Эксперимент, описанный в статье, опубликованной сегодня в научном журнале Nature Photonics, представляет собой важную веху в изучении индивидуальных биологических структур с помощью рентгеновских лазеров. Этот метод открывает путь к трехмерному изображению частей клетки и даже небольших вирусов, чтобы развить более глубокое понимание мельчайших единиц жизни.
Для проверки метода ученые из Упсальского университета, Европейского XFEL, DESY и ряда других учреждений использовали карбоксисому. Карбоксисома — это клеточная органелла для ассимиляции СО2 у цианобактерий, которая была тщательно изучена в Упсале Дирком Хассе и Ингер Андерссон. Карбоксисомы содержат белковые механизмы, которые включают углерод из углекислого газа в биомолекулы.
Около трети глобальной фиксации углерода происходит в карбоксисомах.Карбоксисома — это крошечная структура — всего около 115 нанометров в поперечнике, она слишком мала, чтобы ее можно было ясно увидеть в оптический микроскоп. Нанометр — это миллионная доля миллиметра.
Используя специально разработанный инжектор, который производит поток частиц тоньше человеческого волоса, ученые распылили аэрозоль карбоксисом поперек луча рентгеновского лазера LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. Ученые рассчитали структуру органелл, проанализировав то, как карбоксисомы рассеивают чрезвычайно короткие и сверхяркие рентгеновские вспышки LCLS. До сих пор этот метод требовал наличия кристаллов материала образца для получения достаточного сигнала. Благодаря исключительной яркости рентгеновского лазера и умному анализу дифракционных картин исследователи могли реконструировать отдельные образцы без необходимости их кристаллизовать.
Карбоксисомы, как и многие другие биологические образцы, различаются по форме и размеру и поэтому не могут быть кристаллизованы.В течение 12 минут исследователи собрали 70 000 диаграмм рассеяния от отдельных частиц.
Анализ показал икосаэдрическую форму (структура с 20 треугольными сторонами) для карбоксисом, что соответствует ожиданиям. Результаты также показали значительные различия в размере.«Наш метод позволяет получать изображения объектов, которые могут быть разных по размеру и форме», — говорит Макс Хантке, докторант молекулярной биофизики в Уппсальском университете в Швеции, руководивший исследованием.
В то время как электронная микроскопия обычно требует замораживания образцов, рентгеновские лазеры, такие как LCLS или европейский XFEL, который в настоящее время строится в Германии, могут анализировать биологические образцы без замораживания. Этот метод также предлагает возможность изображения целых живых клеток с беспрецедентным разрешением.
«С помощью карбоксисом мы реконструировали мельчайшие отдельные биологические частицы, когда-либо полученные с помощью рентгеновского лазера, и мы также смогли улучшить разрешение. Реконструкция показывает детали размером около 18 нанометров. Впервые мы получаем доступ к очень интересному — говорит Макс Хантке, — говорит Макс Хантке.«Эти достижения закладывают основу для точного и высокопроизводительного определения структуры с помощью дифракционной визуализации и предлагают средства для изучения структуры и структурной неоднородности в биологии и других областях», — говорит профессор Янош Хайду, который также является одним из ведущих авторов исследования. paper и одним из наставников Хантке, а также советником European XFEL.
«Кроме того, распределение карбоксисом по размеру до эксперимента и то, что было видно в полученных данных, почти идеально совпадали», — говорит Макс Хантке, предполагая, что органеллы, которые были отображены, были структурно неповрежденными.Хотя интенсивный импульс рентгеновского излучения разрушает образец, точная дифракционная картина может быть получена до того, как он распадется. Этот метод, получивший название «дифракция перед разрушением», был предложен в 2000 году группой Упсалы и был продемонстрирован на небиологических образцах на установке FLASH в DESY в 2006 году.Такая визуализация отдельных частиц станет возможной на Европейском XFEL, когда объект откроется для пользователей в 2017 году.
Для таких исследований будут доступны два специализированных инструмента: инструмент SPB (отдельные частицы и биомолекулы) и инструмент SFX (последовательная фемтосекундная кристаллография). который будет включать инжектор образца, аналогичный тому, который использовался в этом эксперименте. Европейский XFEL с его 27 000 рентгеновских вспышек в секунду и еще большей интенсивностью откроет больше возможностей и возможностей для исследователей.«В биологии неоднородность существует на всех уровнях, и мы хотели получить метод, позволяющий увидеть ее ниже клеточного уровня», — говорит Янош Хайду.«Мы надеемся, что это исследование может привести к созданию трехмерных моделей, демонстрирующих разнообразие наноразмерных частей клеток», — добавляет Макс Хантке.
«Эти результаты показывают путь к высокопроизводительной визуализации биологических образцов с высоким разрешением. Высокая скорость передачи данных и очень короткие выдержки позволяют изучать динамику частиц и анализировать структурные изменения, которые имеют решающее значение для жизни», — говорит Филипе Майя, руководитель Макса Хантке.