Durchlässige «Käfige» helfen der Zellforschung

Zellen regulieren ihre Funktionen über codierte Signale. Die Häufigkeit und Grösse dieser Signale geben Auskunft über die Zellfunktionen. Die gestörte oder beeinträchtigte Funktion von Zellen ist häufig die Ursache von Krankheiten. Die Erforschung lebender Zellen soll deshalb auch Antworten liefern auf Fragen wie: Wie wird die Kraft des Herzmuskels reguliert und wie verändern sich die Signale bei einem Herzversagen?

Hochpräzise Zellsteuerung mit Laserlicht

Von zentraler Bedeutung für die Erforschung lebender Zellen sind Biomoleküle, die in lichtempfindliche chemische Käfige gesperrt und in Zellen injiziert werden. Mittels Lichtblitzen von aussen werden die Moleküle aus ihren Käfigen befreit und lösen dadurch ein Signal aus. Dieses bringt etwa Herzmuskelzellen dazu, sich zusammenzuziehen. Auf diese Weise lässt sich untersuchen, wie Zellen auf plötzliche Signale reagieren. Die dafür verwendeten Käfige waren bislang aber zu undurchlässig: um die darin enthaltenen Moleküle freizusetzen, waren starke Lichtimpulse nötig, die das umliegende Zellgewebe stören könnten. Professor Ernst Niggli vom Institut für Physiologie der Universität Bern hat in Zusammenarbeit mit amerikanischen Forschern nun dieses Problem gelöst. Das Team entwickelte einen durchlässigen Käfig, der schon auf einen sehr schwachen Lichtimpuls reagiert. Um solche Käfige aus der hochempfindlichen synthetischen Substanz namens Nitrodibenzofuran (NDBF) zu öffnen, wird nur noch etwa 1% der bisherigen Lichtstärke benötigt. Mit der Hilfe ultraschneller Laser, die Pulse erzeugen können, die kürzer sind als ein Millionstel einer Millionstelsekunde, lassen sich zelluläre Signale mit ultrapräziser Auflösung und Dynamik erforschen – ohne die Gefahr der Gewebeschädigung.

«Auf dem Gebiet der lichtaktiven chemischen Käfige gab es seit Ende der 70er Jahre eine gewisse Stagnation in der Entwicklung», meint Niggli. «Die neuentwickelte chemische Substanz stellt einen wahrhaften Durchbruch dar.» Dieser basiert paradoxerweise auf einer vermeintlichen Schwäche: einem durchlässigen Käfig. «In der Zellforschung sind schwache, das heisst mit wenig Licht spaltbare Käfige ein Vorteil», erklärt Niggli: «Sie eröffnen den Biophysikern ein bis anhin nicht zugängliches Feld von Forschungs- und Experimentiermöglichkeiten».