Forschung und Impact: Die optische Nanoskopie ermöglicht ganz neue Blicke auf die Moleküle des Lebens

Auflösungsvermögen verschiedener Lichtmikroskopie-Techniken: STED (unten links) verbessert die Detailschärfe drastisch im Vergleich zur konventionellen konfokalen Mikroskopie (oben links). MINSTED (rechts) erreicht eine noch zehnmal höhere Auflösung. Dargestellt sind fluoreszenzmarkierte Proteine (Mic60) in den Mitochondrien einer Zelle. (Proben von Stefan Stoldt und Stefan Jakobs, MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften). Der Maßstabsbalken entspricht 100 Nanometern. Abbildung: Michael Weber / Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften.
Auflösungsvermögen verschiedener Lichtmikroskopie-Techniken: STED (unten links) verbessert die Detailschärfe drastisch im Vergleich zur konventionellen konfokalen Mikroskopie (oben links). MINSTED (rechts) erreicht eine noch zehnmal höhere Auflösung. Dargestellt sind fluoreszenzmarkierte Proteine (Mic60) in den Mitochondrien einer Zelle. (Proben von Stefan Stoldt und Stefan Jakobs, MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften). Der Maßstabsbalken entspricht 100 Nanometern. Abbildung: Michael Weber / Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften.

Die alten, verwaschenen Fluoreszenzbilder der Lichtmikroskopie gehören der Vergangenheit an. Neueste Verfahren wie MINFLUX oder MINSTED vermessen zum Beispiel Proteine in Mitochondrien mit Genauigkeiten von aktuell 1 bis 3 Nanometern. Zur Erinnerung: 1 Nanometer entspricht 0,001 Mikrometer.

Das 20. Jahrhundert der Lichtmikroskopie

Das gesamte 20. Jahrhundert über dachte man, dass Lichtmikroskope in ihrer Trennschärfe – Auflösung genannt – an einer physikalischen Grenze angekommen waren, die man einfach hinnehmen musste. Die Lichtbeugung begrenzte die Auflösung auf etwa einen Viertelmikrometer, ungefähr die halbe Wellenlänge des eingesetzten Lichts.

Innerhalb einer Zelle sind aber zum Beispiel Proteine viel dichter bei einander zu finden, weshalb herkömmliche optische Mikroskope sie nicht separat darstellen können. Das Bild ist verschwommen und gibt nur einen sehr groben Eindruck.

Nanomikroskopie nutzt fluoreszenzfähige Markierungs-Moleküle

Die Nanoskopie-Methoden nutzen nun Eigenschaften der fluoreszenzfähigen Markierungs-Moleküle selbst, um sie im Mikroskop zu trennen und viel mehr Details zu zeigen, prinzipiell jedes Protein genau dort, wo es sich befindet.

Stefan Hell wird im Dezember 2022 den Werner-von-Siemens-Ring erhalten. In Pionierarbeiten seit den frühen 1990er Jahren schaffte Hell die Grundlagen dafür, dass Lichtmikroskope heute um ein Vielfaches schärfere Bilder von Molekülverteilungen in Zellen oder in Geweben aufnehmen können.

Mehr über die ausgezeichnete Arbeit von Stefan Hell erfahren Sie hier.

„Für mich besonders bemerkenswert dabei ist, wie gerade auch in den letzten paar Jahren und jetzt ganz aktuell noch einmal ein so großer Fortschritt erreicht werden konnte, indem grundsätzlich über die Konzepte und ihre jeweiligen Stärken nachgedacht wurde,“ sagt Dr. Steffen J. Sahl, langjähriger wissenschaftlicher Mitarbeiter in Hells Labor am Göttinger Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften.

