Forskare är intresserade av proteinernas rumsliga struktur för att lära sig hur dessa biomolekyler fungerar. Denna kunskap kan leda till en bättre förståelse för biomolekylernas funktioner och för skräddarsydda läkemedel. Röntgenkristallografi är det främsta verktyget för att lösa proteinstrukturer. Dock, det kräver växande kristaller av de proteiner som undersöks. När röntgenstrålar träffar dessa kristaller, de diffrakteras från atomerna för att bilda ett karakteristiskt mönster från vilket kristallens rumsliga struktur - och därmed proteinmolekylerna - kan beräknas.

Dock, många proteiner gillar inte att pressas in i kristaller eftersom det motsäger deras naturliga tillstånd. "Att odla proteinkristaller är komplext. Mängden protein som kan produceras är ofta begränsat till några miljoner av ett gram, och ofta, bara mycket små kristaller kan erhållas, "säger Dominik Oberthür från DESY, rapportens huvudförfattare. Med de extremt ljusa blixtarna från röntgenfrielektronlasrar, även de mikrokristallerna kan analyseras, men vanligtvis behövs tusentals diffraktionsmönster för att lösa proteinstrukturen. Eftersom de känsliga mikrokristallerna förångas helt av den intensiva röntgenblixten efter att ha levererat sitt diffraktionsmönster, en ström av färska mikrokristaller skickas genom laserstrålen. Detta koncept är känt som seriell röntgenkristallografi, och har möjliggjort analys av många tidigare otillgängliga proteiner.

Fortfarande, även dessa mikrokristaller är svåra att få tag på, och bara en bråkdel träffas faktiskt av röntgenblixten, beroende på kristallströmmens geometri och röntgenlaserns tekniska parametrar. "Ju mindre kristaller, ju mindre proteinmaterial du behöver, desto mer genomförbar är analysen, " säger Oberthür. Bajts team utarbetade ett nytt koncept för ett så kallat dubbelflödesfokuserande munstycke (DFFN) som kraftigt minskar proteinkristallförbrukningen. Vanligtvis, proteinkristallerna injiceras med någon bärarvätskebuffert i röntgenstrålen med hjälp av ett speciellt munstycke. För att bilda en tunn stråle, bärarvätskan accelereras av en snabb gasström som omger vätskan. Men för att bilda en stabil jet, en minsta flödeshastighet behövs, slösar vanligtvis de flesta kristallerna i strålen.

För att övervinna dessa svårigheter, teamet lade till etanol som en sekundär "mantel"-vätska mellan gasen och bufferten. Detta leder till att mantelvätskan accelereras av gasen. Kristallerna i deras buffert kan sedan injiceras som en mycket tunn ström i mitten av etanolstrålen. "Innan, bufferten med kristallerna fick göra två jobb:bilda en stabil stråle och bära proteinkristaller, "förklarade Juraj Knoška, en Ph.D. student vid CFEL och University of Hamburg, som utvecklade munstyckena. "Vårt tillvägagångssätt skiljer dessa roller åt och använder de vätskor som är bäst för jobbet." Etanol har idealiska egenskaper för att bilda en mycket stabil jet, som flyter med bara en fin ström av den kristallbärande bufferten i mitten. Den här vägen, buffertens flödeshastighet kan reduceras från cirka 40 mikro liter (miljondelar liter) till bara två mikro liter per minut. Också, den fina, stabil ström av nanokristaller kan hållas exakt överlappande med den lilla strålen i röntgenlasern. Dessutom förbättrar minskningen av den totala flödeshastigheten kvaliteten på diffraktionsmönstren och den hastighet med vilken kristaller faktiskt träffas av röntgenblixtarna.

"Vi minskar inte bara kristallförbrukningen, men vårt dubbla flödesfokuseringsmunstycke gör också användningen av röntgenkällan mer effektiv genom att öka hastigheten med vilken vi samlar in högkvalitativa diffraktionsmönster, "säger Bajt." Dessutom, med hjälp av mantelvätskan kan vi undersöka proteiner i buffertar som inte kunde injiceras tidigare. Vårt koncept vidgar spektrumet av biomolekyler som kan analyseras." Hennes team testade det nya munstycket vid röntgenlasern LCLS vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA. Forskarna slog sig samman med olika grupper för att lösa strukturerna hos olika proteiner .

"Tillsammans med gruppen av Nobelpristagaren Roger Kornberg från Stanford University, vi kunde lösa strukturen för enzymet RNA -polymeras II vid rumstemperatur för första gången, "förklarar Oberthür." Eftersom kristallografi vid rumstemperatur är en förutsättning för att studera strukturell dynamik i detalj, detta öppnar dörren för framtida tidsupplösta studier eller "molekylära filmer" med detta viktiga system." Den nya enheten användes också för att analysera två andra enzymer, ett membranbundet hydrogenas och ett dioxygenas samt naturligt förekommande proteinnanokristaller, från den skyddande kokongen av ett specialiserat virus (Cydia pomonella granulovirus, CpGV).

Det dubbla flödesfokuseringsmunstycket tar också bort ett annat praktiskt problem med denna form av jetinjektion:Vanligtvis, vid kanten av konventionella munstycken, buffertmaterial, protein- och vattenis-kristaller aggregeras över tid för att bilda droppstenliknande egenskaper. Detsamma händer ofta i botten av uppsamlingstanken under munstycket. Om dessa protein-is-stalaktiter och stalagmiter växer in i röntgenstrålen, de gör inte bara diffraktionsmönstret värdelöst, deras reflektioner kan vara så starka att de förstör detektorn. Så, lite då och då, experiment måste avbrytas för att ta bort protein-isdroppstenarna. "Slidvätskan i vårt munstycke förhindrar bildandet av sådana oönskade strukturer. Det dubbla flödesfokuserade munstycket möjliggjorde stabila experimentella förhållanden i många timmar, "förklarar Oberthür.

"I alla experiment fungerade munstycket extremt bra, "sammanfattar Bajt." Vi kan minska antalet avbrott från tio till noll i ett skift, och vi förväntar oss att experimentstationer vid andra röntgenlasrar och vid synkrotronljuskällor som DESYs PETRA III också kan dra nytta av fördelarna med vår enhet. "