Reportage uit het laserlab: Het zuivere licht

Laser. Menigeen kent het van spelletjes en science fiction films. Ook iedere cd-speler heeft een laser aan boord. Maar je kunt er ook prachtig wetenschappelijk onderzoek mee doen.

door René Rector

De VU heeft het grootste laserlaboratorium van Nederland en het geniet ook internationale faam. Het ontstond begin jaren negentig, toen atoomfysica, fysische chemie en biofysica allemaal met wetenschappelijke puzzels zaten die je met laserlicht goed kon oplossen. Inmiddels komen onderzoekers uit de hele wereld naar Amsterdam om er onderzoek te doen en maakt het Laserlab deel uit van een groot Europees laseronderzoeksconsortium.

Laser is zo handig, omdat het in meerdere opzichten heel precies werkt. Laserpulsen kunnen heel kort zijn; laserlicht kan heel zuiver van kleur zijn. Dat maakt het een precisie-instrument voor wetenschappelijk onderzoek. Het lukte de VU met laser als een van de eerste universiteiten een Bose-Einsteincondensatie te realiseren: een heel koude toestand van stoffen die in 1926 al door Albert Einstein was voorspeld, maar die tot 1995 nog nooit door iemand was verkregen.

Behalve wetenschappelijk baanbrekend kan laseronderzoek ook nuttig zijn. Zo is het onmisbaar bij het maken van sommige medicijnen. Ytterbium is een chemisch element dat in verschillende varianten (isotopen) voorkomt. Hun chemische eigenschappen zijn vrijwel identiek, maar de isotopen reageren wel verschillend op laserlicht. Voor medische toepassingen is een heel zuiver poeder met ytterbium-176 nodig: alle andere isotopen zijn voor medisch gebruik schadelijk.

Door een gaswolkje ytterbium met heel zuiver laserlicht te beschijnen, raakt ytterbium-176 elektrisch geladen, terwijl met de andere isotopen niets gebeurt, omdat die op een net weer andere kleur licht reageren. Een metalen plaatje onder elektrische spanning trekt het geladen ytterbium-176 uit de gaswolk. Omdat isotopen chemisch gelijk zijn, is het bijna onmogelijk om ze op een andere manier dan met deze truc te scheiden.

VU-Het-zuivere-licht-spread1

Startschot en finishfoto

Marloes Groot gebruikt lasers om erachter te komen hoe eiwitten precies werken. Sommige eiwitten kunnen heel snel een chemische reactie uitvoeren, maar doen dat pas als er licht op valt. Planten bijvoorbeeld, hebben een lichtgevoelig eiwit dat helpt bij het in elkaar zetten van chlorofyl, de stof die ze gebruiken om lichtenergie om te zetten in chemische energie. Die reactie gaat te snel om te bestuderen: als in een plantencel de bouwstoffen en eiwitten dicht genoeg bij elkaar in de buurt zitten, klikken de verschillende onderdelen bijna vanzelf aan elkaar. Maar als je alle ingrediënten in het donker mengt, kun je met een laserflits de reactie zelf starten, en dan kun je er ook onderzoek naar doen.

Groot maakt daarom vooraf het benodigde mengsel, en stuurt daar met enkele femtoseconden pauze (enkele miljoensten van een miljoenste van een duizendste seconde) twee laserpulsen doorheen. De eerste, witte puls start de reactie. De tweede puls is gekleurd en ‘fotografeert’ wat de eerste puls gedaan heeft. De truc werkt zo precies, dat Groot afhankelijk van de kleur van de puls kan zien welke onderdelen van een eiwit meedoen aan de reactie en welke niet.

Het resultaat is elementaire kennis over hoe eiwitten hun werk doen. Zo blijkt uit het onderzoek dat de aanmaak van chlorofyl in tempo toeneemt als er meer licht is. Dat is handig: de plant steekt op die manier alleen maar energie in de aanmaak van chlorofyl als er ook daadwerkelijk licht is om het te kunnen gebruiken.

VU-Het-zuivere-licht-spread2Handen en voeten onder de loep

Elke cel bevat dna – de stof waarin al onze erfelijke eigenschappen liggen opgeslagen. Als een cel deelt, wordt eerst al die erfelijkheidsinformatie gekopieerd, zodat elke helft de volledige informatie mee kan krijgen. Het verdelen van het dna gebeurt met behulp van een miniatuurraamwerk in de cel, waarlangs de ene portie DNA naar de ene kant wordt getrokken, terwijl de andere de andere kant uit gaat. Niemand weet precies hoe dat trekken gebeurt, maar Erwin Peterman, Lukas Kapitein en Christoph Schmidt ontrafelen het proces stap voor stap met laserlicht, samen met celbiologen van de Rockefeller universiteit in New York.

Het is niet zomaar leuke kennis voor bij de borreltafel: chemokuren tegen kanker zijn meestal gebaseerd op het stoppen van celdeling. Kanker is namelijk ongecontroleerde celdeling, waardoor een tumor ontstaat. Chemokuren maken nu echter het miniatuurraamwerk in alle cellen stuk, terwijl het voor veel meer wordt gebruikt dan alleen celdeling. Vandaar dat patiënten er zoveel bijwerkingen van hebben. Peterman onderzoekt met lasers een medicijn dat veel gerichter op celdeling zou kunnen werken.

Bij celdeling speelt het eiwit eg5 een hoofdrol. Dit eiwit ziet eruit als een X, die met z’n handen en voeten de ‘steigerpijpjes’ van het raamwerk naar elkaar toe trekt, en is alleen betrokken bij celdeling. Peterman: “Als je eg5 kunt lamleggen, kun je een medicijn ontwikkelen dat echt alleen maar de celdeling uitschakelt, waardoor de groei van een tumor stopt.” De onderzoekers maken gebruik van verschillende kleuren laserlicht, en markeren raamwerk en eg5 met fluorescente kleurstoffen. Vervolgens filmen ze hoe en onder welke voorwaarden eg5 z’n werk doet. Een gewone microscoop schiet daarbij tekort, omdat de kleurstoffen licht van een heel zuivere kleur vereisen. Die zuiverheid bereik je alleen met laser.