Molekul atom

Mempelajari efek sinar-X pada biomolekul sensitif

komputer mensimulasikan evolusi molekul C60 pada 0, 60 dan 240 femto detik setelah sinar-X. © DESY, Zoltan Jurek

Sebuah tim peneliti mengamati secara real time bagaimana molekul-molekul bola yang terbuat dari atom karbon meledak dalam sinar laser X-ray. Studi ini menunjukkan proses temporal dari proses ledakan, yang memakan waktu kurang dari seper satu triliun detik dan penting untuk analisis protein sensitif serta biomolekul lainnya, yang serngkali dipelajari menggunakan sinar laser X-ray. Molekul-molekul bola hancur lebih lambat dan berbeda dari yang diperkirakan, ketika tim Nora Berrah dari University of Connecticut dan Robin Santra dari DESY mempublikasikannya di jurnal Nature Physics. Pengamatan ini berkontribusi pada analisis protein yang lebih rinci dengan X-ray free-electron lasers (XFEL).

Para peneliti bereksperimen dengan buckminster fullerene, atau buckyballs. Molekul bulat ini terdiri dari 60 atom karbon yang tersusun dalam pentagon dan heksagon bergantian seperti mantel kulit sepak bola. “Buckyballs sangat cocok sebagai sistem model sederhana untuk biomolekul,” jelas Santra, ilmuwan terkemuka di DESY di Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) dan seorang profesor fisika di Universität Hamburg. “Karena mereka hanya terdiri dari satu jenis atom dan memiliki struktur simetris, mereka dapat terwakili dengan baik dalam teori dan eksperimen. Ini adalah langkah pertama sebelum penyelidikan molekul dari berbagai jenis atom. “

Menggunakan laser X-ray LCLS (Linac Coherent Light Source) di SLAC National Accelerator Laboratory di California, para ilmuwan menembakkan sinar-X pendek sekitar 20 femtosecond (quadrillionths per detik) pada masing-masing molekul bola dan mengamati efeknya secara real time dengan resolusi temporal dalam kisaran sekitar sepuluh femtoseconds. Data menunjukkan bahwa X-ray flash mengetuk elektron sekitar satu dari lima dari 60 atom karbon. “Setelah itu, tidak ada yang terjadi selama beberapa waktu. Hanya setelah beberapa lusin femtosekon, atom karbon berangsur-angsur terlepas dari molekul, ” lapor Santra.

Yang terjadi kemudian bukanlah ledakan yang sebenarnya,” jelas ilmuwan. “Sebaliknya, buckyballs terurai relatif lambat. Atom karbon secara bertahap menguap – lebih banyak yang netral daripada bermuatan listrik, dan itu mengejutkan.” Karena fragmentasi Buckyballs pada skala waktu ini tidak meledak tetapi terjadi secara bertahap, para peneliti berbicara tentang penguapan atom. Data eksperimental hanya bisa ditafsirkan secara bermakna dengan bantuan pemodelan teoritis dari proses.

“Biasanya, sekitar 25 atom karbon netral dan hanya 15 bermuatan listrik terbang keluar dari molekul,” jelas Santra “Selebihnya membentuk pecahan beberapa atom.” Seluruh proses ini memakan waktu sekitar 600 femtoseconds. Masih sangat pendek menurut standar manusia, tetapi sangat panjang untuk analisis struktural dengan laser sinar-X. “Dalam 20 femtoseconds dari sinar laser X-ray, atom bergerak maksimum 0,1 nanometer – yang berada dalam kisaran diameter atom individu dan lebih kecil dari akurasi pengukuran analisis struktural.” Satu nanometer adalah sepersejuta milimeter.

Untuk analisis struktural protein, peneliti biasanya menumbuhkan kristal kecil dari biomolekulnya. Sinar laser X-ray kemudian difraksi pada kisi kristal dan menghasilkan pola difraksi khas dari struktur kristal dan dengannya struktur spasial dari masing-masing protein dapat dihitung. Struktur spasial protein mengungkapkan detail tentang fungsinya. Kristal protein sangat sensitif dan menguap melalui sinar laser X-ray. Namun, penyelidikan sebelumnya telah menunjukkan bahwa kristal tetap cukup lama untuk menghasilkan gambar difraksi sebelum penguapan dan dengan demikian mengungkapkan struktur spasialnya.

Studi baru kini menegaskan hal tersebut juga terjadi pada molekul individu yang tidak terikat dalam kisi kristal. “Temuan kami dengan buckyballs cenderung memainkan peran dalam sebagian besar molekul lain,” tegas Santra. Karena banyak biomolekul yang terkenal sulit dikristalisasi, para peneliti berharap dapat menentukan struktur ansambel protein non-kristalisasi atau bahkan biomolekul individu dengan laser sinar-X di masa depan. Hasil yang diperoleh ini meletakkan dasar untuk pemahaman yang lebih dalam dan pemodelan kuantitatif kerusakan radiasi dalam biomolekul yang disebabkan oleh sinar laser X-ray, tulis para ilmuwan.

Jurnal Referensi:

Berrah, N., Sanchez-Gonzalez, A., Jurek, Z. et al. Femtosecond-resolved observation of the fragmentation of buckminsterfullerene following X-ray multiphoton ionization. Nat. Phys.15, 1279–1283 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0665-7

Tautan ke artikel asli: How molecular footballs burst in an X-ray laser beam / Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Diterjemahkan oleh saintifia dengan seizin dari yang bersangkutan, segala kesalahan translasi menjadi tanggungjawab kami.