Zellen in lebende Laser verwandeln

Am Humboldt Centre for Nano- and Biophotonics (HCNB), der Wirkungsstätte von Malte Gather und seinem Team, wird erforscht, wie Licht gezielt gesteuert und genutzt werden kann. Für diese Forschung kam Gather 2019 mit einer Humboldt- Professur von der schottischen University of St Andrews nach Köln. Das Programm der Alexander von Humboldt-Stiftung holt Spitzenforscher*innen nach Deutschland, die bisher im Ausland tätig waren. 

Seither verfolgt Malte Gather eine ganze Reihe neuer Forschungsansätze, die in nahezu allen Lebensbereichen Anwendung finden können: In Smartphonedisplays, medizinischen Instrumenten oder der Mikroskopie und Sensorik ist der gezielte Einsatz von Licht essenziell, aber alles andere als simpel. Es gibt Hürden, die sich bislang nur schwer überwinden lassen, sodass manche Forschungsfelder klingen, als wären sie tatsächlich einem Filmdrehbuch entnommen.

Zum Beispiel lebende Laser. Auf diesem Gebiet ist Gather ein Pionier. Er war einer der ersten Wissenschaftler, dem es gelang, in lebenden Zellen Laserstrahlung zu erzeugen, und erhielt dafür 2013 sogar einen Eintrag ins Guinnessbuch der Weltrekorde. Seitdem haben Gather und zahlreiche andere Gruppen weltweit die anfänglich komplizierten und wenig praktischen lebenden Laser zu einer nützlichen Technologie weiterentwickelt. 

Der Schlüssel liegt in mikroskopisch kleinen Kugeln oder Scheiben, sogenannten Mikroresonatoren, in denen Licht gefangen und vielfach verstärkt werden kann. Werden diese Mikroresonatoren in eine Zelle eingebettet, beginnt die Zelle nach Anregung durch einen externen Lichtpuls zu lasern. »Wir machen die Zelle selbst zur Lichtquelle – und das mit einer Präzision, die klassische Fluoreszenzverfahren übertrifft«, sagt Gather. Der Mikroresonator sendet Licht einer einzelnen Wellenlänge aus, ganz wie ein technischer Laser. Die Laseremission aus lebenden Zellen funktioniert dabei erstaunlich stabil und zielgenau.  

So konnte das Team beispielsweise die Kraftdynamik von mikrometergroßen Ausstülpungen untersuchen, die beteiligt sind, wenn Krebszellen in umliegendes Gewebe eindringen und deren mechanische Kräfte bisher nicht mikroskopisch analysiert werden konnten. Außerdem beobachteten sie mit der neuen Methode detailliert Veränderungen der ausgeübten Kräfte von Podozyten, spezialisierten Nierenzellen, während einer Nierenverletzung. Was bislang nur in der Petrischale funktioniert, wollen Gather und sein Team auch als kommerzielles System weiterentwickeln, das zukünftig zum Beispiel beim Wirkstoff-Screening in der Medikamentenforschung zum Einsatz kommen könnte.

Innovationen entstehen im Team

Was das Humboldt Centre for Nano- and Biophotonics für Gather ausmacht, ist die gemeinschaftliche Forschungskultur und die große und auch räumlich enge Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen. Physik, Chemie und Biologie treffen dort aufeinander. Auf diese Weise habe das Zentrum das Potential, sich als Katalysator für neue Ideen und auch als Nährboden für hochkollaborative Nachwuchsforschungsgruppen zu etablieren. 

Für das Centre konnte Gather auch einige Kolleg*innen von seiner früheren Wirkungsstätte, der University of St Andrews, nach Köln locken. Ein Kollege, der bereits in Schottland ein Wegbegleiter war, ist Dr. Andreas Mischok. Der Physiker hat sich der Filter- und Displaytechnologie verschrieben und ist mit seiner Forschung auf dem besten Weg, den Stand der Technik einen  entscheidenden Schritt weiterzubringen.

Denn sowohl optische Filter als auch Displays, wie etwa Bildschirme von Handys oder Fernsehern, haben ein grundlegendes Problem – die sogenannte Winkelstabilität. Wenn Licht schräg durch einen optischen Filter hindurchtritt, verändert sich die Farbe oder Intensität des durchgelassenen Lichts im Vergleich zum geraden Lichteinfall. Im Alltag kannte man dieses Phänomen von Laptopbildschirmen, die bei schräger Betrachtung ein dunkles und manchmal farbinvertiertes Bild zeigten. In Smartphonedisplays oder Computermonitoren wird das Problem heute weitgehend unterdrückt, allerdings auf Kosten der Energieeffizienz und Farbsättigung des Bildschirms. Was am Handy nur lästig ist, ist für andere Anwendungen und Geräte, die extrem präzise arbeiten müssen, auch heute noch ein echtes Hindernis.