Αποτυπώνοντας τον αόρατο κόσμο των μορίων εν δράσει

Πάμε σινεμά να δούμε τα μόρια; Μπορεί να έχεις ακούσει για τους επιταχυντές σωματιδίων για πολλούς διαφορετικούς λόγους μέχρι τώρα, αλλά μάλλον όχι για τη δυνατότητα που προσφέρουν να κινηματογραφούν μοριακές ταινίες, σωστά; 

Υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός εφαρμογών των επιταχυντών σωματιδίων και μία από αυτές είναι ακριβώς αυτή: η καταγραφή μορίων εν δράσει για να μελετηθούν δυναμικές διεργασίες των πρωτεϊνών, για παράδειγμα. Μελετώντας τη δομή και τις δυναμικές διεργασίες των μορίων μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα τις βιολογικές τους λειτουργίες και το πώς λειτουργεί η φύση σε μικρότερες κλίμακες. Αυτό μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς ένα μόριο φαρμάκου αντιδρά με τις πρωτεΐνες ή τι συμβαίνει στις πρωτεΐνες των φυτών όταν αλληλεπιδρούν με το φως και βρίσκει εφαρμογές στο σχεδιασμό φαρμάκων, σε στρατηγικές σχεδιασμού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας κ.λπ.
 

Οι επιταχυντές σωματιδίων είναι συνήθως μεγάλες διατάξεις που επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια ή πρωτόνια. Ο πιο γνωστός εξ αυτών, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN, συγκρούει δέσμες σωματιδίων για να εξερευνήσει την προέλευση του σύμπαντος. Ωστόσο, ένας πιο κοινός τύπος επιταχυντή είναι ο x-ray Free-Electron-Laser (XFEL), που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια για να δημιουργήσει παλμούς ακτίνων Χ. Αυτοί οι παλμοί επιτρέπουν στους επιστήμονες να δουν μικροσκοπικά αντικείμενα όπως μόρια, καταγράφοντας στιγμιότυπα αυτών σε δράση.

Μέχρι πριν λίγα χρόνια, μπορούσαμε να μελετήσουμε μόρια μόνο με μεμονωμένα στιγμιότυπα, χάνοντας κάθε πληροφορία για τις δυναμικές διαδικασίες τους.  Μεμονωμένα στιγμιότυπα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες, ωστόσο, μας προσφέρουν ένα μόνο μέρος της ιστορίας. Για παράδειγμα, η θέαση μόνο δύο φωτογραφιών ενός σέρφερ—στη μια να ετοιμάζεται να ανέβει στη σανίδα του και στην άλλη να απομακρύνεται από το κύμα κολυμπώντας— δίνει τμηματικές πληροφορίες και έτσι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε τη πραγματικά συνέβη στο μεταξύ. Για να κατανοήσουμε την πλήρη ιστορία, χρειαζόμαστε καρέ που δείχνουν τη δράση στο ενδιάμεσο. Ομοίως, μεμονωμένα στιγμιότυπα των μορίων δεν αποκαλύπτουν ολόκληρη τη δυναμική διαδικασία που έλαβε χώρα.

Πώς μας βοήθησαν όμως τα XFEL να ξεπεράσουμε αυτό το πρόβλημα; Δύο παράγοντες έχουν αποδειχθεί κρίσιμοι. Για να καταγράψουμε τα μόρια σε δράση, χρειαζόμαστε ταχύτητα κλείστρου ενός femtosecond (ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου ή 0.000000000000001 δευτερόλεπτα). Σε αυτήν την περίπτωση, η ταχύτητα του κλείστρου είναι το μήκος του παλμού των ακτίνων Χ και πρέπει να είναι τόσο σύντομος όσο ένα femtosecond. Δεύτερον, χρειαζόμαστε πολλαπλά στιγμιότυπα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η οποία διαρκεί από ένα δισεκατομμυριοστό έως μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Μια σειρά παλμών ακτίνων Χ εντός αυτής της διάρκειας λαμβάνει αυτά τα στιγμιότυπα. Συνδυάζοντας αυτές τις υψηλής ανάλυσης εικόνες, όπως ακριβώς συνδέουμε τα καρέ σε ένα βίντεο, δημιουργούμε ένα βίντεο της δυναμικής διαδικασίας.

Τώρα που έχουμε όλα τα εργαλεία και τις γνώσεις, ας σκηνοθετήσουμε ολόκληρη τη μοριακή ταινία:

1. Ας πούμε για παράδειγμα ότι έχουμε ένα μόριο που είναι ευαίσθητο στο φως, αλλά δεν γνωρίζουμε πραγματικά τι συμβαίνει όταν αλληλεπιδρά με αυτό.
2. Μια ενδιαφέρουσα ταινία χρειάζεται πάντα δράση. Για το λόγο αυτό, θέλουμε να «προκαλέσουμε» το μόριό μας- ένας καλά προβλεπόμενος και εξαιρετικά ελεγχόμενος τρόπος για να το κάνουμε αυτό είναι να το φωτίσουμε με φως λέιζερ για να ξεκινήσει η διαδικασία.
3. Αμέσως μετά την εκκίνηση αυτή, θέλουμε να τραβήξουμε το πρώτο στιγμιότυπο με μεγάλη ανάλυση. Σε αυτό το σημείο έρχεται ο εξαιρετικά σύντομος παλμός ακτίνων Χ, διεισδύει στο μόριο και τραβάει ένα στιγμιότυπο. 
4. Ένα στιγμιότυπο δεν πρόκειται να μας πει τι πραγματικά συμβαίνει, γι' αυτό χρειαζόμαστε περισσότερα στιγμιότυπα. Για το λόγο αυτό, το XFEL παράγει μια σειρά παλμών ακτίνων Χ, με κάθε έναν από αυτούς να τραβάει από ένα στιγμιότυπο σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα από την εκκίνηση της διαδικασίας.
5. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες τα ενώνουν για να δημιουργήσουν μια λεπτομερή ταινία της συμπεριφοράς του μορίου. Voilà!
    

Η λεπτομερής κατανόηση της δομής και των δυναμικών διεργασιών των μορίων μπορεί να δώσει στους επιστήμονες ένα μεγάλο πλεονέκτημα στην κατανόηση της φύσης.  Προς το παρόν, υπάρχουν πολύ λίγα XFEL στον κόσμο που μπορούν να παρέχουν το κατάλληλο είδος φωτός (ακτίνες-Χ) για να "δουν" τα πολύ μικρά μόρια και τη σωστή ταχύτητα κλείστρου (~femtosecond) για να καταγράψουν τις πολύ γρήγορες διαδικασίες και έτσι, να δημιουργήσουν αυτές τις ταινίες. Μερικά από αυτά τα XFEL είναι το LCLS στην Καλιφόρνια και το European X-FEL στη Γερμανία.  

Καθώς όλο και περισσότερες/οι επιστήμονες αποκτούν πρόσβαση σε αυτά τα καινοτόμα εργαλεία, ανυπομονώ να δω πώς θα μπορέσουν να επωφεληθούν από αυτή τη νέα δυναμική εικόνα των πιο μικροσκοπικών τμημάτων του κόσμου μας και τι θα επιφέρει το μέλλον. Εσείς;

Πηγές:

[1] What is a molecular movie?

[2] Time-resolved serial femtosecond crystallography at the European XFEL

[3] First molecular movies at European XFEL