MINFLUX-Nanoskopie sieht Zellen molekular scharf

Vor drei Jahren stellten Stefan Hell und sein Team vom MPI für bio­physika­lische Chemie die MINFLUX-Nanoskopie vor. Mit ihr war es erstmals möglich, fluores­zierende Moleküle mit Licht getrennt sichtbar zu machen, die nur ein paar Nanometer von­ein­ander entfernt sind – die Technik ist also hundert­mal schärfer als die herkömm­liche Licht­mikro­skopie. Jetzt haben die Forscher eine neue Entwick­lungs­stufe dieser Technik präsen­tiert: MINFLUX erreicht diese Auf­lösung nun auch in Zellen, und das mehr­farbig und in 3D. Damit lässt sich die MINFLUX-Nanoskopie auf viel­fältige bio­lo­gische Frage­stellungen anwenden.

Es war ein großes Versprechen für die bio­logische Forschung, das Hell gab, als er und sein Team 2016 MINFLUX vor­ge­stellt hatten: Er sei davon über­zeugt, dass die Methode das Zeug dazu habe, eines der mächtigsten Werk­zeuge der Zell­bio­logie zu werden, sagte er damals: „Mit diesem Verfahren wird es möglich sein, Zellen molekular zu karto­gra­fieren.“

Für MINFLUX hatte Hell die Stärken der beiden bis dahin besten Fluores­zenz-Nano­skopie-Techniken zusammen­ge­führt: PALM/STORM und die von ihm selbst entwickelte STED-Mikro­skopie, für die er 2014 den Nobel­preis für Chemie erhalten hatte. MINFLUX erreichte erst­mals eine Trenn­schärfe von wenigen Nano­metern und war auch bis zu hundert­mal schneller im Verfolgen sich in der Zelle bewegender Moleküle. Aller­dings war MINFLUX damals nur für künst­liche Test­objekte gezeigt worden und noch nicht für die Unter­suchung von lebenden Zellen ein­setz­bar.

Die aktuelle Arbeit löst nun dieses Versprechen ein und zeigt das ganze Potential der Methode. „Wir haben MINFLUX so weit entwickelt, dass wir fluores­zierende Moleküle in Zellen mit maxi­maler, mole­ku­larer Auf­lösung, in zwei Farben und drei­dimen­sional sichtbar machen können“, fasst Mit­arbeiterin Jasmin Pape zusammen. „Damit erfüllt MINFLUX bereits heute viele Anforde­rungen, um Moleküle und Prozesse in lebenden Zellen molekular scharf abzubilden und zu unter­suchen.“

MINFLUX nutzt einen donutförmigen Laser­strahl mit einer Inten­sitäts-Null­stelle in der Mitte, um ein­zelne fluores­zie­rende Moleküle zum Leuchten zu bringen. Aus der Stärke der Fluores­zenz lässt sich die unge­fähre Position des Moleküls relativ zur Donut­mitte bestimmen. Anschlie­ßend bewegt das Mikro­skop den Donut so, dass sich die Inten­sitäts-Null­stelle näher am Molekül befindet. Weil die Position der Null­stelle bekannt ist, ist somit auch die Molekül­position genauer bestimmt – und das mit vergleichs­weise wenigen Fluores­zenz­photonen. Die Wissen­schaftler opti­mierten diesen Prozess, bis er auf ein bis drei Nano­meter exakte Ergeb­nisse lieferte. MINFLUX ist nun auch für größere Proben ein­setzbar, wie sie typischer­weise unter dem Mikroskop von Biologen liegen, wenn sie lebende Zellen analy­sieren.

Außerdem nutzt MINFLUX jetzt eine drei­dimen­sionale Donut-Inten­sitäts-Null­stelle, um Molekül­ver­tei­lungen auch in allen drei Raum­rich­tungen molekular aufzu­lösen. Mit dem neuesten Versuchs­aufbau können die Forscher noch dazu die Vertei­lung zweier unter­schied­lich markierter Molekül­arten zeit­gleich beob­achten.

MINFLUX sei, so das Team, nun bereit für zell­bio­lo­gische Frage­stellungen. Trotz der neuen, funda­men­talen Weiter­entwick­lung bestehe aber immer noch Potenzial, um MINFLUX weiter zu verbessern: Sowohl die Aufnahme­zeit als auch störende Hinter­grund­signale lassen sich in Zukunft weiter redu­zieren, was die Methode noch weiter verbessern wird.

MPI-BPC / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  K. C. Gwosch et al.: MINFLUX nanoscopy delivers 3D multicolor nanometer resolution in cells, Nat. Methods, online 13. Januar 2020; DOI: 10.1038/s41592-019-0688-0
• Nanobiophotonik (S. Hell), Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen