Am SwissFEL, der jüngsten Grossforschungsanlage des PSI, geht es um ausgefeilte Röntgenlasertechnik ebenso wie um verfeinerte Sensorik. Neben Materialwissenschaften, Umwelt- und Energieforschung profitieren vor allem die Lebenswissenschaften von den neuen Möglichkeiten, die die 750 m lange Anlage bietet.

Professor Gebhard Schertler und sein Team. Foto: Basil Stücheli

In einem Würenlinger Waldstück verbirgt sich eine der exklusivsten Attraktionen der Schweiz. «Wenn sie uns in Japan oder den USA um etwas beneiden, dann ist es das hier», sagt Professor Gebhard Schertler, während er auf die «Jungfrau» zeigt, die glänzend mit schimmernden Flächen, Kabeln und blinkenden LEDs mitten im Raum steht. Sie ist ein neuartiger, zweidimensionaler Pixeldetektor für Hochleistungsforschung mit Röntgenlicht, der für den SwissFEL entwickelt wurde. Im Detektor verbirgt sich hochpräzise Messsensorik für die Röntgenlichtpulse, die in der unter dem Waldboden verborgenen, fast 750 m langen, Anlage produziert werden. Der SwissFEL ist die jüngste Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts (PSI). Mit ihm lassen sich extrem kurze und intensive Röntgenlichtpulse erzeugen. Das Verfahren eröffnet Forschenden ganz neue Möglichkeiten – so können sie zum Beispiel erstmals strukturelle Veränderungen in Biomolekülen «in Echtzeit» aufnehmen.

Das Waldstück, in der die Anlage liegt, grenzt ans PSI-Gelände, nur einen kurzen Fussmarsch entfernt. Schertler zeigt sie mit spürbarem Stolz. Er leitet den Forschungsbereich Biologie und Chemie am PSI und ist dafür verantwortlich, mit anspruchsvollen biologischen Experimenten aus den Messgeräten des PSI das maximale Potenzial herauszuholen. Dabei interessieren sich die Forschenden vor allem für die neuen Möglichkeiten, um die Struktur von Proteinmolekülen zu entschlüsseln. Der räumliche Aufbau von Proteinen kann schon seit geraumer Zeit sehr erfolgreich mit dem Verfahren der Proteinkristallografie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) des PSI untersucht werden. Proteine sind jedoch keine starren Objekte, sondern führen Bewegungen aus, die zwischen Femtosekunden und einigen Sekunden dauern. Die Proteine in Bewegung zu «filmen», ist das Ziel von Schertler und seinen Kollegen. Denn, wenn man weiss, wie die Veränderung der Struktur eines Proteins seine Funktion beeinflusst, kann man auch herausfinden, wie ein Medikament wirkt oder warum eine Krankheit entsteht.

«Das Leben ist dynamisch», bringt es Schertler auf den Punkt, «Strukturveränderungen in Proteinen gehören zu den Grundlagen jedes lebendigen Systems und sind die Treiber aller Lebensprozesse.»

Um einen «Film» über eine Strukturveränderung zu drehen, muss man zunächst viele Proteine in viele Kristalle einbinden, in denen diese in einer regelmässigen Gitterstruktur angeordnet sind. Nun muss man die Proteine dazu bringen, dass sie alle gleichzeitig anfangen sich zu bewegen. Am besten geht das mit licht-aktivierbaren Proteinen, die in der Natur vorkommen. Zunächst regt man die Proteine mit kurzen Laserpulsen aus sichtbarem Licht an, sich synchron zu bewegen. Anschliessend misst man sie mit dem Röntgenlichtpuls des SwissFEL. Verändert man die Zeitspanne zwischen Aktivierung und Messung, kann man eine Proteinstruktur zu jedem Zeitpunkt ihrer Bewegung «aufnehmen» und so von molekularen Schnappschüssen zu einem «molekularen Film» gelangen.

Aktuell beträgt die Zeitauflösung, die die Forschenden mit ihren Experimenten am SwissFEL erreichen, mehrere 100 Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist eine Billiardstelsekunde. Die Zeitauflösung gibt den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Bilder in dem virtuellen «Film» an, der die Bewegung der Proteine sichtbar macht. Eine höhere Zeitauflösung bedeutet, dass noch schnellere Vorgänge in den Proteinen beobachtet werden können. Schertler sieht bis zu 50 Femtosekunden als anspruchsvolles Ziel.

Jungfrau am PSI

Die «Jungfrau» des PSI zählt zu den «Top of the World»: ein neuartiger, zweidimensionaler Pixeldetektor für Hochleistungsforschung mit Röntgenlicht für den SwissFEL. Foto: Basil Stücheli

Insofern steht diese im Wald versteckte Anlage im Fokus eines potenziell revolutionären Durchbruchs in den Lebenswissenschaften: «Das Leben ist dynamisch», bringt es Schertler auf den Punkt, «Strukturveränderungen in Proteinen gehören zu den Grundlagen jedes lebendigen Systems und sind die Treiber aller Lebensprozesse.» Bis jetzt habe man kaum Zugang zu diesen dynamischen Prozessen gehabt. Es sei wie die Ankunft auf einem neuen Kontinent.

Diesen Kontinent nicht nur auf einer Karte zu verzeichnen, sondern auch weiter zu erkunden, ist eine der wichtigsten Aufgaben von Schertlers Bereich. Die Erkenntnisse seien von ungemeiner Relevanz für die Lebenswissenschaften, betonen Schertler und sein Mitarbeiter Gregor Cicchetti unisono. Mit klassischen Methoden der Biologie liessen sich diese Prozesse kaum beobachten. Aber in Kombination mit anderen Analysemethoden spiele der SwissFEL seine Stärken erst aus, wie mit modernen Verfahren der Spektroskopie oder Elektronenmikroskopie. Schertler nennt es «integrative Strukturbiologie».

Schertler ist sicher, dass die jüngsten Erfolge erst der Anfang sind. Irgendwann werde man biologische Strukturen in situ, d. h. in ihrem natürlichen zellulären Umfeld anstatt in einem Kristall oder in einer reinen Proteinlösung in atomarer Auflösung beobachten können. Solch ein ambitioniertes Ziel liesse sich nur in einem Forschungsinstitut wie dem PSI realisieren: Hier verfolge man traditionell auch langfristige Forschungsprojekte.