Un nuovo metodo rivela i cambiamenti nascosti nella vitamina B12
L'approccio Beam-splitting apre le porte allo studio di campioni liquidi altamente diluiti
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I ricercatori dell'European XFEL hanno sviluppato un metodo per studiare campioni liquidi troppo diluiti per molti esperimenti a raggi X esistenti. Il metodo è altamente sensibile e nel primo esperimento un gruppo di scienziati internazionali ha scoperto nuovi dettagli su come la vitamina B12 in acqua cambia dopo aver assorbito la luce. I risultati, pubblicati sul Journal of the American Chemical Society, aprono la possibilità di studiare una gamma molto più ampia di sistemi chimici e biologici rispetto al passato.
Molte molecole importanti possono essere studiate con i raggi X solo in concentrazioni molto basse, perché non si dissolvono bene o perché sono disponibili solo piccole quantità. Questo crea una grande sfida per gli esperimenti nei liquidi: l'acqua circostante spesso produce un segnale molto più forte delle relativamente poche molecole di interesse, rendendo la misurazione estremamente difficile.
Per superare questo problema, i ricercatori dello strumento SCS (Spectroscopy and Coherent Scattering) dell'European XFEL hanno sviluppato uno speciale dispositivo di divisione del fascio. Esso divide ogni impulso di raggi X in tre parti: una passa attraverso il campione, mentre le altre due fungono da riferimento. Confrontando tutti e tre i segnali contemporaneamente, il team può correggere le fluttuazioni e isolare i cambiamenti che altrimenti sarebbero troppo piccoli per essere rilevati.
"La normalizzazione di ogni scatto è fondamentale", spiega Benjamin Van Kuiken, scienziato dello strumento SCS. "È questo che ci dà la sensibilità necessaria per lavorare con campioni diluiti".
Una risposta a un'annosa questione
I ricercatori hanno scelto la vitamina B12 come banco di prova impegnativo. "La vitamina B12 è un campione difficile", spiega il primo autore Nahid Ghodrati, ora ricercatore post-dottorato presso un altro strumento europeo XFEL. "Si scioglie solo in misura limitata, l'acqua che la circonda crea un forte segnale di fondo e i cambiamenti che vogliamo osservare avvengono molto rapidamente". I ricercatori hanno utilizzato solo 9,5 grammi di vitamina B12 per litro d'acqua. Anche in queste condizioni, il team è stato in grado di rilevare cambiamenti estremamente piccoli innescati dalla luce. I risultati hanno evidenziato una variazione del segnale misurato pari allo 0,005%. I cambiamenti ultrarapidi sono stati catturati da lampi di raggi X della durata di appena 100 quadrilionesimi di secondo.
L'esperimento ha fatto molto di più che dimostrare un nuovo metodo. Ha anche aiutato a rispondere a un'annosa questione sulla vitamina B12: cosa succede esattamente all'interno della molecola dopo che assorbe la luce? Le nuove misurazioni indicano che il cambiamento principale si concentra intorno all'atomo di cobalto al centro della molecola, invece di comportare un più ampio spostamento di elettroni nell'intera struttura. "La capacità unica dello strumento SCS di studiare campioni diluiti ci ha permesso di capire la rapida evoluzione della struttura elettronica della molecola che non potevamo ottenere da nessun'altra parte", afferma James Penner-Hahn, professore dell'Università del Michigan, USA.
Nuovi esperimenti possibili
Questo dimostra che il nuovo approccio può fornire informazioni dettagliate anche per campioni difficili in soluzione. I ricercatori prevedono di ampliare la gamma di esperimenti possibili all'XFEL europeo. "Ora che possiamo studiare molecole biologicamente e chimicamente importanti, finora difficili da studiare in soluzione e a basse concentrazioni, molte nuove scienze diventano tangibili", afferma Andreas Scherz, scienziato capo della SCS. Aggiunge Roseanne Sension, docente dell'Università del Michigan: "Consentendo l'accesso a una nuova serie di campioni importanti dal punto di vista biologico e chimico, lo strumento SCS ha ampliato notevolmente la gamma di campioni che speriamo di poter studiare".
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Pubblicazione originale
Nahid Ghodrati, Luigi Adriano, Samuel M. Berry, Cammille Carinan, Robert Carley, ... Nils Huse, James E. Penner-Hahn, Roseanne J. Sension, Loïc Le Guyader, Benjamin E. Van Kuiken; "Femtosecond Soft X-ray Absorption Spectroscopy Identifies Metal-Centered S1 Excited State of Cyanocobalamin"; Journal of the American Chemical Society, 2026-4-27
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