De levende laser

Share Button

In superheldenfilms als de X-men serie en Superman komen wezens voor die een vernietigende laserstraal uit kunnen zenden. Onderzoekers zijn er voor het eerst in geslaagd een menselijke cel als laser te laten werken. Hoe kregen ze dat voor elkaar? En wat zijn de mogelijkheden?

Voor de eerste keer is een laser gebouwd van een levende cel. De menselijke niercel die gebruikt is om de laser mogelijk te maken overleefde het experiment. In de toekomst kunnen dergelijke “levende lasers” in dieren worden geactiveerd. In theorie kan levend weefsel op die manier op zeer nauwkeurige wijze in beeld worden gebracht.

Hoe werkt een laser?
Al eerder zijn “onconventionele” lasers gefabriceerd van drilpudding en aangedreven door kernreactoren. Ditzelfde kunststukje herhalen in een levende cel is echter een veel ingewikkelder probleem.  Een laser bestaat uit twee spiegels, waartussen zich een ‘gain medium’ bevindt. Dit medium wordt opgepompt, bijvoorbeeld met een chemische reactie of met licht, zodat het in aangeslagen toestand is. Heel belangrijk is dat de meerderheid van de actieve atomen in aangeslagen toestand is.
Bij het vrijmaken van die energie wordt gebruik gemaakt van gestimuleerde emissie, een door Einstein voorspeld effect. Als een lichtdeeltje een aangeslagen atoom (of groep atomen, zoals hier) raakt,  wordt het lichtdeeltje exact gekopieerd. Hierbij wordt de energie van het aangeslagen atoom opgebruikt. Dat valt terug in de grondtoestand. Als het licht keer op keer tussen de spiegels heen en weer wordt gekaatst, worden meer en meer lichtdeeltjes vrijgemaakt en ontstaat zo een lawine van fotonen die alle precies in fase zijn en exact dezelfde golflengte hebben. Erg handig om precies te kunnen werken of afstanden te meten. Zonder lasers was de moderne precisietechniek niet mogelijk geweest. Hoe beter de spiegels, hoe meer aangeslagen atomen of atoomgroepen hun energie afstaan in de vorm van laserlicht.

De levende laser

De opgewekte vermogens in biologische lasers zijn extreem zwak. Een superman met laserblik zou na enkele minuten al uitgeput zijn.

De opgewekte vermogens in biologische lasers zijn extreem zwak. Een superman met laserblik zou na enkele minuten al uitgeput zijn.

Er zijn al honderden verschillende gain media gebruikt, waaronder verschillende kleurstoffen en gassen. In sommige sterren en andere astronomische objecten komen natuurlijke radiolasers (masers) voor: als de meerderheid van bijvoorbeeld watermoleculen in het interstellaire medium aangeslagen is, kunnen zich masereffecten voordoen. Nog niemand heeft tot nu toe echter levend weefsel als laser gebruikt. Malte Gather en Seok-Hyun Yun of Harvard Universiteit besloten te experimenteren met een enkele niercel, afkomstig van een mens. Hierbij injecteerden ze in deze cel een DNA-lus die codeert voor een verbeterde vorm van GFP, groen fluorescerend proteine (eiwit). GFP licht groen op als het wordt beschenen met blauw licht en is hiermee erg nuttig als een soort biologisch signaal. Het molecuul toont de bewegingspaden van moleculen in cellen en licht op als bepaalde genen actief worden.

De onderzoekers plaatsten de cel tussen twee spiegels. Daarna bombardeerden de onderzoekers de cel met blauw licht tot hij op begon te gloeien. Zodra het groene licht tussen de spiegels op en neer begon te kaatsen, werden bepaalde geselecteerde golflengtes versterkt tot ze door de halfdoorlaatbare spiegel naar buiten treden als laserlicht. Zelfs na een paar minuten laserwerking, was de cel nog levend en gezond.

Zou in een mens of dier een krachtige laser kunnen worden ingebouwd?
Als mens beschikken we over ongeveer tweehonderd watt aan vermogen. Anders dan superheldenfilms doen geloven, bestaat er geen magisch mechanisme om veel meer vermogen dan dit op te wekken. Al deze energie halen we uit voeding. We eten per dag ongeveer tweeduizend calorieën, dit staat gelijk aan iets meer dan twee kilowattuur per dag. En daar moeten we ons lichaam ook mee onderhouden. Stel, de superheld heeft 1 kilowattuur extra per dag beschikbaar, bijvoorbeeld omdat hij heel veel eet. Dan kan slecht een klein deel van dit vermogen in een laserstraal worden geïncorporeerd. Hij zou misschien een paar minuten kunnen lassen en dan uitgeput in elkaar storten. Ook bestaan er geen biologische materialen die even goed reflecteren als laserspiegels.

Wat wel zou kunnen werken is een miniatuur kernfusiereactor die geen schadelijke straling afgeeft (neutronenarme fusie dus), in iemand inbouwen en die de energie voor een laser laten opwekken. Maar helaas. Zelfs in monsterachtige installaties als JET, ITER en de Amerikaanse Z-pinch kost kernfusie nog steeds meer energie om op te wekken dan er uit wordt gehaald. Laat staan in een mini-reactor. Maar toch. Er is ooit kernfusie opgewekt in een apparaatje kleiner dan een vuist…

Interne imaging?
Met behulp van laser optische tomografie worden laserbundels van buiten het lichaam op levend weefsel afgevuurd. De manier waarop het licht wordt doorgelaten of verstrooid toont grootte, volume en diepte van het weefsel. Op die manier kan een driedimensionaal beeld worden samengfesteld. Met een laser in het lichaam van een dier kan je veel preciezere beelden maken. Een andere techniek, fluorescentiemicroscopie, maakt gebruik van de gloed die levende cellen gedoopt met GFP afgeven om zo een beeld te produceren. Naar verwachting kan met Yun’s biologische  laser een veel nauwkeuriger beeld worden geproduceerd. Hiervoor moet uiteraard wel in veel cellen het eiwit worden ingebouwd. Ook moeten er metalen spiegeltjes op nanoschaal in de cellen worden ingebouwd. Voor mensen dus minder praktisch. Al is het natuurlijk wel handig in het donker.

Bronnen:
Malte C. Gather en Seok Hyun Yun, Single-cell biological lasers, Nature Photonics (2011)
First living laser made from kidney cell, New Scientist

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger