Molekulare Lernmaschinen unter dem Mikroskop

Alles Denken, Fühlen und Handeln des Menschen basiert auf der Tatsache, dass Nervenzellen miteinander kommunizieren. Über Synapsen leiten sie Reize weiter, verstärken diese, schwächen sie ab oder blockieren sie.

Wie eine Fähre, die einen Fluss überquert, wandern dabei chemische Überträgerstoffe, sogenannte Neurotransmitter, von einer Seite der Synapse durch einen weniger als tausendstel Millimeter breiten Spalt und docken an speziellen Rezeptoren der Synapse der benachbarten Nervenzelle an.

Die molekulare Organisation der für diese Reizweiterleitung verantwortlichen Strukturen innerhalb der Synapse ist bislang nur unvollständig bekannt. Mithilfe eines speziellen bildgebenden Verfahrens ist es jetzt Wissenschaftlern der Universität Würzburg gelungen, Vorgänge im Nanobereich zu erfassen. In der aktuellen Ausgabe von Nature Communications stellen sie ihre Ergebnisse vor.

Molekulare Maschinen in aktiven Zonen

„Verantwortlich für den Informationstransfer an chemischen Synapsen ist die Freisetzung von Botenstoffen in der sogenannten ‚aktiven Zone’, einer hoch spezialisierten sub-zellulären Region des präsynaptischen Neurons“, erklärt Dr. Robert Kittel den Vorgang. Kittel ist Leiter einer Emmy-Noether-Gruppe am Physiologischen Institut der Universität Würzburg, in deren Mittelpunkt die molekularen Mechanismen von Synapsen stehen.

Seit 2009 erforscht er dort am Beispiel der Fruchtfliege Drosophila melanogaster Details zur Physiologie der aktiven Zone. Insbesondere interessiert er sich für die Frage, wie Veränderungen in der Struktur dieser aktiven Zonen zur synaptischen Plastizität beitragen und damit beispielsweise auch Lernen ermöglichen.

In einer aktiven Zone sind nach Kittels Worten „komplexe molekulare Maschinen“ am Werk, welche die „äußerst hohe räumliche und zeitliche Präzision synaptischer Signaltransduktion“ vermitteln. Mehrstufige Prozesse innerhalb der aktiven Zone gehen der Freigabe der Neurotransmitter voraus, in deren Verlauf die Nervenzelle die Botenstoffe in sogenannten Vesikeln bereitstellt.

Ein genaues Abbild der räumlichen Verteilung der molekularen Bestandteile der aktiven Zonen und damit Informationen über deren Organisationsprinzipien war schon lange Ziel von Kittels Forschung. Denn diese Eigenschaften sind es, die für die Funktion der aktiven Zone ausschlaggebend sind. Im Rahmen einer Kollaboration mit weiteren Würzburger Wissenschaftlern ist dieses Ziel jetzt näher gerückt.

Lichtmikroskopie mit extrem hoher Auflösung

Entscheidend war dabei die Zusammenarbeit mit Professor Markus Sauer, Inhaber des Lehrstuhls für Biotechnologie und Biophysik am Biozentrum der Universität Würzburg. Gemeinsam mit seiner Arbeitsgruppe hat Sauer eine Technik entwickelt, welche die gewünschten Bilder liefern konnte.

Ihr Name: dSTORM – direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form einer hochaufgelösten Fluoreszenzmikroskopie, die es möglich macht, zelluläre Strukturen und Moleküle mit zehn- bis hundertfach verbesserter Auflösung im Vergleich zur sonst üblichen Lichtmikroskopie abzubilden. Die Größenordnung der dargestellten Objekte liegt dabei im Bereich von wenigen Nanometern – also millionsten Teilen von Millimetern.

Elektrophysiologische Messungen an den Nervenzellen von Drosophila kombiniert mit den dSTORM-Bildern lieferten den Wissenschaftlern dann die gewünschten Informationen: den Zusammenhang zwischen räumlicher Anordnung spezieller Proteine im Nanomaßstab und den funktionellen Eigenschaften der aktiven Zone. Tatsächlich konnten die Forscher auf diese Weise die Kopien des sogenannten „Bruchpilot“-Proteins in den aktiven Zonen zählen und somit quantitative Struktur-Funktionsbeziehungen erarbeiten.

„Die Analyse der räumlichen Organisation von Molekülen liefert uns Informationen zu Funktionsmechanismen der aktiven Zone und hilft dabei, grundlegende Mechanismen der Hirnfunktion aufzuklären“, bewerten die Forscher das Ergebnis.

Quantitative super-resolution imaging of Bruchpilot distinguishes active zone states. Nadine Ehmann, Sebastian van de Linde, Amit Alon, Dmitrij Ljaschenko, Xi Zhen Keung, Thorge Holm, Annika Rings, Aaron DiAntonio, Stefan Hallermann, Uri Ashery, Manfred Heckmann, Markus Sauer & Robert J. Kittel, Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms5650

Kontakt

Dr. Robert Kittel, T: (0931) 31-86046, robert.kittel@uni-wuerzburg.de
Prof. Dr. Markus Sauer, T: (931) 31-88687, m.sauer@uni-wuerzburg.de