Einführung fluoreszenzbasierter, schneller und zugänglicher Lichtstärkemessungen
Internationale Forschungsarbeiten, die zum Teil durch das EU-finanzierte Projekt DREAM unterstützt werden, haben zu zwei neuen, komplementären Methoden geführt, die vielseitige, aber präzise Lichtstärkemessungen in Fluoreszenz-Bildgebungssystemen ermöglichen. Die beiden Protokolle werden in einem Artikel beschrieben, der in „Nature Methods“ veröffentlicht wurde. Die genaue Quantifizierung der Lichtstärke ist ein wichtiges Instrument, das in der Wissenschaft in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird. In der Lichtmikroskopie wird die Lichtstärke ausbalanciert, um die Signale ohne Phototoxizität zu optimieren, in der Biologie werden Photonen genutzt, um physiologische Prozesse auszulösen, und in der Chemie werden damit lichtabsorbierende Reaktionen angetrieben. „Heutzutage beschäftigt sich eine große Gemeinschaft aus Biologie, Chemie, Ingenieurwesen und Physik mit der Bereitstellung einer präzisen Anzahl von Photonen“, so das Studienteam. Die meisten derzeitigen Technologien sind jedoch weder vielseitig noch genau genug, um den aktuellen Anforderungen gerecht zu werden. Sie können nicht gleichzeitig die Lichtstärke und die räumliche Verteilung messen – zumindest nicht über einen breiten Bereich von Wellenlängen und Intensitäten.
Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Zugänglichkeit
Forschende unter der Leitung des Projektkoordinators von DREAM, des Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (Frankreich), haben nun zwei schnelle und unkomplizierte komplementäre Protokolle entwickelt, bei denen organische Farbstoffe und fluoreszierende Proteine als Aktinometer (Systeme, die die Anzahl der Photonen in einem Strahl bestimmen) verwendet werden. Diese Aktinometer auf Fluoreszenzbasis haben sich als schneller und empfindlicher erwiesen und liefern zudem leichter zugängliche Daten für bildgebende Systeme. Das erste Protokoll basiert auf fünf molekularen Aktinometern, die bei konstantem Licht Fluoreszenzsignale aussenden. Die Aktinometer decken das gesamte Spektrum des ultravioletten und sichtbaren Lichts zur Messung der Lichtstärke ab. Unter bestimmten Bedingungen – wenn die Photokonversion so schnell abläuft, dass es nur minimale Molekularbewegungen gibt – kann das Protokoll auch die räumliche Verteilung der Lichtstärke abbilden. In der Studie wird berichtet, dass das Team darüber hinaus versuchte, „Fluoreszenz-Aktinometer für verschiedene Endverbrauchsgruppen zugänglich zu machen“. Sie wählten daher leicht synthetisierbare Chemikalien für den Bereich Chemie und Proteine sowie photosynthetische Organismen für die Biologie. Das zweite Protokoll ergänzt die Fluoreszenz-Aktinometer des ersten Protokolls, durch deren begrenzte Lichtabsorptionsbereiche mehrere Aktinometer erforderlich sind, um den gesamten Wellenlängenbereich abzudecken. Bei diesem Protokoll wird ein photochemisch inerter Leuchtstoff verwendet – ein Molekül mit fluoreszierenden Eigenschaften, das Photonen absorbiert und im Gegenzug Photonen mit geringerer Energie aussendet. Der Leuchtstoff überträgt Informationen über die Lichtstärke von einer Wellenlänge – gemessen mit einem Fluoreszenz-Aktinometer aus dem ersten Protokoll – auf eine andere.
Zwei sind besser als eines
„Zusammen können die beiden neuen Protokolle in Situationen mit schwachem Licht, kürzeren Zeiträumen und einem breiteren Spektrum von Wellenlängen als herkömmliche Methoden eingesetzt werden“, so das Forschungsteam in einer „EurekAlert!“-Pressemitteilung. Die Protokolle wurden zur genauen Messung der räumlichen Lichtverteilung in verschiedenen Fluoreszenz-Bildgebungssystemen und zur Kalibrierung der Beleuchtung in handelsüblichen Geräten und Lichtquellen verwendet. Die Autorinnen und Autoren erwarten außerdem, dass ihre Protokolle die wissenschaftlichen Erkenntnisse darüber verbessern, wie Licht die Gesundheit und Lebensfähigkeit biologischer Proben beeinflusst. Das Forschungsteam bietet Onlinezugang zu Aktinometereigenschaften und zu Codes und benutzungsfreundlichen Datenanwendungen, um die Nutzung dieser Aktinometer in verschiedenen Disziplinen zu erleichtern. In DREAM (Dynamic Regulation of photosynthEsis in light-Acclimated organisMs) werden bahnbrechende Beleuchtungs-, Instrumentierungs- und Datenerfassungsprotokolle zur Förderung der Präzisionslandwirtschaft in optimierten und kontrollierten Umgebungen wie Gewächshäusern, vertikalen Farmen und Innengärten entwickelt. Das Projekt wird 2026 enden. Weitere Informationen: DREAM-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
DREAM, Licht, Lichtstärke, Photon, Fluoreszenz, Aktinometer, Protokoll