De informatisering van kristallografie

Jan Kraak / [email protected]
De informatisering
van kristallografie
Kristallografie loopt als een rode draad door de geschiedenis van
het Donald Smits Centrum voor Informatie Technologie (CIT),
voorheen Rekencentrum (RC)1.
E
nkele medewerkers, zoals de eerste
door de belangen van het Akademisch onder-
directeur van het Rekencentrum, Donald
wijs, maar hij hield ook die van zijne ‘onbestu-
W. Smits, hielden zich er mee bezig en veel che-
deerde en jeugdige stadgenooten’ op het oog’,
misch kristallografen, waaronder de nu interna-
zoals staat te lezen in een universitair gedenk-
tionaal vermaarde Wim Hol, maakten vroeger
boek uit 1864 2.
gebruik van centrale faciliteiten op het RC. De
Van alle kanten kwamen de mineralen. Een
laatste was Auke Meetsma, zijn werk illustreert
Duitse amanuensis zorgde voor een collectie uit
goed de voortschrijdende informatisering van
Hanau en zelfs koning Willem I schonk een ver-
kristallografie.
zameling van ‘in hout bewerkte kristalvormen
en diamantkristallen’.
Overal kristallen
Kristallen zijn overal. In een pak suiker, maar ook
De collectie kwam in 1901 terecht in het
in computer chips. In feite zijn chips silicium
museum van het pas gebouwde Mineralogisch-
kristallen die via een etstechniek zijn omge-
Geologisch Instituut, een neogotisch gebouw
ring van de RUG. Dit werk valt
vormd tot snelle processors of geheugenchips,
aan de Melkweg in Groningen. Het gebouw
onder de auspiciën van de
zoals voorkomen in usb-sticks en flashdrives.
bestaat nog en is tegenwoordig bekend als Het
1 Onlangs
is
wetenschap-
historicus Ton van Helvoort
een historische studie begonnen naar de informatise-
Commissie Geschiedschrij-
Aan de huidige chips liggen grote wetenschap-
Kasteel. Van 1924 tot 1957 doceerde P. Terpstra
eveneens onder het toeziend
pelijke en technologische ontwikkelingen ten
hier Kristallografie. Na de Tweede Wereldoorlog
oog van genoemde Com-
grondslag. Kristallografie vormt de basis. Hoofd-
kregen chemici zoals E.H. Wiebenga belangstel-
missie, een geschiedenis van
doel daarvan is de bepaling van de structuur van
ling voor structuurbepalingen 3. Bij Natuur-
de Tweede Wereldoorlog, zie
kristallen met hun regelmatige rangschikking
kunde werd Kristallografie weldra omgevormd
noot 3.
van atomen in een driedimensionaal rooster.
tot Vaste Stof Fysica.
ving RUG. Eerder schreef hij,
de Groningse Scheikunde na
2 W.J.A. Jonckbloet, Gedenkboek der Hoogeschool te
Groningen, 1864
De atomen van een kristal verstrooien rönt-
Mine ral og isc h- Geo-
genstraling naar alle richtingen, men spreekt
Student op Melkweg 1
logisch I n s t i t u u t ,
van ‘röntgendiffractie’. Door interferentie wordt
De mineralogische collectie bevond zich nog
Me lk w e g 1 b eg in 20 e
e e uw.
de straling in bepaalde richtingen versterkt
steeds aan de Melkweg toen ik daar eind jaren
van de universitaire weten-
en in andere richtingen verzwakt. Het aldus
zestig als student Natuurkunde mijn afstudeer-
schapsbeoefening, Een halve
ontstane verstrooiingspatroon hangt af van de
werk deed. Tijdens een verkenningstocht kwam
ruimtelijke posities van de atomen. Hieruit kan
ik boven in het gebouw in een grote zaal terecht
men door middel van ingewikkelde berekenin-
met vitrinekasten vol kristallen en mineralen.
gen de ruimtelijke posities van de atomen van
Het was er een grote chaos. Veel kasten waren
een kristal en daarmee de structuur bepalen.
half opgetrokken en de mineralen met Duitse
Daarbij speelt de computer een belangrijke rol.
opschriften lagen kriskas door elkaar. Sommige
3 T. van Helvoort, De chemie
eeuw scheikunde in Groningen, 1945-1995, Hilversum,
2008.
kristallen begonnen te vergruizen.
