Nanoskop filmt Viren und Zellen

Mit speziellen Fluoreszenzmikroskopen können Viren und lebende Zellen mit einer Auflösung von wenigen Nanometern beobachtet werden. Für die Entwicklung der sogenannten STED-Mikroskopie wurde Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen im vergangenen Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet. Nun gelang es seiner Arbeitsgruppe zusammen mit Kollegen des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg, schnelle Bewegungen von Zellen und Viren mit einem modifizierten STED-Mikroskop in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu filmen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Methods“.

Dreiteiliges Bild: Links ein heller Lichtkreis, in der Mitte ein heller, größerer Lichtkreis mit einem dunklen Kreis im Zentrum, rechts ein kleiner Lichtpunkt.
Funktionsprinzip STED-Mikroskop

Für einzelne Bilder wie auch für Mikroskopfilme ist die Markierung einer Zelle oder eines Virus mit Fluoreszenzmarkern die zentrale Voraussetzung. Für die STED-Mikroskopie werden diese Marker mit einem ersten Laserpuls angeregt. Ein zweiter Laserpuls stimuliert danach die Aussendung von Fluoreszenzlicht. Aufgefangen mit einem lichtempfindlichen Detektor lassen sich aus diesen Lichtsignalen heute bereits sehr genaue Aufnahmen mit einer Auflösung von etwa zwei Nanometern rekonstruieren.

Hell und Kollegen schafften es nun, mit dieser Methode über 1000 Bilder pro Sekunde aufzuzeichnen und konnten damit die Bewegung von Viren beobachten. Zeile für Zeile scannten sie verschiedene Proben – zum einen Vesikelbläschen in lebenden Drosophila-Larven, zum anderen markierte HI-Viren – mit Laserlicht ab. Die Aufnahmezeit für jeden einzelnen Bildpunkt betrug dabei nur noch wenige Nanosekunden und entsprach etwa der Dauer der Fluoreszenzemission. Ein noch schnelleres Abtasten der Probe ist also prinzipiell kaum möglich.

Die Auswertung der aufgefangenen Fluoreszenzsignale ergab eine zeitliche Auflösung von wenigen Mikrosekunden. Die Filme zeigten, dass sich sowohl Vesikel als auch Viren rund zwei Mikrometer pro Sekunde bewegten. Mit einer Pixelgröße von 25 Nanometern erreichten die Forscher dabei eine räumliche Auflösung von etwa 70 Nanometer. Diese Ergebnisse belegen, dass die STED-Mikroskopie sehr gut zum Verfolgen von biologischen Prozessen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung geeignet ist. Für die Aufnahme von Einzelbildern lebender Objekte wird die Methode bereits in Medizin und Biologie eingesetzt. Aber durch die Möglichkeit, mit ihr schnelle Vorgänge zu filmen, könnte der Nutzen von STED-Mikroskopie noch deutlich erweitert werden.