Wetenschap - 7 april 2011

Een koud kunstje

De microwereld bekijken in zijn natuurlijke vorm en niet als gehavend preparaat. Dat kan de Magellan scanning elektronenmicroscoop, dankzij de unieke vriestechniek die Adrian van Aelst ervoor ontwikkelde. Een wereld gaat open.

1-Tomato-leaf-pseudo-color-.jpg
'Dit is nou cryo!' Microscopist Adriaan van Aelst kijkt met onverholen trots naar het plaatje dat de cover van deze Resource siert. Dit is wat zijn machine, de Magellan scanning elektronenmicroscoop, vermag. Die scherpte, die resolutie, kom daar elders maar eens om wil hij er maar mee zeggen. Onmogelijk, want zijn apparaat is uniek. Het lijkt wel kunst. De foto zou niet hebben misstaan op de tentoonstelling Schoonheid in de Wetenschap, die op dit moment in Museum Boijmans van Beuningen is te zien. Van Aelst is er al geweest. 'En ik mag het misschien niet zeggen, maar ik maak ze beter. Ik snap niet dat ze niet even bij ons langs zijn geweest.'
De Magellan is het paradepaardje van het Wageningen Elektronen Microscopisch Centrum (WEMC). Het apparaat wordt maandag over een week officieel geïnaugureerd tijdens de Botanical Microscopy Meeting. Dit vierjaarlijkse treffen van de botanisch microscopisten van deze wereld vindt dit keer in Wageningen plaats. Een buitenkansje voor beheerder Van Aelst en voor het Eindhovense FEI -de fabrikant van het apparaat- om de machine in de schijnwerpers te zetten.
Wat je ziet is echt
Van Aelst overdrijft niet. De plaatjes die de Magellan maakt zijn verbluffend. Maar kunst is het niet. Het is keiharde wetenschap. Om even terug te komen op de coverfoto. De foto toont een opname van een jong blaadje van een tomatenplant. Met een beetje kennis van de biologie, zie je onmiddellijk de huidmondjes op de achtergrond. Op de voorgrond de nerf van het blad. De paars-grijze draden zijn uitgroeisels van de epidermis. Maar de onbetwiste blikvangers zijn de gele steeltjes met de vier cellen aan het uiteinde. 'Kliercellen', legt Van Aelst uit. Die produceren de typische geur die je ruikt als je met een vinger over een tomatenblad strijkt.'
Maar wat is er nu zo bijzonder aan dit plaatje?  Niet de kleuren, want die zijn nep. Elektronenmicroscopen (zie kader: Op de tast) werken niet met licht, maar met elektronen. De plaatjes zijn dus zwart-wit. Voor het effect en contrast heeft Van Aelst ze ingekleurd. En zeker niet de vergrotingsfactor. Het stukje blad is maar duizend keer uitvergroot; de Magellan kan wel tot 1,6 miljoen keer vergroten. Het is het beeld zelf. De resolutie, de scherpte en de diepte. Maar bovenal: de echtheid. Dat wat je ziet is echt. 'Dit is de feitelijke fysiologische situatie. Hier is niets aan dehydratatie gedaan. Niets is ingeklapt of vervormd door verdroging. Je kijkt hier op een bevroren stukje werkelijkheid: alles is verijst en stabiel. Dat is nou de kracht van cryo-elektronenmicroscopie: je legt een oogwenk vast.'
Levend materiaal
De machine die dit kan is dus de Magellan, de Cryo-SEM (Scanning Electron Microscope), genoemd naar de Portugese ontdekkingsreiziger Magelhaan. Maar eigenlijk zou het apparaat beter Amundsen kunnen heten, naar de poolreiziger. Want de machine maakt beelden in de ijzige kou. Vandaar ook de toevoeging cryo, van kruos dat Grieks is voor ijs.
De Cryo-SEM is het kindje van Adriaan van Aelst. En daarmee is niets teveel gezegd. De 61-jarige Van Aelst heeft de machine min of meer zelf bedacht. Van Aelst heeft de dagelijkse leiding in het Wagenings Elektronen Microscopisch Centrum (WEMC) dat is gehuisvest in Radix. De Magellan is het topstuk in de collectie.
Elektronenmicroscopen werken in vacuüm. Dat betekent dat het materiaal dat je wilt bekijken droog moet zijn. De bewerkingen die daar normaliter voor nodig zijn (fixeren en drogen) tasten het te onderzoeken weefsel aan. Je ziet dus altijd een vervormde weergave van de werkelijkheid. Koude elektronenmicroscopie (zie kader: Bevroren moment) heeft dat nadeel niet. 'Je kunt levend materiaal in de natuurlijke toestand bekijken. Dat is in principe fantastisch', legt Van Aelst uit. In 1990 mocht Van Aelst er voor het eerst eentje aanschaffen. 'Eén van de eerste in Europa met die resolutie. Daar hebben we jaren mee gewerkt. Maar gaandeweg ontdek je dat het beter kan.'   
