Höchstauflösende optische Mikroskopie an lebenden Zellen

Verstärkung der apparativen Infrastruktur in den Lebenswissenschaften

Untersuchungen biomolekularer Wechselwirkungen und Funktionen innerhalb der lebenden Zelle werden in der lebenswissenschaftlichen Forschung der nächsten Jahre im Zentrum des Interesses stehen. Experimente zur Untersuchung biomolekularer Prozesse wurden bislang bevorzugt außerhalb der Zelle, in vitro, möglichst mit aufgereinigten Präparationen durchgeführt, was den klaren Vorteil hat, daß man die Versuchsbedingungen präzise einstellen kann. Jedoch kann man nur durch In-vivo-Experimente an lebenden Zellen sicherstellen, daß man einen biomolekularen Prozeß, beispielsweise eine Protein-Protein-Wechselwirkung, tatsächlich im physiologisch relevanten Kontext untersucht. In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, Methoden zur direkten Beobachtung molekularer Prozesse an lebenden Zellen weiterzuentwickeln. Der Lichtmikroskopie kommt hier eine zentrale Bedeutung zu, da man mit sichtbarem Licht lebende Zellen über viele Stunden hinweg zeitaufgelöst beobachten kann, ohne die darin kontinuierlich ablaufenden Prozesse nennenswert zu stören. Besonders wichtig ist die Fluoreszenzmikroskopie mit sichtbarem Licht, da eine Vielzahl von Techniken zur Verfügung steht, mit der man subzelluläre Strukturen wie Proteine, Zellorganellen, oder Membranen gezielt anfärben und damit von anderen Strukturen gut unterscheidbar abheben kann.

Die Fluoreszenzmikroskopie ist zudem eine extrem empfindliche Methode, mit der sich sogar einzelne Fluoreszenzlicht emittierende Moleküle beobachten lassen. Moderne Spielarten der Fluoreszenzmikroskopie sind die konfokale und Multiphotonenmikroskopie, mit denen sich Strukturen von Zellen und Geweben in allen drei Raumdimensionen auflösen lassen. Ferner steht zur quantitativen Erfassung struktureller und dynamischer Prozesse ein Baukasten leistungsfähiger analytischer Methoden zur Verfügung, wie zum Beispiel das Fluoreszenzlebensdauer-Imaging (FLIM) und die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS). An der Universität Ulm ist die Weiterentwicklung und Anwendung fluoreszenzmikroskopischer Methoden ein Forschungsschwerpunkt der Abteilung Biophysik (Leiter Prof. Dr. Gerd Ulrich Nienhaus).

Ein Nachteil der konventionellen Lichtmikroskopie besteht in ihrer begrenzten räumlichen Auflösung. Schon im Jahre 1873 hat der Physiker Ernst Abbe gezeigt, daß bei Verwendung von sichtbarem Licht Objekte, die enger als 200 Nanometer in der Fokalebene und 500 Nanometer entlang der optischen Achse des Mikroskops beieinanderstehen, nicht mehr separat aufgelöst werden können. Wesentliche Strukturen der Zelle sind aber deutlich kleiner und verschließen sich damit der Beobachtung mit konventionellen Lichtmikroskopen. In den letzten Jahren wurden jedoch Verfahren entwickelt, womit die Auflösung deutlich erhöht und zum Teil sogar die Abbesche Beugungsbegrenzung überwunden werden können. Eine Spielart dieser höchstauflösenden Mikroskopie ist die sogenannte 4-Pi-Mikroskopie, die von der Gruppe um Prof. Dr. S. Hell (Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen) entwickelt worden ist. Kürzlich wurde von Leica Microsystems in Heidelberg ein kommerzielles 4-Pi-Mikroskop mit einer axialen Auflösung von 110 Nanometern auf den Markt gebracht. Diese wird dadurch erzielt, daß die Probe von zwei Objektiven (anstelle des üblichen einen Objektivs) angeregt wird.

Bei der Erforschung der komplexen biomolekularen Netzwerke der lebenden Zelle werden höchstauflösende optische Mikroskopien eine zentrale Rolle spielen. Um den wissenschaftlichen Fortschritt auf diesem Gebiet gezielt zu fördern, wurde im vergangenen Jahr die Großgeräteinitiative »HighLight2004« von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ausgeschrieben, in deren Rahmen Kompetenzzentren für Fluoreszenzmikroskopie Höchstleistungsmikroskope für grundlagenorientierte Forschungsvorhaben beantragen konnten. Bundesweit wurden insgesamt fünf dieser aufwendigen Apparaturen (Anschaffungspreis etwa 1 Mio. €) genehmigt. Eines davon wird in der Abteilung Biophysik der Universität Ulm aufgebaut. Dieses Mikroskop soll in verschiedenen Forschungsprojekten naturwissenschaftlicher und medizinischer Abteilungen eingesetzt werden. Die Forschungsthemen umfassen unter anderem Untersuchungen zur bakteriellen Zelldifferenzierung, Struktur und Plastizität von Synapsen neuronaler Zellen, Rezeptoraktivierungsprozesse und Signaltransduktionspfade sowie mechanistische Aspekte von Virusinfektionen. Außerdem wird das Mikroskop bei der Entwicklung neuartiger Fluoreszenzsonden (fluoreszente Proteine, Quantenpunkte) eingesetzt. Das neue Instrument stellt eine wichtige Verstärkung der apparativen Infrastruktur in den Lebenswissenschaften an der Universität Ulm dar und erhöht die Attraktivität des Forschungsstandorts Ulm.