Исследователи экспериментировали с фуллеренами бакминстера, или для краткости бакиболлами. Эти сферические молекулы состоят из 60 атомов углерода, расположенных в чередующихся пятиугольниках и шестиугольниках, как кожаная куртка футбольного мяча. «Бакиболлы хорошо подходят в качестве простой модельной системы для биомолекул», – объясняет Сантра, ведущий научный сотрудник DESY в Центре лазерных исследований на свободных электронах (CFEL) и профессор физики в Университете Гамбурга. "Поскольку они состоят только из одного типа атомов и имеют симметричную структуру, они могут быть хорошо представлены в теории и эксперименте.
Это первый шаг перед исследованием молекул из разных типов атомов."
Используя рентгеновский лазер LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии, ученые испустили короткие рентгеновские вспышки длительностью около 20 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) на отдельные молекулы футбольного мяча и наблюдали их эффект в в реальном времени с временным разрешением в диапазоне около десяти фемтосекунд.
Данные показывают, что рентгеновская вспышка выбивает электроны примерно у каждого пятого из 60 атомов углерода. "После этого какое-то время ничего не происходит. Только через несколько десятков фемтосекунд атомы углерода постепенно отделяются от молекулы », – сообщает Сантра.
«То, что следует за этим, не является настоящим взрывом», – объясняет ученый. "Вместо этого бакиболлы распадаются сравнительно медленно.
Атомы углерода постепенно испаряются – нейтральных гораздо больше, чем электрически заряженных, что было удивительно.«Поскольку фрагментация букиболов в этом масштабе времени не является взрывной, а происходит постепенно, исследователи говорят об испарении атомов. Значимая интерпретация экспериментальных данных возможна только с помощью теоретического моделирования процесса.
«Обычно из молекулы вылетают около 25 нейтральных и только 15 электрически заряженных атомов углерода», – объясняет Сантра. «Остальные образуют фрагменты из нескольких атомов.«Весь процесс занимает около 600 фемтосекунд. Это все еще невообразимо мало по человеческим меркам, но чрезвычайно долго для структурного анализа с помощью рентгеновских лазеров. "Обычно за 20 фемтосекунд вспышки рентгеновского лазера атомы перемещаются максимум на 0.1 нанометр – то есть в диапазоне диаметров отдельных атомов и меньше, чем точность измерения структурного анализа.«Один нанометр – это одна миллионная миллиметра.
Для структурного анализа белков исследователи обычно выращивают небольшие кристаллы из биомолекул. Яркая рентгеновская лазерная вспышка затем дифрагирует на кристаллической решетке и генерирует типичную дифракционную картину, по которой может быть рассчитана кристаллическая структура, а вместе с ней и пространственная структура отдельных белков.
Пространственная структура белка раскрывает подробности его точной функции. Кристаллы протеина очень чувствительны и испаряются из-за вспышки рентгеновского лазера. Однако предыдущие исследования показали, что кристалл остается неповрежденным достаточно долго, чтобы создать дифракционное изображение перед испарением и, таким образом, выявить его пространственную структуру.
Новое исследование теперь подтверждает, что это также относится к отдельным молекулам, которые не связаны в кристаллической решетке. «Наши открытия с бакиболами, вероятно, будут играть роль в большинстве других молекул», – подчеркивает Сантра. Поскольку многие биомолекулы, как известно, трудно кристаллизовать, исследователи надеются, что в будущем смогут определять структуру ансамблей некристаллизованных белков или даже отдельных биомолекул с помощью рентгеновских лазеров.
Полученные результаты закладывают основу для более глубокого понимания и количественного моделирования радиационного повреждения биомолекул, вызванного вспышками рентгеновского лазера, пишут ученые.