-125 graden
Van Aelst greep de verhuizing naar Radix aan om bij de baas aan te kloppen voor een nieuwe machine. 'Dat was het moment om na achttien jaar de oude machine te vervangen. Bovendien wist ik nu de ideale combinatie.'  Dat wil zeggen: de manier om in de koude bij hele hoge vergrotingen een hoge resolutie te halen. 'Theoretisch is bij warme SEM in ideale omstandigheden een resolutie van een halve nanometer mogelijk. Met dit cryo-systeem haal ik nu bij -125 graden dezelfde resolutie en dat is uniek. De machine is zo goed dat je eigenlijk alles tot onder de nanometer in detail kunt laten zien.' Maar zo'n machine moest nog wel worden gemaakt. Het FEI uit Eindhoven bleek bereid het apparaat met stevige korting (Wageningen betaalde aanzienlijk minder dan de reguliere kostprijs van om en nabij een miljoen euro) te ontwikkelen.
De Magellan maakt prachtige botanische beelden. Het apparaat kan daarnaast de chemische samenstelling van het oppervlak in kaart brengen. Van Aelst: 'Ook daarin is hij uniek. Bij mijn weten is er geen tweede van in de ­wereld.' Een kwart van de analyse-opdrachten komt van buiten Wageningen UR. De chip-industrie bijvoorbeeld bekijkt er nieuwe etsingsprocedures mee. Campina laat Van Aelst naar melkpoeder en slagroom kijken. Voor Akzo onderzocht hij verf. Van Aelst: 'Je kunt het eigenlijk zo gek niet bedenken of we kunnen het zichtbaar maken. En je komt altijd weer nieuwe dingen tegen. Dat maakt microscopisch onderzoek zo'n spannende bezigheid die de ­verbeelding prikkelt en nooit routine zal worden. Zeker bij ons geldt: een beeld zegt meer dan duizend woor-
den.'  
Op de tast
Een scanning elektronen microscoop schrijft beelden met elektronen in plaats van licht. Een uiterst smalle (ca. één nanometer) bundel elektronen tast het oppervlak van het te onderzoeken materiaal af. Punt voor punt, lijn voor lijn. Die invallende elektronen stoten elektronen uit de atomen aan het oppervlak van het monster, die worden gezogen door een sensor die boven het monster is geplaatst. Afhankelijk van het reliëf van het oppervlak komen er meer of minder elektronen vrij. Dit contrast levert beeld op.
Het voltage van de invallende elektronen is cruciaal. Hoe sneller de elektronen, hoe dieper ze in het preparaat doordringen. En dat is dus juist niet de bedoeling. Het gaat er om de structuur van het ultieme oppervlak in beeld te brengen; alles wat onder het oppervlak ligt is ruis. Om de indringdiepte van elektronen te minimaliseren worden lage voltages (0,5-2 kV) gebruikt. Daarnaast krijgt het monster een coating: een uiterst dun filmpje (twee nanometer) dat als een huid over het oppervlak zit. Vroeger gebruikte men daar goud of platina voor, tegenwoordig wolfraam. Met zo'n wolfraamlaagje zijn resoluties tot een halve nanometer mogelijk. De bijbehorende vergroting is dan ongeveer 1,5 miljoen maal.
Naast deze beelden van het oppervlak levert de microscoop ook aanvullende analytische informatie. Een deel van de elektronen uit de invallende bundel kaatst terug. Deze zogeheten backscatter-elektronen leveren informatie over de dichtheid van het materiaal in het oppervlak. Een derde informatiebron is de röntgenstraling die vrijkomt tijdens het proces. De energie van die straling is voor elk element verschillend en toont  dus de samenstelling van het materiaal.
Bevroren moment
Het maken van een cryo-preparaat voor de hoge-resolutieanalyse is tamelijk spectaculair. Een stukje weefsel - blad bijvoorbeeld - wordt tussen twee minieme aluminium dekseltjes gelegd van drie millimeter in doorsnee. Deze sandwich wordt onder enorme druk (2300 bar) in een fractie van een seconde (twee milliseconden) ingevroren in vloeibare stikstof. Dat gaat letterlijk met een daverende klap. Op deze manier wordt glasijs gevormd, een amorfe vorm van ijs. Het water in het preparaat krijgt niet de ruimte en de tijd om kristallen te vormen die het te onderzoeken weefsel vervormen en verdrukken. Een monster verpakt in glasijs is letterlijk een bevroren moment. 

Re:ageer