Mikroskop macht kleinste Zellprozesse sichtbar

Wie sieht das Innere einer Zelle wirklich aus? Bisher konnten herkömmliche Mikroskope diese Frage nur begrenzt beantworten. Nun ist es Forschern der Universitäten Göttingen und Oxford in Zusammenarbeit mit der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) gelungen, ein Mikroskop mit einer Auflösung von weniger als fünf Nanometern (fünf Milliardstel Meter) zu entwickeln. Das entspricht etwa der Breite eines in 10.000 Strähnen gespaltenen Haares. Ihre neue Methode war veröffentlicht In Naturphotonik.

Viele Strukturen in Zellen sind so klein, dass herkömmliche Mikroskope sie nur fragmentarisch abbilden können. Ihre Auflösung beginnt erst bei rund 200 Nanometern. Menschliche Zellen hingegen enthalten eine Art Gerüst aus feinen Röhrchen, die nur rund sieben Nanometer breit sind. Der synaptische Spalt, also der Abstand zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen Nervenzelle und Muskelzelle, ist gerade einmal 10 bis 50 Nanometer breit – zu klein für herkömmliche Mikroskope.

Das neue Mikroskop, an dessen Entwicklung Forscher der Universität Göttingen beteiligt waren, verspricht weitaus mehr Informationen. Es verfügt über eine Auflösung von weniger als fünf Nanometern und kann damit selbst winzigste Zellstrukturen erfassen. So etwas Winziges kann man sich kaum vorstellen. Doch wenn man einen Nanometer mit einem Meter vergleicht, entspricht das etwa dem Durchmesser einer Haselnuss mit dem Durchmesser der Erde.

Solche Mikroskope nennt man Fluoreszenzmikroskope. Ihre Funktion beruht auf der „Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie“, bei der einzelne fluoreszierende Moleküle in einer Probe an- und ausgeschaltet und ihre einzelnen Positionen dann sehr genau bestimmt werden. Aus den Positionen dieser Moleküle lässt sich dann die gesamte Struktur der Probe modellieren. Das aktuelle Verfahren ermöglicht Auflösungen von etwa 10 bis 20 Nanometern.

Die Forschungsgruppe von Prof. Jörg Enderlein an der Fakultät für Physik der Universität Göttingen konnte diese Auflösung nun noch einmal verdoppeln – mithilfe eines hochempfindlichen Detektors und einer speziellen Datenanalyse. Damit lassen sich selbst kleinste Details der Proteinorganisation im Verbindungsbereich zwischen zwei Nervenzellen hochpräzise darstellen.

„Diese neu entwickelte Technologie stellt einen Meilenstein auf dem Gebiet der hochauflösenden Mikroskopie dar. Sie bietet nicht nur Auflösungen im einstelligen Nanometerbereich, sie ist im Vergleich zu anderen Verfahren auch besonders kostengünstig und einfach anzuwenden“, erklärt Enderlein.

Im Zuge der Veröffentlichung ihrer Ergebnisse entwickelten die Wissenschaftler zudem ein Open-Source-Softwarepaket zur Datenverarbeitung. Damit steht diese Art der Mikroskopie künftig einem breiten Fachkreis zur Verfügung.