Viele kleine, bunte Lichter

News: Viele kleine, bunte Lichter

Mit Fluoreszenzfarbstoffen, die gezielt an einzelne Zellbestandteile binden, lassen sich Vorgänge in lebenden Zellen sichtbar machen. Für manche Fragestellungen müssen allerdings mehrere verschiedene Markierungen zugleich verfolgt werden - eine Aufgabe, welche die bisherigen Techniken kaum bewältigen können. Die Entwicklung winziger Halbleiterkristalle, die selektiv an Zellstrukturen binden und Fluoreszenzlicht mit vorgegebenen Wellenlängen aussenden, könnte bestehende Verfahren verbessern oder sogar ablösen.

Die Mikroskopie mit Fluoreszenzfarbstoffen bringt seit Jahren Licht in das Dunkel der biologischen Abläufe innerhalb biologischer Zellen. Meistens werden die Farbmoleküle an Antikörper gehängt, die gezielt an bestimmte Proteine der Zelle binden. Ein Laser regt den Farbstoff an, so daß er einen Teil der absorbierten Energie als Licht einer bestimmten Farbe wieder emittiert.

Für manche Experimente müssen mehrere verschiedene Indikatormoleküle zugleich eingesetzt werden. Ideale Farbstoffe sollten für diese Zwecke alle mit dem gleichen Laserlicht angeregt werden können und gut unterscheidbares Fluoreszenzlicht mit einem symmetrischen, engen Emissionsspektrum abgeben. Mit den konventionellen organischen Molekülen sind diese Bedingungen allerdings nur schwer zu erfüllen.

Paul Alivisatos von der University of California in Berkeley und Shimon Weiss vom Lawrence Berkeley National Laboratory glauben, das Problem mit Nanokristallen aus Halbleitermaterial gelöst zu haben (Science vom 25. September 1998). In einem ersten Experiment an Fibroblasten aus Mäusen aktivierten sie zwei unterschiedlich große Kristalle mit nur einer Wellenlänge und beobachteten Fluoreszenzlicht mit zwei verschiedenen Farben als Signal.

Ihre Sonden bestanden aus einem Kernkristall aus Cadmiumselenid, den eine Schicht Cadmiumsulfid umgab, um photochemische Abbaureaktionen zu unterbinden und die Fluoreszenzausbeute zu erhöhen. Ein Mantel aus Kieselerde sorgte dafür, daß der Nanokristall in Wasser gelöst werden konnte und machte ihn kompatibel zum biologischen Material.

Leichte Variationen im Aufbau erbrachten steuerbare Eigenschaften: So bestimmt die Größe des Kristalls, welche Farbe das Fluoreszenzlicht hat. Kantenlängen von zwei Nanometern ergaben grünes Licht, bei vier Nanometern emittierte der Kristall rotes Licht. An welche Struktur die Sonde bindet, konnten die Forscher durch Modifikation der Schale aus Kieselerde steuern. In dem Versuch an Mäusefibroblasten reicherte sich eine Variante der Kristalle im Zellkern an, die andere markierte dagegen die Actin-Filamente an der Zellmembran.

Schon mit bloßem Auge war die Anfärbung der Probe zu erkennen. Beim Betrachten mit einem konfokalen Mikroskop wurde auch die räumliche Verteilung der Sonden sichtbar. Im Verlaufe des Experiments zeigte sich, daß die Nanokristalle weit weniger Schaden durch das Anregungslicht nahmen als konventionelle Farbstoffmoleküle. Außerdem lag die "Lebensdauer" der Floureszenz mit Hunderten von Nanosekunden hoch genug, um die Nanokristalle auch als Zusatzantennen für herkömmliche Farbstoffe zu benutzen, auf welche sie dann einfach ihre Energie weitergeben. Da die Ausbeute dieses Energietransfers vom Abstand zwischen dem Donator- und dem Akzeptormolekül abhängt, können damit Bewegungen von Proteinen verfolgt werden. Der Einsatz von mehreren Nanokristallen, die verschiedene Wellenlängen emittieren, könnte dieser als Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) bezeichneten Methode ungeahnte Möglichkeiten eröffnen.

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