Lichtblicke in die Nanowelt - Max-Planck-Gesellschaft

FOKUS
Optische HORIZONTE
Max-Planck-Institut für Biochemie
die treibende Kraft des Tomographieprojekts
ist. „Das steht in einem sonderbaren
Kontrast zu der verhältnismäßig
geringen Wertschätzung, die
der methodisch orientierten Forschung
zuteil wird.“ Es gab sogar
Diskussionen darüber, ob die Entwicklung
eines bildgebenden Verfahrens
überhaupt Aufgabe der Max-
Planck-Gesellschaft sei – oder ob
nicht vielmehr die Industrie solche
Tomographen entwickeln und herstellen
müsse. Der Biophysiker gibt
hierauf eine klare Antwort: „Wenn
die Industrie nicht willens ist, dieses
Risiko einzugehen und uns diejenigen
Instrumente zur Verfügung zu
stellen, die wir für unsere wissenschaftlichen
Fragestellungen brauchen,
dann müssen wir sie eben
selbst produzieren.“ Man tat dies allerdings
in enger Kooperation mit
einschlägigen Firmen.
„vakuumfähig“ zu machen und die
Zellen in ihrem natürlichen Zustand
zu bewahren, wird es schockgefroren.
Dazu bringt man es blitzschnell in eine
Flüssigkeit von minus 196 Grad
Celsius. Die Zellen kühlen so rasch
ab, dass die Wassermoleküle in ihnen
und um sie herum keine Zeit haben,
Eiskristalle zu bilden. So bleiben die
feinen Strukturen intakt – viele Zellen
könnten sogar nach dem Auftauen
weiterleben. Das Präparat befestigt
man nun auf einem speziellen Probenhalter,
der es mit flüssigem Stickstoff
kühlt, damit die Probe während
der Untersuchung nicht auftauen
kann. Da seit einiger Zeit bekannt ist,
dass Zellen der Strahlung umso besser
standhalten, je kälter sie sind, beginnen
die Martinsrieder Forscher
neuerdings damit, die Proben noch
weit unter die Stickstofftemperatur zu
kühlen. Man benutzt dazu flüssiges
Helium von minus 269 Grad.
Gruppen beschäftigen sich mittlerweile
mit der Elektronentomographie.
Konkurrenz belebt natürlich das
Geschäft, doch noch haben wir einen
Wissensvorsprung.“
PARALLELRECHNER
„ENTSCHLEIERT“ DIE BILDER
Im Gegensatz zur Computertomographie
in der Klinik ist es bei der
Elektronentomographie nicht sinnvoll,
das Mikroskop rund um das Objekt
zu führen. Hier wird die Zelle
gedreht, während die „Lichtquelle“,
also die Quelle der Elektronenstrahlen,
an ihrem Platz bleibt. Das klingt
einfach, ist aber in der Praxis mit einer
Reihe von Problemen verbunden.
So verschiebt sich bei jedem Kippschritt
das Gesichtsfeld ein wenig –
der Elektronenstrahl muss deshalb
neu ausgerichtet und wieder genau
auf das Objekt fokussiert werden.
Würde man dies von Hand machen,
FOTOS: BIOPHYSICAL JOURNAL 72, 1031-1042 (1998) UND JOURNAL OF STRUCTURAL BIOLOGY 138, 105-113 (2002)
wäre die Zelle unter dem Elektronenbeschuss
schon nach den ersten Bildern
verkohlt.
Die Martinsrieder nehmen eine
höchst empfindliche CCD-Kamera
und den Computer zu Hilfe. Er wertet
bei jedem Schritt das registrierte Bild
aus, positioniert die Zelle wieder exakt
und fokussiert auf die richtige
Stelle – alles automatisch. Und während
der ganzen Zeit wird der Elektronenstrahl
zur Seite abgelenkt und
kann deshalb das Objekt nicht schädigen.
„Auf diese Weise gelingt es
uns, rund 97 Prozent der Strahlendosis
für das Aufnehmen der Bilder zu
verwenden“, sagt Harald Engelhardt,
„nur drei Prozent benötigen wir für
die Einstellung des Mikroskops.“
Eine weitere Schwierigkeit: Die
Probe lässt sich nicht aus allen Richtungen
durchleuchten; ein gewisser
Winkel wird immer durch den Probenhalter
verdeckt. Diese Daten fehlen
später bei der Rekonstruktion der
Bilder zum 3-D-Objekt. Neuerdings
versuchen die Forscher, diese Informationslücke
dadurch zu verringern,
dass sie die Probe in einem eigens
konstruierten Dreh-Kipphalter nach
einer Bilderserie um 90 Grad drehen
und dann eine zweite Sequenz aufnehmen.
Sind die Bilder erst einmal im Kasten,
sprich Computer, beginnt die
zeitaufwändige Verarbeitung der Daten.
Aufgrund der extrem geringen
Dosis sind die Einzelbilder sehr verrauscht
– oft erkennt das menschliche
Auge darauf nur schemenhafte
Schleier. Die Aufgabe der Martinsrieder
Bildverarbeiter um Reiner Hegerl
ist es nun, diese Schleier zu lüften
und die Bilder so zu kombinieren
und aufzubereiten, dass man aus der
Datenflut Objekte herausfiltern kann,
die sich klar von der Umgebung abgrenzen
lassen. „Man muss die relesellschaft
in Garching sowie eine
Reihe leistungsfähiger Workstations
im Institut.
