ஒரே புரதம், X-கதிர் மின்னலால் பறக்கும்போதே பிடிக்கப்பட்டது

ஒரு புரதம் எப்படிச் செயல்படுகிறது என்பதைக் காண, அது வடிவம் மாறுவதைக் கவனிக்க உயிரியலாளர்கள் விரும்புவர். அதற்கு, ஒற்றை மூலக்கூறைப் பல கோணங்களிலிருந்து, மிகக் குறுகிய அலைநீளம் கொண்ட கதிர்வீச்சால் காண வேண்டும். சிக்கல் என்னவென்றால், போதுமான வலிமை கொண்ட ஆய்வுக் கருவிகளான எலக்ட்ரான்களும் X-கதிர்களும், தாம் படம்பிடிக்கும் மூலக்கூறைச் சேதப்படுத்தவும் செய்கின்றன. உறைகுளிர் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கியல் (cryo-electron microscopy) ஆயிரக்கணக்கான மூலக்கூறுகளைப் பனியில் உறையவைத்து, இரைச்சல் மிக்க பல படங்களின் சராசரியை எடுப்பதன் மூலம் இதைத் தவிர்க்கிறது.

ஒவ்வொரு சிதறல் நிகழ்விலும் X-கதிர்கள் எலக்ட்ரான்களை விட ஏறக்குறைய ஆயிரம் மடங்கு அதிக ஆற்றலைக் கொட்டுகின்றன. ஆனால் ஒரு வழி உண்டு — “அழிவுக்கு முன் விளிம்பு விலகல்” (diffraction before destruction) என்று அறியப்படுவது: சில ஃபெம்டோவினாடிகள் மட்டுமே நீடிக்கும் ஒரு X-கதிர் கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர் (X-ray free-electron laser) துடிப்பைக் கொண்டு, மூலக்கூறு சிதறுவதற்கு நேரம் கிடைக்கும் முன்பே, சிதறிய ஒளியின் வடிவம் பதிவுசெய்யப்படுகிறது. மூலக்கூறுக்கு உறைதலோ தாங்கியோ தேவையில்லை — பறக்கும்போதே அதைப் பிடிக்கலாம். இதுவரை, இது பெரிய வைரஸ்களில் வெற்றிபெற்றிருந்தது. கடின X-கதிர்களால் முப்பரிமாணத்தில் படம்பிடிக்கப்பட்ட ஒற்றைப் புரதம் எட்டாத இலக்காகவே இருந்தது.

வெற்றிடத்தில் மண்புழு இரத்தம்

ஹாம்பர்க்கின் DESY-இல் உள்ள பால் லூர்து சேவியர், ஹென்றி சாப்மன் ஆகியோர் தலைமையில், European XFEL, உலகெங்கிலும் உள்ள டஜன் கணக்கான நிறுவனங்களுடன் சேர்ந்த ஒரு பெரிய பன்னாட்டுக் குழு எரித்ரோக்ரூயோரின்-ஐத் (erythrocruorin) தேர்ந்தெடுத்தது: ஏறக்குறைய நூறு மண்புழுக்களின் இரத்தத்திலிருந்து தூய்மைப்படுத்தப்பட்ட ஒரு மாபெரும் ஹீமோகுளோபின். அதன் எடை 3.6 மெகாடால்டன்; மிகுந்த சமச்சீரான வடிவம் கொண்டது — நடுவில் ஒரு துளையுடன் அடுக்கப்பட்ட இரண்டு வளையங்கள்.

புரதங்கள் நுண்ணிய துளிகளாகத் தெளிக்கப்பட்டு, மின்னூட்டம் நீக்கப்பட்டு, ஒரு வெற்றிட அறை வழியாக வினாடிக்கு ஏறக்குறைய 100 மீட்டர் வேகத்தில் செல்லும் ஒரு குறுகிய கற்றையாகக் குவிக்கப்பட்டன. மிஞ்சிய வாயுவிலிருந்து வரும் பின்னணி ஒளிர்வைக் குறைக்க ஹீலியம் சேர்க்கப்பட்டது. இந்தக் கற்றையின் குறுக்கே, ஜெர்மனியின் ஷெனெஃபெல்டில் உள்ள European XFEL-இலிருந்து துடிப்புகள் சுடப்பட்டன: 180-க்கு 220 நானோமீட்டர் புள்ளியில் நெருக்கப்பட்ட 6 கிலோஎலக்ட்ரான்வோல்ட் X-கதிர் ஃபோட்டான்கள்; ஒவ்வொரு துடிப்பும் ஏறக்குறைய 25 ஃபெம்டோவினாடிகள்.

ஒவ்வொரு மின்னலும் மூலக்கூறில் உள்ள அணுக்களில் ஏறக்குறைய நான்கில் மூன்று பங்கை அயனியாக்குகிறது — ஆனால் அதனால் ஏற்படும் வெடிப்பு படத்தை மங்கச் செய்ய நேரம் கிடைக்கும் முன்பே அது முடிந்துவிடுகிறது.

ஒரு வடிவத்துக்கு 27 கோடி சட்டகங்கள்

• 21 மணி நேரத்தில், கண்டறிவி 27 கோடி சட்டகங்களைப் பதிவுசெய்தது.
• அவற்றில் 188,557 மட்டுமே — 0.07% — ஒரு விளிம்பு விலகல் வடிவத்தைக் கொண்டிருந்தன; பெரும்பாலும் ஒற்றைப் புரதத்திலிருந்து.
• சிறந்த 50,000 வடிவங்கள், ஒத்த பார்வைக் கோணங்கள் கொண்ட 144 குழுக்களாகப் பிரிக்கப்பட்டன; அவை ஏறக்குறைய 15 ஆங்ஸ்ட்ராம் தெளிவுத்திறனில் தட்டையான வீழல் (projection) படங்களைத் தந்தன.
• தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட 26,908 வடிவங்களிலிருந்து, குழு விளிம்பு விலகலை முப்பரிமாணத்தில் மீண்டும் கட்டமைத்தது; பிறகு மிகத் தெளிவான 1,248-ஐ வைத்துக்கொண்டு ஏறக்குறைய 20 ஆங்ஸ்ட்ராமில் புரதத்தின் எலக்ட்ரான்களின் முப்பரிமாண வரைபடத்தைக் கணக்கிட்டது. அறியப்பட்ட கட்டமைப்பிலிருந்து எதிர்பார்க்கப்படும் மையத் துளையையும் ஆறுமடிச் சமச்சீரையும் அது காட்டுகிறது.

பறக்கும்போது சுருங்கும் ஒரு புரதம்

எல்லா முப்பரிமாண மறுகட்டமைப்புகளும், அறியப்பட்ட படிகக் கட்டமைப்பை விட அதிகச் சுருக்கமாக வந்தன — குறிப்பாகக் குறுகிய அச்சின் வழியே. குழு இதன் காரணத்தை வெற்றிடத்திலேயே கண்டது: நீரிலிருந்து வெளியே வந்ததும் புரதம் சுருங்குகிறது. முழு மூலக்கூறின் கணினி உருவகப்படுத்தல்களும் இதை ஒப்புக்கொள்கின்றன — முதல் நானோவினாடியில் அது 2.5% சுருங்குகிறது, பிறகு மெதுவாக. மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான இந்த மாறுபாடே, முப்பரிமாணப் படம் இருபரிமாணப் படங்களை விட மங்கலாக இருப்பதற்குக் காரணமாக இருக்கலாம்.

ஆய்வாளர்கள் அடுத்த படிகளைப் பட்டியலிடுகின்றனர்: சிறிய துளிகள், குறுகிய பயணம் அல்லது உடனடி உறையவைத்தல் மூலம், அல்லது மிக மெல்லிய திரவத் தாளில் கொண்டுசேர்ப்பதன் மூலம், இந்தச் சரிவிலிருந்து புரதங்களைப் பாதுகாத்தல்; மேலும் நிலையான, குறுகிய, வலிமையான X-கதிர் துடிப்புகள். படங்கள் கூர்மையாகும்போது கதிர்வீச்சுச் சேதம் அதிக முக்கியத்துவம் பெறும் என்று உருவகப்படுத்தல்கள் காட்டுகின்றன.

ஒற்றை மூலக்கூறுகளின் திரைப்படங்களை நோக்கி

இருபது ஆங்ஸ்ட்ராம், அணுக்களைக் காண்பதிலிருந்து வெகு தொலைவு. ஆனால் ஏறக்குறைய மூன்று தசாப்தங்களாகத் துரத்தப்பட்ட ஓர் இலக்காக ஆய்வாளர்கள் இதை விவரிக்கின்றனர்: படிகங்களோ உறையவைத்தலோ இல்லாமல், கடின X-கதிர்களால் முப்பரிமாணத்தில் படம்பிடிக்கப்பட்ட, தனிமைப்படுத்தப்பட்ட ஒற்றைப் புரதம். அதற்கு அப்பாலான வாக்குறுதி நேரம் — ஒரு புரதத்தைத் தூண்டி, இயக்கத்தின் நடுவே, ஒவ்வொரு மின்னலாக, அதைப் பிடிப்பது.