Med publiceringen av de första experimentella mätningarna som utfördes vid anläggningen, European X-ray Free-Electron Laser (EuXFEL) har passerat ytterligare en viktig milstolpe sedan lanseringen i september 2017. Det är den första av en "nästa generation" av XFEL:er som erbjuder mycket snabbare datainsamling än vad som var möjligt tidigare. Eftersom EuXFEL levererar röntgenpulser med den nästan otroliga hastigheten av en miljon pulser per sekund, experimentella mätningar kan slutföras snabbare, gör att fler experiment kan utföras per år. Det var dock inte självklart, att nuvarande mättekniker skulle kunna hantera denna störtflod av röntgenpulser. Forskare vid Max Planck Institute for Medical Research i Heidelberg och från Rutgers University i Newark, USA, arbetar med ett internationellt team av medarbetare och forskare från DESY och EuXFEL, har nu visat att detta inte bara kan göras, men också att högkvalitativ strukturell information om biologiska molekyler erhålls. Detta är ett genombrott för anläggningen och för strukturbiologer som använder XFEL över hela världen.

X-ray free-electron lasrar (XFEL) gör det möjligt för forskare att få tredimensionella bilder av biologiska molekyler med hjälp av ögonblicksbilder röntgenexponeringar som bara varar i femtosekunder. Sådana bilder kan kombineras för att leverera "filmer" av molekyler på den otroligt korta tidsskalan av kemiska reaktioner. Detta ger nya insikter i nanovärlden som inte bara är viktiga för grundläggande vetenskaper som sträcker sig från biologi till fysik, men också bidra till att främja utvecklingen mot nya och bättre läkemedel, batterier och lagringsmedia, och många andra saker.

Tyvärr, bara en handfull XFELs existerar över hela världen, och bara en bråkdel av de experiment som forskarna vill göra kan rymmas. Detta beror också på att originalet, "första generationens" XFEL:er levererar röntgenpulser med ungefär samma bildfrekvens som en TV-kamera, cirka 50 gånger per sekund. Dock, genom att använda supraledande resonator för att accelerera elektronerna som används för att producera röntgenstrålar, nya generationens XFELs som den europeiska XFEL (EuXFEL) levererar så många som en miljon pulser per sekund. Spänningen i samhället var därför enorm när EuXFEL invigdes för mindre än ett år sedan.

De nya möjligheterna för datainsamling med hög repetitionsfrekvens XFELs är, dock, åtföljd av helt nya utmaningar för forskarna som gör experimenten. Samma utomordentligt intensiva femtosekunds XFEL-pulser som gör att små föremål kan studeras, värmer också nödvändigtvis upp och förångar så småningom provet. Detta är inget problem i sig, eftersom femtosekundsröntgenögonblicksbilden har avslutats långt innan provet blåser isär. Extrem försiktighet måste iakttas, dock, att skadan från en XFEL-puls inte stör provet som ska sonderas av nästa puls. Provmediet måste därför flyttas mellan röntgenpulser, så att XFEL-strålen aldrig träffar nära samma plats två gånger. Vid 50 pulser per sekund görs detta enkelt; men med bara en miljondels sekund mellan pulserna var det inte självklart att det någonsin skulle vara möjligt.

Framgångsrika experiment

I juni 2018, forskare från avdelningen för biomolekylära mekanismer vid Max Planck-institutet för medicinsk forskning i Heidelberg tillsammans med ett internationellt forskarlag, leds av Ilme Schlichting, direktör vid Max Planck Institute, utförde ett av de första experimenten på EuXFEL. Teamet konfronterade och bemästrade utmaningarna i samband med EuXFEL-pulsernas snabba ankomst, framgångsrikt erhålla och fullständigt analysera högkvalitativa data för en mängd olika proteinmolekyler.

"I vår tidning, vi visar att, under rådande förhållanden, stötvågen som induceras av en XFEL-puls påverkar inte provet som sonderas av nästa puls, även när den andra pulsen kommer bara en miljondels sekund senare, säger Thomas Barends, en forskargruppsledare vid MPI och en av motsvarande författare. Data är av tillräckligt hög kvalitet för att även möjliggöra detaljerad analys av ett tidigare okarakteriserat prov. Detta är en milstolpe för anläggningen och av stor praktisk betydelse, med tanke på den snabbt växande efterfrågan på XFEL-stråletid. "EuXFEL tillåter oss att samla in mer data på mycket kortare tid, gör det möjligt för oss att göra ny vetenskap", säger Marie Grünbein, första författare till publikationen och en doktorsexamen. student vid Max Planck-institutet i Heidelberg.