Von Jan Lublinski
Wenn David Grier von der Universität Chicago auf wissenschaftlichen Fachkongressen Vorträge hält, dann verblüfft er seine Zuhörer mit einem ungewöhnlichen Kurzfilm: Zu sehen sind hier, unter einem Mikroskop, einige hundert kleine durchsichtige Kügelchen, die sich in geordneter Form bewegen: Sie bilden kleine Kreise, die sich drehen, dann entstehen Rosetten und immer neue Formen – eine perfekte kontrollierte Choreographie der Partikel unterm Mikroskop.
Die Breite der Leinwand hier – das entspricht etwa dem halben Durchmesser eines Haares. Sie sehen kleine Plastik-Kügelchen, die im Wasser schwimmen. 700 Nanometer Durchmesser. Jedes von ihnen ist in einer kleinen optischen Falle gefangen und wird vom Computer kontrolliert bewegt. Sozusagen das Star-Trek-Holo-Deck in Aktion.
Auch wenn es sich noch nicht wirklich um die virtuelle Welt eines Holo-Decks handelt: Grier manipuliert Partikel unter dem Mikroskop in 3 Dimensionen, und er kann sie in beliebigen Konfigurationen zusammenstellen. Sein Trick besteht aus zwei Komponenten: optische Fallen zum einen und computergenerierte Hologramme zum anderen. Unter einer optische Falle versteht man einen feinen, fokussierten Laserstrahl, der, auf ein Kügelchen gerichtet, dieses festhalten kann. Der Druck der Lichtteilchen zieht das Kügelchen immer wieder ins Zentrum des Strahls. - Ein Prinzip, das seit mehr als einem Jahrzehnt zur Manipulation einzelner Zellen unter dem Mikroskop eingesetzt wird. Die zweite Technik, die hier zum Einsatz kommt, die computergenerierten Hologramme, machen es möglich, Hunderte von optischen Fallen gleichzeitig anzusteuern und zu bewegen. Möglich wird dies mit einem speziellen Modulator aus Flüssigkristallen, der einen großen Laserstrahl in viele kleine, bewegliche Laserstrahlen aufteilen kann, die alle, unabhängig voneinander, in verschiedene Richtungen laufen – und so Lichtkügelchen einfangen und hin- und herbewegen können. Beide Techniken, die optische Fallen aus Laserstrahlen und die Flüssigkristall-Hologramme sind schon seit vielen Jahren etabliert. Bislang ist aber niemand auf die Idee gekommen, sie zusammen zu bringen.
Es gab zwar zunächst ein paar kleinere physikalische Probleme, als wir versuchten beide Techniken zu kombinieren. Aber die ließen sich schnell lösen, nachdem wir die Grundidee einmal hatten.
Die computer-generierten Hologramme können den vielen kleinen Laserstrahlen, die sie erzeugen, besondere Eigenschaften geben. So ist es etwa möglich, die Polarisation eines Laserstrahls, also die Schwingungsrichtung des Lichts, rotieren zu lassen: Was dazu führt, dass sich ein einzelnes gefangenes Kügelchen mit sehr hoher Geschwindigkeit dreht – ein Mixer unterm Mikroskop.
Wenn man ein Teilchen in solch eine sich drehende Falle bringt, dann rotiert es mit ein paar tausend Umdrehungen pro Sekunde auf der Stelle. Wenn sie also ein miniaturisiertes Chemielabor unterm Mikroskop aufbauen, dann können sie ihre Chemikalien mit diesem rotierenden Kügelchen gut durchmischen. Man kann solch einen Mixer auch dazu nutzen, um kleine Pumpen herzustellen. Denn: wir können die Bewegungen unter dem Mikroskop per Software sehr genau kontrollieren.
Mit dieser neuen Technik könnte es also möglich werden, Zellen und ihre Bestandteile auf neue Art zu manipulieren - schnell und kontrolliert – weil computergesteuert. Möglicherweise bahnt sich hier eine weitere Revolution bei der Miniaturisierung und Automatisierung der biologischen und chemischen Prozesstechnik an. Grier und seine Kollegen von der Universität Chicago haben bereits ein ganzes Bündel von Patenten angemeldet.
