Forscher haben eine neue Technik zur Betrachtung lebender Säugetierzellen entwickelt. Das Team verwendete einen leistungsstarken Laser, einen sogenannten weichen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser, um ultraschnelle Lichtimpulse mit einer Geschwindigkeit von Femtosekunden oder Billiardstel Sekunden auszusenden.
Damit konnten sie erstmals Bilder von kohlenstoffbasierten Strukturen in lebenden Zellen aufnehmen, bevor diese durch die weiche Röntgenstrahlung beschädigt wurden. Es wurden verbesserte Wolter-Spiegel entwickelt, eine Art ultrapräziser Spiegel, die es dem Mikroskop ermöglichen, Bilder mit hoher räumlicher Auflösung und einem weiten Sichtfeld aufzunehmen.
In Zukunft hofft das Team, dieses Mikroskop nutzen zu können, um die dynamische Natur der Zellbiologie besser zu verstehen. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Optik.
Es gibt einen Unterschied zwischen weichen und harten Röntgenstrahlen. Harte Röntgenstrahlen sind das, was Sie wahrscheinlich schon einmal erlebt haben, wenn Sie durch die Sicherheitskontrolle am Flughafen gegangen sind oder sich ein Körperteil gebrochen haben. Weiche Röntgenstrahlen werden in der Regel nur in der Forschung eingesetzt, von der Erforschung von Biologie und Chemie bis hin zu Mineralien und Meteoriten. Weiche Röntgenstrahlen können chemische Informationen über Proben und detaillierte Bilder auf subzellulärer Ebene liefern, ihre Verwendung ist jedoch aufgrund der erforderlichen Spezialausrüstung und der Schäden, die sie in der Biologie an lebenden Zellen verursachen, begrenzt.
Ein Forscherteam hat jedoch ein neues Weichröntgenmikroskop konstruiert, mit dem es erstmals lebende Säugetierzellen betrachten konnte. Es gelang ihnen, Bilder von Kohlenstoffstrukturen innerhalb der Zellen aufzunehmen, die mit anderen Instrumenten zuvor nicht sichtbar waren. Kohlenstoff ist eines der Hauptelemente des Lebens, daher bietet dies ein neues Fenster zu einem lebenswichtigen Teil von uns selbst.
Das Mikroskop besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem weichen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser und hochpräzisen Wolter-Spiegeln, einem Spiegeltyp, der häufig in Röntgenteleskopen zur Weltraumbeobachtung verwendet wird. Die Spiegel wurden mithilfe einer Technologie hergestellt, die vom Hauptautor Satoru Egawa, Assistenzprofessor am Forschungszentrum für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie der Universität Tokio, entwickelt wurde.
„Ein weicher Röntgen-Freie-Elektronen-Laser erzeugte eine Pulsbeleuchtung mit einer Geschwindigkeit von einigen zehn Femtosekunden (wobei eine Femtosekunde ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde ist). Die ultrakurze Dauer der Strahlungspulse ermöglichte es uns, ein Bild aufzunehmen, bevor die Struktur der lebenden Zelle durch Strahlenschäden verändert wurde“, erklärte Egawa.
„Wir haben Wolter-Spiegel zur Beleuchtung und Bildgebung verwendet. Diese Spiegel bieten ein weites Sichtfeld, halten der Bestrahlung durch leistungsstarke Laser stand und weisen keine Farbverzerrungen auf. Damit sind sie ideal für die Beobachtung von Proben bei verschiedenen Wellenlängen geeignet.“
Obwohl weiche Röntgen-Freie-Elektronen-Laser bereits früher zur Untersuchung kleinerer Viren und Bakterien eingesetzt wurden, waren Säugetierzellen zu groß, um auf diese Weise untersucht zu werden. Durch den Einsatz von Wolter-Spiegeln konnte das Team jedoch ein breiteres Sichtfeld erreichen und einen dickeren Probenträger verwenden, der größere Zellen aufnehmen konnte.
Die resultierenden Bilder zeigten Details über den Kohlenstoffgehalt in den Zellen, die mit anderen Methoden, wie etwa Elektronenmikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie, nicht sichtbar waren.
„Es war für uns überraschend, einen Kohlenstoffweg zwischen dem Nucleolus (einer Struktur im Zellkern, die an Zellfunktion und Überleben beteiligt ist) und der Kernmembran (die den Zellkern umhüllt) zu entdecken, der mit sichtbaren Lichtmikroskopen nicht beobachtet worden war“, sagte Egawa.
Es stehen hellere weiche Röntgen-Freie-Elektronen-Laser zur Verfügung, die noch klarere Bilder mit weniger körnigem „Rauschen“ ermöglichen würden. Durch das Hinzufügen hellerer Laser und präziserer Wolter-Spiegel hofft das Team, das Mikroskop so zu verbessern, dass es mehr biochemische Elemente beobachten kann. Dies könnte auch dazu beitragen, einige der lebenswichtigen Reaktionen und Wechselwirkungen zu beleuchten, die in lebenden Zellen stattfinden.
Mehr Informationen:
Satoru Egawa et al., Beobachtung lebender Säugetierzellen mit Femtosekunden-Einzelpulsbeleuchtung, erzeugt durch einen weichen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser, Optik (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.515726