FIXED: Fluorescens Icke-koherent eXtrem röntgenstrålning Emission och Diffraktion för bestämning av proteinstrukturer

Nicusor Timneanu. Foto: Camilla Thulin.

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: FIXED: Fluorescens Icke-koherent eXtrem röntgenstrålning Emission och Diffraktion för bestämning av proteinstrukturer
Huvudsökande: Nicusor Timneanu, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 200 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Framemot strukturbestämning genom inkoherent röntgenfluorescens

Länge har människan varit fascinerad av att förstå materia runt omkring. Röntgenstrålning har används under de senaste 100 åren för att undersöka materiens struktur, organisk eller oorganisk, och uppnå atomär upplösning. Röntgenlaser är den nyaste ljuskällan som kan producera extremt korta och starka röntgenpulser. I USA, Tyskland, Japan och Italien finns redan nu fungerande anläggningar, så kallade röntgenfrielektronlasrar, och flera är planerade runt om i världen. De blixtsnabba pulserna är några femtosekunder långa, dvs. några miljoners miljarder delar av en sekund. När pulserna fokuseras på en kvadratmikrometer, är intensiteten av röntgenlaserljuset en triljon gånger högre än intensiteten av solljuset som träffar jordens yta under samma tid.

Röntgenlasrar har börjat användas för att strukturbestämma proteiner i kristaller mindre än mikrometerstorlek som är för små för att kunna användas vid konventionella röntgenkällor. Tekniken kallas för ”koherent diffraktiv avbildning” och har fördelen att den är tillämpbar på svårkristalliserade proteiner, så som de viktiga membranproteinerna. Tekniken använder inga linser som i vanliga ljusmikroskop, eftersom röntgenljuset är svårt att böja. Genom koherent spridning av ljuset kan skaffas så kallade diffraktionsbilder som sedan kan tolkas i form av atomära strukturer. Koherens betyder att alla fotoner från lasern sprids sammanhängande. Kristallografi med röntgenlaser har de senaste åren gjort stora framsteg och listades i tidskriften Science som ett av de 10 största vetenskapliga genombrotten under 2012.

Vid alla undersökningar med röntgenlaser förstörs proverna av strålningen under processen. På en väldigt kort tid förvandlas provet till ett plasma och kan nå temperaturer upp till några miljoner grader Celsius. Därför är det viktigt att förstå vad som händer när intensiva röntgenpulser träffar materia, så att den användbara informationen om provet kan erhållas innan provet förstörts. På en mikroskopisk nivå, så kommer plasma att börja glöda och atomerna kommer att börja stråla. Om provet innehåller metaller, t.ex. hemoglobin med järn inuti, då kommer dessa atomer börja stråla röntgenljus, så kallat fluorescens. Den nya idén i detta projekt är att använda röntgenfluorescens för att erhålla information om strukturen och stödja avbildningen. Eftersom atomerna kommer att stråla oberoende av varandra, kommer denna strålning att ge en inkoherent avbildning, och bilderna behöver tolkas på ett annat sätt med hjälp av korrelationer mellan alla fotoner parvis.

Vi kommer att utföra teoretiska och experimentella studier av processer när extrem röntgenstrålning växelverkar med biologiska prover som innehåller metallatomer. Med hjälp av experiment och datorsimuleringar ska vi studera röntgenfluorescens på olika material och hur detta kommer påverka avbildningen av biomolekyler från små kristaller när de träffas av röntgenlaserljuset. Informationen kommer vi sedan att använda för att förbättra de redan befintliga algoritmerna för att härleda atomstrukturen utifrån diffraktionsbilderna. Kunskap om metalloproteiner är relevant för att förstå deras funktion, eftersom dessa proteiner är viktiga för liv, t.ex. hemoglobin som innehåller järn, eller fotosystemproteiner som innehåller mangan.

Extrema former av materia och strålskadestudier är relevanta på både mikroskopisk nivå (t.ex. strukturbiologi, för avbildning av biomolekyler) och makroskopisk nivå (t.ex. materialvetenskap, hur man bygger speglar som kan böja röntgenstrålning, eller tillverka nya typer av röntgenkällor). Ny kunskap om plasmadynamik är fundamental och kommer att ha hög relevans för många naturvetenskapliga discipliner.

Den här typen av studier har en tvärvetenskaplig karaktär och bygger på samspel mellan fysik och biologi, samt ett starkt inslag av teoribildning för att beskriva och förstå dessa komplexa fenomen. Studierna kräver också ett starkt internationellt samarbete vilket redan i dagsläget är väl etablerat inom forskningen runt röntgenlasrar, och där våra grupper vid Uppsala universitet och Center for free-electron laser science i Hamburg är världsledande. Forskningsresultaten kommer att ha ett brett intresse och kommer att populariseras och kommuniceras i vetenskapliga tidskrifter och konferenser. Resultaten har hittills haft och kommer att ha stort genomslag även i vardagliga medier.