Der österreichische Physiker Dr. Georg Fantner zeichnet am Massachusetts Institute of Technology mit Nano-Mikroskopie erstmals Video-Bilder von lebenden Bakterien in Flüssigkeiten auf. Eine „Nature Nanotechnology“-Publikation unterstreicht die österreichische Spitzenleistung.

Was passiert in einer Zelle wirklich? Um diese Frage zu beantworten, beobachten Biologen und Physiker  Zellen mit besonders leistungsstarken Rasterkraft-Mikroskopen. Diese bestehen aus einer Nadel, die die Zelloberfläche, wie die Nadel von einem Plattenspieler,  abtastet. Die Kräfte zwischen Nadel-Sonde und Zelle werden gemessen und offenbaren die dreidimensionale Gestalt der Oberfläche. Der Anwendung dieses Verfahrens waren allerdings bis jetzt Grenzen gesetzt, da lebende Zellen nicht nur sehr klein sind,  sondern diese beim Abtasten durch die Mikroskop-Nadeln leicht zerstört werden und eine Aufnahme bis zu einer halben Stunde benötigt hat.

„Nano-Video“: Sekunden für ein Bild
Der österreichische Physiker Prof. Dr. Georg Fantner hat im Rahmen seines durch ein Erwin-Schroedinger-Stipendiums finanzierten Aufenthaltes an der renomierten US-Universität Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein neues Rasterkraft-Mikroskop entwickelt, das sogar zelluläre Vorgänge in Flüssigkeiten in Echtzeit aufzeichnet.
Sein neues Hochgeschwindigkeits-Rasterkraft-Mikroskop benötigt nur wenige Sekunden für ein hochaufgelöstes Bild. Damit können zum Beispiel Prozesse auf der Zelle mit Nanometer-Auflösung analysiert und besser verstanden werden. Fantner: „Das eröffnet neue Perspektiven für die Physik und die medizinische Forschung, aber auch für die Biotechnologie.“
Das von Fantner entwickelte Mikroskop verwendet Nadeln, die tausendmal kleiner sind als jene, die in bisherigen Rasterkraft-Mikroskopen verwendet wurden. Diese Nadeln müssten hundertmal größer sein, damit sie das menschliche Auge sehen kann. Sie haben Spitzen, die nur aus wenigen Atomen bestehen. Durch die Verfeinerung der Instrumente können Messungen nicht nur schneller, sondern auch viel „sanfter“ durchgeführt werden, was besonders in flüssigen Zellkulturen eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass etwa Zellen in lebendem Zustand untersucht werden können.
Die Technologie hat auch in anderen Bereichen der Nanotechnologie hohes Potenzial. So arbeiten Georg Fantner und sein Team mit einem führenden Halbleiterhersteller an neuen Geräten, welche in der Prozesskontrolle von Computerchips der nächsten Generation eingesetzt werden sollen.

Neue Erkenntnisse über Zelltod
Die erste Anwendung des neuen Mikroskops zeigt erstmals in Echtzeit den Zelltod von Bakterien, die mit Antibiotika behandelt wurden (siehe dazu „Nature Nanotechnology“, online 14.3. 2010). Prof. Fantner: „Die Wirkungsweise von Peptiden auf Bakterien war bisher unklar, wir wussten aus den bisherigen Messungen nur, dass Zellen schlussendlich nach einer bestimmten Zeit  sterben. Wir konnten durch dieses neue Mikroskop herausfinden, dass das Absterben der Bakterien ein mehrstufiger Prozess ist.“ Die Überraschung ist: Genetisch idente Zellen haben nach der Behandlung mit Peptiden eine signifikant unterschiedlich lange restliche Lebensdauer. Diese Erkenntnis hilft zu verstehen, wie Bakterien gegen diese Antibiotika resistent werden und wie man dies verhindern kann.
Das neu entwickelte Nano-Mikroskop kann in Zukunft „Licht“ auf weitere Vorgänge im Nano-Bereich werfen – etwa welche Reaktionen andere Stoffe in Zellen hervorrufen und wie erkrankte Zellen sich anders verhalten. Es könnte z.B. auch neue Erkenntnisse bei der Erforschung des Zelltodes von Nervenzellen liefern, die zur Alzheimer-Krankheit führen.

Beteiligung Österreichs
Österreich war auch in einer zweiten Hinsicht beteiligt an dieser Entwicklung. Das Wiener Nanotechnologieunternehmen SCL-Sensor.Tech. stellt die einzigartigen und für dieses neue Mikroskop notwendigen Nadel-Sonden her. „Für die Entwicklungen der hochspeziellen Nadel-Sensoren arbeitet SCL-Sensor.Tech.GmbH mit mehreren führenden Forschungsgruppen aus Österreich und der ganzen Welt zusammen, wodurch wir weltweit einzigartige Produkte entwickeln können“, sagt Dr. Ernest Fantner, der Leiter des Unternehmens.
Diese internationalen Kooperationen auf höchstem wissenschaftlichem Niveau  sind für das Hightech-Startup SCL-Sensor.Tech. durch  nationale und internationale Forschungsprogramme wie die Österreichische Nanoinitiative (Partner Johannes Kepler Universität Linz) oder dem Europäischen Fonds zur regionalen Entwicklung – EFRE (Partner: Austrian Institute of Technology, TU Wien, TU Ilmenau, University of Tampere/Finland, Slovakian Academy of Science) möglich geworden.
Prof. Georg Fantner setzt ab April seine Forschungen in der Schweiz an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne im „Interfaculty Institute of Bioengineering“ fort.

LINKS:
Nature Nanotechnology, Fantner et al.:
http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/abs/nnano.2010.29.html
MIT-Press office:
http://web.mit.edu/press/2010/micro-peptides.html

Über SCL Sensor.Tech.GmbH:
Das österreichische Unternehmen SCL Sensor.Tech. stellt seit 2004 Nano-Nadeln für Rasterkraft-Mikroskope und andere nanoskopische Anwendungen her, die für spezifische Anwendungen adaptiert werden. Diese Nadeln haben einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern und eine Länge von rund 100 Nanometern. Das Team von SCL Sensor.Tech. besteht aus interdisziplinären Experten, die mit führenden Forschungsgruppen auf der ganzen Welt zusammenarbeiten. Unternehmensgründer Dr. Georg Fantner selbst forscht als Professor an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.
Link: http://www.sclsensortech.com/

Bildquelle: SCL Senor.Tech.GmbH