Im Labor des Universitätsklinikums Jena forscht Professor Michael Börsch mit seinem Team auf dem Gebiet der Mikroskopie-Methodik. Für ihre Experimente nutzen die ­Wissenschaftler seit kurzem besondere Lasertisch-Konditioniereinheiten: Sie ermöglichen ihnen, bei Versuchen mit vorgetrockneter Luft zu arbeiten und die Lufttemperatur präzise ­einzustellen.

Das war vorher nicht umsetzbar, erklärt der Wissenschaftler: „Die Lasertisch-Konditioniervariante, mit der wir bisher arbeiteten, ermöglichte keine Vortrocknung der eingeblasenen Luft, sodass je nach Wetterlage unlösbare Kondensationsprobleme auftraten. Die alten Lüftermotoren waren nach wenigen Betriebsjahren teilweise defekt und so laut, dass an konzentriertes Arbeiten kaum zu denken war. Zudem haben Schallwellen die optische Auflösung unserer Experimente massiv beeinträchtigt.“
Seit rund 10 Jahren baut der Industriedienstleister Wisag solche Lasertisch-Konditioniereinheiten für Kunden aus den Bereichen Mikrostrukturphysik und optische Forschung sowie für Experimente in der Atomphysik. Bereits 2015 hat Wisag Lasertisch-Konditioniereinheiten für andere wissenschaftliche Institute – z. B. für das Helmholtz-Institut in Mainz – hergestellt und konnte so für die Uniklinik Jena auf ein Erfolgsprodukt zurückgreifen.
Für die Experten stellen Projekte mit Lasertisch-Konditioniereinheiten immer eine Herausforderung dar: Neben maximaler Temperaturkonstanz und trockener, staubfreier Luft erfordert die wissenschaftliche Arbeit im Labor minimalen Schall und kleinstmögliche elektromagnetische Störungen durch die Lüftermotoren. „Die Lasertisch-Konditioniereinheiten sind schallgedämmt und werden schallentkoppelt vom Lasertisch aufgestellt oder aufgehängt. Wir verwenden ein Medium zur Kühlung der entstehenden Lasten, dessen Temperaturen nah am Umfeld liegen.
Langsam drehende Motoren ermöglichen dabei einen leisen Betrieb“, erklärt Axel Tesch, Vertriebsingenieur bei der Wisag Gebäude- und Industrieservice in Dresden. „Alle von uns gefertigten Lasertisch-Konditioniereinheiten sind individuell hergestellte und auf den Nutzer zugeschnittene Lösungen – es kommt ja auch immer auf das Platzverhältnis im Labor an. Da es sich in den meisten Fällen um Sonderbauten in beengten, älteren Laborgebäuden handelt, stellt auch die Evaluation vorhandener Gebäudetechnik bezüglich möglicher Nutzung eine unserer wichtigsten Aufgaben dar.“
Da an der Uniklinik Jena unter den Mikroskopen mit biologischen und gentechnisch veränderten Proben gearbeitet wird, sind neben (laser-)physikalischen und laborchemischen auch biologische Sicherheitsverordnungen zu berücksichtigen, sodass die Materialauswahl für den Bau der Lasertisch-Konditioniereinheiten eingeschränkt war. So mussten die Schutzvorhänge, die die Lasertische umgeben, beispielsweise lichtdicht schwarz, nicht brennbar, in geringem Umfang lösungsmittelbeständig und routinemäßig mit 70 % Ethanol-Wasser-Gemischen abwaschbar sein.
„Für das Forschungsinstitut in Jena ist ein externer Dienstleister wie die Wisag auch nach der Inbetriebnahme wichtig“, erklärt Prof. Börsch. „Das Universitätsklinikum kann nur in begrenztem Umfang den Betrieb sowie einfache Installations- oder Wartungsarbeiten an existierenden Lasertisch-Konditioniereinheiten mit eigenem Fachpersonal durchführen. Ein Dienstleister ist für uns also unerlässlich. Kurze Reaktionszeiten auf mögliche Störungen oder auch Software-Updates sind dabei äußerst wichtig. Hier profitiert das Inst­itut vom breiten Niederlassungsnetz des Dienstleisters: Damit die Kollegen jederzeit schnell und flexibel reagieren können, übernimmt die Wisag Niederlassung Erfurt die Instandhaltung und Wartung der Lasertisch-Kon­ditioniereinheiten.
Beide Lasertisch-Konditioniereinheiten sind im ersten Obergeschoss eines älteren Forschungsgebäudes der Uniklinik am Nonnenplan in Jena untergebracht. Sie sorgen dafür, dass die staubfreie, getrocknete und gekühlte Luft gleichmäßig über offene optische Laser- und Mikro­skopie-Aufbauten strömt und optische Spiegel und Filterelemente somit weniger schnell altern.
„In dieser Anwendung sind die Anforderungen an die Kühlung sehr hoch“, so Tesch. „Die Temperatur darf – sowohl kurzfristig, also innerhalb von 24 Stunden, als auch langfristig, sprich über ein ganzes Jahr betrachtet – nicht mehr als 0,5 Kelvin von der Soll-Temperatur abweichen. Nur so ist gewährleistet, dass das Team um Professor Börsch täglich ohne großen Justage-Aufwand Experimente durchführen kann.“ Spezielle Lüftermotoren verhindern darüber hinaus vibrationsbedingte Einschränkungen der optischen Auflösung in den Experimenten.
Die Arbeitsgruppe (AG) um Professor Börsch gehört zu den Pionieren im Bereich des Förster-Resonanz-Energietransfers (FRET) an Membranproteinen und entstand kurz nach der ersten Veröffentlichung der Methode 1996. Derzeit besteht die AG aus drei Postdoktoranden, einer technischen Angestellten und einer wissenschaftlichen Hilfskraft. „Unsere biophysikalisch ausgerichtete Arbeitsgruppe untersucht Konformationen und Arbeitsweisen einzelner Proteine. Zum Beispiel das Enzym FoF1-ATP Synthase, welches in allen Organismen – von Bakterien über Pflanzen bis hin zu menschlichen Zellen – vorhanden ist“, erklärt der Wissenschaftler. „Dieses Enzym garantiert die grundsätzliche Energieversorgung und produziert die lebensnotwendige chemische Substanz Adenosintriphosphat, kurz ATP. Dazu bauen und entwickeln wir eigene konfokale ­Mikro­skope für die ultrasensitive Detektion einzelner Moleküle. Die empfindlichen Proteine reinigen wir in unserer Arbeitsgruppe selbst aus Bakterien auf und markieren sie mit Fluoreszenzfarbstoffen. Dann können wir die Funktionsweise dieser biologischen Maschinen entweder als frei diffundierende Moleküle in Lösung untersuchen, oder diese auf Oberflächen anbinden und mit Hilfe eines nanometergenauen Piezoscanners mikroskopische Bilder aufzeichnen. Die von uns eingesetzte Analyse ist der FRET, mit dem wir Abstände von 2–10 nm innerhalb eines einzelnen Proteinmoleküls mit der Zeitauflösung von einer Millisekunde messen können. Das genaue Verständnis der Funktionsweise dieser Proteine ist eine Voraussetzung, um in Zukunft medizinische Anwendungen zu ermöglichen und beispielswiese neue Medikamente zu finden, die gezielt krankheitserregende Bakterien absterben lassen, wenn diese kein ATP mehr produzieren können.