Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

So viel atmet eine einzelne Zelle: elektrochemische Rastermikroskopie entscheidend optimiert

07.05.2013
RUB-Forscher messen Sauerstoffverbrauch individueller Zellen

Wie aktiv eine lebende Zelle ist, lässt sich anhand ihres Sauerstoffverbrauchs ablesen. Die Methode, mit der man diesen Verbrauch bestimmt, haben Bochumer Chemiker nun entscheidend weiter entwickelt. Problematisch war bislang, dass die Messelektrode den Sauerstoffumsatz in der Umgebung der Zelle wesentlich stärker veränderte als die Zelle selbst.


Elektrochemische Rastermikroskopie: Forscher bringen eine Mikroelektrode (grau) in die unmittelbare Nähe der Zelle. An der Elektrode wird Sauerstoff zu Wasser umgesetzt (schwarzer Pfeil); dabei fließen Elektronen durch die Elektrode. Durch Zellatmung (grüner Pfeil) verbraucht die Zelle Sauerstoff und macht der Elektrode Konkurrenz. Zusätzliche Sauerstoffquellen können die Messung stören: Sauerstoff kann aus der umgebenden wässrigen Lösung in den Spalt zwischen Elektrode und Zelle wandern (grauer Pfeil) oder aus der Zelle austreten (blaue Pfeile). Oben links ist die Topographie, also das Höhenprofil, der Zelle gezeigt, oben rechts der gemessene Sauerstoffverbrauch an der Zelloberfläche.
Grafik: Wolfgang Schuhmann

„Das haben wir schon vor 12 Jahren festgestellt“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Lehrstuhl für Analytische Chemie der Ruhr-Universität „Nun ist es uns endlich gelungen, die Messelektrode zum Beobachter zu machen.“ Gemeinsam mit seinem Team berichtet er in der „International Edition“ der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.

Messelektroden präzise positionieren

Zellen brauchen Sauerstoff für verschiedene Stoffwechselvorgänge, etwa um Glukose abzubauen. Um den Verbrauch zu messen, müssen Forscher sehr kleine Signale in einem großen Hintergrundrauschen detektieren. Sie nutzen dazu die elektrochemische Rastermikroskopie, für die sie Elektroden mit einem Durchmesser von fünf Mikrometer in einem Abstand von 200 Nanometer von der Zelle platzieren müssen. Dafür hat das RUB-Team im Lauf der letzten Jahre ein spezielles Verfahren entwickelt, mit dem sich der Abstand der Elektrode zur Zelle präzise kontrollieren lässt.

Den Zellen mit Mikroelektroden Konkurrenz machen

Mit der Elektrode erzeugen die Forscher zunächst Sauerstoff in der wässrigen Umgebung der Zelle; dann messen sie, wie viel die Zelle davon verwertet. Zu diesem Zweck legen sie zu Beginn ein bestimmtes Potenzial an der Elektrode an. Dieses bewirkt, dass dem Wasser in der Zellumgebung Elektronen entzogen werden; es entsteht Sauerstoff. Den Sauerstoff kann die Zelle für ihren Stoffwechsel nutzen; gleichzeitig machen die Forscher ihr aber mit der Mikroelektrode Konkurrenz.
Sie ändern das Potenzial an der Elektrode so, dass sich die Reaktion umkehrt: Sauerstoff wird nun zu Wasser umgesetzt. Die dabei fließenden Elektronen messen die Wissenschaftler mit der Elektrode und erhalten so ein Maß für den Sauerstoffverbrauch in der lokalen Umgebung. Je mehr Sauerstoff die Zelle für ihren Stoffwechsel verbraucht, desto weniger Sauerstoff bleibt für die stromerzeugende Reaktion an der Elektrode. Je geringer also der gemessene Stromfluss, desto stärker die Aktivität der Zelle. Bei diesem Verfahren spricht man vom Redoxkompetitionsmodus.

Schnelle Messung

Bei den bisher eingesetzten Verfahren war der durch die Elektrode erzeugte Sauerstoffverbrauch wesentlich größer als der Verbrauch der Zelle. „Die Messung selbst hat die Sauerstoffkonzentration lokal also stärker verändert als der Zellstoffwechsel“, erklärt Prof. Schuhmann. Entscheidend war es, die Aktivität der Zelle sehr schnell, nachdem der Sauerstoff an der Mikroelektrode erzeugt worden war, zu messen – nämlich nach 20 Millisekunden. Wartet man länger, so entzieht die Elektrode der Zelle Sauerstoff, anstatt den Sauerstoff aus der Umgebung zu verwenden, den die Forscher zuvor künstlich erzeugten. Drei Faktoren waren also maßgeblich für den Erfolg der Bochumer Methode: die sehr genaue Position der Elektroden, der Redoxkompetitionsmodus und die schnelle Messzeit.
Titelaufnahme

M. Nebel, S. Grützke, N. Diab, A. Schulte, W. Schuhmann (2013): Visualization of oxygen consumption of single living cells by scanning electrochemical microscopy: the influence of the faradaic tip reaction, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201301098

Weitere Informationen

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Analytische Chemie – Elektroanalytik & Sensorik, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26200, E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der Evolutionsvorteil der Strandschnecke
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Mobile Goldfinger
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit