Gefrorene Momente

Das Pockenvirus heftet sich an die Nierenzelle und bereitet den Überfall vor: Sein Kern verformt sich oval, und die DNA, vorher fest gepackt, lockert sich auf. Hat der Kern erst einmal die schützende Membran seiner Opferzelle durchdrungen, gibt es kein Zurück mehr. Er bricht auf und entlässt die DNA des Virus ins Innere der Zelle. Die DNA wird das System der Zelle genetisch umprogrammieren, sodass sie viele neue Viren produzieren muss. Diese dramatische Szene entstammt nicht der Feder eines Drehbuchautors für Animationsfilme, sondern der Wirklichkeit. Einer nanometerkleinen Wirklichkeit, die neuerdings dreidimensional im Elektronenmikroskop sichtbar wird. Forscher des Max-Planck-Instituts für Biochemie in Martinsried um Wolfgang Baumeister wenden eine überzeugend einfache Methode an, um Viren, Bakterien und andere Zellen mitten im Leben festzuhalten: Sie frieren sie blitzschnell ein.

Die Zellen werden so rasch auf minus 196 Grad gekühlt, dass sich nichts mehr verändern kann – Wassermoleküle schaffen es nicht einmal, einen Eiskristall zu bilden. Es ist, als würde die Zeit angehalten. Mit einer ganzen Reihe solcher Schnappschüsse konnten die Forscher den Überfall eines weniger als einen Mikrometer (Tausendstel Millimeter) kleinen Virus der Pockenfamilie minutiös beobachten. Auch andere Krankheitserreger lagen schon schockgefroren auf dem Mikroskoptisch: ein Malariaerreger, ein Herpesvirus und ein HI-Virus – allesamt nur mehrere Hundertstel so groß wie ein Sandkorn. Die Bekämpfung von Krankheiten hatte Wolfgang Baumeister jedoch gar nicht im Sinn, als er mit dem Einfrieren und Mikroskopieren lebender Zellen begann. Er wollte Neues entdecken – in der biologischen Nanowelt. „Wahrscheinlich führen beim heutigen Stand des Wissens neue Methoden und Techniken häufiger zu Erkenntnisfortschritten als neue Hypothesen“, sagt der Max-Planck-Direktor. Denn von sensationellen Bildern einer neuen Methode wie der Kryo-Elektronentomographie profitiert die Wissenschaft auf vielen Gebieten – zum Beispiel in der Mikrobiologie, der Strukturforschung und der Medizin.

Baumeister bastelte mehrere Ideen zu seiner einzigartigen Methode zusammen. „Die Kryomikroskopie, also die Mikroskopie an leblosen gefrorenen Partikeln, existiert schon seit den späten Siebzigerjahren“, sagt Harald Engelhardt, der als Mikrobiologe an Bakterien forscht und für die technische Organisation der Abteilung zuständig ist. Benutzt wurde die Methode ursprünglich von Strukturforschern, die große Eiweiße mit wichtigen Aufgaben für Zellen isoliert untersuchten. Doch auf lebende Strukturen ließ sie sich lange Zeit nicht anwenden. Denn Bakterien, Viren und andere Zellen sind extrem empfindlich für Strahlen – im Elektronenmikroskop werden sie leicht zerstört. „Wir sahen am Ende nur die Asche dessen, was wir abbilden wollten“, erinnert sich Engelhardt an die ersten Versuche.

Bakterie mit Mini-Kompass

Das Problem ist inzwischen gelöst: Heute steuert ein Computer das Elektronenmikroskop und lenkt den Strahl nur so lange wie unbedingt nötig auf die biologische Probe. Auf diese Weise bleiben die molekularen Feinstrukturen der Zelle erhalten, die nanometerdünnen Membranen und die ebenso feingliedrigen inneren „ Organe“ der Zelle – die Organellen. „Wir beobachten bei fast jedem Experiment Dinge, die wir noch nicht kannten“, freut sich Engelhardt. Und das nicht nur zweidimensional wie auf einer Fotografie oder einem Röntgenbild, sondern in 3D. Auch dabei greift man auf Bekanntes zurück, denn dreidimensionale Bilder von größeren Lebewesen sind schon länger aus Biologie und Medizin bekannt: Mithilfe der Computertomographie können Ärzte beispielsweise Tumore, Knochenbrüche und andere innere Krankheiten von Menschen erkennen. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten die Forscher um Wolfgang Baumeister an ihren schockgefrorenen Zellen: Sie schießen mit dem Elektronenmikroskop etwa 100 Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln und konstruieren daraus am Ende ein dreidimensionales Bild. Ein eigens entwickeltes Computerprogramm erkennt Oberflächen und Hohlräume und färbt die einzelnen Bestandteile im Inneren der Zelle blau, grün oder gelb ein, denn das ist für den Betrachter anschaulicher als ein Schwarz-Weiß-Bild. Die dreidimensionale Rekonstruktion einer Zelle kann dann auf dem Bildschirm per Mausklick gedreht und aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden.

