Protein-Mikrokristalle und gepulste Synchrotron-Strahlung

Neue, hochintensive, gepulste Röntgenstrahlungsquellen wie  TT-XFEL eröffnen neue Wege zur Erforschung der Struktur und der Dynamik von Biomolekülen bis hin zur Untersuchung von ganzen biologischen Zellen. Dazu müssen neue experimentelle Techniken entwickelt werden. Die extrem hohe Intensität der Röntgenquellen ermöglichen es, sehr kleine Proben im Mikro- oder Nano- Bereich zu untersuchen. Allerdings entstehen große Strahlenschäden. Um eine Struktur zu bestimmen, müssen daher die Diffraktionsmuster mehrerer Proben kombiniert werden. Um zu vernünftigen Messzeiten zu kommen, müssen eine große Anzahl von Proben schnell hintereinander in den Röntgenstrahl gebracht werden. Erschwert wird dies durch die Notwendigkeit, die Experimente im Vakuum durchzuführen um möglichst wenig unerwünschte Streustrahlung zu bekommen.

Zurzeit ist es üblich, die zu untersuchenden Objekte durch ein Sprühverfahren in den Röntgenstrahl zu bringen. Es ist dabei dem Zufall überlassen, ob gleichzeitig eine Probe und ein Röntgenimpuls am richtigen Ort zusammentreffen. Im vorliegenden Projekt wird eine alternative Technik entwickelt. Wichtigste Komponente ist eine Vakuumsstreukammer die es ermöglicht, eine größere Anzahl von Proben nacheinander gezielt in den Röntgenstrahl zu bringen. Dabei werden zahlreiche Untersuchungsobjekte, z.B. kleinste Proteinkristalle, auf einen möglichst dünnen Träger (z.B. Diamond Like Carbon, DLC) gebracht. Die Objekte sind mit einer fluoreszierenden Substanz markiert. Mit Hilfe einer CCD Kamera werden die Positionen dieser Objekte registriert und im Computer gespeichert. Mit Hilfe von Präzisionsmotoren kann ein Objekt nach dem anderen gezielt in den Röntgenstrahl gebracht werden. Je nach Größe des Objekts geschieht der Probenwechsel bereits nach einem Röntgenblitz oder nach mehreren, abhängig von den tolerierbaren Strahlenschäden. Die Proben können mit Hilfe von Peltier Elementen gekühlt werden. Die Diffraktionsmuster werden mit einer „Image Plate“ oder einer CCD Kamera aufgenommen. Die Abbildung zeigt das Prinzip des Experiments.

Zur Demonstration des Meßverfahrens werden konventionelle Proteinkristalle und eine Drehanoden-Röntgenquelle benutzt. Zusammen mit einer hochintensiven, gepulsten Röntgenquelle sollte es dann möglich sein, extrem kleine Kristalle zu untersuchen. Diese sind wesentlich leichter zu ziehen, als die normalerweise zur Sturbestimmung benötigten größeren Kristalle. Die Untersuchung von kleinen Proteinkristallen in der beschriebenen Streukammer ist ein Schritt zur Strukturbestimmung von aperiodischen biologischen Systemen.