Kinder, Rasenmäher, Flugzeuge, Züge, Automobile - fast alles macht Lärm. Und wenn zwei kalifornische Wissenschaftler Recht haben, dann auch lebende Zellen. In jüngsten Experimenten unter Verwendung der Grenzwissenschaft der Nanotechnologie haben die Forscher Beweise gefunden, dass Hefezellen eine Art von Quietschen abgeben, während Säugetierzellen eine andere abgeben können. Die Forschung ist zwar noch vorläufig, aber potenziell "revolutionär", wie es ein Wissenschaftler ausdrückt, und eine mögliche, zugegebenermaßen weit entfernte medizinische Anwendung wird bereits verfolgt: Irgendwann wird nachgedacht, wie man den Geräuschen lauscht, die die Zellen machen könnten einen Arzt, bevor Symptome auftreten, egal ob Sie gesund sind oder kurz davor stehen, krank zu werden.
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Der Begründer der Untersuchung von Zellgeräuschen oder "Sonocytology", wie er es nennt, ist Jim Gimzewski, ein 52-jähriger UCLA-Chemiker, der zu der Ausstellung eines Kunstmuseums über molekulare Strukturen beigetragen hat. Die Idee der Zellgeräusche kam ihm 2001, nachdem ihm ein medizinischer Forscher mitgeteilt hatte, dass lebende Herzzellen weiterhin pulsieren, wenn sie mit geeigneten Nährstoffen in eine Petrischale gegeben werden. Gimzewski fragte sich, ob alle Zellen schlagen könnten und wenn ja, würden solche winzigen Vibrationen einen wahrnehmbaren Klang erzeugen. Schließlich sei der Schall nur das Ergebnis einer Kraft, die auf Moleküle drückt und eine Druckwelle erzeugt, die sich ausbreitet und registriert, wenn sie auf das Trommelfell auftrifft. Er argumentierte auch, dass ein von einer Zelle erzeugtes Geräusch zwar nicht hörbar wäre, jedoch von einem besonders empfindlichen Instrument erfasst werden könnte.
Gimzewski ist gut geeignet, um diese Frage zu beantworten, da er sowohl ein Experte für Instrumentierung ist - er hat seine eigenen Mikroskope gebaut - als auch bequem in der Welt des Infinitesimalen zu Hause ist. Gimzewski ist führend in der Nanotechnologie oder in der Manipulation einzelner Atome und Moleküle, um mikroskopische Maschinen zu bauen. Zuvor arbeitete er im IBM-Forschungslabor in Zürich. Dort bauten er und seine Kollegen einen sich drehenden molekularen Propeller mit einem Durchmesser von 1, 5 Nanometern oder 0, 0000015 Millimetern. Sie bauten auch den kleinsten Abakus der Welt, der als Kügelchen einzelne Moleküle mit Durchmessern von weniger als einem Nanometer aufwies. Nicht zuletzt zeigten die gefeierten Leistungen, dass das vielbeschworene Versprechen der Nanotechnologie in der Realität begründet war.
Für seinen ersten Versuch in der Sonocytologie erhielt Gimzewski Hefezellen von Kollegen aus der Biochemie der UCLA. (Er "hat sich umgesehen", erinnert er sich, als er erklärte, warum er die Zellen haben wollte.) In Zusammenarbeit mit dem Doktoranden Andrew Pelling entwickelte Gimzewski eine Methode, um mit einem Nanotechnologie-Tool namens Atomic Force Microscope (AFM) das Zellrauschen zu testen. Normalerweise erzeugt ein AFM ein visuelles Bild einer Zelle, indem es die winzige Sonde, deren Spitze so klein ist, über die Oberfläche der Zelle bewegt und dabei jede Erhebung und Vertiefung ihrer äußeren Membran misst. Ein Computer wandelt die Daten in ein Bild um. Aber die UCLA-Forscher hielten die winzige Sonde des AFM in einer festen Position und legten sie leicht auf die Oberfläche einer Zellmembran, "wie eine Schallplattennadel", sagt Pelling, um schallerzeugende Schwingungen zu erkennen.
Das Paar stellte fest, dass die Zellwand um drei Nanometer ansteigt und abfällt (etwa 15 Kohlenstoffatome übereinander gestapelt) und durchschnittlich 1.000 Mal pro Sekunde vibriert. Die Entfernung, um die sich die Zellwand bewegt, bestimmt die Amplitude oder Lautstärke der Schallwelle, und die Geschwindigkeit der Auf- und Abbewegung ist ihre Frequenz oder Tonhöhe. Obwohl die Lautstärke des Hefezellengeräusches viel zu niedrig war, um gehört zu werden, sagte Gimzewski, dass seine Frequenz theoretisch im Bereich des menschlichen Gehörs lag. "Also drehen wir nur die Lautstärke auf", fügt er hinzu.
Gimzewski (der in seinem UCLA-Labor ein Modell eines Kohlenstoffmoleküls in der Hand hält) "hört" mit einem Rasterkraftmikroskop auf lebende Zellen. (Debra DiPaolo) Die Frequenz der von den Forschern getesteten Hefezellen lag immer im gleichen hohen Bereich, "etwa Cis bis D über dem mittleren C in Bezug auf die Musik", sagt Pelling. Das Streuen von Alkohol auf eine Hefezelle, um diese abzutöten, erhöht die Tonhöhe, während tote Zellen ein leises, rumpelndes Geräusch abgeben, das laut Gimzewski wahrscheinlich das Ergebnis zufälliger atomarer Bewegungen ist. Das Paar fand auch heraus, dass Hefezellen mit genetischen Mutationen einen etwas anderen Klang erzeugen als normale Hefezellen. Diese Erkenntnis hat die Hoffnung geweckt, dass die Technik schließlich zur Diagnose von Krankheiten wie Krebs eingesetzt werden könnte, von denen angenommen wird, dass sie auf Veränderungen im Erbgut von Zellen zurückzuführen sind. Die Forscher haben damit begonnen, verschiedene Arten von Säugetierzellen zu testen, einschließlich Knochenzellen, die eine geringere Ganghöhe aufweisen als Hefezellen. Die Forscher wissen nicht warum.
Nur wenigen Wissenschaftlern ist die Sonozytologie von Gimzewski und Pelling bekannt, die nicht in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht und geprüft wurde. (Die Forscher haben ihre Ergebnisse zur Veröffentlichung in einem von Fachleuten geprüften Journal eingereicht.) Mundpropaganda hat sowohl Skepsis als auch Bewunderung hervorgerufen. Ein mit der Forschung vertrauter Wissenschaftler, Hermann Gaub, Lehrstuhl für Angewandte Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, sagt, die Geräusche, die Gimzewski für zelluläre Schwingungen hält, könnten andere Ursachen haben. "Wenn die Quelle dieser Schwingung in der Zelle zu finden wäre, wäre dies revolutionär, spektakulär und unglaublich wichtig", sagt Gaub. "Es gibt jedoch viele potenzielle [Schall-] Quellen außerhalb der Zelle, die ausgeschlossen werden müssen." Pelling stimmt zu und sagt, dass er und Gimzewski Tests durchführen, um auszuschließen, dass andere Moleküle in der Flüssigkeit, die die Zellen badet, oder sogar die Spitze des Mikroskops selbst Vibrationen erzeugen, die ihre Sonde aufnimmt.
Ratnesh Lal, ein Neurowissenschaftler und Biophysiker an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, der die Pulsationen von Herzzellen untersucht hat, die in einer Schale am Leben gehalten werden, sagt, dass die Nanotechnologie-Expertise von Gimzewski der Schlüssel sein könnte, um festzustellen, ob Zellen Schall produzieren. "Die ultimative Hoffnung ist, dies in der Diagnostik und Prävention einzusetzen", sagt Lal und fügt hinzu: "Wenn es irgendjemanden auf der Welt gibt, der das kann, kann er das."
Gimzewski räumt ein, dass noch mehr Arbeit geleistet werden muss. In der Zwischenzeit haben die Ergebnisse die Aufmerksamkeit seines UCLA-Kollegen Michael Teitell auf sich gezogen, eines Pathologen, der auf Krebserkrankungen der Lymphozyten, einer Art weißer Blutkörperchen, spezialisiert ist. Er unterwirft Muskelzellen und Knochenzellen von Menschen und Mäusen Drogen und Chemikalien, um genetische und physische Veränderungen hervorzurufen. Gimzewski wird dann versuchen, die veränderten Zellen "anzuhören" und sie durch ihre Klänge zu unterscheiden.
Laut Teitell ist der Gedanke, Krebs in seinen frühesten zellulären Stadien zu erkennen, aufregend, aber es bleibt abzuwarten (oder zu hören), ob die Technologie als diagnostisches Instrument eingesetzt werden kann. Er will die Idee nicht übertreiben: "Es könnte sich herausstellen, dass all diese Signale so verwechselt werden, dass wir uns nicht klar voneinander unterscheiden können."
Gimzewski hofft, dass die Arbeit eine praktische Anwendung findet, aber er ist ebenso begeistert von der Jagd wie vom Fang. "Was auch immer das Ergebnis sein mag", sagt er, "ich bin in erster Linie von Neugier und Aufregung über das Phänomen der zellulären Bewegung getrieben - was die Natur dazu inspiriert hat, einen solchen Mechanismus zu schaffen und wirklich zu verstehen, was diese schönen Klänge bedeuten." Die bloße Möglichkeit, dass er ein neues Merkmal von Zellen entdeckt hat, mit all den faszinierenden Fragen, die sich stellen, ist, sagt er, "schon mehr als genug eines Geschenks."
