Science Fiction-Idee kommt ins Labor: Ein neuartiges Verfahren nutzt einen Laserstrahl, um biologische Zellen schweben zu lassen. Mithilfe dieses optischen Traktorstrahls können Forscher Bakterien unter dem Mikroskop festhalten – und sogar bewegen. Auf diese Weise lässt sich ihre dreidimensionale Struktur in besonders hoher Auflösung untersuchen. Der Vorteil: Die Zellen müssen nicht auf Trägermaterial fixiert werden und Verfälschungen durch diese Vorbehandlung werden vermieden.
Das Prinzip Traktorstrahl ist bisher vor allem aus Science Fiction-Werken wie der Fernsehserie Star Trek bekannt. Mithilfe dieser fiktiven Technik können Gegenstände ganz ohne Berührung über größere Entfernungen eingefangen, gehalten und bewegt werden – eine praktische wie faszinierende Idee.
Inzwischen ist es Forschern mit verschiedenen Methoden gelungen, ähnliche Effekte in der realen Welt zu erzielen: Licht eignet sich als Werkzeug für Nanoobjekte, Laserstrahlen können DNA-Moleküle schweben lassen und mithilfe von Schallwellen lassen sich sogar größere Dinge präzise manipulieren. Wissenschaftler um Robin Diekmann von der Universität Bielefeld haben nun auch einen Traktorstrahl entwickelt, der Bakterien und andere biologische Zellen festhalten kann.
Optische Falle für Bakterien
„Unsere neue Methode ermöglicht es, Zellen mittels einer optischen Falle mit sehr hoher Auflösung zu untersuchen“, erklärt Diekmanns Kollege Thomas Huser. Die Zellen werden bei dem Verfahren mithilfe eines Laserstrahls unter dem Mikroskop schwebend fixiert: „Wird dieser auf eine Zelle gelenkt, entstehen innerhalb der Zelle Kräfte, welche sie im Fokus des Strahls festhalten“, sagt Diekmann.
Doch die Physiker haben es nicht nur geschafft, die Bakterienzellen festzuhalten, sondern sie auch gezielt zu bewegen. Sie konnten sie so drehen, dass die Zellen von mehreren Seiten abgebildet werden können. Auf diese Weise gelang es ihnen, die dreidimensionale Struktur der DNA in den einzelnen Bakterien mit circa 0,0001 Millimeter Auflösung zu untersuchen.
Fixieren, was nicht fixiert werden kann
Mit dem Traktorstrahl haben Naturwissenschaftler nun ein Werkzeug, das für ihre Arbeit einen entscheidenden Vorteil bringt. Denn um Bakterien, Algen, oder Blutzellen mit dem Mikroskop untersuchen zu können, mussten diese Zellen bisher auf Trägermaterial wie Glasplättchen befestigt werden.
Das Problem: Biologische Zellen verändern sich oft durch eine solche Vorbehandlung. Viele Bakterien bevorzugen es zum Beispiel, frei in Lösung zu schwimmen. Ähnlich ist es bei Blutzellen: Sie sind ständig in schnellem Fluss und verharren nicht. Haften sie auf einer Oberfläche, verändert sich ihr Aufbau und sie sterben rasch. Die Laserstrahlmethode ermöglicht es jedoch, auch Zellen, die nicht an Oberflächen verankert werden können, im Detail zu studieren.
Zusammenspiel von Zellen beobachten
Einsetzt werden soll das neue Verfahren vor allem in der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie. Sie gilt als Schlüsseltechnologie in der Biologie und Biomedizin, weil damit erstmals biologische Prozesse auf einer Größenskala in lebenden Zellen untersucht werden können, die bisher der Elektronenmikroskopie vorbehalten war.
Für Aufnahmen mit solchen Mikroskopen reichern Forscher die zu untersuchenden Zellen mit Farbstoffen an, die zu leuchten beginnen, wenn ein Laserstrahl auf sie gerichtet ist. Das Team um Diekmann hat diese Methode nun mithilfe eines zweiten Laserstrahls weiterentwickelt, der als Traktorstrahl dient.
In Zukunft wollen die Physiker ihr Verfahren weiter optimieren. Ihr Ziel: Das Zusammenspiel von lebenden Zellen beobachten. Damit könnten sie zum Beispiel untersuchen, wie Krankheitserreger in Zellen eindringen. (Nature Communications, 2016; doi: 10.1038/ncomms13711 )
(Universität Bielefeld, 14.12.2016 – DAL)
