Lebende Zelle wird zum Laser

Bei Belichtung geben genetisch veränderte Nierenzellen mit fluoreszierendem Protein Laserstrahlung ab.

Auch 50 Jahre nach der Erfindung des Lasers ist dessen Potential noch längst nicht ausgeschöpft. Die kohärente Erzeugung von Licht durch stimulierte Emission hat ganze Forschungsrichtungen und Technologiezweige möglich gemacht. In der Biologie hat der Laser ebenfalls wichtige Anwendungen gefunden, etwa bei der Mikroskopie oder der Manipulation von Zellen. Jetzt haben Forscher am Wellman Center for Photomedicine in Boston lebende Zellen dazu gebracht, Laserlicht zu erzeugen, ohne dabei Schaden zu nehmen.

Der Bio-Laser, den Malte Gather und Seok Hyun Yun jetzt vorstellen, ist ein weiterer Meilenstein in der Erfolgsgeschichte des grün fluoreszierenden Proteins (GFP), für dessen Entdeckung und Weiterentwicklung Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien 2008 den Chemie-Nobelpreis erhalten hatten. Das GFP ist der fluoreszierende Farbstoff der Qualle Aequorea victoria, der bei Bestrahlung mit blauem oder UV-Licht grün leuchtet. Die DNS zur Herstellung des GFP in den Zellen der Qualle lässt sich in die Zellen anderer Tiere und sogar des Menschen einschleusen, die dann ebenfalls GFP erzeugen. Durch sein Leuchten verrät das GFP u.a., dass bestimmte Gene gelesen und in Proteine umgewandelt wurden.

Inzwischen hat man zahlreiche Mutationen des Natur-GFP hergestellt, die in verschiedenen Farben leuchten. Eines dieser Proteine ist das ebenfalls grüne eGFP, das sichtbares Licht besonders gut absorbiert und eine Quantenausbeute von 80 % hat. Das Energiediagramm des eGFP-Moleküls, das dem eines Vierniveaulasers ähnelt, besteht aus zwei Energiebändern aus zahlreichen Schwingungszuständen. Nachdem das Molekül vom niedrigsten Schwingungszustand des unteren Bandes ins obere Band angeregt worden ist, relaxiert es schnell in dessen niedrigsten Schwingungszustand. Daraufhin kehrt es spontan oder stimuliert unter Abgabe eines Photons in das untere Band zurück, wo es sogleich in dessen niedrigsten Schwingungszustand relaxiert – bereit für eine neue Anregung.

Gather und Yun haben zunächst untersucht, ob sich eGFP tatsächlich als optisches Verstärkungsmedium eines Lasers eignet. Dazu haben sie eine eGFP-haltige Lösung zwischen die beiden Spiegel eines optischen Resonators gebracht und den Farbstoff mit blauem, gepulstem Laserlicht angeregt. Die Forscher erhöhten die Intensität der 5 ns langen Laserpulse langsam. Sobald die Pulsenergie 14 nJ überschritt, gab die eGFP-Lösung grünes Licht ab, dessen Intensität linear mit der Pulsenergie zunahm. Mit Überschreiten der Schwellenenergie änderte sich auch das Spektrum der abgegebenen Strahlung: Aus einer zunächst breiten spektralen Verteilung wuchs eine charakteristische Linie hervor. Der eGFP-Laser funktionierte also.

Nun gingen die Forscher der entscheidenden Frage nach, ob sich auch einzelne lebende eGFP-haltige Zellen zum Laser machen lassen. Dazu benutzten sie menschliche Nierenzellen und später zur Kontrolle auch Zellen von Mäusen, in die ein Plasmid, also ein eigenständiges DNS-Molekül, eingeschleust worden war, das die Produktion von eGFP veranlasste. Die etwa 13,8 µm großen kugelförmigen Zellen brachten sie in einer wässrigen Lösung zwischen die beiden Spiegel eines optischen Resonators, die einen Abstand von nur etwa 20 µm hatten. Es passten also keine zwei Zellen hintereinander in den Resonator. Die Zellen waren somit optisch unabhängig voneinander.

Auch in diesem Fall erhöhten die Forscher langsam die Intensität des gepulsten blauen Laserlichts, mit denen sie die Zellen optisch anregten. Oberhalb einer Pulsenergie von 1 nJ gaben die einzelnen Zellen grünes Licht ab, dessen Intensität wiederum linear mit der Pulsenergie zunahm. Das Lichtspektrum enthielt mehrere scharfe Linien, die zu unterschiedlichen transversalen Schwingungsmoden im Resonator gehörten. Diese Moden ließen sich mit Hilfe eines Beugungsgitters voneinander trennen. Ihre Schwingungsbäuche und -knoten konnten mit einer Digitalkamera sichtbar gemacht werden. Wie sich zeigte, bleiben die Moden von Puls zu Puls nahezu unverändert.

Die einzelnen Zellen hatten also tatsächlich Laserstrahlung erzeugt, ohne dabei durch die Anregungspulse geschädigt zu werden. Da die lebenden Zellen laufend neue eGFP-Moleküle herstellten, wurden zerstörte Moleküle ersetzt. Auf diese Weise ließe sich das Ausbleichen des Farbstoffs verhindern. Der Bio-Laser heilt sich somit selbst. Die Forscher weisen darauf hin, dass die eGFP-Moleküle biologisch verträglich und abbaubar sind. Sie eignen sich somit, stimuliertes Licht und Laserstrahlung mit und in lebenden Organismen zu erzeugen. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Mikroskopie in der Biologie und der Medizin.

Rainer Scharf

MH