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Riesennervenzellen auf Silizium

Wie sich Chip und Zelle näher kommen

Die Wissenschaftler waren einen harten, steinigen Weg gegangen. Statt an gerade aktuelle Methoden anzuknüpfen, entwickelte das Team um Fromherz in akribischer Feinarbeit seine eigenen, grundlegenden Techniken. So bastelten im „Labor Fromherz“ zum einen Doktoranden an Halbleiterchips, zum anderen wurden Blutegel gezüchtet und die Handhabung ihrer Nervenzellen trainiert.

Schnecke auf Chip © Volker Steger

Diese so genannten Retzius- Neurone schienen den Forschern besonders geeignet, weil sie eine für Nervenzellen geradezu gigantische Größe von 50 Mikrometern erreichen und sich somit leicht auf die Halbleitermikrostrukturen platzieren lassen. Das Hauptproblem war es, das Neuron effektiv an den Chip zu koppeln und damit die „Lötstelle“ zu optimieren. Weil sie mit verschiedenen Ladungsträgern arbeiten, lässt sich vom Chip zum Neuron – oder umgekehrt – kein Strom schicken. Die elektrischen Signale können, wie schon erwähnt, nur durch elektrische Felder übertragen werden – und das wiederum nur dann, wenn sich Zelle und Chip sehr nahe kommen.

„Am liebsten hätten wir die Zellmembran direkt auf dem Chip“, sagt Peter Fromherz. Tatsächlich aber beträgt der Abstand immer noch 50 Nanometer, also 50 Millionstel Millimeter. Das ist weniger als ein tausendstel Haardurchmesser, und doch in der Nanowelt des Biophysikers Fromherz eine große Distanz. Sie zu messen ist eine Kunst. Nur mit einem gehörigen Maß an Einfallsreichtum dringen die Forscher in solche Dimensionen vor.

Mittels der so genannten Fluoreszenz-Interferenz- Kontrast-Mikroskopie (FLIC) haben es Fromherz und seine Mitarbeiter vor vier Jahren geschafft. Dabei nutzten die Wissenschaftler Farbstoffmoleküle als Antennen, um die Distanz von Zellmembran und Siliziumchip zu bestimmen: Auf die Oberfläche des Chips setzten sie mikroskopische Oxidterrassen mit einer Stufenhöhe von etwa 20 Nanometern. Darauf wurden neuronale Zellen kultiviert, deren Membran mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert worden war.

Die Fluoreszenzintensität hängt – wie die Wissenschaftler zeigten – von der Höhe der Terrassen ab. Während eine „nackte“ Lipidmembran mit einem Abstand von etwa einem Nanometer direkt auf dem Siliziumdioxid sitzt, trennt die neuronale Zellmembran und der Mikrochip ein bis zu 100 Nanometer dicker Elektrolytfilm. Bisher scheiterten die Forscher daran, den Abstand zwischen der Zellmembran und dem Chip unter die besagten 50 Nanometer zu drücken. Peter Fromherz vermutet, dass die Ursache in der entropischen Kraft von Proteinmolekülen liegt, die einerseits in der Zellmembran verankert sind und mit denen andererseits der Mikrochip beschichtet wird, um ein Wachstum der Zellen zu garantieren.

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Stand: 09.04.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Chips und Neuronen im Dialog
Verbindungen von Nervenzellen und Siliziumtechnologie

Riesennervenzellen auf Silizium
Wie sich Chip und Zelle näher kommen

Zwei Basistechnologien - ein Experiment
Parallele Arbeit in Halbleitertechnologie und Gentechnik

Von Stufe zu Stufe...
Neuronale Netze in der Natur – und im Labor

Mehr Kontakte für die Zellen
Wann geht das Gehirn online?

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