Je leest:

Straling laat de wortels van het leven zien

Straling laat de wortels van het leven zien

Auteur: | 19 november 2006

Roelof van Silfhout, een Nederlandse natuurkundige die tot voor kort bij een instituut van het Europese laboratorium voor moleculaire biologie (EMBL) in Hamburg werkte (maar nu aan de Universiteit van Manchester verbonden is), heeft met enkele medewerkers de scherpste microscoop ter wereld ontworpen. De afbeeldingen die hij daarmee kan maken, laten bijvoorbeeld de afzonderlijke atomen van een langgerekt molecuul zien. De afbeelding is bijzonder gedetailleerd. Zelfs de elektronenwolken, die zorgen voor de bindingen tussen de atomen, staan er nog op.

Een eiwit wordt met Röntgenstraling zo afgebeeld. Uit dit buigingsbeeld kunnen specialisten de structuur van het eiwit bepalen. Bron: DESY

De microscoop lijkt maar weinig op de klassieke optische instrumenten. De lichtbundels, die nodig zijn voor het instrument, worden door een stelsel van tientallen meters glimmende vacuümbuizen geleid naar het doosje waarin het object van onderzoek zit. Het is intens röntgenlicht, afkomstig van een elektronenversneller die in een aangrenzende ruimte staat. Het instituut waar Van Silfhout werkte, is dan ook gevestigd in DESY, een groot laboratorium met deeltjesversnellers voor onderzoek in de hoge-energiefysica.

Opstelling voor het maken van Röntgenstraling. Bron: DESY / EMBL

Om complexe moleculen zichtbaar te maken, is een bijzonder krachtige lichtbundel nodig. De duizenden afzonderlijke atomen van een ingewikkeld eiwit moeten ieder genoeg licht weerkaatsen om een beeld te kunnen vormen. Daar heb je dus veel licht voor nodig. Om het nog moeilijker te maken: gewoon zichtbaar licht is niet geschikt om de atomen af te beelden. De golflengte van het licht is te groot in vergelijking met de atomen die je wilt zien. Het is op een mug schieten met een kanonskogel. Er moeten daarom kleinere golflengtes worden gebruikt. Je komt dan al gauw uit bij röntgenlicht.

Het kost bijzonder veel moeite om een röntgenbundel te maken die krachtig genoeg is voor dit onderzoek. Dat is het lastige van het instrument van Van Silfhout. Maar Van Silfhout wist slim gebruik te maken van de manco’s van een bestaand instrument.

Om de elektronen te versnellen, worden ze opgezweept in een cirkelvormig circuit. Magneten in dit circuit geven de elektronen telkens op het juiste moment een duwtje. Bron: HyperPhysics

Zo’n 20 jaar geleden werd in Hamburg een apparaat gebouwd, dat ontworpen was om elektronen snel in het rond te jagen, zodat ze veel energie krijgen. Onderzoekers wilden elektronen met veel energie tegen andere materie te pletter laten slaan. Uit de brokstukken kun je dan leren hoe bijvoorbeeld atoomkernen zijn opgebouwd.

Bij elk rondje dat de elektronen draaien in dit apparaat, krijgen ze meer energie. Tegelijk is het echter lastig om de elektronen bochtjes in dit circuit te laten draaien. In een auto moet je je krachtig vasthouden als je snel door de bocht gaat.

Een geladen deeltje dat een bocht maakt zendt altijd wat energie uit in de vorm van licht. Ook in cirkelvormige versnellers treedt dat effect op. Daar zijn de krachten op deeltjes zo groot dat er röntgenstraling vrijkomt. Bron: SLAC / Stanford University

Aanvankelijk was het röntgenlicht van de versneller alleen maar vervelend, vertelt Van Silfhout. Als de elektronen elke keer energie in de bocht verliezen, is het lastig om ze verder op te zwepen. Dat is toch het doel van het apparaat. Het was een onbedoeld bijverschijnsel, totdat onderzoekers zich realiseerden dat deze ongewenste röntgenstraling uitstekend kan worden gebruikt voor andere doelen. Het bijproduct werd zo hoofddoel van het apparaat. Het röntgenlicht wordt sindsdien gebruikt voor het afbeelden van vooral biologische structuren.

Het fotograferen met het röntgenapparaat begon met simpele kristalstructuren. Geleidelijk werden verbeteringen in de techniek aangebracht. In de loop der jaren heeft het instrument zo steeds scherpere beelden van steeds complexere structuren opgeleverd.

De elektronenkaart van een virus, dat een bepaalde ziekte in tomaten veroorzaakt. De kaart is met behulp van röntgenstraling gemaakt. Bron: DESY

Van Silfhout bedacht een manier om de röntgenbundel preciezer te maken. Voor het maken van de afbeelding is namelijk röntgenlicht nodig van één golflengte. Alle andere straling is alleen maar lastig. Als filter wordt een stuk siliciumkristal gebruikt, dat maar één golflengte reflecteert. Door de hoge energie van de röntgenbundel wordt het kristal echter gloeiend heet en krijgt het oppervlak een onregelmatige structuur. Van Silfhout bedacht een manier om het kristal zó te koelen, dat het oppervlak glad blijft.

Ook ontwikkelde hij een techniek om te zorgen dat het röntgenlicht urenlang precies op dezelfde plaats blijft schijnen. Bij de langdurige metingen, zoals die bij complexe biologische structuren vaak nodig zijn, heeft de bundel namelijk altijd de neiging om enigszins te verlopen. Met meetapparatuur langs de bundel wordt nu het verloop gemeten. Zo kan de bundel automatisch worden bijgesteld.

Met het instrument is inmiddels een groot aantal ontdekkingen gedaan. Het blijkt dat juist heel ingewikkelde moleculen, zoals die in het menselijk lichaam voorkomen, zich uitstekend laten bekijken met dit instrument. Dat geldt bijvoorbeeld voor ribosoomcomplexen, een belangrijk onderdeel in de cel. Onderzoekers stoppen zelfs hele virussen in het apparaat, om die atoom voor atoom te vereeuwigen.

Meer lezen over dit onderwerp:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 november 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.