Begin studie kristallen
In de kelder maakte ik kennis met kernspin-
Al ongeveer twee eeuwen worden er kristallen
resonantie (NMR) in de groep van Wim van der
aan deze universiteit bestudeerd. In 1815 begon
Lugt. Verder volgde ik het college kristallografie
Th. van Swinderen, die onder meer mineralogie
bij W.G. Perdok. Het was een plezierige tijd,
en geologie doceerde, met het verzamelen van
maar het theoretische werk onder leiding van
mineralen. ‘Hij werd daarbij niet alleen geleid
theoretisch natuurkundige W.J. Caspers lag me
12 Pictogram 1/jaargang 2009 maart
het beste. Ik raakte geboeid door de symmetrie
tijd werd dat de Groninger universiteit zelf
van kristallen en groepentheorie, waarmee je
de beschikking kreeg over een elektronische
heel beknopt uitspraken kunt doen over fysische
rekenmachine. Smits maakte een zeer gedegen
eigenschappen in relatie tot symmetrie. 4
studie van in aanmerking komende computers
en bereidde de aanvraag voor, die in 1959 leidde
Donald W. Smits begon als
kristallograaf
tot de eerste elektronische rekenmachine bij de
Op een avond om een uur of zeven aan het einde
Automaat’). 9
RUG, de ZEBRA (‘Zeer Eenvoudige Binaire Reken
van 1969 had ik een sollicitatiegesprek met
dr. D.W. Smits op zijn smalle werkkamer in het
Wim Hol bepaalt eiwitstructuren
Rekencentrum aan de Grote Appelstraat. Hij was
In het Rekencentrum in de Grote Appelstraat
juist bezig zijn boterhammen van thuis te nut-
bevond zich vanaf het einde van de jaren zestig
tigen. Later begreep ik dat Smits dan pas hal-
een tekenapparaat, plotter genoemd, waarmee
verwege zijn werkdag was en nog tot diep in de
via een inktpen op een rol papier kon worden
nacht door zou werken. Behalve directeur was
getekend. Dit was jarenlang de enige plotter van
10
de hele universiteit!
door onder meer Flip Visser.
grafieken mee worden getekend die waren geprogrammeerd met het grafiekenpakket KOMIn 1970 was fysisch chemicus Wim Hol uit
len, zoals ALGOL 60. Dat sprak me aan. Verder
de groep van Jan Drenth één van de grootste
D o na l d W. S m i t t i j -
vroeg hij of ik van puzzelen hield. Daar hield ik
plottergebruikers. Hij liet contourlijnen tekenen
de n s z i j n af s c h ei d s -
niet van. Desondanks kon ik begin 1970 komen
vanuit röntgendiffractiepatronen berekende
r e de i n 1 9 8 4 .
werken op het Rekencentrum; een aanbod om
elektronenverdelingen van grote eiwitmolecu-
door te gaan in de Theoretische Natuurkunde
len. Hiermee werd op een ingenieuze manier de
sloeg ik later af. Al snel vernam ik dat Smits veel
eiwitstructuur bepaald.
Union of Crystallography.
5
dige doorsnijdingen van het molecuul werden
Pas veel later kwam ik meer te weten over het
pexplaten, die op elkaar werden gestapeld. Ver-
begin van Smits’ carrière en over hoe hij via kris-
volgens werden de contourlijnen via een spiegel
tallografie betrokken raakte bij computers. 6 7
in de vrije ruimte ernaast geprojecteerd. Daarin
Na zijn studie Scheikunde aan de Universiteit
werd dan met eindeloos geduld via staafjes en
op het RC, contractwerk
van Amsterdam kwam Smits in 1947 naar
bolletjes, die met schroefjes aan elkaar konden
uitgevoerd voor de Union.
Groningen, waar hij in 1952 promoveerde bij
worden vastgezet, een model van het molecuul
Wiebenga op een proefschrift getiteld: ‘De kris-
gebouwd. Met de atomen op plaatsen met een
memoriam dr. D.W. Smits
talstructuur van het zoutzure zout van glycyl-l-
hoge elektronendichtheid. Hiervoor was een
www.rug.nl/cit/
tyrosine’. Tijdens een postdoc-periode in de VS
grote handigheid nodig, maar ook lange armen
maakte hij kennis met de automatisering van
om bij de verst verwijderde atomen te kunnen
structuurbepalingen, zoals de X-RAC, an electric
komen.
