Nowe metody obrazowania i nanokrystalografii z wykorzystaniem koherentnych femtosekundowych impulsów rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach

Jerzy B. Pełka 

Polish Academy of Sciences, Institute of Physics, al. Lotników 32/46, Warszawa 02-668, Poland

Abstract

Jak wiadomo, rozdzielczość metod dyfrakcji i obrazowania wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie ograniczona jest w sposób fundamentalny przez uszkodzenia radiacyjne. W przypadku obrazowania obiektów aperiodycznych zniszczenia wskutek radiacji uniemożliwiają zwykle zarejestrowanie obrazu o rozdzielczości porównywalnej z długością fali. W przypadku dyfrakcji omija się tę trudność dzięki zwielokrotnieniu „obiektu badań” – komórki elementarnej w periodycznej strukturze kryształu. Przy odpowiednio dużym krysztale pozwala to odtworzyć przestrzenne ułożenie atomów bazy. Dla kryształów białkowych wykazano, że minimalna liczba komórek elementarnych niezbędnych do odtworzenia przestrzennej struktury białka z rozdzielczością atomową jest rzędu 1017. Niestety, szacuje się, że trudności w wyhodowaniu odpowiedniej jakości kryształów molekularnych dotyczą aż ok. 40% białek, w tym np. większości szczególnie trudnych do krystalizacji białek transmembranowych, z którymi oddziałuje ponad 70% znanych obecnie leków. Z około 60 tys. struktur zgromadzonych w PDB tylko około setka należy do tej grupy.

Sytuację radykalnie może tu zmienić wprowadzenie nowych metod wykorzystujących koherentne rentgenowskie obrazowanie dyfrakcyjne (CXDI). Korzystają one z silnych femtosekundowych impulsów generowanych przez lasery na swobodnych elektronach, (FEL) - nowe źródła synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego. Wykazano doświadczalnie, że za pomocą ultrakrótkiego, rzędu 10 fs, impulsu rentgenowskiego o mocy szczytowej dochodzącej do kilku GW można zrekonstruować dwuwymiarowy obraz obiektu o rozmiarach submikronowych lub pojedynczej makromolekuły rejestrując obraz dyfrakcyjny, zanim badany obiekt ulegnie całkowitemu zniszczeniu. Do wyznaczenia struktury przestrzennej białka wystarczy strumień niezwiązanych z sobą molekuł, nie jest więc wymagany materiał badawczy w postaci skrystalizowanej.

W ostatnich latach potwierdzono eksperymentalnie zasadnicze założenia technik obrazowania i nanokrystalografii opartych na CXDI, korzystając m. in. z laserów na swobodnych elektronach FLASH w Hamburgu oraz LCLS na Uniwersytecie Stanforda. Już w pierwszych eksperymentach na tych urządzeniach uzyskano rozdzielczość porównywalną z długością fali źródła. Celem wykładu jest prezentacja nowych metod wykorzystujących CXDI, dotychczasowych rezultatów doświadczalnych, a także przedstawienie kluczowych wyzwań stojących przed rozwojem tych pionierskich technik. Wykład ilustrują m in. obrazy CXDI otrzymane dla nanostruktur, komórek i wirusów.

Możliwość badania struktury dowolnych białek stała się istotną przesłanką decyzji o budowie europejskiego rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach XFELw Hamburgu, który rozpocznie pracę pod koniec 2014 r. W przedsięwzięciu tym bierze także udział Polska.

 

Legal notice
  • Legal notice:

    Copyright (c) Pielaszek Research, all rights reserved.
    The above materials, including auxiliary resources, are subject to Publisher's copyright and the Author(s) intellectual rights. Without limiting Author(s) rights under respective Copyright Transfer Agreement, no part of the above documents may be reproduced without the express written permission of Pielaszek Research, the Publisher. Express permission from the Author(s) is required to use the above materials for academic purposes, such as lectures or scientific presentations.
    In every case, proper references including Author(s) name(s) and URL of this webpage: http://science24.com/paper/24856 must be provided.

 

Related papers
  1. 2D detectors technology and optics - relations to Nature
  2. Structure modifications in materials irradiated by ultra-short pulses of VUV free electron laser

Presentation: Invited oral at IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego, by Jerzy B. Pełka
See On-line Journal of IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego

Submitted: 2011-07-26 11:51
Revised:   2011-09-13 17:14