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Fluoreszenzmikroskopie Moleküle in lebenden Zellen in Echtzeit beobachten

Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Mit einem neuen Verfahren lassen sich Moleküle in Zellen in Echtzeit beobachten. Die Auflösung übertrifft die besten Lichtmikroskope um das 20-Fache. Die Göttinger Erfinder sagen, damit sei die „ultimative Grenze dessen, was in der Fluoreszenzmikroskopie möglich ist“, erreicht.

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Wissenschaftler um Nobelpreisträger Stefan Hell vom Göttinger Max-Planck-Institut (MPI, links im Bild) für biophysikalische Chemie haben nun geschafft, was lange Zeit als unmöglich galt: Sie haben ein neues Fluoreszenzmikroskop entwickelt, MINFLUX genannt, mit dem sich erstmals Moleküle trennen lassen, die nur Nanometer (millionstel Millimeter) voneinander entfernt sind. Im Bild zu sehen sind Prof. Dr. Stefan Hell gemeinsam mit den Erstautoren der jetzt in Science erschienenen Arbeit, Dr. Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch, am Mikroskop (von links).
Wissenschaftler um Nobelpreisträger Stefan Hell vom Göttinger Max-Planck-Institut (MPI, links im Bild) für biophysikalische Chemie haben nun geschafft, was lange Zeit als unmöglich galt: Sie haben ein neues Fluoreszenzmikroskop entwickelt, MINFLUX genannt, mit dem sich erstmals Moleküle trennen lassen, die nur Nanometer (millionstel Millimeter) voneinander entfernt sind. Im Bild zu sehen sind Prof. Dr. Stefan Hell gemeinsam mit den Erstautoren der jetzt in Science erschienenen Arbeit, Dr. Francisco Balzarotti, Yvan Eilers und Klaus Gwosch, am Mikroskop (von links).
(Bild: Irene Böttcher-Gajewski / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie)

Mit einem neuen Verfahren können Forscher künftig die Wege dicht benachbarter Moleküle in lebenden Zellen verfolgen. Eine Gruppe um den Nobelpreisträger Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen stellt das Minflux genannte Mikroskop im Fachjournal „Science“ vor. Es erreicht eine Auflösung von einem Nanometer (millionstel Millimeter) und übertrifft damit die bisher besten Lichtmikroskope um das 20-Fache. „Das könnte unser Wissen über die molekularen Abläufe in lebenden Zellen revolutionieren“, wird Hell in einer Mitteilung seines Instituts zitiert.

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Bevor der Forscher vor einigen Jahren das STED-Mikroskop entwickelte, wofür er 2014 den Chemie-Nobelpreis erhielt, war die Auflösung herkömmlicher Lichtmikroskope auf 200 Nanometer begrenzt. Hell erreichte mit seinem neuen Verfahren damals rund 20 Nanometer, unter anderem, indem er fluoreszierende Farbstoffe verwendete. Der Untersuchungsgegenstand selbst sendet also Licht aus, nachdem er durch Laserstrahlen angeregt wurde. Zwar haben Elektronenmikroskope eine höhere Auflösung, doch weil sie ein Vakuum benötigen, können mit ihnen in der Regel keine lebenden Zellen untersucht werden.

Nun haben Hell und Kollegen das STED-Mikroskop weiterentwickelt, indem sie dessen Funktionsprinzip mit dem eines anderen Fluoreszenzmikroskops zusammenbrachten: Palm/Storm. Bei diesem Mikroskop wird die Fluoreszenz einzelner Moleküle ebenfalls durch Laserstrahlen an- und ausgeschaltet. Der Nachteil ist im Vergleich zu STED, dass die genaue Position des Moleküls unklar bleibt. Das STED-Mikroskop dagegen kann zwar durch einen definierten Laserstrahl den Ort eines gerade leuchtenden Moleküls genau bestimmen. Aber es ist nicht möglich, ein bestimmtes Molekül anzusteuern oder gar in einer Zelle zu verfolgen.

Dies geht nun mit Minflux. Wie beim STED-Mikroskop wird ein Laserstrahl in Form eines Donuts verwendet: ein breiter Ring mit einer dunklen Stelle in der Mitte. Wenn das anvisierte Molekül auf dem Donut-Ring liegt, leuchtet es; wenn es exakt in seinem dunklen Zentrum liegt, leuchtet es nicht, doch man hat damit seine genaue Position gefunden. Der Vorteil des dunklen Zentrums ist, dass nur wenige Photonen (Lichtteilchen) benötigt werden, um das Molekül zu lokalisieren. Das verringert die Aufnahmezeit, verhindert Unschärfen durch die Bewegung der Probe und macht die Verfolgung einzelner Moleküle möglich.

Hell zufolge hat Minflux eine 100-fach bessere zeitliche Auflösung als aktuelle Verfahren. Das sei auch mit verbesserten Algorithmen zur Verarbeitung der Daten erreicht worden. Für Hell ist nun die „ultimative Grenze dessen, was in der Fluoreszenzmikroskopie möglich ist“, erreicht. „Ich bin überzeugt, dass Minflux-Mikroskope das Zeug dazu haben, eines der grundlegendsten Werkzeuge der Zellbiologie zu werden. Mit diesem Verfahren wird es in Zukunft möglich sein, Zellen molekular zu kartografieren und schnelle Vorgänge in ihrem Inneren in Echtzeit sichtbar zu machen.“

Die Forscher demonstrierten die Eignung des Geräts, indem sie die Wege 1535 einzelner Moleküle in 27 lebenden Zellen des Darmbakteriums Escherichia coli aufzeichneten. „Und bei der Geschwindigkeit haben wir die Möglichkeiten von Minflux noch längst nicht ausgereizt“, sagt Ko-Autor Yvan Eilers. Künftig sollen sich auch extrem schnelle Vorgänge, etwa die Faltung von Proteinen, mit dem Mikroskop aufnehmen lassen.

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