Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Scharfer Blick auf die Dichteverteilung in biologischen Zellen

08.12.2009
Wie die Architektur einer biologischen Zelle zerstörungsfrei untersucht werden kann, hat nun ein Forscherteam um Klaus Giewekemeyer und Prof. Dr. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen zusammen mit Kollegen der Technischen Universität München und der Schweizer Synchrotronstrahlungsquelle SLS gezeigt.

In einer Studie berichten die Forscher über ein Experiment, bei dem sie Bakterien mit hoch intensivem Röntgenlicht beleuchtet und die Dichteverteilung aus den gestreuten Röntgenwellen ermittelt haben. Die Studie erscheint in dieser Woche in der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America".

Bakterium mit Hilfe linsenloser Röntgen-Mikroskopie untersucht

Um die Dichte und das Volumen einzelner Bestandteile biologischer Zellen bestimmen zu können, müssen Wissenschaftler bislang üblicherweise die Proben zerstören. Größere Untereinheiten der Zelle, die aus vielen Biomolekülen bestehen, lassen sich auf diese Weise in ihrer intakten funktionellen Form meist überhaupt nicht analysieren. Wie die Architektur einer biologischen Zelle zerstörungsfrei untersucht werden kann, hat nun ein Forscherteam um Klaus Giewekemeyer und Prof. Dr. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen zusammen mit Kollegen der Technischen Universität München und der Schweizer Synchrotronstrahlungsquelle SLS gezeigt.

In einer Studie berichten die Forscher über ein Experiment, bei dem sie Bakterien mit hoch intensivem Röntgenlicht beleuchtet und die Dichteverteilung aus den gestreuten Röntgenwellen ermittelt haben. Die verwendete Wellenlänge der Röntgenstrahlung ermöglicht dabei nicht nur die Vermessung von ausgedehnten Proben ohne nennenswerte Schwächung des Strahls, es lassen sich auch die lokalen Dichteunterschiede besonders gut und nahezu unabhängig von der chemischen Beschaffenheit ermitteln. Die Studie erscheint in dieser Woche in der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America".

Die Wissenschaftler haben das Bakterium Deinococcus radiodurans untersucht, einen weit verbreiteten Vertreter der Kokken-Bakterien mit erstaunlicher Anpassungsfähigkeit. Der Einzeller kann mehr als das Tausendfache der tödlichen Dosis an ionisierender Strahlung für jedes andere bekannte Lebewesen überleben. Wie das Bakterium die effiziente Reparatur von Strahlenschäden bewerkstelligt, hängt womöglich auch mit der speziellen Packung der Erbsubstanz in dem Bakterium zusammen. Unter Einsatz eines neu entwickelten Verfahrens der linsenlosen Mikroskopie mit Röntgenstrahlen ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, die Erbsubstanz in der Zelle in scharfen Bildern abzubilden. Im vergangenen Jahr hatte ein Forscherteam um Pierre Thibault und Franz Pfeiffer von der TU München an metallischen Nanostrukturen gezeigt, dass sich ohne einschränkende Annahmen die Probenstruktur am Computer aus den Streuintensitäten errechnen lässt. Die nun publizierte Arbeit beweist, dass dieser Ansatz auch auf biologische Proben mit viel geringerem Kontrast übertragbar ist.

Ähnlich wie in der klassischen Röntgenstrukturanalyse trifft bei dem hier angewandten Verfahren der Röntgenstrahl nach der Interaktion mit der Probe, in diesem Fall mehreren Bakterienzellen von wenigen Mikrometern Größe, ohne weitere optische Elemente auf die Röntgenkamera, deren Bilder im Computer in ein reelles Bild des Objektes umgerechnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, Abbildungen unabhängig von Limitierungen durch optische Elemente zu erzielen, zu denen etwa begrenzte räumliche Auflösung und Abbildungsfehler zählen. Um das winzige Signal, das von Bestandteilen einer einzelnen biologischen Zelle ausgeht, überhaupt messen zu können, muss ein sehr starker Röntgenstrahl eingesetzt werden. Hierfür kommen Synchrotronstrahlungsquellen zum Einsatz, in denen geladene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in eine Kreisbahn gezwungen werden, aus der sie millionenfach intensivere Röntgenstrahlung als die einer Laborquelle aussenden.

Mit dem Verfahren können nun beliebige biologische Proben analysiert werden. "Gegenüber der Elektronenmikroskopie können wir mit den Röntgenstrahlen Proben zum Beispiel in einem Gewebe tiefer durchdringen. Die Methode bietet uns ein neues, hochauflösendes Fenster in die Zelle, das die Identifikation von Zellbestandteilen ohne chemische Vorbehandlung oder mechanische Zerteilung der Probe ermöglicht", so Doktorand Klaus Giewekemeyer. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher die Methode verfeinern, indem sie Zellen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen durchleuchten. Die dreidimensionalen Aufnahmen liefern zum Beispiel Informationen, um die Volumendichte bestimmen zu können. "Darüber hinaus werden wir die Schärfe der Bilder verbessern, indem wir die Intensität der Röntgenstrahlen erhöhen. Dabei sind wir nicht mehr auf die aufwändige Herstellung immer leistungsfähigerer Linsen angewiesen", so Prof. Salditt, der die Doktorarbeit an der Universität Göttingen betreut. In Zukunft könnten mit der Methode wichtige Details zur Packung der Erbsubstanz im Zellinneren ans Licht gebracht werden.

Die Veröffentlichung erscheint diese Woche in der Rubrik "Early Edition" und ist dann im Internet unter der Adresse http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0905846107 abrufbar.

Originalveröffentlichung:
Klaus Giewekemeyer et al.: Quantitative biological imaging by ptychographic x-ray diffraction microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2009, doi: 10.1073/pnas.0905846107
Kontaktadresse:
Klaus Giewekemeyer und Prof. Dr. Tim Salditt
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik - Institut für Röntgenphysik
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-9392 und 39-9427, Fax (0551) 39-9430
E-Mail: k.giewek@phys.uni-goettingen.de und tsaldit@gwdg.de

Dr. Bernd Ebeling | idw
Weitere Informationen:
http://www.roentgen.physik.uni-goettingen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie