En av de stora fördelarna med röntgenfria elektronlasrar som den på energidepartementets SLAC National Accelerator Laboratory är att de tillåter forskare att bestämma strukturen hos biologiska molekyler i naturliga miljöer. Detta är viktigt om du vill studera hur ett potentiellt nytt läkemedel interagerar med ett virus under tillstånd som liknar de som finns i människokroppen. Genom att träffa dessa prover med ultrakorta röntgenlaserpulser, forskare kan samla in data i ett ögonblick innan skador från röntgenstrålar hinner spridas genom provet.

Men finns det verkligen ingen skada på prover som undersökts med denna metod, som kallas "diffraktion före destruktion"? Att veta svaret i finare och finare mätskalor är viktigt för att analysera resultaten av dessa experiment och förstå hur biologiska molekyler gör sitt arbete. En sådan förståelse är avgörande för att utforma läkemedel för att effektivt inrikta sig på specifika sjukdomar.

Tack vare en tvåfärgs röntgenlaserteknik utvecklad vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), ett experiment på LCLS testar denna teknik till gränser som aldrig tidigare setts.

Ett team ledd av Ilme Schlichting från Max Planck Institute for Medical Research och Sébastien Boutet från SLAC träffade två typer av kristalliserade biologiska molekyler med par av röntgenlaserpulser som hade något olika våglängder och var upp till 100 femtosekunder, miljondelar av en miljarddels sekund, isär. Den första pulsen passerade genom provet och absorberades av ett foliefilter. Den andra spred bort provet, passerade genom filtret och gick in i en detektor, bildar mönster som kan analyseras för att återskapa strukturen hos provets molekyler och mäta eventuella förändringar som orsakas av den första pulsen.

Med denna metod, teamet fann att de delar av en molekyl som innehåller atomer som är tyngre än syre absorberade bördan av röntgenskadan. Kedjor av kolatomer, som utgör ryggraden i alla proteiner, såg också förändringar över tid, men i mycket mindre grad. Dessa förändringar var inte konsekventa genom hela molekylen, förekommer mer i vissa områden än i andra, och de ökade när tiden mellan pulserna ökades. Dessa resultat visar att för att göra tillförlitliga mätningar, forskare måste modellera dessa specifika delar av ett prov snarare än att anta att alla delar av molekylen är lika skadade.

Den här studien, publicerad i Naturkommunikation , är början på en bättre förståelse för hur mycket korta röntgenpulser som produceras av röntgenlasrar som LCLS modifierar strukturen hos biologiska molekyler. Teamet drog slutsatsen att "diffraktion före destruktion" är en effektiv metod för att bestämma strukturen av biologiska molekyler, så länge som forskarna tar hänsyn till intensiteten och varaktigheten av de pulser som används för att studera dem när de tolkar deras resultat. Sådan kunskap kan tillämpas på det breda utbudet av studier som genomförs vid dessa anläggningar, som sträcker sig från att undersöka nya sätt att bekämpa myggburna sjukdomar till att studera virulensen hos dödliga patogener och utveckla en bättre förståelse för anti-astmatiska läkemedel.