Kaltes Licht aus der Natur

Glühwürmchen sind nicht nur schön anzusehen – seit vielen Jahren sind die Leuchtkäfer für Wissenschaftler weltweit von Interesse. Vor allem ihr Leuchtmechanismus, der kaltes Licht erzeugt, beschäftigt die Forschung. Denn Licht bedeutet immer auch Energie. Doch gerade für die Anwendung in der biochemisch-medizinischen Analytik ist die sogenannte Biolumineszenz – die Erzeugung von (kaltem) Licht durch Lebewesen – von großer Bedeutung.

Organismen, wie das Glühwürmchen oder auch die Leuchtquallen sind sehr komplex. Noch dazu haben sie komplizierte Leuchtsysteme, die chemisch schwer zu verstehen sind, so Stefan Schramm, Doktorand am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Ihm ist es gelungen, nach dem Vorbild der Natur, ein besonders effizientes System zur Erzeugung von kaltem Licht zu entwickeln. Für seine Forschungsergebnisse wurde Stefan Schramm auf dem internationalen Symposium für Biolumineszenz und Chemilumineszenz in Tsukuba (Japan) mit dem Marlene DeLuca Award ausgezeichnet.

Ablauf des Leuchtens entschlüsselt

In Form eines Vortrags und eines Posters präsentierte Schramm eine neue Verbindungsklasse, die sogenannten 2-Coumaranone, die den bislang verwendeten Systemen weit überlegen sind. Zunächst hat Schramm, der in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Rainer Beckert forscht, sich angeschaut, welche Mechanismen in den Organismen ablaufen, um Licht zu erzeugen. Danach hat er eine Vielzahl von Verbindungen der 2-Coumaranone hergestellt, die ebenfalls Licht emittieren und somit z. B. Glühwürmchen imitieren. Hinzu kamen organisch chemische, spektroskopische und schließlich auch quantenchemische Untersuchungen, um alle wichtigen Zwischenschritte, die zur Erzeugung des Lichts notwendig sind, aufzuschlüsseln. Unterstützt wurde er dabei auch von PD Dr. Dieter Weiß, dessen Schwerpunkt ebenfalls in der Lumineszenz liegt.

Im Rahmen seines Promotionsprojektes hat Schramm, der von der Friedrich-Ebert-Stiftung gefördert wird, rund 50 Verbindungen erstellt. Eine der Modellverbindungen diente ihm dann als Ausgangspunkt für empirische und quantenchemische Studien mit dem Ergebnis, ganz genaue Informationen über den Ablauf des Leuchtens zu erhalten. Die 2-Coumaranone ermöglichen es, einfache und kostengünstige chemische Modelle für unterschiedlichste Anwendungen zu erzeugen.

Industrieunternehmen bereits interessiert

Neben einfacher und günstiger Herstellung aus Grundchemikalien liegt der Vorteil dieser neuen Verbindungsklasse in einer bis um das Zehnfache höheren Quantenausbeute, als bei bisherigen Systemen. Deshalb zählen die 2-Coumaranone zu den hellsten chemilumineszenten Verbindungen. Das heißt, dass es möglich ist, nicht nur mehr sondern auch sensitiver Licht zu detektieren als mit jenen Systemen, die bisher in den analytischen Abteilungen medizinischer Einrichtungen zum Einsatz kommen. Solche chemischen Reaktionen, bei denen Licht statt Wärme frei wird, finden vor allem bei Immunassays Verwendung. Das sind Methoden zur Erkennung von Antigenen, etwa bei Krebs- oder HIV-Erkrankungen. Mit dem System von Stefan Schramm können bereits kleinste Spuren nachgewiesen und so Krankheiten noch früher identifiziert werden. Die Firma Berthold Technologies, Sponsor der japanischen Konferenz, hat bereits Interesse an Schramms Forschung signalisiert.

Hintergrund

Der Marlene DeLuca Award wird zu Ehren von Marlene DeLuca vergeben, die Pionierleistungen in der Biolumineszenz- und Chemilumineszenzforschung vollbracht hat. Einer ihrer Beiträge war die erste Klonierung des Glühwürmchen-Luziferase-Gens. Berthold Technologies vergibt diesen Preis traditionell während der Konferenz der International Society for Bioluminescence and Chemiluminescence (ISBC), die alle zwei Jahre stattfindet.

http://www.uni-jena.de