Ein Mikroskop aus Licht
| 14. November 2018
Proteine sind die Bausteine des Lebens und nur wenige Milliardstel Meter klein. Der Physiker und ERC Starting Grant-Preisträger Thomas Juffmann forscht an der Universität Wien an neuen Mikroskopiemethoden, um diese winzigen Proben sichtbar zu machen.
Wie kann ich kleinste Strukturen, etwa einzelne Proteine, sichtbar machen, ohne sie dabei zu zerstören, fragt sich der Physiker Thomas Juffmann beinahe täglich. Seit März 2018 forscht er in der Gruppe Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation der Fakultät für Physik daran, neue Mikroskope zu entwickeln, die das möglich machen. Eine Forschung, die mit dem hochdotierten ERC Starting Grant ausgezeichnet wurde. In seinem Labor an den Max F. Perutz Laboratories (MFPL) arbeitet er mit einem kleinen Team an der Entwicklung neuer sowie an der Optimierung bestehender Licht- und Elektronenmikroskope.
Hoch sensitive Lichtmikroskopie
Eines seiner Ziele ist, die Sensitivität von Lichtmikroskopen soweit zu erhöhen, dass einzelne Proteine erkannt und in Echtzeit beobachtet werden können. Um die Umgebung der Proteine nicht künstlich zu verändern, arbeitet Juffmann, ohne externe Farbstoffe an die Proteine anzubinden. Damit können sich WissenschafterInnen biologische Vorgänge genauer ansehen und beispielsweise Bindungsaffinitäten und -dynamiken von Proteinen untersuchen.
Doch da Proteine viel kleiner sind als die Wellenlänge von sichtbarem Licht, könnten sie zwar beobachtet, ihre atomare Struktur aber nicht räumlich aufgelöst werden. Dies will Juffmann anders erreichen – und zwar mit Hilfe von Elektronen.
Zerstörungsfreie Elektronenmikroskopie
Werden Elektronen statt Lichtstrahlen auf eine biologische Probe geschickt, entstehen neue Probleme, denn die biologische Struktur ist sehr fragil. Um die Probe nicht zu zerstören, müssen die Elektronen vorsichtig dosiert werden.
Im Rahmen seines ERC-Projekts geht der Forscher zwei Lösungsansätzen nach: zum einen der Erforschung einer neuen Methode der Elektronenmikroskopie, bei der jedes Elektron vor der Detektion mehrmals durch die Probe geschickt wird. Das ermöglicht einen höheren Informationsgewinn pro Interaktion zwischen einem Elektron und der Probe. Der erste Prototyp eines solchen Geräts wird derzeit in Kollaboration mit der Universität Stanford gebaut.
Die Förderung von grundlagenorientierter Pionierforschung ist einer der Schwerpunkte der Europäischen Union. Dafür wurde der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) geschaffen. Gefördert werden Forschungsprojekte mit hohem Potenzial für Innovationen. Seit 2007 wurden insgesamt bereits 50 ERC Grants an ForscherInnen der Universität Wien vergeben: 14 Advanced Grants, 7 Consolidator Grants, 26 Starting Grants und drei Proof of Concept. ERC Grants der Universität Wien im Überblick
Innovation und Anwendung
Zum anderen widmet sich Juffmann der Verbesserung der Elektronenoptik, um Abbildungsfehler zu minimieren, was in seinem Labor an den MFPL getestet werden soll. "Im Bereich der Elektronenoptik will ich zeigen, dass leistungsstarke Mikroskope, die biologische Proben abbilden und gleichzeitig erhalten, tatsächlich möglich sind. In der Lichtoptik möchte ich hingegen Prototypen bauen, die von BiologInnen an den MFPL direkt genutzt werden können", steckt Juffmann seine Ziele fest. "Letztlich hoffe ich, dass meine Instrumente bei der Untersuchung der Natur und der Erforschung von Krankheiten nützlich sein werden."
Baustoff Licht
Das Labor bietet ihm genügend Platz, ein Elektronenmikroskop zu bauen, in dem die verbesserte Optik realisiert werden kann. Licht spielt dabei eine essentielle Rolle: Während bei bisherigen Elektronenmikroskopen der Elektronenstrahl durch eine angelegte Spannung verformt wird, möchte Juffmann die Elektronen mithilfe eines Lichtpulses lenken.
"Hier geht es um eine neue Art der Elektronenoptik. Wenn ein sehr starker Lichtpuls mit einem Elektron wechselwirkt, kann dies das Elektron auf eine neue Bahn bringen", erklärt der Wissenschafter. "Das Tolle ist, dass wir Licht beinahe beliebig formen können, etwa mit Hilfe eines Spatial Light Modulators. Über die Elektronen-Licht-Wechselwirkung können wir dieses Level an Kontrolle in die Elektronenoptik übertragen und so bessere und vielseitigere Mikroskope bauen."
Thomas Juffmann absolvierte das Studium der Technischen Physik an der TU Wien. Im Anschluss schrieb er seine Dissertation an der Universität Wien, in der er die quantenmechanischen Eigenschaften von großen Molekülen erforschte. Nach Studien- und Forschungsaufenthalten in Stanford und Paris ist er seit März 2018 zurück an der Universität Wien. (© privat)
Zwischen Physik und Biologie
Da sein Bereich der Physik eng mit der Biologie verzahnt ist, ist es für Juffmann umso spannender, auch räumlich an der Schnittstelle zwischen Physik und Biologie zu arbeiten. Neue Ideen und Verbesserungsvorschläge entstehen so in der Diskussion mit BiologInnen und theoretisch Erdachtes und Gebasteltes kann gleich praktisch getestet werden. "Ohne den ERC-Grant wäre das nicht möglich, denn das anfänglich leere Labor muss auch mit passenden Geräten eingerichtet werden", stellt Juffmann fest.
Auch das Team von Juffmann soll noch weiter wachsen. Juffmann ist derzeit auf der Suche nach interessierten Studierenden, die ihre Dissertation oder ihren Master im Bereich der Quantenoptik bei ihm absolvieren und mit dem Projektteam daran arbeiten möchten, Winziges sichtbar zu machen. (pp)
Das Projekt "Microscopy - Making optimal use of photons and electrons" unter der Leitung von Dipl.-Ing. Dr. Thomas Juffmann läuft von März 2018 bis Februar 2023. Das an der Fakultät für Physik angesiedelte Projekt wird mit einem Starting Grant des European Research Councils (ERC) gefördert.
