Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie