एक प्रथिन, क्ष-किरणांच्या झोताने उडताना टिपलेले

प्रथिन कसे काम करते हे पाहण्यासाठी जीवशास्त्रज्ञांना ते आकार बदलताना पाहायचे असते. त्यासाठी एकाच रेणूला अनेक कोनांतून, अतिशय लहान तरंगलांबीच्या प्रारणाने पाहावे लागते. अडचण अशी की इलेक्ट्रॉन आणि क्ष-किरण — पुरेसे शक्तिशाली असलेले एकमेव शोधक — ज्या रेणूचे चित्र घेतात त्यालाच हानी पोहोचवतात. क्रायो-इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शन हजारो रेणू बर्फात गोठवून आणि अनेक गोंगाटयुक्त चित्रांची सरासरी काढून यावर मार्ग काढते.

प्रत्येक विकिरण-घटनेत क्ष-किरण इलेक्ट्रॉनपेक्षा सुमारे हजारपट अधिक ऊर्जा ओततात. पण यात एक पळवाट आहे, जी “विनाशापूर्वी विवर्तन” (diffraction before destruction) म्हणून ओळखली जाते: फक्त काही फेम्टोसेकंद टिकणाऱ्या क्ष-किरण मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेसरच्या (X-ray free-electron laser) स्पंदाने, रेणू विखुरण्याआधीच विकिरित प्रकाशाचा आकृतिबंध नोंदवला जातो. रेणूला गोठवण्याची गरज नसते, आधाराची गरज नसते — तो उडत असतानाच टिपता येतो. आतापर्यंत हे मोठ्या विषाणूंवर यशस्वी झाले होते. एकाच प्रथिनाची कठोर क्ष-किरणांनी त्रिमितीय प्रतिमा घेणे आवाक्याबाहेरच राहिले होते.

निर्वातातील गांडुळाचे रक्त

हॅम्बुर्गमधील DESY चे पॉल लौर्दु झेवियर (Paul Lourdu Xavier) आणि हेन्री चॅपमन (Henry Chapman) यांच्या नेतृत्वाखालील एका मोठ्या आंतरराष्ट्रीय संघाने, European XFEL आणि जगभरातील डझनावारी संस्थांसोबत, एरिथ्रोक्रुओरिन निवडले: सुमारे शंभर गांडुळांच्या रक्तातून शुद्ध केलेले एक महाकाय हिमोग्लोबिन. त्याचे वस्तुमान 3.6 मेगाडाल्टन आहे आणि त्याचा आकार अत्यंत सममित आहे — एकावर एक रचलेली दोन वलये, मध्यभागी छिद्र असलेली.

प्रथिने सूक्ष्म थेंबांच्या रूपात फवारली गेली, विद्युतभाररहित केली गेली आणि एका निर्वात कक्षातून सुमारे 100 मीटर प्रतिसेकंद वेगाने जाणाऱ्या एका अरुंद शलाकेत केंद्रित केली गेली. उरलेल्या वायूमुळे येणारी पार्श्वभूमीतील चमक कमी करण्यासाठी हेलियम मिसळला गेला. या शलाकेला छेदून जर्मनीतील शेनेफेल्ड येथील European XFEL मधून स्पंद सोडले गेले: 6 किलोइलेक्ट्रॉनव्होल्टचे क्ष-किरण फोटॉन, 180 बाय 220 नॅनोमीटरच्या ठिपक्यावर एकवटलेले, प्रत्येक स्पंद सुमारे 25 फेम्टोसेकंद टिकणारा.

प्रत्येक झोत रेणूतील सुमारे तीन चतुर्थांश अणूंचे आयनीकरण करतो — पण परिणामी होणाऱ्या स्फोटाला चित्र धूसर करण्यास वेळ मिळण्याआधीच तो संपलेला असतो.

एका आकारासाठी 27 कोटी चित्रचौकटी

21 तासांत डिटेक्टरने 27 कोटी चित्रचौकटी नोंदवल्या.
त्यांपैकी फक्त 1,88,557 — 0.07% — मध्ये विवर्तन-आकृतिबंध होता, बहुतेक एकाच प्रथिनाचा.
सर्वोत्तम 50,000 चौकटी सारख्या पाहण्याच्या कोनांच्या 144 गटांत वर्गीकृत केल्या गेल्या, ज्यातून सुमारे 15 अँगस्ट्रॉम विभेदनाच्या सपाट प्रक्षेपण-प्रतिमा मिळाल्या.
निवडलेल्या 26,908 आकृतिबंधांतून संघाने त्रिमितीत विवर्तनाची पुनर्रचना केली, आणि मग सर्वांत स्वच्छ 1,248 ठेवून सुमारे 20 अँगस्ट्रॉमवर प्रथिनाच्या इलेक्ट्रॉनांचा त्रिमितीय नकाशा काढला. ज्ञात रचनेवरून अपेक्षित असलेले मध्यवर्ती छिद्र आणि षट्-पटीय सममिती तो दाखवतो.

उडताना आकुंचन पावणारे प्रथिन

सर्व त्रिमितीय पुनर्रचना ज्ञात स्फटिक-रचनेपेक्षा अधिक आटोपशीर आल्या, विशेषतः लहान अक्षाच्या दिशेने. संघाने याचे मूळ निर्वातातच शोधले: पाण्याबाहेर प्रथिन आकुंचन पावते. संपूर्ण रेणूचे संगणकीय सिम्युलेशनही याच्याशी सहमत आहेत — पहिल्या नॅनोसेकंदात ते 2.5% आकुंचन पावते, नंतर अधिक हळूहळू. रेणूंमधील हा फरक हेच बहुधा त्रिमितीय प्रतिमा द्विमितीय प्रतिमांपेक्षा अधिक धूसर असण्याचे कारण आहे.

लेखक पुढच्या पायऱ्या नमूद करतात: या आकुंचनापासून प्रथिनांचे संरक्षण — लहान थेंब, कमी अंतराचा प्रवास किंवा झटपट गोठवणे, किंवा अतिपातळ द्रव-पटलातून त्यांचा पुरवठा; आणि अधिक स्थिर, अधिक अल्पकालीन, अधिक शक्तिशाली क्ष-किरण स्पंद. सिम्युलेशन दाखवतात की प्रतिमा जसजशा अधिक स्पष्ट होतील तसतसे प्रारणामुळे होणारी हानी अधिक महत्त्वाची ठरेल.

एकेकट्या रेणूंच्या चलचित्रांकडे

वीस अँगस्ट्रॉम म्हणजे अणू पाहण्यापासून खूप दूर. पण लेखक याचे वर्णन जवळजवळ तीन दशके पाठलाग केलेले ध्येय असे करतात: एकच, विलग प्रथिन, कठोर क्ष-किरणांनी त्रिमितीत चित्रित, स्फटिकांशिवाय आणि गोठवल्याशिवाय. त्यापलीकडचे आश्वासन म्हणजे काळ — प्रथिनाला चालना देऊन त्याला हालचालीच्या मध्यात टिपणे, एकेका झोताने.