Neuer ultraschneller Detektor am PSI

Vom Higgs-Teilchen zu neuen Medikamenten

Ein vorbildliches Beispiel, wie Grundlagenforschung einen handfesten Beitrag zur Wirtschaft leistet, ist die Schweizer Firma DECTRIS in Baden-Dättwil – ein erfolgreiches Spin-off des Paul Scherrer Instituts PSI. Der Detektor, der vor rund zehn Jahren das Gründungsprodukt der Firma war, entstand im Zuge der Suche nach dem Higgs-Teilchen.

PSI-Wissenschaftlerin Justyna Wojdyla und DECTRIS-Ingenieur Michel Stäuber am EIGER X 16M – dem neuesten und bislang leistungsfähigsten Röntgenstrahldetektor der Spin-off-Firma. (Foto: Scanderbeg Sauer Photography)

Nun ist die neueste Entwicklung von DECTRIS auf dem Markt: Ein besonders präziser Detektor namens EIGER, der bei Röntgenstrahl-Messungen an großen Forschungsanlagen eingesetzt wird. Seit Herbst 2015 bewährt sich das neueste Modell der EIGER-Serie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. In diesen Tagen schreiben die Forschenden die ersten wissenschaftlichen Veröffentlichungen über Experimente, die mit dem neuen Detektor durchgeführt wurden. EIGER hilft den Forschenden, Proteinmoleküle besser und genauer als zuvor zu vermessen. Das wiederum ist von hohem Interesse bei der Entwicklung neuer Medikamente. Womöglich lassen sich so einige dringend benötigte Alternativen zu Antibiotika finden.

EIGER heißt das Gerät, das Forschenden unter anderem im Bereich Medikamentenentwicklung seit Neuestem die Arbeit erleichtert. Es handelt sich um eine Art Hochgeschwindigkeitskamera für Röntgenstrahlung. Genauer ist EIGER ein Detektor, der an großen Forschungsanlagen Messungen mit Röntgenstrahlen erlaubt. Das Gerät ist eine Neuentwicklung der Schweizer Firma DECTRIS AG in Baden-Dättwil und des Paul Scherrer Instituts PSI.

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Die EIGER-Serie setzt in Sachen Detektorentwicklung neue Maßstäbe. Die Besonderheiten dieser Detektoren sind sowohl eine hohe Anzahl Bildpixel – vergleichbar den Pixeln einer Digitalkamera – sowie eine enorm schnelle Bildverarbeitung. So kann die schnellste EIGER-Variante bis zu 3000 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Damit generiert der Detektor in jeder Sekunde etwa die Datenmenge, die auf eine DVD passt.

Der EIGER X 16M an der sogenannten PXI-Strahllinie der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Der neue Detektor ging dort am 14. Oktober 2015 in Betrieb und hilft seither den Forschenden, Proteinmoleküle besser und genauer zu vermessen als zuvor. (Foto: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

Die EIGER-Variante mit den meisten Pixeln, 16 Millionen an der Zahl, heißt entsprechend EIGER X 16M. Im Kristallographielabor der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI ging am 14. Oktober 2015 der allererste EIGER X 16M in Betrieb. In diesen Tagen schreiben die PSI-Forschenden die ersten Publikationen über wissenschaftliche Erkenntnisse, die mit diesem neuen Detektor gewonnen wurden. Damit schließt sich ein Kreis, denn die Firma DECTRIS selbst ging vor rund zehn Jahren aus der Forschung und Entwicklung am PSI hervor.

Ein Detektor für die Suche nach dem Higgs-Teilchen am CERN
Alles begann Mitte der 1990er Jahre: Das PSI erhielt die Aufgabe, für das CERN und dessen Suche nach dem – mittlerweile gefundenen – Higgs-Teilchen einen neuen Typ Teilchendetektor zu entwickeln. Der am PSI tätige Physiker Roland Horisberger machte sich ans Werk. Gemeinsam mit seinen Mitarbeitenden entwickelte er im Laufe von zwölf Jahren einen neuartigen Pixel-Detektor, der den hohen Teilchenzahlen am CERN gerecht wurde.

Damit hatten die Forschenden des PSI eine Kompetenz erworben, die sie auch für ihr eigenes Institut einsetzten: Sie passten den neuen Detektortyp so an, dass er nicht Teilchen, sondern die Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS einfangen konnte. Den so entstandenen Röntgendetektor nannten die Forschenden PILATUS. „Die Entwicklung des PILATUS war eine riesige Chance für das PSI und ergänzte die damals ganz junge SLS perfekt“, so Bernd Schmitt, der heute Leiter der Forschungsgruppe für Detektorentwicklung an der SLS ist. Noch bevor die Ursprungsversion des Detektors am CERN ihren Dienst aufnahm, lieferten PILATUS-Detektoren am PSI bereits wertvolle Daten.

