Biophysik

Unser Körper – ein gigantischer Chor? Kalifornische Forscher haben die sensationelle Entdeckung gemacht, dass Zellen Töne produzieren. Aber nicht nur das: Der Gesang der Winzlinge könnte die Früherkennung von Krankheiten revolutionieren!

Wenige Wissenschaftler kennen die Wunderwelt der Atome und Moleküle so gut wie James Gimzewski. Im legendären IBM- Forschungslabor in Zürich war der gebürtige Schotte nur an der Entwicklung des Rasterkraftmikroskops und des Rastertunnelmikroskops beteiligt. Er hat mit seinem Team unter anderem einen Propeller aus Molekülen gebaut, der es auf die Titelseite von »Science« brachte. Sein Mini-Abakus aus Kohlenstoffatomen – das kleinste Rechenbrett der Welt – sorgte für einen Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde und brachte ihm viel Bewunderung unter den Fachkollegen. Und sein Verfahren zur Herstellung winziger Bio-Roboter aus Silizium könnte in Zukunft den Nachweis von Gen-Defekten ermöglichen.

Am 11. September 2001, am Tag, als in New York die Zwillingstürme zusammenbrachen, wartete der inzwischen weltberühmte Nanowissenschaftler auf ein Paket von einem Medizinforscher aus Sardinien namens Carlo Ventura. Die beiden waren sich ein Jahr zuvor auf einer Konferenz in Rom begegnet, und Ventura hatte von seinen Forschungen an kranken Kinderherzen berichtet. Und dabei hatte er etwas ganz und gar Erstaunliches entdeckt: Einzelne Herz-Stammzellen, die im Labor gezüchtet wurden, schlagen auch in der Petrischale im Rhythmus des lebenden Herzens. Gimzewski war elektrisiert. Wenn Herzzellen schlagen, so schloss er, müssen sie auch eine Art von Geräusch erzeugen. »Wir fragten uns: Wenn wir diesem Geräusch zuhören, könnten wir vielleicht einen Unterschied feststellen zwischen kranken und gesunden Zellen?«

Ventura fand, es sei einen Versuch wert, und versprach, ihm eine Probe seiner Stammzellen zu schicken. Doch während das Paket unterwegs war, krachten die beiden Jumbos in das World Trade Center. Der amerikanische Zoll war alarmiert. »Stammzellen aus Sardinien? Die Beamten warfen einen Blick darauf«, erzählt Gimzewski, »und gingen an die Decke: ›Verdammt, das sind biologische Waffen!‹ Das Päckchen wurde konfisziert, und als ich es schließlich einige Wochen später erhielt, waren alle Zellen tot.«

Spezialisierte Stammzellen kann man nicht einfach per Katalog bestellen. Sie sind komplizierte Organismen, die Forscher mit viel Sorgfalt im Labor wachsen lassen. Gimzewski hätte aufgeben und sich wieder seinen Molekülen zuwenden können. Aber er gehört nicht zu denen, die so leicht aufgeben. Er hatte den Versuch aufgebaut, nun wollte er den Zellen auch zuhören. Irgendwelchen Zellen. Der Forscher griff zum Telefonhörer und rief seine Kollegen von der Biochemie an: Ob sie so nett wären ihm einige Hefezellen runterzuschicken? Als er erklärte, wofür er die Proben haben wollte, hielten sie ihn für verrückt. Hefezellen könnten nie und nimmer Töne erzeugen, geschweige denn könne man sie hören.

Nach den Gesetzen der Akustik verursacht jede vibrierende Oberfläche einen Druck in der umgebenden Luft und ist damit die Quelle von Tönen. Wie beim Lautsprecher einer Stereo-Anlage wird eine Membran zum Schwingen gebracht und erzeugt Geräusche. Doch die Membran einer lebenden Zelle schwingt mit einem so winzigen Ausschlag, dass sie niemals ein menschliches Trommelfell erreichen könnte. Selbst das schwächste Geräusch ist noch ein Geräusch, sagte sich der Spezialist für das Allerkleinste und baute einen Verstärker für die leisesten Töne auf diesem Planeten: Er verfeinerte normale, im Handel erhältliche Software, um die Signale der Zelle in ein hörbares Format umzusetzen. »Mit diesen Datensätzen konnten wir den Zellen direkt zuhören, ohne ihre Frequenzen in irgendeiner Weise zu verändern«.

