LCLS-teamet, som inkluderar forskare från New York University School of Medicine, University of Wisconsin-Milwaukee och Argonne National Laboratory, lyckades också spela in de första röntgenlaserspridningsbilderna av ett intakt virus, vacciniavirus, som är ca. storleken på de minsta bakterierna.
Resultaten, rapporterade i två artiklar i Nature Communications, visar röntgenlaserns löfte som ett kraftfullt nytt verktyg för att utforska biologiska strukturer.
"Det här var första gången vi kunde använda röntgenlasrar för att avbilda dessa två mycket viktiga klasser av biologiska prover, som innehåller värdefull information som kan leda till nya sätt att behandla sjukdomar", säger SLAC-personalforskaren Henrik Lemke, som är motsvarande författare till studien om proteinkristaller.
För att få jobbet gjort var teamet tvunget att göra några justeringar av den hårda röntgenstrålen vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), som ger ultraljusa, ultrakorta pulser av röntgenstrålar.
En utmaning var att röntgenpulserna var för ljusa och koncentrerade och hotade att skada eller förstöra de ömtåliga proverna – och den omgivande provhållaren.
"Vår stråle är normalt ungefär lika stor som ett mycket tunt människohår, men vi gjorde strålen hundra gånger större så att vi kunde sprida och diffraktera röntgenstrålarna mer försiktigt från proverna", säger instrumentforskare och studiemedarbetare vid LCLS. författaren Schuyler Brown.
Forskare behövde också utveckla nya provberedningstekniker för att förhindra skador orsakade av den intensiva röntgenstrålen. Eftersom laserns blixtar bara varar femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund) uppstår skador inom bara tio kvadrilliondelar av en sekund.
Med hjälp av en teknik känd som seriell femtosekundskristallografi, avfyrade forskarna intensiva röntgenpulser en i taget mot tusentals små kristaller för att skapa en mängd diffraktionsmönster - mönster av spridda röntgenstrålar som innehåller strukturell information om kristallerna.
"I de flesta fall avfyrade vi bara en röntgenpuls mot varje kristall eftersom den första blixten skulle förstöra den", säger studiens medförfattare Thomas White från New York University School of Medicine. "Som ett resultat genererade varje blixt bara ett diffraktionsmönster. Sedan kombinerade vi alla mönster för att rekonstruera en tredimensionell bild av kristallernas strukturer."
Med denna teknik löste teamet strukturen av proteinkristaller som kallas fotosystem II, som är ansvariga för att omvandla solljus till kemisk energi under fotosyntesen. Resultaten representerar den minsta fotosystem II-struktur som hittills erhållits.
Teamets spridningsbilder av vacciniavirus gav också några överraskningar, vilket visade att några av virusen i provet hade en oväntad, mycket symmetrisk konformation. Denna typ av konformation kan påverka hur viruset interagerar med värdar och kan avslöja en akilleshäl som kan vara måltavla av antivirala läkemedel.
"Detta är ytterligare ett bra exempel på hur röntgenlasern gör det möjligt för forskare att se saker inom biologi som de aldrig sett förut", säger SLAC:s direktör Mike Witherell. "Genom att titta in i detaljerna hos virus eller proteiner som inte är synliga med någon annan teknik, får vi inte bara en djupare förståelse av den naturliga världen, utan öppnar dörren till nya sätt att bekämpa sjukdomar och skapa förnybar energi."
SLAC:s LCLS är planerad till en uppgradering under 2018, vilket kommer att dramatiskt öka dess kraft, vilket öppnar upp för ännu fler biologiska avbildningsmöjligheter. Framtida instrument vid SLAC:s framtida röntgenlaser, LCLS-II, kommer också att stödja biologisk avbildning.
Forskningen finansierades av Department of Energy's Office of Science, National Institutes of Health, University of Wisconsin-Milwaukee och New York University School of Medicine.