Ist das räumliche Bild der Zelle
erst einmal bestimmt und erscheint
auf dem Computerbildschirm, geht
es darum, das Gewirr in ihrem Inneren
zu gliedern und in fassbare
Strukturen einzuteilen – Segmentieren
nennen das die Fachleute. Oft
scheitert diese Methode jedoch daran,
dass in der übervölkerten Zelle
viele Proteinkomplexe zu eng aneinander
liegen. Der Computer kann
dann nicht mehr erkennen, wo der
eine aufhört und der nächste anfängt.
Welche Enzyme in einer Zelle
arbeiten, ist zum großen Teil bekannt,
und soweit man deren räumliche
Struktur mit physikalischen
Methoden – etwa der Röntgenstrukturanalyse
oder der Elektronenmikroskopie
– ermittelt hat, kennt man
auch ihre Form. Diese Kenntnis wol-
Die Entwicklung der zellulären
Kryo-Elektronentomographie war eine
Sisyphusarbeit: Hatten die Forscher
ein Problem gelöst, so tauchte
meist gleich das nächste auf. Trotzdem
ließ sich Baumeisters Team, das
unter anderem aus Biologen, Chemikern,
Physikern und Informatikern
besteht, nicht entmutigen. Und so
entstand ein Verfahren, das die neuesten
technologischen Erkenntnisse
und Fortschritte kombiniert.
Zunächst gibt man die Lösung mit
den Zellen, die man betrachten will,
auf ein feines Netzchen, das so konstruiert
ist, dass die Zellen nicht
durchrutschen, trotzdem aber durch
die Maschen hindurch sichtbar bleiben.
Um das empfindliche Objekt
In elegantem Hellgrau präsentiert
sich die neueste Errungenschaft des
Instituts: Das heliumgekühlte Transmissions-Elektronenmikroskop
namens
„Polara“ steht in einem Bunker
des eigens für die Elektronenmikroskopie
errichteten Neubaus, der gegen
Erschütterungen und elektromagnetische
Felder von außen gut abgeschirmt
ist. Unspektakulär sieht es
aus, und für mehrere Millionen Euro
kann jeder so ein Gerät kaufen. Dass
gerade die Forscher rund um Wolfgang
Baumeister derart aufregende
Bilder damit machen können, liegt
an ihrer umfassenden Erfahrung.
„Das Gebiet ist heute für viele Wissenschaftler
attraktiv“, sagt Jürgen
M. Plitzko, „und eine Reihe von
„Schnappschüsse“ aus
einem zellulären Tomogramm
nach 3-dimensionaler
Bildanalyse eines
vollständig in Eis eingebetteten
Archaebakteriums
(Pyrodictium abyssi):
Sichtbar sind die regelmäßig
geformte Oberflächenschicht
(hellblau),
eine Gruppe von Vesikeln
(dunkelblau) und
ein „Röhrchen“ (ebenfalls
dunkelblau). Außerdem
erkennt man verschiedene
an die Vesikel
angelagerte Proteinkomplexe
(weiß).
Trotzdem ist es noch eine Herkulesarbeit
für den Computer, diese
Komplexe im Inneren der Zelle auszumachen.
Es ist das alte Problem,
das Informatiker mit dem „Blick in
einen Werkzeugkasten“ umschreiben:
Der Mensch ist intuitiv in der
Lage, auf einen Blick zum Beispiel
einen Schraubenschlüssel aus der
Fülle anderer Werkzeuge herauszufinden.
Der Rechner kann das nicht.
Er muss mühsam das Bild des Werk-
„Polara“, ein
Transmissionselektronenmikroskop
der neuesten
Generation,
ermöglicht neben
der herkömmlichen
Stickstoffauch
Heliumkühlung.
Am Max-
Planck-Institut
für Biochemie
wird dieses Gerät
seit Anfang 2003
zur Aufzeichnung
von Kippserien für
die Tomographie
verwendet.
FOTO: MPI FÜR BIOCHEMIE
vanten Daten erkennen und vom
überlagernden Rauschen befreien“,
schildert Harald Engelhardt das Vorgehen,
„wir erproben zur Zeit unterschiedliche
Verfahren. Die Astronomen
haben übrigens ähnliche Probleme,
wenn sie winzige Lichtsignale
aus dem Rauschen des Nachthimmels
herausfiltern wollen.“
Gigabyte von Informationen müssen
bei dieser Aufgabe transportiert,
durchforstet und gegeneinander verrechnet
werden. Noch vor wenigen
Jahren wären die Computer an dieser
gigantischen Aufgabe gescheitert.
Erst heute stehen potente Parallelrechner
zur Verfügung, etwa ein Linux-Cluster
in Martinsried, das Rechenzentrum
der Max-Planck-Gelen
die Martinsrieder Forscher nutzen,
um die Muster bestimmter Molekülkomplexe
in den 3-D-Datensätzen
zu finden.
DER COMPUTER
MUSS ALLES ERTASTEN
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