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Kryo-Elektronentomographie

Maßgeschneiderte tomographische Einblicke ins Zellinnere

| Autor / Redakteur: Felix J.B. Bäuerlein, Tim Laugks, Elizabeth Villa, Matthias Eibauer, Alexander Rigort, Jürgen M. Plitzko* / Marc Platthaus

Abb. 3: Darstellung des Tomogramms des markierten Bereiches aus Abbildung 2
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Abb. 3: Darstellung des Tomogramms des markierten Bereiches aus Abbildung 2 (Bild: Bäuerlein et al.)

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Die Kryo-Elektronentomographie ermöglicht hochauflösende, 3D-Einblicke in das Innere von Zellen. Bisher konnten jedoch nur kleine Zellen oder dünne Randbereiche größerer Zellen untersucht werden. Eine neue Präparationsmethode mit einem fokussierten Ionenstrahl erlaubt das Vordringen in bislang unzugängliche Bereiche.

In der Biologie und in der Medizin ist die Beobachtung und die funktionelle Analyse von Strukturen auf molekularer Ebene von großem Interesse. Elementare Prozesse des Lebens, wie der Proteintransport vom Zellkern in die Zelle spielen sich in dieser molekularen Größenordnung ab. Um solche mikroskopisch kleinen Details sichtbar zu machen, benötigt man hochauflösende Methoden. Die Lichtmikroskopie ist dabei dominierend und erreicht mit neu entwickelten Verfahren heutzutage bereits Auflösungen von weniger als 20 nm. Diese benötigen jedoch immer fluoreszierende Farbstoffe, die die abzubildenden Strukturen markieren. Die Elektronenmikroskopie bietet dagegen per se durch die Verwendung von Elektronen statt Licht die größtmögliche Auflösung bis hin zur Darstellung einzelner Atome und Moleküle (kleiner als 1 nm). Die herkömmliche Elektronenmikroskopie ist allerdings für molekulare Untersuchungen eher ungeeignet, da die Proben entwässert und mit zum Teil toxischen Chemikalien und Kontrastmitteln aus Schwermetallen behandelt werden müssen, bevor man sie in das Vakuum des Elektronenmikroskops einbringen kann. Solche Vorbehandlungen beeinflussen die Anordnung der Zellbestandteile und können zu irreführenden visuellen Artefakten führen.

Kryo-Elektronentomographie: erstarrte Schnappschüsse dreidimensional abbilden

Ein neues Konzept hat die Elektronenmikroskopie zu einem unvergleichlichen Instrument weiterentwickelt: die Kryo-Elektronentomographie [1] (Kryo-ET). Diese Technik erlaubt es, ohne die Verwendung von Fixier- oder Kontrastmitteln, das Innere von Zellen in Form „erstarrter Schnappschüsse“, dreidimensional abzubilden. So können beispielsweise Makromoleküle und größere Molekülkomplexe in ihrem natürlichen räumlichen und zellulären Zusammenhang sichtbar gemacht und charakterisiert werden. Zu diesem Zweck werden tomographische Methoden, ähnlich wie man sie aus der medizinischen Diagnostik kennt, auf schockgefrorene (vitrifizierte) Zellen angewandt. Bei der Elektronentomographie werden die Studienobjekte im Elektronenmikroskop nach und nach gekippt, um sie entlang vieler Blickrichtungen zu durchstrahlen. So entsteht eine Serie von zweidimensionalen Projektionen, aus denen sich dreidimensionale Bilder von Zellen, Organellen und anderen Strukturen rekonstruieren lassen. Statt die Objekte zu entwässern und damit ihrer natürlichen Umgebung zu berauben, werden sie blitzartig – mit einigen 100 000 °C/s – eingefroren und so in einem amorphen Eisfilm fixiert. Darin sind die Wassermoleküle zufällig angeordnet – und nicht geordnet wie in herkömmlichem kristallinen Eis. Durch die hohe Einfriergeschwindigkeit können sich keine Eiskristalle bilden und die fragilen Strukturen bleiben intakt. Um diesen Zustand zu erhalten, muss die Probe ständig mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden um eine Temperatur von < -140 °C konstant aufrechtzuerhalten, was dieser Methode den Präfix „Kryo“ eintrug. Die Kryo-Elektronentomographie vermeidet die Artefakte von herkömmlichen Präparationsprozeduren und liefert detailreiche, räumlich korrekte Rekonstruktionen der intakten zellulären Ausstattung bis in den Nanometerbereich.

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