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Einzigartiges Massenspektrometer

Erstmals Oberflächen von Tieren und Pflanzen molekular und topographisch in 3D sichtbar gemacht

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Ein weltweit einzigartiges Massenspektrometer macht Oberflächen von Tieren und Pflanzen sichtbar, indem es erstmals sowohl stoffliche (molekulare) als auch topographische (mikroskopisch bildliche) Information von den Oberflächen und Kontaktflächen von Tieren und Pflanzen liefert. Die Entwicklung der Gießener Chemiker ermöglicht auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zur Untersuchung von Schistosomen. So konnten die Forscher mit ihrer molekularen Kamera den Paarungszustand von Erregern der tödlichen Tropenerkrankung Bilharziose in 3D zeigen.

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Dreidimensionale Oberflächenanalyse eines männlichen Pärchenegels (Schistosoma mansoni). (Ausschnitt)
Dreidimensionale Oberflächenanalyse eines männlichen Pärchenegels (Schistosoma mansoni). (Ausschnitt)
(Bild: Bernhard Spengler/Universität Gießen)

Gießen – Die Natur besteht aus Oberflächen und Abgrenzungen wie Organellen, Zellwänden oder Haut. Ein großer Teil der Kommunikation von Lebewesen – unter anderem zur Organisation und zur Fortpflanzungssteuerung – verläuft über diese Oberflächen. Während die analytischen Wissenschaften in den vergangenen Jahrzehnten enorm zur Aufklärung und dem Verständnis von Lebensvorgängen in Populationen, in Körpern, in Organellen und in den Zellen tierischen oder pflanzlichen Ursprungs beigetragen haben, lagen die Oberflächen solcher Lebewesen bislang weitgehend im Dunkeln. Eine neuartige Apparatur und Methodik liefert nun erstmals sowohl stoffliche (molekulare) als auch topographische (mikroskopisch bildliche) Information von den Oberflächen und Kontaktflächen von Tieren und Pflanzen.

Dreidimensionale Oberflächenanalyse eines männlichen Pärchenegels (Schistosoma mansoni).
Dreidimensionale Oberflächenanalyse eines männlichen Pärchenegels (Schistosoma mansoni).
(Bild: Bernhard Spengler/Universität Gießen)

Massenspektrometrisches Mikroskop

Mit einem jetzt in „Nature Methods“ vorgestellten neuen massenspektrometrischen Mikroskop lassen sich Substanzen, die zum Beispiel der Kommunikation oder Steuerung zwischen Mitgliedern bestimmter Populationen dienen, in ihrem chemischen Aufbau erkennen und gleichzeitig in einem dreidimensionalen Bild einer Oberfläche darstellen. Das in der Arbeitsgruppe von Prof. Bernhard Spengler, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, entwickelte Gerät benutzt dazu einen Laserstrahl, der auf einen sehr kleinen Punkt mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern gebündelt wird. Um diesen Laserpunkt in die jeweils richtige Höhe auf einer gewölbten Oberfläche zu bringen, benutzen die Wissenschaftler ein selbst entwickeltes Autofokussystem, wie es in ähnlicher, einfacherer Form zum Beispiel in Kameras verwendet wird.

„Von einer Oberfläche wird punktweise die Zusammensetzung eines mikrometergroßen Gebietes bestimmt“, erklärt Mario Kompauer, Doktorand der Arbeitsgruppe. „Für jeden einzelnen Punkt wird dabei schrittweise im Mikrometermaßstab die jeweilige Höhe gemessen und angepasst, die Stelle analysiert und anschließend vom Computer zu einem dreidimensionalen Bild der Oberfläche zusammengesetzt.“ Dieses Bild zeigt nicht nur die Form des Objektes, sondern auch seinen stofflichen Aufbau.

Paarungszustand von Bilharziose-Erregern in 3D

Mit dem weltweit einzigartigen neuen Gerät kann die Arbeitsgruppe gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der Biologie und der Medizin zahlreiche Fragen beantworten. Neben den Oberflächen von Blättern oder pilzbefallenem Saatgut ist seit kurzem auch die Oberfläche eines Wurmparasiten von besonderem Interesse. „Wir sind begeistert, dass wir mit der neuen analytischen Technologie nun zum Beispiel die Oberfläche von Schistosomen, das sogenannte Tegument, im Paarungszustand untersuchen können“, sagt Prof. Christoph G. Grevelding, Parasitologe an der Universität Gießen. Die Paarung ist eine Voraussetzung für den Lebenszyklus dieser Parasiten, die die Krankheit Bilharziose (Schistosomiasis) hervorrufen. Die tödliche, aber dennoch vernachlässigte Tropenerkrankung wird von den zweigeschlechtlichen Schistosomen verursacht, die auch Pärchenegel genannt werden.

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„Wenn man den im menschlichen Körper stattfindenden, dauerhaften Paarungszustand der Schistosomen unterbrechen könnte, ließe sich möglicherweise die tödliche Parasitenerkrankung heilen und weltweit dauerhaft zurückdrängen“, meint Dr. Sven Heiles, Habilitand in der Arbeitsgruppe der Massenspektrometriker. Was sich da auf der „Haut“ dieser nur wenige Mikrometer großen Würmer abspielt und die Paarung hervorruft und aufrecht erhält, wollen die Wissenschaftler nun mit der neuen dreidimensionalen Oberflächenanalytik untersuchen.

Originalpublikation: Mario Kompauer, Sven Heiles & Bernhard Spengler: Autofocusing MALDI mass spectrometry imaging of tissue sections and 3D chemical topography of nonflat surfaces, Nature Methods (2017) doi:10.1038/nmeth.4433

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