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Fluoreszenzmikroskopie in lebenden Zellen Forscher überlisten biologische Unschärferelation mit Temperaturtrick

| Autor / Redakteur: Dr. Harald Rösch / Dr. Ilka Ottleben

Schärfer als die Biologie erlaubt – Forscher haben einen Weg gefunden, einzelne Moleküle in lebenden Zellen genau zu lokalisieren und deren Aktivität, Bewegung und Wechselwirkungen zu messen. Sie versetzen die Zellen dazu in eine vorübergehende Kältestarre und erfassen den Stillstand mit einem hochauflösenden Fluoreszenzmikroskop.

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Dreidimensionales Fluoreszenzmikroskopie-Bild von der Aktivität des Ephrin-A2-Rezeptors in einer Zelle... (Ausschnitt)
Dreidimensionales Fluoreszenzmikroskopie-Bild von der Aktivität des Ephrin-A2-Rezeptors in einer Zelle... (Ausschnitt)
(Bild: © MPI f. molekulare Physiologie )

Dortmund – Jeder, der schon mal ein Gruppenfoto gemacht hat, kennt das Problem: Wenn alle ständig durcheinanderlaufen, kann man kaum ein scharfes Bild schießen. Zellbiologen, die die molekularen Abläufe im Inneren einer Zelle sichtbar machen wollen, stehen vor einer ähnlichen Herausforderung. Die Moleküle bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit hin und her: Rezeptoren werden innerhalb von Sekunden aktiviert, Vesikel transportieren Proteine in wenigen Minuten vom Rand der Zelle ins Zentrum.

Forscher am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund haben nun einen Weg gefunden, einzelne Moleküle in lebenden Zellen genau zu lokalisieren und deren Aktivität, Bewegung und Wechselwirkungen zu messen. Sie versetzen die Zellen dazu in eine vorübergehende Kältestarre und erfassen den Stillstand mit einem hochauflösenden Fluoreszenzmikroskop. Durch Erwärmen können sie die Abläufe in der Zelle wieder weiterlaufen lassen und nach kurzer Zeit erneut anhalten. So setzen die Forscher aus mehreren Momentaufnahmen ein Gesamtbild der Bewegungs- und Aktivitätsmuster einzelner Moleküle innerhalb der Zelle zusammen.

Biologische Unschärferelation – Vom Problem, Teilchenpositionen zu erfassen

Mit Fluoreszenzmikroskopen können Forscher einzelne Moleküle in Zellen beobachten. Jedoch gilt in der Biologie ein ähnliches Prinzip wie das, das Werner Heisenberg für die Quantenphysik formuliert hat: Je genauer man die Bewegung eines Teilchen betrachtet, desto schwieriger wird es, auch seine Position zu erfassen. In einem lebenden Organismus beobachten Forscher zwar die gemeinsame Bewegung vieler Moleküle, können die genaue Position jedes einzelnen Teilchens jedoch nur schwer bestimmen. Es klingt paradox: Um die molekulare Bewegungsmuster des Lebens zu untersuchen, müssen eben diese Bewegungen zunächst gestoppt werden.

Um ihre Struktur zu erhalten, wandeln Zellen Energie in molekulare Bewegung um. Diese Bewegung vieler einzelner kleiner Teilchen folgt bestimmten Mustern. Doch die Moleküle sind zu zahlreich und ihre Bewegungen zu schnell, als dass Fluoreszenzmikroskope sie alle genau erfassen könnten. Damit Wissenschaftler sie trotzdem beobachten können, können sie die genaue Position einzelner Moleküle entweder in toten und damit bewegungslosen Zellen bestimmen, oder sie verfolgen in lebenden Zellen die Bewegungsmuster mehrerer Moleküle.

Bislang konnten Forscher Bewegungen in der Zelle durch Einfrieren oder chemische Fixierung zwar stoppen, jedoch war die Zelle danach nicht mehr lebensfähig. Die Fixierung führt zu irreparablen Schäden in der Zelle und Änderungen im Stoffwechsel. Aufnahmen, die nach einer solchen Fixierung entstanden sind, zeigen also oft nicht den Normalzustand einer lebenden Zelle.

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