So ebnet Photonik die Wege zum Nobelpreis


Physik-Nobelpreisträger 2018: Arthur Ashkin, Gérard Mourou und Donna Strickland

Drei Laserforscher teilen sich den Physiknobelpreis 2018. Auch die Preisträger in Chemie und Medizin nutzen für ihre Forschung photonische Technologien.

Bei Arthur Ashkin liegt die Verbindung zur Photonik auf der Hand. Bereits in den 1960 Jahren führte der 1922 geborene Experimentalphysiker in den Bell Laboratories erste Versuche durch, um kleine Partikel mithilfe des Strahlungsdruck von Laserstrahlung zu bewegen. Seine erste Veröffentlichung zum Thema - Acceleration and trapping of particles by radiation pressure – stellte 1970 die nun mit dem Nobelpreis gewürdigte Erfindung der optischen Pinzette in Aussicht. Anfangs experimentierte Ashkin mit dielektrischen Partikeln, die er mithilfe zweier gegenläufiger Laserstrahlen sowohl in Luft als auch in Wasser bewegen und fixieren konnte. Es folgten mehrere Zwischenschritte, darunter ein vertikal ausgerichteter Laser, in dessen Strahl die Partikel an dem Punkt schwebten, an dem sich der Strahlungsdruck und die Gravitationskraft die Waage hielten. Im Jahr 1986 gelang seinem Team dann die Entwicklung einer rein optischen Einzelstrahlfalle (single-beam gradient force optical trap), die als erste optische Pinzette überhaupt gilt. Doch damit war sein Forscherdrang noch lange nicht gestillt. Sein Ziel: Per Laser auch lebende Zellen und Viren greifbar machen, ohne zu zerstören, erreichte er durch den Wechsel von grünem zu infraroten Wellenlängen. Heute sind optische Pinzetten aus der biologischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Sie fixieren Proteine, molekulare Motoren, DNA und erlauben Forschern tiefe Einblicke in lebende Zellen.

Hoch energetische, ultrakurze Laserpulse

Die andere Hälfte des Physik-Nobelpreises 2018 teilen sich die Kanadierin Donna Strickland und der Franzose Gérard Mourou für die Entwicklung der Chirped Pulse Amplification (CPA) – einer Methode zur Erzeugung von extrem kurzen, intensiven Laserpulsen. Vereinfacht gesagt werden beim Chirpen ultrakurze Pulse mithilfe optischer Gitter, Spiegel oder Prismen gedehnt. Das senkt ihre Peak-Leistung und damit die Materialbelastung beim anschließenden Verstärken im Lasermedium. Die verstärkten Pulse gehen dann erneut durch eine Optik, die sie wieder staucht. Sprunghaft steigt die Pulsintensität bei dieser optischen Stauchung an. Seit den beiden Forschern 1985 der Durchbruch gelang, hat sich ihr Verfahren auf breiter Front durchgesetzt – und ist in industriellen Materialbearbeitungsprozessen ebenso auf dem Vormarsch, wie in physikalischen, chemischen und medizinischen Anwendungen – sei es in der Forschung oder in der klinischen Praxis. Laserforscher treiben die Pulsdauern in immer neue Regionen, von Femto-(10-15) über Atto-(10-18) bis hin zu Zeptosekunden (10-21). Zugleich steigen die Leistungen in den Petawatt-Bereich. Ein solcher PW-Laserpuls entspricht mehr als der gesamten Wärmeleistung, die der Golfstrom transportiert.

Körpereigene Immunabwehr bekämpft Krebs

James P. Allison und Tasuku Honjo haben unabhängig voneinander Proteine identifiziert, welche die für die Immunabwehr zentralen T-Zellen bremsen und beschleunigen. Allison nahm CTLA-4 ins Visier, das er über einen eigens entwickelten Antikörper abschalten konnte. Seine Idee: Wenn es gelingt, die CTLA-4 Bremse der T-Zellen zu lösen, dann könnte die körpereigene Immunabwehr bösartige Tumore attackieren. Erste Versuche zeigten durchschlagene Wirkung. Honjo gelang es mit dem Brems-Protein PD-1 sogar, Patienten mit bereits im Körper metastasiertem Krebs zu heilen. Was in wenigen Sätzen einfach klingt, ist das Ergebnis jahrelanger Forschung mit unterschiedlichsten analytischen Ansätzen. Neben mikroskopischen Gewebeuntersuchungen, teils unter Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen setzt die Immuntherapeutische Forschung verstärkt auf die Durchflusszytometrie im FACS (Fluorescence activated cell sorter). Dabei werden fluoreszierende Moleküle an Zellen gekoppelt, die dann nach und nach mit Lasern unterschiedlicher Wellenlängen angeregt werden. Wobei die Geräte mehr als 1000 Zellen pro Sekunde analysieren können. Das emittierte Licht gibt Aufschluss auf die Zellpopulation in den Proben. Auch Antikörper-Nachweismethoden wie ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) und ELISpot (Enzyme Linked Immuno Spot Assay) basieren auf Photometrie, Lumineszenz-Analysen und kamerabasierten Auswertungen, bedienen sich also Photonik-Technologien.

Den Chemie-Nobelpreis 2018 teilen sich die Biochemikerin Frances H. Arnold für ihre Forschungen zur gerichteten Evolution von Enzymen sowie George P. Smith und Sir Gregory P. Winter für ihren Beitrag zur Weiterentwicklung der Phagen-Display-Technik zur Erzeugung monoklonaler Antikörper auf rein menschlicher Basis. Im Instrumentenbaukasten der Forscher: verschiedene spektroskopische Verfahren sowie die Fluoreszenz-basierte Polymerase-Kettenreaktion (PCR), um DNA mit Mutationen gezielt zu vermehren. Photonik also, die längst disziplinübergreifende Spitzenforschung ermöglicht.

 
 
 
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