Mikroskopverfahren erlaubt bessere Abbildung von Molekülen in lebenden Zellen

Wenn Wissenschaftler die Bewegungen von Biomolekülen in Zellen beobachten wollen, stehen sie dabei oft vor großen Herausforderungen. Deshalb kombinierten Forscher jetzt zwei Methoden aus der Mikroskopie, damit sie schnelle Prozesse künftig besser erfassen können. Welche neuen Möglichkeiten sie damit für die medizinische Forschung sehen, erklären sie in der Zeitschrift „Nature Communications.“

Schematische Darstellung der Membran als Schicht, auf der sternförmige Punkte liegen. Darüber ist das Licht aus dem Mikroskopkopf dargestellt, ein innerer, grüner Bereich trifft auf einen einzelnen Punkt, der gelb eingefärbt ist. Der äußere, rote Bereich des Lichtkegels trifft auf umliegende Punkte, die genau wie die anderen Punkte grau sind. Pfeile zeigen die Richtung an, in der das Mikroskop die Schicht abrastert.
STED-RICS-Mikroskopie

Die erste Methode, die die Gruppe um Per Hedde vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) benutzt hat, nennt sich Raster-Bild-Korrelationsspektroskopie (raster image correlation spectroscopy, RICS). Dafür werden zunächst Zellstrukturen mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert. Anschließend tastet ein spezielles Lichtmikroskop die Zellen ab und nimmt in festen Zeitabständen Bilder auf. Allerdings beleuchtet es dabei nicht den gesamten Bereich, sondern immer nur kleine Abschnitte. Eine Blende sorgt außerdem dafür, dass nur Fluoreszenzlicht aus dem Bereich, der scharf abgebildet werden kann, in das Mikroskop zurückfällt. Um den Lichtpunkt, mit dem das Fluoreszenzbild abgerastert wird, weiter zu verkleinern, kombinierten die Forscher RICS nun mit einer weiteren Mikroskopietechnik, der sogenannten STED-Mikroskopie (stimulated emission depletion microscopy).

Diese Technik ermöglicht es, Bewegungen und Wechselwirkungen von Biomolekülen sowohl räumlich als auch zeitlich gut aufzulösen. Im Gegensatz zu anderen Methoden werden die fluoreszierenden Farbstoffe der Probe nicht nur einmal angeregt, sondern es wird ein zweiter Puls auf den äußeren Teil der beleuchteten Stelle gerichtet. Dadurch kann dieser Teil nicht mehr fluoreszieren und es bleibt ein kleinerer aufleuchtender Punkt, die mögliche Auflösung wird damit höher. Allerdings ist die aufgenommene Bildfolge bei der STED-Mikroskopie zu langsam, um schnelle Molekülbewegungen direkt zu erfassen. Die Kombination der STED- und RICS-Technik hat es den Forschern daher ermöglicht, die Moleküldynamik innerhalb von biologischen Strukturen besser zu beobachten. „Das heißt, mit der STED-RICS-Methode lässt sich aus jedem Fluoreszenzbild eine hochaufgelöste Karte der Anzahl und Beweglichkeit der fluoreszenzmarkierten Moleküle innerhalb des vom Abtastpunkt erfassten Raumgebiets erstellen“,  berichtet Ulrich Nienhaus, der ebenfalls zur Arbeitsgruppe am KIT gehört.

Die neue Technik könnte nützlich sein, wenn Wissenschaftler in Zukunft die Dynamik von Zellmembranen untersuchen wollen. In die Membranen ist eine Vielzahl von Proteinen eingebettet, die durch Wechselwirkung mit anderen Molekülen, die von außen andocken, Signale ins Zellinnere weiterleiten. Mit STED-RICS können Forscher nun die Bewegungen für beide Arten von Molekülen präzise bestimmen. Das Verständnis dieser Prozesse ist für die medizinische und pharmazeutische Forschung sehr wichtig, da viele Wirkstoffe darauf basieren, dass sie genau diese Wechselwirkungen beeinflussen können.