Kältefalle für Zellen und Organismen – Forschung an verbessertem Mikroskopieverfahren

Professor Thomas Burg, Leiter des Fachgebiets Integrierte Mikro-Nano-Systeme im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Darmstadt, hat sich viel vorgenommen. Er will die Verbindung von Lebendzell-Mikroskopie, Kryo-Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie entscheidend voranbringen.

Dafür friert seine Gruppe lebende Zellen und Organismen ohne Zeitverzögerung unter dem Lichtmikroskop ein. Danach betrachten die Wissenschaftler die minus 140 Grad Celsius kalten Proben mit einer modifizierten Optik, um sie anschließend im Elektronenmikroskop mit noch höherer Auflösung zu studieren.

Dies soll helfen, die Untersuchung dynamischer Prozesse in der Zelle zu verbessern. Burg hofft, dadurch mehr über die Entstehung von Krankheiten und mögliche Behandlungen zu lernen. Dem Europäischen Forschungsrat ERC ist diese Forschung rund zwei Millionen Euro über fünf Jahre wert.

Burg friert die Proben in einem elektrisch beheizbaren Mikrokanal ein, in dem die lebenden Zellen oder Organismen zunächst bei physiologischen Temperaturen beobachtet werden können. Das unter dem Mikrokanal liegende Heizelement hat Kontakt zu einem Silizium-Chip, der mit Flüssigstickstoff gekühlt wird. Wenn das Heizelement ausgeschaltet wird, wird die gespeicherte Wärme blitzschnell über diesen Silizium-Chip abgeleitet.

Gleichzeitig friert auch die Probe innerhalb von Millisekunden ein. Damit Burg die kryofixierten Proben auch danach mit hoher Auflösung unter dem Lichtmikroskop betrachten kann, muss er den Temperaturgradienten zwischen dem Objekt, das stets kälter als minus 140 Grad Celsius sein muss, und dem restlichen Gehäuse des warmen Mikroskops ausgleichen.

Das empfindliche Objektiv darf dabei durch die großen Temperaturunterschiede keinen Schaden nehmen. Burg erreicht das, indem er die Frontlinse selbst kühlt und sie durch eine geschickt beheizte Keramikfassung vom Rest des Mikroskops abschirmt. Allerdings braucht er auch eine Immersionsflüssigkeit, die bei minus 140 Grad Celsius den gleichen Brechungsindex hat wie Wasser bei Raumtemperatur.

Auch dafür hat er eine Lösung gefunden: Ethoxynonafluorbutan. Burg erreicht mit seinem Set-Up zur Kryo-Lichtmikroskopie derzeit eine Auflösung von 350 Nanometern. Durch Verbindung mit sogenannten Superresolution-Verfahren hoffen die Wissenschaftler, die Auflösung noch um einen Faktor zehn verbessern zu können. Als nächstes wollen Burg und sein Team das Verfahren routinetauglicher machen und es gemeinsam mit Kooperationspartnern auf biologische und medizinische Fragestellungen anwenden.

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MI-Nr. 44/2019, Hildegard Kaulen/sip