DNA-photograph-in

Volgend jaar wordt in Duitsland de grootste X-ray Free Electron Laser in gebruik genomen. Met dit gigantische apparaat van 4 kilometer wordt de weg vrijgemaakt voor een nieuw tijdperk in de kristallografie. Het idee voor de techniek van de kristallografie ontstond op een skipiste in de Alpen.

Het is Pasen 1912. De Duitse natuurkundige Max Von Laue krijgt tijdens het skiën een idee. Als je nu een vaste stof met röntgenstraling zou bestralen, bedacht hij, zouden de atomen in het preparaat dan niet voor een bepaalde verstoring  van de straling zorgen? En als je die verstoring meet met behulp van een fotografische plaat achter het kristal, zou je dan niet de atomaire structuur van het preparaat zichtbaar kunnen maken? Hoon viel Von Laue ten deel; maar hij volharde en beschreef de theorieën en formules die aan deze techniek ten grondslag zouden moeten liggen. Twee jaar later, in 1914, leverden vader en zoon Bragg het bewijs dat deze methode werkte, toen zij de atomaire structuur van kristal ermee aantoonden.  De Braggs en Von Laue ontvingen de Nobelprijs voor hun werk. Dit jaar precies 100 jaar geleden dat deze wetenschappelijke techniek en het vakgebied kristallografie werden geboren.

Röntgendiffractie is te vergelijken met golven in de zee die op een strand afstevenen. Als er geen objecten in de zee staan zullen alle golven één voor één breken op de kust. Stel nu, dat er een stenen pier de zee insteekt met op het uiterste punt een vuurtoren. Nieuwe golven zullen ontstaan op het uiterste punt en vervolgens met andere golven gaan interfereren. Voor de leek lijkt het slechts te leiden tot een chaotisch patroon van golven die op de kust landen. In röntgendiffractie zijn de golven de röntgenstraling, is de vuurtoren een atoom en de kust de fotografische plaat. Voor wetenschappers gewapend met wiskundige algoritmes zijn de interferentiepatronen (hoe de golven op de kust landen) totaal niet rommelig. Ze kunnen uit dit patroon namelijk de exacte locatie van de vuurtoren berekenen.

De kristalstructuren van moleculen, vitamines, eiwitten en virussen zijn allemaal in kaart gebracht door röntgendiffractie. Het beroemdste voorbeeld is ‘Foto 51’ , genomen door Rosalind Franklin in de jaren 50, die de dubbele helix structuur van DNA voor het eerst zichtbaar maakte. Deze foto stelde Watson en Crick vervolgens in staat om als eerste DNA te ontcijferen en erover te publiceren.

Door de jaren heen kon men helderdere en krachtigere röntgenstraling generen, wat onderzoekers in staat stelde om moleculen beter en nauwkeuriger te bepalen.  Eén groot probleem bleef: de echt lastige eiwitten – flexibel, variabel en uit meerdere eiwitcomplexen bestaand – wilden niet ‘stil zitten voor de camera’; ze zijn lastig stabiel te kristalliseren door bijvoorbeeld bevriezing.  De komst van de X-ray Free Electron Lasers heeft de weg vrijgemaakt om ook dit probleem op te lossen. De XFELs schieten tienduizenden keren, heel kort en heel helder op een preparaat, waarvan telkens, net voordat het monster uit elkaar valt door de intensiteit van de laser, een foto wordt genomen. Die duizenden foto’s kunnen door middel van algoritmes en computermodellen geanalyseerd worden om zo de positie van de vuurtoren te bepalen. Voor zowel de biologie, scheikunde en natuurkunde breekt een nieuwe eeuw aan waarin de kristallografie zijn waarde kan bewijzen. Waar een ski-uitje al niet toe kan leiden.