Mit intelligenter Mikroskopie Zellorganisation erkennen
Das Innere eukaryontischer Zellen enthält Strukturen, die Organellen(öffnet in neuem Fenster) genannt werden und auf eine Vielzahl lebenswichtiger Funktionen, etwa die Energieerzeugung (Mitochondrien) und die Speicherung von genetischem Material (Zellkern), spezialisiert sind. Die Zellen sind derart eng beieinander angeordnet, dass die Moleküle in ihrem Inneren wie zum Beispiel Proteine und Nukleinsäuren regelmäßig aneinander stoßen. Dies bildete den Auslöser für das Projekt Piko, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde. Dazu erklärt die Projektkoordinatorin Suliana Manley(öffnet in neuem Fenster): „Wir wollten verstehen, wie sich diese Überfüllung auf die dynamischen Prozesse auswirkt, da zu viel Verkehr Engpässe entstehen lässt und alles verlangsamt.“ Das Team von Piko interessierte sich besonders für die Parallelen zwischen Mitochondrien und Bakterien, denn Mitochondrien sind aus Bakterien hervorgegangen und tragen jeweils ihre eigene DNS. Es wurde untersucht, wie sich das Gedränge auf die Organisation der DNS auswirkt, wenn sie sowohl in Bakterien als auch in Mitochondrien repliziert (kopiert) und segregiert (aufgespalten) wird. „Bakterien sind zwar einfacher als menschliche Zellen aufgebaut, aber sie können harte Bedingungen besser überstehen, da sie typischerweise in einem Ruhezustand oder in einem Zustand geringer Aktivität existieren, um Hungerperioden zu überstehen“, erläutert Manley. „Das komplexe Verhalten des bakteriellen Zytoplasmas ist wichtig für ihr Überleben, aber wie es sich auf Prozesse wie die DNS-Organisation auswirkt, ist kaum erforscht.“
Intelligente Mikroskopie für „sanfteren“ biologischen Erkenntnisgewinn
Um Organisation und Dynamik des Inneren von Bakterien und Mitochondrien bei lebenden Zellen zu entschlüsseln, sah sich das Team mit Schwierigkeiten bei der Bildgebung konfrontiert. Erstens ist es aufgrund der geringen Anzahl der beteiligten Moleküle kompliziert, vielversprechende Signale zu erkennen. Zweitens sind die Prozesse flüchtig und treten nur für einen kurzen Zeitraum innerhalb des Zellzyklus auf. Drittens sind die interessanten Merkmale oft zu klein, um sie mit klassischen Lichtmikroskopie erkennen zu können. „Zellen und Mitochondrien sind lichtempfindlich, und außerdem mussten wir vermeiden, ihre Funktion während der Beobachtung zu stören“, fügt Manley hinzu. Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Formen der Mikroskopie, die weniger Licht benötigen, angepasst sowie Fortschritte in drei Bereiches erzielt: intelligente Mikroskopie, superauflösende Massenphotometrie und Multi-Parameter-Mapping von Objekten mit optischer Nanoskopie (MOON). Während sich die beiden letztgenannten noch in der Konzeptnachweisphase befinden, hat das Piko-Team die intelligente Mikroskopie entscheidend weiterentwickelt, wobei nun sanftere Formen der Mikroskopie für die biologische Forschung angeboten werden. Das Team trainierte außerdem ein neuronales Netzwerk, um bestimmte Mitochondrienformen zu erkennen, die das Mikroskop auslösten. „Wir haben die Zelldynamik mithilfe eines sanften weißen Lichts überwacht, wobei die Fluoreszenz nur dann aktiviert wird, wenn das neuronale Netzwerk eine mitochondriale Einschnürung feststellt. Oder wir setzten die lichtintensive superaufgelöste Mikroskopie ein, um die Aktivität über große Zeitintervalle zu beobachten und Bilder in kurzen Zeitabständen auszulösen, wenn die Einschnürung beginnt“, erklärt Manley. Anhand von Simulationen konnten Muster erkannt werden, indem die Organisation des bakteriellen Zytoplasmas oder der mitochondrialen Matrix mit Zufallsmodellen verglichen wurde. Bei Bakterien wurde festgestellt, dass die Art und Weise, wie die DNS organisiert ist, direkte Auswirkungen auf die Dynamik des Replisoms(öffnet in neuem Fenster), jener Multiproteinmaschine hat, die die DNS repliziert. In Mitochondrien wurden geometrische und molekulare Muster bei der Teilung entdeckt, die verschiedene Schicksale der Organellen bestimmen. So führt beispielsweise die Teilung in der Mitte zur Proliferation, während die Teilung an der Spitze zur Degradation führt. Das Team entdeckte auch, wie Mitochondrien ihre DNS verteilen, indem sie das normalerweise röhrenförmige Organell in die Form einer Perlenschnur verwandeln.
Mehr Nutzen für Gesundheitsforschung
Da Forschungsgruppen die intelligente Mikroskopie zunehmend bei einem breiten Anwendungsspektrum, etwa bei der Untersuchung von Infektionen, einsetzen, könnten sich die mit den Fortschritten innerhalb von Piko verbundenen Vorteile als bahnbrechend erweisen. Da Mitochondrien viele wichtige Funktionen für die Gesundheit und bei Erkrankungen des Menschen übernehmen, nutzen Forschende die Projektergebnisse bereits, um Einblicke in ein breites Spektrum von Krankheiten einschließlich Neurodegeneration und Krebs zu gewinnen. Für die Zukunft gilt: „Es gibt immer noch Rätsel darüber, wie einige der von uns entdeckten Muster entstehen und wie sie miteinander interagieren, die ich gerne lösen würde“, berichtet Manley. „Zudem arbeiten wir an einem besseren Verständnis, wie sich Mitochondrien mit Partnerorganellen oder untereinander innerhalb der Zellen abstimmen, um zu entscheiden, welche Funktionen sie wann ausführen.“
