Международная группа ученых, возглавляемая профессором Мариусом Шмидтом (Prof. Marius Schmidt) из университета Висконсина-Милуоки (University of Wisconsin-Milwaukee), добилась успеха в проведении съемки движения светочувствительной биомолекулы определенного типа с беспрецедентно высоким на сегодняшний день уровнем пространственной и временной разрешающей способности. В качестве образцов исследователи использовали молекулы светочувствительного желтого белка (photoactive yellow protein, PYP), который является "приемником" свет синего цвета и который входит в состав фотосинтетического механизма бактерий некоторых типов. Когда молекула PYP улавливает фотон синего света, она начинает двигаться, принимая несколько промежуточных форм, максимально эффективно поглощая энергию фотона. Затем молекула возвращается к исходному состоянию и это является завершающим этапом фотоцикла, который уже достаточно хорошо изучен учеными.
Для производства съемки ученые синтезировали крошечные кристаллики из молекул белка PYP, размеры которых редко превышали 0.01 миллиметр. Фотоцикл этих молекул был запущен импульсом синего лазера, после чего эти микрокристаллы распылялись в рабочий объем камеры лазера LCLS, самого мощного рентгеновского лазера на сегодняшний день, находящегося в Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC.
Чрезвычайно яркие и короткие вспышки лазера LCLS позволили исследователям зафиксировать все этапы изменения формы молекулы белка PYP. А изображения самих молекул были восстановлены из образов дифракции лучей рентгеновского излучения. Полученные снимки имеют пространственную разрешающую способность в 0.16 нанометра, для сравнения стоит указать, что диаметр самого маленького атома, атома водорода, равен приблизительно 0.1 нанометра.
Помимо столь высокой пространственной разрешающей способности рентгеновский лазер смог обеспечить и сверхбыструю временную разрешающую способность. Промежутки времени между двумя соседними снимками не превышали 1 пикосекунды (триллионной доли секунды), и получение столь коротких интервалов попросту невозможно при помощи других методов. Позже, после окончательной обработки снимков они будут объединены в видео, демонстрирующее динамику движения молекулы белка в замедленном темпе.
По сравнению с другими методами съемки рентгеновские лазеры имеют два неоспоримых преимущества при исследованиях динамики движения молекул. Только такие лазеры могут чрезвычайно сильные и сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения, что позволяет зафиксировать четкую дифракционную картину до того момента, как объект исследований распадется под влиянием излучения. Кроме этого, пикосекунда - это далеко не предел временной разрешающей способности для съемки при помощи импульсов рентгеновского лазера. В данном случае исследователи использовали импульсы, длительностью 40 фемтосекунд, но ничего не мешает уменьшить это время до нескольких фемтосекунд, получив еще большую временную разрешающую способность проводимой съемки.
"Данный случая является настоящим прорывом" - рассказывает профессор Генри Чапман (Prof. Henry Chapman), ученый из Центра изучения лазеров на свободных электронах в институте DESY, Германия, - "Наше достижение имеет огромное значение для дальнейшего развития некоторых областей науки, в которых ученые получили возможность производить съемку динамичных события с атомной разрешающей способностью".
