ఒక ప్రోటీన్, ఎక్స్-రే మెరుపుతో గాలిలో పట్టుబడింది

ఒక ప్రోటీన్ ఎలా పనిచేస్తుందో చూడడానికి, జీవశాస్త్రవేత్తలు అది ఆకారం మార్చుకోవడాన్ని గమనించాలనుకుంటారు. అలా చేయడమంటే, చాలా చిన్న తరంగదైర్ఘ్యం ఉన్న వికిరణంతో ఒకే అణువును అనేక కోణాల నుంచి చూడటం. సమస్య ఏమిటంటే, తగినంత బలమైన పరిశోధకాలు ఎలక్ట్రాన్లు, ఎక్స్-కిరణాలు మాత్రమే, అవి తాము చిత్రిస్తున్న అణువునే దెబ్బతీస్తాయి. క్రయో-ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శనం వేలాది అణువులను మంచులో గడ్డకట్టించి, అనేక రొదతో కూడిన చిత్రాల సగటు తీసి ఈ సమస్యను దాటుతుంది.

ప్రతి పరిక్షేపణ సంఘటనకూ ఎక్స్-కిరణాలు ఎలక్ట్రాన్ల కంటే సుమారు వెయ్యి రెట్లు ఎక్కువ శక్తిని గుమ్మరిస్తాయి. కానీ ఒక లొసుగు ఉంది, దాన్ని “విధ్వంసానికి ముందు వివర్తనం” (diffraction before destruction) అంటారు: కేవలం కొన్ని ఫెమ్టోసెకన్లు మాత్రమే ఉండే ఎక్స్-రే స్వేచ్ఛా-ఎలక్ట్రాన్ లేజర్ పల్స్‌తో, అణువు చెల్లాచెదురయ్యేలోపే పరిక్షేపిత కాంతి నమూనా నమోదవుతుంది. అణువును గడ్డకట్టించాల్సిన అవసరం లేదు, ఆధారం అవసరం లేదు — ఎగురుతుండగానే దాన్ని పట్టుకోవచ్చు. ఇప్పటివరకు ఇది పెద్ద వైరస్‌లపై పనిచేసింది. ఒకే ప్రోటీన్‌ను గట్టి ఎక్స్-కిరణాలతో త్రిమితీయంగా చిత్రించడం అందుబాటులో లేకుండానే ఉండిపోయింది.

శూన్యంలో వానపాము రక్తం

హాంబర్గ్‌లోని DESY కి చెందిన పాల్ లూర్దు జేవియర్ (Paul Lourdu Xavier), హెన్రీ చాప్‌మన్ (Henry Chapman) నేతృత్వంలోని ఒక పెద్ద అంతర్జాతీయ బృందం, European XFEL, ప్రపంచవ్యాప్తంగా డజన్ల కొద్దీ సంస్థలతో కలిసి, ఎరిత్రోక్రూరిన్ ను ఎంచుకుంది: సుమారు వంద వానపాముల రక్తం నుంచి శుద్ధి చేసిన ఒక భారీ హిమోగ్లోబిన్. దాని బరువు 3.6 మెగాడాల్టన్‌లు, దానికి అత్యంత సౌష్ఠవమైన ఆకారం ఉంది — మధ్యలో రంధ్రం ఉన్న, ఒకదానిపై ఒకటి పేర్చిన రెండు వలయాలు.

ప్రోటీన్లను సూక్ష్మ బిందువులుగా చల్లి, తటస్థీకరించి, శూన్య గది గుండా సెకనుకు సుమారు 100 మీటర్ల వేగంతో ప్రయాణించే ఒక సన్నని పుంజంగా కేంద్రీకరించారు. మిగిలిపోయిన వాయువు వల్ల వచ్చే నేపథ్య కాంతిని తగ్గించడానికి హీలియం కలిపారు. ఈ పుంజానికి అడ్డంగా జర్మనీలోని షెనెఫెల్డ్‌లో ఉన్న European XFEL నుంచి పల్స్‌లు ప్రయోగించారు: 6 కిలోఎలక్ట్రాన్‌వోల్ట్‌ల ఎక్స్-రే ఫోటాన్‌లు, 180 బై 220 నానోమీటర్ల బిందువుపై కుదించినవి, ప్రతి పల్స్ సుమారు 25 ఫెమ్టోసెకన్లు ఉంటుంది.

