Una importante colaboración internacional lanzada por el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía está sentando las bases técnicas para tomar retratos individuales a escala atómica de virus intactos, bacterias vivas y otras muestras microscópicas utilizando la luz de rayos X más brillante de la Tierra.
Usando una técnica conocida como Imagen de Partículas Únicas SPI, la nueva empresa es una colaboración poco común de más de 100 científicos de 21 centros de investigación en ocho países que están trabajando hacia este ambicioso objetivo en el láser de rayos X de SLAC, el Linac CoherentLight Source LCLS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
La obtención de imágenes de una sola partícula se refiere a una técnica de rayos X que toma una instantánea de una muestra diminuta a la vez, como un virus individual, una bacteria o un cristal a nanoescala. En experimentos anteriores en LCLS, los investigadores han compilado imágenes de rayos X de cientos deo miles de estas muestras, incluidos virus gigantes, cianobacterias vivas y componentes celulares, para producir imágenes compuestas en 2-D y 3-D. Esto ha dado como resultado una serie de artículos científicos de alto perfil, pero aún está por debajo de lo que la comunidad científicaespera lograr con los láseres de rayos X.
Para acelerar el progreso, en diciembre de 2014 se lanzó un equipo internacional de SPI para reunir experiencia y perseguir objetivos comunes. El equipo acaba de completar el primer conjunto de pruebas experimentales con LCLS. Los datos que obtuvieron ahora se están analizando, pero ya muestran un progreso importantehacia el objetivo final de crear imágenes con detalles atómicos utilizando pulsos LCLS. La capacidad de producir imágenes 3-D a partir de múltiples muestras, junto con imágenes 2-D individuales que revelan diferencias sutiles entre muestras, permitiría a los científicos comprender los procesos biológicos en sistemas queson difíciles de estudiar con técnicas más convencionales, como la cristalografía o la microscopía electrónica.
"Este es realmente un gran desafío, identificado como uno de los objetivos motivadores originales para los láseres de electrones libres de rayos X", dijo el director de LCLS, Mike Dunne. "El éxito no está asegurado de ninguna manera, pero nuestro progreso es muy alentador y el impactode lograr una resolución atómica sería realmente profundo ".
Enfoque paso a paso
Esta meta, descrita en una "hoja de ruta" publicada este año, presenta una serie de desafíos. Las muestras biológicas no miran hacia la cámara para que se tomen sus retratos; en cambio, caen al azar mientras se lanzan en el camino de la Xpulsos de rayos X. Además, un pulso de rayos X puede incidir en varias muestras a la vez o sólo en parte de una muestra, y las propiedades del haz de rayos X varían de un pulso a otro.
"Estamos impulsando las herramientas y métodos para ver hasta dónde podemos llegar", dijo Andy Aquila, un científico del personal de LCLS que está liderando el esfuerzo. "Estamos trabajando en los fundamentos".
El uso de un láser de rayos X abre nuevas posibilidades para mirar dentro de objetos biológicos intactos y capturar los detalles de procesos biológicos ultrarrápidos, porque sus pulsos intensos y ultracortos producen retratos vívidos y vivos en el instante antes de que destruyan la muestra.
Otras técnicas han logrado una resolución más alta, pero por lo general requieren que las muestras se congelen, corten o alteren de alguna otra manera. LCLS tiene la ventaja de estudiar las muestras en un estado más natural e intacto a temperatura ambiente. También funciona rápidamente, las muestras se mueven rápidamentea través del haz de rayos X, que dispara hasta 120 pulsos de rayos X por segundo y los golpea uno a la vez.
"En última instancia, nos gustaría obtener instantáneas a medida que estas biopartículas cambian en respuesta a su entorno químico", dijo John Spence, director científico de un consorcio de universidades estadounidenses financiado por la National Science Foundation que utiliza el LCLS para biología.
En una serie de experimentos dedicados en LCLS, el equipo está adoptando un enfoque paso a paso para descubrir la mejor manera de sintonizar los pulsos láser y configurar el equipo relacionado para mejorar el enfoque de rayos X y producir imágenes más nítidas y detalladasimágenes de muestras.
Las colaboraciones grandes son comunes en LCLS, pero es más raro que grupos separados de investigadores se unan de esta manera hacia un objetivo común. Aquila dijo: "Prácticamente todos los jugadores en el campo son parte de esto. Es genial tener ununa amplia muestra representativa de la comunidad. No estamos compitiendo, el grupo desarrolla un consenso. Todos quieren que esto funcione ".
Últimos resultados
A principios de este mes, durante la tercera y última ronda de experimentos LCLS del equipo, la sala de control estaba llena de conversaciones mientras grupos de investigadores monitoreaban el rendimiento del haz de rayos X y los detectores, el software de análisis de datos en tiempo real y otros sistemasen preparación para enviar muestras de prueba a los pulsos de rayos X.
Los participantes habían votado a favor de utilizar la cáscara exterior, o "cápside", del bien estudiado virus enano del arroz, que mide alrededor de 80 nanómetros mil millonésimas de metro de diámetro, como primera muestra de prueba. Una pizarra mostraba una lista de verificaciónde especificaciones técnicas para ejecutar durante este turno de 12 horas.
"Se hizo un gran esfuerzo para hacer un haz de rayos X agradable y limpio", dijo Aquila, lo que logró hacer pasar el haz a través de una serie de rendijas estrechas para dar forma a los pulsos para agudizar su enfoque y evitar el "ruido" perdido.en los detectores de rayos X. "Cosas sutiles pueden cambiar el experimento de manera espectacular".
Aquila dijo que el análisis inicial de los nuevos resultados de imágenes mostró una resolución de varios nanómetros, complementando los datos de una prueba anterior que mostraba información subnanométrica. Ambos resultados representan mejoras importantes que marcan un progreso significativo hacia el objetivo final de la obtención de imágenes a escala atómica."Tenemos mucho más trabajo por delante, pero creo que se puede lograr", dijo Aquila.
Objetivos comunes
Si bien los científicos participantes a veces compiten por ser los primeros en publicar resultados científicos, el enfoque actual busca nivelar el campo de juego estableciendo y compartiendo los mejores métodos para realizar experimentos. Todos los datos recopilados estarán disponibles para todos los participantes y luego paratoda la comunidad científica.
"Queremos ser lo más abiertos posible", dijo Aquila. "Queremos mejorar los métodos para proporcionar nuevas capacidades que luego puedan ser utilizadas por todos".
Los participantes dijeron que están ansiosos por poner en práctica lo que aprendieron en el puñado de otros láseres de rayos X en funcionamiento o en construcción en todo el mundo.
"No se puede construir un auto de carreras hasta que se ponen las ruedas, y este enfoque sistemático de la ciencia es poner las ruedas", dijo Adrian Mancuso, quien lidera el desarrollo de un instrumento que realizará experimentos relacionados enel láser europeo de electrones libres de rayos X European XFEL ahora en construcción en Alemania. "Este esfuerzo es paralelo a nuestro trabajo en el XFEL europeo. Es intrínsecamente importante para el éxito de experimentos futuros".
Henry Chapman, líder de división del Centro para la ciencia del láser de electrones libres en Alemania, dijo: "Creo que el progreso desde aquí será rápido y emocionante. Este tipo de imágenes siempre ha sido un gran desafío, y es por eso queHa sido muy bueno para la comunidad unirse para trabajar en esto ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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