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

과학자들이 아주 작은 생물학적 기계(효소와 같은)가 작동하는 모습을 "스톱모션 영화"로 만들려고 시도한다고 상상해 보십시오. 이를 위해 그들은 이 기계들이 움직이는 모습을 수천 장의 스냅샷으로 찍어야 하지만, 기계들이 너무 작고 빨라서 마치 셔터를 누르는 데 1초가 걸리는 카메라로 벌새의 날개를 촬영하려는 것과 같습니다.

이 논문은 이 문제를 해결하기 위해 설계된 다이아몬드 라이트 소스(초강력 X선을 생성하는 거대한 장치)의 새로운 실험적 설정을 설명합니다. 그 작동 방식은 다음과 같이 간단한 부분들로 나뉩니다.

1. "주문형 액적(Droplet on Demand)" 테이프 드라이브: 미세한 거품의 컨베이어 벨트
샘플 전달 시스템을 고성능 컨베이어 벨트라고 생각하십시오. 이 벨트는 상자를 운반하는 대신 미세한 물방울의 흐름을 운반합니다.

• 액적(Droplets): 각 액적은 믿기지 않을 정도로 작습니다. 부피는 모래알 한 알 정도입니다. 각 액적 안에는 수천 개의 작은 단백질 결정(영화 속의 '배우들')이 들어 있습니다.
• 타이밍: 액적이 카메라(X선 빔)에 도달하기 직전에, 과학자들은 화학적 트리거를 혼합합니다. 이것은 마치 감독이 카메라가 돌아가기 직전에 "액션!"이라고 외치는 것과 같습니다.
• 테이프: 액적들은 움직이는 테이프 위에 놓여 하나씩 X선 빔을 통과하며 미끄러져 갑니다. 이를 통해 과학자들은 사진을 찍고, 테이프를 움직이고, 또 다른 사진을 찍는 과정을 반복함으로써 단백질이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 보여주는 일련의 이미지를 생성할 수 있습니다.

2. 두 가지 테스트: 개념 증명
연구진은 단순히 기계를 만든 것이 아니라, 그것이 작동함을 증명하기 위해 두 가지 다른 사용 방식을 테스트했습니다.

• 테스트 A (영화): 그들은 이 테이프 드라이브와 미세한 액적을 사용하여 단백질 결정의 고품질 "스냅샷"(회절 데이터)을 촬영했습니다. 이는 결정이 움직이는 동안에도 선명한 구조 사진을 얻을 수 있음을 입증했습니다.
• 테스트 B (무드 링): 별도의 실험에서, 그들은 두꺼운 페이스트 형태의 주사기를 사용하여 결정을 빔 사이로 밀어 넣었습니다. 그들은 X선 방출 분광법(XES)이라는 특수 기술을 사용했습니다. 만약 회절 데이터가 단백질의 '형태'를 찍은 사진라면, XES는 단백질 내부 금속 원자의 '전기적 상태'를 알려주는 "무드 링"과 같습니다. 이는 금속이 반응 중에 "충전되었는지" 또는 "이완되었는지"를 이해하는 데 도움을 줍니다.

3. 거대한 돌파구
지금까지 이 두 가지 특정 방법(움직이는 테이프와 액적, 그리고 전기적 상태 확인)을 결합하는 것은 XFEL(X선 자유전자 레이저, X선 기계의 "포뮬러 원"과 같은 곳)이라 불리는 거대하고 초강력한 시설에서만 가능했습니다.

이 논문은 연구팀이 표준적인 3세대 싱크로트론(VMXi)에서 이 결합된 시스템의 프로토타입을 성공적으로 구축했다고 주장합니다. 그들은 다음을 수행할 수 있음을 보여주었습니다:

• 결정이 담긴 미세한 액적을 빔 속으로 쏘아 올리기.
• 선명한 구조 사진 얻기.
• 내부 금속의 전기적 상태 확인하기.

요약하자면
연구진은 작동하는 "개념 증명"용 기계를 만들었습니다. 아직 생물학적 과정의 전체 영화를 만든 것은 아니지만, 카메라(테이프 드라이브)와 특수 센서(XES)가 표준 싱크로트론에서 함께 작동할 수 있음을 입증했습니다. 이는 마치 새로운 카메라 렌즈와 새로운 플래시를 테스트하여 빠른 속도로 달리는 경주차를 포착할 수 있음을 보여준 것과 같으며, 향ate 실제 경주를 촬영하기 위한 길을 열어줍니다.