Физикам впервые удалось получить изображения и данные о структуре вирусной частицы и белковой молекулы с помощью рентгеновского фемтосекундного лазера, говорится в двух статьях, опубликованных учеными из США и Германии в журнале Nature.

Рис. 1. Реконструированное трехмерное изображение
молекулы белка Photosystem I.

Пространственную структуру сложных биологических молекул или вирусов обычно исследуют методом рентгеновской кристаллографии. Этот метод требует получения высококачественных кристаллов, которые к тому же могут разрушаться под действием излучения. Кроме того, кристаллы абсолютно свободные от дефектов, как правило, вырастить не удается.

Чтобы избавиться от этих недостатков, ученые решили использовать другой инструмент – чрезвычайно мощные и сверхкороткие по длительности импульсы рентгеновского излучения. Они настолько мощные, что мгновенно испаряют образцы, но сверхкороткий импульс успевает запечатлеть их структуру.

Для этого используются так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах – в них разогнанные до высокой скорости электроны пролетают над рядом из постоянных магнитов, которые заставляют их отклоняться от своей траектории. Когда электроны меняют скорость они испускают пучки жесткого, так называемого синхротронного излучения.

Международная группа ученых под руководством Генри Чапмана из синхротронного центра DESY в Гамбурге впервые использовала этот метод для изучения структуры белковой молекулы и вирусной частицы.

Эксперимент проводился в США, на установке LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии. Но подготовка к этому шла в течение многих лет на рентгеновском лазере FLASH в DESY.

Рис. 2. Рентгеновский лазер LCLS.

Чтобы сделать трехмерные снимки объектов, импульсы рентгеновского лазера направляли на одинаковые, но по-разному ориентированные объекты, подвешенные в тонкой струе аэрозоля или жидкости. Каждую минуту лазер «выдавал» более тысячи дифракционных картин, образованных преломлением излучения на узловых элементах структуры. Примерно 30 раз в секунду под луч подавался новый объект взамен испаренного. Собранные данные обрабатывались компьютерными кластерами в SLAC и в DESY, которые собирали единое трехмерное изображение белковой молекулы и вириона.

Исследовавшийся в рамках эксперимента белок Photosystem I преобразует солнечный свет в энергию в процессе фотосинтеза. Ранее, чтобы получить данные о структуре этого белка, ученые потратили 13 лет на подбор условий для кристаллизации и последующего рентгеноструктурного анализа.

Участники эксперимента также проанализировали структуру частицы мимивируса – самого большого известного вируса, который поражает амеб. В этот раз ученые смогли получить снимки вируса без длительных процедур заморозки, расстановки химических меток.

В настоящее время в Гамбурге строится рентгеновский лазер нового поколения – европейский лазер XFEL. Этот «мегаприбор» планируется построить к 2014 году. Его яркость будет превосходить существующие источники синхротронного излучения более чем в 100 миллионов раз, длительность рентгеновского импульса на нем будет составлять около 100 фемтосекунд (100 квадриллионных долей секунды, за это время свет проходит около 30 микрон).

Длина установки составит 3,4 километра, она будет находиться на территории двух немецких земель – Гамбурга и Шлезвиг-Гольштейна. Стоимость прибора составит 1 миллиард евро, из которых 250 миллионов евро вносит Россия.

Научное руководство реализацией проекта, а также формирование научно-исследовательской программы использования XFEL с российской стороны возложено на РНЦ «Курчатовский институт», головную научную организацию Программы по координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в России.