22. Juli 2019

‘Cool Tech’ auf dem Campus: Gefrier- und Kühltechnologie am IST Austria

Die am IST Austria eingesetzte Technologie erreicht nahezu den absoluten Nullpunkt

Wussten Sie, dass die Technologie von IST Austria einige der kältesten Temperaturen im bekannten Universum erzeugen kann?

IST Austria verfügt über ein vielfältiges Spektrum an Kühl- und Gefriertechnologie, die biologische Proben für die Elektronenmikroskopie kryogen konserviert und den Energiezustand von Partikeln (Atomen und Molekülen) auf wenige tausend Grad über 0 Kelvin (-273,15°C) senkt, um Quanteneffekte zu untersuchen!

Die Technologie wird von einer Vielzahl multidisziplinärer Forschungsteams auf dem gesamten Campus eingesetzt, von der Quanteninformatik bis hin zur biomedizinischen Bildgebung von Zellen, Proteinen und Aminosäuren.

IST Austria verfügt über ein breites Spektrum an Kühl- und Gefriertechnik für die moderne Wissenschaft. © IST Austria

Kühlung von Quantencomputern, Atomen und Molekülen auf nahezu 0 Kelvin (-273,15°C)

Quantencomputer müssen für ihre Qubits (das Quantenäquivalent eines Bits) auf Temperaturen nahe 0 Kelvin (-273,15°C oder absoluter Nullpunkt) gekühlt werden, um stabile Energiezustände zu erreichen und zuverlässig zu berechnen. Um dies zu erreichen, setzen die WissenschafterInnen von IST Austria eine spezielle Art der Kühltechnik ein, die als “Verdünnungskühlschrank” bezeichnet wird.

Verdünnungskühlschränke verwenden eine Mischung aus Helium-3- und Helium-4-Isotopen, um einen kleinen Bereich entropisch bis auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Diese Technik destilliert das leichtere Helium-3 aus einer Mehrheit der Helium-4-Lösungen effektiv heraus. Das Fehlen der Helium-3-Lösung verursacht einen osmotischen Druck, der einen Teil des leichteren abgesetzten Heliums-3 in die dichtere Helium-4-Lösung zwingt. Wenn sich das leichtere Helium-3 in die dichtere Helium-4-Lösung bewegt, absorbiert es Wärme (entropische Kühlung) und kühlt den Bereich auf wenige Tausendstel Grad über 0 K ab.

Matilda Peruzzo (PhD Studierende) richtet einen Verdünnungskühlschrank für ein bevorstehendes Experiment ein. © IST Austria

WissenschafterInnen können dann einen Quantencomputer oder -prototypen an diesen gekühlten Bereich anschließen, der wiederum eine stabile Umgebung für Beobachtung und Test bietet.

Der Einsatz dieser Technologie ermöglicht es WissenschafterInnen nicht nur, Quantencomputer zu betreiben und zu testen, sondern auch Prototypen, die in Zukunft mit den klassischen Computern, die wir täglich benutzen, verbunden werden können.

Was ist ein kryogenes Elektronenmikroskop?

Elektronenmikroskope verwenden Elektronenstrahlen, um Proben zu beleuchten, die im Allgemeinen in der Größenordnung von Millimetern bis Nanometern liegen. Da Elektronen eine Wellenlänge haben, die kleiner ist als sichtbares Licht, sind Elektronenmikroskope in der Lage, viel höher aufgelöste Bilder zu erzeugen, die mehr Informationen über eine Probe auf atomarer und molekularer Ebene liefern.

Retrovirus-ähnliches Partikel, aufgenommen mit einem Elektronenmikroskop. © Schur Lab (IST Austria)

Generell gilt: Je kleiner ein Objekt ist, desto schwieriger ist die Abbildung, da die Elektronenstrahlen Moleküle um die Probe herum verändern (das Bild verzerren) oder die Probe selbst den vom Elektronenmikroskop geforderten Hochvakuumbedingungen nicht standhalten kann. Hier kommen Cryo-Elektronenmikroskope (Cryo-EM) ins Spiel, die in der Lage sind, kryogen gefrorene Proben zu betrachten, weniger intensive Elektronenstrahlen zu verwenden und somit die Struktur einer Probe bis hinunter in den Nanometer-Bereich aufzulösen.

Unten links: Victor-Valentin Hodirnau, Cryo-EM Specialist. Unten rechts: Analysierte Proteinprobe (Human Apoferritin). © IST Austria / Victor-Valentin Hodirnau

Cryo-EMs sind in der Lage, Zellen, Viren, Proteine und Aminosäuren abzubilden, was unseren Forschungsgruppen hilft, Viren und andere biologische Moleküle besser zu verstehen. Weltweit konnten Cryo-EMs helfen, einige der jüngsten Pandemien der Welt – die Zika- und Ebola-Krise aus 2014 bzw. 2015 – zu untersuchen und zu bekämpfen

Konservierung wichtiger Forschungsproben – Was sind Ultra-Low Temperature (ULT) und kryogene Kühlschränke?

Ultra-Low temperature (ULT) Kühlschränke

Ultra-Low Temperature (ULT) Kühlschränke werden verwendet, um biologische Proben zu konservieren, indem sie bei sehr niedrigen Temperaturen von -45C bis -85C gelagert werden. Bei diesen Temperaturen wird der Abbau von biologischen Molekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren deutlich verlangsamt und kann daher langfristig gespeichert werden.

Kryogene Kühlschränke

Bei Temperaturen unter -150°C befindet sich die gesamte biologische Aktivität effektiv in einem Zustand der permanenten Suspension und es kommt daher zu keinem oder nur geringem Abbau der Probe. Aus diesem Grund werden Zell-, Protein- und Aminosäureproben in der Regel mit einer speziellen Technik eingefroren, bei der die Probe in ein mit flüssigem Stickstoff gekühltes Fläschchen eingetaucht wird. Für die Cryo-Elektronenmikroskopie werden die Proben in eine Ethanlösung gegeben, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, was wiederum zu einem so schnellen Gefrierprozess führt, dass die Eiskristalle nicht die Zeit zur Bildung haben (amorphes Eis). Sobald die Probe erfolgreich eingefroren wurde, durchläuft sie einen strengen Qualitätsmanagementprozess, um sicherzustellen, dass sie von ausreichender Qualität für die Verwendung in einem Cryo-Elektronenmikroskop ist. Dieser Prozess kann zwischen einigen Tagen und einigen Wochen dauern.

Ultra-Low Temperature Kühlschrank (unten links) und Tiefkühlwanne mit flüssigem Stickstoff (oben und unten rechts). © IST Austria


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