Lichtblicke in die Nanowelt - Max-Planck-Gesellschaft

FOKUS
Optische HORIZONTE
zeugkastens abtasten und mit dem
vorgegebenen Schema des Schraubenschlüssels
vergleichen. Dabei variiert
er nicht nur die Position des
gesuchten Werkzeugs, sondern auch
noch dessen Drehwinkel. Auch wenn
Computer schnell sind, dauert diese
Aufgabe mit ihren unzähligen
Schritten meist sehr lang.
AUF DIE GESAMTSCHAU
KOMMT ES AN
Noch schlimmer ist es bei der Analyse
des Zellinneren, denn hier kann
jede Struktur beliebig in drei Raumrichtungen
gedreht sein. So dauert es
Stunden und Tage, bevor der Rechner
einen 3-D-Datensatz analysiert
und entsprechende Formen lokalisiert
hat, die er dann zur besseren
Unterscheidung farbig markiert. Dass
diese Methode funktioniert, haben
die Forscher an künstlich hergestellten
„Phantomzellen“ getestet, die sie
die sich nur mithilfe nicht invasiver
Methoden untersuchen lässt“.
So erarbeiteten die Forscher beispielsweise
das detaillierte Bild einer
Amöbenzelle: Es zeigt das Skelett
aus Aktinsträngen, die in unterschiedlichen
Winkeln miteinander
und mit der Zellmembran verknüpft
sind. Außerdem erkennt man viele
größere makromolekulare Komplexe,
beispielsweise Ribosomen, die im
Gegensatz dazu eher kugelig geformt
sind. Zu ihrer Überraschung entdeckten
die Wissenschaftler ferner
bei genauer Analyse der Bilder, dass
ein neuartiges „Teilchen“ häufig auftrat:
Es hat eine tassenförmige Gestalt
mit fünf abgerundeten Ecken
und einen Durchmesser von rund 20
Nanometern. Bisher weiß man nicht,
wozu es dient. Aber derartige Entdeckungen
können der funktionellen
Erforschung des Proteoms wertvolle
Anstöße geben.
Es geht also bei solchen Aufnahmen
nicht einfach um „schöne Bilder“,
die man auf Konferenzen vorzeigen
oder in Fachmagazinen publizieren
kann. Viel wichtiger ist der Erkenntnisfortschritt,
der sich aus der
räumlichen Anordnung der Proteine
in einer lebenden Zelle ableiten lässt.
„Ein Bakterium beispielsweise ist
nicht einfach ein Sack voller Enzyme“,
erklärt der Biologe Harald Engelhardt.
„Die Anordnung der Enzyme
gibt uns Auskunft über die chemischen
Vorgänge in der Zelle. Man
kann davon ausgehen, dass die Proteinmoleküle,
die zu einer Stoffwechselkette
gehören, jeweils auch lokal
konzentriert sind.“ Das gilt etwa für
die Synthese von Fettsäuren – eine
zyklische Reaktion, an der sieben
Proteine mitwirken. Einen entsprechenden
Komplex von Enzymen
kann man tatsächlich isolieren. Aber
die spannende Frage ist, ob sich auch
Bereichen arbeiten die Forscher am
Max-Planck-Institut für Biochemie
daran, diesen Wert noch einmal halbieren
zu können.
MIT „SALAMI-TAKTIK“
AN DICKE ZELLEN
Und noch ein anderes Ziel haben
sie sich gesetzt: Viele Zellen sind für
die Durchstrahlung mit Elektronen
einfach zu dick. Um sie der Elektronentomographie
zugänglich zu machen,
wollen die Spezialisten sie erst
einfrieren und den Eisblock dann in
dünne Scheiben schneiden, deren 3-
D-Bilder einen Blick in die Zelle gestatten.
So hoffen die Wissenschaftler,
immer weiter in die Geheimnisse
der Strukturen so unterschiedlicher
Zellen wie Bakterien oder Neuronen
einzudringen und dabei aufregendes
Neuland zu betreten.
