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Mittwoch, 29.03.2017
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Ultrastruktur von Zellen – intakt und in 3D

Teilkohärentes Licht liefert hochauflösende Bilder ohne Zerstörung der Zellen

Erstmals haben Forscher kleinste Strukturen von Säugetierzellen in ihrer natürlichen Umgebung sichtbar gemacht, ohne die Zelle dabei zerstören zu müssen. Für das neue, jetzt in „Nature Methods“ vorgestellte Verfahren wird die Zelle intakt tiefgefroren, ohne Färbung oder Schnitte. Die Abtastung mit teilkohärentem Licht liefert sofort ein 3-D-Bild und schließt so eine Lücke zwischen herkömmlichen Mikroskopie-Verfahren.
3-D-Schnitt durch den Kern einer Adenokarzinom- Zelle einer Maus

3-D-Schnitt durch den Kern einer Adenokarzinom- Zelle einer Maus

Bei der Elektronenmikroskopie wird normalerweise ein 3-D-Bild aus vielen Dünnschnitten zusammengestellt. Dies kann mehrere Wochen pro Zelle dauern. Bei der Fluoreszenz-Mikroskopie wird die Zelle mit Farbstoffen markiert, wobei immer nur die markierten Strukturen dargestellt werden. Doch eine Fixierung, Schneiden oder Einfärben der Präparate ist für das neue Mikroskop für die Röntgen-Nanotomographie, entwickelt von Forschern des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) um Gerd Schneider, nun nicht mehr nötig.

Ultrastruktur bis auf 30 Nanometer genau


Das neue Röntgenmikroskop nutzt vielmehr den natürlichen Kontrast zwischen organischer Materie und Wasser, ein hochaufgelöstes 3-D-Bild der gesamten Zelle in einem Schritt abzubilden. Mit der hohen Auflösung, die das Mikroskop erreicht, konnten die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Kollegen des amerikanischen National Cancer Instituts bereits Zellbestandteile eines Adenokarzinoms bei Mäusen dreidimensional rekonstruieren. Damit gelang es zum ersten Mal, mit Röntgenstrahlung die sogenannte Ultrastruktur von Zellen bis auf 30 Nanometer genau abzubilden.

Dabei wurden noch kleinste Details sichtbar: die Doppelmembran des Zellkerns, Kernporen in der Zellkernhülle, Membrankanäle im Zellkern, innere Ausstülpungen der Mitochondrien und Einschlüsse in Zellorganellen wie Lysosomen. Solche Einblicke sind nützlich, um innerzelluläre Vorgänge zu beleuchten: beispielsweise wie Viren oder Nanopartikel in Zellen oder in den Zellkern eindringen.


Teilkohärentes Licht als Abtastmedium


Die hohe 3-D-Auflösung erreichen die Forscher, indem sie die tiefgefrorenen Objektstrukturen mit so genanntem teilkohärentem Licht beleuchten. Teilkohärenz ist die Fähigkeit von Lichtbündeln, sich gegenseitig zu überlagern. Durch die Ausleuchtung der Proben mit dem von BESSY II, der Synchrotronquelle des HZB erzeugten teilkohärentem Licht werden die Objektkontraste für sehr kleine Strukturen deutlich größer als mit inkohärentem Licht. Kombiniert mit einer hochauflösenden Optik, konnten die Forscher die Feinstrukturen der Zellen mit einem bisher unerreicht hohen Kontrast darstellen.

Probe im Mikroskop drehbar


Das neue Röntgenmikroskop bietet außerdem mehr Raum rund um die Probe, was zu einer besseren räumlichen Betrachtung führt. Der Raum war bisher durch die Art der Ausleuchtung stark eingeschränkt, weil das notwendige monochromatische Röntgenlicht mit Hilfe eines radialen Gitters erzeugt wurde. Eine Blende selektierte aus diesem Licht den gewünschten Bereich der Lichtwellen. Sie war so dicht vor der Probe platziert, dass man die Probe kaum drehen konnte. Diesen Aufbau haben die Forscher geändert. Ein neuartiger Kondensor, der das Objekt beleuchtet, wird nun direkt mit monochromatischem Licht bestrahlt, die Blende entfällt. So lässt sich die Probe bis zu 158 Grad drehen und räumlich betrachten.
(Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), 23.11.2010 - NPO)
 
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