För att studera biologins snabbhet - proteinkemin bakom varje livsfunktion - måste forskare se molekyler förändras och interagera i ofattbart snabba tidsintervaller - biljoner sekunder av en sekund eller kortare.

Bildutrustning med den typen av hastighet testades äntligen förra året på den europeiska röntgenfrielektronlasern, eller EuXFEL. Nu, ett team av fysiker från University of Wisconsin-Milwaukee har slutfört anläggningens första molekylära film, eller "kartläggning, "av ultrasnabb rörelse av proteiner.

Med denna förmåga, forskare kan se hur proteiner gör sitt jobb ordentligt-eller hur deras formförändring går snett, orsakar sjukdom.

"Att skapa kartor över ett proteins fysiska funktion öppnar dörren för att svara på mycket större biologiska frågor, "sa Marius Schmidt, en UWM -professor i fysik som utformade experimentet. "Man kan säga att EuXFEL nu kan ses som ett verktyg som hjälper till att rädda liv."

Deras resultat markerar en ny ålder av proteinforskning som gör att enzymer som är involverade i sjukdomar kan observeras i realtid för meningsfulla varaktigheter i oöverträffad klarhet. Tidningen publiceras idag online i tidningen Naturmetoder .

EuXFEL producerar intensiva röntgenstrålar i extremt korta pulser med en megahertz-hastighet-en miljon pulser per sekund. Strålarna riktar sig mot kristaller som innehåller proteiner, i en metod som kallas röntgenkristallografi. När en kristall träffas av röntgenpulsen, det diffrakterar strålen, spridning i ett visst mönster som avslöjar var atomerna är och producerar en "ögonblicksbild".

De snabbt eldande röntgenpulserna producerar 2-D-ögonblicksbilder av varje mönster från hundratusentals vinklar där strålen landar på kristallen. De rekonstrueras matematiskt till rörliga 3-D-bilder som visar förändringar i atomerna med tiden.

Den europeiska XFEL, som öppnade förra året, har tagit denna atomkartläggning till en ny nivå. Extremt kraftfulla skurar innehåller röntgenpulser vid en kvadriljondel av en sekund, i "bursts" som inträffar med 100 millisekunders intervall.

Schmidts experiment började med en blixt av blått, synligt ljus som inducerade en kemisk reaktion inuti proteinkristallen, följt omedelbart av en intensiv röntgenstråle i megahertz-pulser som ger "ögonblicksbilder".

Det är ett experiment som han först genomförde 2014 vid U.S. Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien. Där, han och hans elever kunde dokumentera atomförändringar i deras proteinprov för första gången på en XFEL.

Senare, 2016, de kunde kartlägga omorganiseringen av atomer inom det tidsintervall som proteiner tar för att ändra form - kvadriljondelar av en sekund (femtosekunder) upp till 3 biljoner sekunder av (picosekunder). På en picosekund, vilket är en biljonedel av en sekund, ljus färdas längden på perioden i slutet av denna mening.

Tidigare tidsupplöst kristallografi på deras fotoreaktiva protein hade redan slutförts med andra röntgenkällor som kan avbilda tidsskalor större än 100 pikosekunder, lämnar ett tomrum på okänd tid mellan 3 och 100 pikosekunder som forskarna kunde fylla med EuXFEL.

Laserns exceptionella ljusstyrka och megahertz-röntgenpulsfrekvensen gjorde att de kunde samla in data mycket snabbare och med högre upplösning och över längre tidsramar.

Schmidt beskriver EuXFEL som "en maskin av superlativer". Den största XFEL i världen, den är 3 kilometer lång, sträcker sig över avståndet mellan de tyska förbundsstaterna Hamburg och Schleswig-Holstein. Superledande teknik används för att accelerera elektroner med hög energi, som genererar röntgenstrålar.

Schmidt, en biofysiker som har deltagit i mer än 30 XFEL -bildprojekt hittills, erbjöd en smak av den medicinska potentialen för förbättrad kristallografi med XFEL:Med denna metod, han har bevittnat hur flera proteiner fungerar tillsammans, hur enzymer som är ansvariga för antibiotikaresistens inaktiverar ett läkemedel och hur proteiner ändrar form för att absorbera ljus och möjliggöra syn.

Doktorand Suraj Pandey, som kom till UWM från sitt hemland Nepal, är första författare på tidningen. Han har nu erfarenhet av teknik som få människor i världen kan hävda, åtminstone för stunden. Han sa att han inte var säker på vad han skulle förvänta sig att gå in i experimentet.

Pandeys roll var att analysera data och beräkna kartorna över strukturförändringar. Av de miljontals röntgenpulser som XFEL ger, majoriteten träffar inte alls ett mål. Faktiskt, endast 1% till 2% diffrakterar från en proteinkristall, medan de återstående pulserna producerar "brus" som måste tas bort från data.

Teamet hade också andra bekymmer, han sa. Det tog månader för Pandey att odla det protein som krävs för att producera experimentets kristaller, men under deras transport till Tyskland, de 5 gram fryst protein hölls kvar i tullen i flera dagar, under vilken en del av det smälte.

Efter den första bilddagen, han bearbetade uppgifterna och kunde för första gången identifiera en stark signal på den resulterande kartan. "Detta var ett genombrott, "sa han." Men signalen motsvarade inte den förändring som förutsagts från tidigare experiment. Jag trodde att experimentet hade misslyckats. "

Istället, han och EuXFEL-operatörer lärde sig sin första lektion:Optiska pulser som initierar reaktionen måste synkroniseras exakt med megahertz röntgenpulser. Annat, proteinreaktionen utvecklas i okända tidstilldelningar. Och de var tvungna att vara säkra på att provet bara var upphetsat en gång, vilket visade sig vara ganska knepigt med megahertz -pulsfrekvenser.

Experimentets slutliga framgång gav Pandey en enorm tillfredsställelse.

"Det är en unik teknik, "sa han om EuXFEL." Vi var banbrytande för användningen av europeisk XFEL för att se filmer om hur proteiner fungerar. Jag flyger bara. "