16.12.2021 • OptikBiophysikMedizinphysik

Maximale Information aus möglichst jedem Photon

Hochauflösende Fluoreszenz-Bildgebungstechniken für die Erforschung von Signal- und Alterungsprozessen in der Zelle.

Wie sehen die Details der Funktion von Rezeptoren aus, die als Schalt­stellen für den Signal­transport in die Zelle in der Membran sitzen? Warum ändern sich mit dem Alter die Verteilung und Aktivität der Mito­chondrien, der für die Energie­bereit­stellung zuständigen Zell­organellen? Durch die molekül­genaue Beobachtung der Prozesse in der Zelle will die biomedi­zi­nische Forschung solchen Fragen auf den Grund gehen und benötigt dafür Bild­gebungs­methoden mit höchster Orts- und Zeit­auf­lösung.

Abb.: Die Arbeits­gruppe Mikro­skopie-Methodik um Michael Börsch nutzt ein...
Abb.: Die Arbeits­gruppe Mikro­skopie-Methodik um Michael Börsch nutzt ein neues modu­lares STED-Mikro­skop, um hoch­auf­lösende Fluores­zenz­bild­gebungs­techniken weiter­zu­ent­wickeln. (Bild: H. Hell­mann, UKJ)

„Wir wollen möglichst jedes Photon erfassen und aus ihm die maximale Information gewinnen“, formuliert es Michael Börsch. Der Physiko­chemiker leitet die Arbeits­gruppe Mikroskopie-Methodik am Universitäts­klinikum Jena, die in inter­diszi­plinären Projekten an der Erweiterung der hoch­auf­lösenden Fluoreszenz­bildgebungs­techniken forscht. Dafür steht dem Team und seinen Partner­gruppen in Medizin, Physik und Chemie jetzt ein modulares STED-Mikroskop zur Verfügung, das von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft und dem Land Thüringen mit je 900.000 Euro gefördert wurde.

Als STED wird eine Variante der Fluoreszenz­mikroskopie bezeichnet, die durch die gezielte Ausschaltung den fluores­zierenden und also abgebildeten Bereich stark verkleinern und auf diese Weise die Auflösung verbessern kann. Für diese Ausschaltung und die zuvor nötige Anregung der Farbstoffe arbeitet die Gruppe mit elf verschiedenen Lasern im STED-Mikroskop. Sie erfasst mit ihren Mess­aufbauten nicht nur die Intensität des Fluoreszenz­lichts, sondern auch dessen Lebensdauer, die auf die chemische Umgebung und mögliche Reaktions­partner des leuchtenden Moleküls schließen lässt.

„Wir wollen auch spektrale Eigenschaften und eventuelle Vorzugs­richtungen des emittierten Lichts messen“, so Börsch, „und alles gleichzeitig, und mit der Nachweis­empfind­lichkeit für ein einzelnes Molekül.“ Für Messungen über längere Zeit in lebenden Zellen müssen An- und Abregungs­licht die Farbstoffe schonen. „Das ist ein Kompromiss zwischen Auflösung und Detektion.“ Sein Kompromiss­vorschlag kommt mit minimalen Ausschaltungs­intensitäten aus und ist patentiert.

Diese Methode will die Gruppe einsetzen, um die Aktivität von ATP-Synthase in den Mitochondrien menschlicher Zellen darzustellen. Das Enzym lädt den für alle Stoffwechsel­prozesse zentralen Energieträger ATP immer wieder auf wie ein Ladegerät den Akku. Dies wird erst sichtbar bei einer Auflösung, die unterhalb von hundert Nanometern liegt. Ein weiteres Vorhaben ist die quantitative Analyse des Schalt­verhaltens eines G-Protein gekoppelten Rezeptors, der in die Regulation vieler Verdauungs­prozesse eingebunden ist.

Das STED-Mikroskopbild soll die zelluläre Anordnung und die Änderungen der Molekül­struktur des aktivierten Rezeptors zeigen. Für diese Vorhaben arbeitet die Gruppe unter anderem mit Partnern in der Farbstoff­chemie und in der angewandten Optik und Biophysik zusammen. „Unsere Methoden­entwicklung lebt von der inter­diszi­plinären Kooperation“, betont Börsch. „Wir arbeiten daran, die hoch­auf­lösenden Mikroskopie-Techniken zu erweitern oder neue Messverfahren für die Lebendzell-Analysen zu ermöglichen.“

UKJ / RK

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