PROTINI MOJA, ILIYONASWA IKIRUKA NA MMWEKO WA X-RAY

Ili kuona jinsi protini inavyofanya kazi, wanabiolojia wangependa kuitazama ikibadilisha umbo. Kufanya hivyo kunamaanisha kuona molekuli moja kutoka pembe nyingi, kwa mnururisho wenye urefu mfupi sana wa wimbi. Tatizo ni kwamba elektroni na X-ray, vichunguzi pekee vyenye nguvu za kutosha, pia huiharibu molekuli wanayoipiga picha. Hadubini ya elektroni ya kugandisha (cryo-EM) huikwepa changamoto hii kwa kugandisha maelfu ya molekuli ndani ya barafu na kuchukua wastani wa picha nyingi zenye kelele.

X-ray humwaga takriban mara elfu moja zaidi ya nishati kwa kila tukio la kutawanyika kuliko elektroni. Lakini kuna mwanya, unaojulikana kama “mtengano kabla ya uharibifu” (diffraction before destruction): kwa mpigo kutoka leza ya elektroni huru ya X-ray (X-ray free-electron laser) unaodumu femtosekunde chache tu, mchoro wa mwanga uliotawanyika hurekodiwa kabla molekuli haijapata muda wa kusambaratika. Molekuli haihitaji kugandishwa wala kushikiliwa — inaweza kunaswa ikiruka. Hadi sasa, hili lilikuwa limefanikiwa kwa virusi vikubwa. Protini moja, ikipigwa picha ya 3D kwa X-ray kali, ilikuwa bado haijafikiwa.

Damu ya nyungunyungu ndani ya ombwe

Timu kubwa ya kimataifa iliyoongozwa na Paul Lourdu Xavier na Henry Chapman wa DESY huko Hamburg, pamoja na European XFEL na taasisi kadhaa duniani kote, ilichagua erithrokruorini (erythrocruorin): himoglobini kubwa mno, iliyosafishwa kutoka damu ya nyungunyungu takriban mia moja. Ina uzito wa megadaltoni 3.6 na umbo lenye ulinganifu mkubwa, pete mbili zilizopangwa juu ya nyingine zenye tundu katikati.

Protini zilinyunyizwa kuwa matone madogo, zikaondolewa chaji na kuelekezwa kuwa boriti nyembamba inayosafiri kwa takriban mita 100 kwa sekunde kupitia chemba ya ombwe. Heliamu iliongezwa kupunguza mng’ao wa mandharinyuma kutoka kwa gesi iliyobaki. Mipigo kutoka European XFEL huko Schenefeld, Ujerumani, ilifyatuliwa ikivuka boriti hii: fotoni za X-ray za kiloelektronivolti 6, zilizobanwa kwenye kitone cha nanomita 180 kwa 220, kila mpigo ukidumu takriban femtosekunde 25.

Kila mmweko huioni takriban robo tatu ya atomu za molekuli — lakini unakuwa umekwisha kabla mlipuko unaofuata haujapata muda wa kufifisha picha.

Fremu milioni 270 kwa umbo moja

Katika saa 21, kigunduzi kilirekodi fremu milioni 270.
Ni 188,557 tu kati yake — 0.07% — zilizokuwa na mchoro wa mtengano, nyingi zikitoka kwa protini moja.
Fremu bora 50,000 zilipangwa katika makundi 144 ya pembe zinazofanana za kutazama, jambo lililotoa picha bapa za makadirio kwa ubora wa takriban angstromu 15.
Kutoka kwa michoro 26,908 iliyochaguliwa, timu iliujenga upya mtengano katika vipimo vitatu, kisha ikabakiza michoro 1,248 safi zaidi kukokotoa ramani ya 3D ya elektroni za protini kwa takriban angstromu 20. Inaonyesha tundu la katikati na ulinganifu wa mara sita unaotarajiwa kutoka kwa muundo unaojulikana.

Protini inayosinyaa ikiruka

Miundo yote ya 3D iliyojengwa upya ilitoka ikiwa imeshikamana zaidi kuliko muundo wa fuwele unaojulikana, hasa kando ya mhimili mfupi. Timu ilifuatilia chanzo cha hili hadi kwenye ombwe lenyewe: ikiwa nje ya maji, protini husinyaa. Uigaji wa kompyuta wa molekuli nzima unakubaliana — husinyaa kwa 2.5% katika nanosekunde yake ya kwanza, kisha polepole zaidi. Tofauti hii kati ya molekuli huenda ndiyo sababu picha ya 3D ina ukungu zaidi kuliko zile za 2D.

Waandishi wanaorodhesha hatua zinazofuata: kulinda protini dhidi ya kusinyaa huku, kwa matone madogo zaidi, safari fupi zaidi au kugandisha ghafla, au kwa kuziwasilisha katika utando mwembamba mno wa kimiminika; na mipigo ya X-ray iliyo thabiti zaidi, mifupi zaidi na yenye nguvu zaidi. Uigaji unaonyesha kwamba uharibifu wa mnururisho utakuwa na umuhimu zaidi kadiri picha zinavyokuwa safi zaidi.

Kuelekea filamu za molekuli moja moja

Angstromu ishirini bado ziko mbali na kuona atomu. Lakini waandishi wanalieleza hili kama lengo lililofuatiliwa kwa karibu miongo mitatu: protini moja, iliyojitenga, ikipigwa picha katika vipimo vitatu kwa X-ray kali, bila fuwele wala kugandisha. Ahadi iliyo zaidi ya hapo ni muda — kuichochea protini na kuinasa katikati ya mwendo, mmweko mmoja baada ya mwingine.