Вышла первая статья по результатам работы лазера XFEL. В ней описана структура трех белков
Опубликована первая научная статья о результатах, полученных с помощью XFEL — сверхмощного рентгеновского лазера на свободных электронах в Гамбурге, построенного с участием России. Биофизики с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов частотой около одного мегагерца определили трехмерную структуру белков лизоцима и конканавалинов A и B. Высокоэнергетические импульсы такой частоты впервые были использованы для кристаллографических исследований, и в будущем этот подход планируют использовать для разработки новых лекарственных препаратов, пишут ученые в Nature Communications.
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) начал работать около года назад, 1 сентября 2017 года. Эта установка длиной около 3,4 километра расположена в системе подземных тоннелей в окрестностях Гамбурга и предназначена для получения фемтосекундных рентгеновских импульсов высокой интенсивности. Строительство лазера началось еще в 2009 году, в проекте участвовали 11 стран, но основную часть расходов взяли на себя Германия и Россия, которые выплатили 58 и 27 процентов от общего объема расходов соответственно. Первый пучок рентгеновского излучения был получен на XFEL весной 2017 года. По средней светимости этот лазер примерно на четыре порядка превосходит синхротрон, а по максимальной светимости — на девять порядков. За счет очень высокой интенсивности излучения, с помощью него можно исследовать объекты, которые его очень слабо рассеивают, например очень небольшие кристаллы.
Теперь ученые опубликовали первую статью, результаты которой полностью получены с помощью этого лазера. Группа биофизиков из Германии, США, Франции, Австралии и Венгрии под руководством Илме Шлихтинг (Ilme Schlichting) из Института медицинских исследований Общества Макса Планка использовала рентгеновские импульсы длительностью около 50 фемтосекунд и частотой 1,128 мегагерца для исследования микрокристаллов лизоцима — фермента из класса гидролаз, который получают из куриных яиц. Обычные рентгеновские лазеры на свободных электронах, в которых нет сверхпроводящих предварительных ускорителей, могут генерировать лазерные импульсы лишь с частотой от 10 до 120 герц. На новой установке можно добиться в сто тысяч раз большей частоты, что позволяет значительно быстрее собрать необходимое количество кристаллографических данных, а также изучить динамические характеристики кристаллов.
Основная задача, которую пришлось решать ученым, — необходимость предотвратить разрушение кристалла, которое возможно из-за взаимодействия идущих друг за другом высокоэнергетических импульсов между собой. Перерыв между двумя последовательными импульсами при такой частоте меньше одной микросекунды, поэтому ударная волна от первого из них все еще распространяется по образцу в момент попадания на образец второго.
Оказалось, что избежать разрушения кристалла можно, если правильно подобрать параметры лазерного пучка. Так, при использовании пучка диаметром около 15 микрометров ударная волна от предыдущего импульса успевает покинуть область облучения, поэтому разрушения структуры кристалла удается избежать. Подтверждением работоспособности подхода стало совпадение данных, полученных при рассеянии первого импульса, с результатами измерений от всех последующих импульсов, чего не удавалось добиться при использовании рентгеновских пучков другого диаметра. Используемая энергия рентгеновского пучка в экспериментах составляла 7,47 и 9,22 килоэлектронвольта.
После отработки методики на кристаллах лизоцима ученые проанализировали смесь белков, выделенных из семян канавалии мечевидной (Canavalia ensiformis) — уреазы и конканавалинов A и B. В результате ученые определили трехмерную кристаллическую структуру обоих типов конканавалина, и наиболее точно — магний-содержащего конканавалина А, белка, способного избирательно связывать остатки углеводов на поверхности клеток или других белков.
Ученые отмечают, что получать таким образом необходимые данные о кристаллической структуре различных соединений удается значительно быстрее, чем на рентгеновских лазерах предыдущего поколения, при этом анализировать можно кристаллы совсем небольшого размера. В будущем такой анализ можно будет использовать для разработки новых лекарственных препаратов, говорят авторы исследования. В дальнейшем ученые планируют использовать лазер не только для проведения кристаллографических исследований, но также для изучения динамики отдельных молекул или изучения химических реакций на атомарном уровне.
Рентгеновские лазеры используют для построения трехмерных изображений не только атомов в кристаллах, но и макроскопических объектов. Для этого не нужны многокилометровые ускорители или синхротроны, а достаточно относительно компактных установок, которые можно уместить внутри одной лаборатории. Например, с помощью одной из таких установок физики получили трехмерное изображение тела небольшого насекомого.
Александр Дубов
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.