Mikroskopie: Chemie statt Laser

Neues Verfahren vereinfacht die Untersuchung von Zellen mit Fluoreszenzmikroskopie

Proben unter dem Fluoreszenzmikroskop
Proben unter dem Fluoreszenzmikroskop

Heidelberg - Mit der Fluoreszenzmikroskopie lassen sich sowohl Strukturen als auch dynamische Abläufe in Zellen abbilden. Allerdings wird die Auflösung durch die Beugungsgrenze eingeschränkt. Sie besagt, dass Abstände, die kleiner als etwa die Hälfte der Lichtwellenlänge sind, nicht dargestellt werden können. Damit wären Feinheiten unter 0,3 Mikrometer nicht zu erkennen, aufwändige Lasertechniken konnten die Grenze mittlerweile hundertfach verbessern und damit auf 3 Nanometer senken. Forscher der Universität Heidelberg haben ähnlich gute Ergebnisse mit chemischen Reaktionen erreicht, die Technik ist vor allem für die Untersuchung von lebenden Zellen geeignet.

Bisher konnte die Beugungsgrenze mit Methoden wie STED (Stimulated Emission Depletion) überwunden werden. Dabei kann ein Laserstrahl die Fluoreszenz an bestimmten Stellen in der Probe wieder "abschalten", indem er die entsprechenden Farbmoleküle dazu bringt, ein Photon abzugeben. Da der Laserstrahl am Rand stärker ist als innen, bleibt ein sehr kleiner Bereich inmitten eines abgedunkelten Kreises sichtbar und wird nicht mehr von der Fluoreszenz benachbarter Punkte überstrahlt. Andere Techniken wie STORM (Stochastische Optische Rekonstruktionsmikroskopie) arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, allerdings werden hier Bereiche nach einem zufälligen Muster an- und wieder abgeschaltet, anschließend wird ihre Position mit mathematischen Methoden bestimmt. Diese lichtabhängigen Prozesse verbessern zwar die Präzision, man benötigt allerdings unterschiedliche Laserlinien oder hohe Lichtintensität, zum Teil sogar beides zusammen. Gerade bei der Untersuchung lebender Zellen kann das zu Problemen führen.

Der Ansatz der Forschergruppe um Dirk-Peter Herten von der Universität Heidelberg basiert ebenfalls auf einem stochastischen Verfahren. Statt Laserlicht verwenden sie fluoreszierende chemische Sonden zum Nachweis von Kupferionen. Die Sonden sitzen an den fixierten Zellen in der Probe. Wird Kupfersulfat hinzugegeben, verbinden sich die entstehenden Ionen zufällig mit einzelnen Sonden und und löschen deren Fluoreszenz. Die Bindung ist umkehrbar, wenn sich die Ionen lösen, kann die Sonde wieder fluoreszieren.

Die Forscher nennen ihre Methode CHIRON (Chemically improved Resolution vor optimal nanoscopy). Da sie lichtunabhängig ist, vereinfacht sie die bisherigen Verfahren. "Damit ergeben sich neue Anwendungsgebiete für die hochauflösende Mikroskopie, die vorher wegen technischer Beschränkungen unzugänglich waren, denn unsere Sonden lassen sich auf vielen Mikroskopen einsetzen", erklärt Herten.