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XFEL-Reportage

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Schenefeld in Schleswig-Holstein – eine Kleinstadt wie Tausende andere in Deutschland. Hier inmitten von Autohäusern und Werkstätten liegt eine der modernsten Forschungsanlagen der Welt. 15 Meter tief unter der Erde machen Forscher Experimente, von denen sie bisher nur träumen konnten. Der schnellste und präziseste Röntgenlaser  – der European XFEL –  liefert Bilder aus der Welt der kleinsten Teilchen. Bilder, die es so zuvor noch nicht gegeben hat.

Biologen wollen hier die Geheimnisse des Lebens lüften. Proteine, Zellen, Viren – über deren Struktur und Reaktionen ist bislang noch wenig bekannt. Zu winzig sind viele dieser Biomoleküle, um sie genau erfassen zu können. Das soll sich bald ändern.

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Am European XFEL arbeiten Wissenschaftler aus aller Welt. Die Forscher müssen sich bewerben, um die stärkste Röntgenquelle nutzen zu dürfen. Denn die Strahlzeit ist kostbar. Eine Jury wählt die Besten aus. Dann müssen die Forscherteams noch ein paar Monate warten, bis sie bis zu einer Woche Strahlzeit für ihre Experimente bekommen.

Der Röntgenlaser läuft im Hochbetrieb 24 Stunden lang, die Forscher arbeiten in Tag- und Nachtschichten. Sie dürfen keine Sekunde der Strahlzeit verschwenden. Deshalb ist es so wichtig, dass die Proben von guter Qualität sind.

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Bioproben sind sehr fragil. Sie von weit her zu verschicken oftmals unmöglich. Um die biologischen Proben für die Messungen im Röntgenlaser vorzubereiten, brauchen die Wissenschaftler daher vor Ort eine optimale Laborinfrastruktur – von der Proben-Herstellung bis zur -Analyse. Diese finden sie im Biolabor des European XFEL. Es ist mit den modernsten Geräten ausgestattet.

Den Aufbau hat das Bundesforschungsministerium mitfinanziert. Ein internationaler Verbund hält den Laborbetrieb am Laufen. 

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...gehört zum festen Team des Biolabors. Der Biophysiker hilft den Wissenschaftlern bei der Probenvorbereitung.

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Proteine, Viren – wie groß sind die eigentlich? So winzig, dass man sie mit dem bloßen Auge nicht erkennen kann. Zum Vergleich: Ein Reiskorn müsste mehr als 3000-Mal vergrößert werden, um eines dieser Biomoleküle darauf erkennen zu können.

Wissenschaftler wollen nun mit Hilfe der Röngtenblitze tief ins Innere der Zelle blicken. In eine Welt, die bisher weitgehend im Verborgenen blieb. Die Welt der Biomoleküle, über deren Gestalt und Verhalten noch zu wenig bekannt ist und die doch so viel bewirken können. Der Plan dahinter: Wenn die Forscher mehr über die Struktur und Veränderung dieser Moleküle wissen, gewinnen sie völlig neue Einsichten in ihre Funktion. Ein wichtiger Ausgangspunkt, um Krankheiten zu erforschen und neue Medikamente zu entwickeln.

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Bioproben sind wie kleine Lebewesen. Sie wollen gehegt und gepflegt werden. Um beispielsweise Proteine herzustellen, braucht man geeignete Zellen, in denen sie sich bilden können. Im Biolabor des European XFEL nutzen die Wissenschaftler hierfür oftmals Bakterien.

Besonders genügsam ist das Darmbakterium Escherichia coli. Es vermehrt sich schnell und fühlt sich am wohlsten bei 37 Grad. Ein wenig Nährlösung und ab und zu ein Schüttelbad für den Sauerstoff reichen aus.

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Andere Bioproben haben dagegen deutlich höhere Ansprüche. Sie mögen es entweder extrem kalt. Oder sind sehr lichtempfindlich. Selbst normale Atemluft kann zum Problem werden und die Struktur der Proben ungewollt verändern. Neben vielen Geräten und Spezialräumen hat das Biolabor daher eine Handschuh-Box gefüllt mit reinem Stickstoff, in der Robin Schubert gerade eine Probe untersucht.

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Unterm Mikroskop prüfen die Forscher, ob es den Zellen gut geht. Die Leuchtpunkte zeigen an, wo und wie viele Proteine in den Bakterien entstanden sind.

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Robin Schubert erklärt, warum die Proteine erst kristallisiert werden müssen, um im Röntgenlaser sichtbar zu sein. Ein Kristall besteht aus mehreren tausend gleichförmigen Proteinen.


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Für den Einsatz im Röntgenlaser werden nur die besten Kristalle ausgewählt. Beim Experiment werden ganz viele Proteinkristalle hintereinander in den Strahl geschossen, um von jeder Seite ein Bild zu erhalten. Die Proteinkristalle müssen daher gleichförmig sein. Abweichende Strukturen sortieren die Wissenschaftler vor dem Versuch aus.

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...arbeitet beim DESY Hamburg und gehört zur ersten Forschergruppe, die den Röntgenlaser nutzen konnte.

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Jetzt geht es 15 Meter unter die Erde zur Experimentierhalle des European XFEL...

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Durch ein unterirdisches Tunnelsystem treffen hier die Röntgenstrahlen ein. Ihre Energiequelle liegt im 3,4 Kilometer entfernten DESY im Hamburger Stadtteil Bahrenfeld.
Dort, sieben Stockwerke unter der Erde, bestrahlt ein Laser einen Metallblock. Dabei werden Elektronen freigesetzt und in einen Liniearbeschleuniger geschossen.

Auf ihrem Weg durch den Tunnel erreichen die Teilchen nahezu Lichtgeschwindigkeit. Zum Schluss werden sie über Magnete in einen engen Slalomkurs gebracht. Wie die quietschenden Reifen eines bremsenden Autos setzen sie dabei Energie in Form von Röntgenblitzen frei. Diese werden gebündelt in die Experimentierhalle geleitet.

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15 Meter hoch, so groß wie ein Fußballfeld, Säulen aus Beton – die Experimentierhalle des European XFEL liegt tief unter der Erde. Hier stehen die Instrumente für die wissenschaftlichen Untersuchungen in so genannten Hütten bereit. Diese sind zum Schutz gegen die Strahlung mit Wänden aus Blei verkleidet.

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Das Instrument für die biologischen Proben heißt SPB/SFX. Es steht in einem Raum, der bis unter die Decke mit glänzenden Metallteilen, Kabeln und Hightech-Geräten gefüllt ist. Im Hintergrund brummt eine Vakuumpumpe, die optimale Bedingungen für das Experiment schafft. Es ist eine der ersten der insgesamt sechs geplanten Experimentier-Stationen. Hier kommt die Probe an.

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Zwei Bullaugen geben den Blick frei ins Innere der Probenkammer. Dort treffen die Lichtblitze des Röntgenlasers auf die Probe. Konzentriert auf einen winzig kleinen Punkt, zehnmal kleiner als der Durchmesser eines einzelnen Haares. Hier entstehen Bilder des Biomoleküls auf atomarer Ebene.

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Eine Düse spritzt die flüssige Probe mit den Proteinkristallen in den Röntgenstrahl. Laborleiter Joachim Schulz erklärt, was jetzt passiert.

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Jedes Mal, wenn ein Röntgenblitz auf ein Proteinkristall trifft, entsteht ein Streubild, das von einer Spezialkamera aufgenommen wird. Diese Kamera ist eine der schnellsten der Welt. Sie schießt fünf Millionen Bilder pro Sekunde. Bei jedem Experiment entsteht somit eine riesige Menge an Bildern, die die Forscher am Computer in monatelanger Arbeit zu einem dreidimensionalen Modell des Biomoleküls zusammensetzen.

Die Experimentier-Stationen des Röntgenlasers werden laut Schätzungen pro Jahr bis zu zehn Millionen Gigabyte Daten liefern. Eine enorme Datenmenge, mit der man zehn Millionen DVDs füllen könnte.

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Eines der ersten Experimente am Röntgenlaser war gleich ein Erfolg. Ein internationales Forscherteam konnte die unbekannte Struktur eines bakteriellen Enzyms sichtbar machen. Es blockiert die Wirkung von Antibiotika. Dominik Oberthür erklärt, was die Forscher herausgefunden haben.

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Heller, schneller, kürzer: Die Röntgenstrahlen des European XFEL eröffnen völlig neue Einblicke in den Nanokosmos. Doch sie können nicht nur die Struktur winziger Biomoleküle enthüllen. Auch ultraschnelle biologische oder chemische Prozesse lassen sich mit Hilfe der extrem kurzen Röntgenblitze nachvollziehen. So erhoffen sich die Forscher etwa ganz neue Erkenntnisse über die Photosynthese.

Seit der Eröffnung im September 2017 haben schon mehr als 500 Wissenschaftler Experimente am weltgrößten Röntgenlaser gemacht. Die Forschungswelt blickt weiter gespannt nach Schenefeld.

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