Kalkoen-eiwit in actie

Röntgen zal het in zijn stoutste dromen niet hebben bevroed maar in 1983 dachten wetenschappers serieus aan de mogelijkheid met zijn stralen vijandelijke wapens onschadelijk te maken: in Reagans Strategic Defense Initiative, beter bekend als Star Wars, was de röntgenlaser een prominente plaats toebedacht.

Nicolaas Bloembergen en zijn collega's voorzagen een laser die werd gevoed door een atoomexplosie. De hierbij vrijkomende röntgenstralen moesten een laserbundel opwekken in een groot aantal dunne metalen fibertjes, een concept dat in ondergrondse proeven is getest. Wat in 1983 nog niemand kon vermoeden was dat het een paar jaar later allemaal veel makkelijker kon. De hedendaagse röntgenlaser past op een laboratoriumtafel.

Waar Röntgen zich nog moest behelpen met een vacuümbuis met twee elektroden, gebruiken zijn hedendaagse collega's speciale versnellers. Bijvoorbeeld in Grenoble, waar bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) synchrotronstraling wordt opgewekt door elektronen in magnetische velden een cirkelbaan te laten doorlopen. Synchrotronstraling komt uitstekend van pas bij het bestuderen van de structuur van materialen: zij bestrijkt een enorm golflengtegebied, is gepolariseerd (de trillingen vinden plaats in één vlak) en omdat de elektronen in 'pakketjes' rondvliegen komt de straling in pulsen. En het belangrijkst: de flux van een synchrotron (het aantal uitgezonden fotonen per seconde) is duizenden malen hoger dan die van conventionele röntgenbronnen.

Röntgenstraling heeft een golflengte vergelijkbaar met de afstanden tussen atomen in moleculen, grofweg van 0,01 tot 10 nanometer (10 m). Sinds het begin van deze eeuw wordt ze gebruikt om moleculaire structuren op te helderen. Hiertoe wordt een röntgenbundel verstrooid aan een kristal, waarna de analyse van het verstrooiings- of diffractiepatroon informatie geeft over de atoomposities. Nog in 1988 ontvingen drie Duitse onderzoekers de zoveelste Nobelprijs op röntgengebied. Het was ze gelukt de structuur van een fotosynthetisch eiwit/pigmentcomplex te ontrafelen, daarbij gebruik makend van minuscule eiwitkristalletjes.

Probleem is dat dergelijke enzymen soms duizenden aminozuren bevatten, zodat het diffractiepatroon zeer gecompliceerd is. Conventionele röntgenbronnen zijn vaak niet in staat om de dicht opeengepakte stippen uiteen te rafelen, en meestal duurt het minstens een uur voordat een bruikbaar diffractiepatroon kan worden verkregen. Daardoor is de informatie statisch van aard, terwijl alle enzymen tijdens de reacties vaak van vorm veranderen. De droom van vele kristallografen is dan ook om plaatjes te schieten van een enzym in actie. Nu is het mogelijk enzymreacties te vertragen door het eiwit af te koelen of om tussenprodukten te isoleren door met de reactieomstandigheden te spelen, maar het mooist zou zijn met een enkele, supersnelle röntgenpuls in één keer een diffractiepatroon op te nemen.

Dat lijkt te gaan lukken. Vorig jaar slaagden Michael Wulff en zijn team er in Grenoble in om met een flits van 50 picoseconden (10 sec) het diffractiepatroon op te nemen van een kalkoen-eiwit. Met een gewone bron zou dat 15 minuten hebben gekost. Wanneer dergelijke flitsen met korte tussenpozen worden herhaald, kunnen structuurveranderingen ten gevolge van (biochemische) reacties live worden waargenomen. Ook de interactie tussen een antilichaam en een manteleiwit van een virus laat zich zo bestuderen en Franse en Engelse onderzoekers hopen zo te ontdekken hoe het immuunsysteem er al dan niet in slaagt de vele varianten van het griepvirus te neutraliseren.

Gigant

Synchrotrons zijn ontzagwekkende instrumenten maar hebben tegelijk hun beperkingen: je kunt niet 'even' een experiment uitvoeren. Hetzelfde geldt voor de huidige röntgenlasers. De eerste werd in 1984 gebouwd in het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië. Hij werd gevoed door NOVA, nog altijd 's werelds grootste laser. Nog altijd wordt hij gebruikt bij onderzoek naar laser-geïnduceerde kernfusie: ook daar spelen röntgenstralen een belangrijke rol. Een enkel schot van deze gigant genereert 30 miljoen megawatt aan vermogen. Gericht op een klein bolletje waterstof (een mengsel van deuterium en tritium), leidt dit tot een uitbarsting van röntgenstralen, die op hun beurt supersnelle verhitting en implosie teweegbrengen met kernfusie als gevolg.

In de onlangs door het Amerikaanse Congres goedgekeurde plannen voor een National Ignition Facility is een laser voorzien met een honderd keer zo groot vermogen als NOVA. Zo massaal hoeft niet: de laatste jaren is de handzame röntgenlaser een stuk naderbij gekomen. Om laserwerking te verkrijgen is het zaak voldoende atomen of moleculen in een aangeslagen toestand (met een hoger energieniveau) te brengen. Daar zit hem direct de moeilijkheid: röntgen-fotonen hebben een honderd keer hogere energie dan fotonen van zichtbaar licht. Om aangeslagen toestanden van voldoende hoge energie te creëren is het nodig de buitenste elektronen van een atoom te'strippen' in een plasma.

Dat strippen kost extra energie, die binnen korte tijd moet worden geleverd. Daarvoor zorgt een krachtige optische laserpuls. Die schiet de buitenste elektronen het atoom (selenium of molybdeen) uit, waarna deze op hun beurt de achterblijvende ionen aanslaan. Zo ontstaat een laser met een golflengte in het 'zachte' röntgengebied van rond de tien nanometer. Versterking van de bundel treedt op wanneer deze zich door het plasma voortplant. Echt goede röntgenspiegels om de bundel heen en weer te kaatsen zijn er overigens nog niet.

Sinds onderzoekers van Colorado State University eind vorig jaar op het idee kwamen plasma's via elektrische ontlading op te wekken, waardoor de optische laser overbodig wordt, is nu ook de table-top röntgenlaser een grote stap dichterbij gekomen. En aangezien lasers vele malen meer licht geven dan een synchrotron, kunnen films van enzymreacties er veel beter mee worden opgenomen en kunnen levende structuren in hun natuurlijk milieu met ongekende resolutie worden gevolgd.