Bespieden van moleculen

Moleculen zijn zó klein dat je ze zelfs met een microscoop niet kan zien. Je hebt ander gereedschap nodig. Begin jaren negentig slaagde de Leidse natuurkundige Michel Orrit erin om losse moleculen zichtbaar te maken. Orrit en collega’s schenen met een laser op een molecuul en wisten het licht op te vangen dat het molecuul daarna weer uitzendt via een proces dat fluorescentie heet. Orrits methode werd de afgelopen twintig jaar gretig gebruikt door natuurkundigen, chemici en biologen. Dit jaar krijgt hij een Spinozapremie voor zijn onderzoek, de hoogste onderscheiding in de Nederlandse wetenschap.

Lichtgevend etiket

Het was de Nobelprijswinnaar William Moerner die eind jaren tachtig als eerste de lichtabsorptie van een enkel molecuul waarnam. Niet lang daarna verbeterde Orrit de techniek, die vooral voor biologen een geweldig gereedschap vormde. Zij konden het gebruiken om de cel tot op moleculaire schaal te bekijken. Het was opeens mogelijk om te achterhalen waar bepaalde moleculen (zoals eiwitten) heengaan in de cel; essentieel om te begrijpen hoe de cel op het kleinste niveau werkt.

Orrit maakte handig gebruik van fluorescentie: het feit dat sommige moleculen licht uitzenden nadat je er licht op hebt geschenen. Hierbij wordt eerst een lichtdeeltje geabsorbeerd en later weer met een andere kleur uitgezonden. Je kent het misschien van de discotheek, waar witte t-shirts en tanden oplichten onder een blacklight. Ultraviolette lichtdeeltjes van de lamp worden door je t-shirt geabsorbeerd en in zichtbare kleuren weer uitgezonden.

In de tijd dat Orrit zijn onderzoek deed waren er al redelijk wat moleculen bekend met deze eigenschap. De natuurkundige gebruikte een laser en een lichtsensor om de signalen van een enkel molecuul te volgen. Later werd het ook mogelijk om andere moleculen te volgen, die zelf geen fluorescentie vertonen. Dat kan door er een fluorescerend onderdeel op te plakken, als een soort lichtgevend etiket.

Antennes van goud

Het waarnemen van een enkel molecuul was revolutionair, en werd voor die tijd eigenlijk voor onmogelijk gehouden. Het was het begin van een nieuw vakgebied waarin wetenschappers moleculen in materialen en cellen nauwkeurig volgen. Door labels op moleculen te plakken, is het met een microscoop mogelijk een veel scherpere ‘kaart’ van de cel te maken. Ook kun je met fluorescente labels informatie krijgen over de moleculen zelf, zoals de manier waarop ze vervormen.

Graag wil Orrit de dynamiek van grote moleculen als eiwitten in kaart gaan brengen. “Er zijn al mooie technieken om de structuur van grote eiwitten te bepalen, via bijvoorbeeld röntgendiffractie”, zegt Orrit. “Het nadeel van die methode is dat het niks zegt over hoe ze bewegen, terwijl de flexibiliteit juist essentieel is voor de functie van een eiwit. Dat probleem zou ik graag aanpakken. Het is alsof je jaren een stilstaande auto hebt gezien, en nu eindelijk onder de motorkap gaat kijken.”