L'équipe LCLS, qui comprend des scientifiques de la faculté de médecine de l'université de New York, de l'université du Wisconsin-Milwaukee et du laboratoire national d'Argonne, a également réussi à enregistrer les premières images par diffusion laser des rayons X d'un virus intact, le virus de la vaccine, qui est d'environ la taille des plus petites bactéries.
Les résultats, rapportés dans deux articles parus dans Nature Communications, démontrent la promesse du laser à rayons X en tant que nouvel outil puissant pour explorer les structures biologiques.
"C'était la première fois que nous pouvions utiliser des lasers à rayons X pour imager ces deux classes très importantes d'échantillons biologiques, qui contiennent des informations précieuses qui pourraient conduire à de nouvelles façons de traiter les maladies", a déclaré Henrik Lemke, scientifique du SLAC. l'auteur correspondant de l'étude sur les cristaux de protéines.
Pour faire le travail, l'équipe a dû apporter quelques ajustements au faisceau de rayons X durs de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, qui fournit des impulsions de rayons X ultra-brillantes et ultra-brèves.
L'un des défis était que les impulsions de rayons X étaient trop brillantes et trop concentrées, menaçant d'endommager ou de détruire les échantillons délicats ainsi que le porte-échantillon environnant.
"Notre faisceau a normalement la taille d'un cheveu humain très fin, mais nous l'avons rendu cent fois plus grand afin de pouvoir diffuser et diffracter les rayons X plus doucement sur les échantillons", a déclaré le scientifique de l'instrument LCLS et co-étude. auteur Schuyler Brown.
Les chercheurs devaient également développer de nouvelles techniques de préparation des échantillons pour prévenir les dommages causés par le faisceau intense de rayons X. Étant donné que les éclairs du laser ne durent que des femtosecondes (quadrillionièmes de seconde), les dommages se produisent en seulement dix quadrillions de seconde.
En utilisant une technique connue sous le nom de cristallographie femtoseconde en série, les scientifiques ont émis des impulsions de rayons X intenses, une par une, sur des milliers de minuscules cristaux pour créer une multitude de modèles de diffraction, des modèles de rayons X dispersés contenant des informations structurelles sur les cristaux.
"Dans la plupart des cas, nous n'avons émis qu'une seule impulsion de rayons X sur chaque cristal, car le premier flash le détruirait", a déclaré Thomas White, co-auteur de l'étude, de la faculté de médecine de l'université de New York. "En conséquence, chaque flash générait un seul motif de diffraction. Nous avons ensuite combiné tous les motifs pour reconstruire une image tridimensionnelle des structures des cristaux."
Grâce à cette technique, l’équipe a résolu la structure des cristaux de protéines connus sous le nom de photosystème II, responsables de la conversion de la lumière solaire en énergie chimique pendant la photosynthèse. Les résultats représentent la plus petite structure de photosystème II jamais obtenue.
Les images dispersées du virus de la vaccine prises par l'équipe ont également produit quelques surprises, montrant que certains des virus présents dans l'échantillon présentaient une conformation inattendue et hautement symétrique. Ce type de conformation pourrait affecter la façon dont le virus interagit avec les hôtes et pourrait révéler un talon d'Achille qui pourrait être ciblé par des médicaments antiviraux.
"C'est un autre excellent exemple de la manière dont le laser à rayons X permet aux chercheurs de voir des choses en biologie qu'ils n'ont jamais vues auparavant", a déclaré Mike Witherell, directeur du SLAC. "En examinant les détails des virus ou des protéines qui ne sont visibles avec aucune autre technique, nous acquérons non seulement une compréhension plus profonde du monde naturel, mais ouvrons également la porte à de nouvelles façons de lutter contre les maladies et de créer de l'énergie renouvelable."
Le LCLS du SLAC devrait faire l'objet d'une mise à niveau en 2018, ce qui augmentera considérablement sa puissance, ouvrant ainsi davantage de possibilités d'imagerie biologique. Les futurs instruments du futur laser à rayons X du SLAC, LCLS-II, prendront également en charge l'imagerie biologique.
La recherche a été financée par le Bureau des sciences du Département de l'énergie, les National Institutes of Health, l'Université du Wisconsin-Milwaukee et la faculté de médecine de l'Université de New York.
