Filamentartige Strukturen setzen sich von einem dunklen Hintergrund ab.

Supermikroskop filmt Prozesse in lebenden Zellen

Membran, Cytoskelett, Organellen – der innere Aufbau lebender Zellen offenbart sich dank spezieller Fluoreszenzmikroskope in immer höherer Auflösung. Strukturen, deutlich kleiner als hundert Nanometer, lassen sich mit diesen Methoden klar erkennen. Dafür erhielten Stefan Hell, Eric Betzig und William Moerner 2014 den Nobelpreis für Chemie. Erst vor wenigen Wochen stellte Hell ein neues Nanoskop vor, um die Wanderung von Viren verfolgen zu können. Eric Betzig berichtet nun in der Fachzeitschrift „Science“, die Dynamik in lebenden Zellen sehr schonend und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung filmen zu können. Beide Ansätze zeigen, dass das Potenzial der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie noch lange nicht ausgeschöpft ist.

Am Howard Hughes Medical Institute in Chevy Chase optimierten Eric Betzig und seine Kollegen ihr Fluoreszenzverfahren, um Prozesse in lebenden Zellen über einen längeren Zeitraum filmen zu können. Der Vorteil dieser sogenannten Structured Illumination Microscopy oder kurz SIM liegt in der geringen Lichtmenge, mit der die Fluoreszenzmarker in den Zellen zum Leuchten angeregt werden. So wurden die Zellen weniger unter Stress gesetzt und hielten nach Betzigs Aussage einer Beobachtung länger stand als mit dem hochauflösenden Fluoreszenzverfahren, der sogenannten STED-Mikroskopie, die Stefan Hell entwickelt hatte.

Cytoskelett einer lebenden Zelle unter einem Fluoreszenzmikroskop Blick in eine lebende Zelle
Blick in eine lebende Zelle

„Schalte einfach nicht alle fluoreszierenden Moleküle an“, beschreibt Betzig den Kern seiner Methode. So aktivierte er nicht alle Fluoreszenzmarker mit einem flächendeckenden Lichtkegel, sondern beleuchtete mit einem strukturierten Lichtmuster nur einzelne Bereiche der Zelle. Darauf sendeten die Markermoleküle ihr Fluoreszenzlicht aus, das mit einem lichtempfindlichen Detektor aufgezeichnet werden konnte. Mit einem zweiten Lichtpuls deaktvierte er die fluoreszierenden Moleküle wieder. Beide Vorgänge lieferten erste Daten, um daraus im Computer Bilder mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 62 Nanometern berechnen zu können.

Für die Filmaufnahmen gelang es Betzig und Kollegen nun, diese partielle Aktivierung und Deaktivierung der Markermoleküle 25-mal in einer drittel Sekunde durchzuführen. Die Menge der Daten reichte aus, um dynamische Prozesse auch mit hoher zeitlicher Auflösung aufzeichnen zu können. So entstanden kurze Videos, die die Wanderung von Proteinen durch eine Zellmembran oder die Bewegungen von Ausbuchtungen auf der Zelloberfläche, den Caveolen, zeigten.

Beide Methoden bieten für die biologische Forschung Vorteile. Die STED-Mikroskopie von Stefan Hell erreicht eine sehr hohe räumliche Auflösung von wenigen Nanometern. Das SIM-Verfahren von Eric Betzig liefert zwar nicht so detaillierte Bilder, erlaubt aber eine längere Beobachtung dynamischer Prozesse, da die Zelle weniger geschädigt wird. Um Biologen das Potenzial des SIM-Verfahrens nahe zu bringen, lädt Betzig interessierte Forscher derzeit ein, ihre Zellproben an seinem Institut zu untersuchen.