Forschung & Entwicklung

Röntgenholographie zur Analyse von Viren

Mit einer speziellen Art von Röntgenholographie, die „In-Flight Holographie, konnten erstmalig hochauflösende Bilder von Nanoviren erzeugt werden, die vorher nicht an eine Oberfläche fixiert werden mussten.

Holographie beruht im weitesten Sinne auf Interferenz von Lichtstrahlen. So lässt sich beispielsweise bei optischen Hologrammen die dreidimensionale Struktur eines Objekts feststellen. Im Röntgenbereich erlaubt die Holographie ohne viel Rechenaufwand einzigartige Einblicke in die Struktur von winzigen Teilchen, wie Viren und andere Nanopartikel. Ein Nachteil: Bis jetzt musste man die nur Nanometer großen Proben auf einer Oberfläche fixieren. Dies kann für biologische und empfindliche Proben, wie zum Beispiel Viren, ein Problem darstellen, da jede Art der Fixierung die Probe automatisch verändert. Das resultierende Bild gibt also nicht den Originalzustand wieder.

In einer Studie konnten Forscher nun zeigen, dass Röntgenholographie auch an nicht-fixierten Nanoteilchen in der Gasphase erfolgreich angewendet werden kann. Das Experiment wurde federführend von Dr. Tais Gorkhover, Prof. Christoph Bostedt und Anatoli Ulmer am Linac Coherent Light Source (LCLS) Röntgenlaser in Kalifornien durchgeführt.

Zu den Viren in der Probe wurde ein Referenzobjekt gegeben und damit die Bedingung für eine holographische Aufnahme geschaffen. Als Referenz dienten dabei sogenannte Nanocluster: kugelförmige Nanobällchen aus Xenon. Sowohl die Nanoviren wie die Nanocluster wurden zusammen in den Fokus des Röntgenlasers injiziert. Die Probe wird mit einem Laserpuls in der Größenordnung von 100 Femtosekunden bestrahlt. Die Röntgenstrahlung wird sowohl an den Nanoclustern als auch an den Viren gestreut. Die resultierenden Interferenzmuster des gestreuten Lichts werden mit einer speziellen Kamera aufgezeichnet und enthalten Informationen über die Struktur des Virus.

„Das Besondere an unserer Methode liegt zum einen daran, dass wir Nanopartikel untersuchen, ohne sie vorher verändern zu müssen. Zusätzlich ermöglicht das Verfahren auch eine eindeutige und einfache Rekonstruktion der Probe und ist weniger anfällig für Hintergrundrauschen und andere Störfaktoren im Vergleich zu nicht-holographischen Ansätzen“, erläutert Anatoli Ulmer, Doktorand am Lehrstuhl von Prof. Möller an der TU Berlin.

Ohne Holographie müssten die Streubilder in tausenden von Schritten und mit komplizierten Algorithmen analysiert werden. Die Struktur resultiere dann aus der Mittelung von hunderten möglichen Lösungen. Im Gegensatz dazu könnten die Hologramme in nur zwei Schritten eindeutig interpretiert werden, ergänzt Dr. Tais Gorkhover von der Stanford Universität in den USA.

Auf lange Sicht könnte dieses holographische Verfahren neue Wege ermöglichen, um beispielsweise Nanoteilchen, die bei Luftverschmutzung, Verbrennungsmechanismen und Katalyse eine große Rolle spielen, besser studieren zu können.

Originalveröffentlichung:

[T. Gorkhover et al., Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles, Nat. Photonics 12 (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0110-y]

von mn

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