Proteine beobachten ohne Einfärben
Hochauflösendes Infrarot-Mikroskop erlaubt Abbildung und chemische Analyse ohne vorheriges Markieren.
Biophysiker der Freien Universität haben in Kooperation mit spanischen Wissenschaftlern einen Weg gefunden, um Proteine unter dem Mikroskop ohne Anfärbung sichtbar zu machen. Die Wissenschaftler um Joachim Heberle und des nanoGUNE-Instituts in San Sebastián setzten ein Infrarot-Mikroskop ein, um winzige Protein-Komplexe zu untersuchen – mit herkömmlichen Lichtmikroskopen lassen diese sich nicht abbilden. Das Besondere an dem Mikroskop ist die Tatsache, dass es nicht nur hochaufgelöste Bilder aufnehmen kann, sondern die Strukturen auch auf ihre chemische Zusammensetzung hin untersucht. Neben der biophysikalischen Grundlagenforschung an Biomembranen lässt sich dieses Mikroskop in der biomedizinischen Analytik einsetzen, um sehr geringe Mengen an biologischem Material oder Verunreinigungen, Viren oder Pathogene markierungsfrei zu identifizieren.
Abb.: Infrarot-Nahfeld-Abbildung einer Mischung aus Insulin und Tabak-Mosaik-Viren bei verschiedenen Wellenlängen (Bild: I. Amenabar et al.)
Die Lebenswissenschaften erfahren gegenwärtig eine Revolution in der hochauflösenden Lichtmikroskopie: Hier finden zumeist Farbstoffe Verwendung, die nach Beleuchtung mit sichtbarem Licht fluoreszieren. Biologische Zellen werden damit angefärbt, und der fluoreszierende Fleck eines einzelnen Farbstoffmoleküls lässt sich mit einem modernen Mikroskop sehr präzise lokalisieren. Angetrieben durch neue Erkenntnisse haben Wissenschaftler auf dieser Basis Superauflösungsmikroskope entwickelt, mit denen kleinste Strukturen selbst in lebenden Zellen sichtbar gemacht werden können. Der Weltrekord liegt derzeit bei einer Auflösung von wenigen Nanometern.
Eine komplementäre Methode entwickelte ein Forscherteam um Rainer Hillenbrand aus San Sebastián, bei der die Forscher anstatt der Fluoreszenzemission die Absorption von Wärmestrahlung für den Bildkontrast ausnutzen. Dieses Mikroskop (Nano-FTIR) erreicht seine Hochauflösung, indem ein infraroter Laserstrahl auf das Ende einer feinen Nadelspitze gerichtet wird, die nur wenige Nanometer dick ist. Die gestreute Strahlung wird durch die sich in unmittelbarer Nähe befindlichen biologischen Probe absorbiert und das Absorptionsspektrum durch einen entsprechenden Detektor registriert. Wenn die Spitze nun punktweise die biologische Probe abtastet, entsteht ein chemisches Abbild der Oberfläche. Mit einer Auflösung von dreißig Nanometern kann sich das Nano-FTIR zwar noch nicht ganz mit der moderner Fluoreszenzmikroskope messen, aber es besitzt gegenüber letzterer zwei entscheidende Vorteile: Es funktioniert markierungsfrei, das heißt, die biologische Probe muss vorher nicht aufwändig angefärbt werden. Darüber hinaus liefert das aufgenommene Infrarot-Spektrum einen Fingerabdruck des untersuchten Moleküls. Man kann damit also nicht nur eine Struktur abbilden, sondern diese auch chemisch analysieren und einer Substanz zuordnen.
Für Messungen an Zellmembranen forschte Elmar Hubrich, der seine Dissertation am Fachbereich Physik der Freien Universität unter Betreuung von Heberle anfertigt, in San Sebastián. Sehr schnell konnte er in den mikroskopischen Aufnahmen zwischen Lipidschicht und Membranprotein unterscheiden und das Auflösungsvermögen des Mikroskops bestimmen. Des Weiteren untersuchte man Amyloid-Fibrillen– unlösliche Proteinaggregate, die bei Krankheiten wie Alzheimer und Morbus Parkinson auftreten. Auch Verunreinigungen, die in solchen biologischen Proben zu ernsthaften Problemen führen, ließen sich mit der Nano-FTIR-Mikroskopie nachweisen.
Für die Zukunft soll die Auflösung der Technik weiter verbessert werden mit dem Ziel, einzelne Proteine, ihre Eigenschaften und ihre Strukturvariationen zu untersuchen. Joachim Heberle möchte mit dieser Technik die Eigenschaften und Funktionen einzelner Membranproteine untersuchen. Solche Membranproteine werden von mehr als sechzig Prozent aller auf dem Markt befindlicher Medikamente angesteuert, doch das molekulare Verständnis dieser wichtigen Proteinklasse ist noch sehr dürftig.
FU Berlin / DE
