Maximaal inzoomen zonder risico

Dik aluminiumfolie

Met het blote oog zijn die stoffen niet te zien. Voor een lichtmicroscoop zijn ze ook te klein. Een manier om ze te kunnen bestuderen is met röntgenstraling, maar dan moet je eerst een kristalstructuur kunnen maken van het object dat je wilt bestuderen. Dat lukt met lang niet elk materiaal.

Een andere manier is de elektronenmicroscoop. Dat apparaat – van vaak indrukwekkende omvang – gebruikt elektronen om het voorwerp af te beelden. Een bundel versnelde elektronen wordt in een vacuümbuis afgeschoten op het object. Elektronen die door het preparaat heen gaan worden sterk vergroot, zoals dia’s in een projector, en vervolgens geregistreerd en vastgelegd in een beeld met behulp van een camera. Met een elektronenmicroscoop kun je goed een 3D-beeld krijgen van een object, wat essentieel is om de vouwing van een eiwit of de mantel van een virus in kaart te brengen.

Elektronenmicroscopen hebben het de afgelopen decennia een stuk makkelijker gemaakt voor biologen om onze kleinste bouwstenen te onderzoeken. De techniek gaat met sprongen vooruit: tien jaar geleden was het kleinste detail dat je ermee kon bekijken nog tien keer zo groot als nu. Tot een paar tienden nanometer kun je met een elektronenmicroscoop zichtbaar maken; in één nanometer passen ongeveer vijf atomen. Ter vergelijking: een bacterie meet zo’n tweeduizend nanometer en aluminiumfolie is tienduizend nanometer dik.

Dunne chips

Er kleven echter twee nadelen aan het gebruik van de elektronenmicroscoop voor biologische structuren. “Allereerst bewegen moleculen bij lichaams- of kamertemperatuur alle kanten op. Daarnaast worden objecten snel kapot geschoten door elektronen”, zegt Frank de Jong, directeur Partnerships van microscooptechnologiebedrijf FEI (Field Electron and Ion Company).

Het eerste probleem kun je vrij eenvoudig oplossen met cryo-elektronenmicroscopie: maak het object koud, zodat het vastgevroren zit. Als je je sample snel genoeg afkoelt tot -196 graden Celsius, krijg je geen vervelende ijskristallen die de boel stukmaken. Het tweede probleem is lastiger. Biologische structuren zijn erg fragiel. Je wilt dus met zo laag mogelijke doses elektronen toch nog voldoende informatie verzamelen.

Binnen het onderzoeksconsortium Cyttron ontwikkelden ze daarom bij FEI een nieuwe camera als aanvulling op de cryo-elektronenmicroscoop ‘Titan’. De camera, ‘Falcon’ gedoopt, zorgt ervoor dat het object beter in beeld komt zonder dat er meer elektronen gebruikt hoeven worden.

“Eigenlijk werkt het niet zoveel anders dan een normale camera; maar dan met elektronen in plaats van licht”, zegt De Jong. Elektronen die door het preparaat heengaan komen op een chip in de camera terecht, die verdeeld is in pixels. Normaal zorgt dat voor veel ruis; elektronen, vol energie, zijn lastig af te stoppen en raken daardoor verstrooid. Dan kan het gebeuren dat ze niet één, maar meerdere pixels markeren.

In de Falcon is dat opgelost door de chip heel dun te maken. De Jong legt uit: “Elektronen gaan erdoorheen, en laten een signaal achter dat ze er geweest zijn. Zo verspreiden ze zich minder.” Door bovendien de camera te koelen, zorg je voor nog minder ruis.

De hele soep

Dat de camera een uitkomst is voor onderzoekers kan Marin van Heel, hoogleraar data-analyse voor cryo-elektronenmicroscopie aan Leiden Universiteit, beamen. “Door de hoge gevoeligheid van de camera heb je vier keer minder elektronen nodig om een goed beeld te krijgen. Een ander voordeel is de ‘movie-modus’: je kunt tien plaatjes van je object maken in een seconde. Door die beelden achter elkaar te zetten krijg je een beter beeld.

Bovendien kun je hiermee ‘de hele soep bekijken’”, zegt Van Heel. “De moleculaire machientjes in je preparaat hebben verschillende functionele toestanden. Een enzym kan bijvoorbeeld aan een substraat zijn verbonden om een reactie te versnellen, of al zijn teruggekeerd in zijn oorspronkelijke toestand. Je wilt al die toestanden in 3D kunnen zien.”

Een directe toepassing van de techniek is de ontwikkeling van medicijnen. Van Heel: “Denk maar aan een antibioticum. Je kunt heel precies zien hoe de stof iets bij een bacterie blokkeert. Zo kun je gerichter medicijnen ontwikkelen.” Met behulp van de Falcon kan ook een virus als HIV nog beter in kaart worden gebracht, om beter te begrijpen hoe het virus zich gedraagt.