Nahaufnahme der Detektions-Pixel eines DECTRIS-Geräts. Der neue EIGER X 16M hat – wie der Name verrät – 16 Millionen solcher Bildpixel. Zudem kann er dank enorm schneller Bildverarbeitung über hundert Bilder pro Sekunde speichern. (Foto: Paul Scherrer Institut)

Von der Grundlagenforschung zum erfolgreichen Unternehmen
Der PILATUS-Detektor erregte bald bei Forschenden weltweit Interesse. Um ein vermarktbares Produkt daraus zu machen, gründeten die PSI-Entwickler im Jahr 2006 die Firma DECTRIS als Spin-off des PSI. Seit den Anfängen mit lediglich einer Handvoll Mitarbeitenden ist DECTRIS inzwischen ein beachtliches Schweizer Unternehmen mit rund 80 Angestellten geworden.

DECTRIS arbeitet bis heute eng mit dem PSI zusammen. Auch der Mikrochip, der das Herzstück des EIGER-Detektors bildet, wurde ursprünglich am PSI entwickelt – ebenfalls von den Forschenden um Roland Horisberger. „DECTRIS hat auf dieser Basis innerhalb von nur wenigen Jahren den kompletten Detektor hervorgebracht“, so Horisberger anerkennend.

Die Schweizer Kommission für Technologie und Innovation (KTI) erkannte schon früh das Potenzial der Partnerschaft von Paul Scherrer Institut und DECTRIS und förderte die Entwicklung des EIGER-Detektors zum fertigen Produkt. EIGER wurde in dieser Phase intensiv an realen Experimenten an der SLS getestet. Schließlich ging der weltweit erste EIGER X 16M am Kristallographielabor an der SLS in Betrieb.

Erforschung von Proteinstrukturen hilft bei der Entwicklung neuer Medikamente
Im KristallographilLabor bestimmen Wissenschaftler des PSI, Gastwissenschaftler und nicht zuletzt Forschende aus der Industrie die Struktur verschiedenster Proteine. Jede Proteinart hat eine spezifische Aufgabe im Organismus. Proteine bestehen aus Tausenden von Atomen, die vielschichtig angeordnet sind. Die komplexe Struktur der Proteine bestimmt dabei ihre jeweilige Funktionsweise im Körper und ist daher für Forschende von großem Interesse. Unter anderem ist die Pharmaindustrie an der Struktur entscheidender Proteine interessiert, um Medikamente entwickeln zu können, die maßgeschneidert nur auf diese ganz spezifischen Proteine einwirken.

Eine jüngst anvisierte Strategie besteht beispielsweise darin, ein Protein zu hemmen, das die DNA von Bakterien vervielfacht. Dieses bakterielle Protein ähnelt dem entsprechenden menschlichen Protein zwar stark. Doch wenn der feine Unterschied im Detail bekannt ist, lässt sich womöglich ein Präparat entwickeln, das nur die bakteriellen Proteine angreift.

Allerdings ist die exakte Struktur der Proteine wegen ihrer Komplexität sehr schwer zu bestimmen. Ein übliches Verfahren ist die Röntgenstrahl-Kristallographie. Hierfür werden zunächst aus vielen Exemplaren eines Proteins mikrometerkleine Kristalle gezüchtet. Diese lassen sich dann mit einem sehr feinen und sehr intensiven Röntgenstrahl untersuchen. Einen solchen Strahl liefern weltweit nur wenige Anlagen, darunter die SLS. Mit dieser Methode lässt sich auf die Anordnung der Atome und somit auf die Struktur des untersuchten Proteins schließen. An der SLS konnte in den vergangenen zehn Jahren die Struktur von rund 4000 verschiedenen Proteinen entschlüsselt werden. Damit zählt die SLS weltweit zu den produktivsten Anlagen dieser Art.

Schnelle Bilder und hunderte von Kristallen
Doch schon das Kristallwachstum birgt Tücken. „Oft müssen Hunderte von Kristallen gezüchtet und untersucht werden, um darunter einen zu haben, der in der Röntgenstrahlbeugung ein scharfes und somit brauchbares Bild liefert“, erklärt Vincent Olieric, Wissenschaftler im Kristallographielabor an der SLS. Um all diese Kristalle in vertretbarer Zeit vermessen zu können, muss erstens der Wechsel zwischen den einzelnen Proben sehr schnell gehen. „Per Hand würde das viel zu lange dauern“, erklärt Olieric: „Daher wechselt bei uns ein Roboterarm einen Kristall gegen den nächsten aus – und zwar in unter einer Minute.“

Zweitens muss die Messzeit jeder einzelnen Probe kurz sein. Hier profitieren die Forschenden von der extrem schnellen Bildverarbeitung des EIGER. „Die komplette Messung jedes einzelnen Kristalls dauert nur wenige Minuten“, sagt Olieric.

So gibt die Schnelligkeit des EIGER den Forschenden eine reale Chance, den einen brauchbaren Kristall unter vielen zu finden und damit die Struktur selbst der komplexesten Proteine zu entschlüsseln. Damit könnte der EIGER eines Tages helfen, den Weg zu neuen Arzneimitteln aufzuzeigen, darunter auch Alternativen zu Antibiotika – ein Forschungsgebiet, das im Zeitalter zunehmender Antibiotikaresistenzen von zentraler Bedeutung ist.

Text: Paul Scherrer Institut / Laura Hennemann

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