SATU PROTEIN, TERTANGKAP SAAT MELAYANG OLEH KILATAN SINAR-X

Untuk memahami cara kerja sebuah protein, para ahli biologi ingin melihatnya berubah bentuk. Itu berarti melihat satu molekul tunggal dari banyak sudut, dengan radiasi yang panjang gelombangnya sangat pendek. Masalahnya, elektron dan sinar-X, satu-satunya penyelidik yang cukup kuat, juga merusak molekul yang sedang dicitrakan. Mikroskopi krio-elektron menyiasatinya dengan membekukan ribuan molekul dalam es dan merata-ratakan banyak gambar yang berderau.

Sinar-X melepaskan energi sekitar seribu kali lebih banyak per peristiwa hamburan dibandingkan elektron. Namun ada celah, yang dikenal sebagai “difraksi sebelum penghancuran”: dengan pulsa dari laser elektron bebas sinar-X yang hanya berlangsung beberapa femtodetik, pola cahaya terhambur sudah terekam sebelum molekul sempat tercerai-berai. Molekul itu tidak perlu dibekukan dan tidak perlu penyangga — ia dapat ditangkap saat melayang. Hingga kini, cara ini berhasil pada virus-virus besar. Satu protein tunggal, dicitrakan dalam 3D dengan sinar-X keras, masih berada di luar jangkauan.

Darah cacing tanah di ruang hampa

Sebuah tim internasional besar yang dipimpin Paul Lourdu Xavier dan Henry Chapman di DESY, Hamburg, bersama European XFEL dan puluhan lembaga di seluruh dunia, memilih eritrokruorin: hemoglobin raksasa yang dimurnikan dari darah sekitar seratus ekor cacing tanah. Massanya 3,6 megadalton dan bentuknya sangat simetris, berupa dua cincin bertumpuk dengan lubang di tengahnya.

Protein-protein itu disemprotkan menjadi tetesan halus, dinetralkan, dan difokuskan menjadi berkas sempit yang melaju sekitar 100 meter per detik melintasi ruang hampa. Helium ditambahkan untuk mengurangi pendar latar dari sisa gas. Melintang terhadap berkas ini ditembakkan pulsa-pulsa dari European XFEL di Schenefeld, Jerman: foton sinar-X berenergi 6 kiloelektronvolt, dipadatkan ke titik berukuran 180 kali 220 nanometer, dengan setiap pulsa berlangsung sekitar 25 femtodetik.

Setiap kilatan mengionisasi sekitar tiga perempat atom dalam molekul — tetapi kilatan itu sudah usai sebelum ledakan yang ditimbulkannya sempat mengaburkan gambar.

270 juta bingkai untuk satu bentuk

Dalam 21 jam, detektor merekam 270 juta bingkai.
Hanya 188.557 di antaranya — 0,07% — yang memuat pola difraksi, sebagian besar dari satu protein tunggal.
50.000 yang terbaik dipilah ke dalam 144 kelompok dengan sudut pandang serupa, yang menghasilkan citra proyeksi datar beresolusi sekitar 15 ångström.
Dari 26.908 pola terpilih, tim membangun ulang difraksinya dalam tiga dimensi, lalu menyimpan 1.248 yang paling bersih untuk menghitung peta 3D elektron-elektron protein itu pada sekitar 20 ångström. Peta ini memperlihatkan lubang di tengah dan simetri lipat enam yang diharapkan dari struktur yang sudah diketahui.

Protein yang menyusut saat melayang

Semua rekonstruksi 3D ternyata lebih padat daripada struktur kristal yang sudah diketahui, terutama di sepanjang sumbu pendeknya. Tim menelusurinya ke ruang hampa itu sendiri: di luar air, protein mengerut. Simulasi komputer atas seluruh molekul sejalan dengan temuan ini — protein menyusut 2,5% dalam nanodetik pertamanya, lalu lebih lambat. Variasi antarmolekul inilah yang kemungkinan membuat citra 3D lebih kabur daripada citra 2D.

Para penulis mendaftar langkah selanjutnya: melindungi protein dari keruntuhan ini, dengan tetesan yang lebih kecil, perjalanan yang lebih singkat atau pembekuan kilat, atau dengan mengantarkannya dalam lembaran cairan yang sangat tipis; serta pulsa sinar-X yang lebih stabil, lebih singkat, dan lebih kuat. Simulasi menunjukkan bahwa kerusakan akibat radiasi akan makin berpengaruh seiring citra menjadi lebih tajam.

Menuju film molekul tunggal

Dua puluh ångström masih jauh dari cukup untuk melihat atom. Namun para penulis menggambarkan ini sebagai tujuan yang telah dikejar selama hampir tiga dekade: satu protein tunggal yang terisolasi, dicitrakan dalam tiga dimensi dengan sinar-X keras, tanpa kristal maupun pembekuan. Janji di baliknya adalah dimensi waktu — memicu sebuah protein dan menangkapnya di tengah gerakan, satu kilatan demi satu.