Quallen inspirieren Protein-Laser
Farbstoff biolumineszierender Quallen zum Bau von Festkörperlasern eingesetzt.
Forscher der Universität St. Andrews haben den weltweit ersten Festkörper-Protein-Laser gebaut. Dank der besonderen Eigenschaften biolumineszierender Quallen zeigt dieses Lasermaterial hervorragende Leistungsdaten und ist sogar in der Lage, sich selbst zusammen zu setzen. Dies könnte zu neuen Möglichkeiten in der biomedizinischen Bildgebung führen, etwa bei Krebs, oder die Entwicklung neuer Materialien vereinfachen.
Abb.: Unter den richtigen Bedingungen setzt sich das fluoreszierende Protein von selbst zu ringförmigen Laserstrukturen zusammen; hier ein grüner und ein roter Laser in Aktion. (Bild: M. C. Gather & S. H. Yun)
Der neue Laser verdankt sich der Entdeckung, dass die Größe der Moleküle, die bei Quallen Biolumineszenz hervorruft, evolutionär optimiert ist – mit Subnanometer-Präzision. Das erlaubt ihnen, sehr hell zu leuchten. Malte Gather von der Universität St. Andrews hat gemeinsam mit Seok Hyun Yun von der Harvard Medical School und dem Massachusetts General Hospital die Eigenschaften des grün fluoreszierenden Proteins analysiert, das die Quallen grün leuchten lässt. Dieses Molekül hat genau die passende Größe, um eine perfekte Balance zwischen unproduktiven Energieverlusten einerseits und einer geringen Größe andererseits zu finden. Dadurch finden möglichst viele Moleküle in den Licht emittierenden Zellen der Tiere Platz.
Vom Design der Natur inspiriert, gelang es den Forschern, aus diesen fluoreszierenden Proteinen einen Festkörperlaser zu bauen. Das grün leuchtende Protein, als GFP bekannt, tritt in Pazifik-Quallen der Art Aequorea Victoria auf. Dort spielt es eine Rolle als Energieumwandler in der natürlichen Biolumineszenz der Tiere. Vor einigen Jahren konnten Molekularbiologen einen Abschnitt der DNA isolieren, die die Synthese von GFP instruiert. Mit Hilfe gentechnischer Methoden lässt sich diese hellgrüne Fluoreszenz auch auf andere Organismen übertragen: auf Bakterien, Fruchtfliegen, sogar auf Mäuse.
Auf diese Weise können Wissenschaftler heute Zellen oder deren Substrukturen unter dem Mikroskop sichtbar machen. Solche Messungen benötigen nur relativ geringe Proteinkonzentrationen – üblicherweise im Bereich von Mikromol, was nur etwa einer Millionen Proteine pro Zelle entspricht. In den Leuchtorganen der Qualle jedoch ist die Proteinkonzentration zirka tausendfach höher.
„Wir wollten wissen, wie die natürliche Evolution die Struktur des Proteins so optimiert hat, dass Quallen solch hohe Konzentrationen von ihnen besitzen“, sagt Malte Gather. Dazu mussten die Forscher GFP aus Bakterienkulturen extrahieren und vorsichtig reinigen. Dann maßen sie die Helligkeit der Lösung als Funktion der Proteinkonzentration und verglichen die Ergebnisse mit der Leuchtkraft synthetischer fluoreszierender Farbstoffe. Während der synthetische Farbstoff jedoch ab einer gewissen Konzentration aufhörte zu leuchten, nahm die Leuchtkraft der Proteinlösung stetig mit steigender Konzentration zu und erreichte höhere Werte als der synthetische Farbstoff. Sogar ein trockener Film aus reinem Protein leuchtete noch.
Um zu verstehen, warum GFP so hell leuchtet, modellierten die Forscher den Energietransfer zwischen benachbarten Molekülen des Proteins. Übermäßiger Energietransfer zwischen Molekülen kann die Fluoreszenz eines Materials verringern oder sogar komplett verhindern. Während synthetische Farbstoffe üblicherweise aus kleinen Molekülen von weniger als einem Nanometer bestehen, waren die fluoreszierenden Proteine tonnenförmige Moleküle mit einer Höhe und Länge von einigen Nanometern.
„Diese Forschungsergebnisse zeigen, dass die Dimensionen dieser Moleküle genau richtig sind, um den Energietransfer zu bremsen, während sie immer noch erlauben, eine hohe Anzahl von Proteinen in ein gegebenes Volumen zu stecken“, sag Yun. Gather und Yun nahmen diese Erkenntnis auch zum Anlass, über technische Anwendungen nachzudenken, sagt Gather: „Laser und optische Sensoren waren besonders weit oben auf unserer Liste, weil beide effektive Emitter benötigen und weil es einen steigenden Bedarf gibt, sie aus biokompatiblen Materialien herzustellen, vor allem für biomedizinische Anwendungen.“
Der weltweit erste Festkörper-Protein-Laser ist das Ergebnis dieser Anstrengungen. Die Wissenschaftler entwickelten eine Reihe verschiedener Laser-Konfigurationen. Ein besonders effizientes Design begann bereits, Laserlicht auszusenden, als die zugeführte Energie noch geringer war, als sie heutige synthetische Farbstoffe benötigen. Ein anderes Design nutzte das Prinzip der Selbstorganisation, wodurch der Laser sich selbst zusammensetzte – einfach indem sich ein Tropfen GFP-Flüssigkeit auf ein flaches Substrat verteilte.
Gather glaubt, dass die Analyse der Struktur und der optischen Eigenschaften von GFP und anderen fluoreszierenden Proteinen auch Verbesserungen von synthetischen Farbstoffen erlaubt: „Wir könnten lernen, auch künstliche Emitter zu optimieren, etwa kolloidale Quantenpunkte und organische Halbleiter, indem wir uns genau anschauen, wie fluoreszierende Moleküle angeordnet sind.“
U. St. Andrews / DE
