Belyser gamla problem

av Johan Svenlin Forum 2014-05, sida 16-17, 22.05.2014

KRONJUVELEN. I synkrotronen i Melbourne forskar man framgångsrikt i universums minsta beståndsdelar.

Belyser gamla problem

Synkrotroneni Melbourne möjliggör materialforskning på extrem detaljnivå, och öppnar för oanade tillämpningsområden.

JOHAN SVENLIN MELBOURNE

Xx Vilka hemligheter döljer universums minsta beståndsdelar? Det kan synkrotronen, ett supermikroskop som undersöker atomens innersta, ge svar på.

På senare tid har en rad nya forskningsrön från Australiens synkrotron fått genomslag i internationella medier. De flesta forskningsresultat når de internationella kollegerna genom naturvetenskapliga tidskrifter, men vissa sprids också genom nyhetsbyråer vidare till breda medier.

I slutet av 2013 kunde man läsa att eukalyptusträd suger upp guldpartiklar ur jorden och fördelar dem till lövverket. Det ger visserligen inga guldträd som kan skördas på stora fyndigheter, men för gruvindustrin innebär det nya möjligheter att spåra guldhaltig jord genom träd.

IT januari kom ett glädjebesked för soldyr KG forumför KONOMI OCH TEKNIK NR 5201 kare som vill skydda huden mot UV-strålning. Ett forskarteam kunde efter synkrotronexperiment berätta att kroppens immunsystem tar hand om nanopartiklar av zinkoxid som gör solskyddskrämer vattentåliga och osynliga på huden, och hindrar dessa från att nå blodomloppet.

Detaljerad bild. En stor del av forskningen på Australiens synkrotron handlar om biologiska och kemiska processer på atomnivå.

Nya elektroner skjuts in med några minuters intervall och accelereras med magneter upptill 99,99 procent av ljusets hastighet.

Ringen är 217 meter lång och består av 14 raksträckor. Där snurrar elektronerna 14 miljoner varv per sekund.

När elektronerna kolliderar i kurvorna avger de ett starkt ljus som fokuseras i olika våglängder vid de nio strållinjerna. Forskarna kan välja den strållinje som ger det mest avslöjande ljuset för deras experiment.

”Miljövetenskap, biologi, materialvetenskap och nanoteknologi är de stora användargrupperna här. Forskarna har många andra metoder för att få svar på sina frågor, me synkrotronen ger ofta en mer detaljerad bild som kompletterar de andra resultaten”, förklarar Peter Kappen som ansvarar för strållinjen XAS (X-ray absorption spectroscopy).

Han ger ett exempel från miljövetenskap.

”Krom finns både uteinaturen ochiindustriella produkter. I vissa kemiska former är ämnet livsviktigt och i andra former livsfarligt. Vid XAS-strållinjen kan vi analysera industriavfall och få reda på vilken typ av krom det handlar om, vilken koncentration det har och hur det bör renas?

Digerdöden under lupp. För att få tillgång till strållinjerna måste forskargrupperna bli godkända av en expertjur och publicera sina resultat. Tidigare publiceringar ger bättre chanser att få ny stråltid. Företag som vill hålla resultate hemliga kan köpa stråltid vid synkrotronen. Anläggningen i Melbourne används till största delen av universitetsforskare.

I september 2013 publicerade tidskriften Nature en artikel som beskrev hur protein kan kapsla in bakterier i DNA-strukturer och bli giftiga. Ett ökänt exempel är bakterien Yersinia pestis, som antas ha orsakat Digerdöden - pesten - som skördade miljontals dödsoffer under 1300-talet.

”En motsvarande dödlig bakterie med ABC-toxiner kan mycket väl uppstå i dag. Upptäckten kan också bidra till att utveckla bekämpningsmedel för jordbruk”, säger Santosh Panjikar, mikrobiolog och forskare på Australian Synchrotron.

Han var en av författarna till artikeln, tillsammans med ett forskarteam från Nya Zeeland.

Genombrottet krävde både djup expertis och bred kompetens. Och datorkraft.

”De hade hållit på med sitt projekt i ett par års tid och gjort experiment här flera gånger. När de höll på att ge upp bad jag att få titta på materialet. På några dagar hade jag knäckt nöten med hjälp av mjukvaran jag utvecklat?”

Plan mot resistenta bakterier. Ett viktigt genombrott för diabetesforskningen gjordes vid MX2-strållinjen (macromolecular chrystallography) förra året, när man lyckades få fram världens första 3D-bild av en insulinbindning.

Ett pågående projekt vid samma strållinje är ett experiment med proteiner som skickats nerfrysta i flytande kväve från ett forskarteam i Singapore. David Aragao, forskare på Australian Synchrotron, övervakar att roboten gör sitt jobb vid strållinjen.

”De följer med experimentet i Singapore via en direktlänk och får alla mätdata utan at behöva resa hit”, förklarar Aragao som har specialiserat sig på mem, branproteiner.

SNURRAR RUNT. Elektrone från ideninre acceleratorn injekteras i lagringsringen. Synkrokrotronstrålning tas ut vid strålrörens ändlägen.

Han ingår även i ett forskarteam som arbetar med att lösa problemet med multiresistenta bakterier, sega sjukhusbakterier, som uppstått i och med överanvändningen av antibiotika.

”Om hela världen kom överens om att använda endast en sort av antibiotika åt gången, och bytte ungefär vartannat år när den inte längre biter, då skulle vi undvika problem. Det verkar inte ske. Därför vi måste lära oss förstå varför bakterier blir resistenta. Vikommer inte att vinna genom att fortsätta utveckja nya antibiotikasorter”, konstaterar Aragao.

Lösningen kan ligga i mediciner som blockerar membranproteinerna så att de inte an pumpa in bakterier i cellerna.

”Inget är magiskt, allt är kemiskt. Det ser man bara man har tillräckligt bra utrustning. Här kan vi skilja en atom från en annan och förstå varför en process sker på ett visst sätt. Det gäller bara att ha tålamod och se på framstegen med fem eller tio års framförhållning”, säger David Aragao.

Low tech blir high tech, Det är inte bara högteknologiska tillämpningar som pågår i synkrotronljuset.

Även primärnäringarna i Australien och Nya Zeeland använder numera synkrotronen isin produktutveckling. Vid strållinjen SAXS (small angle X-ray scattering beamline) går forskare in på nanostrukturer i fårskinn för att ta upp kampen både med andra djurskinn och med syntetiska material som Gore-Tex.

”Läder är ett mycket komplext material som reagerar olika, beroende på förhållanden. Vi har även studerat livsmedel som ost, mjölk och kött för att kartlägga bland annat fett och muskelstrukturer”, berättar Nigel Kirby på SAXS.

Han ser en revansch för många traditionella material i framtiden.

”Många har sagt att stål kommer att försvinna ur industriellt bruk. Nu pågår forskning, bland annat på Monash University här bredvid, som tar fram otroliga egenskaper ur stål. Bilindustrin har allt mer ersatt stål med kompositer, men de nya stålmaterialen slår ut kompositer både i hållbarhet och lättvikt”, säger Nigel Kirby.

Direktsändning från kroppens celler. Vid världens bredaste synkrotronstråle håller en läkarmottagning på att byggas upp. Det handlar om strållinjen IMBL (imaging and medical beamline) som ska vara redo att ta emot sina första patienter 2015.

SYNKROTRO sm Synkrotronen är en typ av accelerator som slussar fram laddade kärnpartiklar i hastigheter nära ljusets. Protoner, elektroner eller joner färdas genom magnetfält som böjer deras bana. Då uppdagas det tidigare osedda och stora upptäckter kan ske.

sm Synkrotroner har många användningsområden: medicin (sjukdomsförlopp i inre organ), biologi (virus och proteiner), nanofysik, kemiska reaktioner, geofysik (simulering avjordens innandöme), materialforskning, mikroelektronik, energiteknik, meteorologi och arkeologi.

sm Synkrotronstrålning förekommer naturligt i rymden, i form av radiostrålning från radiogalaxer och supernovaexplosioner.

= Det finns ett fyrtiotal aktiva synkrotronanläggningar i världen, de flesta i USA och Japan. Den första byggdes av General Electric i USA 1946.

= Australian Synchrotron invigdes 2007 och räknas till tredje generationens synkrotron. = År 2016 ska MAX IV, den första synkrotronen i fjärde generationen. invigas i Lund.

Rummet utgör ännu en byggarbetsplats, men infrastrukturen och inredningen är planerad.

”Där är dörren för ambulanstransporter, där kommer en mottagningsdisk att placeras och här är strållinjen där patienten ska undersökas eller behandlas”, visar IMBL-chefen Chris Hall.

I Japan finns redan en läkarmottagning i ändan av en strållinje. Där behandlas flera olika sjukdomar med synkrotronljus. Möjligheterna att ge en riktig diagnos ökar rejält då kirurgerna får tillgång till extremt detaljerade 3D-bilder av patienternas inre organ. ”Patienter med skelettcancer är en grupp som kan bli aktuell här hos oss”, säger Chris Hall.. Han berättar att en konventionell operation är svår och tidskrävande, eftersom man måste ta ut en skelettbit och bestråla den för att sedan operera in den igen.

”Det tar omkring 72 timmar och kräver ett stort team av experter. Här kan samma sak göras effektivare?”

Han ser en avigsida hos synkrotronen som behandlingsform.

”Vimåste få hit patienten. Vikaninte flytta på den här utrustningen”

FORUM FÖR EKONOMI OCH TEKNIK NR 52014