Bei allem Fachwissen: Modernste Technik kann Forschenden, gerade in den Naturwissenschaften, mitunter ganz neue Dimensionen zugänglich machen – und damit Einblicke ermöglichen, die sonst verborgen blieben. Drei neue Großgeräte – je zur Hälfte finanziert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Freien Universität Berlin – sind dafür auf dem Campus Dahlem jüngst eingetroffen.

Hochleistungs-Spektrometer

Timo Niedermeyer, Professor für Pharmazeutische Biologie, hat ein rund 1,6 Millionen Euro teures hochauflösendes MALDI-Massen- und Ionenmobilitäts-Spektrometer in Betrieb genommen. Es erlaubt eine haarscharfe räumliche Lokalisierung von Molekülen in Gewebe jeglicher Art. „Wir können damit unter anderem Gewebeschnitte von Pflanzenstengeln, Blättern, Blüten oder auch menschlicher Haut untersuchen und die Verteilung bestimmter Substanzen, ähnlich wie auf einer Fotografie, darstellen“, erklärt der Pharmazeut. „Das hilft uns festzustellen, wo genau in einer Pflanze bestimmte Naturstoffe produziert und eingelagert werden. Oder wie tief ein Wirkstoff tatsächlich in die Haut eindringen kann.“

MALDI steht für „Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation“, und das geht folgendermaßen: Eine hauchdünn geschnittene Gewebeprobe wird zunächst in einer Matrix auf einem Träger fixiert. Anschließend beschießt ein feiner Laser ein etwa fünf Mikrometer großes Areal und bringt durch seine Energie diesen Probenpunkt regelrecht zur Explosion. Eine Wolke aus ionisierten Molekülen entsteht, in die nun – und das ist das Einzigartige an diesem Gerät – ein zweiter Laser schießt und dadurch die Ionisierung verstärkt.

Das erhöht die Empfindlichkeit der nun folgenden Messung deutlich: Die Ionenwolke wird in das Massenspektrometer eingebracht, wo die geladenen Teilchen entsprechend ihrer Masse und Ladung in einem elektromagnetischen Feld aufgetrennt und analysiert werden. Dabei entsteht ein Signalmuster, aus dem die Forschenden auf die Substanzen in diesem winzigen Probenpunkt schließen können.

Laser Nr. 1 rückt nun fünf Mikrometer weiter und schießt den nächsten Punkt aus der Probe – und so weiter und so fort –, bis die gesamte Probe systematisch „abgeschossen“ ist. „Am Schluss setzt eine Software quasi Pixel für Pixel das Gesamtbild zusammen, und wir sehen die exakte Verteilung diverser Substanzen farblich kodiert – eben fast wie auf einem Foto“, erläutert Timo Niedermeyer.

Vorbei die Zeit, in der zeitaufwendige Pflanzenextraktionen notwendig waren, um herauszufinden, wo welche Wirkstoffe eigentlich sitzen. Zur Einrichtung des Gerätes will Niedermeyer die schon bekannten Produktionsorte der giftigen Alkaloide
im Schierling scannen. Weitere Forschende am Institut für Pharmazie warten derweil schon auf freie Gerätezeiten. Es wird um Pilze gehen, die in Pflanzen leben und dort Wirkstoffe herstellen. Um künstlich gezüchtete Miniorgane, sogenannte Organoide, und die Wege, die Arzneistoffe durch sie nehmen. Und auch um Biofilme und wie und wo genau verschiedene Bakterien chemisch miteinander kommunizieren, um sich gegenseitig den Garaus zu machen oder in Schach zu halten.

Multi-Photonen-Mikroskop

Am Institut für Biologie hat Robin Hiesinger kürzlich im Keller ein neues Multi-Photonen-Mikroskop im Wert von einer Million Euro installiert. Damit kann er die Entwicklung des Gehirns in lebenden Fliegen beobachten. Genauer gesagt: wie sich die Neuronen zu komplexen Netzwerken verdrahten. Da geschieht während der Metamorphose im Puppenstadium in vier Tagen das, was beim menschlichen Embryo und Fötus neun Monate bis zur Geburt dauert. „Uns interessiert besonders, wie unter Tausenden von Neuronen einzelne ihre Partner finden“, sagt der Professor für Neurobiologie.

Das neue Gerät kann, anders als das bisherige klassische Zwei-Photonen-Mikroskop, einen weiteren Detektortyp nutzen der ‚super-resolution‘ unterstützt, also eine höhere Auflösung als mit sichtbarem Licht normalerweise möglich. Der neue Detektor ist so sensitiv, dass die Laser-Erregung auf ein Minimum beschränkt werden kann. „Dadurch ist die für eine Lebendbeobachtung schädliche Phototoxizität deutlich geringer“, erklärt Robin Hiesinger.

Das Gehirn einer ausgewachsenen Fliege ist weniger als 500 mal 150 Mikrometer, also ein Bruchteil eines Millimeters, „groß“ – bei den Larven natürlich noch viel kleiner. Die Beobachtung der Wachstumskegel der Nervenzellen, bei denen das Gehirn Stück für Stück in Blöcken von 50 bis 100 mal 100 Mikrometern gescannt wird, liegt an der Grenze des prinzipiell Machbaren. Der Laser geht dabei Schicht für Schicht durch Hunderte Zellen hindurch, was fünf Minuten dauern kann, bevor er sich den nächsten Mikrowürfel vornimmt. Alles vollautomatisch natürlich. Mit dem neuen Mikroskop hat die Freie Universität auch die Grundlage für den DFG-Forschungsverbund ‚Robust-Circuit‘ mit insgesamt 13 Arbeitsgruppen geschaffen, den Robin Hiesinger leitet.

Laser-Experimentierfeld

Am Institut für Physik hat Hélène Seiler, Professorin für Ultrakurzzeitdynamik in Nanomaterialien, selbst Hand angelegt, um die zahllosen Komponenten eines neuen Geräts zusammenzubauen: ein 720.000 Euro teures Experimentierfeld für kohärente mehrdimensionale elektronische Spektroskopie. „Das Kernstück ist ein Laser, der grelle Lichtpulse von nur 70 Femtosekunden erzeugt – eine extrem kurze Zeiteinheit, die einem Billiardstel einer Sekunde entspricht. Doch die Forscherin braucht viel kürzere, nur zehn Femtosekunden lange Lichtblitze, um die elektronischen Zustände ihrer ultraflachen, quasi nur zweidimensionalen Proben untersuchen zu können. Um die kürzeren Lichtblitze zu erzeugen und die elektronischen Veränderungen des Materials spektrometrisch detektieren zu können, bedurfte es mehrerer Zusatzteile, die exakt aufeinander abgestimmt sein mussten. Ein großer Aufwand.

„Elektronische Prozesse zum Beispiel in Transistoren oder Solarzellen sind mit großen Energieverlusten behaftet. Um die Bauteile optimieren zu können, muss man die Prozesse, die zu den Verlusten führen, genau kennen“, erklärt Hélène Seiler. Mit dem neuen Versuchsaufbau kann sie nun verfolgen, wie sich die Elektronen nach Anregung durch den Femtosekundenlaser verhalten, und die Lebensdauer der elektronischen Zustände sowie die Verluste exakt messen. 

Eine nur zufällig vorbeigehende Person ahnt von der komplexen Physik, die dahintersteht, nichts – und sieht allein Lichtstrahlen in unterschiedlichen Farben, die durch unzählige Röhren, Linsen und Spiegel über das Experimentierfeld fliegen.