Dead or alive
Elektrophorese: lebende und abgestorbene Zellen sortieren
Die Elektrophorese von Molekülionen ist ein gängiges Trennungsverfahren der Biochemie. Mit einem etwas raffinierteren experimentellen Aufbau lassen sich sogar lebende und abgestorbene Zellen sortieren, denn die Wände lebender Zellen können - anders als abgestorbene - ihre Durchlässigkeit für Ionen steuern.
Das übliche Prinzip der Elektrophorese (Mikrorechner gegen Krebs) ist die mit dem Molekülradius variierende Wanderungsgeschwindigkeit suspendierter Molekülionen in elektrischen Feldern; die Methode eignet sich auch für Makromoleküle oder Zellen, sofern sie eine elektrische Ladung tragen. Die Wanderungsgeschwindigkeit ist dabei der Stärke des angelegten elektrischen Feldes proportional sowie umgekehrt proportional zum Teilchenradius und zur Zähigkeit des Mediums. Somit lassen sich die Teilchen nach Größe oder Masse sortieren. Eine hohe Trennschärfe beim Molekülradius und ein hoher Teilchendurchsatz sind bei dieser Methode normalerweise gegenläufige Ziele.
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| Ein Gemisch aus lebenden und abgestorbenen Zellen (a) lässt sich sortieren (d). Auf die lebenden Zellen wirkt eine Kraft in Richtung des Mittelpunkts des projizierten Musters (gelb), die abgestorbenen Zellen diffundieren durch die Lücken nach und nach hinaus, sie werden nicht eingefangen. Bilder: Ming C. Wu, Univ. Berkeley |
Sind die zu trennenden Teilchen, beispielsweise Zellen, elektrisch neutral, so lassen sie sich mit einer subtilen Verfeinerung der Methode dennoch sortieren, diese heißt Di-Elektrophorese. Während bei der normalen Elektrophorese das angelegte elektrische Feld an der Ladung des Molekülions anpackt, erfährt ein neutrales Teilchen nur bei einem endlichen elektrischen Feldgradienten eine elektrostatische Kraft. Gradient bedeutet soviel wie räumlicher Anstieg oder Abfall. Fallen die Schwerpunkte der positiven und der negativen Ladungen im Teilchen nicht zusammen, so hat es ein endliches Dipolmoment, so dass in einem inhomogenen elektrischen Feld eine Kraft wirkt. Das Feld muss hinreichend stark sein, damit die Bewegung in folge der elektrischen Kräfte über die Brownsche Molekularbewegung vorherrscht.
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Wie kommt das Dipolmoment bei Zellen zustande? Abhängig vom umgebenden Medium und den Membraneigenschaften der Zelle lassen sich Zellen bei anliegendem Feld polarisieren, also Dipolmomente in ihnen induzieren. In lebenden Zellen ist die äußere Membran selektiv permeabel, sie kann also ein Ionen-Konzentrationsgefälle zwischen innen zu außen aufrecht erhalten, abgestorbene Zellen können das nicht, die Ionen diffundieren durch die Membran hindurch ins umgebende Medium, so dass sich die Ionenkonzentrationen innen und außen angleichen.
Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Berkeley haben eine Apparatur aufgebaut, mit der sie lebende und abgestorbene Zellen sortieren, Details berichten sie in der Ausgabe vom 21. Juli 2005 der Zeitschrift Nature auf Seite 370 in Band 436. Das Prinzip ist die Modulation eines elektrischen Feldes auf einer photoleitenden Schicht mittels eines projizierten optischen Abbilds. Fällt Licht auf die photoleitende Schicht, so entsteht - entsprechend dem Muster - ein inhomogenes elektrisches Feld, welches eine Kraft auf die polarisierbaren Teilchen ausübt.
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| Ein Mikrospiegel-Matrix mit 1024 mal 768 Bildpunkten, welche für handelsübliche Projektoren entwickelt wurde, bildet ein Muster auf eine photoleitende Fläche ab, als Lichtquelle dient eine bei 625 nm mit einer optischen Leistung vom 1 mW leuchtende LED. Die Frequenz der Wechselstroms (a. c.) beeinflusst, ob die Teilchen von der beleuchteten Fläche angezogen oder abgestoßen werden. Eine elektrisch leitende, transparente Indium-Zinn-Oxid-Schicht (ITO) kontaktiert die aus Nitrid sowie intrinsischem und stark n-dotiertem, amorphem Silizium beschichtete Fläche. |
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