Neher und Sakmann hörten einzelne Ionenkanäle durch eine saugdicht verschlossene Glaspipette

In den frühen 1970er Jahren glaubten die meisten Physiologen, dass Ionen die Zellmembran durch spezifische Poren überqueren, aber niemand hatte eine gesehen. Hodgkin und Huxley hatten 1952 Kanäle aus Tintenfisch-Axonen abgeleitet, doch ein jahrzehntelanger Streit über ihre bloße Existenz hielt noch an, weil ein einzelner Kanal nur wenige Pikoampere trägt – etwa ein Milliardstel dessen, was konventionelle Mikroelektroden sauber auflösen konnten –, verborgen in Leck- und thermischem Rauschen. Die übliche Antwort war, stärker zu verstärken und länger zu mitteln.

Am Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München drückten Erwin Neher und Bert Sakmann eine wenige Mikrometer breite Glasmikropipette gegen eine denervierte Froschmuskelfaser und zeichneten auf, was unter der Spitze durch den Patch floss. In ihrer Nature-Arbeit von 1976 war die Abdichtung schlecht – Pipettenwiderstand von wenigen Megaohm und Dichtungen im Bereich von Zehnern bis Hunderten von Megaohm –, doch diskrete, stufenartige Ströme von wenigen Pikoampere zeigten sich dennoch: die erste Aufzeichnung eines einzelnen nativen Kanals, die den Streit darüber, ob Kanäle existieren, sofort beendete.

Der Trick, der dies zur Routine machte, war die Gigadichtung. Durch Feuerpolieren der Pipettenspitze und leichten Sog haftete die Membran so fest am Glas, dass der Dichtungswiderstand vom Hundert-Megaohm-Bereich in die Zehner-Gigaohm sprang (Hamill, Marty, Neher, Sakmann und Sigworth, 1981). Das Hintergrundrauschen fiel um Größenordnungen, und derselbe Glasgriff überstand das Abreißen des Patches von der Zelle und ergab die Konfigurationen cell-attached, whole-cell, inside-out und outside-out, die das Feld bis heute standardisieren.

Glas an die Zelle drücken; Sog erzeugt eine Gigaohm-Dichtung

Der Dichtungswiderstand bestimmt das Leck: bei Zehnern von Gigaohm fließt nahezu der gesamte Patch-Strom in den Verstärker, statt am Pipettenrand zu entweichen.

Das Rauschen skaliert mit der Leckleitfähigkeit, sodass eine tausendfach dichtere Dichtung den Hintergrund zum Schweigen brachte, der Pikoampere-Stufen verbarg.

Saugpoliertes Glas erforderte nur Werkzeuge, die bereits auf der Bank lagen – eine Mikroforge und eine Spritze –, statt neuer Elektronik.

Der Griff überstand die Exzision aus der Zelle und machte aus einem Trick vier Standard-Aufzeichnungskonfigurationen.

Wenn das Signal nicht größer gemacht werden kann, verkleinere das Rauschen: Der Durchbruch war kein besserer Verstärker, sondern die Beseitigung jedes parallelen Ausweichpfads, sodass der eine verbleibende Pfad die ganze Geschichte trug.

Die Patch-Clamp-Technik wurde zum Arbeitstier der Kanal-Biophysik: Kinetik, Selektivitätsfilter und Gating-Sensoren wurden auf Einzelmolekülebene aufgelöst, und mit der Pipette aufgezeichnete Kapazitätsstufen ließen Neher einzelne Vesikel bei der Sekretion verschmelzen sehen. Ionenkanäle rückten von der Hypothese zu einer der größten Wirkstoffzielklassen vor; die Nobelversammlung vermerkte, dass die Methode bereits von Tausenden Wissenschaftlern weltweit genutzt wurde, als sie Neher und Sakmann 1991 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin verlieh. Automatisiertes Patch-Clamping führt heute Tausende Zellaufzeichnungen pro Tag im pharmazeutischen Screening durch.