अणु को कई कोणों से, बहुत छोटी तरंगदैर्ध्य वाले विकिरण से देखना। समस्या यह है कि इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे, जो अकेले पर्याप्त शक्तिशाली जाँच-साधन हैं, जिस अणु की छवि बना रहे होते हैं उसे नुक़सान भी पहुँचाते हैं। क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी इससे बचने के लिए हज़ारों अणुओं को बर्फ़ में जमा देती है और शोर भरी बहुत-सी तस्वीरों का औसत निकालती है।

हर प्रकीर्णन घटना में एक्स-रे इलेक्ट्रॉनों की तुलना में लगभग हज़ार गुना ज़्यादा ऊर्जा छोड़ती हैं। लेकिन एक रास्ता है, जिसे “विनाश से पहले विवर्तन” (diffraction before destruction) कहते हैं: एक एक्स-रे फ़्री-इलेक्ट्रॉन लेज़र की सिर्फ़ कुछ फ़ेम्टोसेकंड चलने वाली पल्स से, बिखरी रोशनी का पैटर्न अणु के बिखरने का समय मिलने से पहले ही दर्ज हो जाता है। अणु को न जमाने की ज़रूरत है, न किसी सहारे की — उसे उड़ते हुए पकड़ा जा सकता है। अब तक यह बड़े वायरसों पर काम कर चुका था। कठोर एक्स-रे से एक अकेले प्रोटीन की 3D छवि पहुँच से बाहर बनी हुई थी।

निर्वात में केंचुए का ख़ून

हैम्बर्ग के DESY में पॉल लूर्दू ज़ेवियर और हेनरी चैपमैन के नेतृत्व में, European XFEL और दुनिया भर के दर्जनों संस्थानों के साथ, एक बड़ी अंतरराष्ट्रीय टीम ने एरिथ्रोक्रुओरिन (erythrocruorin) चुना: एक विशाल हीमोग्लोबिन, जिसे लगभग सौ केंचुओं के ख़ून से शुद्ध किया गया। इसका वज़न 3.6 मेगाडाल्टन है और इसका आकार बेहद सममित है — एक के ऊपर एक रखे दो छल्ले, जिनके बीच में एक छेद है।

प्रोटीनों को बारीक बूँदों में छिड़का गया, उदासीन किया गया और एक संकरी किरण में केंद्रित किया गया, जो एक निर्वात कक्ष से लगभग 100 मीटर प्रति सेकंड की रफ़्तार से गुज़रती थी। बची हुई गैस की पृष्ठभूमि चमक घटाने के लिए हीलियम मिलाई गई। इस किरण के आर-पार जर्मनी के शेनेफ़ेल्ड स्थित European XFEL से पल्सें दाग़ी गईं: 6 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट के एक्स-रे फ़ोटॉन, जिन्हें 180 गुणा 220 नैनोमीटर के एक धब्बे पर सिकोड़ा गया, और हर पल्स लगभग 25 फ़ेम्टोसेकंड चलती है।

हर कौंध अणु के लगभग तीन-चौथाई परमाणुओं को आयनित कर देती है — लेकिन इससे होने वाला विस्फोट तस्वीर को धुँधला कर सके, उससे पहले ही कौंध ख़त्म हो चुकी होती है।

एक आकार के लिए 27 करोड़ फ़्रेम

• 21 घंटों में डिटेक्टर ने 27 करोड़ फ़्रेम दर्ज किए।
• इनमें से सिर्फ़ 1,88,557 — 0.07% — में विवर्तन पैटर्न था, ज़्यादातर किसी एक प्रोटीन का।
• सबसे अच्छे 50,000 को मिलते-जुलते देखने के कोणों वाले 144 समूहों में छाँटा गया, जिससे लगभग 15 एंगस्ट्रॉम विभेदन वाली सपाट प्रक्षेप-छवियाँ मिलीं।
• चुने हुए 26,908 पैटर्नों से टीम ने तीन आयामों में विवर्तन को दोबारा बनाया, फिर सबसे साफ़ 1,248 को रखकर लगभग 20 एंगस्ट्रॉम पर प्रोटीन के इलेक्ट्रॉनों का एक 3D नक़्शा निकाला। यह बीच का छेद और ज्ञात संरचना से अपेक्षित छह-गुना सममिति दिखाता है।

उड़ान में सिकुड़ने वाला प्रोटीन

सभी 3D पुनर्निर्माण ज्ञात क्रिस्टल संरचना से ज़्यादा सघन निकले, ख़ास तौर पर छोटी धुरी के साथ। टीम ने इसका कारण ख़ुद निर्वात में पाया: पानी से बाहर आकर प्रोटीन सिकुड़ जाता है। पूरे अणु के कंप्यूटर सिम्युलेशन भी यही कहते हैं — वह अपने पहले नैनोसेकंड में 2.5% सिकुड़ता है, फिर धीरे-धीरे। अणुओं के बीच यह भिन्नता शायद इसकी वजह है कि 3D छवि 2D छवियों से ज़्यादा धुँधली है।

लेखक अगले क़दमों की सूची देते हैं: प्रोटीनों को इस सिकुड़न से बचाना — छोटी बूँदों, छोटे सफ़र या झटपट जमाने से, या उन्हें एक बेहद पतली तरल परत में पहुँचाकर; और ज़्यादा स्थिर, छोटी और शक्तिशाली एक्स-रे पल्सें। सिम्युलेशन दिखाते हैं कि जैसे-जैसे छवियाँ साफ़ होंगी, विकिरण से होने वाला नुक़सान ज़्यादा मायने रखेगा।

अकेले अणुओं की फ़िल्मों की ओर

बीस एंगस्ट्रॉम परमाणुओं को देखने से बहुत दूर है। लेकिन लेखक इसे लगभग तीन दशकों से पीछा किया जा रहा एक लक्ष्य बताते हैं: एक अकेला, अलग-थलग प्रोटीन, जिसकी छवि कठोर एक्स-रे से तीन आयामों में बनाई गई, बिना क्रिस्टल या जमाए। इससे आगे का वादा समय है — किसी प्रोटीन को सक्रिय करना और उसे गति के बीच पकड़ना, एक-एक कौंध करके।