Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

das nikon imaging center
der universität heidelberg
Kollaboration zwischen Forschung und Industrie
im Bereich der modernen Lichtmikroskopie
von Peter Bankhead und Ulrike Engel
In der Lichtmikroskopie hat in den letzten 25 Jahren
eine atemberaubende Entwicklung stattgefunden, so
dass moderne Forschungsmikroskope nur noch wenig
Ähnlichkeiten zu den Mikroskopen aufweisen, die
jedermann aus dem Biologieunterricht kennt. So verwenden
zum Beispiel die konfokalen Lasermikroskope
einen gebündelten Laserstrahl, um lebende Zellen
abzutasten. Am Computer entsteht dann aus dieser
Information innerhalb weniger Sekunden ein vollständiges,
dreidimensionales Bild. Diese heutzutage
in der Forschung am häufigsten genutzten Mikroskope,
wie auch die verwandten Spinning-Disk-Konfokal-
Mikroskope, werden komplett computergesteuert,
um Optik, Laser, Blenden und Detektoren zu synchronisieren
(Abb. 1). Meist reicht dem Forscher lediglich
ein kurzer Blick durch das Okular bevor er
sich dem Computermonitor zuwendet. Um diese
Technologien den Forschern auf dem Campus breit
zugänglich machen zu können, wurde vor fünf Jahren
das Nikon Imaging Center (NIC) der Universität
Heidelberg (NIC@Uni-HD) gegründet.
Fadenwurms Caenorhabditis elegans grün leuchten ließ , wurde in der
Zeitschrift Science von Martin Chalfie’s Labor 1998 veröffentlicht
(Duggan et al., 1998). Dank der darauffolgenden Entwicklungen gibt
es heutzutage Fluoreszenzproteine in den Farben gelb, orange,
rot und infrarot (Shaner et al., 2007). Der Nobelpreis für Chemie
wurde 2008 an Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Y.
Tsien (Ehrensprecher der ICSB 2011, siehe auch Seite 99 ) für
die Identifizierung dieser fluoreszierenden Proteine und deren
Weiterentwicklung für die Verwendung in der biologischen Forschung
verliehen. Die Möglichkeit, Lebendzellbeobachtungen
durchzuführen, verdanken wir dieser Entdeckung genauso wie
der technischen Weiterentwicklung der Lichtmikroskope. In dem
sie genetische Information (DNS) in Zellen einschleusen, können
Wissenschaftler durch den Gebrauch dieser Farbpalette zelluläre
Bestandteile im Mikroskop sichtbar machen. Die fluoreszierenden
Proteine sind wie leuchtende Markierungen, die durch das entsprechende
Experiment des Biologen einen einzelnen Bestandteil
der Zelle hervorheben. Die Fluoreszenz wird durch das Einstrahlen
energiereicheren Lichts in der Probe ausgelöst: grüne Fluoreszenz
wird durch blaues Licht hervorgerufen, rote Fluoreszenz
entsprechend durch grünes Licht.
Fluoreszenzmarkierung macht Zellbestandteile
sichtbar
Sämtliche Mikroskope im NIC@Uni-HD basieren auf der Darstellung
von Fluoreszenz. Da die Bestandteile von Tierzellen natürlicherweise
nicht fluoreszieren, färben Forscher jene Bereiche,
die sie erforschen wollen, mit Fluoreszenzfarbstoffen an. Da sich
nur wenige Farbstoffe in lebende Zellen einschleusen lassen,
sind Wissenschaftler auf Fluoreszenzfarbstoffe angewiesen, die
von der Zelle selbst produziert werden. Obwohl die meisten
Tierzellen keine fluoreszierenden Bestandteile besitzen, gibt
es ein paar wenige Ausnahmen wie die lumineszierende Qualle
Aequoria victoria. Wir verwenden als Fluoreszenzmarkierung ein
bestimmtes Protein dieser Qualle namens „grün fluoreszierendes
Protein“ (GFP, green fluorescent protein). Das erste bahnbrechende
biologische Experiment, in welchem GFP die Nervenzellen des
In derart markierten Zellen können Forscher Bilderserien auf
unterschiedlichen Fokusebenen über die Zeit aufnehmen. So
entstehen vielfarbige, dreidimensionale Filme, die zeigen, wie
dynamische Prozesse innerhalb der Zelle ablaufen. In Abbildung
2 ist eine grün markierte Zelle zu sehen, die eine kleinere rotmarkierte
Hefezelle verschlingt. Dieses Bild wurde mit einem
konfokalen Lasermikroskop in verschiedenen Fokusebenen über
eine gewisse Zeit aufgenommen. Das Instrument hat sozusagen
die Zelle immer wieder in viele „optische Schnitte“ zerlegt,
ohne das Präparat tatsächlich zu zerschneiden. Mithilfe eines
Computerprogramms werden die vertikalen Schnitte (Abb. 2B)
oder beliebige Schnittebenen (Abb. 2C) zusammengesetzt. Dadurch
kann klar bestimmt werden, ob die Hefezelle wirklich von
der anderen Zelle einverleibt wurde oder sich lediglich einige
Mikrometer hinter der anderen Zelle versteckt hat.
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Forschung Das Nikon Imaging Center der Universität Heidelberg
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