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STED-Mikroskopie

Mit Hochleistungsmikroskopie Synapsen untersuchen

| Autor / Redakteur: Mareike Knoke / Marc Platthaus

Professor Stephan Sigrist untersucht unter anderem die Architektur von Synapsen.
Professor Stephan Sigrist untersucht unter anderem die Architektur von Synapsen. (Bild: Bernd Wannenmacher)

Der Göttinger Wissenschaftler Prof. Dr. Stephan Hell hat im Dezember 2014 den Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung einer ultrahochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie-Technik erhalten. Sein Kollege Prof. Stephan Sigrist nutzt die von Hell erfundene STED-Mikroskopie, um die Architektur von Synapsen zu untersuchen.

Berlin – Was steuert die Strukturen und Funktionen unseres Gehirns? Und was kann die Wissenschaft daraus für die Erforschung und Therapie von neuronalen Erkrankungen wie Alzheimer, Autismus oder Parkinson ableiten? Solche Fragen faszinieren den Biochemiker Stephan Sigrist schon seit vielen Jahren. „Das ist mein Lebensthema und wird mich vermutlich immer beschäftigen, denn immer wieder entdecken wir neue Puzzle-Steinchen.“

Seit 2008 forscht der Professor für Molekulare Entwicklungsgenetik der Tiere an der Freien Universität im Exzellenzcluster „NeuroCure – neue Perspektiven in der Therapie neurologischer Erkrankungen“. Der 47-Jährige untersucht dort unter anderem die Architektur von Synapsen. Ohne diese Kontaktstellen für die Informationsübertragung zwischen Nervenzellen könnten wir keinen klaren Gedanken fassen.

Biochemiker forscht mit Super-Mikroskop

Die Bausteine wiederum, aus denen die Kontaktstellen zwischen unseren Nervenzellen bestehen, sind Proteine. Diese spielen also mutmaßlich eine entscheidende Rolle, wenn das menschliche Nervensystem und das Gehirn nicht so funktionieren, wie sie sollten. Um diese Verschaltungen beziehungsweise die einzelnen Proteinbestandteile näher zu untersuchen, muss Sigrist in kleine Dimensionen von bis zu wenigen Nanometern vordringen. Dabei hilft ihm die Erfindung des diesjährigen Chemie-Nobelpreisträgers Stefan Hell, mit dem Sigrist seit Jahren eng zusammenarbeitet: Der Physiker und Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, wurde im Dezember 2014 für seine bahnbrechende Entwicklung der „Stimulated Emission Depletion“ (STED)-Mikroskopie ausgezeichnet.

Hell ist es gelungen, ein ultrahochauflösendes Fluoreszenzmikroskop zu entwickeln, das Forscher bis in kleinste Strukturen blicken lässt. Eines dieser Mikroskope steht in einem Labor der Charité – dem gemeinsamen medizinischen Fachbereich von Freier Universität und Humboldt-Universität – wo einige der rund zwei Dutzend Forscher aus der Sigrist-Arbeitsgruppe überwiegend tätig sind. Anschaffungskosten: rund 800.000 Euro.

Absenkung eines Proteins lässt Fruchtfliegen abstürzen

Stephan Sigrist wendete Hells Entwicklung erstmalig 2006 für die Erforschung des so genannten „Bruchpilot“-Proteins bei der Fruchtfliege Drosophila an – und bestätigte damit, dass Hells Technik der biologischen Forschung neue Türen geöffnet hat. Die nur wenige Millimeter kleine Fruchtfliege ist in der genetischen Forschung ein gängiger Modellorganismus und für Sigrists Arbeit ideal: „Fruchtfliegen haben ein erstaunlich hochorganisiertes Nervensystem – nur ist eben alles sehr viel kleiner als beim Menschen und damit experimentell sehr viel zugänglicher. Abgesehen davon lassen sich viele Generationen innerhalb kürzester Zeit züchten.“

Senkt man also den Anteil des synaptischen Proteins „Bruchpilot“ im Organismus einer Fliege, stürzt diese im Flug ab. „Daraus lassen sich Rückschlüsse ziehen, welche Rolle Bruchpilot für die menschlichen Nervenzellen und letztlich auch bei neuronalen Erkrankungen spielt“, sagt Sigrist. Er schwärmt: „Proteine bilden wunderschöne Strukturen – doch erst die STED-Mikroskopie ermöglicht uns, dass wir uns diese Architektur näher anschauen können: Plötzlich sind ringförmige Strukturen und Fäden zu sehen, wo vorher nur Punkte waren. So lassen sich beispielsweise die Transportwege von Neurotransmittern direkt nachvollziehen.“ Transmitter sind die biochemischen Botenstoffe, die an den Synapsen die Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen.

Als Hell und Sigrist vor Jahren – Stephan Sigrist war damals Nachwuchsgruppenleiter am Göttinger Max-Planck-Institut – bei einem Kollegenessen ins Gespräch miteinander kamen, stellten sie schnell fest, dass sie beide eine Leidenschaft teilten: nämlich auch den Winzlingen unter den Zellen und Molekülen ihre letzten Geheimnisse zu entlocken. Biochemiker Stephan Sigrist sagt: „So war es naheliegend, dass wir zusammenarbeiteten und ich Stefan Hells Entwicklungen in der biologischen Forschung teste und anwende.“

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