Ett internationellt forskargrupp har i realtid observerat hur fotbollsmolekyler av kolatomer spricker i strålen på en röntgenlaser. Studien visar det tidsmässiga förloppet av sprängprocessen, som tar mindre än en biljonedel av en sekund, och är viktigt för analys av känsliga proteiner och andra biomolekyler, som också studeras ofta med hjälp av ljusa röntgenlaserblixtar. Fotbollsmolekylerna sönderfaller långsammare och annorlunda än förväntat, som teamet kring Nora Berrah från University of Connecticut och Robin Santra från DESY rapporterar i tidningen Naturfysik . Denna observation bidrar till en mer detaljerad proteinanalys med röntgenfria elektronlasrar (XFEL).

Forskarna hade experimenterat med buckminster fullerener, eller buckyballs för kort. Dessa sfäriska molekyler består av 60 kolatomer arrangerade i alternerande femkanter och sexkantar som läderrock på en fotboll. "Buckyballs är väl lämpade som ett enkelt modellsystem för biomolekyler, "förklarar Santra, som är ledande forskare vid DESY vid Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) och fysikprofessor vid Universität Hamburg. "Eftersom de bara består av en typ av atomer och har en symmetrisk struktur, de kan vara väl representerade i teori och experiment. Detta är ett första steg före undersökningen av molekyler från olika typer av atomer. "

Använda röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien, forskarna sköt korta röntgenblixtar på cirka 20 femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund) längd på enskilda fotbollsmolekyler och observerade deras effekt i realtid med en tidsupplösning i intervallet cirka tio femtosekunder. Data visar att röntgenblixten slår ut elektroner ur ungefär var femte av de 60 kolatomerna. "Efter det, inget händer under en tid. Först efter några dussin femtosekunder lossnar kolatomer gradvis från molekylen, "rapporterar Santra.

"Det som följer då är inte en verklig explosion, "förklarar forskaren." Istället buckybollarna sönderfaller relativt långsamt. Kolatomer avdunstar gradvis - med många mer neutrala än elektriskt laddade, vilket var förvånande. "Eftersom fragmenteringen av buckybollarna i denna tidsskala inte är explosiv utan sker gradvis, forskarna talar om avdunstningen av atomerna. Experimentella data kunde endast tolkas meningsfullt med hjälp av teoretisk modellering av processen.

"Vanligtvis, cirka 25 neutrala och endast 15 elektriskt laddade kolatomer flyger ut från molekylen, "Santra förklarar." Resten bildar fragment av flera atomer. "Hela processen tar cirka 600 femtosekunder. Detta är fortfarande ofattbart kort av mänskliga standarder, men extremt lång för strukturanalys med röntgenlasrar. "I de typiskt 20 femtosekunderna av en röntgenlaserblixt, atomerna rör sig maximalt 0,1 nanometer - det vill säga i intervallet för enskilda atodiametrar och mindre än mätnoggrannheten för strukturanalys. "En nanometer är en miljonedel av en millimeter.

För strukturanalys av proteiner, forskare brukar odla små kristaller från biomolekylerna. Den ljusa röntgenlaserblixten diffrakteras sedan vid kristallgitteret och genererar ett typiskt diffraktionsmönster från vilket kristallstrukturen och med den rumsliga strukturen hos de enskilda proteinerna kan beräknas. Den proteinets rumsliga struktur avslöjar detaljer om dess exakta funktion. Proteinkristallerna är mycket känsliga och avdunstar genom röntgenlaserblixten. Dock, tidigare undersökningar hade visat att kristallen förblir intakt tillräckligt länge för att generera diffraktionsbilden före avdunstning och därmed avslöja dess rumsliga struktur.

Den nya studien bekräftar nu att detta också är fallet med enskilda molekyler som inte är bundna i ett kristallgitter. "Våra fynd med buckybollar kommer sannolikt att spela en roll i de flesta andra molekyler, "Säger Santra. Eftersom många biomolekyler är notoriskt svåra att kristallisera, forskare hoppas kunna bestämma strukturen för ensembler av icke-kristalliserade proteiner eller till och med enskilda biomolekyler med röntgenlasrar i framtiden. De erhållna resultaten lägger nu grunden för en djupare förståelse och kvantitativ modellering av strålningsskador i biomolekyler som orsakas av röntgenlaserblixter, forskarna skriver.