De experimentruimtes aan het eind van de tunnel in Schenefeld (afb: XFEL)
Zij heeft € 1,2 miljard gekost en er is acht jaar aan gebouwd aan de XFEL, de felste röntgenbron van de wereld (een miljard maal sterker dan de nu sterkste röntgenbron, het het). Duitsland betaalde 58% van de bouwkosten, Rusland 27%, daarnaast nog een aantal landen (Denemarken, Frankrijk, Italië, Polen, Zweden, Zwitserland, Slowakije, Spanje en Hongarije). Met de röntgenbron, die ondergronds loopt, moeten, onder veel meer, structuren van biomoleculen worden opgelost. In zijn algemeenheid zou XFEL dingen zichtbaar moeten maken die nu met geen andere methode zichtbaar te maken zijn.
Er wordt nog volop gewerkt aan de installatie in Schenefeld in de buurt van Hamburg. Je gaat met een lift ondergronds. In het lab van natuurkundige Adrian Mancuso is het relatief rustig. Zijn labruimte is nog helemaal leeg. Zes jaar lang is hij bezig geweest met wachten, plannen en tekenen. Nu zal al dat werk nog gematerialiseerd moeten worden. Zijn onderzoek daar zou een belangrijke bijdrage kunnen leveren het ontsluieren van de structuur van de moleculen in het menselijk lichaam.
Zijn idee is om afzonderlijke biomoleculen te ‘filmen’ met behulp van röntgenstraling. De structuur van biomoleculen is wezenlijk voor hun functies in het lichaam en kan een rol spelen bij ziektes. De structuur van biomoleculen wordt nu voornamelijk gedestilleerd uit de kristallen van de moleculen. Daarbij heb je wel wat problemen. Lang niet alle biomoleculen laten zich kristalliseren en de vraag is natuurlijk of de kristalvorm ook de vorm is die dat molecuul bij zijn functioneren gebruikt/nodig heeft. Tot nu toe is die structuuropheldering met röntgenlasers nog niet gelukt, schrijft De Spiegel. Zou het in Schenefeld wel lukken?
Om zo’n ‘film’ te kunnen maken hopen Mancuso en zijn medewerkers ultrakorte röntgenpulsjes uit de XFEL-installate te kunnen gebruiken. De röntgenstraal is zo krachtig dat die het molecuul verpulvert, maar voordat dat gebeurt, schijnt er toch een ‘opname’ van het molecuul te maken te zijn. Er worden veel van die ‘foto’s’ samengevoegd tot een filmpje. Zo zouden er dingen zichtbaar gemaakt moeten worden die nu met geen andere methode zichtbaar te maken zijn. Zou, om maar wat te noemen er in beeld gebracht kunnen worden wat er bij het ontstaan van kankercellen misloopt, meldt de verslaggever van Der Spiegel, maar ik vraag me dan af of dat met zo’n installatie mogelijk is.
Naast Mancuso zullen ook andere onderzoekers gebruik maken van XFEL. Dan gaat het, onder meer, om uiterst snelle veranderingen in vastestof, het meten van naostructuren of het bekijken van stoffen in extreme omstandigheden zoals die in het binnenste van de aarde heersen.
DESY
De ondergrondse röntgentunnel van XFEL is zo’n 2,1 km lang (waarvan het versnellersdeel 1,7 km lang is). De elektronenlaser staat onder het terrein van DESY, de Duitse elektronensynchrotron. In september zal XFEL voor het eerst haar kunsten kunnen vertonen. Per seconde flitsen er dan 27 000 röntgenpulsjes per seconde door de buizen in de ondergrondse tunnel. Nu moet blijken of het allemaal ook nog werkt.
In de komende weken sluizen de onderzoekers eerst elektronen uit een vrije-elektronenlaser door het versnellersgedeelte tot ze nagenoeg de lichtsnelheid hebben bereikt. In zogeheten undulatoren (golfmakers), die zo’n 200 m lang zijn, wordt met behulp van de versnelde elektronen röntgenlicht gemaakt. Bij het afbuigen van die (bijna) lichtsnelle elektronen ontstaat de röntgenstraling. Aan het eind zijn de experimentele ruimtes. Er liggen zo’n 900 m tussen de ‘golfmaker’ en het experiment van Mancuso.
Lastig punt bij röntgenstraling is dat die zich lastig laat richten. Röntgenstraling laat zich door maar weinig materialen uit zijn baan brengen. Als spiegel wordt een blok silicium gebruikt van een meter lang. Een bedrijf in Japan heeft dat blok uiterst vlak gepolijst. Een afwijking van eenmiljoenste mm zou de onderzoekers al ernstige problemen kunnen opleveren. Die uiterst vlakke sliciumspiegel moet ervoor zorgen dat de onderzoekers de röntgenpulsjes voor hun experimenten kunnen gebruiken en daarna veel lood (neem ik aan, want röntgenstraling is allesbehalve ongevaarlijk)).
Loont dat?
De vraag is dan altijd weer of dit soort dure installaties ‘lonen’ (dan gaat het niet om economisch rendement). Met deze röntgenlaser zou je bijvoorbeeld moleculen in een hoger energietoestand ‘aanslaan’ en kijken wat er dan met de structuur gebeurt. “Daarin is deze methode enig in zijn soort”, zegt Holger Stark van het Max Planck-instituut voor biofysische scheikunde in Göttingen. Hij bestudeert al jaren molecuuldynamica en werkt op hetzelfde terrein als Mancuso, maar hij gebruikt een andere techniek. Daarmee zijn experimenten als in Schenefeld echter niet mogelijk.
Stark zegt echter dat deze dure installaties alleen dan lonen als er geen betere alternatieven voorhanden zijn. Het vervelende van XFEL is dat daarmee maar relatief weinig experimenten kunnen worden gedaan, er zijn nu vijf experimenten gepland. Over de hele wereld zijn er maar een paar röntgenlasers, maar die in Hamburg/Schenefeld is enig in zijn klasse. De rest van de onderzoekers moeten het met veel minder doen (dus ook qua resultaat). Kortom: met XFEL schiet de wetenschap in zijn geheel niet heel veel op.
Starks opstelling kostte zo’n 4,5 miljoen en daarmee zouden ook afzonderlijke moleculen in atoomresolutie te fotograferen zijn, maar niet het aanslaan van moleculen in een hogere energietoestand.
Het tweede nadeel dat in Der Spiegel genoemd wordt begrijp ik niet. Bij het maken van plaatjes met röntgenstraling, zo staat er in dat blad, gaat een belangrijk deel van de informatie verloren. Daarom is het lastig om uit de röntgenbeelden de structuur van de moleculen te reconstrueren. De organisatie rond XFEL houdt het er op dat met de installatie totaal nieuwe mogelijkheden worden geschapen om de structuur van biomoleculen te achterhalen. Wie kletst er nou, vraag ik me dan af.
Bron: der Spiegel