Neuartiger Mikrochip zur Erzeugung eines ultrafeinen Flüssigkeitsstrahls

Wie kann man einen Flüssigkeitsstrahl erzeugen, der um ein Vielfaches dünner ist als ein menschliches Haar? Wie ist es möglich, den winzigen Durchmesser und die Dynamik dieses Strahls zu kontrollieren und exakt vorherzubestimmen? Ein neuartiger Kunststoff-Mikrochip bietet flexible Lösungen für dieses Problem. Dr. Martin Trebbin an der Universität Bayreuth hat ihn - in Kooperation mit einem internationalen Forschungsteam - konzipiert, im Labor gefertigt und erfolgreich erprobt. Die neue Entwicklung ist von hoher technologischer Relevanz, beispielsweise für die Mikrobioanalytik, die medizinische Wirkstoff-Forschung oder die Mikrofaserproduktion. Aufgrund seiner erfolgreichen Forschungsarbeiten hat der Bayreuther Nachwuchswissenschaftler jetzt einen Ruf auf eine W1-Juniorprofessur an der Universität Hamburg erhalten.

Feinste Transportbahnen auf engstem Raum

Der durchsichtige Kunststoff-Mikrochip ist nicht viel größer als eine 1-Cent-Münze. Er besitzt ein sehr feines System von Mikrokanälen sowie eine Düse, aus der ein extrem dünner Flüssigkeitsstrahl austreten kann. Dieser 'Flüssigkeits-Jet' hat je nach Konstruktion des Chips einen Durchmesser von wenigen Mikrometern. Der von Dr. Trebbin gefertigte Chip erzeugt einen Strahl, der - unter dem Elektronenmikroskop gemessen - nur 2,46 Mikrometer dünn ist, während ein menschliches Haar rund 20 mal so dick ist. Oder anders gesagt: Würde man eine 1-Euro-Münze in 1000 übereinander liegende Scheiben zerschneiden, wäre der Strahl ungefähr so dünn wie eine dieser Scheiben. Die Flüssigkeitsmengen, die der Strahl transportiert, sind entsprechend gering. Sie liegen je nach Verwendung des Chips bei 150 bis 1000 Mikrolitern pro Stunde. Mit einer 1-Liter-Wasserflasche ließe sich ein Flüssigkeitsstrahl bei einer Flussrate von 500 Mikrolitern pro Stunde rund 12 Wochen lang durchgängig betreiben.

Kristallographische Analysen bisher unzugänglicher Proteine - neue Chancen für die Strukturbiologie und die Wirkstoff-Forschung
Seit die räumliche Struktur des menschlichen Erbguts bereits in den 1950er Jahren mithilfe der Röntgenkristallographie aufgeklärt werden konnte, wird dieses Verfahren eingesetzt, um Biomoleküle zu analysieren, die beispielsweise für den Stoffwechsel oder für Alterungsprozesse eine zentrale Rolle spielen. Weil aber die Röntgenkristallographie in der Regel zu schwache Bilder von einzelnen Proteinen liefert, war man zunächst dazu übergegangen, ausgehend von einzelnen Biomolekülen große Kristallstrukturen herzustellen. Diese Kristalle ermöglichen deutlich präzisere Einblicke in die Strukturen der Einzelmoleküle. Ihre Züchtung im Labor ist allerdings sehr zeitaufwändig, und es gibt zahlreiche Proteine, die keine Kristalle in ausreichender Größe bilden oder nur in zu geringen Mengen verfügbar sind.

In den letzten Jahren konnte die Röntgenkristallographie jedoch so weiterentwickelt werden, dass bereits kleine Mengen winziger Kristalle im Nanometerbereich ausreichen, um detaillierte Informationen über die Strukturen einzelner Proteine zu gewinnen. Derart kleine Kristalle lassen sich wesentlich einfacher herstellen, so dass jetzt eine Vielzahl zuvor unzugänglicher Proteine untersucht werden können. Bei diesen neuartigen Analysen kommen so genannte Röntgen-Freie-Elektronen-Laser - X-ray free electron laser, kurz: XFEL - zum Einsatz. Diese noch junge Technologie ist umso erfolgreicher, je effizienter es gelingt, viele solcher Nano-Proteinkristalle nacheinander den ultrakurzen Röntgenblitzen auszusetzen.

An genau diesem Punkt eröffnet der von Dr. Martin Trebbin entwickelte Mikrochip wertvolle Möglichkeiten. Die zu untersuchenden Proteine werden in spezielle Lösungen gegeben werden, in denen sich dann nanometergroße Proteinkristalle bilden. Im nächsten Schritt wird daraus mithilfe des Mikrochips ein Flüssigkeitsstrahl erzeugt, der außerordentlich effizient ist. Denn er ist so dünn, dass einzelne Nanokristalle nacheinander aus dem Chip austreten und nun von den blitzartigen Röntgenpulsen des Freie-Elektronen-Lasers getroffen werden können. Die dabei entstehenden seriellen Aufnahmen bieten zusammen ein präzises Bild von der dreidimensionalen Struktur des jeweiligen Proteins.

"Die Forschungsidee, die XFEL-Technologie mit einem solchen dünnen Flüssigkeitsstrahl zu kombinieren, ist erst vor wenigen Jahren geboren worden", erklärt Dr. Trebbin. "Der Mikrochip, den wir hier in Bayreuth entwickelt haben, hat nun das Potenzial, die systematische Umsetzung der Idee der seriellen Femtosekunden-Nanokristallografie erheblich voranzubringen. Denn die Strukturen wichtiger Biomoleküle, welche zuvor nur schwer oder nicht zugänglich waren, lassen sich jetzt röntgenkristallographisch mit hoher Präzision untersuchen. Nicht allein die strukturbiologische Grundlagenforschung, sondern auch die Entwicklung neuer medizinischer Wirkstoffe können von den so gewonnenen Erkenntnissen profitieren."

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Quelle: Universität Bayreuth