Con la publicación de las primeras mediciones experimentales realizadas en la instalación, El láser europeo de electrones libres de rayos X (EuXFEL) ha superado otro hito crítico desde su lanzamiento en septiembre de 2017. Es el primero de una "próxima generación" de XFEL que ofrece una recopilación de datos mucho más rápida de lo que era posible antes. Dado que EuXFEL emite pulsos de rayos X a una velocidad casi increíble de un millón de pulsos por segundo, las mediciones experimentales se pueden completar más rápidamente, permitiendo que se lleven a cabo más experimentos por año. Sin embargo, no era obvio, que las técnicas de medición actuales podrían manejar este diluvio de pulsos de rayos X. Investigadores del Instituto Max Planck de Investigación Médica en Heidelberg y de la Universidad Rutgers en Newark, ESTADOS UNIDOS, trabajando con un equipo internacional de colaboradores y científicos de DESY y EuXFEL, ahora han demostrado que no solo se puede hacer esto, pero también que se obtiene información estructural de alta calidad sobre moléculas biológicas. Este es un gran avance para la instalación y para los biólogos estructurales que utilizan XFEL en todo el mundo.

Los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) permiten a los investigadores obtener imágenes tridimensionales de moléculas biológicas mediante exposiciones instantáneas de rayos X que duran solo femtosegundos. Estas imágenes se pueden combinar para producir "películas" de moléculas en la escala de tiempo increíblemente breve de las reacciones químicas. Esto proporciona nuevos conocimientos sobre el nanomundo que no solo son importantes para las ciencias básicas que van desde la biología a la física, sino que también ayudan a avanzar en el desarrollo de medicamentos nuevos y mejores, baterías y soportes de almacenamiento, y muchas otras cosas.

Desafortunadamente, solo existen unos pocos XFEL en todo el mundo, y solo se puede acomodar una fracción de los experimentos que los científicos quieren hacer. Esto también se debe a que el original, Los XFEL de "primera generación" emiten pulsos de rayos X a solo aproximadamente la velocidad de fotogramas de una cámara de TV, alrededor de 50 veces por segundo. Sin embargo, mediante el uso de un resonador superconductor para acelerar los electrones que se utilizan para producir los rayos X, XFEL de nueva generación, como el XFEL europeo (EuXFEL), entregan hasta un millón de pulsos por segundo. Por lo tanto, la emoción en la comunidad fue enorme cuando se inauguró EuXFEL hace menos de un año.

Las nuevas posibilidades de recopilación de datos con XFEL de alta tasa de repetición son, sin embargo, acompañado de desafíos completamente nuevos para los científicos que realizan los experimentos. Los mismos pulsos XFEL de femtosegundos extraordinariamente intensos que permiten estudiar objetos diminutos necesariamente también calientan y eventualmente vaporizan la muestra. Esto no es un problema en sí mismo, ya que la instantánea de rayos X de femtosegundos se completó mucho antes de que la muestra explotara. Se debe tener mucho cuidado, sin embargo, que el daño de un pulso XFEL no perturbe la muestra que será probada por el siguiente pulso. Por lo tanto, el medio de muestra debe moverse entre pulsos de rayos X, para que el rayo XFEL nunca golpee cerca del mismo lugar dos veces. A 50 pulsos por segundo, esto se hace fácilmente; pero con sólo una millonésima de segundo entre pulsos, no era obvio que alguna vez fuera posible.

Experimentos exitosos

En junio de 2018, científicos del departamento de Mecanismos Biomoleculares del Instituto Max Planck de Investigación Médica en Heidelberg junto con un equipo de investigación internacional, dirigido por Ilme Schlichting, director del Instituto Max Planck, realizó uno de los primeros experimentos en EuXFEL. El equipo enfrentó y dominó los desafíos asociados con la rápida llegada de los pulsos EuXFEL, obteniendo y analizando con éxito datos de alta calidad para una variedad de moléculas de proteínas.

"En nuestro periódico, te mostramos eso, en las condiciones actuales, la onda de choque inducida por un pulso XFEL no influye en la muestra probada por el siguiente pulso, incluso cuando ese segundo pulso llega solo una millonésima de segundo después, "dice Thomas Barends, líder del grupo de investigación del MPI y uno de los autores correspondientes. Los datos son de calidad suficientemente alta para permitir también un análisis detallado de una muestra previamente no caracterizada. Este es un hito para la instalación y de gran importancia práctica, dada la creciente demanda de tiempo de haz XFEL. "EuXFEL nos permite recopilar más datos en mucho menos tiempo, lo que nos permite hacer ciencia novedosa ", dice Marie Grünbein, primer autor de la publicación y Ph.D. estudiante del Instituto Max Planck en Heidelberg.