De blinde microscoop: van MRI op de nanoschaal tot academische vorming
Op vrijdag 25 mei is de oratie van Tjerk Oosterkamp over zijn leeropdracht 'Experimentele Natuurkunde'.
Titel oratie:
De blinde microscoop:
van MRI op de nanoschaal tot academische vorming
Datum: Vrijdag 25 mei 2012
Aanvang: 16.00 uur
Tijdstip: 16.15 uur
Locatie: Academiegebouw
Bij oraties wordt het togaprotocol gehanteerd.
Meer informatie:
Mw. M. Wanders
m.wanders@bb.leidenuniv.nl
071-527 3130
Echo's en MRI op nanoschaal
De experimenteel natuurkundige Tjerk Oosterkamp van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) wil de diepte in.
Met een nieuwe techniek voor de tastmicroscoop wil hij onder de oppervlakte van een preparaat kijken, en de structuur van een eiwit driedimensionaal in beeld brengen. Hij won hiervoor eerder een Starting Grant van 1,8 miljoen euro van de European Research Council.
Eiwitten aftasten
De biomedische wetenschap heeft een steeds grotere behoefte aan beeldmateriaal van biologisch materiaal op het niveau van cellen en eiwitten. Daar zijn verschillende technieken voor, zoals elektronenmicroscopie of röntgenkristallografie. Maar het specialisme van Oosterkamp is het ontwikkelen en gebruiken van zogenoemde tastmicroscopen om biologisch materiaal te bestuderen. Deze microscopen werken niet optisch, maar tasten met een minuscuul naaldje een oppervlak af op atomaire schaal, waarbij de krachten die de naald ondervindt wordt gemeten door naar de verbuiging van het naaldje te kijken.
Inventief instrumentarium
Al bijna tien jaar is Oosterkamp bezig zijn speciale tastmicroscoop, de Atomic Force Microscope of AFM, stelselmatig te verfijnen en aan te passen. Hij kreeg er onder meer een Vidi-subsidie voor van NWO, en mede door hem beschikt de Leidse oppervlaktefysica nu over een uiterst inventief en geavanceerd instrumentarium, waar wereldwijd naar wordt gekeken. Oosterkamp is bij diverse biomedische projecten betrokken, bijvoorbeeld bij het kankeronderzoek van prof. Osanto en het onderzoek aan de aorta van prof. Lindeman in het LUMC.
Welke vorm heeft een eiwit ‘in het wild’?
Met zijn onderzoek wil Oosterkamp naar eigen zeggen met de tastmicroscopie de derde dimensie in. Oosterkamp: ‘Kenmerkend voor tastmicroscopen is dat ze een oppervlak aftasten. Maar ik wil daar juist graag onder kijken, en de structuur in beeld brengen van eiwitten.’ Voor een eiwit is de structuur niet zomaar een dood raamwerk; het goed functioneren van een eiwit, bijvoorbeeld de mate waarin het aan andere eiwitten blijft plakken, hangt direct samen met de manier waarop het ‘gevouwen’ is. De grote vraag is: gaat dit ooit lukken voor een eiwit in z’n natuurlijke omgeving, bijvoorbeeld in het membraan van een cel, omringd door allerlei eiwitten?
De Magnetic Resonance Force Microscopy, die gebaseerd is op kernspin-resonantie en electronenspin-resonantie, begint nu de eerste plaatjes af te leveren. We werken nu hard aan deze microscopie techniek, in de hoop op een doorbraak, die het mogelijk maakt om alle atomen afzonderlijk van elkaar te onderscheiden. Het belang hiervan is groot genoeg om daar enig geduld voor te willen hebben. Het zal me niet verbazen als het nog vijf tot tien jaar gaat duren voordat we complete plaatjes met atomaire resolutie van een eiwit kunnen gaan maken.’
Magneten en radiogolven
Foto: Maarten van Es, LION
Met magnetische resonantie kan de protonendichtheid, en daarmee de structuur van vaste stoffen worden bepaald. Oosterkamp wil de techniek van kernspinresonantie (NMR) zo gaan verfijnen dat hij de protonendichtheid kan meten met een resolutie van 1 nanometer (een miljoen keer kleiner dan een millimeter), en misschien zelfs wel met atomaire resolutie.
