Superscharfer Videoclip aus der Zelle

Göttinger Wissenschaftler filmen erstmals einen zellulären Lebensvorgang mit Nanoauflösung

Die Lebensvorgänge im Inneren von Zellen in Echtzeit direkt zu verfolgen, davon träumen Biologen seit Langem. Um relevante Details zu verfolgen, benötigen Wissenschaftler dazu jedoch eine Auflösung auf der Nanometerskala, die bisher in lebenden Zellen mit einem Lichtmikroskop nicht zu erreichen war. Forschern des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie und des Exzellenzclusters "Mikroskopie im Nanometerbereich", das im Rahmen der Eliteförderung der Universität Göttingen gebildet wurde, ist es nun mithilfe der STED-Mikroskopie gelungen, das erste Video auf der Nanoskala aus dem Inneren einer lebenden Zelle "auf Film" zu bannen. Mit bis zu 28 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung, die bis zu 4 mal besser ist als die herkömmlicher Lichtmikroskope, beobachteten die Forscher schnelle Bewegungen winziger Zellbausteine. Erstmals wurde so die Fortbewegung dicht gepackter, mit Botenstoffen gefüllter Bläschen in Nervenzellen live mitverfolgt. (Science Express, 21. Februar 2008).

Schafft man es, Lebensvorgänge im Innersten unserer Zellen detailliert zu verfolgen, kann man leicht verstehen, was sich in ihnen abspielt. Doch scharf zu sehen, war lange Zeit nur mit Elektronen- oder Rastersondenmikroskopie möglich - aber nicht im Inneren einer lebenden Zelle. Die Lichtmikroskopie wiederum ermöglicht zwar "berührungsfreie" Untersuchungen, allerdings sind diese nicht scharf genug. Die Auflösung der Lichtmikroskopie war an einer scheinbar unüberwindbaren Grenze angelangt, die mit 0,2 bis 0,3 Mikrometern (einem Tausendstel Millimeter) etwa der halben Wellenlänge des Lichts entspricht. Mit seinem neu entwickelten "Stimulated Emission Depletion" (STED)-Mikroskop konnte Stefan Hell, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, erstmals die Auflösung der Fluoreszenz-Mikroskopie dramatisch steigern und legte so den Grundstein für eine Lichtmikroskopie mit Auflösung auf der Nanometerskala. Mithilfe des STED-Mikroskops gelang es den Wissenschaftlern bereits, einzelne Eiweiß-Komplexe im Abstand von 20 bis 50 Nanometern voneinander getrennt zu sehen - Strukturen, die etwa 1000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar. In fast allen diesen Momentaufnahmen waren die Zellen jedoch chemisch fixiert - und somit in ihren natürlichen Lebensvorgängen "eingefroren". Die lange Belichtungszeit für ein einzelnes Bild erlaubte es nicht, Bewegungen aufzunehmen.

Durch die Entwicklung besonders schneller Aufnahmetechniken für die STED-Mikroskopie gelang es den Physikern Volker Westphal, Marcel Lauterbach und Stefan Hell in Zusammenarbeit mit dem Biologen Reinhard Jahn sowie Silvio Rizzoli vom Göttinger Exzellenzcluster "Mikroskopie im Nanometerbereich", auch schnelle Bewegungsvorgänge innerhalb der Zelle direkt "auf Film" zu bannen. Die Wissenschaftler konnten die Belichtungszeit für eine einzelne Aufnahme so drastisch verkürzen, dass sie Bewegungsvorgänge mit einer Auflösung von 65 bis 70 Nanometern - also 3- bis 4-mal besser als die Beugungsgrenze - in Echtzeit einfangen. Als Untersuchungsobjekt dienten den Forschern dabei lebende Nervenzellen.

