Optogenetik, optische Pinzetten und Biomaterialien – Institut für Quantenoptik

Optogenetik für biomedizinische Anwendungen

Anregung von herzmuskel-ähnlichen optogenetischen Zellen mit blauem Licht. Nach jedem Laserpuls steigt das Calcium-Signal.

Wir erarbeiten Ansätze zur Anregung von Herzzellen und neuronaler Netzwerke mittels Optogenetik, einer Methode, die Licht zur Kontrolle zellulärer Aktivitäten nutzt. Benutzt wird dabei in der Regel blaues Licht mit einer Wellenlänge zwischen 450 und 480 nm, dessen Eindringtiefe in biologisches Gewebe allerdings stark begrenzt ist. Um dieses Problem zu umgehen, werden derzeit Upconverting Nanoparticles (UCNPs) und nichtlineare Anregung mit nah-infraroten, nur einige Femtosekunden andauernden Laserpulsen untersucht. Darüber hinaus entwickeln wir optische Systeme, die eine räumlich kontrollierte Lichtabgabe in auditiven Mittelhirnimplantaten ermöglichen sollen. Wir arbeiten mit Forschungspartnern aus den Bereichen Herzforschung, Tissue Engineering und auditive Neurowissenschaften zusammen und werden vom BMBF für das Projekt "Biopace" und den Exzellenzcluster "Hearing4all" finanziert.

Optische Pinzette zur Messung von zellulären Kräften

Optische Pinzetten sind sehr gut dafür geeignet, Interkationen zwischen Liganden und Transmembranproteinen in lebenden Zellen zu untersuchen. Licht ist in der Lage, Kräfte auszuüben, mit denen Mikro- und Nanopartikel eingefangen und Nanometer genau in allen räumlichen Dimensionen bewegt werden können. In Kombination mit sensitiven Detektionsmethoden können optische Pinzetten benutzt werden, um die auf gefangene Partikel wirkenden Kräfte in der Größenordnung von Pico-Newton zu messen.

Unsere Gruppe hat den Aufbau für eine optische Pinzette realisiert und untersucht derzeit damit Bindungskräfte zwischen Transmembranproteinen und ihren spezifischen Bindungsliganden. Außerdem werden Messungen an lebenden Zellen unter Verwendung von im 3D-Drucker fabrizierten Mikrofluidsystemen und in Kombination mit einer optischen Falle unternommen.

(a) Bild eines mit einer optischen Pinzette gefangenen, 1 Mikrometer großen Partikels in der Nähe einer Zelle (b) Die Zelle wird von dem Partikel wegbewegt, während der Partikel an seiner Position verbleibt.

Biokompatible optiken für lichtleitung und -erkennung

Biokompatible Optiken beschreibt ein noch recht junges Forschungsfeld. In diesem werden weiche und biegsame Polymere als biokompatible Lichtleiter benutzt, um Veränderungen in Gewebe in vivo zu messen oder zu erzeugen. Unsere Gruppe arbeitet mit Hydrogelen auf PEG-Basis, um Licht ohne biologische Schäden in Gewebe einzubringen und optische Signale zu messen.