Links- oder rechtshändig? Nanostrukturen mit Licht entlarvt

Warum riechen Pfefferminze und K¨¹mmel so unterschiedlich, obwohl ihre Hauptduftstoffe fast identisch sind? Warum kann ein Medikament Leben retten, w?hrend sein Spiegelbild wirkungslos oder sogar sch?dlich ist? Die Antwort liegt in der Chiralit?t, der ?H?ndigkeit? von Molek¨¹len. So wie sich die linke und rechte Hand gleichen, aber nicht deckungsgleich ¨¹bereinanderliegen k?nnen, gibt es von vielen Molek¨¹len eine linke und eine rechte Version. Und diese wirken oft v?llig unterschiedlich.

Ein Forschungsteam der ETH Z¨¹rich um Romain Quidant, Professor f¨¹r Nanophotonik, hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Chiralit?t mit nur einem einzigen Bild r?umlich sichtbar machen l?sst. Bisher liess sich Chiralit?t meist nur ¨¹ber die gesamte Probe hinweg messen und das Ergebnis war jeweils ein Durchschnittswert.

?Mit der neuen Methode k?nnen wir erkennen, in welchen Bereichen unserer Probe links- respektive rechtsh?ndige Strukturen auftreten, und dies in einem einzigen Bild?, erkl?rt Rebecca B¨¹chner, Doktorandin bei Quidant und Erstautorin der in der Fachzeitschrift ?Nature Photonics? erschienenen externe Seite Studie.

Licht als Schl¨¹ssel zur H?ndigkeit

F¨¹r die Studie verwendete Rebecca B¨¹chner eigens hergestellte Nanostrukturen aus Gold ¨C also k¨¹nstlich erzeugte chirale Proben ¨C, die von Jose Garc¨ªa-Guirado, dem Labormanager in Quidants Gruppe, gefertigt wurden. B¨¹chner wusste daher genau, wie viele links- und rechtsh?ndige Anteile im Bild zu erwarten waren. Um die Chiralit?t dieser Proben sichtbar zu machen, setzte sie eine neu entwickelte bildgebende Methode ein, die wie eine hochspezialisierte Kamera funktioniert. Das Besondere daran ist ihre F?higkeit, zu erfassen, wie die Probe mit unterschiedlichen Formen von zirkular polarisiertem Licht wechselwirkt.

Zirkular polarisiertes Licht ist eine Form von Licht, bei der sich die Wellen spiralf?rmig nach links oder rechts drehen, w?hrend sie sich fortbewegen. Viele chirale Molek¨¹le in der Natur reagieren unterschiedlich auf diese Lichtarten: Sie absorbieren beispielsweise linksgedrehtes Licht st?rker als rechtsgedrehtes oder drehen dessen Schwingungsrichtung leicht.

Im Gegensatz zu herk?mmlichen Verfahren, die zwei getrennte Messungen mit links- und rechtszirkular polarisiertem Licht ben?tigen, erfasst B¨¹chners Methode beide Drehrichtungen gleichzeitig. M?glich wird dies durch einen raffinierten optischen Aufbau: Nachdem das Licht die Probe durchlaufen hat, wird es mithilfe von Referenzstrahlen in seine links- und rechtsh?ndigen Komponenten aufgespalten. Dabei entstehen ?berlagerungsmuster, die sichtbar machen, wie jede Lichtart mit der Probe interagiert hat ¨C und so die Chiralit?t abbilden.

Eine normale Kamera w¨¹rde aus dieser ?berlagerung nur ein unlesbares Bild aufnehmen. Doch dank der neuen Methode liest ein Computer die Informationen pr?zise aus. Das Ergebnis sind farbige Karten, die zeigen, welche Teile der Probe links- oder rechtsh?ndig sind. ?Wir konnten sogar Buchstaben wie ?L? und ?R? sichtbar machen, die aus unterschiedlich h?ndigen Nanostrukturen aufgebaut waren?, berichtet B¨¹chner.

Chancen f¨¹r die Biologie und Materialwissenschaft

?Das gr?sste Potenzial unserer Methode sehe ich ¨¹berall dort, wo Chiralit?t r?umlich variiert ¨C und das bisher kaum messbar war?, sagt Jaime Ortega Arroyo, Senior Scientist und Mitbetreuer des Projekts. Besonders in der Materialwissenschaft sei das ein bekanntes Problem: Chirale Materialien lassen sich schwer r?umlich aufl?sen, etwa wenn unterschiedliche Zonen in einem Werkstoff jeweils eine andere H?ndigkeit aufweisen. Die neue Methode erlaubt es nun, diese Unterschiede direkt sichtbar zu machen.

F¨¹r biologische Proben sehen die Forschenden ebenso Potenzial. So k?nnten etwa gesunde und kranke Gewebe nicht nur in ihrer Zellstruktur, sondern auch in ihrer Chiralit?t voneinander abweichen. Mit dem bildgebenden Ansatz w?re es m?glich, solche Unterschiede direkt im Gewebe zu erkennen, ohne F?rbung oder mechanischen Eingriff. ?Das gilt nicht nur f¨¹r Molek¨¹le, sondern auch f¨¹r gr?ssere Strukturen wie Teile von Zellen, deren Chiralit?t bislang kaum untersucht werden konnte?, f¨¹hrt B¨¹chner aus.

Auch in der Pharmazie sind Anwendungen denkbar: Viele Medikamente bestehen aus chiralen Molek¨¹len, von denen nur eine Variante wirksam ist. Eine Methode, die die H?ndigkeit in der Fl?che aufl?st, k?nnte helfen, komplexe Gemische besser zu analysieren, oder neue Diagnoseverfahren zu entwickeln.

Im Labor den Feinschliff machen

Noch befindet sich die neue bildgebende Methode im Forschungsstadium. Die gemessenen Signale sind bisher eher niedrig und st?ranf?llig. ?Unsere gr?sste Herausforderung war es, das Rauschen im Bild und andere st?rende Effekte so weit zu senken, dass wir sicher sein konnten, dass die Signale tats?chlich von der Chiralit?t stammen?, sagt Ortega Arroyo.

In einem n?chsten Schritt m?chten die Forschenden das System empfindlicher machen. Bis zur Anwendung in der realen Welt sind die Forschenden noch weit entfernt. Vorerst geht es vielmehr darum, geeignete Anwendungen zu identifizieren und die Methode daf¨¹r anzupassen. ?Wir wissen, was unsere Plattform leisten kann, aber andere Forschende wissen viel besser, welche weiteren Anwendungsf?lle man damit am besten untersuchen k?nnte?, sagt B¨¹chner.