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Biomoleküle gefilmt

Kraftmikroskop mit hoher Aufnahmegeschwindigkeit

Von Rainer Scharf

Mit einem Rasterkraftmikroskop läßt sich die Gestalt einzelner Biomoleküle untersuchen, die auf einer Unterlage sitzen und sich in wäßriger Lösung befinden. Dazu tastet eine extrem feine Spitze die Oberfläche des Moleküls punktweise mit nahezu atomarer Genauigkeit ab. Die so erhaltenen Informationen werden anschließend mit einem Computer zu einem Bild zusammengefügt. Bislang hat die Aufnahme eines Bildes etwa eine Sekunde gedauert, so daß schnelle Veränderungen der Molekülgestalt nicht beobachtet werden konnten. Doch jetzt haben japanische Wissenschaftler ein Hochgeschwindigkeits-Atomkraftmikroskop entwickelt, das in einer Sekunde knapp 13 Bilder mit jeweils 10 000 Bildpunkten aufnehmen kann. Mit diesem Gerät filmten sie die Bewegungen von Myosinmolekülen.

Um eine derart hohe Aufnahmegeschwindigkeit erreichen zu können, haben Toshio Ando und seine Mitarbeiter von der Kanazawa-Universität für das Atomkraftmikroskop eine neuartige Abtastvorrichtung entwickelt. Die Spitze, mit der das zu untersuchende Molekül abgetastet wird, sitzt am Ende eines winzigen elastischen Tragbalkens, der ein hundertstel Millimeter lang und etwa ein zehntausendstel Millimeter dick ist ("Proceedings of the National Academy of Sciences", Bd. 98, S. 12468). Mit piezoelektrischen Regelelementen können Balken sowie die Spitze über das Molekül bewegt und in gewünschter Höhe positioniert werden. Selbst kleinste Erschütterungen lassen den Balken einige hunderttausendmal in der Sekunde schwingen. Die Schwingungen registrieren die Forscher mit einem Laserstrahl, der vom Balken reflektiert und auf einen Photodetektor geworfen wird.

Bringt man die auf- und abschwingende Abtastspitze nahe genug an die Moleküloberfläche heran, so dämpften molekulare Kräfte die Schwingungen. Je schneller die Schwingungen abklingen, desto näher befindet sich die Spitze an der Moleküloberfläche. Auf diese Weise können die Forscher das Molekül Punkt für Punkt vermessen. Der Bildbereich des Atomkraftmikroskops ist ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 240 Nanometern. Dieses hat man in 10 000 Pixel aufgeteilt, die jeweils dreizehnmal in der Sekunde vermessen werden. Die Spitze erreicht dabei Geschwindigkeiten von einem halben Millimeter in der Sekunde.

Die japanischen Wissenschaftler demonstrierten die Leistungsfähigkeit ihres Atomkraftmikroskops, indem sie die Bewegungen von Myosinmolekülen sichtbar machten. Das Myosin, das Antriebselement der molekularen Motoren in den Zellen, saß auf einer Oberfläche, die sich in einer Adenosintriphosphatlösung befand. Das Adenosintriphosphat lieferte den Myosinmolekülen die nötige Antriebsenergie. Unter dem Atomkraftmikroskop waren die Gestalt und die Bewegungen der Moleküle deutlich zu erkennen. Der Versuch, die Aufnahmegeschwindigkeit von dreizehn auf 25 Bilder in der Sekunde zu erhöhen, scheiterte allerdings noch an der Trägheit der Regelelemente, die die Spitze bewegten. Schon jetzt eröffnet das neue Atomkraftmikroskop aber die Möglichkeit, zahlreiche molekularbiologische Prozesse mit Nanometerpräzision zu beobachten und dadurch besser zu verstehen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 31.10.2001, Nr. 253 / Seite N1

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