Laserlys flytter celler og mikropartikler

Verdens lige nu førende gruppe inden for optisk mikromanipulation består af bare tre forskere fra Forskningscenter Risø – hvor den kaldes Glückstad-gruppen. Som de første i verden kan gruppen flytte rundt med større kolonier af mikropartikler i tre dimensioner, med det samme og hver enkelt partikel for sig. Perspektiverne for anvendelser er enorme.

»Indtil videre har vi vist teknikken på 80 mikropartikler ved brug af laserstråler, men systemet kan lave et vilkårligt stort antal laserstråler – laserpincetter – som man kan forme og bevæge som man vil. Det er blot et spørgsmål om programmering og energien i den lyskilde, vi bruger,« fortæller Jesper Glückstad.

Det kan laserpincetter

En mikrotynd laserstråle, en laserpincet, kan fastholde en levende celle eller et andet objekt helt ned til en størrelse på 1 µm. Det skyldes et samspil mellem partiklernes brydningsindeks og de forskellige kræfter, der findes i lysstrålen. Man kan f.eks. forestille sig en partikel i vand. Hvis partiklens brydningsindeks er større end vandets, vil partiklen ganske enkelt blive fanget af laserpincetten. Hvis brydningsindekset er mindre, bliver den derimod skubbet væk. Det har Glückstad-gruppen også en løsning på: Partiklerne med mindre brydningsindeks fanges med såkaldte doughnut-stråler, dvs. stråler som er hule i midten. Objekter af forskellig form og størrelse er heller ikke noget problem. Man tilpasser blot laserpincetternes størrelser og faconer til objekternes

»Fangsten« kræver, at lysstrålen har en vis intensitet. For at undgå afsætning af energi i mikroobjekterne, sørger man samtidig for at bruge lys med bølgelængder, som ikke absorberes nævneværdigt i objekterne. Til levende gærceller benytter Glückstad-gruppen laserpincetter med en bølgelængde på 830 nm (nær-infrarødt lys), mens styrken i de mikrotynde stråler er omkring 1,3 mW. Det betyder, at gærcellerne ikke skades på nogen måde.

Teknikken bag succesen

Teamet benytter en såkaldt GPC-teknik (Generalised Phase Contrast), som er opfundet af Jesper Glückstad.

»Ved at kombinere GPC med SLM (Spatial Light Modulation) opnår vi tabsfri lystransmission og direkte konvertering af de indgående fasemønstre til høj-intensitets-mønstre,« forklarer Jesper Glückstad.

Systemet fungerer dermed ikke ved at standse noget af det indkommende lys og lade resten løbe gennem et antal »huller«.

Derimod omdirigeres samtlige lyskvanter, så de samles i det ønskede antal stråler – i de ønskede størrelser og faconer. Det betyder, at forskerne kan anvende simple diodelasere med effekter helt ned til 200 mW som lyskilde.

GPC-princippet gør desuden, at systemet kræver forholdsvis lille computerkraft. Real- time-programmeringen foregår let med en bærbar computer og en mus.

Computerstyringen gør det i princippet muligt at koble systemet til et sæt virtual reality-handsker og -briller. Med hænderne kan man så flytte tredimensionelt rundt på partiklerne, som man vil, mens man gennem brillerne ser dem forstørret.

Utallige anvendelsesmuligheder

GPC-systemet har en række fordele: Det er ikke-mekanisk, non-invasiv og uskadelig selv på levende celler. Desuden kan det simultant fange, og uafhængigt manipulere, adskillige mikropartikler på en gang, og man kan arbejde med blandinger af forskellige celler og/eller partikler.

Anvendelsesperspektiverne er omfattende: I nano-procesteknologi vil teknikken kunne bruges til at fremstille tandhjul, pumper, ventiler mv. i mikro-/nanoskala, samt til at drive og kontrollere komponenterne. Mikromanipulatorerne vil også kunne benyttes til optisk styring inden for telekommunikation, f.eks. til styring af fotoniske krystalkomponenter.

På det medicinske område er der utallige interessante muligheder, f.eks. inden for kræftforskning, -diagnostik og -behandling. Der er også mange mulige applikationer til drug-test og diverse genteknologiske analyser. Her vil man kunne manipulere med mikrosilica eller mikropolymerkugler, der kan fungere som optiske håndtag for proteiner, enzymer, dna mm. En anden spændende fremtidsmulighed er at organisere celler til vævs- og organdyrkning.

»Vi kan udvikle labs-on-a-scope, som kan bruges til eksperimenter i et lukket miljø med non-invasive, fuldt dynamiske og arbitrært konfigurérbare mikromanipulatorer. Det åbner for et væld af eksperimenter, som ikke tidligere har været teknisk mulige,« siger Jesper Glückstad.

I samarbejde med forskere på KVL har Glückstad-teamet allerede bragt systemet i brug som et lab-on-a-scope, altså et minilaboratorium under et mikroskop. Forskerne bruger det til at eftervise hypoteser om cellevækst ved at undersøge cellegruppers vækstprocesser uden på nogen måde at påvirke cellernes vækstadfærd.

Samarbejde og kommercialisering

Glückstad-gruppens landvinding indgår blandt andet som et vigtigt bidrag til to nystartede ambitiøse nano-biofotoniske projekter. I det ene projekt, der finansieres med cirka 6 millioner kroner via Eurocores under European Science Foundation, samarbejder Risø-teamet med forskere i tre andre europæiske lande. I det andet samarbejder de med seks andre ledende forskergrupper i Europa med et bruttobudget fra EU's sjette rammeprogram på 20 millioner kroner.

I den forbindelse har Jesper Glückstad opslået et stipendium til udvikling af et biolab-on-a-scope baseret på det optiske mikromanipulationssystem. Teamet har endvidere et tæt samarbejde med det japanske firma Hamamatsu Photonics.

Systemet er så udviklet, at man i princippet kan starte en egentlig produktion når som helst. Risø har udtaget flere internationale patenter på det optiske mikromanipulationssystem, og Glückstad-gruppen er i færd med at undersøge, hvordan det bedst kan kommercialiseres. u

Mere på ing.dk/ugens-avis

Link til forskergruppen