Gesundheit: Rütteln am Gestell der Zelle

Er wollte zum Mond fliegen und ist auf der Membran einer winzigen Zelle gelandet. Statt als Astronaut das All zu erkunden, sondiert Joachim Spatz den Mikrokosmos des menschlichen Körpers. Mit den feinen Fingern der Mikro- und Nanotechnik greift er nach Tumorzellen und misst ihre Festigkeit. Dabei hat er festgestellt, dass Krebszellen viel weicher als andere Zellen sind und daher leichter Zellmembranen durchdringen und Metastasen bilden können.

Joachim Spatz ist 33 Jahre alt, bereits seit drei Jahren Professor für Biophysikalische Chemie an der Universität Heidelberg und seit vergangenem Jahr zudem außerordentlicher Professor am Jackson Laboratorium in den USA. Nun wird er mit dem Otto-Klung-Weberbank-Preis geehrt. Die alljährlich in Berlin vergebene Auszeichnung zählt nicht nur wegen des Preisgeldes in Höhe von 25000 Euro zu den bedeutendsten Wissenschaftspreisen in Deutschland. Drei der bisher elf Physik-Preisträger haben später auch den Physik-Nobelpreis erhalten.

Joachim Spatz wollte schon als Kind viel höher hinaus: zum Mond. Er wurde 1969 im Jahr der ersten Mondlandung in Heidenheim geboren. Seine Mutter legte während ihrer Schwangerschaft ein Album mit allen Zeitungsartikeln und Bildern der Apollo-Mission an, die sie finden konnte. Das zeigte sie ihrem Sohn, als er im Grundschulalter war. Und der Gedanke, Astronaut zu werden, ließ ihn fortan nicht mehr los.

So wie bei Joachim Spatz hat die Begeisterung für die Raumfahrt schon vielen Schülern das Tor zu den Naturwissenschaften geöffnet. Als Zwölfjähriger bekam er sein erstes Teleskop und verfolgte die Bewegung der Planeten, über die ihm ein Freund der Eltern viel zu erzählen wusste. „Meine Eltern sind keine Akademiker, aber sie haben es verstanden, das einmal bei mir geweckte Interesse zu wahren“, erzählt er. An einer Karriere als Tennis-Profi schlitterte er dagegen als Jugendlicher wegen einer Knieverletzung gerade noch einmal vorbei. So stand dem Physikstudium nichts mehr im Wege, das ihn dann nach und nach von der Himmelsmechanik zur Mikromechanik der Zelle führte.

Die Zelle erhält ihre mechanischen Eigenschaften durch ein bewegliches Gerippe: das Zytoskelett. Es wird von langen Fasern aus Eiweißmolekülen, den Proteinen, gebildet. Hierzu gehören zum Beispiel die nur etwa einen Hunderttausendstelmillimeter dünnen Fäden des Muskelproteins Aktin. Die Aktinfilamente machen die Zelle äußerst elastisch.

Spatz und sein Team, zu dem inzwischen – dank großzügiger Forschungsmittel und Förderpreise – rund 20 Physiker, Chemiker und Biologen zählen, haben die Mechanik des Zytoskeletts studiert. Sie haben beobachtet, wie es sich etwa bei einer Krebszelle verändert, damit sie auf Wanderschaft gehen kann. Die Verstrebungen des Zytoskeletts ziehen sich dafür – angeregt durch ganz bestimmte Moleküle – zurück, die Zelle wird weicher.

Um dies zu erkennen, mussten die Forscher winzige Kräfte messen, die auf das Zytoskelett einwirken. Dazu verwendeten sie kleine Kügelchen (Kolloide) aus Siliziumoxid und anderen Materialien, die sich mit Hilfe von Laserlicht bewegen lassen. Trifft das Licht auf die Oberfläche dieser Partikel, so wird es gebrochen und eine kleine Kraft auf das Kügelchen übertragen. Mit Hilfe mehrerer auf das Teilchen ausgerichteter Laser lässt sich das Kügelchen so in jede beliebige Richtung bewegen oder auch festhalten.

Spatz verwendet für seine Forschungsarbeiten nicht nur eine solche „Laserpinzette“, sondern mehrere gleichzeitig. Mit einem Flüssigkristall, auf den das Laserlicht fällt, vervielfachen er und sein Team den Lichtstrahl. Die komplizierte Optik steuern sie direkt vom Computerbildschirm aus. „Dadurch haben wir viele Hände, um entsprechend viele Teilchen bewegen zu können“, sagt er. „Das System ist relativ leicht handhabbar, und deshalb werden es wohl auch Mediziner und Biologen in Zukunft benutzen.“

Mit dem Ensemble aus Laserpinzetten greifen die Forscher nach dem Zellgerüst. Sie befestigen die Aktinstränge mittels geeigneter chemischer Bindungen an den Siliziumoxid-Partikeln und verfolgen, wie sich das Zytoskelett bewegt. Sie können das Aktingerüst außerdem nachbauen und ein vereinfachtes Zytoskelett, einen „künstlichen Muskel“, erschaffen, um auch an ihm das mechanische und chemische Zusammenspiel der Zellbauteile zu entschlüsseln. „Die Kräfte, die dabei wirken, sind so winzig wie jene, die der Strahl eines Laserpointers auf unsere Hand ausübt“, sagt Spatz.

Mit Hilfe einzelner Laserpinzetten haben Forscher in den letzten Jahren bereits einiges darüber gelernt, wie einzelne molekulare Motoren in der Zelle arbeiten. Doch wie diese Motoren zusammenwirken, um unsere Muskeln zu bewegen, ist bisher unklar.

Spatz hofft, mit seinen Methoden die Komplexität der Zelle besser erfassen zu können und Brücken von der Nanotechnologie zur Medizin zu schlagen, etwa um bessere Implantate herzustellen. Womöglich gar neue Ansätze für die Krebsbekämpfung zu finden? Spatz winkt ab. „Wir stehen in der Biophysik erst ganz am Anfang.“ Bis zum wissenschaftlichen Durchbruch, bis zur nächsten Mondlandung, sei es doch noch etwas hin.