Video der Woche: Neue Einblicke in die Mikrowelt

Credit: Betzig Lab, HHMI

Zellen, Nervenfasern, Enzyme... das große Wunderwerk des Lebens basiert auf winzigen Strukturen und molekularen Abläufen. Schon lange versucht der Mensch Einblicke in diese Mikrowelt zu gewinnen. Erfolge auf diesem Gebiet haben Eric Betzig den diesjährigen Chemie Nobelpreis eingebracht. Offenbar ist der Forscher nun weiter auf Erfolgskurs: Sein Team präsentiert jetzt eine neue Mikroskopiertechnik, die feine Lebensvorgänge dreidimensional und in Echtzeit erfasst. Dadurch können die Forscher beispielsweise in bewegten Bildern aufzeigen, wie sich Nerven verknüpfen, was in befruchteten Eizellen abläuft oder wie Eiweiße miteinander interagieren.

Dank Betzig und seinen Kollegen gab es bei den Möglichkeiten zur Beobachtung von Abläufen in lebenden Gewebe in den letzten Jahren große Fortschritte. Doch viele biologische Abläufe sind immer noch zu schnell oder umfassen zu kleine Strukturen, um sie mit bisherigen Techniken der Lichtmikroskopie erfassen zu können. Ein Hauptproblem ist dabei: Um tief in feine dynamische Strukturen zu blicken, muss bei bisherigen Methoden viel Strahlung auf das Objekt des Interesses fokussiert werden. Das kann nicht nur zu biologischen Veränderungen oder Zerstörungen führen, der Zoom-Prozess kostet auch Zeit, so dass die Aufnahmen mit dynamischen Prozessen wie beispielsweise bei der Zellteilung nicht mithalten können.

Nun präsentieren die Forscher um Betzig ein Mikroskop, das eine Weiterentwicklung der bisher genutzten Technik repräsentiert. Sie basiert auf dem Konzept, dass multiple  Bildinformationen entstehen, wenn fluoreszierende Moleküle in einer Probe durch bestimmte Wellenlängen des Lichts aktiviert werden. Die räumliche Position dieser leuchtenden Moleküle kann dann präzise bestimmt werden. Dieser Prozess wird mehrfach und mit unterschiedlichen Wellenlängen wiederholt. So entstehen aus den nacheinander gemessenen Einzelbildern Aufnahmen der Probe in hoher Auflösung. Den Forschern ist es  nun durch Veränderungen der Lichtstrahlung gelungen, die „Abtastrate" deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Strahlenbelastung beispielsweise für lebende Zellen zu senken. „Wir waren erstaunt festzustellen, wie stark die Phototoxizität durch die Auffächerung der Strahlung zurückging", sagt Betzig.

Die Forscher verdeutlichten die Leistungsfähigkeit ihres Systems durch Untersuchungen an 20 verschiedenen biologischen Systemen. Sie rückten beispielsweise die Abläufe bei  der embryonalen Entwicklung von Fadenwürmern und Fruchtfliegen buchstäblich in neues Licht. Weil ihre Konzept weniger Schaden als herkömmliche Bildgebung und verbessert die Bildaufnahmegeschwindigkeit gewährleistet, dehnt es die Möglichkeiten der biologischen Forschung mittels optischer Mikroskope deutlich aus, so das Fazit.

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