Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nanophysik

Eine Frage der Sichtbarkeit

München, 05.08.2016

Ralf Jungmann hat einen ERC Starting Grant bekommen – und eine Physikprofessur. Mit Methoden der DNA-Nanotechnologie entwickelt er Lichtmikroskope, die biologische Zellstrukturen von nur wenigen Nanometer Größe zeigen können.

Für den tiefen Blick in die Nanowelt experimentiert Ralf Jungmann mit speziell erweiterten Lichtmikroskopen. Foto: Joerg Koch

Wer sich mit Ralf Jungmann unterhält, muss wachsam sein. Denn der Physiker nimmt einen in rasanter Geschwindigkeit mit in eine Welt, die sich der Vorstellungskraft entzieht. Es ist eine Welt, die nach physikalischen Gesetzen selbst mit den besten Lichtmikroskopen nicht mehr direkt zugänglich ist. Gleichzeitig aber ist es eine Welt, in der sich alle wichtigen Prozesse des Lebens abspielen, es ist das Universum der Proteine und Moleküle in unseren Zellen. Darin spielen sich Vorgänge ab, die über unser Leben entscheiden, nicht nur dann, wenn Zellen zu Krebszellen entarten. Es ist ein Kosmos, über den wir noch viel zu wenig wissen. Ralf Jungmann will deshalb die einzelnen Moleküle im wahrsten Sinn des Wortes ins Blickfeld der Mikroskope rücken, die er entwickelt – eine Aufgabe, die ihn an die Grenzen des physikalisch Machbaren führt. Mit seinem elfköpfigen Team baut Jungmann, gerade zum Professor an der LMU berufen, mit Hilfe der DNA-Nanotechnologie neuartige, superauflösende Mikroskope für biomedizinische Anwendungen, gefördert aus renommierten Programmen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des Europäischen Forschungsrates (ERC).

Man muss auch deshalb gut aufpassen, weil sich im Bereich der superauflösenden Mikroskopie in den vergangenen Jahren unglaubliche Dinge getan haben. Der 35-jährige Physiker erzählt im Schnelldurchlauf von STED- und STORM- und PALM-Mikroskopen und den faszinierenden Lattice-Light-Sheet (LLS)-Mikroskopen, die Zellen Ebene für Ebene abtasten. Und während man noch überlegt, wie diese sich nun unterscheiden, winkt Jungmann schon ab. „Ach, die ähneln sich im Prinzip alle“, sagt er und lacht. Man ahnt in diesem Moment, dass man sich eine solche Leichtigkeit hart erarbeiten muss – gerade wenn man an technologischen Grenzen unterwegs ist. Erst im Jahr 2014 bekamen drei Wissenschaftler für ihre Entwicklungen im Bereich der superauflösenden Mikroskopie den Nobelpreis für Chemie: der Göttinger Physiker Stefan Hell und die US-amerikanischen Forscher Eric Betzig und William E. Moerner. Ihre Forschungen verbesserten das Auflösungsvermögen bis zu einem Zehntel der optischen Auflösungsgrenze. In den vergangenen Jahren haben die Forscher die Grenzen der Mikroskopie in den Nanobereich verschoben.

Wie bei der japanische Faltkunst
„Ich möchte die Fluoreszenz-Mikroskopie weiterbringen, indem ich Werkzeuge aus der Welt der DNA-Nanotechnologie, zum Beispiel DNA-Origami, nutze, kleine fluoreszierende Sonden“, sagt Jungmann. So lasse sich eine Auflösung erreichen, mit der die molekulare Ebene „sichtbar“ wird. DNA-Origami ist wieder so ein Begriff, der einem in dieser Grenzwelt begegnet. Wie bei der japanischen Faltkunst geht es darum, dreidimensionale Strukturen zu formen, nicht aus Papier allerdings, sondern im Nano-Maßstab aus Strängen des Erbmaterials DNA.

Wer komplexe biologische Systeme verstehen will, muss in die Nanowelt vordringen. Doch lange waren die Mikroskope durch eine theoretische Grenze limitiert, die die klassische Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzte. Strukturen kleiner als 200 Nanometer sind aufgrund der Beugungsgesetze der Physik nicht mehr zu erkennen. Wenn es aber um Zellen und ihr Innenleben geht, um Rezeptoren, Moleküle und Proteine, reichen diese Auflösungen nicht aus. Proteine haben oft eine Größe von nur wenigen Nanometern. „Meine Motivation ist es, neue Technologien zu entwickeln, die helfen, biologische Fragestellungen zu klären“, sagt Ralf Jungmann. „Ich will mit höchstmöglicher Auflösung hunderte, ja tausende Bestandteile einer Zelle wie Proteine, Gene oder RNA-Bruchstücke sichtbar machen. Und ich will meine Technik so einfach machen, dass sie irgendwann in jedem Standardlabor der Welt einzusetzen ist.“

Das sind hohe Ziele, doch Jungmann scheint auf einem guten Weg zu sein. Er hat bereits während Studium und Post-Doc-Zeit mehrere Auszeichnungen und Stipendien erhalten, etwa vom Deutschen Akademischen Austauschdienst oder von der Humboldt-Stiftung. Sein Interesse an der Nano-Welt war bereits während seiner Diplomarbeit im Jahr 2006 groß, als er an der University of California in Santa Barbara die Veränderungen an den Feinstrukturen von Knochen bei Biegung untersuchte. Damals las er eine Veröffentlichung des US-amerikanischen Wissenschaftlers Paul Rothemund darüber, wie man DNA-Stränge zu Strukturen und Figuren faltet, dieser machte etwa Smileys in Nanometer-Größe. „Ich war total fasziniert davon.“ Jungmann ging zurück nach Deutschland ins DNA-Nanotechnologie-Labor von Friedrich Simmel, Professor für Bioelektronik an die TU München. „Wir waren Pioniere der DNA-Origami-Technik in Deutschland“, sagt Jungmann. Dort erkannte er, dass sich die Erkenntnisse aus der Origami-Welt auch für die Mikroskopie nutzen lassen könnten. Seine Fähigkeiten brachten ihn zurück in die USA, nach Harvard.

Weiter auf Seite 2: Molekulare Steckbretter

 

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