Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Supermikroskop ermöglicht Einblick in Energiehaushalt der Zelle

23.12.2014

Mit technischen Tricks lassen sich an der TU Wien Details im Inneren von Zellen beobachten, die der Lichtmikroskopie lange Zeit unzugänglich waren.

Objekte, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts kann man mit Lichtmikroskopen nicht sehen – zumindest dachte man das lange. Mittlerweile wurden aber besondere Tricks entwickelt, um diese Regel zu umgehen.


Gleichzeitig leuchtende Punkte ergeben eine diffuse Wolke (oben). Leuchten die Punkte nacheinander, kann man die Mittelpunkte des diffusen Flecks berechnen und alle Punkte sauber abbilden (unten).

TU Wien


Prof. Gerhard Schütz mit Laser-Strahlengang und Mikroskop

TU Wien

An der TU Wien gelang es mit Hilfe eines Superauflösungs-Mikroskops, die Anordnung von Proteinen mit einer Genauigkeit im Bereich von etwa 30 Nanometern zu untersuchen. Gemeinsam mit der Universität für Veterinärmedizin in Wien konnten damit wichtige Details über das Arbeitsweise von Mitochondrien entschlüsselt werden, die in unseren Zellen für die nötige Energie sorgen.

Viele Lichtpunkte ergeben ein Bild

„Proteine lassen sich mit fluoreszierenden Molekülen spezifisch markieren. Mit Hilfe von Laserlicht kann man sie dann zum Leuchten bringen“, erklärt Prof. Gerhard Schütz vom Institut für angewandte Physik der TU Wien. Würden alle Proteine gleichzeitig fluoreszieren, würden sich die jeweiligen Flecken überlagern und ein verschwommenes, undeutliches Bild ergeben.

Der Trick besteht nun darin, dass die Farbstoffmoleküle zwischen zwei Zuständen hin und her wechseln: Meistens befinden sie sich im Dunkelzustand, doch manchmal wechseln sie ganz zufällig in einen aktiven Zustand und fluoreszieren. Nimmt man nun Bilder einer winzigen biologischen Struktur auf, so sieht man auf jedem Foto bloß einzelne helle Flecken – die meisten Moleküle senden gerade kein Licht aus. In einem Film hingegen sieht man die einzelnen Moleküle nacheinander aufleuchten und wieder verschwinden. Man kann also mit der Zeit alle markierten Proteine getrennt voneinander beobachten.

Jedes fluoreszierende Protein wird als heller Fleck sichtbar. Am Computer kann man das genaue Zentrum dieses Flecks ermitteln und daraus sehr exakt den Aufenthaltsort des jeweiligen Proteins bestimmen. Aus tausenden Bildern wird dann die Gesamtstruktur zusammengesetzt, und so entsteht ein Bild mit einer Auflösung von ungefähr 30 Nanometern – obwohl das verwendete Licht eine Wellenlänge von etwa 500-700 Nanometern aufweist.

Mit diesem Trick untersuchte das Team von Gerhard Schütz an der TU Wien gemeinsam mit der Forschungsgruppe von Prof. Elena Pohl (Veterinärmedizinische Universität Wien) die Proteinverteilung in Mitochondrien. Mitochondrien sind für jede Zelle lebenswichtig. Sie sorgen dafür, dass Adenosintriphosphat (ATP) hergestellt wird – der universelle Energieträger in unseren Zellen.

Konkurrenz um Energie

Das Mitochondrium hat eine glatte Außenmembran, unter der sich eine schlingenartig aufgefächerte Innenmembran verbirgt. „An den Einstülpungen der verschlungenen Membran findet ein ganz wichtiger Prozess der zellulären Energiegewinnung statt, die sogenannte Atmungskette“, erklärt Gerhard Schütz. „Dabei transportieren mehrere Proteinkomplexe Protonen über die Innenmembran und bauen damit eine elektrische Spannung auf. Diese elektrische Spannung nutzen bestimmte Proteine, um ATP zu erzeugen.“. Allerdings haben die ATP-erzeugenden Proteine dabei einige Gegenspieler: Uncoupling Proteine können durch durch eine Art Kurzschluss die elektrischen Ladungsunterschiede ausgleichen.

Nach so einem Kurzschluss kann die Energie, die in der elektrischen Ladungsverteilung gespeichert war, nicht mehr zur Produktion von ATP verwendet werden. Stattdessen entsteht Wärme. Auch dieser Effekt hat eine wichtige biologische Funktion: Zum Beispiel bei Tieren, die Winterschlaf halten, kann dadurch die zelluläre Wärmeproduktion reguliert werden.

„Wir haben uns die Frage gestellt, wie die Balance zwischen diesen beiden Effekten – der ATP-Produktion und der Wärmeerzeugung – überhaupt funktionieren kann“, sagt Gerhard Schütz. „Über die Details dieser Abläufe wusste man bisher recht wenig.“

Die Supermikroskopie allerdings konnte nun endlich Licht in diese Angelegenheit bringen: Man fand heraus, dass beide Proteine (die ATP-erzeugende Synthase und das Kurzschluss-verursachende UCP4) an unterschiedlichen Stellen im Mitochondrium aktiv sind. Im Inneren der Schlingen der Mitochondrien-Wand entsteht ATP, weiter außen ist UCP4 aktiv. So lässt sich nun verstehen, warum die Konkurrenz der beiden Effekte für unsere Zellen kein Problem ist.
„Noch gibt es hier viel zu forschen. Wir können noch nicht genau sagen, wozu das Mitochondrium UPC4 an der Membran benötigt“, sagt Gerhard Schütz. „Eine mögliche Erklärung wäre, dass es Protonen davon abhält, aus dem Mitochondrium auszutreten und andere Teile der Zelle zu schädigen.“ Solchen Fragen will das Forschungsteam mit Hilfe der Supermikroskopie noch weiter nachgehen.

Die wissenschaftliche Publikation erscheint am 22.12.2014 im Journal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.)

Rückfragehinweis:
Prof. Gerhard Schütz
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
T: +43-1-58801-13480
gerhard.schuetz@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T.: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften