Wer dreidimensionale Bilder von Nanoteilchen oder einzelnen großen Makromolekülen – Viren oder Zellen – aufnehmen möchte, muss die Proben derzeit zunächst aufwändig kristallisieren, um sie auf die herkömmliche Röntgenstrukturanalyse vorzubereiten. Noch dazu sind bildgebende Verfahren oft dadurch begrenzt, dass die Strahlung, mit der das Bild erzeugt wird, die zu untersuchende Probe zerstört. Das bedeutet insbesondere für die Lebenswissenschaften eine harte Einschränkung.

Bleibt nur ein Weg übrig, das Problem zu umschiffen, dachte sich eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Henry Chapman vom Lawrence Livermore National Laboratory und Janos Hajdu von der Universität Uppsala: "Wir müssen das Bild schneller aufnehmen, als die Probe von der Strahlung zerstört werden kann." Darüber hinaus hätte dieser Ansatz den Vorteil, dass man auf die Kristallisation verzichten könnte. Für die Aufnahme eines Beugungsbilds im "single-shot"-Verfahren würde dann nur ein einziger Molekülkomplex benötigt, der mit einem einzigen ultrakurzen, extrem intensiven Röntgenlaserpuls bestrahlt wird, um ein Beugungsbild zu erzeugen. Aus vielen solcher Beugungsbilder würde man dann die räumliche Anordnung der Atome ermitteln.

Theoretische Studien hatten vorhergesagt, dass es tatsächlich möglich sein sollte, ein solches Beugungsbild von nichtkristallinen Objekten zu erhalten. "Es gab jedoch zwei große Fragezeichen", erläutert Hajdu. "Kann ein einzelner Blitz aus einem Freie-Elektronen-Laser ein aussagefähiges Bild erzeugen, bevor die Röntgenstrahlung die Probe in ein Plasma verwandelt? Und enthält dieses Beugungsmuster wirklich strukturelle Informationen über das Objekt, bevor es zerstört wird?"

Nach ihrem Experiment können Chapman, Hajdu und ihr Team nun beide Fragen mit "Ja" beantworten. Geholfen hat ihnen dabei der 2004 in Betrieb genommene Freie-Elektronen-Laser Flash am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy in Hamburg. Die 260 Meter lange Anlage ist derzeit weltweit der einzige Laser, der die dafür nötigen extrem kurzen und intensiven, kohärente Lichtblitze im weichen Röntgenbereich bietet.

Die Forscher hatten einen sehr intensiven Lichtblitz von 32 Nanometern Wellenlänge und nur 25 Femtosekunden Dauer auf eine Testprobe geschickt – eine dünne Membran, in die ein drei Mikrometer breites Muster geritzt worden war. Die Energie des Laserpulses heizte die Probe auf etwa 60 000 Grad Celsius auf, sodass sie verdampfte. Den Wissenschaftlern gelang es jedoch, ein aussagekräftiges Beugungsmuster aufzunehmen, bevor die Probe zerstört wurde. Das mit speziellen Rechenmethoden aus dem Beugungsmuster ermittelte Bild zeigte keine Strahlenschäden, das zweidimensionale Testobjekt konnte bis zur maximal möglichen Auflösung des Detektors rekonstruiert werden. Schäden an der Probe traten also erst auf, nachdem der ultrakurze Laserpuls sie durchquert hatte.

"Das experimentelle Prinzip, das an Desys Flash erstmals nachgewiesen wurde, verspricht eine Revolution der Strukturforschung in den Naturwissenschaften, einschließlich der Lebenswissenschaften, und zwar immer dort wo Bilder mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung benötigt werden", erklärt Jochen Schneider, Desy-Forschungsdirektor und Mitautor der Veröffentlichung. Und da das neue "single-shot"-Abbildungsverfahren ohne Linsen auskommt, könnte die Methode, so hoffen die Forscher, bis zu atomarer Auflösung weiter entwickelt werden, sobald harte Röntgenlaser mit noch kürzerer Wellenlänge zur Verfügung stehen. Das allerdings wird noch ein paar Jährchen dauern: Ab 2009 sollen die Linac Coherent Light Source LCLS in Stanford und erst 2013 der europäische Röntgenlaser XFEL in Hamburg in Betrieb gehen.