De methode maakt, evenals de ‘gewone’ ziekenhuis-MRI gebruik van het feit dat het lichaam vol zit met kleine magneetjes: de waterstofatomen. Wanneer de atomen een puls met radiogolven krijgen, kunnen ze rondjes gaan draaien. De basis van een MRI-scanner in een ziekenhuis is een heel sterke magneet, die ervoor zorgt dat wanneer radiogolven met een vaste frequentie worden gebruikt, alleen de waterstofatomen die zich in een bepaalde doorsnede van het lichaam bevinden hierop gaan reageren. Als die radiogolven stoppen, blijven de atomen nog een poosje zelf radiogolven uitzenden omdat ze blijven tollen. Die radiogolven kunnen worden opgevangen, wiskundig geanalyseerd, en in beeld omgezet.
Houten treintjes
Oosterkamp over zijn Magnetic Resonance Force Microscopy: ‘Het begin is hetzelfde. Ook wij kijken naar de magnetische ‘spin’ van de atoomkernen, de protonen. En ook wij gebruiken radiogolven om de kernen te laten rondtollen. Maar daarmee houdt de vergelijking op. We vangen namelijk vervolgens geen radiosignalen op, maar we willen de magnetische krachten voelen. Dat voelen doe je met een ander magneetje. Vergelijk het met die houten Brio-treintjes waarvan de wagonnetjes met magneetjes aan elkaar vast zitten. Alleen: er is nog nooit iemand geweest die de magnetische kracht van een enkel waterstofatoom heeft gevoeld. De magneetjes zijn zo klein dat je er met je andere magneetje heel dicht bij moet gaan zitten. En dat is toevallig wat ik goed kan: hele kleine magneetjes maken, nanobuisjes die ik aan de naald van een tastmicroscoop bevestig. Vervolgens meten we ultrakleine krachten, in de orde van grootte van 10-19 Newton. Dat levert allerlei uitdagingen op.’
Koud
Een belangrijk aspect aan het werk met NMR op nanoschaal is dat het bij heel lage temperaturen zal moeten gebeuren. Daar heeft Leiden een lange traditie in. Aan het begin van de vorige eeuw slaagde prof. Heike Kamerlingh Onnes er voor het eerst in om het edelgas helium vloeibaar te maken door het tot een temperatuur van 4 Kelvin af te koelen.
Mede dankzij de inzet van de technici van onze uitstekende fijnmechanische dienst, die voortbouwt op de traditie van Kamerlingh Onnes, is Oosterkamp er al in geslaagd om magnetische resonantie kracht microscopie bij 50 mK te doen. ‘In de komende jaren hopen we dit verder te verfijnen, en zelfs bij temperaturen lager dan 10 mK te kunnen werken. Om dat te bereiken moeten we nog wel een aantal obstakels zien te nemen.’
Academische vorming
Oosterkamp: ‘Experimentele natuurkunde is een mooi vak, dat een zeer effectief vehikel biedt om studenten een uitstekende opleiding te bieden. Aan de ene kant staat de natuurkunde terecht bekend als een vak dat een hoog abstractieniveau vereist. Met name de theoretische vakken helpen studenten om hun denken te scherpen.
De experimenten die ik samen met studenten, promovendi, technici en postdocs doe, helpen daarentegen juist weer om het probleemoplossend vermogen te trainen.
De microscoop die we proberen te bouwen bestaat nog niet eens op papier. Bijna alles moet nog worden bedacht en het is dus ook geen wonder dat de meeste experimenten die we doen de eerste keer jammerlijk falen of een ander resultaat opleveren dan we hadden verwacht. Je kunt het antwoord in elk geval niet even op internet opzoeken. Dat is niet alleen een goede leerschool om allerlei vaardigheden te ontwikkelen, maar werkt ook vormend. Wij doen iets dat niet op twintig andere plaatsen op de wereld ook al wordt gedaan. Als wij een goed idee niet uitproberen, dan is er niet zo gauw een ander die het voor ons doet. Ik hoop dat mijn studenten leren dat ze de wereld iets te bieden hebben en daar uiteindelijk ook hun verantwoordelijkheid in willen nemen.
Academische vorming houdt niet op bij het vergaren van kennis en vaardigheden. Met alleen kennis en vaardigheden kom je er uiteindelijk niet.
‘Das Leben ist gar nicht so, es ist ganz anders.’
Ik hoop dat ik in mijn onderwijs ook een bijdrage kan leveren om studenten daar bewust van te maken.