Mit Lichtblitzen das Innere von Zellen erkunden

Wie leuchtende Proteine helfen, das Auflösungslimit von Lichtmikroskopen zu überwinden

Foto: Ansicht eines Zytoskeletts mit PALM (Mit freundlicher Genehmigung von Zeiss sowie S. Niwa, N. Hirokawa, University of Tokyo, Japan)

Wie entstehen Synapsen zwischen Nervenzellen? Welche Rolle spielen Proteine bei lebensbedrohlichen Krankheiten? All diese Fragen können durch superauflösende Mikroskopie untersucht werden, denn damit können Strukturen von nur 20 Nanometern abgebildet werden. Das liegt weit jenseits der von Ernst Abbe im 19. Jahrhundert berechneten Auflösungsgrenze. Für die Entwicklung dieser Technologie wurde den Wissenschaftlern Eric Betzig, Stefan Hell und William Moerner der Nobelpreis für Chemie 2014 verliehen.

Gerade die von Betzig und seinem Kollegen Harald Hess entwickelte Methode – die photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie (PALM) – eignet sich sehr gut für die Untersuchung lebender Zellen. Das ZEISS Mikroskopsystem ELYRA arbeitet mit dieser Methode. Bei PALM werden durch kurze Lichtblitze fluoreszente Proteine zum Leuchten angeregt - bei jedem Lichtblitz statistisch aber nur sehr wenige.  Von diesen werden solange Bilder aufgenommen, bis die Intensität der Fluoreszenz stark abgenommen hat. Danach regt ein neuer Lichtblitz andere Proteine an.

Weil zu nah beieinander liegende Leuchtpunkte nach dem Auflösungslimit von Abbe nicht voneinander getrennt werden könnten, ist es entscheidend, dass immer nur wenige Proteine leuchten. Weit separierte Proteine kann man dagegen punktgenau orten, auch wenn sie durch Beugungseffekte zunächst ausgedehnt erscheinen. Mit mathematischen Algorithmen  werden diese Effekte herausgerechnet. Die häufige Wiederholung des Verfahrens lässt jedes Protein einmal leuchten. Werden die Einzelbilder mit den errechneten Positionen addiert, erhält man ein Abbild der kompletten Zelle. Durch die Addition wird das Auflösungslimit der Einzelbilder umgangen und Vorgänge im Inneren von Zellen bleiben nicht länger ein Geheimnis.

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Mehr Informationen zum Thema: Pressemitteilung von ZEISS zum Nobelpreis 2014