N.Q.R. spectra, 1969.
5 In de jaren ’70 heeft iemand, die gehuisvest was
6 L. Th. Van der Weele, In
(DWS),
organisatie/overhetcit/
geschiedenis/smits
7 T. van Helvoort, The early
development of a university
computing centre (1955-
9 Zie ook de geschiedenis van
het RC op www.rug.nl/cit/
organisatie/overhetcit/
geschiedenis.
10Toen het papier van de
plotter op was, kocht een
ongeduldige gebruiker bij
een bakker een rol papier
waar vroeger het brood in
werd verpakt, zaagde daar
een deel van af om de rol
passend te maken, en kreeg
vervolgens de operateur
zo ver dat hij het nieuwe
papier monteerde, met als
gevolg dat de plotter in het
De contourlijnen in een groot aantal evenwijdaartoe overgetrokken op doorzichtige pers-
4 J. Kraak, Ontaardingen bij
voor datatransport.
PLOT, waar ik toen net mee was begonnen. 11
toen pas ontwikkelde hogere programmeerta-
werk deed als secretaris van de International
ken was de fiets belangrijk
Spoedig zouden daar veel
hij ook systeemprogrammeur, daarbij geholpen
Smits spiegelde me de elegantie voor van de
8 Voor de komst van netwer-
ongerede raakte.
11Website Jan Kraak
www.rug.nl/cit/hpcv/
people/kraak/index.
computer to analyze architecture of atomic
structure, van Ray Pepinsky. Verder leerde hij
Wim Hol vertelde me toen (ironisch?) dat hij
ponskaarten gebruiken op een tabelleermachi-
er het beste in was, omdat hij de allerlangste
nected disciplines, Three
ne voor een onderdeel van de structuurbepaling.
armen had. In het gebouw van Natuur- en Schei-
Societies
‘Con-
Terug in Groningen paste hij deze techniek toe
kunde van de RUG staat een aldus gemaakt bol-
Eiwitstr u c t u u r b i j
necting Disciplines’, Oxford
op de tabelleermachine van Niemeyers tabaks-
letjes-en-staafjes-model. Tijdens het schrijven
N atuur- en S c hei-
fabriek, daarbij geholpen door Harm Schurer die
van dit artikel besefte ik dat de bepaling van de
k unde .
heen en weer fietste 8 met stapels ponskaarten.
dubbele helixstructuur van DNA door Crick en
1975): Cementing disconMeeting
(UK), 4-6 July 2008
Samen met de hoogleraren Wiebenga en
Gerretsen stelde Smits de vraag of het niet
Watson in 1953 ongeveer op dezelfde manier in
zijn werk moet zijn gegaan.
Pictogram 1/jaargang 2009 maart 13
>>
>>
vervolg van pagina 13 Kristallografie
Grafisch werkstation
Hij was zeer productief: van de 285 publica-
Omdat Drenth en Hol succes hadden, kregen
ties van de werkgroep Organometaal Chemie
zij geld voor de aanschaf van een geavanceerd
sinds 1985 was hij 116 keer medeauteur. In
grafisch werkstation van de firma Evans &
zijn begintijd deed hij twee maanden over een
Sutherland (E&S). Dat kwam aanvankelijk te
structuurbepaling en aan het einde was hij
staan in het inmiddels naar het Zernikecomplex
binnen een dag klaar. Dat kwam vooral door de
(Paddepoel) verhuisde Rekencentrum. Smits had
verbetering van technische hulpmiddelen.
graag gewild dat het werkstation ook door anderen was gebruikt, maar daar waren de tijden
Bij zijn afscheid waren vijf sprekers waaronder
toen nog lang niet rijp voor.