ప్రతి మెరుపూ అణువులోని సుమారు మూడొంతుల పరమాణువులను అయనీకరిస్తుంది — కానీ ఫలితంగా జరిగే పేలుడు చిత్రాన్ని మసకబార్చేలోపే అది ముగిసిపోతుంది.

ఒక ఆకారం కోసం 27 కోట్ల ఫ్రేమ్‌లు

• 21 గంటల్లో డిటెక్టర్ 27 కోట్ల ఫ్రేమ్‌లను నమోదు చేసింది.
• వాటిలో కేవలం 1,88,557 — 0.07% — లో వివర్తన నమూనా ఉంది, చాలావరకు ఒకే ప్రోటీన్ నుంచి.
• ఉత్తమమైన 50,000 ఫ్రేమ్‌లను ఒకేలాంటి చూసే కోణాల 144 సమూహాలుగా వర్గీకరించారు, దాంతో సుమారు 15 ఆంగ్‌స్ట్రామ్‌ల విభేదనతో సమతల ప్రక్షేప చిత్రాలు వచ్చాయి.
• ఎంచుకున్న 26,908 నమూనాల నుంచి బృందం వివర్తనాన్ని మూడు పరిమాణాల్లో పునర్నిర్మించి, తర్వాత అత్యంత శుభ్రమైన 1,248 ఉంచి, సుమారు 20 ఆంగ్‌స్ట్రామ్‌ల వద్ద ప్రోటీన్ ఎలక్ట్రాన్ల త్రిమితీయ పటాన్ని లెక్కించింది. తెలిసిన నిర్మాణం నుంచి ఆశించే మధ్య రంధ్రాన్ని, ఆరు రెట్ల సౌష్ఠవాన్ని అది చూపిస్తుంది.

ఎగురుతూ కుంచించుకుపోయే ప్రోటీన్

అన్ని త్రిమితీయ పునర్నిర్మాణాలూ తెలిసిన స్ఫటిక నిర్మాణం కంటే మరింత కుదించుకుని వచ్చాయి, ముఖ్యంగా చిన్న అక్షం వెంట. బృందం దీనికి కారణాన్ని శూన్యంలోనే గుర్తించింది: నీటి నుంచి బయటకు వస్తే ప్రోటీన్ సంకోచిస్తుంది. మొత్తం అణువు కంప్యూటర్ అనుకరణలు కూడా ఏకీభవిస్తాయి — దాని మొదటి నానోసెకనులో అది 2.5% కుంచించుకుపోతుంది, తర్వాత మరింత నెమ్మదిగా. అణువుల మధ్య ఈ వ్యత్యాసమే బహుశా త్రిమితీయ చిత్రం ద్విమితీయ చిత్రాల కంటే మసకగా ఉండడానికి కారణం.

రచయితలు తదుపరి అడుగులను పేర్కొంటారు: ఈ కుంగుబాటు నుంచి ప్రోటీన్లను కాపాడడం — చిన్న బిందువులు, తక్కువ దూర ప్రయాణం లేదా తక్షణ గడ్డకట్టించడం, లేదా అతి సన్నని ద్రవ పొరలో వాటిని అందించడం ద్వారా; మరింత స్థిరమైన, చిన్నవైన, శక్తివంతమైన ఎక్స్-రే పల్స్‌లు. చిత్రాలు స్పష్టమవుతున్న కొద్దీ వికిరణ నష్టం మరింత ముఖ్యమవుతుందని అనుకరణలు చూపిస్తాయి.

ఒంటరి అణువుల చలనచిత్రాల వైపు

ఇరవై ఆంగ్‌స్ట్రామ్‌లు పరమాణువులను చూడడానికి చాలా దూరం. కానీ రచయితలు దీన్ని దాదాపు మూడు దశాబ్దాలుగా వెంటాడిన లక్ష్యంగా వర్ణిస్తారు: ఒకే, వేరుచేసిన ప్రోటీన్, స్ఫటికాలు లేదా గడ్డకట్టించడం లేకుండా, గట్టి ఎక్స్-కిరణాలతో మూడు పరిమాణాల్లో చిత్రించబడటం. దాని ఆవల ఉన్న వాగ్దానం కాలం — ఒక ప్రోటీన్‌ను ప్రేరేపించి, కదలిక మధ్యలో దాన్ని పట్టుకోవడం, ఒక్కో మెరుపుతో.