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Grünes Licht : Ein Laser, der lebt

  • -Aktualisiert am

Eine einzelne Nierenzellen in einem optischen Resonator emittiert grüne Laserpulse. Bild: Foto Malte Gather

Das leuchtende Wunder aus dem Labor: Eine lebende Zelle emittiert grünes Laserlicht, wenn sie entsprechend angeregt wird. Das Geheimnis sind grün leuchtende Proteine, die von dem Organismus in großer Zahl produziert werden.

          Wer einen Laser bauen will, benötigt mindestens drei Elemente: einen Resonator, eine externe Licht- oder Stromquelle und ein lichtverstärkendes Medium. Setzt man alle Bauteile richtig zusammen, kann man einen Effekt hervorrufen, den man als stimulierte Emission bezeichnet. Es entsteht ein gerichteter kohärenter Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge. Je nach Wellenlänge, die der Laserstrahl haben soll, verwendet man ein Gas, einen Farbstoff oder einen Kristall als Verstärkermedium. Dass man den Lasereffekt auch mit lebenden Zellen hervorrufen kann, haben jetzt zwei Physiker vom Wellman Center for Photomedicine des Massachusetts General Hospital in Boston demonstriert. Malte Gather und Seok Hyun Yun ist es gelungen, Nierenzellen gentechnisch so zu verändern, dass sie grüne Laserstrahlung aussenden, wenn man sie mit blauen Lichtpulsen angeregt.

          Grün leuchtende Proteine

          Der "Biolaser" beruht auf einer Entdeckung aus den sechziger Jahren. Damals wurde aus der Qualle Aequorea victoria ein Protein isoliert, das grün leuchtet, wenn man es blauem oder ultraviolettem Licht aussetzt. Dieses grün fluoreszierende Protein (GFP) hat als Gen-Marker in der Biologie und der Medizin große Bedeutung erlangt. Mittlerweile lässt sich fast jedes Lebewesen dazu bringen, fluoreszierende Eiweiß-Moleküle zu produzieren. Dazu muss man das Gen für das Leuchtprotein an der richtigen Stelle in das Erbgut einer Zelle einschleusen.

          Die Forscher aus Boston verwendeten für ihre Zwecke eine Variante des fluoreszierenden Proteins, das enhanced GFP (eGFP), das blaues Licht viel effizienter absorbiert, eine wichtige Voraussetzung, um das GFP als lichtverstärkendes Medium für einen Laser nutzen zu können. In mehreren Versuchsreihen testeten Malte Gather und Seok Hyun Yun, in welcher Konzentration das eGFP-Protein vorliegen muss, damit es sich als lichtverstärkendes Lasermedium eignet. Dazu setzten sie wässrige Lösungen mit unterschiedlichen Konzentration von eGFP an, brachten sie zwischen zwei Resonatorspiegel und bestrahlten die Lösungen dann mit blauem Laserlicht. Die Lösungen mit entsprechend hoher eGFP-Konzentration sendeten intensive grüne Lichtpulse ab, deren Wellenlänge nur einen schmalen Bereich umfasste.

          Nierenzelle wird zur Lichtquelle

          Damit war klar, dass sich die Proteine grundsätzlich als Lichtverstärker eigneten. Gather und Yun züchteten nun genetisch veränderte Zelllinien menschlicher embryonaler Nierenzellen in großer Zahl. Deren Erbgut enthielt einen zusätzlichen DNA-Abschnitt, der dafür sorgte, dass die Zellen eGFP-Proteine in ausreichender Menge produzierten. Die Zellen, die einen Durchmesser von etwa fünfzehn Mikrometern hatten, brachte man zwischen zwei Resonatorspiegel mit einem Abstand von zwanzig Mikrometern. Es passte immer nur eine Zelle zwischen die beiden Spiegel. Die Wissenschaftler bestrahlten den Resonator dann mit blauen Lichtpulsen und erhöhten kontinuierlich deren Energie. Von einer Schwellenenergie an, begann der Resonator grüne kohärente Lichtpulse in einer Richtung zu emittieren. Die Laserstrahlung ging offenkundig von den Nierenzellen aus. Diese sandten mehrere hundert Laserpulse aus, ohne dass sie durch die intensiven Anregungspulse zerstört wurden. Da die lebenden Nierenzellen ständig neue eGFP-Moleküle produzierten, wurden zerstörte Moleküle sofort ersetzt, so dass die Wellenlänge und Intensität der Laserstrahlung über eine gewisse Zeit konstant blieb.

          Was fangen wir damit an?

          Das Leuchtprotein eGFP ist nicht giftig und lässt sich prinzipiell in fast jedem Zelltyp herstellen, Deshalb sind viele diagnostische und therapeutische Anwendungen denkbar. Mit dem Verfahren könnte man beispielsweise Laserstrahlung auch in tieferen Gewebeschichten erzeugen und diese durchleuchten. Dadurch ließe sich das Dilemma beheben, dass man mit einem Laserstrahl bei der Untersuchung biologischer Proben mit Hilfe fluoreszierender Proteine nur bis zu einer bestimmten Tiefe in das Gewebe eindringen kann. Laserstrahlung, die das umgebende Gewebe erzeugt, könnte Wirkstoffe, die auf Licht ansprechen, an Ort und Stelle aktivieren. Außerdem trägt das ausgesandte Laserlicht Informationen über den inneren Aufbau der Zellen mit sich, die sich für die Diagnostik nutzen ließen.

          Die Forscher denken auch über Anwendungen in der Bioelektronik nach. "Eines unserer langfristigen Ziele ist die Verbindung von optischer Kommunikation und Computertechnik mit Biotechnologie. Das könnte besonders für Projekte interessant sein, bei denen biologische Organismen mit elektronischen Bauteilen gekoppelt werden müssen", erläutert Malte Gather. Derzeit arbeiten die Forscher daran, Nanostrukturen in die Zellen zu integrieren, die die Funktion von Resonatoren übernehmen.

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