Biolaser

Die Zelle als lebender Laser

Zwei Wissenschaftler in den USA haben einen biologischen Laser entwickelt. Als optischer Verstärker dient eine genetisch veränderte Zelle.

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Mikroskopische Aufnahme der Zelle in Aktion
Mikroskopische Aufnahme der Zelle in Aktion (Bild: Malte Gather, Mass. General Hospital/ Nature Photonics)

Zwei Forscher von der Harvard Medical School und dem Massachusetts General Hospital in Boston haben einen biologischen Laser entwickelt. Dessen Kernstück ist eine lebende Zelle, die als optischer Verstärker dient.

Genetisch veränderte Leberzelle

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Grundlage ist eine Zelle aus der menschlichen Leber, die genetisch so verändert wurde, dass sie grün fluoreszierendes Protein (GFP) bildet. Wird dieses Protein, das ursprünglich in einer Qualle entdeckt wurde, mit blauem oder ultraviolettem Licht angeregt, leuchtet es grün.

Die Forscher brachten die Zelle dazu, möglichst große Mengen des Proteins zu erzeugen, das sich in der Zelle verteilt. Diese mit GFP angereicherte Zelle dient dann als optischer Verstärker: Wird sie mit blauem Licht bestrahlt, wird dieses in der Zelle von den Proteinen reflektiert und so verstärkt. Dabei fungiert, so stellten Malte Gather und Seok Hyun Yun fest, die sphärische Form der Zellwand als Linse, die das eintreffende Licht bereits fokussiert. Um das Licht möglichst lange in der Zelle zu halten, wird diese in einem optischen Resonator mit zwei Spiegeln platziert. Schließlich wird das Licht dann als gebündelter Strahl ausgesandt.

Erster biologischer Laser

"Seit Laser vor rund 50 Jahren entwickelt wurden, wurden synthetische Materialien wie Kristalle, Farben und gereinigte Gase als optische Verstärker eingesetzt, in denen Photonenpulse verstärkt werden, wenn sie zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert werden", erklärt Yun. Gather und er hätten den ersten biologischen Laser, der auf einer einzelnen lebendigen Zelle basiert, entwickelt. Vorgestellt haben sie ihre Arbeit im britischen Fachmagazin Nature Photonics.

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Das Ganze spielt sich allerdings im mikroskopischen Bereich ab: Die Zelle hat einen Durchmesser von 15 bis 20 Mikrometern, die Spiegel sind im Abstand von 20 Mikrometern angebracht. Die Laserpulse, die die Zelle aussendet, bewegen sich im Bereich von Nanosekunden. Die Zelle überlebt diese Prozedur. Sollte das GFP bei der Lichtverstärkung zerstört werden, produziert die Zelle das Protein neu.

Medizinische Anwendung

Trotz des kleinen Maßstabes sehen die Wissenschaftler durchaus auch Anwendungsmöglichkeiten für ihren Biolaser, beispielsweise in der Medizin. So könnten darüber Prozesse in Zellen sehr viel besser als bisher erfasst werden. Eine andere Möglichkeit seien photodynamische Therapien, bei denen Medikamente durch Licht aktiviert werden.

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