Doch wie schafft man es, sämtliche elektromagnetischen und thermischen Schwingungen der Umgebung auszuschalten, um wirklich nichts anderes als die Geräusche der Zelle zu hören? Gimzewski und Pelling umhüllten das Rasterkraftmikroskop mit einer Spezialfolie, hängten es auf einem Luftkisssen auf, um es gegen Vibrationen und Lichtschwankungen zu isolieren und stellten das ganze System in eine dunkle und schalldichte Kammer.

Schließlich setzten sie sich im Nebenraum vor ihre aufgerüsteten Computer und lauschten. Plötzlich hörten sie einen lang gezogenen, hohen Kammerton mit tausend Vibrationen pro Sekunde – die Hefezellen singen Sopran. »Wir konnten nicht glauben, was wir hörten«, erzählt Gimzewski. »Wir hielten es für unmöglich, dass sich die Zellen mit einem solchen Tempo bewegten.« Sie vermuteten einen Fehler im Aufbau des Versuchs. Um zu beweisen, dass die Signale keine Artefakte waren, sondern wirklich von den Untersuchungsobjekten stammten, legten sie zum Vergleich eine abgestorbene Zelle unter das Mikroskop. Doch diese gab, im Unterschied zur lebenden Zelle, nur ein flaches, monotones Geräusch von sich.

Nun begannen die beiden Forscher zu experimentieren. Sie erhöhten die Temperatur in der Zelle, und der Ton wurde tiefer. Sie stupsten sie ein wenig an und vernahmen schmatzende Laute. Sie traktierten sie mit Alkohol und erschraken über ihr schrilles Kreischen. Schließlich entzogen sie der Zelle mit einer Chemikalie alle Energie und hörten ein Stöhnen, das in ein tiefes Rauschen überging.

Gimzewski und Pelling, zwei hochkarätige Physiker mit einer musischen Ader, veröffentlichten ihr Experiment nicht nur im angesehenen Fachblatt »Science«. Zusammen mit der deutschen Medienkünstlerin Anne Niemetz produzierten sie sogar ein Multimediakonzert mit dem Titel »The Dark Side of the Cell« (»Die dunkle Seite der Zelle«).

Die wissenschaftliche Welt war fasziniert, doch viele Kollegen blieben skeptisch. Manfred Radmacher, der Leiter des Instituts für Biophysik an der Universität Bremen und Spezialist für das Rasterkraftmikroskop, will das Experiment deshalb wiederholen. »Hefezellen besitzen eine sehr harte Membran, da kann ich mir unter Umständen schon vorstellen, dass sie schwingen und Töne von sich geben. Doch tierische Zellen sind sehr viel weicher und schwimmen in einer Flüssigkeit, die jede Vibration abdämpft.«

Diese Erfahrung machte auch James Gimzewski. Für die Aufzeichnung der Bewegungen menschlicher Zellen musste er eine neue, noch viel sensiblere Versuchsanordnung entwickeln. Denn sein ursprüngliches Ziel, Krankheiten am Klang zu erkennen, hat er nicht aus den Augen verloren: »Die Mechanik der Zelle eröffnet uns völlig neue Möglichkeiten zur Diagnostik, die wir uns zu Beginn unserer Arbeit nicht vorstellen konnten.«

Zusammen mit Mike Teitell, dem Leiter der Abteilung für Kinderpathologie an der UCLA, arbeitet er nun doch an Stammzellen und an verschiedenen Arten von Krebszellen. Der Physiker und der Pathologe möchten wissen:

Was geht im Inneren einer Zelle vor sich, während sie sich zur Krebszelle wandelt? Wie verändert sich ihr Stoffwechsel? An welchen Bewegungsmustern, an welchen Vibrationen, ja, an welchen Tönen kann man erste Anzeichen für diesen Prozess erkennen? Ist es möglich, mit ihren neuen, revolutionären Methoden Zellzerstörungen bereits in frühesten Stadien zu entdecken – noch lange bevor sie biochemisch erfasst werden können?

Mithilfe des Rasterkraftmikroskops und, wenn es sein muss, auch mithilfe eines Teilchenbeschleunigers dringen die Nanoforscher immer tiefer in die Welt des Allerkleinsten und des Allerleisesten. Wenn es ihnen gelingt, den Prozess der Krebsentstehung zu verstehen, gelingt es ihnen vielleicht auch, diesen Prozess rechtzeitig zu verhindern und Menschen von Krebs zu heilen, noch bevor sie daran erkrankt sind. War es dann nicht der Mühe wert, einer
Hefezelle zuzuhören?