由DESY長官的一個由120多名研究人員組成的國際合作組織宣布了歐洲新型X射線雷射歐洲XFEL的首次科學實驗結果。這項開創性的工作不僅證明了新的研究設施能夠將實驗加速一個數量級以上，而且還揭示了一種以前未知的抗生素抗性酶結構。「第一支使用歐洲XFEL的團隊的開創性工作為該設施的所有用戶鋪平了路線，他們從這些開創性的實驗中受益匪淺，」歐洲XFEL總經理Robert Feidenhans"l強調說。「我們非常高興 - 這些結果表明該設施比我們預期的更好，並準備提供新的科學突破。」自然通訊。
來自自由電子雷射科學中心（CFEL）的DESY科學家Anton Barty說：「在一個全新的設施類別中，我們必須掌握以前沒有人能解決的許多挑戰。」他長官了大約125名研究人員參與的團隊。第一批對整個科學界開放的實驗。「我將它與一架新型飛機的首次飛行進行比較：所有計算和裝配完成後，一切都說它會起作用，但直到你嘗試它才會知道它是否真的過得很快。」
長3.4公里的歐洲XFEL設計用於每0.000000 220秒（220納秒）提供X射線閃光。為了解開生物分子（例如酶）的三維結構，脈衝用於獲得從該生物分子生長的微小晶體的閃光X射線曝光。每次曝光都會在檢測器上產生特徵衍射圖案。如果從晶體的所有側面記錄足夠的這種圖案，則可以計算生物分子的太空結構。生物分子的結構可以揭示它的工作原理。
然而，每個晶體只能進行一次X射線掃描，因為它是由強烈的閃光（在產生衍射圖案之後）蒸發的。因此，為了建立生物分子的完整三維結構，必須通過在水射流中將雷射噴射到雷射路徑上，及時將新晶體輸送到光束中以進行下一次閃光。以前沒有人以這麼快的速度嘗試過X射線樣本到原子解析度。到目前為止，任何此類X射線雷射器的最快脈衝速率為每秒120次閃爍，即每0.008秒（或8,000,000納秒）閃爍一次。為了全速探測生物分子，不僅必須足夠快地補充晶體 - 水射流也會被X射線蒸發，並且必須及時恢復。
「我們將攜帶樣品的水射流的速度提高到每秒100米，這與公式1中的速度記錄一樣快，」Max Wiedorn解釋說，他與他的同事DominikOberthür一起負責樣品交付，均來自CFEL。專門設計的噴嘴確保高速噴嘴穩定並滿足要求。
為了以如此快的速度記錄X射線衍射圖，由DESY科學家Heinz Graafsma長官的國際財團設計並製造了世界上最快的X射線攝影機之一，為歐洲XFEL量身定製。「自適應增益集成像素檢測器」（AGIPD）不僅能夠像X射線脈衝一樣快地記錄影像，還可以單獨調整每個像素的靈敏度，充分利用其中資訊的精細衍射圖案。樣本的結構被編碼。「歐洲XFEL的要求是如此獨特，以至於探測器必須完全從頭開始設計並適合這項任務，」Graafsma報導，他是DESY光子科學部探測器組的負責人，同時也是瑞典中部大學的教授。「
科學家們首先確定了一個非常著名的樣品結構，即來自蛋白的酶溶菌酶，作為驗證系統按預期工作的試金石。實際上，在歐洲XFEL衍生的結構與已知的溶菌酶結構完全匹配，顯示細節為0.18納米（百萬分之一毫米）。
「這是X射線雷射器性能的極好證明，」XFEL先驅亨利查普曼強調說，他是DESY的首席科學家，也是漢堡大學的教授。「我們對分析的速度感到非常興奮：過去需要幾個小時的實驗現在可以在幾分鐘內完成，如我們所示。我們使用的設定甚至可以進一步優化，加快數據採集速度歐洲XFEL為探索納米生物學提供了光明的前景。「 X射線雷射器的驚人性能也是DESY加速器部門的一項特別成功，它引領了世界上最長和最先進的超導直線加速器的建設，推動了歐洲XFEL的發展。
作為他們的第二個目標，該團隊選擇了一種在抗生素抗性中起重要作用的細菌酶。稱為CTX-M-14β-內醯胺酶的分子是從肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）中分離出來的，其多葯耐葯菌株是全世界醫院的嚴重關注點。兩年前，根據疾病控制和預防中心（CDC），在美國發現了一種甚至是「抗藥性」的肺炎克雷伯菌菌株，並未受到所有26種常用抗生素的影響。
細菌的酶CTX-M-14β-內醯胺酶存在於所有菌株中。它就像一把分子剪刀切開青黴素衍生的抗生素的內醯胺環打開，從而使它們變得無用。為了避免這種情況，抗生素通常與稱為avibactam的化合物一起施用，該化合物阻斷酶的分子剪。不幸的是，突變改變了剪刀的形式。「一些醫院的肺炎克雷伯菌菌株已經能夠切割甚至專門開發的第三代抗生素，」該論文的共同作者，漢堡大學教授克里斯蒂安?貝澤爾解釋道。「如果我們了解這是如何發生的，那麼設計可以避免這個問題的抗生素可能會有所幫助。」
科學家研究了一種CTX-M-14β-內醯胺酶的複合物來自非抗性的「野生型」細菌，其中avibactam與酶的活性中心結合，這種結構以前沒有被分析過。「結果顯示，在0.17納米精度下，avibactam如何適應舒適的酶表面上的一種峽谷，這標誌著它的活躍中心，」漢堡大學的Markus Perbandt也是該論文的共同作者。「這個特殊的複合體從未見過，儘管已知兩個獨立組件的結構。」
測量結果表明，可以記錄高品質的結構資訊，這是用歐洲XFEL記錄不同階段酶與其底物之間生化反應快照的第一步。與英國漢堡大學醫院的教授Martin Aepfelbacher和Holger Rohde的研究小組一起，該團隊計劃將X射線雷射用作膠片相機，將這些快照組合成avibactam分子動力學的電影。和這種β-內醯胺酶。「這些電影將為我們提供關於生物化學過程的重要見解，有朝一日可以幫助我們設計更好的抑製劑，降低抗生素抗性，」Betzel說。
化學和生化反應的電影只是歐洲XFEL啟動的全新科學實驗的一個例子。關鍵因素是收集數據的速度。「這開闢了結構發現的新途徑，」歐洲XFEL科學家Adrian Mancuso強調了SPB / SFX儀器（單顆粒，團簇和生物分子和連續飛秒晶體學）的長官者，他們開展了開創性的實驗。「通過這項實驗證明，使用歐洲XFEL可能發現的發現速度差異與在大西洋上飛機而不是乘坐飛機之間的旅行時間差異一樣顯著。影響可能很大。」
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