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Tiefe Einblicke in lebende Zellen

19.04.2011
Katrin Heinze macht Vorgänge in lebenden Zellen sichtbar, die mit bisherigen Methoden nicht wahrnehmbar sind. Dazu kombiniert die Physikerin am Rudolf-Virchow-Zentrum hochauflösende Konzepte der Fluoreszenzmikroskopie mit Kniffen aus den Materialwissenschaften.

Ob Krebsforscher, Immunbiologe oder Biomediziner: Jeder von ihnen untersucht Proteine, ihren Aufbau und wie sie interagieren. Die Forschung in diesem Bereiche ist kompliziert, Proteine lassen sich – vor allem in lebenden Zellen – nur schwer beobachten.

Eine Möglichkeit, molekulare Vorgänge in Zellen zu studieren, bietet die sogenannte Fluoreszenz-Mikroskopie. Dabei versehen die Forscher ausgewählte Proteine mit einem fluoreszierenden Farbstoff. Die Proteine werden dadurch im Mikroskop als ‚Leuchtpunkte‘ sichtbar und bestimmte Zellbestandteile können studiert werden. Verschiedenfarbige Farbstoffe ermöglichen sogar das Beobachten des Zusammenspiels verschiedener Zellbestandteile und ihrer unterschiedlichen Molekülarten.

Niedrige Auflösung als Hemmschuh für die Forschung

Die Fluoreszenzmikroskopie hat bislang den Nachteil, dass sie üblicherweise in ihrer Auflösung begrenzt ist. Wichtige Details, wie kleinste Zellstrukturen, kann sie oft nicht sichtbar machen. Die Gründe liegen in der Physik des Lichts selbst. Für die Fluoreszenzmikroskopie heißt das, dass Strukturen die kleiner als z.B. ein Bakterium sind, durch das Mikroskop nicht mehr korrekt zu erkennen sind. Sie erscheinen einfach als unscharfer ‚Punkt‘. In anderen Größenordnungen gilt das Gleiche: Wer einen Wald aus der Nähe betrachtet, sieht deutlich einzelne Bäume und Sträucher. Aus der Ferne gesehen, ist der gleiche Wald ‚unscharf‘, nur noch ein brauner Streifen mit einem grünen Dach.

Katrin Heinze, seit Januar diesen Jahres Leiterin einer Arbeitsgruppe am Rudolf-Virchow-Zentrum, will genau dieses Problem lösen. Dazu integriert sie Erkenntnisse aus den Materialwissenschaften in ihre Arbeit. Ihr Trick: Heinze verwendet neuartige Probenträger für ihre Zellproben, die in bestimmter Weise beschichtet sind. Diese sogenannten nanostrukturierten Oberflächen sind in der Lage, die Auflösung des Mikroskops deutlich zu erhöhen.

Metamaterial als Lichtverstärker

„Diese neuartigen Träger bestehen aus sogenannten Metamaterialien“, sagt die Wissenschaftlerin. Eines oder mehrere chemische Elemente liegen in Schichten übereinander, die nur wenige Nanometer dünn sind. Zur besseren Vorstellung: Ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Bei einem so dünnen Material entscheide die Struktur über seine Eigenschaften und nicht, wie im Normalfall, die chemische Zusammensetzung, sagt Heinze. Auf diese Art könnten Forscher Materialien herstellen, die über Fähigkeiten verfügen, die so in der Natur nicht vorkommen.

Durch den Einsatz dieser Metamaterialien als Probenträger steigerte Heinze die Auflösung ihrer Mikroskope deutlich. An lebenden Zellen konnte sie nun zeigen, wie sich kleine „Zellfüßchen“ an der Zellwand zur Fortbewegung heben und senken, und die Größe dieser Bewegung bestimmen: Je nach Abstand zwischen Füßchen und Metamaterial ändert sich die Frequenz des abgestrahlten Lichts. Die Farbe des abgestrahlten Lichts wird so zum Maß für die Entfernung.

Biophotonik und seine Anwendung

In einem weiteren Projekt untersucht Heinze eine kürzlich von ihr entdeckte Reaktion von Proteinen, die ebenfalls mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert sind. Die Wissenschaftlerin konnte zeigen, dass sich manche Proteine von ihren Bindungspartnern wie ‚auf Kommando‘ trennen, wenn sie mit einem Laser bestrahlt werden. „Diesen Effekt zu beobachten war eine Überraschung, da man bisher davon ausging, dass die Lichtbestrahlung in der Fluoreszenzmikroskopie ein gering-invasiver Eingriff ist, der die Proteinumgebung nicht entscheidend stört. Das scheint aber nicht uneingeschränkt zu stimmen“, sagt Heinze. Die genaue Ursache für diesen Effekt kennt die Forscherin noch nicht. Sie vermutet aber eine Sauerstoff-Radikalbildung aus den Fluoreszenzprozessen als Auslöser.

Als nützlich könnte sich Heinzes Entdeckung erweisen, wenn es darum geht, gezielt das Zusammenspiel zwischen verschiedenen Proteinen in lebenden Zellen zu regeln, also aktiv zu beeinflussen, wie es für biomedizinische Anwendungen wünschenswert wäre.

Physikerin im Reich der Biomedizin

Die Entscheidung, sich mit biophysikalischen Fragestellungen zu befassen, hat Katrin Heinze schon während ihres Physik-Studiums an der Universität Oldenburg getroffen. Dort belegte sie das Fach „Physik des Meeres“. Später spezialisierte sie sich auf Themen der molekularen Biophysik und Optik. Heinze promovierte am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen und war im Anschluss als Postdoc am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und am Biozentrum der TU Dresden tätig. Katrin Heinze wurde von der Max-Planck Gesellschaft für ihre Doktorarbeit mit der Otto-Hahn-Medaille ausgezeichnet. Ein Fellowship ermöglichte ihr 2004 als Postdoc an der McGill University in Montreal zu forschen. Im Dezember 2006 wechselte Heinze an das Institut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien und leitete eine Arbeitsgruppe, die sich mit Fragestellungen aus der Biophotonik beschäftigte.

Seit Januar leitet Katrin Heinze die Arbeitsgruppe ‚Biophotonics‘ am Rudolf-Virchow-Zentrum im Bio-Imaging Center.

Das Bio-Imaging-Center

Das Center wurde 2005 am Rudolf-Virchow-Zentrum gegründet. Ziel ist es, neue bildgebende Verfahren für Schlüsselproteine zu entwickeln, zu etablieren und in die aktuelle biomedizinische Forschung zu integrieren. Gefördert werden die Gruppen vom Bayerischen Staat und der Universität Würzburg.

Kontakt: Dr. Katrin Heinze, Tel.: 0931/201-48717,
Mail: katrin.heinze@virchow.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

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