Die plastischen Bilder der Mini-Organismen sehen aber nicht nur schön aus: Mit Forschungspartnern auf der ganzen Welt haben die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts schon viele Erkenntnisse gewonnen. Sie kamen zum Beispiel einem magnetischen Bakterium auf die Schliche. Das winzige Lebewesen findet mithilfe des Erdmagnetfeldes heraus, wo oben und unten ist – mit einer Art Minikompass, wie sich im Elektronenmikroskop zeigte. Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrobiologie in Bremen hatten das Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense im Schlamm eines Greifswalder Flusses entdeckt. Im Labor bemerkten sie, dass es aus Eisen kleine Nano-Magneten herstellt, die Magnetosomen. Doch zunächst war nicht klar, warum die eisernen Teilchen als Kompass funktionieren sollten – erst Baumeisters Mitarbeiter konnten das Geheimnis lüften. Engelhardt war fasziniert: „Das konnte man nur über die Kryo-Elektronentomographie herausfinden.“ Die Methode offenbarte einen ausgeklügelten Trick der Natur: Die Magnetosomen im Bakterium reihen sich an einem Filament auf, einem langen Faden aus speziellen Eiweißen, und wirken so wie eine dünne Kompassnadel. Ein anderes Mal verhalfen die dreidimensionalen Bilder Malariaforschern am Universitätsklinikum Heidelberg zu neuen Erkenntnissen. Der Biologe Friedrich Frischknecht packte im Juni 2005 ein Reagenzglas voller Malariaerreger sicher ein, setzte sich ins Auto und fuhr nach Martinsried, um die einzelligen Parasiten im eiskalten Elektronenmikroskop zu untersuchen. Eine Stechmücke bringt die Erreger beim Blutsaugen in die Haut des Menschen. Dann bohren sich die 15 Mikrometer kleinen Parasiten durch das Gewebe, um in ein Blutgefäß einzudringen.

Zement im MALARIAERREGER

Ihre beachtliche Geschwindigkeit von zwei Mikrometern pro Sekunde erreichen sie mithilfe eines einzigartigen Fortbewegungssystems in ihrem Inneren: Es besteht unter anderem aus kleinen Röhren, die auch in menschlichen Zellen vorkommen, sogenannten Mikrotubuli. Frischknecht war überrascht: „Beim Menschen sind Mikrotubuli leer – im Malariaerreger dagegen sahen wir mithilfe der Kryo-Elektronentomographie etwas wie eine zementartige Füllung im Inneren der Röhren.“ Woraus die Masse besteht, wissen die Forscher noch nicht. Aber vielleicht bietet der feine Unterschied einen Angriffspunkt für die Pharmazie. „ Viele Medikamente gegen Parasiten, beispielsweise Würmer, greifen deren Mikrotubuli an“, erklärt Frischknecht.

Große Ziele leiten auch die Martinsrieder Forscher: Sie möchten immer kleinere Strukturen identifizieren, ja sogar einzelne Eiweiße, mit immer höherer Bildauflösung. „Dabei ist nicht die Rekonstruktion isolierter Moleküle unser eigentliches Ziel“, erklärt Wolfgang Baumeister, „sondern vielmehr, solche Strukturen im Kontext der Zelle anzuschauen.“ Baumeister möchte zusehen, wie die „molekularen Maschinen“ die Zelle am Leben erhalten. Welch eine Vision! Denn Proteine im Inneren einer Zelle reagieren oft nur wenige Millisekunden (Tausendstel Sekunden) lang miteinander, kurz wie der Blitz eines Fotoapparates – und doch machen diese Treffen einen wichtigen Teil des Stoffwechsels aus. Der flüchtige Zusammenschluss der Eiweiße lässt sich mit herkömmlichen Methoden nicht festhalten – vielleicht aber schockgefroren im Elektronenmikroskop. „Mit der Kryo-Elektronentomographie haben wir eine Chance“, ist Harald Engelhardt überzeugt.

Ein Atlas für Jede Zelle

Baumeister und seine Mitarbeiter haben das Projekt zunächst an einem selbstgebauten Modellsystem geprobt: einer Phantomzelle. Die bestand nur aus einer Zellhülle, gefüllt mit drei Sorten von Eiweißstoffen (Proteinen). Der Computer rechnete wochenlang, um ein 3D-Bild zu erstellen, die Moleküle zu identifizieren und herauszufinden, wo sie sich aufhalten – und es funktionierte. Jetzt versuchen es die Wissenschaftler mit dem Mikroorganismus Thermoplasma acidophilum. „Unsere Experimente sind die Grundlage dafür, einen Atlas von jeder Zelle zu erstellen, die Biologen oder Mediziner interessiert“, sagt Engelhardt. „Die Aufklärung unbekannter Wechselwirkungen zwischen Proteinen ist das große Potenzial der Kryo-Elektronentomographie.“

Die Chancen der Methode hat man auch in Heidelberg erkannt. Drei Millionen Euro investiert die Universität Heidelberg für die Anschaffung einer eigenen Anlage für Kryo-Elektronentomographie. Friedrich Frischknecht rechnet mit vielen nützlichen Erkenntnissen. „Wir wollen Strukturen in Krankheitserregern finden, die Angriffspunkte für Medikamente sein können. Unbekannte Strukturen, von denen wir vielleicht noch gar nicht ahnen, dass es sie überhaupt gibt“, sagt der Forscher und gerät ins Schwärmen: „Schon heute machen wir Aufnahmen in einer Auflösung, von der man früher nur hätte träumen können.“ ■

CAROLIN DANNER, Physikerin und ehemalige bdw-Praktikantin, hat selbst ein Jahr lang an der Grenze von Physik und Biologie geforscht.

Carolin Danner