Biological and living lasers from artificial and naturally produced resonators
Biomaterials
Experimental Condensed Matter Physics
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
Die Erforschung biologischer Materialien als aktive Komponenten in Lasern hat gerade erst begonnen. Das Forschungsprojekt „Biologische und lebende Laser erzeugt aus künstlichen und natürlichen Resonatoren“ hatte zum Ziel, neuartige Konzepte zur Implementierung natürlicher Resonatoren, biologischer Lasermaterialien und zellularer Laser zu erkunden. Eines der bedeutendsten Ergebnisse dieses Projekts stellt die Generierung von Laserstrahlung innerhalb lebender Zellen dar, welche zum weltweit ersten Mal demonstriert werden konnte. Dabei konnte gezeigt werden, dass verschiedenste Arten biologischer Zellen in der Lage sind, mikroskopisch kleine optische Resonatoren aufzunehmen. Die mittels optischen Pumpens innerhalb der Zellen erzeugte Laserstrahlung ist dabei mit keiner sichtbaren Beeinträchtigung der Funktion der Zellen verbunden. Die ckarakteristische Emission der Resonatoren erlaubt zudem eine eindeutige Identifizierung zigtausender Zellen, was völlig neue biologische Experimente ermöglichen könnte. Bisher ist es nur sehr eingeschränkt möglich, Experimente an einzelnen Zellen über lange Zeiträume durchzuführen. Die große Resonanz, welche die erste Veröffentlichung (2015) erfahren hat, lässt hoffen, dass diese Ergebnisse weitere Arbeiten zur Anwendung intrazellularer Laser stimulieren. Des Weiteren wurden verschiedenste natürliche Strukturen auf ihre Eignung als Laserresonator untersucht. Die komplexen photonischen Strukturen innerhalb der farbgebenden Elemente von verschiedensten Insekten wie z.B. Schmetterlingsflügeln wurden dabei mit Farbstoffen dotiert, wodurch eine starke Erhöhung der Fluoreszenz erzielt werden konnte. Als relativ neuartiges Lasermedium wurden ebenfalls biologisch erzeugte fluoreszierende Proteine untersucht. Das Projekt trug hier dazu bei, die Präparation homogener Schichten aus wässrigen Protein-Lösungen zu optimieren. Spätere Arbeiten konnten auf Basis dessen schließlich zum ersten Mal die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten in fluoreszierenden Proteinen nachweisen. Insgesamt konnte das Projekt eine Reihe vielversprechender Konzepte erkunden und neue Wege aufzeigen mit denen Laserstrahlung in biologischen Strukturen und lebenden Zellen erzeugt werden kann. Die daran anschließenden Arbeiten könnten völlig neuartige biologische Experimente ermöglichen und neue biokompatible Lasermaterialien hervorbringen.
Publications
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An exciton-polariton laser based on biologically produced fluorescent protein
Christof P. Dietrich, Anja Steude, Laura Tropf, Marcel Schubert, Nils M. Kronenberg, K. Ostermann, Sven Höfling, Malte C. Gather
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Lasing within Live Cells Containing Intracellular Optical Microresonators for Barcode-Type Cell Tagging and Tracking, Nano Letters, 2015, 15 (8), 5647–5652
Marcel Schubert, Anja Steude, Philipp Liehm, Nils M. Kronenberg, Markus Karl, Elaine C. Campbell, Simon J. Powis, and Malte C. Gather