Ton Spek, hoogleraar Chemische en Computi-
In plaats van het geknutsel met mechanische
onele Kristallografie in Utrecht. Bij Spek leerde
E &S g r a f i s c h w erk -
staafjes en bolletjes konden Hol en zijn collega’s
Meetsma het vak. Spek toonde een plaatje van
s t a ti o n , 1 9 9 0 .
nu langs interactieve grafische weg de structuur
de SMART X2S - een realisatie van Ray Pepins-
van moleculen bepalen. Voor het scherm bevond
ky’s droom? Na het monteren van het kristal
zich een stereokijker om de op het scherm
en het intoetsen van de chemische formule
geprojecteerde contourlijnen driedimensionaal
verschijnt na enige tijd een plaatje van de kris-
Auke Me e t s m a b i j
te bekijken.
talstructuur op het scherm. Ton Spek stelde zich
zijn afs c heid , met een
de (retorische) vraag of de kristallografie klaar
verzame l i n g h i s t o r i s c h e
in Seattle, waar hij met een deel van zijn staf
is. Omdat er veel fout kan gaan, is dat nog niet
informatied r a g er s.
naar toe trok. Later hoorde ik hem in een lezing
het geval. 15
In 1992 kreeg Wim Hol meer mogelijkheden
boeiend en geëmotioneerd spreken over wat
hem bewoog: het vinden van medicijnen voor
Voortschrijdende informatisering
tropische ziekten. 12 Het door Hol begonnen
Auke Meetsma draaide aanvankelijk zijn
werk wordt thans voortgezet door de groep van
programma’s op het centrale mainframe, de
Bauke Dijkstra.
13
Daarin is hun leermeester Jan
Drenth nog steeds actief.
CYBER. Hij gebruikte door mij ontwikkelde
plotprogrammatuur om op de centrale plotter
te tekenen. Van tijd tot tijd liet hij program-
Reality Center
mateksten afdrukken op de regeldrukker. In de
Fysicus Frans van Hoesel raakte in de jaren
begintijd fietsten veel gebruikers op weg van
negentig betrokken bij structuurbepalingen en
huis naar hun laboratorium en ook weer op de
De SMAR T X 2S v oor
de visualisatie van moleculen. Daarover kan men
terugweg langs het RC, om uitvoer op te halen.
automat isc he kr ist a l -
lezen op zijn persoonlijke website 14, die vrolijk
Auke Meetsma was één van de laatsten met die
s tructuur b ep a l in g .
begint met de woorden ‘Hi, my name is frans.
routine, in juli 2000 haalde hij zijn allerlaatste
I'm your crazy scientist for today’. Thans is Frans
pak papier op.
hoofd van het Centrum voor High Performance
Moleculen in het
de steeds verdere informatisering van kristal-
CIT, waar virtual reality-technieken toegepast
lografie. De laatste jaren deed hij alles met een
kunnen worden om inzicht in de structuur van
krachtige LINUX PC. De opeenvolgende soorten
moleculen te krijgen.
informatiedragers voor zijn grote hoeveelheden
data, zoals ponskaarten en een magneetband,
Reality Center van
he t CIT.
Tijdens zijn slotwoord illustreerde Auke mooi
Computing en Visualisatie (HPC/V) van het
Afscheid Auke Meetsma
had hij naast zich uitgestald. Daarbij was het
Op 28 november 2008 nam kristallograaf
eerder genoemde pak papier. Tot slot overhan-
Auke Meetsma na ruim veertig jaar afscheid
digde hij een beveiligde usb-stick van 8GB aan
van de universiteit. Vanaf 1984 bepaalde hij
zijn leidinggevende, met daarop al zijn data en
structuren via één kristalröntgendiffractie, met
programma’s. <
een andere aanpak dan de structuurbepaling
van eiwitten. Terwijl daarbij het accent lag op
grafische interactie, begon Meetsma met grote
FORTRAN-batchprogramma’s, zoals PLUTO. Met
vindingrijke scripts voor allerlei taken probeerde hij de interactie met een programma te
minimaliseren.
12Een interview met Wim Hol
13Protein
Crystallography
in Elsevier uit 2006 met als
Group,
www.xray.chem.
titel Eiwitten zijn zo slim
rug.nl/Home_p.htm
is verhelderend, zie www.
elsevier.nl/web/Artikel/
Scheikunde-Eiwitten-zijn-
en Toekomst,
www.cryst.chem.uu.nl/
ppp/groningen.ppt
14Website Frans van Hoesel
http://hpcv100.rc.rug.nl/
z-slim.htm
15T. Spek, Chemische Kristal-
14 Pictogram 1/jaargang 2009 maart
lografie - Verleden, Heden