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

科学者たちが、微小な生物学的機械（酵素など）が働いている様子を「ストップモーション・ムービー」にしようとしている場面を想像してみてください。これを行うには、その機械の動きを数千枚のスナップショットとして撮影する必要がありますが、その機械は非常に小さく、かつ動きが速いため、シャッターを切るのに1秒かかるカメラでハチドリの羽を撮影しようとするようなものです。

この論文は、ダイヤモンド・ライト・ソース（超高輝度X線を生み出す巨大な装置）における、この問題を解決するために設計された新しい実験的なセットアップについて記述しています。その仕組みを、シンプルな要素に分解して説明します。

1. 「オンデマンド・ドロップレット」テープドライブ：極小の泡によるコンベアベルト
サンプル供給システムを、ハイテクなコンベアベルトだと考えてください。箱を運ぶベルトの代わりに、このベルトは微細な水滴の列を運びます。

• 液滴（ドロップレット）： 各液滴は信じられないほど小さく、一粒の砂の体積ほどの大きさです。各液滴の中には、数千個の小さなタンパク質結晶（この映画の「俳優」）が入っています。
• タイミング： 液滴がカメラ（X線ビーム）に到達する直前に、科学者たちは液滴に化学的なトリガー（引き金）を混ぜ合わせます。これは、カメラが回り始める直前にディレクターが「アクション！」と叫ぶようなものです。
• テープ： 液滴は動いているテープの上に乗り、一つずつX線ビームの中を滑り抜けていきます。これにより、科学者は写真を撮り、テープを動かし、また別の写真を撮る、という工程を繰り返すことができ、タンパク質が時間の経過とともに変化していく様子を示す一連の画像を作成できます。

2. 二部構成のテスト：コンセプトの証明
研究者たちは単に機械を組み立てただけではありません。それが機能することを証明するために、2つの異なる方法を用いてテストを行いました。

• テストA（ムービー）： 彼らはこのテープドライブと微小な液滴を使用して、タンパク質結晶の高精度な「スナップショット」（回折データ）を撮影しました。これにより、結晶が動いている間でも、その構造の鮮明な画像を得られることが証明されました。
• テストB（ムードリング）： 別の実験では、異なるツール（厚みのあるペースト状の注射器）を使用して、結晶をビームの中へと押し出しました。彼らはX線放出分光法（XES）と呼ばれる特殊な技術を使用しました。もし回折データがタンパク質の「形」を写した写真であるなら、XESはタンパク質内部にある金属の「電気的な状態」を教えてくれる「ムードリング（気分によって色が変わる指輪）」のようなものです。これにより、反応中に金属が「充電された状態」なのか「リラックスした状態」なのかを理解するのに役立ちます。

3. 大きなブレイクスルー
これまで、これら2つの特定の手法（動くテープと液滴、そして電気的状態のチェック）を組み合わせることは、XFEL（X線自由電子レーザー）と呼ばれる、巨大で超強力な施設（X線の「フォーミュラ1」のようなもの）でしか不可能でした。

この論文は、チームが標準的な第3世代シンクロトロン（VMXi）において、この統合システムのプロトタイプを構築することに成功したと主張しています。彼らは以下のことが可能であることを示しました。

• タンパク質結晶の微小な液滴をビームの中に射出すること。
• 鮮明な構造画像を得ること。
• 内部にある金属の電気的状態をチェックすること。

まとめ
研究者たちは、機能する「概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）」の機械を構築しました。彼らはまだ生物学的プロセスの「フルムービー」を撮影したわけではありませんが、カメラ（テープドライブ）と特殊なセンサー（XES）が、標準的なシンクロトロン上で共に機能できることを証明しました。これは、新しいカメラのレンズと新しいフラッシュを通常のカメラでテストし、それらが高速で走るレースカーを捉えられることを示すことに似ています。将来の実験で実際にそれらのレースを撮影するための道を開くものです。