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Fluoreszenzmikroskopie in lebenden Zellen

Forscher überlisten biologische Unschärferelation mit Temperaturtrick

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Der Trick mit der Temperatur – Schonendes Abkühlen und Erwärmen

Die Wissenschaftler um Philippe Bastiaens vom Dortmunder Max-Planck-Institut haben nun jedoch eine Methode entwickelt, mit der sie Bewegungsmuster von Molekülen im Nanometerbereich doch beobachten können. Der Trick, der die Aufnahmen von Biomolekülen wie etwa Proteinen möglich macht, ist ein erzwungener Stillstand in lebenden Zellen. Dazu kühlen die Forscher die Zellen innerhalb kurzer Zeit so stark herunter, dass sie vollständig erstarren. „Cryo-Arrest“ nennt man diesen kältestarren Zustand, in dem genug Zeit für hochauflösende Aufnahmen bleibt. Durch stufenweise Zugabe und Entnahme eines Gefrierschutzmittels während des Abkühlens und Erwärmens können die Wissenschaftler die Zellen wieder zum Leben erwecken. Die biologischen Prozesse kommen wieder in Gang, und die Zellen leben weiter.

Die Forscher konnten die Zellen mehrmals hintereinander erstarren und wieder auftauen lassen und dadurch mehrere Momentaufnahmen zu einem Bewegungsmuster zusammensetzen. „Leben ist immer in Bewegung und daher unmöglich genau zu erfassen. Mit unserer Methode des reversiblen Cryo-Arrests ist uns das aber trotzdem gelungen. In gewisser Weise haben wir die biologische Unschärferelation außer Kraft gesetzt“, sagt Bastiaens, Leiter der Abteilung für systemische Zellbiologie.

Signalproteine lagern sich zusammen

Die Forscher haben so nicht nur die Position, sondern auch die Aktivität und Interaktionen einzelner Proteine gemessen. Dabei haben sie beispielsweise herausgefunden, wie die sogenannten EGF-Rezeptoren – Membranproteine, die Wachstumsfaktoren ins Innere der Zelle leiten und eine wichtige Rolle bei der Krebsentstehung spielen – sich häufig in Nanometer-großen Gruppen auf der Zelloberfläche zusammenlagern. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Rezeptoren im Verbund besonders effektiv aktiviert werden können und ein stärkeres Wachstumssignal ins Innere der Zelle senden.

In einem nächsten Schritt wollen Bastiaens und seine Mitarbeiter das Verfahren daher noch weiter verbessern und den Abkühlprozess von mehreren Minuten auf wenige Millisekunden beschleunigen. Bei dem schnellen Verfahren könnte sogar ganz auf den Einsatz des giftigen Gefrierschutzmittels verzichtet werden.

Originalpublikation: Martin E. Masip, Jan Huebinger, Jens Christmann, Ola Sabet, Frank Wehner, Antonios Konitsiotis, Günther R. Fuhr, and Philippe I. H. Bastiaens: Reversible cryo-arrest for imaging molecules in living cells at high spatial resolution. Nature Methods; 11 July, 2016

* Dr. H. Rösch: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 80539 München

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