Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biophysiker der Freien Universität untersuchen Biomembranen mit neuartigem hochauflösenden Infrarot-Mikroskop

16.12.2013
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 Professor Joachim Heberle und des nanoGUNE-Institut in San Sebastián setzten ein Infrarot-Mikroskop ein, um die winzigen Protein-Komplexe zu untersuchen - mit herkömmlichen Lichtmikroskopen können sie nicht abgebildet werden.

In einer soeben veröffentlichten Arbeit in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications berichten die Forscher über Anwendungen an Zellmembranen und faserigen Proteinstrukturen - sogenannten Amyloiden -, die bei neurologischen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer eine wesentliche Rolle spielen. Das Besondere an dem Mikroskop ist die Tatsache, dass damit nicht nur hochaufgelöste Bilder aufgenommen werden können, sondern die Strukturen auch auf ihre chemische Zusammensetzung hin untersucht.

Neben der biophysikalischen Grundlagenforschung an Biomembranen kann dieses Mikroskop in der biomedizinischen Analytik eingesetzt werden, um sehr geringe Mengen an biologischem Material oder Verunreinigungen, Viren oder Pathogene markierungsfrei zu identifizieren. Proteine sind Nanomaschinen, die den Zellen in unserem Körper Struktur und Funktion verleihen.

Mikroskopie und Mikrobiologie gehen seit den Arbeiten des niederländischen Naturforschers Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) eine heilvolle Allianz ein: Die im 19. Jahrhundert vom Mathematiker und Physiker Ernst Abbé in Jena definierte Auflösungsgrenze erlaubt allerdings nur solche Strukturen im Mikroskop zu sehen, die nicht kleiner sind als die Hälfte der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, also im Bereich von 0,2-0,3 Mikrometern liegen.

Die Strukturen der belebten Materie, wie Bakterien, Viren, Proteine, sind allerdings noch kleiner, und Wissenschaftler haben mittlerweile Tricks entwickelt, um noch tiefer in diesen Nanokosmos vorzudringen. Dies kann durch Verkürzung der Wellenlänge erreicht werden, wie es bei Röntgen- und Elektronenstrahlung ausgenutzt wird. Allerdings ist diese Strahlung zumeist schädlich für die belebte Materie.

Die Lebenswissenschaften erfahren gegenwärtig eine Revolution in der hochauflösenden Lichtmikroskopie: Hier werden zumeist Farbstoffe verwendet, 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 in den physikalischen Wissenschaften wurden auf dieser Basis sog. Superauflösungsmikroskope entwickelt, mit denen kleinste Strukturen selbst in lebenden Zellen sichtbar gemacht werden können. Der Weltrekord liegt derzeit bei einer Auflösung von wenigen Nanometern (ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter).

Eine komplementäre Methode entwickelte ein Forscherteam um Professor Rainer Hillenbrand aus San Sebastián, in dem anstatt der Fluoreszenzemission die Absorption von Wärmestrahlung für den Bildkontrast ausgenutzt wird. Dieses Mikroskop (Nano-FTIR) erreicht seine Hochauflösung, in dem 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 wird durch einen entsprechenden Detektor registriert. Wenn die Spitze nun punktweise die biologische Probe abtastet, entsteht ein chemisches Abbild der Oberfläche.

Mit einer Auflösung von 30 Nanometern kann sich das Nano-FTIR zwar noch nicht ganz mit der moderner Fluoreszenzmikroskope messen, aber es besitzt gegenüber Letzteren zwei entscheidende Vorteile: Es funktioniert markierungsfrei, das heißt, die biologische Probe muss vorher nicht aufwendig 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 Prof. Heberle anfertigt, in San Sebastián. Sehr schnell konnte in den mikroskopischen Aufnahmen zwischen Lipidschicht und Membranprotein unterschieden und das Auflösungsvermögen des Mikroskops bestimmt werden. Des Weiteren wurden Amyloid-Fibrillen untersucht - unlösliche Proteinaggregate, die bei Krankheiten wie Alzheimer und Morbus Parkinson auftreten.

Verunreinigungen, die in solchen biologischen Proben zu ernsthaften Problemen führen, konnten mit der Nano-FTIR-Mikroskopie nachgewiesen werden. Anhand einer viralen Verunreinigung konnte " die Nadel im Heuhaufen" gefunden werden. Für die Zukunft soll die Auflösung der Technik weiter verbessert werden mit dem Ziel, einzelne Proteine, ihre Eigenschaften und ihre Strukturvariationen zu untersuchen. Damit ist eine neue Ära der Biospektroskopie eingeläutet worden. Joachim Heberle möchte mit dieser Technik in Zukunft die Eigenschaften und Funktionen einzelner Membranproteine untersuchen. Es sind Membranproteine, die von mehr als 60 Prozent aller auf dem Markt befindlicher Medikamente angesteuert werden, doch das molekulare Verständnis dieser wichtigen Proteinklasse ist noch sehr dürftig.

Für solche technischen Fortschritte ist es unerlässlich, dass Naturwissenschaftler über klassische Fächergrenzen hinweg zusammenarbeiten. Solche Zusammenarbeiten wurden und werden durch unterschiedliche Förderorganisationen finanziell unterstützt. Ein Teil der gegenwärtigen Arbeit wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Die Forschung von Professor Heberle eingebettet in die Focus Area NanoScale der Freien Universität Berlin. Nanoscale ist eine von fünf sogenannten Focus Areas, die aufgrund des Erfolgs in der Exzellenzinitiative an der Freien Universität gegründet wurden. Innerhalb von NanoScale wird die Zusammenarbeit von Physikern, Chemikern und Biologen unterstützt, die an der Struktur und den Eigenschaften von neuen Materialien auf der Ebene von Nanometern forschen.

Literatur
Iban Amenabar, Simon Poly, Wiwat Nuansing, Elmar H. Hubrich, Alexander A. Govyadinov, Florian Huth, Roman Krutokhvostov, Lianbing Zhang, Mato Knez, Joachim Heberle, Alexander M. Bittner & Rainer Hillenbrand (2013)
Structural analysis and mapping of individual protein complexes by infrared nanospectroscopy
Nature Communications 4, Artikelnummer: 2890 (open access)
Fachartikelnummer DOI: 10.1038/ncomms3890
Weitere Informationen
Prof. Dr. Joachim Heberle, Institut für Physik der Freien Universität Berlin, Tel. 030 / 838-53337, E-Mail: joachim.heberle@fu-berlin.de

Carsten Wette | idw
Weitere Informationen:
http://www.fu-berlin.de
http://www.fu-berlin.de/sites/inu/research/focus-areas/index.html
http://www.physik.fu-berlin.de/en/einrichtungen/ag/ag-heberle/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise