Moleküljagd ohne Fluoreszenz-Marker

Gestreutes Licht von zwei Lasern liefert kontrastreiche und dreidimensionale Bilder von Biomolekülen auf dem Weg in lebende Zellen

Leuchtende Biomoleküle
Leuchtende Biomoleküle

Cambridge (USA) - In sattem Grün leuchten heute Biomoleküle auf ihrem Weg in lebende Zellen. Verantwortlich dafür sind fluoreszierende Quallenproteine, die Biologen und Wirkstoffforscher an ihre Zielobjekte andocken. Doch mit einer neuen Spektroskopiemethode, die auf gestreutem Laserlicht beruht, kann auf diese heute weit verbreiteten Fluoreszenz-Marker verzichtet werden. In der Zeitschrift "Science" berichten Forscher von der Harvard University, wie sie mit dem Streulicht wandernde Biomolekülen kontrastreich und in allen drei Raumdimensionen beobachten konnten.

"Die Stimulierte Raman-Streuung ist ein großer Schritt vorwärts für die biomedizinische Bildgebung und ermöglicht Echtzeitstudien des Stoffwechsels in lebenden Zellen", sagt Sunney Xie vom Department of Chemistry and Chemical Biology der Harvard University in Cambridge. Mit seinen Kollegen nutzte er die bereits seit 80 Jahren bekannte Raman-Streuung von Lichtwellen an den Bindungen einzelner Moleküle. Waren die von den Molekülen zurückgestreuten Lichtsignale bisher zu schwach, um damit Moleküle auf ihrer Wanderung in Zellen zu verfolgen, konnten die Forscher mit einem zweiten Laserstrahl eine gute Bildqualität erzielen.

Grundlage für diese neue Methode sind winzige Schwingungen der Molekülbindungen. Fällt ein Laserstrahl auf diese, wird das Licht erst absorbiert und ein neues Lichtsignal mit einer von der Schwingung abhängigen Frequenz abgestrahlt. Wird der zweite Laserstrahl nun um genau diese Schwingungsfrequenz verändert, kommt es zu einem Resonanzeffekt, der das Streusignal deutlich verstärkt. Dadurch lassen sich mit der Stimulierten Raman-Streuung die Bewegungen der Biomoleküle in Echtzeit und dreidimensional beobachten.

"Wir konnten mit dieser Technologie Fette in lebenden Zellen und die Diffusion von Arzneien in Gewebe beobachten", beschreibt Xie die ersten Versuche mit der SRS-Methode. Dabei beobachteten die Wissenschaftler die Bewegung von Omega-3-Fettsäuren, die in der Petrischale von lebenden Lungenkrebszellen aufgenommen wurden. Die Frequenzen der beiden Laserstrahlen passten sie dabei in einem modifizierten Rasterlasermikroskop an die Schwingungsfrequenz der in den Fettsäuren enthaltenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen an. Nach der synchronisierten, resonanten optischen Anregung der C-C-Doppelbindung fingen sie die gestreuten Lichtpulse mit einer Photodiode auf und analysierten Intensität und Frequenzspektrum. Nach einer Auswertung der Daten erhielten sich Aufnahmen der Zellen, in denen winzige Tropfen aus den Omega-3-Fettsäuren kontrastreich mit einer Auflösung von einem Mikrometer und teilweise besser sichtbar waren.

Auch Messungen mit Wirkstoffen zur Behandlung von Hautkrankheiten verliefen erfolgreich. Neben der Analyse der Wirkstoffaufnahme in lebende Organismen könnten laut Aussage der Forscher nun auch der Stoffwechsel auf molekularer Ebene und Vorgänge im Hirn ohne den Einsatz von Fluoreszenzmarkern untersucht werden. Von der Stimulierten Raman-Streuung könnten vor allem Molekularbiologen profitieren, da sich so ein störender Einfluss der bisher angedockten Fluoreszenzproteine auf die Bewegung der Biomoleküle vermeiden lässt. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass das heute weit verbreitete grüne Leuchten der Biomoleküle in den Laboren von Genforschern und Pharmakologen nach und nach erlöschen könnte.