Denn dies ist letztlich – so bekennt
Wolfgang Baumeister – der Antrieb
solutions for:
● Video Enhanced Contrast Microscopy
● Near Infrared Imaging
● Fluorescence Detection
● Luminescence Detection
● High Resolution Imaging
● Macroscopic Imaging
● Imaging Systems
● Automated Microscopic Imaging Systems
● Time Resolved Spectroscopy
mit verschiedenen, aber strukturell
ähnlichen Proteinmolekülen gefüllt
hatten.
Gerade die enge Packung der Proteine,
die so viele Probleme bereitet,
erregt aber auch das besondere Interesse
der Martinsrieder Forscher.
„Nicht die Rekonstruktion isolierter
Moleküle ist unser eigentliches Ziel,
sondern vielmehr, solche Strukturen
im Kontext der Zelle anzuschauen“,
sagt Wolfgang Baumeister. „Denn
wir sind davon überzeugt, dass es in
der Zelle jenseits des einzelnen Moleküls
eine übergeordnete Organisation
gibt, eine Organisation in Form
einzelner ‚molekularer Maschinen’,
Kryo-elektronentomographische
Abbildungen einer
in Eis eingebetteten Amöbenzelle
(Dictyostelium discoideum):
Links die Aufnahme
aus einer tomographischen
Kippserie, in der Mitte der
Schnitt durch ein dreidimensional
rekonstruiertes Tomogramm.
Das rechte Bild zeigt
die gesonderte Darstellung
des Aktin-Zytoskeletts (rot),
der Membran (blau) und
zytoplasmatischer makromolekularer
Komplexe wie
Ribosomen (grün).
FOTOS: SCIENCE 298, 1209-1213 (2002)
andere Komplexe mit der Elektronentomographie
entdecken lassen, die
sich nur in ihrer natürlichen Umgebung
bilden und dort stabil sind.
Das Elektronentomogramm einer
Zelle ist ein Abbild ihres gesamten
Proteoms, das man prinzipiell nach
den verschiedensten Molekülkomplexen
absuchen kann, soweit die
Erkennbarkeit und Auflösung der rekonstruierten
Strukturen dies zulässt.
Die Detail-Auflösung in 3-D, die
man bislang erreichen konnte, liegt
etwa bei vier Nanometern und ist
bisher nur für das Auffinden größerer
Proteinkomplexe geeignet. Durch
viele kleine Verbesserungen in allen
FOTOS: TRENDS IN CELL BIOLOGY. 9(2):81-85 (1999)
eines jeden Grundlagenforschers.
David M. Blow, einer der Pioniere
der Röntgenstrukturforschung, beschrieb
das Gefühl einst mit den
Worten: „Von Zeit zu Zeit kommt
fast jeder Wissenschafter an einen
Ort, an dem vor ihm noch nie ein
Mensch gewesen ist. Es ist begeisternd,
sich dort aufzuhalten. Dabei
mag es sich um einen Kontinent oder
einen winzigen Flecken handeln,
aber (...) selbst wenn die Welt unsere
Entdeckung ignoriert, vergessen wir
niemals, dass sie einmal ausschließlich
uns gehört hat. Das sind die Erinnerungen,
die wir im Alter in Ehren
halten werden.“ BRIGITTE RÖTHLEIN
Das Prinzip eines jeden
tomographischen Verfahrens:
Man nimmt ein
Objekt aus verschiedenen
Richtungen auf und gewinnt
damit eine Serie
von „Projektionen“, aus
denen der Computer
dann die dreidimensionale
Struktur des betreffenden
Objekts errechnet.
Luminescence Detection
AEQUORIA – HPD-LIS
System for Luminescence with Single Photon
Sensitivity
Recording of Luminscence Kinetics with a Temporal
Resolution