„Wenn man genau hinschaut, ziehen sich da einige physikalische Grundideen und Einsichten aus der Anfangszeit wie ein roter Faden bis in die aktuellsten Entwicklungen, um nun Auflösung auf absolut molekularer Skala zu realisieren.“

Vielfältige Anwendungen in der biologischen und biomedizinischen Forschung

Ein Hauptanwendungsgebiet der Methoden ist die biologische und biomedizinische Forschung. Dabei hilft die breite Verfügbarkeit der Entwicklungen für Wissenschaftler weltweit, nicht zuletzt auch durch erfolgreiche Ausgründungen aus dem Max-Planck-Institut: Die Nanoskope und spezielle Reagenzien wie geeignete Farbstoffe kann man mittlerweile kaufen.

So sind auch die Anwendungen der Spezialisten sehr vielfältig. Sie reichen von Entdeckungen wie den spektakulären durchgängig-regelmäßig periodisch-ringförmigen Proteinarchitekturen aus Aktin, Spektrin und assoziierten Proteinen, die vor einigen Jahren in Axonen und Dendriten von Nervenzellen sichtbar wurden, über neue Erkenntnisse zur Ultrastruktur und Dynamik von Mitochondrien zu detaillierten Studien über die Aggregation von Proteinen oder Proteinfragmenten in Zell-Modellen weitverbreiteter Krankheiten wie Parkinson.

Ein besonderer Vorteil des Fluoreszenz-Ansatzes ist dabei die spezifische, eindeutige Sichtbarmachung einzelner Proteinspezies. So kann auch beobachtet werden, wo genau zum Beispiel eine besondere Form von Alpha-Synuclein sich in Mitochondrien anreichert und dort in der Folge neurotoxisch wirkt.
Die neuro-biologische und pathologische Forschung, aber auch Immunologie oder Virologie sind nur einige Felder, wo die Methoden zunehmend eingesetzt werden.

„Wo immer die genauen Anordnungen von Molekülen zueinander sichtbar gemacht werden sollen, kann die Fluoreszenz-Nanoskopie nützlich sein,“ erklärt Sahl.

Neueste Verfahren MINFLUX und MINSTED

Gerade die neuesten Verfahren, MINFLUX und MINSTED, haben die Auflösung noch einmal sehr deutlich gesteigert und in den Bereich der Molekülgröße von etwa einem Nanometer gebracht. Ebenso einzigartig ist die hohe räumliche Genauigkeit und gleichzeitige Geschwindigkeit, mit der einzelne Moleküle wie in einer Art Film verfolgt werden können. Denn Moleküle bewegen sich.

„Hier liegt eine ultimative Stärke dieser Lokalisierungsverfahren: Die Dynamik zu messen. Und das kann hocheffizient und sehr schnell geschehen,“ so Sahl.

Über Steffen J. Sahl

Steffen J. Sahl

Foto: Steffen Sahl

Nach Studium und Promotion in Physik arbeitete Steffen J. Sahl als Postdoc von W. E. Moerner an der Stanford University (USA) an der dreidimensionalen Bildgebung und Verfolgung von Einzelmolekülen. Seit 2014 ist der Wissenschaftler in der Abteilung von Stefan Hell am MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften tätig und unterstützt den Direktor bei seinem Göttinger Forschungsprogramm. Die aktuelle Arbeit von Sahl widmet sich hochpräzisen Fluoreszenzmessungen von dicht gepackten (Bio-)Molekülen und insbesondere der optischen Analyse im intra-molekularen Abstandsbereich. Ein weiteres Interesse bleibt die bildgebungsbasierte Erforschung pathogener Proteinaggregations-Prozesse und der zellulären Proteinqualitätskontrolle im Kontext neurodegenerativer Erkrankungen. Dr. Sahl ist Autor und Koautor zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen im Forschungsfeld der optischen Nanoskopie, Einzelmolekülfluoreszenz und ihrer Anwendungen. Er ist Mitglied des Vorstandes der Deutschen Gesellschaft für Mikroskopie und Bildanalyse, Mitglied im Wissenschaftlichen Rat der Max-Planck-Gesellschaft und Fellow der Max Planck School of Photonics.