Scharfer Blick in die Tiefe der Zelle

Max-Planck-Forscher verbessern die 3D-Auflösung von Fluoreszenzmikroskopen

27.05.2008

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biophysikalische Chemie in Göttingen haben einen neuen Meilenstein in der Nanoskopie erreicht. Mit ihrem neu entwickelten Fluoreszenzmikroskop erreichten die Forscher erstmals eine Auflösung von unter 45 Nanometern in allen drei Raumrichtungen - 5-fach besser in der Bildebene und mehr als 10-mal schärfer in der Tiefe gegenüber herkömmlichen Lichtmikroskopen. Mit dem neuen "Nanoskop" lassen sich selbst solche Proteine untersuchen, die tief im Inneren von Zell-Organellen wie Mitochondrien verborgen sind.

Wie Viren eine Zelle angreifen, Nervenzellen Signale weiterleiten oder Proteine in der Zelle arbeiten - dies alles spielt sich in der Nanowelt der Zelle ab, die unserem Auge verborgen bleibt. Um diese für uns sehr wichtige Welt dennoch zu beobachten, müssen wir die Objekte erheblich vergrößern. Elektronen- oder Rastertunnelmikroskope erlauben zwar die dafür nötige hohe Auflösung, doch haben sie einen entscheidenden Nachteil: Lebende, oder zumindest morphologisch intakte Zellen lassen sich damit nicht beobachten. Dies erlauben nur "berührungsfreie" Verfahren wie die Lichtmikroskopie. Doch für Einblicke in die Nanowelt ist die herkömmliche Lichtmikroskopie nicht scharf genug. Wegen der Wellennatur des Lichts und der damit verbundenen Beugungsgrenze schien die Auflösung der Lichtmikroskopie an einer scheinbar unüberwindbaren Grenze angelangt, die mit 200 bis 300 Nanometern etwa der halben Wellenlänge des Lichts entspricht.

Mit gleich zwei neu entwickelten Fluoreszenz-Mikroskopen, dem 4Pi-Mikroskop und dem STED-(Stimulated Emission Depletion)-Mikroskop, stellten Stefan Hell und seine Mitarbeiter allgemein akzeptierte Überzeugungen auf den Kopf und steigerten die Auflösung der Lichtmikroskopie dramatisch. Während das 4Pi-Mikroskop bereits eine Auflösung von 100 bis 200 Nanometern in 3D erlaubt, ist das STED-Mikroskop sogar noch wesentlich schärfer; Details von bis zu 20-30 Nanometern lassen sich damit beobachten. Allerdings erreichte man diese Auflösung bisher nur in zwei Raumrichtungen, nicht aber in der Tiefe. Dem Forscherteam um Stefan Hell und Alexander Egner war das noch bei weitem nicht scharf genug. Durch geschicktes Kombinieren der 4Pi- und der STED-Mikroskopie gelang es den Wissenschaftlern nun, die Vorteile beider Methoden zu vereinen. Sie verkleinerten den angeregten Bereich einer Probe (den fokalen Fleck) auf eine Kugel mit einem Durchmesser von unter 45 Nanometern und erreichten damit erstmals eine superscharfe Auflösung in 3D. Die Forscher konnten dabei auch auf Entwicklungen der ebenfalls von Hell geleiteten Partnergruppe "High Resolution Optical Microscopy" am Deutschen Krebsforschungszentrum (Heidelberg) zurückgreifen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert dieses Projekt innerhalb des SFB 755 "Nanoscale Photonic Imaging", der an der Göttinger Universität eingerichtet wurde.

"Mit der bis zu 10-fach verbesserten Auflösung gegenüber herkömmlichen Mikroskopen ist die Technik noch bei weitem nicht ausgereizt. Prinzipiell lässt sich der fokale Fleck noch beliebig verkleinern", erklärt Alexander Egner. "Außerdem wird es zukünftig möglich sein, die Methode mit schnellen Aufnahmetechniken zu kombinieren, um die Vorgänge im Inneren lebender Zellen in 3D zu filmen", so Egner. Die Göttinger Forscher versprechen sich davon wichtige neue Erkenntnisse in der Gesundheitsforschung für die Entwicklung alternativer Therapieformen und Medikamente.

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