Optik-Erfindungen und Jena - die beiden Begriffe lassen sich nicht trennen. Gerade haben Forscher vom Jenaer Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) den Deutschen Zukunftspreis gewonnen, weil sie mit Röntgenlasern völlig neue Mikrochips herstellen können. Da melden sich ihre Kollegen vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) gleich nebenan (nur zwei Hausnummern weiter in der Albert-Einstein-Straße 9) mit einer ebenso faszinierenden Neuheit.

Sie haben einen Baukasten entwickelt, mit dem sich Mikroskope zusammenstecken lassen – für wenige Hundert Euro. Diese könnten ebenso hochauflösende Bilder liefern wie kommerzielle Mikroskope, die weitaus teurer sind, schreiben die Wissenschaftler in einem Artikel des renommierten Fachjournals "Nature Communications".

Denn das Mikroskop ist nicht nur günstig, es benötige auch kein hochqualifiziertes Personal. Zudem sind die Baupläne für jeden zugänglich (quelloffen) und könnten so von anderen Wissenschaftlern weiterentwickelt werden. "Mit quelloffenen Bauplänen, Komponenten aus dem 3D-Drucker und einer Smartphone-Kamera lässt sich das Baukasten-System UC2 so kombinieren, wie die Forschungsfrage es erfordert", sagen die jungen Forscher vom IPHT, der Friedrich-Schiller-Universität und dem Universitätsklinikum Jena.

Die Grundbausteine des UC2-Systems sind fünfmal fünf Zentimeter große Würfel, die mit einem 3D-Drucker hergestellt werden können. Darin könnten Linsen, LEDs oder Kameras eingebaut werden. Werden mehrere solcher Würfel auf einer magnetischen Raster-Platte geschickt angeordnet, entstehe ein leistungsfähiges optisches Instrument. "Ein optisches Konzept, bei dem Brennebenen aufeinanderfolgender Linsen aufeinander fallen, ist Grundlage der meisten komplexen optischen Aufbauten, so auch bei modernen Mikroskopen", schreiben die Wissenschaftler.

So könnten Forschende sich ihre optisches Werkzeug passgenau zu ihren Untersuchungen zusammenstellen: "Mit unserer Methode lässt sich schnell das passende Gerät zusammenstellen, um bestimmte Zellen abzubilden", erläutert Benedict Diederich, Doktorand am Leibniz-IPHT, der den optischen Baukasten gemeinsam mit René Lachmann entwickelte. Beide sind im Forschungsteam von Promovierenden der Arbeitsgruppe Mikroskopie von Professor Rainer Heintzmann vom Leibniz-IPHT und der Universität Jena.

"Wird beispielsweise eine rote Wellenlänge als Anregung benötigt, baut man einfach den passenden Laser ein und tauscht den Filter. Braucht man ein inverses Mikroskop, stapelt man die Würfel entsprechend", sagt Benedict Diederich. So ließen sich mit dem System UC2 (You.See.too – übersetzt: Du siehst es auch) die Elemente je nach benötigter Auflösung, Stabilität, Dauer oder Methode der Mikroskopie kombinieren und durch die Kombination mit einem 3D-Drucker auch schnell testen.

Ein weiterer Vorteil sei laut den Forschern aus Thüringen, dass die Teile auch relativ kostengünstig ausgetauscht werden und so neue Forschungsgebiete erschlossen werden können. So werden etwa Krankheitserreger mit dem UC2-Baukasten an der Berliner Charité untersucht. "Damit können wir in einem Inkubator lebende Zellen beobachten", berichtet Helge Ewers, Professor für Biochemie an der Freien Universität Berlin und der Charité.

"Kommerzielle Mikroskope, mit denen sich Pathogene über einen längeren Zeitraum untersuchen lassen, kosten das Hundert- bis Tausendfache unseres UC2-Aufbaus", erklärt Benedict Diederich vom Leibniz-IPHT. "Die schleust man kaum in ein kontaminiertes Labor ein, aus dem man sie gegebenenfalls nicht mehr herausholen kann, weil die Reinigung nicht ohne weiteres möglich ist." Das aus Kunststoff hergestellte UC2-Mikroskop ließe sich hingegen nach erfolgreichem Einsatz im biologischen Sicherheitslabor einfach verbrennen oder recyceln.

Eine andere Möglichkeit, die sich durch die geringeren Kosten des Mikroskops mit dem Baukasten-Prinzip ergibt: Das Forschungsteam hat ein System speziell für die Ausbildung an Schulen und Universitäten entwickelt. Mit "UC2: The Box" ließen sich Teile zu einem Projektor, Teleskop oder einem Smartphone-Mikroskop kombinieren, sagt Barbora Maršíková, die die Experimente erarbeitet und mit dem UC2-Team in mehreren Workshops in Jena, den USA, Großbritannien und Norwegen getestet hat.

In Jena haben die jungen Forschenden ihren Baukasten bereits an mehreren Schulen eingesetzt und beispielsweise Schülerinnen und Schüler dabei unterstützt, sich ein Fluoreszenz-Mikroskop zu bauen, um Mikroplastik nachzuweisen. "Wir wollen moderne Techniken einem breiten Publikum zugänglich machen", sagt Benedict Diederich. Das sei gerade in den Homeschooling-Zeiten der Corona-Pandemie interessant, da sich Schülerinnen und Schüler ihre Lehrmaterialien so zu Hause selber bauen könnten.

mpö