Forschung & Entwicklung

Laserspektrometer erstellt unverwechselbaren molekularen Fingerabdruck

Ein neuartiges Lasermesssystem kann kleinste Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung von Organismen erkennen und zu einer frühzeitigen Diagnose von Krankheiten führen.

In Organismen zirkulieren verschiedene Arten von Molekülen. Der Stoffwechsel lässt in den Zellen ständig neue Moleküle entstehen, die auch in die Umgebung, etwa in das Blut, abgegeben werden. Ein Ziel der Biomedizin ist es, diesen Molekülmix detailliert zu erfassen und so Auskunft über den Zustand des Organismus zu gewinnen. Denn auch entartete Zellen wie etwa Krebszellen im menschlichen Körper produzieren ganz charakteristische Moleküle. Sie sind oft ein erster Hinweis auf eine Erkrankung. Das Problem dabei ist: Es gibt bisher nur äußerst wenige bekannte solcher Indikatormoleküle, die meist ohnehin in nur äußerst geringer Konzentration im Blut zirkulieren. Dementsprechend schwer ist es, sie nachzuweisen. Biomediziner gehen aber davon aus, dass es sehr viele solcher molekularen Krankheitssignaturen in verschiedenen Molekülklassen wie Protein-, Zucker oder Fettderivate gibt. Die große Herausforderung ist es, sie umfassend und genau genug mit einer einzigen Methode zu detektieren.

Um diesem Ziel näher zu kommen, hat ein interdisziplinäres Team aus Physikern, Biologen und Datenwissenschaftlern des Labors für Attosekundenphysik (LAP) der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik unter der Leitung von Ferenc Krausz, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik/Laserphysik, ein neues Lasermesssystem entwickelt. Mit dessen Hilfe ist es möglich, Fingerabdrücke der molekularen Zusammensetzung biologischer Proben jeglicher Art in Form von Infrarotlicht zu erhalten. Die Technologie arbeitet mit einer bisher noch nie erreichten Empfindlichkeit und kann für jede Biomolekülklasse eingesetzt werden.

Das neue Laserspektrometer beruht auf der Emission extrem starker Infrarotlaserpulse über ein breites Spektrum im infraroten Wellenlängenbereich, die nur Femtosekunden dauern. Das Prinzip dahinter: Moleküle werden durch die ultrakurzen Infrarotlaserpulse zum Schwingen angeregt. Danach schwingen die Moleküle selbständig weiter und senden dadurch kohärentes Licht mit charakteristischen Wellenlängen/Frequenzen aus. Die neue Technologie detektiert dabei die gesamte schwingende Lichtwelle. Jede molekulare Verbindung schwingt bei bestimmten Eigenfrequenzen und trägt damit einen wohldefinierten Anteil zur detektierten Lichtwelle bei.

„Wir haben mit unserem Laser nun einen breiten Wellenlängenbereich im Infrarot, von sechs bis zwölf Mikrometer, für die Anregung von Molekülen abgedeckt“, erklärt Marinus Huber, Mitarbeiter im Team von Biologin Dr. Mihaela Zigman, das im Labor für Attosekundenphysik ebenfalls an den Experimenten beteiligt war. „Anders als etwa die Massenspektroskopie gewährt uns diese Methode Zugang zu allen Molekültypen, aus denen biologische Proben zusammengesetzt sind“, erklärt Zigman.

Die kurzen Laserpulse zur Molekülanregung bestehen aus nur wenigen Schwingungen des Lichts. Das System erreicht dabei eine zweimal höhere Strahlungsbrillanz als konventionelle Synchrotrons, in denen bisher Strahlung für ähnliche Molekularspektroskopie erzeugt wurde. Zudem ist die Infrarotstrahlung räumlich und zeitlich kohärent. Alle physikalischen Parameter zusammen sind verantwortlich für die extrem hohe Sensitivität des neuen Lasersystems. Somit können auch sehr kleine spezifische Molekülkonzentrationen detektiert und damit der ‚molekulare Fingerabdruck‘ sehr genau erstellt werden. Die neuen physikalischen Parameter ermöglichen es nun erstmals, wasserhaltige lebende Proben, die bis zu 0,1 mm dick sind, mit Infrarotlicht zu durchleuchten und dadurch mit bisher nicht dagewesener Empfindlichkeit zu analysieren. In ersten Experimenten mit der neuen Technologie hat das LAP-Team bereits eine ganze Reihe unterschiedlicher Proben untersucht.

„Diese präzise Messung von Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung von Körperflüssigkeiten eröffnet neue Möglichkeiten für Biologie und Medizin und könnte künftig insbesondere in der Frühdetektion von Krankheiten Anwendung finden“, sagt Zigman.

von mn

Originalveröffentlichung:

[I. Pupeza et al., Field-resolved infrared spectroscopy of biological systems, Nature (2020), DOI: 10.1038/s41586-019-1850-7]

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