TEK BİR PROTEİN, BİR X-IŞINI FLAŞIYLA UÇARKEN YAKALANDI

Bir proteinin nasıl çalıştığını görmek için biyologlar onun biçim değiştirmesini izlemek ister. Bunu yapmak, tek bir molekülü pek çok açıdan, dalga boyu çok kısa bir ışınımla görmek demektir. Sorun şu ki yeterince güçlü tek sondalar olan elektronlar ve X-ışınları, görüntüledikleri moleküle zarar da veriyor. Kriyo-elektron mikroskopisi bu sorunu binlerce molekülü buzda dondurup çok sayıda gürültülü görüntünün ortalamasını alarak aşıyor.

X-ışınları her saçılma olayında elektronlardan yaklaşık bin kat daha fazla enerji bırakır. Ama bir açık kapı var: “yıkımdan önce kırınım” (diffraction before destruction) olarak bilinen yöntem. Yalnızca birkaç femtosaniye süren bir X-ışını serbest elektron lazeri darbesiyle, saçılan ışığın deseni molekül dağılmaya fırsat bulmadan kaydediliyor. Molekülün ne dondurulmaya ne de bir desteğe ihtiyacı var — uçarken yakalanabiliyor. Şimdiye dek bu yöntem büyük virüslerde işe yaramıştı. Sert X-ışınlarıyla 3B olarak görüntülenmiş tek bir protein ise ulaşılamaz kalmıştı.

Vakumda solucan kanı

Hamburg’daki DESY’den Paul Lourdu Xavier ve Henry Chapman liderliğinde, European XFEL ve dünyanın dört bir yanından onlarca kurumla birlikte çalışan büyük bir uluslararası ekip, eritrokruorini seçti: yaklaşık yüz toprak solucanının kanından saflaştırılmış dev bir hemoglobin. 3,6 megadalton ağırlığında ve son derece simetrik bir biçimi var: ortasında bir delik bulunan, üst üste dizilmiş iki halka.

Proteinler ince damlacıklar hâlinde püskürtüldü, nötrleştirildi ve bir vakum odasında saniyede yaklaşık 100 metre hızla ilerleyen dar bir demete odaklandı. Kalan gazdan gelen arka plan ışıltısını azaltmak için helyum eklendi. Bu demetin üzerine Almanya’nın Schenefeld kentindeki European XFEL’den darbeler ateşlendi: 180’e 220 nanometrelik bir noktaya sıkıştırılmış 6 kiloelektronvoltluk X-ışını fotonları, her darbe yaklaşık 25 femtosaniye sürüyor.

Her flaş, moleküldeki atomların yaklaşık dörtte üçünü iyonlaştırıyor — ama ardından gelen patlama görüntüyü bulanıklaştırmaya fırsat bulamadan sona eriyor.

Tek bir biçim için 270 milyon kare

21 saatte dedektör 270 milyon kare kaydetti.
Bunların yalnızca 188.557’si — %0,07’si — çoğunlukla tek bir proteinden gelen bir kırınım deseni içeriyordu.
En iyi 50.000 desen, benzer bakış açılarından oluşan 144 gruba ayrıldı; bunlar yaklaşık 15 ångström çözünürlükte düz izdüşüm görüntüleri verdi.
Seçilen 26.908 desenden ekip kırınımı üç boyutta yeniden oluşturdu, ardından en temiz 1.248’ini tutarak proteinin elektronlarının yaklaşık 20 ångström’de 3B haritasını hesapladı. Harita, bilinen yapıdan beklenen merkezî deliği ve altılı simetriyi gösteriyor.

Uçarken büzülen bir protein

Tüm 3B yeniden yapılandırmalar, bilinen kristal yapıdan daha kompakt çıktı, özellikle kısa eksen boyunca. Ekip bunun nedenini vakumun kendisinde buldu: sudan çıkan protein büzülüyor. Molekülün tamamının bilgisayar simülasyonları bununla uyuşuyor — ilk nanosaniyesinde %2,5 büzülüyor, sonra daha yavaş. Moleküller arasındaki bu farklılık, muhtemelen 3B görüntünün 2B görüntülerden daha bulanık olmasının nedeni.

Yazarlar sonraki adımları sıralıyor: proteinleri bu çöküşten korumak — daha küçük damlacıklarla, daha kısa bir yolculukla ya da ani dondurmayla, veya onları ultra ince bir sıvı tabakası içinde ulaştırarak; ve daha kararlı, daha kısa, daha güçlü X-ışını darbeleri. Simülasyonlar, görüntüler keskinleştikçe ışınım hasarının daha fazla önem kazanacağını gösteriyor.

Tek moleküllerin filmlerine doğru

Yirmi ångström, atomları görmekten çok uzak. Ama yazarlar bunu yaklaşık otuz yıldır peşinden koşulan bir hedef olarak tanımlıyor: kristal ya da dondurma olmadan, sert X-ışınlarıyla üç boyutta görüntülenmiş tek, yalıtılmış bir protein. Bunun ötesindeki vaat ise zaman — bir proteini tetikleyip onu hareketin ortasında, flaş flaş yakalamak.