	Die beteiligten Wissenschaftler vor dem STED-Mikroskop, mit dem das erste Video mit Auflösung jenseits der Beugungsgrenze (Nanoskala) aus lebenden Zellen aufgenommen wurde: Dirk Kamin, Volker Westphal, Silvio Rizzoli, Marcel Lauterbach (v. links nach rechts). Im Hintergrund: Reinhard Jahn (links) und Stefan W. Hell. (Foto: Böttcher, MPIbpc)

Bewegungen winziger Vesikel in Nervenzellen live verfolgen
Zwischen Nervenzellen werden Signale über Botenstoffe übertragen, die von der Senderzelle abgegeben und von der Empfängerzelle erkannt werden. Diese Botenstoffe werden in speziellen Bläschen ("Vesikeln") bereits auf Vorrat gehalten. Den Wissenschaftlern gelang es, die schnelle Bewegung dieser kleinen Vesikel in den Nervenendigungen mit bis zu 28 Bildern pro Sekunde aufzuzeichnen. Mit einer Größe von 40 Nanometern sind auch diese Vesikel winzig - etwa 1000 von ihnen passen auf die Breite eines Haares. Unter dem Mikroskop konnten die Forscher direkt in bisher ungekannter Schärfe mitverfolgen, wie sich die schnellen Vesikel über die gesamte Länge der Nervenendigungen bewegten. "Dabei binden sie zwischendurch an Zellstrukturen und lösen sich wieder von diesen ab", beschreibt Silvio Rizzoli die Geschehnisse in den Nervenendigungen. Diese Erkenntnisse ermöglichen Wissenschaftlern wichtige neue Einblicke in die Prozesse bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen. "Damit konnten wir erstmals zeigen, dass man dynamische Lebensvorgänge in Echtzeit aufnehmen kann - und zwar mit einer Auflösung, die bisher nur mit dem Elektronenmikroskop möglich war", fasst Stefan Hell den Entwicklungssprung in der Mikroskopie zusammen.

Bereits im November letzten Jahres brachte die Firma Leica das erste kommerzielle STED-Mikroskop auf den Markt. In der Nachwuchsgruppe unter Leitung von Silvio Rizzoli steht bereits ein solches Mikroskop. Rizzoli untersucht damit die Vorgänge in den Vesikeln der Nervenzellen von Ratten. Aber nicht nur Vorgänge, die bei der Übertragung von Signalen zwischen Nervenzellen eine Rolle spielen, lassen sich mit der STED-Mikroskopie klären. So erwarten Forscher, dass sich zukünftig damit viele Fragen der biologischen und medizinischen Forschung beantworten lassen. Ziel von Stefan Hell und seinen Mitarbeitern ist es nun, das Aufnahmeverfahren weiter zu optimieren. Für dessen Anwendung sieht Hell ein enormes Potential: "Erstmals Vorgänge auf der Nanoskala zu filmen, war ein wichtiger Schritt. Es stößt ein Tor auf zu neuen Erkenntnissen auf der molekularen Skala des Lebens - ein Tor, von dem man lange Zeit annahm, dass es das gar nicht gibt."

	Im STED-Mikroskop (rechts) lassen sich Vesikel, die mit Botenstoffen gefüllt sind, bei einer 3-4 fach höheren Auflösung getrennt voneinander beobachten - anders als im Konfokalmikroskop (links). Der Pfeil zeigt die Vesikelbewegung innerhalb von 35 Millisekunden. (Foto: Hell, MPIbpc)

Zur Person:
Prof. Stefan W. Hell, Jahrgang 1962, studierte Physik in Heidelberg. Nach seiner Promotion 1990 in Heidelberg verfolgte er seine Ideen zunächst als "freier Erfinder". Nach einer Zeit als Postdoktorand am EMBL in Heidelberg ging er 1993 als Gruppenleiter nach Turku, Finnland. Dort entwickelte er das Prinzip der STED-Mikroskopie. Im Jahr 1996 wechselte Hell als Leiter einer Max-Planck-Nachwuchsgruppe an das Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. Dort leitet er seit 2002 die Abteilung NanoBiophotonik. Stefan Hell ist wissenschaftliches Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft und Honorarprofessor für Experimentalphysik an der Georg-August-Universität Göttingen. Er erhielt zahlreiche Preise und Auszeichnungen, darunter den Preis der "International Commission for Optics (ICO)" (2000), den Helmholtz-Preis (2002), den "Deutschen Zukunftspreis" (2006) sowie den Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis (2008).