ایک پروٹین، اڑان کے دوران ایکسرے کی چمک میں قید

یہ سمجھنے کے لیے کہ کوئی پروٹین کیسے کام کرتا ہے، ماہرینِ حیاتیات اسے شکل بدلتے دیکھنا چاہیں گے۔ اس کا مطلب ہے ایک واحد سالمے کو بہت چھوٹی طولِ موج والی شعاعوں سے کئی زاویوں سے دیکھنا۔ مسئلہ یہ ہے کہ الیکٹران اور ایکسرے، جو واحد کافی طاقتور ذرائع ہیں، جس سالمے کی تصویر لیتے ہیں اسے نقصان بھی پہنچاتے ہیں۔ کرائیو الیکٹران خوردبینی اس مسئلے سے یوں بچتی ہے کہ ہزاروں سالمات کو برف میں منجمد کر کے بہت سی دھندلی تصویروں کی اوسط لیتی ہے۔

ایکسرے ہر بکھراؤ کے واقعے میں الیکٹرانوں کے مقابلے میں تقریباً ہزار گنا زیادہ توانائی چھوڑتی ہیں۔ لیکن ایک چور دروازہ موجود ہے، جسے “تباہی سے پہلے انعطاف” (diffraction before destruction) کہا جاتا ہے: ایکسرے فری الیکٹران لیزر کی ایک نبض، جو صرف چند فیمٹو سیکنڈ کی ہوتی ہے، کے ساتھ بکھری ہوئی روشنی کا نمونہ سالمے کے بکھرنے کا وقت آنے سے پہلے ہی ریکارڈ ہو جاتا ہے۔ سالمے کو نہ منجمد کرنے کی ضرورت ہے نہ کسی سہارے کی — اسے اڑتے ہوئے پکڑا جا سکتا ہے۔ اب تک یہ طریقہ بڑے وائرسوں پر کامیاب رہا تھا۔ ایک واحد پروٹین کی سخت ایکسرے سے سہ جہتی تصویر اب تک پہنچ سے باہر تھی۔

خلا میں کیچوے کا خون

ہیمبرگ کے DESY میں پال لوردو زیویئر اور ہنری چیپمین کی قیادت میں ایک بڑی بین الاقوامی ٹیم نے، European XFEL اور دنیا بھر کے درجنوں اداروں کے ساتھ، ایریتھروکروورن کا انتخاب کیا: ایک دیوہیکل ہیموگلوبن، جو تقریباً سو کیچووں کے خون سے صاف کر کے حاصل کیا گیا۔ اس کا وزن 3.6 میگا ڈالٹن ہے اور اس کی شکل انتہائی متشاکل ہے، یعنی ایک دوسرے کے اوپر رکھے دو حلقے جن کے بیچ میں ایک سوراخ ہے۔

پروٹینز کو باریک قطروں میں چھڑکا گیا، ان کا برقی بار ختم کیا گیا اور انہیں ایک تنگ شعاع میں مرتکز کیا گیا جو ایک خلائی خانے (vacuum chamber) سے تقریباً 100 میٹر فی سیکنڈ کی رفتار سے گزرتی تھی۔ بچی کھچی گیس سے آنے والی پس منظر کی چمک کم کرنے کے لیے ہیلیم شامل کی گئی۔ اس شعاع کے آر پار جرمنی کے شہر شینیفیلڈ میں واقع European XFEL کی نبضیں داغی گئیں: 6 کلو الیکٹران وولٹ کے ایکسرے فوٹون، جو 180 ضرب 220 نینو میٹر کے ایک نقطے پر مرتکز تھے، اور ہر نبض تقریباً 25 فیمٹو سیکنڈ کی تھی۔

ہر چمک سالمے کے تقریباً تین چوتھائی ایٹموں کو آئنائز کر دیتی ہے — لیکن یہ اس سے پیدا ہونے والے دھماکے کے تصویر کو دھندلانے سے پہلے ہی ختم ہو جاتی ہے۔

ایک شکل کے لیے 27 کروڑ فریم

• 21 گھنٹوں میں ڈیٹیکٹر نے 27 کروڑ فریم ریکارڈ کیے۔
• ان میں سے صرف 188,557 — یعنی 0.07% — میں انعطاف کا کوئی نمونہ تھا، زیادہ تر ایک واحد پروٹین کا۔
• بہترین 50,000 کو ملتے جلتے زاویوں کے 144 گروہوں میں ترتیب دیا گیا، جس سے تقریباً 15 اینگسٹروم کی وضاحت والی ہموار دو جہتی عکسی تصویریں حاصل ہوئیں۔
• 26,908 منتخب نمونوں سے ٹیم نے انعطاف کو تین جہتوں میں دوبارہ تشکیل دیا، پھر سب سے صاف 1,248 نمونے رکھ کر پروٹین کے الیکٹرانوں کا تقریباً 20 اینگسٹروم کا سہ جہتی نقشہ تیار کیا۔ اس میں مرکزی سوراخ اور وہ چھ گنا تشاکل نظر آتا ہے جس کی معلوم ساخت سے توقع تھی۔

اڑان میں سکڑتا پروٹین

تمام سہ جہتی تشکیلِ نو معلوم قلمی ساخت سے زیادہ گٹھی ہوئی نکلیں، خاص طور پر چھوٹے محور کے ساتھ۔ ٹیم نے اس کا سراغ خود خلا تک لگایا: پانی سے باہر پروٹین سکڑ جاتا ہے۔ پورے سالمے کی کمپیوٹر سیمولیشنز بھی اس سے متفق ہیں — یہ اپنے پہلے نینو سیکنڈ میں 2.5% سکڑتا ہے، پھر آہستہ آہستہ۔ سالمات کے درمیان یہی فرق غالباً اس کی وجہ ہے کہ سہ جہتی تصویر دو جہتی تصویروں سے زیادہ دھندلی ہے۔

مصنفین اگلے اقدامات گنواتے ہیں: پروٹینز کو اس انہدام سے بچانا، چھوٹے قطروں، مختصر سفر یا فوری انجماد کے ذریعے، یا انہیں مائع کی ایک انتہائی پتلی تہہ میں پہنچا کر؛ اور زیادہ مستحکم، مختصر اور طاقتور ایکسرے نبضیں۔ سیمولیشنز دکھاتی ہیں کہ جیسے جیسے تصویریں واضح ہوں گی، شعاعی نقصان زیادہ اہمیت اختیار کرے گا۔

واحد سالمات کی فلموں کی جانب

بیس اینگسٹروم ایٹموں کو دیکھنے سے بہت دور ہے۔ لیکن مصنفین اسے ایک ایسا ہدف قرار دیتے ہیں جس کا تقریباً تین دہائیوں سے تعاقب کیا جا رہا تھا: ایک واحد، الگ تھلگ پروٹین، جس کی سخت ایکسرے سے، قلموں یا انجماد کے بغیر، سہ جہتی تصویر لی گئی۔ اس سے آگے کا وعدہ وقت ہے — کسی پروٹین کو متحرک کرنا اور اسے حرکت کے بیچ میں پکڑنا، ایک وقت میں ایک چمک۔