Licht als tolk tussen de nano- en de macrowereld

De biologische cel is een bolwerk van chemische reacties die nog nauwelijks doorgrond zijn. Om deze reacties te kunnen volgen hebben wetenschappers verschillende methodes ontwikkeld, en licht speelt daarin een belangrijke rol. Natuurkundige Michel Orrit gebruikt licht om individuele moleculen te onderzoeken. Hij vertelt over zijn onderzoek. “Licht kan dienen als tolk voor de nanowereld.”

21 september 2015

“Ik gebruik licht als tolk. Dankzij licht kan ik waarnemen hoe een individueel molecuul zich gedraagt. Zo hoop ik te helpen ontdekken welke mechanismen de natuur gebruikt om levende wezens te maken zoals ze zijn.

Wij gebruiken de fluorescerende straling die moleculen afgeven wanneer ze aangeslagen worden door laserlicht van een bepaalde golflengte. We vuren één kleur licht af en krijgen een ander kleur licht weer terug. Daaruit kunnen we het gedrag van enkele moleculen en van hun omgeving afleiden. Met een gewone microscoop krijg je die niet te zien.

Met de uitvinding van de scanning tunneling microscoop veranderde dat abrupt. Bij mij rees toen direct de gedachte: als een naald de tolk kan zijn tussen de nano- en de macrowereld, kan een lichtbundel dat misschien ook, maar dan met veel minder storing.

Michel Orrit verwierf internationale faam als pionier in de fysica van enkele moleculen. Hij werkte aan de universiteiten van Bordeaux en Göttingen en kwam in 2001 naar de Universiteit Leiden. Daar leidt hij de groep Single Molecule Optics.

Lang leek het onvoorstelbaar dat we ooit afzonderlijke atomen of moleculen zouden kunnen waarnemen, ook voor mij als student destijds. We dachten dat quantumconcepten altijd abstract zouden blijven. Vele oudere collega’s zeiden dan ook: u verdoet uw tijd. Maar aan de hand van de theorie kun je berekenen dat één molecuul 100.000 fotonen per seconde kan opleveren. Dat moest meetbaar zijn. En dat bleek het uiteindelijk ook. Het was zelfs relatief simpel.

Nano-antenne voor moleculen

Door moleculen één voor één te bestuderen krijg je meer informatie dan uit gewone experimenten, waar gemiddeld wordt over miljarden en miljarden moleculen. Zo weten we nu dat twee moleculen – bijvoorbeeld eiwitten – chemisch gezien dezelfde structuur kunnen hebben, maar zich toch anders kunnen gedragen. Dat is met name relevant voor de biofysica en de celbiologie, waar we processen op moleculaire schaal veel minder goed kunnen verklaren dan in de fysica of de chemie.

Een biologische cel werkt met chemische processen die nog lastig te doorgronden zijn.
Wikimedia Commons

Misschien kunnen we bijvoorbeeld achterhalen hoe het komt dat het ene molecuul beter aangepast is aan zijn functie dan het andere. Een iPad is door iemand ontworpen, daarom doe hij het. Een levend wezen is in de evolutie ontstaan. Maar hoe? Je kunt zeggen dat de ene soort beter overleeft dan de andere, maar dat is niet het type verklaring die wij als natuurkundigen zoeken. Welke fysische en chemische processen de natuur gebruikt om levende wezens te maken zoals ze zijn, is een van onze grote vragen. Als je dat begrijpt zijn er eindeloos veel toepassingen. Zo kun je de oorzaak van allerlei ziekten ontdekken, van Alzheimer tot ebola.

De techniek om enkele moleculen te bestuderen met licht is inmiddels al zo’n twintig jaar oud en behoorlijk gangbaar. In ons lab proberen we nu manieren te vinden om deeltjes te zien die niet zo makkelijk fluoresceren, zoals de moleculen die het lichaam zelf aanmaakt. We gebruiken bijvoorbeeld gouden nanostaafjes als antennes die het signaal van zwak fluorescerende moleculen versterken, net zoals een radio-antenne elektromagnetische golven versterkt. Of we proberen warmte te meten in plaats van licht. Dat is nu nog heel moeilijk. Maar de geschiedenis heeft laten zien dat moeilijke experimenten met de tijd makkelijker worden, omdat zowel de technologie als het denken vooruit gaat. Ik verwacht dat dat ook voor onze experimenten het geval zal zijn.”