Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nature: Molekülbewegungen in lebenden Zellen sehen

23.07.2013
Schnelle Bewegungen von Molekülen in lebenden Proben zu erfassen, ermöglicht die neu entwickelte STED-RICS-Mikroskopie.

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie haben die Raster-Bild-Korrelationsspektroskopie (RICS) mit der STED-Fluoreszenzmikroskopie kombiniert.


Beim STED-RICS-Mikroskop wird die fluoreszierende Zellmembran mit einem Licht-punkt abgerastert und dadurch ein Bild aufgenommen. Abbildung: P.N. Hedde/KIT

Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten in der medizinischen Forschung, etwa bei der Untersuchung der Dynamik von Zellmembranen auch bei hohen Proteinkonzentrationen. Im Fachmagazin „Nature Communications“ stellen die Forscher das Verfahren vor. (doi:10.1038/ncomms3093)

Wie bewegen sich einzelne Biomoleküle in lebenden Zellen, Geweben oder ganzen Organismen? Wie wirken die Biomoleküle zusammen? Die Fragen sind wesentlich, um Lebensprozesse auf molekularer Ebene besser zu verstehen. Die STED-Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht es, Bewegungen und Wechselwirkungen von Biomolekülen in lebenden Proben räumlich und zeitlich aufgelöst zu verfolgen. Dazu werden die zu untersuchenden Strukturen mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen selektiv markiert; die zeitlichen Veränderungen lassen sich anschließend in Videos beobachten.

Allerdings ist die Bildfolge recht langsam, sodass sich schnelle Molekülbewegungen nicht direkt erfassen lassen. Eine Gruppe von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) um Professor Gerd Ulrich Nienhaus vom Institut für Angewandte Physik (APH) und vom Center for Functional Nanostructures (CFN) stellt nun im Fachmagazin „Nature Communications“ eine neue Methode vor, um solche schnellen Molekülbewegungen in lebenden Proben zu messen.

Die neue Methode kombiniert zwei Verfahren der Mikroskopie: Mit einem konfokalen Rastermikroskop werden Fluoreszenzbilder Punkt für Punkt in festen Zeitabständen aufeinanderfolgend aufgenommen; die Bilder enthalten also eine implizite Zeitstruktur. Diese Information lässt sich mithilfe der Raster-Bild-Korrelationsspektroskopie (raster image correlation spectroscopy, RICS) nutzen, um die Dynamik von Biomolekülen, beispielsweise Proteinen, in lebenden Zell- oder Gewebeproben zu bestimmen. Allerdings sind die Proteinkonzentrationen häufig zu hoch, um RICS mit konventioneller Mikroskopie anzuwenden.

Die KIT-Forscher haben daher die RICS-Methode mit der STED-Mikroskopie (stimulated emission depletion microscopy) kombiniert. STED ermöglicht es, den zum Abrastern des Fluoreszenzbilds verwendeten Lichtpunkt erheblich zu verkleinern. Bei der Bildgebung an Zellen wurde dieses Verfahren bereits erfolgreich eingesetzt, um die höchstmögliche Auflösung zu erzielen. Bei einem STED-Mikroskop handelt es sich um ein Fluoreszenzmikroskop, dessen Auflösung nicht durch das Abbe-Limit begrenzt ist.

Durch die Kombination der Raster-Bild-Korrelationsspektroskopie mit der STED-Mikroskopie haben die KIT-Forscher es nun ermöglicht, die Moleküldynamik innerhalb von biologischen Strukturen aus den gewonnenen Rasterbildern zu quantifizieren. „Das heißt, mit der STED-RICS-Methode lässt sich aus jedem Fluoreszenzbild eine hochaufgelöste Karte der Anzahl und Beweglichkeit der fluoreszenzmarkierten Moleküle innerhalb des vom Abtastpunkt erfassten Raumgebiets erstellen“, erklärt Gerd Ulrich Nienhaus.

In der Arbeitsgruppe von Professor Nienhaus arbeiten Physiker, Chemiker und Biologen zusammen. Diese interdisziplinäre Kompetenz ist erforderlich, um die verschiedenen Aspekte bei der Entwicklung neuer mikroskopischer Instrumente und Methoden für Untersuchungen in der biophysikalischen Grundlagenforschung abzudecken. Wenn es um die Anwendung geht, arbeitet die Gruppe häufig mit weiteren Forschern am KIT zusammen, die ihr Wissen über molekulare Prozesse einbringen – im Fall der STED-RICS-Methode mit Wissenschaftlern des Instituts für Toxikologie und Genetik (ITG) sowie der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie des Zoologischen Instituts.

Die STED-RICS-Methode eröffnet neue Messmöglichkeiten in den Lebenswissenschaften. Ein wichtiges Anwendungsfeld ist die Erforschung der Dynamik von Zellmembranen. In die Membranen ist eine Vielzahl von Rezeptorproteinen eingebettet, die durch Wechselwirkung mit von außen andockenden Ligandenmolekülen externe Signale ins Zellinnere weiterleiten. Mit STED-RICS können Forscher nun Bewegungen sowohl der Lipide als auch der Rezeptoren präzise und quantitativ bestimmen. Das Verständnis dieser Prozesse ist für die medizinische und pharmazeutische Forschung äußerst wichtig: Viele pharmazeutische Wirkstoffe basieren auf der Beeinflussung dieser Wechselwirkungen. „Etwa jedes zweite Medikament beeinflusst beispielsweise die Signaltransduktion von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, einer wichtigen Subklasse“, erklärt Professor Nienhaus.

Per Niklas Hedde, René M. Dörlich, Rosmarie Blomley, Dietmar Gradl, Emmanuel Oppong, Andrew C.B. Cato & G. Ulrich Nienhaus: Stimulated emission depletion-based raster image correlation spectroscopy reveals biomolecular dynamics in live cells. Nature Communications 4. 2013. Article number: 2093. doi:10.1038/ncomms3093.

Weiterer Kontakt:
Kosta Schinarakis; PKM – Themenscout
Tel.: +49 721 608 41956; E-Mail:schinarakis@kit.edu
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und gebaute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter knapp 6000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 000 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Monika Landgraf | idw
Weitere Informationen:
http://www.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | Universität Basel

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten