Naturgesetze zu überlisten hat seinen Preis

Eigentlich widerspricht die Technologie einem Grundsatz, den man lange für ein Naturgesetz gehalten hatte: Mit Lichtwellen kann man nur Objekte abbilden, die größer sind als die halbe Wellenlänge. Diese Regel stimmt zwar, doch sie lässt sich überlisten, wenn man unterschiedliche Punkte des Objekts nacheinander einzeln zum Leuchten bringt – zum Beispiel ganz bestimmte Moleküle auf einer Zelle. So die Grundidee hinter der Super-Resolution-Mikroskopie, für die 2014 der Chemie-Nobelpreis vergeben wurde.

Seither hat sich diese Mikroskopie-Technik auf der ganzen Welt immer wieder bewährt, doch ein Team von Wissenschaftlern der TU Wien und der MedUni Wien zeigte nun, dass man bei der Interpretation der Daten sehr vorsichtig sein muss: Die Super-Resolution-Mikroskopie macht zwar einzelne Moleküle sichtbar, aber es kann leicht passieren, dass man ein Molekül mehrfach abbildet. Eine bloße Mehrfachbelichtung kann dann mit einem Cluster aus mehreren Molekülen verwechselt werden. Das Forschungsteam entwickelte Methoden, zwischen diesen beiden Möglichkeiten zu unterscheiden.

„Aus biologischer wie immunologischer Sicht spielt es eine wichtige Rolle, ob bestimmte Rezeptoren wie beispielsweise T Zell Antigenrezeptoren gleichmäßig auf der Zelloberfläche verteilt sind, oder ob sie sich zu Clustern zusammenfinden“, erläutert Johannes Huppa, Biochemiker und Immunologe vom Institut für Hygiene und Angewandte Immunologie der Meduni Wien. „Und wie sich zeigte, ist genau diese Frage mit Super-Resolution-Mikroskopie schwer zu beantworten.“

Das Team konnte nämlich zeigen, dass verschiedene Moleküle, die man in der Super-Resolution-Mikroskopie als Markierungs-Farbstoffe verwendet, nicht nur einmal sondern auch häufiger aufleuchten können – in manchen Fällen sogar zwanzig bis dreißig mal. „Und dann zieht man mit herkömmlichen Auswertungsmethoden völlig falsche Schlüsse: Es sieht aus, als würde es dort auf engstem Raum einen Cluster aus zwanzig bis dreißig Molekülen geben“, sagt Huppa.

Mit viel Aufwand und speziellen biochemischen Tricks gelang es dem Forschungsteam nun, verschiedene Markierungs-Farbstoffe genau zu charakterisieren: Spezielle Proteine wurden jeweils mit unterschiedlichen Markierungs-Molekülen versehen und auf einem Glasplättchen fixiert. Dann wurde das Verhalten der Moleküle genau analysiert: Leuchten sie mehrfach auf, wenn man sie mit einem Laser bestrahlt, oder gehen sie nach dem ersten Aufleuchten kaputt? Wie lange dauert es typischerweise, bis sie nach dem ersten Aufleuchten ein weiteres Mal aufleuchten können?

„Mit diesen Informationen kann man nun das Verhalten der Moleküle am Computer simulieren und mit Super-Resolution-Bildern aus Experimenten vergleichen“, erklärt der Biophysiker Mario Brameshuber vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Und unsere Simulationen zeigen, dass es bestimmte statistische Zusammenhänge zwischen den Leuchtsignalen gibt, die uns verraten, ob einzelne Moleküle häufig oder viele Moleküle je einmal ein Signal im Experiment geliefert haben.“ Das Bild, das am Ende entsteht, mag mit bloßem Auge gleich aussehen, aber mit Mathematik kann man zusätzliche wichtige Informationen herausholen, welche die Methode in ihrer Aussagekraft verbessert und robuster macht.

„Die Super-Resolution-Mikroskopie ist heute eine extrem wichtige Technik, und das wird sie auch weiterhin bleiben“, sind sich die TeamMitglieder René Platzer und Benedikt Rossboth, einig. „Wir konnten in unserer Forschungsarbeit zwei wichtige Erkenntnisse liefern: Erstens, dass die Auswertung der Bilder manchmal komplizierter ist, als man bisher annahm, und zweitens, dass man mit sehr sorgfältigen Experimenten und Berechnungen am Ende doch an die Information herankommt, die man für gesicherte Aussagen braucht.“

TU Wien / OD

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Platzer et al.: Unscrambling fluorophore blinking for comprehensive cluster detection via photoactivated localization microscopy, Nat. Commun. 11, 4993 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18726-9 
• Institut für Angewandte Physik, Arbeitsgruppe Biophysik (Schütz Lab), Technische Universität Wien