Nanotechnologie : Sensibelchen im Tiefgeschoss

An der Freien Universität ging Anfang Juni ein neues, extrem leistungsfähiges Elektronenmikroskop in Betrieb.

Philipp Grätzel Grätz
Arbeit an einem empfindlichen Kraftprotz: Christoph Böttcher, wissenschaftlicher Leiter des Forschungszentrums für Elektronenmikroskopie am Institut für Chemie und Biochemie, überführt in einem Gefäß ein schockgefrorenes Präparat in das Hochvakuum des Elektronenmikroskops.
Arbeit an einem empfindlichen Kraftprotz: Christoph Böttcher, wissenschaftlicher Leiter des Forschungszentrums für...Foto: Bernd Wannenmacher

Wenn Professor Rainer Haag vom Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Kohlenstoffnanopartikel mit winzigen Biomolekülen „verschraubt“, um Viren oder Bakterien zu inaktivieren, dann macht er das nicht im Blindflug: „Wir leben von elektronenmikroskopischen Aufnahmen. Ohne sie könnten wir im Nanobereich nicht arbeiten. Auf einem guten Bild sehen wir auf einen Blick, wie groß etwa ein Nanosystem sein muss, um ein Virus abzuschirmen. Und mit den wirklich guten Geräten werden heute einzelne Moleküle fast gestochen scharf sichtbar. Hier arbeiten wir seit vielen Jahren eng mit der Arbeitsgruppe von Christoph Böttcher am Forschungszentrum für Elektronenmikroskopie (FZEM) der Freien Universität zusammen.“

Anders als optische Mikroskope arbeiten Elektronenmikroskope nicht mit Licht, sondern mit schnellen Elektronen, die von einer Elektrode - einer „Elektronenkanone“ – ausgesandt werden. Die Wellenlänge dieser schnellen Elektronen liegt weit unter einem Nanometer – also einem Millionstel Millimeter – und ist damit sehr viel kürzer als beim Lichtmikroskop. Entsprechend erreichen Elektronenmikroskope eine Auflösung im Bereich von einem Zehntel Nanometer und weniger, während bei Lichtmikroskopen bereits in der Größenordnung von 200 Nanometern Schluss ist.

Eiweißmoleküle in sehr guter Auflösung analysieren

Natürlich ist Elektronenmikroskop nicht gleich Elektronenmikroskop. Wie scharf die Bilder sind, hängt wesentlich von der elektrischen Spannung ab, mit der die „Elektronenkanone“ arbeitet. „Normale“ Elektronenmikroskope liegen bei 100 Kilovolt (kV). An der Freien Universität wurde Anfang Juni mit einem eigens aus diesem Anlass angesetzten Symposium ein neues Mikroskop offiziell in Betrieb genommen, das mit einer 200-kV-Spannungsquelle arbeitet und so schockgefrorene Proben abbilden kann. Das hat den Vorteil, dass die Moleküle in der wässrigen Umgebung, in der sie ihre Funktion ausüben, charakterisiert werden können. „Damit können wir Eiweißmoleküle in sehr guter Auflösung analysieren“, betont Haag. „Wenn wir Nanostrukturen entwickeln, um Viren oder Bakterien zu blockieren, dann können wir sie exakt in die molekularen Strukturen der Keime hineinmodellieren und direkt kontrollieren, ob es passt.“

Noch beeindruckender werden die Aufnahmen aus der Nanowelt, falls ein Förderantrag Erfolg hat, für den sich zahlreiche Berliner Forschungsgruppen unterschiedlicher Einrichtungen zusammengetan haben. Dabei geht es um ein 300-kV-Gerät, quasi die Krone der Schöpfung in der Elektronenmikroskopie. Spätestens dann lassen sich nicht nur einzelne Regionen der Eiweißmoleküle, sondern sogar einzelne Aminosäuren und deren Verknüpfungen abgrenzen. „Diese Auflösung erreicht sonst nur die Röntgenkristallografie, und die ist für Eiweiße nicht so gut geeignet, weil diese nicht als Kristalle vorliegen“, so Haag.

Keine Schwingung darf die modernen Geräte stören

Egal ob 200 kV oder 300 kV: Moderne Elektronenmikroskope sind zwar kräftige Burschen, aber in Wahrheit auch sensible Kerlchen. Sie können nicht einfach irgendwo hingestellt werden. Um Schwingungen und damit unscharfe Bilder zu vermeiden, müssen sie im Keller, direkt auf der Bodenplatte stehen, und auch das funktioniert nur, wenn das Gebäude schwingungsarm gebaut wurde. „Wenn irgendwo in Berlin ein Pflock in den Boden gerammt wird, laufen Bodenwellen mit sehr niedriger Frequenz durch die halbe Stadt“, erläutert Haag. Sie stören die Mikroskope unter Umständen massiv. Auch U-Bahnen können ein Problem sein.

Mit dem SupraFAB-Gebäude wird an der Freien Universität derzeit ein neues Laborgebäude für Wissenschaftler errichtet, die mit molekularen Strukturen an biologischen Grenzflächen wie etwa Zelloberflächen arbeiten. Dorthin soll perspektivisch auch das neue Elektronenmikroskop umziehen. Das SupraFAB-Gebäude ist schwingungsarm konzipiert und hat eine sehr schwere Bodenplatte. Wenn selbst das nicht reicht, können Geräte in dem neuen Gebäude auch mit sehr starken Federn aktiv vom Boden entkoppelt werden.

Am derzeitigen Standort des 200-kV- Kryo-Mikroskops am FZEM wird ein anderer Trick angewendet, um jene Schwingungsruhe herzustellen, die die empfindlichen Kraftprotze brauchen. Hier steht das Elektronenmikroskop auf einem Pendelfundament, einem tonnenschweren Betonblock, der auf einem acht Meter langen flexiblen Rohr im Erdreich frei schwingend verankert ist. Wenn in einiger Entfernung eine U-Bahn vorbeischeppert, dann schwingt nur das Gebäude, weil es nicht schwingungsarm gebaut wurde. Der Pendelblock aber bleibt aufgrund seiner enormen Masse ruhig schweben.

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