Thermometer für das Innere lebender Zellen

Cambridge (USA) - Wer in einzelnen Zellen die Temperatur genau messen kann, hält einen Schlüssel für neue Erkenntnisse über biologische Prozesse vom Stoffwechsel bis zum Tumorwachstum in der Hand. Einen Prototyp für ein solches Zell-Thermometer entwickelten nun Wissenschaftler an der Harvard University in Cambridge. Sie verwendeten dazu winzige Nanodiamanten als Sonden, die über schwache Lichtpulse wichtige Daten für eine Temperaturmessung lieferten. In einem Artikel für die Fachzeitschrift „Nature“ erläutern die Forscher die ausgeklügelten Details ihres Thermometers, das zu den kleinsten weltweit zählt.

Mit filigranen Nanonadeln setzten Mikhail Lukin und seine Kollegen vom Department of Physics an der Harvard University einzelne Nanodiamanten in lebende Fibroblasten. Diese Zellen finden sich vor allem im Bindegewebe. Dank einer Verunreinigung mit Stickstoff reagierten die Diamantkristalle aus Kohlenstoff auf einfallendes grünes Laserlicht und sendeten darauf rotes Fluoreszenzlicht aus. Die Intensität dieser roten Lichtsignale hing direkt mit der elektronischen Struktur im Nanodiamanten zusammen. Mit Hilfe von Mikrowellen veränderten die Forscher die elektronischen Anregungen im Kristall genau so, dass sich das rote Fluoreszenzlicht je nach Temperatur der Umgebung änderte. Aufgefangen mit einem Lichtdetektor lieferte eine genaue Spektralanalyse die Daten, aus denen auf die Temperatur in der Zelle geschlossen werden konnte.

In ihren Experimenten erzielten Lukin und Kollegen eine sehr hohe Genauigkeit. So konnten sie mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 200 Millionstel Millimetern die Temperatur in der lebenden Zelle auf etwa ein zwanzigstel Grad genau bestimmen. Als Wärmequelle diente ihnen dabei ein ebenfalls in die Zelle verpflanztes Nanoteilchen aus Gold, das mit einem Laser aufgeheizt werden konnte. In weiteren Experimenten hoffen die Forscher, die Genauigkeit ihrer Messungen bis auf wenige tausendstel Grad steigern zu können.

Erste Anwendungen dieses Nanothermometers könnten in der Zellbiologie liegen, um etwa den Einfluss von Temperaturänderungen auf den Stoffwechsel oder das Wachstum von Tumorzellen zu bestimmen. Doch auch in der Chemie oder in der Materialforschung versprechen sie sich von hochaufgelöstes und exakten Temperaturmessungen neue Impulse.