Wissenschaftler entwickeln Formel zur Untersuchung des "Nanokosmos" von Zellen
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut (MPI) haben eine neue Formel zur Verbesserung der Auflösung von Lichtmikroskopen auf bis zu 15 Nanometer entwickelt. Vorher galt eine Formel, nach der eine optische Auflösung unter 200 Nanometern unmöglich sei. Laut Wissenschaftlern könnte die neue Formel enthüllen, wie der "Nanokosmos" von Zellen funktioniert. Seit seiner Erfindung im 17. Jahrhundert ist das Lichtmikroskop der Schlüssel zu neuen biologischen und medizinischen Erkenntnissen. Doch Licht unterliegt als Welle der Beugung, die die Auflösung des Objekts unter dem Mikroskop begrenzt. Diese auflösungsbegrenzende Wirkung wurde von dem deutschen Physiker Ernst Abbe bereits 1873 erkannt. Laut Abbe können Strukturen, die näher als 200 Nanometer beieinander liegen, bei Betrachtung mit sichtbarem Licht nicht scharf voneinander getrennt werden. Sie erscheinen im Lichtmikroskop lediglich als verschwommenes Ganzes. Die Erkenntnis der begrenzten Auflösung von Lichtmikroskopen des Physikers galt lange Zeit als unüberwindbares Gesetz der Fernfeld-Lichtmikroskopie. Für eine höhere Auflösung könnte man nur ein Elektronenmikroskop einsetzen, lautete die Lehrmeinung. Doch Forschern der Abteilung NanoBiophotonik am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ist es in den letzen Jahren gelungen, mit der Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie die Abbesche Auflösungsgrenze in der Fluoreszenzmikroskopie zu überwinden. Dafür werden zwei Lichtstrahlen übereinander gelegt. Um den Fluoreszenzspot zu verkleinern, regen die Forscher die Fluoreszenzfarbstoffe, mit denen sie Proteine der Probe markiert haben, mit einem Lichtstrahl an. Noch ehe die angeregten Moleküle in dem Lichtfleck leuchten, regen sie die Moleküle im äußeren Bereich des Lichtflecks wieder ab, indem sie einen zweiten Lichtstrahl über den Anregungsspot legen. Nur in einem deutlich kleineren Fleck im Zentrum des Lichtrings bleiben die Moleküle angeregt und leuchten. Im April verifizierte ein Göttinger Forschungsteam diese neue Erkenntnis mit Experimenten. Es visualisierte das Protein Synaptotagmin, das sich in der Membran der Vesikel in Zellen befindet. Vesikel sind mit einem Nervenbotenstoff gefüllte Membranbläschen von circa 40 Nanometer Durchmesser, welche den Botenstoff zur Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen, der Synapse, transportieren. Ihren Inhalt schütten sie an der Synapse aus, indem sie mit der Membran der Nervenzelle verschmelzen. Unklar war bisher jedoch, ob die in der Membran der Vesikel enthaltenen und für die fehlerfreie Neurokommunikation mitverantwortlichen Proteine sich nach der Verschmelzung des Vesikels über die Membran verteilen, oder ob sie zusammen bleiben. Die Forscher konnten nun mithilfe der STED-Mikroskopie zeigen, dass die Synaptotagmin-Moleküle nach der Verschmelzung auf der Nervenmembran miteinander verbunden bleiben. Die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten jüngsten Experimente belegen, dass mit der STED-Technik eine Auflösung von bis zu 15 Nanometer erzielt werden kann. Die Möglichkeit, Zellen im Nanometerbereich zu untersuchen, soll bei der Beantwortung grundlegender Fragen zur Funktionsweise von Zellen helfen. So soll die Formel beispielsweise tiefere Einblicke in die Funktion von Proteinen ermöglichen. Einzelne Proteine waren mit ihren 2-20 Nanometer Durchmesser dafür bislang zu klein. "Das Potenzial der STED-Technik ist noch lange nicht ausgeschöpft", so Professer Stefan Hell. Denkbar seien Auflösungen auf der Größe eines Farbstoffmoleküls - dies entspräche einer Schärfe von ein bis zwei Nanometern.
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