Das schnellste Nanoskop der Welt

Nicht nur hochauflösend, auch blitzschnell: Zur extremen räumlichen Auflösung der STED-Mikroskopie haben Wissenschaftler nun auch eine hohe zeitliche Auflösung hinzugefügt. Bei bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde lassen sich Viren beim Eindringen in Zellen oder Transportvorgänge in lebenden Zellen beobachten, berichten die Forscher im Magazin „Nature Methods“.

Die Lichtmikroskopie ist eine der wichtigsten Methoden der modernen Forschung, besonders in der Medizin und der Biologie. Mittlerweile lassen sich gezielt Biomoleküle mit fluoreszierenden Farbstoffen markieren und dann direkt unter dem Mikroskop beobachten, auch in lebenden Zellen und in intaktem Gewebe.

Zeitliche Auflösung für Nobelpreis-Mikroskopie

Dank der sogenannten STED-Mikroskopie lässt sich die mögliche räumliche Auflösung drastisch nach unten verschieben, so dass mittlerweile auch im Lichtmikroskop Objekte im Nanometer-Bereich sichtbar sind – bis vor wenigen Jahren benötigte man dafür noch ein Elektronenmikroskop. Für diese Weiterentwicklung erhielt der deutsche Wissenschaftler Stefan Hell gemeinsam mit zwei amerikanischen Kollegen den Nobelpreis für Chemie im Jahr 2014.

Doch neben einer hohen räumlichen Auflösung ist auch eine hohe zeitliche Auflösung von Vorteil. Sie ist immer dann wichtig, wenn Vorgänge so schnell ablaufen, dass nur mit einer ganzen Serie von Bildern zu erkennen ist, was im Detail vor sich geht. Dauert das einzelne Bild zu lange, verwischt die Bewegung wie bei der fotografischen Aufnahme eines schnellen Autos mit zu langer Belichtungszeit. Um rapide Veränderungen einzufangen, nimmt man möglichst schnell eine hohe Zahl von Bildern in direkter Abfolge auf.

Ultraschnelle STED-Nanoskopie von Vesikeln im Neuron der lebenden Larve einer Taufliege mit 8 Millisekunden Zeitauflösung. Der rote Pfeil zeigt auf ein sich schnell bewegendes Vesikel (bis zu 1.8 µm/s), das ein anderes, ebenfalls mobiles Vesikel (weißer Pfeil) überholt. Skalenbalken: 1 µm. © Jale Schneider und Jasmin Zahn, Abteilung Optische Nanoskopie, Deutsches Krebsforschungszentrum

Nanoskopische Videos

Wissenschaftler unter der Leitung von Hell haben darum die STED-Technik gewissermaßen beschleunigt. Bei der SETD-Mikroskopie werden die Fluoreszenzmarker mit zwei unterschiedlichen Laserstrahlen an- oder abgeregt. Mit einem neuen technischen Verfahren können die Forscher eine Probe mit diesen Strahlen nun in bisher nicht gekannter Geschwindigkeit abtasten: Der Laserfokus bewegt sich 4.000 Mal schneller als bisher. Damit sind nun bis zu 1.000 Aufnahmen pro Sekunde möglich.

Das dabei blitzschnell aufgebaute Bild macht diesen STED-Ansatz zum derzeit mit Abstand schnellsten Nanoskopie-Verfahren weltweit. Damit zeichneten die Forscher schnell ablaufende dynamische Prozesse auf, darunter die Bewegung von Vesikeln in Nervenzellen von Fliegenlarven. Auch Aids-Viruspartikel vor und während der Aufnahme in eine Zelle konnten sie beobachten. Dies sind nur die ersten Anwendungsbeispiele der neuen Technik, mit der sich hochauflösende Videos mit Zeitschritten im Bereich von Millisekunden erstellen lassen. (Nature Methods, 2015; doi: 10.1038/nmeth.3481)

(Deutsches Krebsforschungszentrum, 30.07.2015 – AKR)