Υπερταχεία βιντεοσκόπηση χημικών αντιδράσεων βιομορίων!

Σχηματική απεικόνιση της τεχνικής αποκάλυψης της χημικής δομής πρωτεϊνών με Σειριακή Κρυσταλλογραφία Φεμπτοδευτερολέπτων. Με την γκρι λωρίδα απεικονίζεται η αλυσίδα των πεπτιδίων που συνθέτουν την πρωτεΐνη

Μια νέα τεχνική, η Σειριακή Κρυσταλλογραφία Φεμπτοδευτερολέπτων (SFX), επιτρέπει για πρώτη φορά να δούμε απευθείας τις κινήσεις των ατόμων και των τμημάτων βιοχημικών μεγαλομορίων όπως οι πρωτεΐνες, την ώρα που αντιδρούν χημικά, στο φαινόμενο της φωτοσύνθεσης, ή κατά την επίδραση φαρμάκων στα κύτταρα, διεργασιών που πραγματοποιούνται ταχύτατα, μέσα σε ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου.
Ηδη ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο έχουν χρησιμοποιήσει την τεχνική SFX για να αποκαλύψουν τις λεπτομέρειες του τρόπου που επιδρά πειραματικό φάρμακο για την υψηλή αρτηριακή πίεση, ανοίγοντας το δρόμο για σημαντική πρόοδο στη φαρμακολογία, αλλά και για την αποκάλυψη της λεπτομερούς δομής του ενζύμου (είδους πρωτεΐνης) που καταστρέφει τα ερυθρά αιμοσφαίρια στην αφρικανική τρυπανοσωμίαση (ασθένεια του ύπνου). Αλλοι επιστήμονες τη χρησιμοποίησαν, για να καταγράψουν τη διαδικασία επίδρασης των φωτονίων σε φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες σαν αυτές που έχουμε στα μάτια μας, δηλαδή στο πρωταρχικό στάδιο της διαδικασίας της όρασης. Αναμφίβολα, ευρύτερης σημασίας είναι η χρήση της για την καταγραφή των λεπτομερειών της πρώτης φάσης της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, κατά την οποία το νερό διασπάται σε οξυγόνο και υδρογόνο, ανοίγοντας το δρόμο για αποδοτικότερους τρόπους τεχνητής πραγματοποίησής της και μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε καθαρή, ανανεώσιμη χημική ενέργεια.
Πριν την SFX οι επιστήμονες είχαν κάνει τεράστια πρόοδο στην ανίχνευση των αλλαγών που συμβαίνουν στα μόρια κατά την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων, αλλά δεν μπορούσαν να παρατηρήσουν τα πιο ευαίσθητα και σύνθετα βιομόρια σε δράση. Ηδη από τη δεκαετία του 1980, ο χημικός Α. Ζεβάιλ είχε εφεύρει έναν τρόπο να παρακολουθεί τα άτομα κατά την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων, χρησιμοποιώντας εξαιρετικά σύντομους παλμούς ακτίνων λέιζερ σε μήκη κύματος του ορατού τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ομως σε αυτά τα μήκη κύματος δεν μπορούσαν να απεικονιστούν οι λεπτομέρειες της πρωτεϊνικής δομής. Πιο πρόσφατα έγιναν μεγάλες πρόοδοι στην τεχνολογία της μικροσκοπίας, που επέτρεψαν την απεικόνιση πρωτεϊνών και ιών σχεδόν στο επίπεδο των ατόμων. Αλλά οι τεχνικές αυτές δεν ήταν αρκετά γρήγορες, ώστε να καταγράφουν ταχύτατες αντιδράσεις, όπως η φωτοσύνθεση.

