Maximale Information aus möglichst jedem Photon

Wie sehen die Details der Funktion von Rezeptoren aus, die als Schaltstellen für den Signaltransport in die Zelle in der Membran sitzen? Warum ändern sich mit dem Alter die Verteilung und Aktivität der Mitochondrien, der für die Energiebereitstellung zuständigen Zellorganellen? Durch die molekülgenaue Beobachtung der Prozesse in der Zelle will die biomedizinische Forschung solchen Fragen auf den Grund gehen und benötigt dafür Bildgebungsmethoden mit höchster Orts- und Zeitauflösung. „Wir wollen möglichst jedes Photon erfassen und aus ihm die maximale Information gewinnen“, formuliert es Prof. Dr. Michael Börsch. Der Physikochemiker leitet die Arbeitsgruppe Mikroskopie-Methodik am Universitätsklinikum Jena (UKJ), die in interdisziplinären Projekten an der Erweiterung der hochauflösenden Fluoreszenzbildgebungstechniken forscht.

Dafür steht dem Team und seinen Partnergruppen in Medizin, Physik und Chemie jetzt ein modulares STED-Mikroskop zur Verfügung, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Thüringen mit je 900.000 Euro gefördert wurde. Als STED wird eine Variante der Fluoreszenzmikroskopie bezeichnet, die durch die gezielte Ausschaltung den fluoreszierenden und also abgebildeten Bereich stark verkleinern und auf diese Weise die Auflösung verbessern kann. Für diese Ausschaltung und die zuvor nötige Anregung der Farbstoffe arbeitet die Gruppe mit elf verschiedenen Lasern im STED-Mikroskop. Sie erfasst mit ihren Messaufbauten nicht nur die Intensität des Fluoreszenzlichtes, sondern auch dessen Lebensdauer, die auf die chemische Umgebung und mögliche Reaktionspartner des leuchtenden Moleküls schließen lässt. „Wir wollen auch spektrale Eigenschaften und eventuelle Vorzugsrichtungen des emittierten Lichts messen“, so Michael Börsch - „und alles gleichzeitig, und mit der Nachweisempfindlichkeit für ein einzelnes Molekül“. Für Messungen über längere Zeit in lebenden Zellen müssen An- und Abregungslicht die Farbstoffe schonen. Michael Börsch: „Das ist ein Kompromiss zwischen Auflösung und Detektion.“ Sein Kompromissvorschlag kommt mit minimalen Ausschaltungsintensitäten aus und ist patentiert.

Die Aktivität von ATP-Synthase in den Mitochondrien darstellen

Diese Methode will die Gruppe einsetzen, um die Aktivität von ATP-Synthase in den Mitochondrien menschlicher Zellen darzustellen. Das Enzym lädt den für alle Stoffwechselprozesse zentralen Energieträger ATP immer wieder auf wie ein Ladegerät den Akku. Dies wird erst sichtbar bei einer Auflösung, die unterhalb von 100 Nanometern liegt. Ein weiteres Vorhaben ist die quantitative Analyse des Schaltverhaltens eines G-Protein-gekoppelten Rezeptors, der in die Regulation vieler Verdauungsprozesse eingebunden ist. Das STED-Mikroskopbild soll die zelluläre Anordnung und die Änderungen der Molekülstruktur des aktivierten Rezeptors zeigen. Für diese Vorhaben arbeitet die Gruppe unter anderem mit Partnern in der Farbstoffchemie und in der Angewandten Optik und Biophysik zusammen. Prof. Börsch: „Unsere Methodenentwicklung lebt von der interdisziplinären Kooperation. Wir arbeiten daran, die hochauflösenden Mikroskopie-Techniken zu erweitern oder neue Messverfahren für die Lebendzell-Analysen zu ermöglichen.“