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

Stel je wetenschappers voor die proberen een "stop-motionfilm" te maken van minuscule biologische machines (zoals enzymen) aan het werk. Om dit te doen, moeten ze duizenden snapshots maken van deze machines in actie, maar de machines zijn zo klein en snel dat het is alsof je probeert een foto te maken van de vleugel van een kolibrie met een camera die een seconde nodig heeft om te klikken.

Dit artikel beschrijft een nieuwe, experimentele opstelling bij Diamond Light Source (een enorme machine die superheldere röntgenstraling creëert) die is ontworpen om dit probleem op te lossen. Dit is hoe het werkt, onderverdeeld in eenvoudige delen:

1. De "Droplet on Demand" Tape Drive: Een lopende band van piepkleine bellen
Beschouw het monsterleveringssysteem als een high-tech lopende band. In plaats van een band die dozen vervoert, draagt deze band een stroom microscopische waterdruppeltjes.

• De Druppels: Elke druppel is ongelooflijk klein—ongeveer de grootte van het volume van een enkel zandkorreltje. In elke druppel zitten duizenden kleine eiwitkristallen (de "acteurs" in onze film).
• De Timing: Vlak voordat een druppel de camera (de röntgenstraal) bereikt, mengen wetenschappers deze met een chemische trigger. Dit is alsof een regisseur "Actie!" roept vlak voordat de camera begint te draaien.
• De Tape: De druppels liggen op een bewegende tape die ze één voor één door de röntgenstraal laat glijden. Dit stelt wetenschappers in staat om een foto te maken, de tape te bewegen, een andere foto te maken, en dit te herhalen, waardoor een reeks beelden ontstaat die laat zien hoe het eiwit in de loop van de tijd verandert.

2. De Tweeledige Test: Het concept bewijzen
De onderzoekers hebben niet alleen de machine gebouwd; ze hebben twee verschillende manieren getest om deze te gebruiken om te bewijzen dat het werkt:

• Test A (De Film): Ze gebruikten de tape drive met de kleine druppels om hoogwaardige "snapshots" ( diffractiegegevens) van de eiwitkristallen te maken. Dit bewees dat ze heldere beelden van de structuur konden krijgen terwijl de kristallen bewogen.
• Test B (De Mood Ring): In een apart experiment gebruikten ze een ander hulpmiddel (een dikke, pasta-achtige injectiespuit) om kristallen door de straal te duwen. Ze gebruikten een speciale techniek genaamd X-ray Emission Spectroscopy (XES). Als de diffractiegegevens als een foto van de vorm van het eiwit zijn, dan is XES als een "mood ring" die hen de elektrische toestand vertelt van de metaalatomen binnenin het eiwit. Dit helpt wetenschappers te begrijpen of het metaal "opgeladen" of "ontspannen" is tijdens de reactie.

3. De Grote Doorbraak
Tot nu toe was het combineren van deze twee specifieke methoden (de bewegende tape met druppels én het controleren van de elektrische toestand) alleen mogelijk bij massale, ultra-krachtige faciliteiten zoals XFELs (die als de "Formule 1" van de röntgenmachines worden beschouwd).

Dit artikel beweert dat het team erin is geslaagd een prototype van dit gecombineerde systeem te bouwen op een standaard, derde generatie synchrotron (VMXi). Ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om:

• Kleine druppels kristallen door de straal te schieten.
• Heldere structurele beelden te krijgen.
• De elektrische toestand van de metalen binnenin te controleren.

Samenvattend
De onderzoekers hebben een werkend "proof of concept"-machine gebouwd. Ze hebben nog geen volledige film gemaakt van een biologisch proces, maar ze hebben bewezen dat de camera (de tape drive) en de speciale sensoren (XES) samen kunnen werken op een standaard synchrotron. Het is alsof je succesvol een nieuwe cameralens en een nieuwe flitser hebt getest op een gewone camera om aan te tonen dat je een snel rijdende racewagen kunt vastleggen, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige experimenten om die races daadwerkelijk te filmen.