El equipo LCLS, que incluye científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York, la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y el Laboratorio Nacional Argonne, también logró registrar las primeras imágenes de dispersión láser de rayos X de un virus intacto, el virus vaccinia, que se trata de el tamaño de las bacterias más pequeñas.
Los resultados, publicados en dos artículos en Nature Communications, demuestran la promesa del láser de rayos X como una nueva y poderosa herramienta para explorar estructuras biológicas.
"Esta fue la primera vez que pudimos utilizar láseres de rayos X para obtener imágenes de estas dos clases muy importantes de muestras biológicas, que contienen información valiosa que podría conducir a nuevas formas de tratar enfermedades", dijo el científico del SLAC Henrik Lemke, quien es el autor correspondiente del estudio sobre cristales de proteínas.
Para realizar el trabajo, el equipo tuvo que hacer algunos ajustes en el haz de rayos X duros de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, que proporciona pulsos de rayos X ultrabrillantes y ultracortos.
Un desafío fue que los pulsos de rayos X eran demasiado brillantes y concentrados, amenazando con dañar o destruir las delicadas muestras y el portamuestras circundante.
"Nuestro haz normalmente tiene aproximadamente el tamaño de un cabello humano muy delgado, pero lo hicimos cien veces más grande para poder dispersar y difractar los rayos X más suavemente de las muestras", dijo el científico del instrumento LCLS y coautor del estudio. autor Schuyler Brown.
Los investigadores también necesitaban desarrollar nuevas técnicas de preparación de muestras para evitar los daños causados por el intenso haz de rayos X. Debido a que los destellos del láser duran sólo femtosegundos (cuatrimillonésimas de segundo), el daño se produce en sólo diez cuatrillones de segundo.
Utilizando una técnica conocida como cristalografía en serie de femtosegundos, los científicos dispararon intensos pulsos de rayos X, uno a la vez, a miles de pequeños cristales para crear una gran cantidad de patrones de difracción:patrones de rayos X dispersos que contienen información estructural sobre los cristales.
"En la mayoría de los casos, sólo disparamos un pulso de rayos X a cada cristal porque el primer destello lo destruiría", dijo el coautor del estudio Thomas White de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York. "Como resultado, cada destello generó sólo un patrón de difracción. Luego combinamos todos los patrones para reconstruir una imagen tridimensional de las estructuras de los cristales".
Con esta técnica, el equipo resolvió la estructura de los cristales de proteínas conocidos como fotosistema II, que se encargan de convertir la luz solar en energía química durante la fotosíntesis. Los resultados representan la estructura de fotosistema II más pequeña obtenida hasta ahora.
Las imágenes dispersas del virus vaccinia tomadas por el equipo también produjeron algunas sorpresas, mostrando que algunos de los virus en la muestra tenían una conformación inesperada y altamente simétrica. Este tipo de conformación podría afectar la forma en que el virus interactúa con los huéspedes y podría revelar un talón de Aquiles al que podrían atacar los medicamentos antivirales.
"Este es otro gran ejemplo de cómo el láser de rayos X permite a los investigadores ver cosas en biología que nunca antes habían visto", dijo el director de SLAC, Mike Witherell. "Al observar los detalles de virus o proteínas que no son visibles con ninguna otra técnica, no sólo estamos obteniendo una comprensión más profunda del mundo natural, sino que también abrimos la puerta a nuevas formas de combatir enfermedades y crear energía renovable".
Está previsto que el LCLS de SLAC se actualice en 2018, lo que aumentará drásticamente su potencia, abriendo aún más posibilidades de obtención de imágenes biológicas. Los futuros instrumentos del futuro láser de rayos X de SLAC, LCLS-II, también respaldarán la obtención de imágenes biológicas.
La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, los Institutos Nacionales de Salud, la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York.
