Der Teufel steckt im Detail

Mikroskope zählen zu den ältesten wissenschaftlichen Instrumenten. Ohne sie wären die modernen Biowissenschaften undenkbar. Doch Forscher, die ihr Beobachtungsinstrumentarium selbst entwickeln, sind rar geworden. Einer, der sich diesen oft unbedankten Herausforderungen stellt, ist der Japaner Makio Tokunaga - einer der Besten seiner Zunft.

Der Laborraum, in dem Makio Tokunaga arbeitet, ist kaum größer als ein gewöhnliches Wohnzimmer. In einer Ecke hinter dicken schwarzen Vorhängen stehen Mikroskope und optische Geräte. Tokunaga arbeitet zwar am nationalen japanischen Institut für Genetik mit Sitz in Mishima am Fuß des Fudschijama, doch das Panorama, das seine Landsleute so schätzen, vermag ihn bei seiner Forschung nicht zu inspirieren. Die Wände sind mit einer speziellen schwarzen Farbe gestrichen, gearbeitet wird im Dunkeln. Seit ein paar Monaten ist Tokunagas neues Mikroskop fertig. Allerdings müssen noch die Software für die Bildanalyse und die elektronische Steuerung verfeinert werden.

Getrieben wird der studierte Biochemiker vom Wunsch, den Austausch von Botenstoffen durch Rezeptoren in der Membran des Zellkerns als Erster bildlich festzuhalten. Gemeinsam mit Biologen vom Zentrum für Allergie und Immunologie in Yokohama will Tokunaga in den nächsten Jahren immunologisch relevante Signalvorgänge im Inneren von Zellen erforschen.

Gut fünf Jahre lang hat der Japaner an seinem Mikroskop gebaut, mit dem er dem Austausch von Botenstoffen zwischen Zellplasma und Zellkern auf die Schliche kommen will. Es handelt sich um die Weiterentwicklung eines Instruments, das Tokunaga zusammen mit der Gruppe des Biophysikers Toshio Yanagida an der Universität Osaka vor mehr als einem Jahrzehnt entworfen hat. Damals ging es um die Visualisierung einzelner Molekülmotoren, den beweglichen, Kräfte generierenden Bestandteilen des Muskelgewebes.

Eine verrückte Idee, meint Tokunaga rückblickend, die damals weit jenseits der Möglichkeiten kommerziell erhältlicher Lichtmikroskope lag und an deren Realisierung niemand so recht glauben wollte. Mit neuen Techniken, die es erlaubten, einzelne Biomoleküle zu beobachten und zu manipulieren, gelang es ihm und seinen Mitstreitern aber dann doch. Aus dieser Arbeit ging eine Veröffentlichung Tokunagas in der angesehenen Wissenschaftszeitschrift "Nature" hervor, die maßgeblichen Einfluss darauf nahm, wie über das Verhalten von Molekularmotoren gedacht wird.

Zwar gibt es Visualisierungstechniken, die konventionellen Lichtmikroskopen in Sachen Auflösung weit überlegen sind, so wie das Elektronenmikroskop oder verschiedene Formen von Rastersondenmikroskopen. Allerdings sind viele dieser Techniken für die Biologie nur eingeschränkt anwendbar: Mit dem Elektronenmikroskop lassen sich lebende Objekte nicht beobachten.

Auch Rastersondenmikroskope, mit denen selbst einzelne Atome sichtbar gemacht werden können, sind in der Biologie nur begrenzt einsetzbar. Zwar lassen sich damit einzelne DNA-Moleküle sichtbar machen, doch gilt trotz vieler spektakulärer Bilder, die in den letzten Jahren produziert wurden, die Methode unter Biologen nach wie vor als umstritten. Der Grund ist die "Brown'sche Bewegung" der Biomoleküle, die Messungen beeinträchtigt und verfälschen kann.

In vielen Bereichen der Zellbiologie gilt heute das konfokale Laser-Rastermikroskop als Standardinstrument. Im Handel findet man auch so genannte TIRF-Mikroskope, bei denen zur Beleuchtung des Objekts ein in der Intensität exponentiell abfallender Lichtkegel verwendet wird. Dieser Lichtkegel bildet sich an der Berührungsfläche zwischen Medien mit verschiedenem Brechungsindex und erzeugt so gerade genug Licht, um ein paar vereinzelte Moleküle sichtbar zu machen. Von linearen Molekülmotoren über enzymatische Reaktionen bis zur Rotation einzelner RNA-Moleküle lassen sich damit biologische Vorgänge sichtbar machen.

Das Mikroskop, das Tokunaga zusammen mit einem Studenten entwickelt hat, ist optimiert auf Kraftmessungen an Biomolekülen mit einem so genannten Cantilever. Das ist eine Art Tastarm, der mit Laserstrahlen die Kräfte auf atomarer Ebene misst. In Tokunagas Apparat sitzt ein elastischer Cantilever aus Glas, dessen Schwingungen von einem zweiten Laserstrahl korrigiert werden, der wiederum Druck auf den Cantilever ausübt.

In den letzten Jahren hat Tokunaga diese Methode für eine neue Anwendung optimiert: die Beobachtung von einzelnen Molekülen in lebenden Zellen. Die Idee klingt einfach: Es müssen nur ein paar optische Achsen korrekt verschoben werden. An der Ausführung arbeitete Tokunaga mit einem Studenten allerdings die letzten fünf Jahre meist bis spät in die Nacht und oft auch am Wochenende. Der Teufel sitzt in Hunderten von Details: Unzählige Male sind die gleichen Messungen zu wiederholen, immer wieder müssen Ergebnisse korrigiert oder auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Banale Details wie die Pflege der Testpräparate kosten immer wieder viele Tage Arbeit.

Fünf Jahre ist es mittlerweile auch her, seit Tokunaga den viel beachteten Artikel über Molekülmotoren in "Nature" veröffentlicht hat. Seitdem schrieb er nur ein paar Buchkapitel und Aufsätze in unbedeutenden Zeitschriften. Tokunagas Arbeitgeber drückt immer noch ein Auge zu. Wer über Konventionalität hinauswill, meint Tokunaga, der müsse bereit sein, Risiken einzugehen.

Instrumentenbau ist eine undankbare Fleißarbeit, die von der Öffentlichkeit kaum wahrgenommen wird. Den Namen Isaac Newton kennt jedes Kind, während sich für Robert Hooke, der im 17. Jahrhundert mit seinen Erfindungen womöglich mehr zur Entstehung der modernen Experimentalwissenschaften beitrug als sein Zeitgenosse Newton, lange Zeit nicht einmal professionelle Wissenschaftshistoriker interessierten. In der Wissenschaftsgeschichte hat sich das in den letzten zwanzig Jahren geändert: Die Geschichte von Experimentiertechniken oder von Instrumenten steht nunmehr im Mittelpunkt vieler Forschungsprojekte.

Dabei werden in einer Wissenschaftskultur, die von schnelllebigen Ergebnissen und Publikationsdruck dominiert wird, die Nischen für Instrumentenbauer immer enger. Man benutzt die Apparaturen, die am Markt zu haben sind. Insbesondere in den Biowissenschaften mit ihren Biochips und Laborrobotern sind Forscher, die sich die Zeit nehmen, ihre Instrumente selbst zu bauen, selten geworden.

Doch es gibt mittlerweile auch Instrumentenbauer, die zu hohen wissenschaftlichen Ehren gekommen sind - was mitunter gehörig Verwirrung stiften kann. Der Japaner Koichi Tanaka, dem letztes Jahr für die Entwicklung einer grundlegenden Technik zur Analyse von Proteinen der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde, begrüßte die verdutzten Journalisten in der Montur eines gewöhnlichen Ingenieurs. Der Elektrotechniker ohne Doktortitel hatte seine Entdeckung als Angestellter beim Instrumentenbauer Shimadzu gemacht. Das in Verlegenheit gebrachte Unternehmen verlieh seinem preisgekrönten Mitarbeiter daraufhin rasch den Titel eines "Fellows".

Robert Triendl lebt und arbeitet in Tokio.