Att förstå materiens beteende är avgörande för att utveckla vetenskapliga områden som biologi, kemi och materialvetenskap. Röntgenkristallografi har varit avgörande i denna strävan, vilket gör det möjligt för forskare att bestämma molekylära strukturer med precision.
I traditionella experiment med röntgenkristallografi exponeras en enda kristall för röntgenstrålar flera gånger för att erhålla diffraktionssignaler. Detta utgör ett problem där provets struktur har förändrats eller skadats av röntgenexponering.
Under de senaste åren har framsteg inom teknologin möjliggjort utvecklingen av "tidsupplöst seriell femtosekundkristallografi" (TR-SFX). I seriell kristallografi utsätts en kristall för röntgenstrålar endast en gång, vilket möjliggör mätning av provet i bästa möjliga tillstånd där kristallen inte skadas av röntgenstrålar. Detta kombineras sedan med den populära tidsupplösta tekniken, som gör att de strukturella förändringarna av molekyler i kristaller kan följas i realtid under en reaktion.
TR-SFX har dock hittills bara varit begränsad till studier av proteinprover. Om användningen av TR-SFX kan utvidgas till icke-proteinprover, kommer det att låsa upp möjligheter att undersöka rörelse i realtid över ett bredare utbud av material, inklusive de som är avgörande för halvledare och batterier.
För första gången har forskare under ledning av direktör IHEE Hyotcherl från Center for Advanced Reaction Dynamics inom Institute for Basic Science (IBS) tillämpat TR-SFX på ett annat system än proteiner. Arbetet har publicerats i Nature Chemistry .
Materialet de valde var ett prov som kallas porous coordination network–224(Fe), PCN–224(Fe), för att demonstrera genomförbarheten av seriell kristallografi på molekylär nivå, vilket gör att de kan observera molekylär rörelse i realtid med atomär upplösning.
Provet består av kolmonoxid (CO) adsorberad på järnporfyrin (Fe porfyrin) derivat och zirkonium (Zr) kluster som upprepas i ett metall-organiskt ramverk.
Anledningen till att TR-SFX tidigare var begränsad till att bara studera proteinprover var att det krävs mycket högre standarder för att utvärdera strukturerna hos icke-proteinprover. Därför var IBS-teamet tvunget att avsevärt förbättra specifikationen av kristallografin för att uppfylla dessa höga kriterier.
Teamets konfiguration avslöjade kristallstrukturen vid totalt 33 tidpunkter från 100 femtosekunder till 3 nanosekunder (10 -9 sekunder). Detta är ett framsteg jämfört med tidigare TR-SFX-studier av proteinerna, som vanligtvis rapporterar kristallstrukturer vid endast cirka 10 tidpunkter. Denna avsevärda ökning av tidsupplösning, nästan tre gånger större än tidigare studier på proteiner, möjliggjorde en mer exakt representation av strukturella förändringar under en lång tidsperiod.
När PCN-224(Fe) bestrålas med ljus, dissocieras CO som adsorberas på Fe-porfyrinet, vilket initierar en kaskad av strukturella förändringar. Genom att använda den förbättrade TR-SFX kunde forskare observera dessa strukturella förändringar med oöverträffad detalj – med en femtosekundsupplösning på 10 -15 sekunder och en atomupplösning på 10 -10 meter (eller ångström).
De kunde identifiera tre olika vägar för strukturell förändring:doming, förflyttning av järnatomer i järnporfyriner ut ur porfyrinplanet; fononläge för zirkonium- och järnatomer; och slumpmässiga vibrationsrörelser med ökande temperatur.
Med denna studie har forskarna visat att det är möjligt att tillämpa TR-SFX-mätningar på kemiska system, ett viktigt steg framåt för att visa teknikens praktiska funktion.
Studien markerar en viktig milstolpe för forskarsamhället eftersom det är första gången molekylärt beteende har observerats i realtid med seriell kristallografi. Genom att använda TR-SFX, en teknik som ger hög spatiotemporal upplösning, kunde teamet fånga små strukturella förändringar i fasta tillståndsmolekyler i realtid.
Direktör Ihee för Center for Advanced Molecular Reaction Dynamics sa:"Eftersom de tekniska framstegen och analytiska metoder som föreslås i denna studie kan användas i stor utsträckning för att observera många andra kristallina fasreaktioner av olika molekylära system, öppnar denna forskning inte bara nya horisonter på området av molekylär strukturforskning men har också oändliga tillämpningar i framtida vetenskapliga upptäckter."
Mer information: Dynamiska 3D-strukturer av ett metall-organiskt ramverk fångat med femtosekund seriell kristallografi, Naturkemi (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01460-w
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Institute for Basic Science