Χρόνος ανεπαίσθητος

Η επιστημονική ομάδα πίσω από την τεχνική SFX αποφάσισε να χρησιμοποιήσει ακτίνες-Χ, που λόγω του μικρότερου μήκος κύματός τους επιτρέπουν την ταχύτητα και την ανάλυση που χρειάζονται οι βιοχημικές αντιδράσεις. Κλειδί για την επιτυχία της SFX ήταν η ανάπτυξη τεχνολογίας που θα επέτρεπε να σχηματιστούν εικόνες από τη διάθλαση των ακτίνων-Χ μέσα από τα μόρια των πρωτεϊνών, τη στιγμή ακριβώς πριν την καταστροφή τους εξαιτίας των ακτίνων-Χ. Παραδοσιακά οι επιστήμονες που ασχολούνται με τέτοιες τεχνικές αναπτύσσουν με πολύ κόπο μεγάλους κρυστάλλους πρωτεϊνών και άλλων μορίων, ώστε να χαρτογραφήσουν τη θέση των ατόμων μέσα σε αυτούς. Στη συνέχεια, ρίχνουν ακτίνες-Χ στους κρυστάλλους και καταγράφουν τη σκέδαση των ακτίνων (περίθλαση). Σε έναν κρύσταλλο τα μόρια συγκρατούνται σε κανονικές γεωμετρικές διατάξεις, έτσι η σκέδαση των ακτίνων-Χ γίνεται με προβλέψιμο τρόπο, επιτρέποντας από τις καταγραφές να προσδιοριστεί η θέση και το είδος των ατόμων μέσα στο μόριο. Αυτή η μέθοδος, που αποκαλείται κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ είναι η βάση της τεχνικής SFX, που καταφέρνει όμως να καταγράψει τη χημική δομή των μορίων σε πολύ πιο σύντομο χρόνο.
Οι ακτίνες-Χ τελικά καταστρέφουν τα μόρια που προσπαθούν να δουν οι επιστήμονες. Γι' αυτό θεωρούνταν ότι η χρήση λέιζερ ακτίνων-Χ, δηλαδή πιο συγκεντρωμένων ακτίνων-Χ θα έκανε τα πράγματα ακόμη χειρότερα. Είναι τόσο ισχυρό αυτό το λέιζερ, που μπορεί να ανοίξει στη στιγμή τρύπα σε ένα φύλλο ατσάλι. Επρεπε με κάποιον τρόπο οι επιστήμονες να ξεπεράσουν σε ταχύτητα τη δράση των ακτίνων-Χ και να καταγράψουν την εικόνα του μορίου σε φεμπτοδευτερόλεπτα (εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου). Για να καταλάβει κανείς πόσο μικρό χρονικό διάστημα είναι αυτό, αναφέρεται ότι η διαφορά ανάμεσα στο φεμπτοδευτερόλεπτο και το δευτερόλεπτο, είναι ανάλογη με τη διαφορά του δευτερολέπτου και 32 εκατομμυρίων ετών!
Το κλειδί της τεχνικής SFX βρίσκεται σε αυτήν την απειροελάχιστη χρονική στιγμή, ανάμεσα στην ώρα που ο παλμός ακτίνων-Χ χτυπά το μόριο και τη στιγμή που τα ηλεκτρόνια ξεριζώνονται από τα άτομα που το απαρτίζουν, έχοντας απορροφήσει την Ενέργεια της ακτίνας-Χ. Χωρίς τα ηλεκτρόνια, τα θετικά φορτισμένα υπολείμματα των ατόμων (θετικά ιόντα), απωθούν το ένα το άλλο, κάνοντας το μόριο να διογκώνεται και τελικά να εκρήγνυται και να διασπάται σε πολλά μικρά κομμάτια.

Εφευρετικότητα

Πολλές από τις πιο ενδιαφέρουσες πρωτεΐνες είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπτυχθούν σε μεγάλους κρυστάλλους. Γι' αυτό η τεχνική SFX χρησιμοποιεί νανοκρυστάλλους (μεγέθους δισεκατομμυριοστού του μέτρου), που όμως παρουσιάζουν επιπλέον προβλήματα προς επίλυση, όπως η μεμονωμένη τοποθέτησή τους ο ένας πίσω από τον άλλο μπροστά από τους παλμούς ακτίνων-Χ και μάλιστα με ρυθμό 120 νανοκρυστάλλων ανά δευτερόλεπτο. Για να το πετύχουν οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια τεχνική ανάλογη με αυτή που χρησιμοποιείται στα ακροφύσια των εκτυπωτών υγρής μελάνης (inkjet). Ομως για να μην μπλοκάρονται τα ακροφύσια, αλλά και για να έχουν απόλυτο έλεγχο μόριο προς μόριο, περιέβαλλαν το ρεύμα των κρυστάλλων με ένα ρεύμα αερίου ηλίου, ώστε αλλάζοντας το πάχος του δεύτερου ρεύματος να προσαρμόζουν κατάλληλα τη διάμετρο του ρεύματος των νανοκρυστάλλων.
Για να μπορούν να δουν τους νανοκρυστάλλους ανέπτυξαν τη μέθοδο SONICC (δεύτερης τάξης μη γραμμική απεικόνιση χειρομορφικών κρυστάλλων), κατά την οποία δύο πολύ σύντομοι παλμοί υπέρυθρου φωτός μετατρέπονται σε ένα φωτόνιο πράσινου φωτός, που φωτίζει τους κρυστάλλους σαν πυγολαμπίδες μέσα στο σκοτάδι, ώστε να μπορούν να ανιχνευτούν.
Το τελικό πρόβλημα που έπρεπε να λύσουν ήταν η δημιουργία κατάλληλου λογισμικού για την επεξεργασία του τεράστιου όγκου δεδομένων που προέκυπταν, καθώς κάθε πείραμα δημιουργούσε δεδομένα 100 τεραμπάιτ, δηλαδή όσο χωράνε 25 σκληροί δίσκοι των 4 τεραμπάιτ. Για το σχηματισμό της τρισδιάστατης εικόνας των μορίων, έπρεπε να βρεθεί ο προσανατολισμός που είχε το μόριο όταν χτυπήθηκε από την ακτίνα σε δεκάδες χιλιάδες ενσταντανέ του και τέλος οι μεμονωμένες εικόνες του μορίου να συνδυαστούν για το σχηματισμό του βιντεοκλίπ της εξέλιξης της χημικής αντίδρασης, που παρουσιάζει μια ταχύτατη διαδικασία σε πάρα πολύ αργή κίνηση.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»