Công trình nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Nature Methods đã mô tả một cách tiếp cận mới trong phân tích tinh thể học phân giải thời gian (time-resolved crystallography), một phương pháp được các nhà nghiên cứu sử dụng để quan sát những thay đổi bên trong cấu trúc của các phân tử.

Mặc dù phương pháp tinh thể học phân giải thời gian nhanh (hay còn gọi là Laue crystallography) đã có thể thực hiện từ trước đây, nhưng kỹ thuật này đòi hỏi các thiết bị hiện đại và hiện nay mới chỉ có tại ba nơi trên thế giới và cũng chỉ có một số ít protein được nghiên cứu sử dụng kỹ thuật truyền thống này.

Phương pháp mới được triển khai sẽ cho phép các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới có thể thực hiện phân tích tinh thể học bằng hình ảnh động và có khả năng tạo ra một bước tiến quan trọng trong các lĩnh vực nghiên cứu dựa trên sự hiểu biết về các phân tử hoạt động như thế nào, ví dụ như phát triển các loại vật liệu thông minh hay các loại thuốc mới.

Việc quan sát cấu trúc và hình thái liên quan đến chức năng là điều then chốt đối với việc thiết kế các loại thuốc tốt hơn nhằm vào đích là các trạng thái cụ thể của phân tử, điều đó giúp tránh được các tác dụng phụ. Theo Pearson, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu Đại học Leeds cho biết, cấu trúc phân giải thời gian cũng giống như việc có một đoạn phim đối với các nhà nghiên cứu tinh thể học. Để hiểu được các hoạt động sống trong các phân tử chúng ta cần quan sát được các cấu trúc sinh học chuyển động như thế nào ở phạm vi nguyên tử, và nghiên cứu đột phá này cho phép chúng ta thực hiện được điều đó.

Phương pháp tinh thể học tia X truyền thống thực hiện bằng cách chiếu các tia X vào các phân tử tinh thể hóa và tạo nên một hình ảnh cho phép các nhà nghiên cứu phân tích cấu trúc nguyên tử của các phân tử. Một hạn chế quan trọng của phương pháp này đó là chỉ có thể xây dựng một mô hình chung cho tất cả các phân tử trong một tinh thể cũng như đối với những chuyển động của chúng theo thời gian.

Tiến sĩ Briony Yorke, nhà nghiên cứu trưởng của dự án cho biết, một hình ảnh tĩnh không giúp ích được nhiều nếu chúng ta muốn quan sát các cấu trúc phân tử hoạt động như thế nào. Ông nói: "Điều đó cũng giống như cố tìm hiểu một chiếc xe hoạt động như thế nào trong khi động cơ không chạy. Chúng ta có thể quan sát bugi và pistông và phán đoán chức năng hoạt động, nhưng khó có thể hiểu thực sự một điều gì đó mà không nhìn vào sự chuyển động".

Phương pháp giải quyết vấn đề hiện tại có thể so sánh với quy trình làm phim hoạt hình tốn nhiều công sức. Các nhà khoa học "đồng bộ hóa" một tập hợp các phân tử trong một trạng thái đồng nhất và sau đó kích hoạt những thay đổi trong các phân tử. Họ ghi lại hình ảnh tinh thể học của cấu trúc sau một thời điểm nhất định. Sau đó các nhà nghiên cứu phải bắt đầu lại toàn bộ thí nghiệm, nghĩa là đồng bộ hóa các phân tử, kích thích chúng và sau đó ghi lại hình ảnh ở thời điểm muộn hơn một chút trong quá trình. Như vậy,dần dần họ xây dựng được một bức tranh động.

Cách tiếp cận kích thích - thăm dò này đã được đề xuất lần đầu tiên trong một nghiên cứu đoạt giải thưởng của nhà hóa học người Anh George Porter trong những năm 1940 và đã có tác động to lớn đến sự hiểu biết của con người trong lĩnh vực hóa học.

Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu của cách tiếp cận này đối với các thử nghiệm tinh thể học đó là các bức ảnh chụp được chỉ ghi lại được trong một khoảnh khắc rất ngắn (thường chỉ bằng 100 triệu phần triệu của một giây) về các hoạt động phân tử. Điều đó có nghĩa là có rất ít thời gian để truyền tải đủ ánh sáng để tạo nên một hình ảnh tinh thể học. Hiện nay trên thế giới chỉ có ba thiết bị synchrotron, máy phát tia X cỡ lớn, đó là ở Mỹ, Pháp và Nhật Bản, là có khả năng cung cấp chùm tia đủ mạnh.

Phương pháp mới được nghiên cứu sử dụng các thuật toán thông minh (khai triển Hadamard) để mở ra một lĩnh vực ứng dụng mới sử dụng các chùm tia synchrotron cường độ thấp hơn nhiều, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà khoa học có thể khai thác các nguồn tia synchrotron để tiến hành phân tích tinh thể học và các kỹ thuật khác. Điều này tạo khả năng cho các phương tiện như máy synchrotron riêng của Anh cũng có thể thực hiện được nghiên cứu tinh thể học phân giải thời gian.

Cũng giống như trong phương pháp của Porter, các nhà nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận mới để đồng nhất hóa các phân tử và kích hoạt chúng. Tuy nhiên, họ thực hiện một loạt các thăm dò  tinh thể học của các cấu trúc động sử dụng một mẫu hình xung ánh sáng. Các xung này tạo nên một bức ảnh tinh thể học đơn, cũng giống như một bức ảnh bị phơi sáng lâu. Sau đó các nhà nghiên cứu lặp lại thí nghiệm sử dụng một mẫu hình xung ánh sáng khác và tạo nên một bức ảnh "lộ sáng lâu" khác. Quá trình này được lặp lại cho đến khi hoàn thành tất cả các mẫu hình xung ánh sáng được tạo ra theo một công thức toán học. Mỗi một bức ảnh được tạo nên từ các mẫu xung do "lộ sáng lâu" nên đều bị nhòe, nhưng những khác biệt trong các bức ảnh và giữa các mẫu xung đã tạo nên được những hình ảnh cho phép các nhà nghiên cứu thiết lập được một bức tranh động về cấu trúc thay đổi của các phân tử.

Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu, ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là ở chỗ các nhà nghiên cứu không cần phải có các bức ảnh rõ ràng, và vì thế không cần phải có nguồn ánh sáng mạnh như trong phương pháp Porter. Đây là một phương pháp hoàn toàn mới để tiến hành thử nghiệm phân giải thời gian và cho phép khắc phục được các hạn chế hiện thời. Phương pháp mới này còn có nghĩa là, thay vì phải đến một trong ba nơi có máy phát tia X cỡ lớn trên thế giới để tiến hành nghiên cứu tinh thể học phân giải thời gian, thì nay các nhà khoa học có thể sử dụng các chùm tia từ bất cứ nguồn synchrotron nào. Cách tiếp cận mới đã giúp mở rộng cánh cửa cho một lĩnh vực khoa học phân giải thời gian với phạm vi ứng dụng rộng hơn về cường độ các chùm tia và các nguồn synchrotron, bằng cách tiếp cận này các nhà nghiên cứu có thể xây dựng được nhiều hình ảnh tuần tự của một protein trong khi nó đang thực hiện chức năng, mang lại một sự hiểu biết rõ ràng hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng sinh học.

Phương pháp mới này còn có thể sử dụng để nghiên cứu chức năng của các vật liệu thông minh ngay trong thời gian thực và giúp thiết kế thế hệ các thiết bị điện tử và bộ nhạy thế hệ tiếp theo.