Forskare från MPSD:s avdelning för Atomically Resolved Dynamics vid Center for Free-Electron Laser Science, Center for Ultrafast Imaging (alla i Hamburg), University of Toronto i Kanada och ETH i Zürich, Schweiz, har utvecklat en ny metod för att se biomolekyler i arbete.

Denna metod förenklar inte bara experimentet, men accelererar det så mycket att många ögonblicksbilder nu kan spelas in i en enda experimentsession. Dessa kan sedan sättas samman till en time-lapse-sekvens som visar biologins molekylära grunder.

Allt liv är dynamiskt, och så är dess molekylära byggstenar. Biomolekylernas rörelser och strukturella förändringar är grundläggande för deras funktion. Dock, att förstå dessa dynamiska rörelser på molekylär nivå är en formidabel utmaning. En metod för att förstå dem är tidsupplöst röntgenkristallografi, där reaktionen av en biologisk molekyl utlöses och sedan tas ögonblicksbilder när den reagerar. Dock, dessa experiment är extremt tidskrävande.

Den nya hit-and-retur-metoden är skräddarsydd för studier av biologiskt relevanta reaktionstidsskalor, som är i storleksordningen millisekunder till sekunder eller till och med minuter. Dessa tidsskalor är av särskilt intresse för biologer och läkemedelsforskare, eftersom de ofta avslöjar de strukturella förändringar som är relevanta för en viss biologisk funktion eller omsättningen av ett läkemedel. Kombinationen av de mycket intensiva mikrofokuserade röntgenstrålarna som finns tillgängliga på beamline P14 från European Molecular Biology Laboratory (EMBL) och beamline P11 vid DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) med hit-and-retur-metoden gjorde det möjligt för teamet att förhöra ett viktigt enzym för nedbrytningen av konstgjorda föroreningar i aktion, på millisekunders tidsskalan.

Nyckeln till deras framgång var att hit-and-retur-metoden gör hela experimentet mycket snabbare än tidigare tillvägagångssätt. Medan en enda strukturell ögonblicksbild tidigare bara kunde erhållas efter flera timmars datainsamling, den nya hit-and-retur-metoden ger ungefär en tidpunkt per timme, oavsett fördröjningstid. Metoden fungerar så bra att det nu är möjligt att samla in många ögonblicksbilder i följd, låta forskarna spela in en time-lapse-sekvens av de strukturella förändringarna under en biomolekyls fullständiga reaktion inom ett enda 24-timmars experiment.

Denna nya metod har stor potential för befintliga och kommande synkrotronstrålningskällor med hög briljans. Eftersom det är mycket mindre tidskrävande, det kommer att tillåta många fler forskare att utföra tidsupplösta kristallografistudier. Tillsammans med EMBL och universitetet i Hamburg, med stöd av det tyska departementet för utbildning och forskning (BMBF), hit-and-return-metoden implementeras redan som en standardprovmiljö för den nya tidsupplösta makromolekylära kristallografiändstationen på EMBL-strållinjen P14 vid PETRA III-synkrotronen vid DESY.

Teamet förutser att många fler viktiga insikter om biokemiska processer kommer att komma till stånd genom att tillämpa sådana banbrytande teknologier. En djupare förståelse för dessa processer kommer, i tur och ordning, hjälpa till att svara på några av de mest angelägna frågorna om vår hälsa och miljö.