Einblicke in lebende Zellen

Gastvortrag über neue Methoden der Mikroskopie an der FH Aalen

„Der Zelle beim Arbeiten zusehen“, ist die Absicht des Münchner Professors Dr. Hermann Uhl. In seinem Seminarvortrag „Einblicke ins Reagenzglas lebende Zelle“ am Institut für Optoelektronik der FH Aalen stellte Uhl Methoden vor, wie nicht nur chemische Prozesse in einer Zelle sichtbar, sondern auch induziert werden können.

Sichtbar werden diese Prozesse in einer Zelle durch Bindung eines Färbemittels an Calcium, das an nahezu allen Stoffwechselprozessen beteiligt ist. Dieses kann dann zur Fluoreszenz gebracht und unter dem Lichtmikroskop betrachtet werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die beobachtete Intensität der Fluoreszenz abhängig von der Schichtdicke des Präparates ist. Geeigneter für ungetrübte Einblicke in die Zelle sind so genannte Vielfarbsysteme. Dabei handelt es sich um optische Systeme, die aus Spiegeln und achromatischen Linsen zusammengesetzt sind. Vielfarbsysteme erlauben es, durch Änderung der Wellenlänge in verschiedene Schichten des Präparates einzudringen und so zielgenau die Färbemittel zur Fluoreszenz anzuregen.

Verfeinert und wiedergabegetreuer wird diese Methode der konfokalen Mikroskopie, wenn die Anregung der Färbemittel durch die energetische Summe von zwei Photonen erfolgt. Durch die extreme Unwahrscheinlichkeit, dass die zur Anregung erforderlichen Photonen zeitgleich auf ein Markermolekül außerhalb des Fokus treffen und dieses zur Fluoreszenz bringen, werden nur die sich im Fokus befindlichen Calciumkonzentrationen sichtbar. Zudem erlaubt die energetische Aufteilung eines Lichtpaketes in zwei langwellige Photonen ein tieferes Eindringen in das Präparat, da die Streuung langwelliger Photonen an dessen Schichten unwahrscheinlicher ist. Die Zwei-Photonen-Mikroskopie gewährleistet auf diese Weise eine hohe Zielgenauigkeit bei der Betrachtung; sie hat allerdings den Nachteil, dass der hierfür nötige Laser unerschwinglich teuer ist.

Den optischen Nachweis und die Steuerbarkeit chemischer Prozesse in einer Zelle führte Prof. Uhl am Beispiel einer Nervenzelle aus. Unter Zuhilfenahme bioluminiszenter Proteine lässt sich die Hypothese erhärten, dass die so genannte Chemotaxis beim Wachstum einer Nervenzelle sich dadurch vollzieht, dass externe chemische Gradienten in einen internen chemischen Gradienten überführt werden. Dieser auch Bahnung genannte Prozess spielt bei der neuronalen Modellierung von Gedächtnis eine zentrale Rolle. Es lässt sich nämlich beobachten, dass häufig stimulierte Nervenzellen ihre Kontakte zu umliegenden Nervenzellen mit Nervenfortsätzen, so genannten Synapsen festigen. Zwischen Synapse und Kontakt-Nervenzelle befindet sich ein Spalt, in den Signalmoleküle zur Reizübertragung entlassen werden. Wird die Nervenzelle häufig erregt, nimmt auch die Konzentration der Signalmoleküle im extrazellulären Spalt zu und deren chemischer Gradient im Umfeld der Zelle steigt an. Dieser chemische Gradient hat zur Folge, dass weitere Nervenzellen ihre Synapsen in Richtung dieses Aktivitätszentrums ausbilden, das allem Anschein nach eine lebenswichtige Funktion einnimmt. Der Gradient der Lenkungsmoleküle im Zellzwischenbereich findet sein Pendant im Zellinnern in so genannten Carrier-Proteinen, die den Wachstum einer Zelle vorantreiben.

Werden die Carrier-Proteine in einem Teil der Zelle durch Bestrahlung mit UV-Licht aktiviert, lässt sich dort anhand der bioluminiszenten Marker eine erhöhte Calciumkonzentration nachweisen, die auf eine gesteigerte Stoffwechselaktivität hindeutet. Die bioluminiszenten Proteine besitzen eine natürliche Fluoreszenz und gestatten durch Überlagerung der photographischen Aufnahmen mit verschiedenen Wellenlängen eine mehrfarbige Darstellung der Vorgänge in einer Zelle. Zahlreiche solcher farbenfroher Bilder brachte Prof. Uhl zu seinem Vortrag nach Aalen mit. Wie in einem Reagenzglas waren auf diesen die chemischen Stoffwechselreaktionen in einer Zelle zu sehen, die auf die versammelte Zuhörerschaft einen tiefen Eindruck hinterließen.