DNA als Zollstock für die Nanowelt

Braunschweig – Das Innere von lebenden Zellen beim Arbeiten zu beobachten, war lange ein unerfüllter Traum von Biologen. Erst seit einigen Jahren machen das so genannte superauflösende Mikroskope möglich. Mit Tricks zeigen sie auch Strukturen kleiner als 200 Nanometer scharf, die nach den Gesetzen der Optik eigentlich verschwommen bleiben müssten. Doch wenn dabei trotzdem unscharfe Bilder entstanden, war bislang unklar, ob es an der Probe oder am Gerät lag. Das Problem lösten Forscher jetzt mit einer Art Nanozollstock: Sie markierten auf DNA-Strängen regelmäßige Abstände mit leuchtenden Molekülen. So lässt sich zuverlässig das Auflösungsvermögen der leistungsfähigen Lichtmikroskops messen, schreiben sie im Fachblatt „Nature Methods“. Außerdem lassen sich erstmals auch die verschiedenen Verfahren vergleichen, die für die Superauflösung in letzter Zeit entwickelt wurden. Das dient nicht nur der Grundlagenforschung, sondern hat auch großes wirtschaftliches Potenzial für die Hersteller, da superauflösende Mikroskope in zahlreichen Forschungsrichtungen und auch der Industrie mittlerweile vielfältig zum Einsatz kommen.

Die Farbstoffmarker befinden sich im gleichen Abstand. Im Bild des Mikroskops sind die Marker als Lichtpunkte zu sehen.
DNA mit Farbstoffmarkern

„Ähnlich wie bei den Markierungen auf einem gewöhnlichen Lineal dienen hier Punkte mit einer bestimmten Anzahl fluoreszierender Farbstoffmoleküle als Markierung“, berichtet Philip Tinnefeld, Leiter der Forschungsgruppe an der Technischen Universität Braunschweig. Unterlage für die Markierung sind lange DNA-Moleküle, die mithilfe vieler kurzer DNA-Abschnitte gefaltet werden wie eine Origami-Struktur. Je nach Bedarf können so unterschiedliche – genau bekannte – Abstände eingestellt werden, weil die Abmessungen und der Aufbau der DNA-Moleküle bestens bekannt sind. Auf den Faltstrukturen sind dann im definierten Nanometer-Abstand einzelne Fluoreszenzmoleküle angebracht, die die Markierungen bilden. Optimal eingestellte superauflösende Mikroskope können diese Punkte dann scharf darstellen.

Mit herkömmlichen Lichtmikroskopen müssten Punkte kleiner als rund 200 Nanometer, also Millionstel Millimeter, eigentlich unscharf bleiben. Die sogenannte Abbe'sche Beugungsgrenze besagt, dass hier – wegen der Wellenlängen des sichtbaren Lichts – die Auflösung eines normalen Mikroskops seine Schärfegrenze erreicht. Elektronenmikroskope hingegen, die wesentlich kleinere Strukturen scharf zeigen, eignen sich nicht für das Beobachten lebender, aktiver Zellen, weil bei ihnen die Probe im Vakuum liegt und mit harten Teilchenstrahlen beschossen wird. Durch die verschiedenen mittlerweile entwickelten Superauflösungstechniken hingegen ist für Lichtmikroskope heute auch der Bereich zwischen sechs und 200 Nanometer zugänglich. Hier findet die Braunschweiger Entwicklung ihren Einsatz, um die verschiedenen Methoden – wie FRET, Ultra-Resolution, Blink und STED – und auch einzelne Geräte miteinander zu vergleichen.

Der Vorteil der neuen Nanometermaßstäbe ist, dass sie sich identisch auch in großer Zahl herstellen und je nach Messaufgabe quasi umprogrammieren lassen. Auch stehen verschiedene Fluoreszenzmoleküle stehen als Leuchtpunkte zur Verfügung. Tinnefeld und Kollegen hatten erste Schritte mit der Methode bereits vor drei Jahren erarbeit