Licht als Werkzeug: Präsentation auf der Science Street in Leipzig

Jochen Seufert


Auf der "Science Street", die vom 19. bis 28. April im Hauptbahnhof von Leipzig stattfindet, präsentiert das Institut für Molekulare Biotechnologie (IMB) in Jena Beispiele der Werkzeugeigenschaften von Licht. In der Abteilung Einzelzell- und Einzelmolekültechniken (Prof. Dr. Karl Otto Greulich) wird Licht nicht als Beleuchtungsquelle, sondern als eine "optische Pinzette" eingesetzt. Ähnlich wie die beiden Greifarme einer mechanischen Pinzette besteht auch die optische Pinzette aus zwei Funktionskomponenten. Mit einem relativ energiearmen Laser wird ein mikroskopisch kleines Objekt zunächst festgehalten und danach mit einem relativ energiereichen Laser bearbeitet. Die optische Pinzette kann schneiden, bohren und schweißen. Sie kann in das Innere von Zellen vordringen und ohne dass die Zelle abstirbt, auf zelluläre Strukturen einwirken.

In zahlreichen Science fiction-Filmen ist der Zuschauer immer wieder fasziniert, wenn Menschen "gebeamt" werden. Sie müssen nur in einen Lichtstrahl treten und verschwinden danach, um an irgend einem anderen Ort wieder aufzutauchen. Was im Kino noch mit Tricktechniken ausgeführt werden muß, ist im submikroskopischen Bereich allerdings schon Realität. Mikroskopisch kleine Teilchen und Strukturen können mit Hilfe von Licht bearbeitet und sogar verschoben werden. Die Ursache liegt in der Energie und damit in dem "Druck" von Licht. Dieser Druck ist minimal und ein Auto ist im direkten Sonnenlicht etwa 1 Milligramm schwerer als im Schatten. Laserlicht hat gegenüber dem natürlichen Licht den Vorteil, dass seine Lichtstrahlen nicht kegelförmig auseinander, sondern parallel verlaufen. Im Gegensatz zu einer normalen Lichtquelle verliert Laserlicht auch über weite Entfernungen kaum an Energie und ein hoher Lichtdruck bleibt erhalten. Wird die Energie von Laserlicht gesteigert, erhöht sich natürlich auch der Lichtdruck und ein Laser kann zu einem Werkzeug werden. Ein Laser mit einer Leistung von einem Watt wirkt nach einer mikroskopischen Bündelung seiner Lichtwellen und Lichtteilchen auf eine Fläche mit einem Mikrometer (10-6 Meter) Kantenlänge mit einer Kraft, die etwa 700 000 mal größer ist als die Schwerkraft der Erde. Linsensysteme können die Energie von Laserlicht konzentrieren und somit auf den Punkt bringen.

Die Größe des Arbeitspunktes einer optischen Pinzette wird durch die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts vorgegeben. Das Mikroskop hat dabei die Aufgabe, alle Energie zu bündeln und auf den Punkt zu bringen. Durch eine solche extreme Fokussierung bleibt eine Zelle unbeeinträchtigt, denn alle Energie sammelt sich in einem gewünschten Arbeitspunkt innerhalb der manipulierten Zelle und entfaltet erst dort Wirkungen. Es kann dann geschnitten, verschoben oder verschweißt werden. Der Zellforscher "operiert" mit Licht an der lebenden Zelle. Wie für den Chirurgen das Skalpell aus Edelstahl ein unverzichtbares Werkzeug darstellt, wird die optische Pinzette für den Zellchirurgen zu einem "Lichtskalpell". Zelluläre Schädigungen lassen sich reparieren. Winzige Strukturen und Wirkstoffe können in Zellen hinein und auch wieder herausgeschoben werden, und unterschiedliche Zellen sind sogar für eine Verschmelzung zu einer einzigen Zelle zugänglich.

Eines der wichtigsten zukünftigen Arbeitsgebiete der optischen Pinzette wird die Gentechnologie und insbesondere die Genreparatur sein. Sind zum Beispiel krankheitsauslösende Gene bekannt, kann die optische Pinzette sie aus dem Chromosom herausschneiden und ihre schädlichen Wirkungen beseitigen. Mit Hilfe von Licht lassen sich einzelne Chromosomen "operieren", und Gene werden von Zellen importiert oder auch exportiert.

Mit wachsendem Energiegehalt könnte Laserlicht in Zukunft auch mit dem Auge sichtbare Strukturen bearbeiten und sogar verschieben. Entscheidend ist allein, daß Energie auf den Punkt gebracht wird, und eine sehr hohe Energie kann natürlich auch einen extrem vergrößerten Arbeitspunkt zur Folge haben. Bei zahlreichen Weltraumabenteuern wird im Kino bereits mit der Lichtenergie von Laserkanonen geschossen und zerstört. Gigantische "optische Pinzetten" könnten sogar zwischen den Sternen defekte Raumschiffe" an den Haken nehmen" und sie abschleppen.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Karl Otto Greulich
Institut für Molekulare Biotechnologie
Abt. Einzelzell- und Einzelmolekültechniken
Beutenbergstraße 11, 07745 Jena
Tel. (03641) 65 6400
Fax: (03641) 65 6410
E-Mail: kog@imb-jena.de

Dr. Manfred Reitz
Tel. (03641) 65 6102
Fax: (03641) 65 6110
E-Mail: mreitz@imb-jena.de

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