Motorproteine und leuchtende Nanopartikel Mit Tricks das Beugungslimit der Mikroskopie umgehen

Physiker aus Dresden und Würzburg lassen Stäbchen mit winzigen Leuchtpunkten über Oberflächen wandern – um die Auflösungsgrenzen der Lichtmikroskopie zu umgehen. Mit ihrer neuen Methode, die biologische Motoren und fluoreszierende Nanopartikel nutzt, erzeugen sie ultra-hochaufgelöste Bilder.

Anbieter zum Thema

C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

i3 Membrane GmbH

LAB-SUPPLY

Technische Universität Dresden

Dresden, Würzburg – Die Auflösung konventioneller optischer Mikroskopie ist durch das fundamentale physikalische Prinzip der optischen Beugung auf etwa die halbe Wellenlänge des Lichts begrenzt: Ist die Entfernung zweier Objekte kleiner als dieses so genannte „Beugungslimit“, können sie optisch nicht mehr voneinander getrennt werden – das Bild erscheint verschwommen. Für Darstellungen im Bereich weniger Nanometer reicht ein einfaches Lichtmikroskop daher nicht aus.

Große Auflösung mit großem Aufwand?

Wissenschaftler weltweit haben deshalb in der Vergangenheit ausgeklügelte Konzepte entwickelt, um das Beugungslimit zu umgehen und somit die Auflösung zu erhöhen. Der dafür notwendige technische Aufwand ist jedoch erheblich und benötigt in der Regel hochspezialisierte Mikroskop-Aufbauten. Insbesondere die Vermessung optischer Nahfelder stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, weil sie so stark lokalisiert sind, dass sie keine Wellen zu einem weit entfernten Detektor schicken können.

Doch nun zeigen Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Technischen Universität Dresden, dass es möglich ist, diese Nahfelder mit einem deutlich geringeren Aufwand zu vermessen. Sie haben dafür viele extrem kleine optische Nano-Sonden über eine Oberfläche gleiten lassen - mithilfe eines biomolekularen Transportsystems.

Winzige Röhren und Biomotoren

Die entscheidenden Elemente für die neue Mikroskopietechnik sind Mikrotubuli und Motorproteine. „Diese beiden Elemente gehören zu den fundamentalen Bestandteilen eines intrazellulären Transportsystems“, sagt Prof. Stefan Diez, Lehrstuhlinhaber „Bio-Nano-Werkzeuge“ der TU Dresden.

„Mikrotubuli sind röhrenförmige Proteinkomplexe, die mit einer Länge von bis zu mehreren zehntel Millimetern ein wichtiges ‚Straßensystem‘ im Inneren menschlicher Zellen bilden. Motorproteine laufen entlang dieser Strecken und können dabei intrazelluläre Lasten von einem Ort zu einem anderen transportieren“, erklärt der Forscher.

Motorproteine sorgen für den Antrieb

Das Konzept von Motorproteinen, die über Mikrotubuli laufen, um Stoffe im Körper zu transportieren, haben sich die Physiker aus Würzburg und Dresden zunutze gemacht – allerdings in umgekehrter Anordnung: „Die Motorproteine werden auf der Oberfläche der Proben fixiert und reichen die Mikrotubuli über sich hinweg – sozusagen ein ‚Stagediving‘ mit Biomolekülen“, sagt Heiko Groß, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Bert Hecht vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik der JMU.

Um die Bewegung der Mikrotubuli verfolgen zu können, sind diese mit Quantenpunkten versehen – wenige Nanometer kleinen fluoreszenten Partikeln, die als optische Sonden dienen. Doch wie lässt sich durch die über die Oberfläche getragenen Quantenpunkte die mikroskopische Auflösung verbessern?

Partikelgröße bestimmt Auflösung

In einem Test haben die Physiker eine dünne Goldschicht untersucht, die mit schmalen Schlitzen mit einer Breite von weniger als 250 Nanometern versehen war. Diese Schlitze haben sie von unten mit blauem Laserlicht beleuchtet. „Licht, das durch diese schmalen Spalte tritt, ist auf die Spaltbreite eingeschränkt und damit ideal, um eine hochaufgelöste optische Mikroskopie zu demonstrieren“, so Groß.

Während der Messung gleitet ein „Gewimmel von Mikrotubuli“ gleichzeitig in verschiedene Richtungen über die Oberfläche der Goldschicht. Mit einer Kamera kann in definierten Zeitabständen die Position von jedem transportieren Quantenpunkt exakt bestimmt werden.

Wenn sich nun ein Quantenpunkt durch das optische Nahfeld der Spalte bewegt, leuchtet dieser – sozusagen als optischer Sensor – stärker auf. Der Clou dabei: Da der Durchmesser des Quantenpunkts nur wenige Nanometer beträgt, lässt sich die Lichtverteilung innerhalb des Schlitzes äußerst präzise bestimmen – und somit das Beugungslimit umgehen.

Durch den gleichzeitigen Einsatz vieler Quantenpunkte und Motorproteine können die Physiker mit ihrer Methode eine große Fläche in kurzer Zeit abtasten. „Auf diese Weise können wir lokale Lichtfelder großflächig mit einer Auflösung von weniger als fünf Nanometer auf einem einfachen optischen Mikroskop vermessen“, sagt Groß. Zum Vergleich: Ein normales Lichtmikroskop hat eine maximale Auflösung von etwa 500 Nanometern.

Zehn Mal höhere Genauigkeit

Ein weiterer Vorteil der neuartigen Mikroskopietechnik besteht darin, dass sich ein Mikrotubulus aufgrund seiner Länge und Festigkeit äußerst geradlinig und vorhersagbar über die motorbeschichtete Probenfläche bewegt. „Dadurch ist es möglich, die Position der Quantenpunkte zehn Mal genauer zu bestimmen als bei bisher etablierten höchstauflösenden Mikroskopiemethoden“, erklärt Dr. Jens Ehrig, ehemaliger Postdoktorand in der Arbeitsgruppe Diez und derzeitiger Leiter der Serviceeinrichtung „Molekulare Bildgebung und Manipulation“ an der TU Dresden. Auch können auf diese Weise Störungen ausgeschlossen werden, die durch Artefakte aufgrund einer Nahfeld-Kopplung entstehen. Da das Transportsystem nur aus wenigen Molekülen besteht, ist dessen Einfluss auf das Nahfeld vernachlässigbar.

Die Forscher hoffen, mit ihrer Idee eine neue Technologie im Bereich der Oberflächenmikroskopie etablieren zu können. Sie sind jedenfalls überzeugt: „Besonders bei der optischen Überprüfung von nanostrukturierten Oberflächen kann diese Art der Mikroskopie ihre Stärken ausspielen.“ In einem nächsten Schritt wollen sie jetzt dieses molekulare Transportsystem in der Grundlagenforschung verwenden, um Quantenpunkte gezielt mit präparierten optischen Nahfeldern zu koppeln und deren Wechselwirkung zu studieren.

Originalpublikation: Heiko Groß, Hannah S. Heil, Jens Ehrig, Friedrich W. Schwarz, Bert Hecht, Stefan Diez: Parallel mapping of optical near-field interactions by molecular motor-driven quantum dots. Nature Nanotechnology. Nature Nanotechnology (2018), DOI: 10.1038/s41565-018-0123-1

(ID:45279921)