Ob Dachdecker, Klempner oder Uhrenmacher: Jeder Handwerker ist nur so gut wie sein Werkzeug. In der Forschung ist das nicht anders. Viele wissenschaftliche Erkenntnisse beruhen auf der Entwicklung entsprechender Instrumente. Ob Galileo Galilei, der 1610 mit einem Fernrohr ins All blickte, oder Robert Hooke, der mit seinem selbstgebauten Mikroskop kleinste Strukturen untersuchte und den Begriff „Zelle“ prägte. Seitdem sind die Werkzeuge, mit denen Wissenschaftler die Welt untersuchen, immer präziser und sensibler geworden.
Eine jüngere Entwicklung aus dem Forscher-Werkzeugkasten ist die optische Pinzette: Sie verwendet Laser, um kleinste Partikel zu fangen und zu bewegen. Das klingt nach einem Spielzeug und ist amüsant anzuschauen, erleichtert den Forschern aber die Arbeit. Wie eine echte Pinzette ist auch die optische Pinzette bestens geeignet für die ganz kleinen Details.
Noch verwenden Wissenschaftler die Laserzange vor allem in der Grundlagenforschung. Vor 25 Jahren gelang die erste Anwendung. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, die Eigenschaften einzelner Zellen zu untersuchen. Indische Forscher vergleichen etwa rote Blutkörperchen von gesunden Menschen mit jenen von Malaria-Patienten.
Die Grundbausteine des Lebens untersuchen
Sie fangen dafür einzelne Blutzellen mit der Pinzette ein und analysieren deren Struktur – am lebenden Beispiel. Mittels ihrer Forschung wollen sie untersuchen, wie der Malaria-Erreger Zellen verändert und was die Medizin dagegen tun kann. Mittlerweile ist bekannt, dass die Blutkörperchen von Menschen mit Malaria anders fließen und weniger auf Sauerstoff ansprechen. Dabei dienen die roten Blutkörperchen vor allem dem Gastransport.
Mit der optischen Pinzette können die Wissenschaftler die Kräfte messen, die in den Grundbausteinen des Lebens wirken. So ist es etwa möglich, die Transportvorgänge in der Zelle zu untersuchen. Hier tummeln sich Moleküle, die Stoffe von A nach B liefern, und dadurch die Infrastruktur der Zelle aufrechterhalten. Eine Fehlfunktion kann hier verschiedene Krankheiten wie Nierenleiden, chronische Atemwegsinfektionen oder neuronale Leiden auslösen.
Mit dem Laserstrahl lässt sich die Ladung des zellulären Lieferservices festhalten. Die Forscher messen dann die Kraft, mit der die Transportmoleküle versuchen, sich loszureißen. Die Experimente geben Aufschluss über grundlegende Zellmechanismen.
Ein Pantoffeltierchen würde nur einen kleinen Ruck spüren
Die Kräfteverhältnisse, die optische Pinzetten detektieren, liegen im Piconewton-Bereich. Ein Newton entspricht der Kraft, die man aufwenden muss, um eine Tafel Schokolade in der Hand zu halten. Ein Piconewton ist ein Billionstel dieser Kraft – alles, was darüber liegt, ist zu schwer für die Lasertechnik. „Ein Pantoffeltierchen würde vielleicht einen kleinen Ruck spüren, könnte aber durch den Laserstrahl hindurchschwimmen“, sagt Andy Sischka, ein Physiker von der Universität Bielefeld.
Dass Licht etwas einfangen oder ziehen kann, klingt skurril. Ermöglicht wird dieses durch einen Laserstrahl, der mit einer Mikroskoplinse fokussiert wird. Die Kraft wirkt zwar auch auf das Objekt, etwa ein Blutplättchen oder Bakterium, in der Summe aller Kräfte wird das Teilchen aber immer zur Stelle der höchsten Intensität, in den Strahlmittelpunkt, gezogen. Optische Pinzetten werden deshalb auch optische Fallen genannt: Einmal gefangen, kann ein Partikel nicht mehr so leicht entfliehen.
Es sei denn, die Intensität des Laserstrahls verringert sich. Der Partikel kann dann durch die Wärmebewegung in der Flüssigkeit irgendwann den Strahlenfokus verlassen und aus der Falle herausbrechen. Mit zunehmender Intensität wird das Teilchen immer fester gehalten.
Erbgut-Stränge in die Länge ziehen
„Wenn ein zweites dagegen stößt, macht das keinen Unterschied. Das gefangene Teilchen bleibt, wo es ist“, sagt Sischka. Wenn die Intensität des Laserstrahls hingegen zu groß wird, können die Teilchen sich aufheizen und schlimmstenfalls explodieren.
„Das kann aber auch gewollt sein“, sagt der Physiker Clemens Bechinger von der Universität Stuttgart. Etwa wenn ein Forscher aus einer Petrischale mit vielen Zellen bestimmte Exemplare selektieren will. Dann kann er die unerwünschten Zellen mit dem Laser anpeilen und die Intensität so hoch drehen, dass die Zellen überhitzen bis sie platzen.
Mit den optischen Pinzetten können Wissenschaftler auch Erbgut-Stränge in die Länge ziehen, um deren Spannkraft zu erforschen. Diese verändert sich, sobald die DNS von Enzymen bearbeitet wird. Die Messungen geben Aufschluss darüber, wie Enzyme mit der DNS interagieren, um Gene zu aktivieren oder zu inaktivieren. Informationen über die Genaktivität helfen Wissenschaftlern und Medizinern herauszufinden, welche Gene in welchem Krankheitsbild eine Rolle spielen.
Selbst Krankheitserreger können Forscher mit der Pinzette schnappen und messen, welche Kräfte etwa die molekularen Motoren von Bakterien aufwenden können, um zu fliehen. Die Mikroben bewegen sich mit kleinen Propellern, Flagellen genannt, im Körper fort.
Mit optischen Lasern Mikroorganismen erforschen
In der Erforschung von Bakterien, Viren und Keimen sind die Laserzangen bereits in Ansätzen im Einsatz. Mit ihnen messen Immunologen, wie stark die Bindung zwischen einem Antikörper und einem Antigen ist. Das ist wichtig für die Entwicklung von Impfstoffen. Denn wenn eine solche Bindung zu schwach ist, werden die im Impfstoff enthaltenen Antigene einfach davongespült, statt sich an die im Blut vorhandenen Antikörper zu binden.
„Zukunftsmusik ist noch, dass man optische Pinzetten nutzt, um Zellen mit einem Laser festzuhalten und mit einem weiteren aufzuschneiden“, sagt Bechinger. Damit ließe sich der große Vorteil der Pinzette ausnutzen: Ein mechanischer Apparat wäre damit überflüssig.
„Es ist ein riesiger Aufwand, 10.000 Zellen einzeln mit einer Pipette anzustechen und jedes Mal die Pipetten zu wechseln“, sagt Bechinger, „aber aus einem Laserstrahl 10.000 zu machen, die noch dazu schneiden können – das ist kein Problem.“ Dafür bräuchte es lediglich ein entsprechendes Beugungsgitter, das den Strahl aufteile.
Grenzen kennt die optische Pinzette aber doch. Denn beliebig klein dürfen die zu fangenden Partikel nicht sein, „weil die Fokusbreite des Lasers nicht unendlich klein ist“, erklärt Bechinger.
Aber Sischka entgegnet: „Das perfekte Werkzeug gibt es nicht. Man kann immer etwas verbessern.“