Wenn David Grier von der Universität Chicago auf wissenschaftlichen Fachkongressen Vorträge hält, dann verblüfft er seine Zuhörer mit einem ungewöhnlichen Kurzfilm: Zu sehen sind hier, unter einem Mikroskop, einige hundert kleine durchsichtige Kügelchen, die sich in geordneter Form bewegen: Sie bilden kleine Kreise, die sich drehen, dann entstehen Rosetten und immer neue Formen – eine perfekte kontrollierte Choreographie der Partikel unterm Mikroskop.
Die Breite der Leinwand hier – das entspricht etwa dem halben Durchmesser eines Haares. Sie sehen kleine Plastik-Kügelchen, die im Wasser schwimmen. 700 Nanometer Durchmesser. Jedes von ihnen ist in einer kleinen optischen Falle gefangen und wird vom Computer kontrolliert bewegt. Sozusagen das Star-Trek-Holo-Deck in Aktion.
Auch wenn es sich noch nicht wirklich um die virtuelle Welt eines Holo-Decks handelt: Grier manipuliert Partikel unter dem Mikroskop in 3 Dimensionen, und er kann sie in beliebigen Konfigurationen zusammenstellen. Sein Trick besteht aus zwei Komponenten: optische Fallen zum einen und computergenerierte Hologramme zum anderen. Unter einer optische Falle versteht man einen feinen, fokussierten Laserstrahl, der, auf ein Kügelchen gerichtet, dieses festhalten kann. Der Druck der Lichtteilchen zieht das Kügelchen immer wieder ins Zentrum des Strahls. - Ein Prinzip, das seit mehr als einem Jahrzehnt zur Manipulation einzelner Zellen unter dem Mikroskop eingesetzt wird. Die zweite Technik, die hier zum Einsatz kommt, die computergenerierten Hologramme, machen es möglich, Hunderte von optischen Fallen gleichzeitig anzusteuern und zu bewegen. Möglich wird dies mit einem speziellen Modulator aus Flüssigkristallen, der einen großen Laserstrahl in viele kleine, bewegliche Laserstrahlen aufteilen kann, die alle, unabhängig voneinander, in verschiedene Richtungen laufen – und so Lichtkügelchen einfangen und hin- und herbewegen können. Beide Techniken, die optische Fallen aus Laserstrahlen und die Flüssigkristall-Hologramme sind schon seit vielen Jahren etabliert. Bislang ist aber niemand auf die Idee gekommen, sie zusammen zu bringen.
Es gab zwar zunächst ein paar kleinere physikalische Probleme, als wir versuchten beide Techniken zu kombinieren. Aber die ließen sich schnell lösen, nachdem wir die Grundidee einmal hatten.
Die computer-generierten Hologramme können den vielen kleinen Laserstrahlen, die sie erzeugen, besondere Eigenschaften geben. So ist es etwa möglich, die Polarisation eines Laserstrahls, also die Schwingungsrichtung des Lichts, rotieren zu lassen: Was dazu führt, dass sich ein einzelnes gefangenes Kügelchen mit sehr hoher Geschwindigkeit dreht – ein Mixer unterm Mikroskop.
Wenn man ein Teilchen in solch eine sich drehende Falle bringt, dann rotiert es mit ein paar tausend Umdrehungen pro Sekunde auf der Stelle. Wenn sie also ein miniaturisiertes Chemielabor unterm Mikroskop aufbauen, dann können sie ihre Chemikalien mit diesem rotierenden Kügelchen gut durchmischen. Man kann solch einen Mixer auch dazu nutzen, um kleine Pumpen herzustellen. Denn: wir können die Bewegungen unter dem Mikroskop per Software sehr genau kontrollieren.
Mit dieser neuen Technik könnte es also möglich werden, Zellen und ihre Bestandteile auf neue Art zu manipulieren - schnell und kontrolliert – weil computergesteuert. Möglicherweise bahnt sich hier eine weitere Revolution bei der Miniaturisierung und Automatisierung der biologischen und chemischen Prozesstechnik an. Grier und seine Kollegen von der Universität Chicago haben bereits ein ganzes Bündel von Patenten angemeldet.