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12.07.11 · 09:00 Uhr

Ein lebender Laser

Kategorie: Medizin·Naturwissenschaften

Ich liebe ja diese Momente, die man nur in der Wissenschaft erleben kann, wenn der Kopf kurz explodiert weil man realisiert: Das haben die echt gemacht?

Was haben die echt gemacht? Einen Laser gebaut, der in lebenden Zellen steckt. Sozusagen. Fangen wir von vorne an. Ich versuchs kurz zu machen. Das Prinzip des Lasers könnt ihr nämlich hier nachlesen. Ok.

Grün. Fluroesziert.

Es gibt jede Menge lasende Materialien. Und ein mögliches Molekül, das lasen könnte, ist das Grüne Fluoreszierende Protein (GFP), das in der Biologie und Medizin fleißig eingesetzt wird, da es ein Protein ist, das fluoresziert. Grün. Und darin ziemlich gut ist. Isoliert wurde es erstmalig 1960 aus der Quallenart A. victoria.

Aber eben noch mehr als das: Es eignet sich auch als Lasermaterial mit einem Quasi-Vier-Zustandssystem in der Schwingungsenergie des Proteins:

Das "Quasi" stammt daher, dass es sich nicht um vier diskrete Energieniveaus handelt, sondern sich oben und unten in der Energieskala ein kontinuierliches Band mit sehr vielen möglichen Zuständen befindet. Wird jedoch ein Elektron aus dem unteren Band in das obere gehoben, verliert es sehr schnell Energie bis es den untersten Zustand des oberen Bandes einnimmt. Ähnliches geschieht nach dem Fall auf das untere Band. Da jedoch der Fall im Mittel mit einigen Nanosekunden Verzögerung erfolgt, kann durch gepulstes Anregen der obere Zustand stärker besetzt werden als der untere, also die Inversionsbedingung für das Lasen eingerichtet werden.

Vortest

Um das prinzipielle Funktionieren zu belegen, haben die Forscher Malte Gather und Seok Hyun Yuk, die ihre Ergebnisse im Juni in Nature Photonics publizierten, zunächst eine Lösung mit jede Menge dieser Proteine (genauer: einer mutierten Variante namens eGFP), in einen kleinen Resonator gesteckt.
Wir erinnern uns: Das lasende Material steckt in einer Spiegelkammer, um zu ermöglichen dass einzelne Photonen der Laserfrequenz kaskadenartig weitere Photonen mitreißen können und einen konzentrierten Photonenpuls, den Laserpuls, erzeugen.

Der Test ist erfolgreich. Wenn man das Lasermaterial passend anregt, erzeugt es brilliantes Laserlicht, das die bislang genutzte Leistung durch Fluoreszenz deutlich überstrahlt. Man kann also schlichtweg die Proteine dazu bringen, deutlich stärker zu leuchten. Das macht die ganze Kiste so interessant - denn wenn man jetzt schon dieses Protein zur Markierung einsetzt, wie sehr besser wird die Methode, wenn die Lichtleistung verzehnfacht wird. Darüber hinaus weist das erzeugte Laserlicht eine erfreuliche Eigenschaft auf, die sich im folgenden in vitro-Test erweist: Es ist elliptisch geformt, und die Form hängt von den Geschehnissen um das Protein ab, sprich man kann aus der Form Rückschlüsse darauf ziehen, was in der Zelle vor sich geht.
Der Zelle? Der Zelle!

In die Zelle

Nach dem erfolgreichen Test wurden menschliche Nierenzellen modifiziert, sodass sie eben dieses Protein erzeugen. Diese (lebenden) Zellen wurden dann ebenfalls in einen Resonator gesperrt und das von der Zelle erzeugte eGFP erfolgreich zum Lasern angeregt.
Ein weiterer Vorteil des Lasers aus der Zelle wäre das sehr enge Wellenlängenspektrum, das eventuell ermöglichen kann, verschiedene Regionen oder Vorgänge verschieden zu markieren und an leicht anderen Wellenlänge zu detektieren. Was die Forscher auch zeigen können, ist dass die Streuung und Absorption innerhalb der Zelle durch die stimulierte Emisson des Lasers kompensiert werden kann.

Zur Anwendung fehlt noch eines: Den Resonator in die Zelle bringen, denn schließlich hat man bislang nur das Lasermedium in der Zelle erzeugt und die Zellsuppe dann in einen Resonator gepackt. Aber die Plasmonik und Forschung an Nanolasern lässt da Lösungswege vermuten.
Neben neuen bildgebenden Verfahren in Biologie und Medizin lässt sich auch an therapeutische Maßnahmen denken, etwa um photochemisch aktivierbare Substanz zu schalten.

Gather, M., & Yun, S. (2011). Single-cell biological lasers Nature Photonics, 5 (7), 406-410 DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.99

 

Autor: Jörg· 0 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

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