Bemutatkozik az új európai szuperlézer

A Németországban felépített vadonatúj röntgenlézer több mint egy nagyságrenddel gyorsabb elődeinél. Első eredménye egy antibiotikumrezisztenciáért felelős baktériumfehérje szerkezetének atomi szintű meghatározása.

A Német Elektronszinkrotron (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY) munkatársai által vezetett, több mint 120 tudóst sorai közt tudó nemzetközi kutatócsoport bejelentette az új európai röntgenlézer, az Európai XFEL első tudományos kísérleteinek eredményét. A projekt során nemcsak azt bizonyították, hogy a frissen felavatott berendezés több mint egy nagyságrenddel gyorsabban dolgozik a korábbiaknál, hanem egy gyógyászati szempontból fontos, egyes baktériumok antibiotikumrezisztenciáját biztosító enzim eddig ismeretlen szerkezetét is meghatározták.

Az XFEL-t használó első csapat úttörő erőfeszítéseivel lefektette a következő felhasználók számára a további munka alapjait, akik sokat köszönhetnek majd ezeknek a kezdeti kísérleteknek

– hangsúlyozta az Európai XFEL ügyvezető igazgatója, Robert Feidenhans'l. – Nagyon elégedettek vagyunk, mert ezek az eredmények azt mutatják, hogy a labor még a vártnál is jobban működik, és készen áll az áttörő tudományos felfedezésekre." A kísérletek részletes leírása, beleértve az XFEL-lel elsőként megfejtett fehérjeszerkezet, a Nature Communications című folyóiratban lát napvilágot.

Forrás: dpa Picture-Alliance/AFP/Ulrich Perrey

Új berendezés, új feladatok

„Mivel ez a berendezés teljesen újszerű a maga nemében, egy sor olyan feladattal kellett szembenéznünk, amilyennel senki nem találkozott korábban – számol be a kezdet nehézségeiről Anton Barty, a DESY tudósa és a Center for Free-Electron Laser Science (CFEL, Szabadelektronos Lézertudományi Központ) munkatársa, aki a nagyjából 125 kutatóból álló, az XFEL első publikus eredményeit előállító munkacsoportot vezette. – Ez körülbelül olyan érzés, mint egy vadonatúj repülőgéptípus berepülése:

minden számítást elvégeztek, minden össze van szerelve, és minden együtt van ahhoz, hogy a dolog működjön, de hogy tényleg levegőbe emelkedik-e, az csak akkor derül ki, amikor valaki beül és elindítja."

A 3,4 kilométer hosszú Európai XFEL-t arra tervezték, hogy képes legyen 220 nanoszekundumos időközönként (vagyis másodpercenként több mint 4,5 milliószor) nagyenergiájú röntgenlézer-impulzusokat kibocsátani. A biológiai molekulák, például enzimek szerkezetének meghatározásakor a molekula parányi kristályait ezekkel a röntgenimpulzusokkal bombázzák. A röntgensugarak a kristályokon elhajolva jellegzetes, ún. diffrakciós mintázatot képeznek, amely a berendezés detektoraival felfogható, és árulkodik a kristályt alkotó fehérje alkotó atomjainak helyzetéről. Ha a kristályt mindenféle irányból besugározva elegendő diffrakciós mintázatot sikerül gyűjteni, kiszámíthatóvá válik a molekula térbeli szerkezete, ami sokat elárul a működésének mikéntjéről is.

Forrás: DESY/Lucid Berlin

Azonban minden apró kristályt csupán egyszer lehet „lelőni", mivel a nagyenergiájú impulzus hatására egyszerűen elpárolog – szerencsére csak azután, hogy a diffrakciós mintát létrehozta. Ezért a molekula teljes háromdimenziós szerkezetének meghatározásához az impulzusnyalábot folyamatosan „etetni" kell:

mindig új kristályt kell a nyaláb útjába juttatni, méghozzá épp időben ahhoz, hogy a következő impulzus elérje.

Ehhez a kristályokat egy nagynyomású vízsugárral fecskendezik a lézer útjába.

Először próbálkoznak hasonlóval

A kihívást egyebek között az jelentette, hogy soha senki nem próbált még atomi felbontású röntgendiffrakciós felvételt készíteni ezzel a sebességgel. Az eddigi leggyorsabb impulzusráta 8 ezredmásodperces volt, vagyis ott másodpercenként 120 (és nem 4,5 millió) impulzussal kellett dolgozni. Ráadásul a nagyenergiájú lézer nemcsak a kristályokat, hanem az őket hordozó vízsugarat is elpárologtatja, így ennek a gyors helyreállításáról is gondoskodni kell.

Felturbóztuk a mintahordozó vízsugár sebességét 100 m/s-ra, ami körülbelül a Forma 1-es sebességi rekordjának felel meg

– magyarázza Max Wiedorn a CFEL-től, aki Dominik Oberthür nevű kollégájával együtt a mintabefecskendezés kivitelezéséért volt felelős. A nagysebességű vízsugár stabilitását egy speciálisan tervezett fúvókával biztosították.

Szintén nem kis feladat volt a röntgendiffrakciós mintázatok ilyen ütemben történő felvétele. Ehhez a DESY-nek dolgozó Heinz Graafsma vezette nemzetközi konzorcium a világ leggyorsabb röntgenkameráját tervezte és építette meg, amit kimondottan az Európai XFEL igényei szerint szabtak testre. Az AGIPD-nek (Adaptive Gain Integrating Pixel Detector, kb.: a jelet alkalmazkodó módon integráló pixeldetektor) nevezett érzékelő nemcsak olyan gyorsan veszi fel a képeket, ahogy az impulzusok érkeznek, de eközben minden pixel érzékenységét egyedileg tudja szabályozni, így a leghalványabb diffrakciós mintázatból is kihozza a maximumot a szerkezeti információ kinyerése érdekében.

Az Európai XFEL annyira egyedi követelményeket támaszt, hogy a detektort teljesen a nulláról indulva kellett megtervezni, és kimondottan a feladathoz hozzászabni

– számol be a DESY fotontudományi részlegét vezető Graafsma a folyamatról. – Ez nem jöhetett volna létre a népes csapat szerteágazó szaktudása és gyümölcsöző együttműködése nélkül."

Forrás: dpa Picture-Alliance/AFP/Ulrich Perrey

A nanokozmosz felfedezése

A tudósok próbaképpen először egy nagyon jól ismert molekula, a tojásfehérje-lizozim szerkezetét határozták meg, hogy megbizonyosodjanak a rendszer működőképességéről. Az Európai XFEL által nyert modell tökéletesen egyezett a lizozim ismert szerkezetével, egészen a 0,18 nanométeres (milliomod milliméteres) részletekig lemenőleg. „Ez kitűnően igazolja az új röntgenlézer teljesítményét – hangsúlyozta Henry Chapman, a Hamburgi Egyetem tanára és a DESY vezető tudósa, aki egyike volt az XFEL-t beüzemelő pioníroknak. – Különösen lelkesek vagyunk az elemzés sebességét illetően: olyan kísérletek, amelyek korábban órákat vettek igénybe, most percek alatt kivitelezhetők. Ráadásul a beállítás, amit mi használtunk, még tovább optimalizálható, s így az adatgyűjtés is tovább gyorsítható. Az Európai XFEL fényes jövőt ígér a nanokozmosz felfedezőinek." Az XFEL egyedülálló teljesítménye a DESY részecskegyorsító csoportjának munkáját is dicséri, akik a világ leghosszabb és legmodernebb szupravezető lineáris gyorsítóját építették az Európai XFEL sajátos igényeinek kielégítésére.

A kutatócsoport második célpontnak egy bakteriális enzimet választott, amely fontos szerepet játszik az antibiotikumokkal szembeni ellenálló-képességben. A CTX-M-14 béta-laktamáz nevű molekulát a Klebsiella pneumoniae baktériumból izolálták, amelynek antibiotikumrezisztens törzsei komoly problémát okoznak a kórházakban világszerte. Két évvel ezelőtt az Egyesült Államokban azonosították a kórokozó egy „pán-rezisztens" formáját, amely mind a 26 elterjedten használt antibiotikummal szemben érzéketlen volt.

Forrás: DESY, Lars Berg

A CTX-M-14 béta-laktamáz valamennyi K. pneumoniae-törzsben jelen van, és szerepe a penicillinhez hasonló, ún. béta-laktám típusú antibiotikumok kulcsfontosságú kémiai csoportjának, a laktámgyűrűnek az elhasítása. Az antibiotikum hatástalanítását elkerülendő ezeket a szereket egy másik hatóanyaggal, az avibaktámmal szokták kombinálni, amely blokkolja a laktamáz molekuláris „ollóját", megakadályozva a laktámgyűrű lebontását.

Sajnos azonban a laktamáznak különböző mutációi jelentek meg a baktériumtörzsekben, és ezek megváltoztatják az olló szerkezetét.

„A Klebsiella pneumoniae egyes kórházi törzsei már a specifikusan kifejlesztett harmadik generációs antibiotikumokat is el tudják hasítani – mondta el Christian Betzel, a Hamburgi Egyetem professzora és a cikk egyik társszerzője. – Ha megértjük, hogy ez hogyan történik, az segíthet a hasítást elkerülni képes antibiotikumok tervezésében."

A tudósok a CTX-M-14 béta-laktamáznak egy nemrezisztens törzsből származó formáját vizsgálták az avibaktámmal alkotott komplexe formájában. Az avibaktám ebben a komplexben az enzim aktív helyét foglalja el – azt, amelyik a molekuláris olló szerepét tölti be –, és ezt a struktúrát nem elemezte korábban senki. „Az eredmények 0,17 nanométeres pontossággal mutatják, miként passzol be szorosan az avibaktám az enzim felületén abba a kanyonszerű hasadékba, ami az aktív centrumnak felel meg – ismerteti Markus Perbandt, a közlemény egy további társszerzője. –

Kimondottan ezt a komplexet még nem látta így senki, bár külön-külön mindkét összetevőjének a szerkezete ismert volt."

Forrás: AFP/Tobias Schwarz

A mérések megmutatták, hogy a berendezés képes magas minőségű szerkezeti információ kinyerésére, ami az első lépés az enzimek és szubsztrátjaik közötti biokémiai reakciók élő időben történő filmezése felé.

A csoport a továbbiakban a röntgenlézert kamerának használva a különböző reakcióstádiumokról készült pillanatfelvételek összefűzésével komplett filmeket állítana elő, amelyek megmutatják az enzimreakció molekuláris dinamikáját.

„Ezek a mozgóképek megvilágító erejűek lesznek a biokémiai folyamatok részleteire nézve, és elősegítik majd a hatékonyabb enzimgátlószerek tervezését, végső soron az antibiotikumrezisztencia legyőzését" – vázolta a jövőt Betzel.