2000 mal feiner als ein Haar: Jenaer Wissenschaftler schneiden mit gebündeltem Licht

Laser gestatten es, große Energiemengen in einem extrem kleinen Punkt zu bündeln. Die auf diesen Punkt konzentrierte Energie verdampft die Materie an dieser Stelle, gleichgültig ob es sich dabei um Metall, Diamant, ein Haar, oder biologische Gewebe handelt. Auf diese Weise kann man mit der Energie des Laserlichtes schneiden, bohren und gravieren.

Auch menschliche Zellen oder gar einzelne Chromosomen lassen sich so mit Laserlicht bearbeiten. Bisher waren dem Schneiden mit Licht durch die Fokussierung des Laserstrahls jedoch Grenzen gesetzt. Kleiner als etwa 100 Nanometer konnte der Durchmesser eines mit dem Laser gebohrten Loches nicht sein. Wolfgang Fritzsche entwickelte nun ein Verfahren, das die Energie des Lasers auf einen Punkt bündelt, der noch erheblich kleiner ist. Er nutzt kleinste Metall-Teilchen, so genannte Nanopartikel, als Antennen, die das Laserlicht einfangen. Extrem kurze Lichtimpulse reichen aus, um ein solches Teilchen anzuregen, dieses zu erwärmen und damit ein präzises Loch in das Gewebe zu brennen. Die Größe dieses Loches hängt nun von der Größe des Nanopartikels ab und nicht mehr von der Wellenlänge des Laserstrahls. Sie kann deshalb prinzipiell von vorher rund 100 Nanometern auf 10 oder gar 5 Nanometer verringert werden.

„Wir können dabei unsere Nanopartikel so markieren, dass sie an eine von uns ausgewählte Stelle auf dem Chromosom binden“, erläutert Fritzsche. Das ermöglicht es zum Beispiel, gezielt Bereiche des Erbgutes, die einen genetischen Defekt tragen, auszuschalten. Die Wissenschaftler sprechen vom „optischen Knockout“. „Wir können dabei auch parallel arbeiten“, nennt Fritzsche einen weiteren Vorteil seiner Methode, „und verschiedene Stellen im Erbgut auswählen, an die dann gleichzeitig jeweils maßgeschneiderte Nanopartikel andocken können. Das restliche Chromosom bleibt völlig unverändert, das ist ebenfalls sehr wichtig.“

Die von Fritzsche und seinem Team am IPHT verwendeten Metall-Nanopartikel sind nur wenige Milliardstel Meter groß (Der Durchmesser eines Haares ist im Vergleich dazu etwa 50.000 mal größer) und aus Metallen wie Gold oder Silber. Maßgeschneiderte Partikel, die mit ausgewählten biologischen Eigenschaften, zum Beispiel der Bindungsfähigkeit an bestimmte Erbgutabschnitte oder Proteine versehen sind, können nicht nur wie beschrieben als Lichtantennen, sondern auch aus Sensoren in lebenden Geweben eingesetzt werden. „Damit haben wir eine neue Generation photonischer Werkzeuge im Nanomaßstab in der Hand“, so Fritzsche, „die ganz neue Ansätze in der Markierung und Untersuchung biologischer Proben erlauben.“

Das Verfahren „NanoCut“ eröffnet neue therapeutische Möglichkeiten. So könnte man die Hülle von Zellen anbohren, um sie für Medikamente durchlässiger machen. Auch in der Tumor-, Neuro- oder Augenchirurgie sehen die Forscher aus Jena und Saarbrücken Anwendungsfelder ihrer Methode.

Die Forschungsergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“ erschienen:

Csaki, A. et al: „A parallel approach for subwavelenght molecular surgery using gene specific positioned metal nanoparticles as laser light antennas“. Nano Lett 2(2007) 247 – 253

Hintergrund:
Nanopartikel bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Begriff „Nano“ leitet sich aus dem Griechischen „nanos“, der Zwerg, ab. 1 Nanometer ent¬spricht 1 Milliardstel Meter. Nanopartikel können unterschiedlicher chemischer Natur sein. Sowohl anorga¬nische als auch organische Nano¬partikel sind bekannt. Sie können aus nur einem Element bestehen, z. B. aus Metall oder Kohlenstoff oder aus Verbindungen, wie Oxide, Nitride usw.

Nanopartikel sind äußerst reaktionsfreudig und verbinden sich rasch mit allem, was in der Nähe ist. Dafür sind die äußerst zahlreichen Oberflächenatome verantwortlich, die ihre „Bindungsarme“ ausstrecken.

Ihr Ansprechpartner:
PD Dr. Wolfgang Fritzsche
Abteilung Nanobiophotonik
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wolfgang.fritzsche@ipht-jena.de