ETH Zürich: Wie Moleküle miteinander sprechen

Forscher des Laboratoriums für Physikalische Chemie der ETH Zürich haben ein völlig neuartiges Mikroskop gebaut. Dieses erlaubt die Bestimmung der Position einzelner Moleküle mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer. Die Wissenschaftler aus der Gruppe von Prof. Vahid Sandoghdar haben mit Hilfe dieses Mikroskops zwei Moleküle entdeckt, die nur wenige Nanometer voneinander entfernt waren. So konnten sie die quantenmechanische Wechselwirkung der beiden Moleküle beobachten. Science Express berichtet in der aktuellen Ausgabe über diese Experimente.

Forscher um Prof. Vahid Sandoghdar von der ETH Zürich haben ein völlig neuartiges Mikroskop entwickelt, mit dem Auflösungen bis zu einem Nanometer möglich sind. Bereits im Mai 2000 hat das Wissenschaftsmagazin „Nature“ darüber berichtet, wie es dieser Forschergruppe, die ursprünglich von der Universität Konstanz stammt, gelungen ist, ein einzelnes Molekül als Lichtquelle für die optische Mikroskopie einzusetzen. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.

Sensible Moleküle

Bestrahlt man ein Molekül bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt mit Laserlicht einer genau „passenden“ Wellenlänge (Farbe), so leuchtet es auf. Diese Wellenlänge ändert sich, wenn sich das Molekül in einem elektrischen Feld befindet.

Die Funktionsweise des neuen Mikroskops basiert nun darauf, dass ein Molekül in einer Ebene bewegt wird, in der es einem stark ortsabhängigen elektrischen Feld ausgesetzt ist. Dieses Feld wird durch eine Mikroelektrode erzeugt, die sich unmittelbar über der Probe befindet. Durchquert das Molekül den Ort, der genau unter der Mikroelektrode liegt, so ist die Wellenlängenänderung am stärksten. Damit ist die Position des Moleküls innerhalb der Ebene bekannt. Ähnlich findet man die Position in der dritten Dimension. Wird diese Prozedur mit zwei oder mehr Molekülen durchgeführt, so kann deren relative Lage zueinander in drei Dimensionen mit Nanometergenauigkeit bestimmt werden.

Moleküle im Duett

Auf diese Art haben die ETH-Wissenschaftler zwei Moleküle entdeckt, die sehr nah beieinander waren. Solche Moleküle tauschen Lichtquanten aus, d.h. sie „sprechen“ miteinander. Während ein einzelnes Molekül bei einer bestimmten Wellenlänge reagiert, verliert es seine Individualität in einer quantenmechanischen Beziehung zu einem anderen Molekül: Die Moleküle sind ununterscheidbar geworden. Dieses Phänomen konnte hier zum ersten Mal durch hochempfindliche Laserspektroskopie an zwei einzelnen Molekülen beobachtet werden.

Ein neuer Weg – auch für Zellen und andere biologische Systeme?

Mit der neuen Methode ist nicht nur die Untersuchung von Modellsystemen möglich. Die ETH-Forscher hoffen nun darauf, auch biologische Systeme mit dem Mikroskop untersuchen zu können. Dazu werden bestimmte Bereiche einzelner Zellen mit einem Farbstoff markiert. Die genauen Positionen der einzelnen Farbstoffmoleküle können dann mit Nanometergenauigkeit bestimmt werden. Die Forscher arbeiten zur Zeit an speziellen Farbstoffen, die sich durch das elektrische Feld gut beeinflussen lassen und selektiv an bestimmte Aminosäuren binden.