Как молекулярные футбольные мячи лопаются в рентгеновский лазерный луч

Международная исследовательская группа наблюдала в режиме реального времени, как футбольная молекулы состоят из атомов углерода ворвался в луч рентгеновского лазера. Исследование показывает временной ход трещит процесс, который занимает менее одной триллионной секунды, и имеет важное значение для анализа чувствительных белков и других биомолекул, которые также часто изучаются с помощью ярких рентгеновских лазерных вспышек. Футбольный молекулы распадаются медленнее и иначе, чем предполагалось, так как команда вокруг Нора Берра из Университета Коннектикута и Робин Сантра от Дэзи доклад в журнале Nature физики. Это замечание способствует более детальном анализе протеин с рентгеновских лазеров на свободных электронах (лазер XFEL).

Исследователи экспериментировали с Бакминстер фуллерены, бакиболы или для краткости. Эти шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в чередуются пятиугольники и шестиугольники, как кожаное пальто с футбольный мяч. «Фуллерены хорошо подойдут в качестве простой модельной системы для биомолекул», — объясняет Сантра, который является ведущим ученым в DESY в центре лазер на свободных электронах науки (CFEL) и профессор физики в Университете Гамбурга. «Так как они состоят только из одного типа атомов и имеют симметричную структуру, они могут быть широко представлены в теории и эксперименте. Это первый шаг перед началом исследования молекул из различных типов атомов».

Используя рентгеновский лазер LCLS (линейный ускоритель когерентного источника света) на ускорителе SLAC Национальной ускорительной лаборатории в Калифорнии, ученые выстрел коротких рентгеновских вспышек около 20 фемтосекунд (quadrillionths секунды) длительности при индивидуальных молекул и наблюдали за их эффектом в реальном времени с временным разрешением в диапазоне около десяти фемтосекунд. Данные показывают, что рентгеновская вспышка «выбивает» электроны из примерно каждый пятый из 60 атомов углерода. «После этого ничего не происходит в течение некоторого времени. Только через несколько десятков фемтосекунд делать атомами углерода постепенно отделяться от молекулы», — сообщает Сантра.

«То, что следует потом-это не реальный взрыв», — поясняет ученый. «Вместо этого, фуллерены распадаться сравнительно медленно. Атомы углерода постепенно испаряться-с много более нейтральной, чем электрически заряженными, что было удивительно». Поскольку фрагментация фуллерены в таком масштабе времени не является взрывоопасным, но происходит постепенно, исследователи говорят о испарения атомов. Экспериментальные данные могут быть содержательно интерпретированы с помощью теоретического моделирования процесса.

«Как правило, о 25-нейтральное и только 15 электрически заряженные атомы углерода вылетают из молекул», — объясняет Сантра. «Остальные фрагменты из нескольких атомов.» Весь процесс занимает около 600 фемтосекунд. Это все равно немыслимо короткие по человеческим меркам, но весьма длинная для структурного анализа с помощью рентгеновских лазеров. «В типично 20 фемтосекунд рентгеновской вспышкой лазера, атомы движутся более 0.1 Нм-это в ряде отдельных диаметров атома и меньше, чем точность измерения структурного анализа». Один нанометр-одна миллионная миллиметра.

Для структурного анализа белков, исследователи обычно вырастают мелкие кристаллы из биомолекул. Яркая рентгеновская вспышка лазера затем дифрагирует на кристаллической решетке и создает типичную картину дифракции от кристаллической структуры и пространственную структуру отдельных белков могут быть вычислены. Пространственная структура белка раскрывает подробности о его точных функций. Белковые кристаллы очень чувствительны и испаряться через рентгеновские лазерные вспышки. Однако, предыдущие исследования показали, что кристалл остается неизменным достаточно долго, чтобы произвести дифракционного изображения до испарения и, следовательно, выявить ее пространственную структуру.

Новое исследование подтверждает, что это также дело с отдельными молекулами, которые не связаны в кристаллической решетке. «Наши выводы с фуллерены могут играть определенную роль в большинстве других молекул,» Сантра подчеркивает. Поскольку многие биомолекулы, как известно, трудно выявить, исследователи надеются быть в состоянии определить состав ансамблей не кристаллизовался белков или даже отдельных биомолекул с рентгеновскими лазерами в будущем. Полученные результаты уже сейчас заложить основу для более глубокого понимания и количественного моделирования радиационного повреждения биомолекул, индуцированных рентгеновскими лазерными вспышками, — пишут ученые.

сделать разницу: спонсорские возможности