Droplet on Demand Tape Drive and XES Prototypes for Time-Resolved Serial Crystallography at VMXi, Diamond Light Source

Immaginate degli scienziati che cercano di realizzare un "film in stop-motion" di minuscole macchine biologiche (come gli enzimi) al lavoro. Per farlo, devono scattare migliaia di istantanee di queste macchine in azione, ma le macchine sono così piccole e veloci che è come cercare di fotografare l'ala di un colibrì con una macchina fotografica che impiega un secondo per scattare.

Questo articolo descrive un nuovo setup sperimentale presso il Diamond Light Source (una macchina gigante che crea raggi X super luminosi) progettato per risolvere questo problema. Ecco come funziona, suddiviso in parti semplici:

1. Il "nastro trasportatore a goccia su richiesta": Un nastro trasportatore di minuscole bolle
Pensate al sistema di consegna del campione come a un nastro trasportatore hi-tech. Invece di un nastro che trasporta scatole, questo nastro trasporta un flusso di microscopiche goccioline d'acqua.

• Le Gocce: Ogni goccia è incredibilmente piccola — circa il volume di un singolo granello di sabbia. All'interno di ogni goccia ci sono migliaia di piccoli cristalli proteici (gli "attori" del nostro film).
• La Tempistica: Poco prima che una goccia raggiunga la telecamera (il fascio di raggi X), gli scienziati la mescolano con un attivatore chimico. Questo è come un regista che urla "Azione!" proprio prima che la telecamera inizi a girare.
• Il Nastro: Le gocce si trovano su un nastro in movimento che le fa scorrere attraverso il fascio di raggi X una alla volta. Questo permette agli scienziati di scattare una foto, spostare il nastro, scattare un'altra foto e ripetere, creando una sequenza di immagini che mostra la proteina che cambia nel tempo.

2. Il test in due parti: Dimostrare il concetto
I ricercatori non si sono limitati a costruire la macchina; hanno testato due modi diversi per usarla per dimostrare che funziona:

• Test A (Il Film): Hanno usato il nastro trasportatore con le minuscole gocce per scattare "istantanee" di alta qualità (dati di diffrazione) dei cristalli proteici. Questo ha dimostrato che potevano ottenere immagini chiare della struttura mentre i cristalli erano in movimento.
• Test B (L'Anello dell'Umore): In un esperimento separato, hanno usato uno strumento diverso (una siringa con una sostanza densa e pastosa) per spingere i cristalli attraverso il fascio. Hanno utilizzato una tecnica speciale chiamata Spettroscopia di Emissione di Raggi X (XES). Se i dati di diffrazione sono come una foto della forma della proteina, la XES è come un "anello dell'umore" che dice loro lo stato elettrico degli atomi metallici all'interno della proteina. Questo aiuta gli scienziati a capire se il metallo è "carico" o "rilassato" durante la reazione.

3. La grande svolta
Fino ad ora, combinare questi due metodi specifici (il nastro trasportatore con le gocce e il controllo dello stato elettrico) era possibile solo presso strutture massicce e ultra-potenti chiamate XFEL (che sono come le "Formula 1" delle macchine a raggi X).

Questo articolo afferma che il team ha costruito con successo un prototipo di questo sistema combinato presso un sincrotrone standard di terza generazione (VMXi). Hanno dimostrato che è possibile:

• Scagliare minuscole gocce di cristalli attraverso il fascio.
• Ottenere immagini strutturali chiare.
• Controllare lo stato elettrico dei metalli all'interno.

In sintesi
I ricercatori hanno costruito una macchina funzionante di "prova di concetto". Non hanno ancora realizzato un film completo di un processo biologico, ma hanno dimostrato che la telecamera (il nastro trasportatore) e i sensori speciali (XES) possono lavorare insieme su un sincrotrone standard. È come aver testato con successo una nuova lente fotografica e un nuovo flash su una normale macchina fotografica per mostrare che possono catturare un'auto da corsa veloce, aprendo la strada a futuri esperimenti per filmare effettivamente quelle corse.