Extrema röntgenpulser skapar unik bild av ett intakt virus

Ett internationellt forskarteam har lyckats få fram en bild av ett intakt virus och en membranstruktur hos en fotosyntetisk bakterie med hjälp av extremt intensiva och ultrakorta hårdröntgenpulser från världens första frielektronlaser av sitt slag, som producerar hårdröntgenpulser. Detta nya steg inom strukturbiologin publiceras idag i två artiklar i tidskriften Nature.

Resultaten av de två studierna öppnar vägen för studier av biologiska strukturer på molekylär nivå, som till exempel virus, enskilda celler, cellorganeller och levande bakterier. Tekniken ökar möjligheterna att avbilda enskilda biologiska molekyler, som är för små att studera ens med de kraftfullaste mikroskopen.

-    Biologer har länge drömt om att kunna avbilda virus, levande encelliga organismer och bakterier utan att behöva snitta, frysa, eller kontrastfärga med metaller som krävs i elektronmikroskopi. Våra studier visar att det verkligen går att göra avbildningar med hjälp av extremt intensiva och ultrakorta röntgenpulser, som annars kan förstöra allt i sin väg, säger professor Janos Hajdu från avdelningen för molekylär biofysik, Uppsala universitet.

Han har tillsammans med kollegan Henry Chapman lett den internationella forskargruppen, där även Inger Anderssons team från Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, ingår. Hela den internationella gruppen befinner sig för närvarande i Stanford för nya experiment med den avancerade frilelektronlasern.

Röntgendiffraktion har varit ett oersättligt instrument för att identifiera biologiska strukturer, men tekniken kräver tätpackning av prover i kristaller av tillräcklig storlek. Därför packas många partiklar i kristaller. För enskilda partiklar måste röntgendosen ökas så mycket att partikeln skadas, särskilt om den kommer från biologiskt material. För ett antal år sedan föreslogs det att extremt korta pulser från en så kallad frielektronlaser skulle kunna skapa en bild innan partikeln hunnit förstöras. Det är denna metod (läs mer om tekniken nedan) som nu testats på biologiskt material.

I den första studien har metoden testats på Mimivirus, världens största kända virus upptäckt så sent som 1992. Det är större än vissa encelliga organismer och det enda virus som infekteras av ett eget virus. Dess storlek och speciella ytstruktur innebär att det inte kan studeras med konventionella avbildningsmetoder som elektronmikroskopi eller röntgenkristallografi.

I den andra studien visar gruppen att röntgenpulserna också kan användas för att studera strukturen hos livsviktiga membranproteiner – i detta fall av proteinkomplex som fångar solljuset och omvandlar det till energi i fotosyntetiserande organismer, i detta fall en fotosyntetisk bakterie. Membranproteiner är viktiga i livsprocesserna, inte bara som energiomvandlare, utan också som cellens transportörer och som receptorer för läkemedel - men de är otroligt svåra att studera med konventionella metoder. Den nya tekniken innebär att stora ”vita områden” inom strukturbiologin nu för första gången blir åtkomliga för studier på atomär nivå.

Om tekniken: Världens första frielektronlaser i hårdröntgenområdet – the Linac Coherent Light Source (LCLS), vid SLAC National Accelerator Center – har en ljusintensitet som överträffar konventionella synkrotroner med en miljard gånger, så intensiv att den skär genom stål. En enstaka puls som fokuseras till en mikrometerstor punkt innehåller lika mycket energi som allt solljus som träffar jorden fokuserat till en kvadratmillimeter. Ljuspulserna är extremt korta (50-70 femtosekunder, 1 fs = 10-15 sek) vilket betyder att de kan återge bilden av ett mikrometerstort virus, innan det upphettas till 100 000 grader och förstörs. LCLS togs i bruk i oktober 2009, de aktuella experimenten utfördes i december samma år.

Referenser:

Hajdu et al. Single mimivirus particles intercepted and imaged with an X-ray laser. Nature, doi:10.1038/nature09748

Chapman et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature, doi:10.1038/nature09750

För mer information, kontakta Janos Hajdu (befinner sig i Stanford), janos.hajdu@icm.uu.se mobil: 070-425 01 94, eller Inger Andersson (även hon i Stanford), inger.andersson@molbio.slu.se, mobil: 070-520 81 01.