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Prozesse

in lebenden Zellen

Durch Beobachten lebender Zellen lassen sich dynamische Prozesse wie Transportvorgänge, Zellteilung und pathologische Veränderungen studieren. Dazu braucht es jedoch besonderer Instrumente. Ein solches – genauer gesagt ein Laser Spinning-Disk-Confocal-Microscope – steht im Institut für Biologie der Universität Lübeck. Cluster-Professor Rainer Duden und seine Kollegin Dr. Irina Majoul haben es aufgebaut.

Leuchtende Sonden

„Wir schauen uns lebende Zellen unter dem Mikroskop über längere Zeiträume an, also Stunden bis Tage“, erklärt Professor Rainer Duden. Das klingt zunächst recht simpel. Doch schnell wird klar: Einfach ist hier gar nichts. Denn die Zellen sollen unterm Mikroskop genau das tun, was sie auch im Brutschrank oder im lebenden Organismus tun: sich teilen und weiter entwickeln. Das heißt, sie brauchen auch auf dem Mikroskoptisch besondere Bedingungen – eine Temperatur von 37 Grad Celsius, feuchte Luft und einen genau eingestellten pH-Wert. Doch damit ist es nicht getan. Um Vorgänge innerhalb der Zelle beobachten zu können, müssen sie sichtbar gemacht werden. Dazu markiert der Lübecker Zellbiologe die zu untersuchenden Proteine mit Fluoreszenz- Proteinen, also leuchtenden Sonden verschiedener Farben. Gleichzeitig ist es nötig, mit möglichst wenig Licht zu arbeiten, um die Zellen zu schonen. „Wenn man zuviel Licht auf die Zellen scheint, bleicht man die Farbstoffe aus und erzeugt zudem Sauerstoffradikale, die Zellen schädigen“, so Duden. „Leicht löst man dadurch Mechanismen aus, die zum Zellabsterben führen.“ Das heißt, die Probe muss mit sehr geringer Lichtintensität ausgeleuchtet werden. Der besondere Trick hierbei ist eine rotierende Scheibe, die „spinning disk“. Diese teilt den verwendeten Laserstrahl in viele Teilstrahlen und vermindert die auf die Zelle einstrahlende Energie. Um die schwachen Lichtsignale zu detektieren, braucht das Mikroskop allerdings eine besonders lichtempfindliche Optik und CCD Kamera.

Wohlfühlathmospäre für Zellen

All das ist mit moderner Mikroskoptechnik machbar – kostet aber seinen Preis. Um diesen möglichst gering zu halten, haben Duden und seine Mitarbeiterin Dr. Irina Majoul, die bereits seit mehr als zehn Jahren mit dieser Technik arbeiten, das Mikroskop aus Komponenten zusammengebaut. „Es ist ein hochkomplexes Mikroskop, weil viele elektronische und feinmechanische Teile kontrollierbar zusammenarbeiten müssen. Zum Wohle der Zellen ist das ganze Mikroskop mit einer Kammer umgeben, wo wir Temperatur, Gasatmosphäre und Luftfeuchtigkeit konstant halten können, über Beobachtungszeiträume bis zu 100 Stunden“, erklärt Duden, der zuvor in Cambridge und London geforscht hat. „Das Gerät ist ziemlich einzigartig im norddeutschen Raum. Wir haben eine sehr schöne optische Auflösung kombiniert mit hoher Empfindlichkeit. Und wir haben wirklich die Möglichkeit, Zellen lange am Leben zu halten und konstant zu beobachten.“ Das Mikroskopsystem bietet eine Fülle von Analysemöglichkeiten. So können in der Probe interessante Zellen oder Abschnitte markiert werden. „Diese vorprogrammierten Punkte fährt das Gerät dann automatisch ab, immer wieder in vorher festgelegten Zeitabständen“, so Duden. Mit diesem „time lapse“ können langsam ablaufende Zellvorgänge an vielen verschiedenen Stellen der Probe im selben Experiment verfolgt werden. Das ermöglicht Lebendzell- Analyse von Phänomen, zum Beispiel Zellteilung, die nur in fünf bis zehn Prozent der Zellen in einer Population auftreten. Man kann mit dem Mikroskop optische Schnitte legen, das heißt gewünschte Beobachtungsebenen in den Fokus legen und stabil halten. Ebenfalls können dreidimensionale Gebilde Ebene für Ebene gescannt und dann am Computer zusammengelegt werden. Der Computer stellt dann hinterher ein komplettes, durchgehend fokussiertes dreidimensionales Bild des Präparates dar.

Rainer Duden


Rainer Duden
ist seit Oktober 2008 Cluster-Professor für „Intrazellulären Transport von pathogenen Mikroorganismen“ an der Universität zu Lübeck und leitet am Institut für Biologie die Arbeitsgruppe „Membrane Traffic and Cell junctions“. Er beschäftigt sich vor allem mit intrazellulären Transportvorgängen im sekretorischen Weg zwischen Golgi-Apparat und Endoplasmatischem Retikulum.

Irina Majoul


Irina Majoul
ist seit Oktober 2008 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Biologie der Universität zu Lübeck und seit 2009 Privatdozentin für Biophysik. Ihr Arbeitsschwerpunkt ist die Kommunikation zwischen Zellen über so genannte „Gap Junctions“ sowie die FRET Analyse von Protein-Protein-Interaktionen in Lebendzellen.

Kommunikation und Transport

Lebendzell-Imaging eignet sich für eine Vielzahl von Fragestellungen in der Zellbiologie. Duden: „Alles, was man mit Fluoreszenzsonden sichtbar machen kann, lässt sich prinzipiell mit diesem Typ von Mikroskop in Lebendzellen untersuchen.“ Die Lübecker Arbeitsgruppe interessiert sich speziell für Kommunikationsvorgänge zwischen Zellen und für den intrazellulären Protein- und Membrantransport. In Kooperationen mit der Arbeitsgruppe von Professor Rolf Hilgenfeld vom Institut für Biochemie der Universität Lübeck wollen sie in neuen Projekten die Induktion von Membranstrukturen durch Proteine human-pathogener RNA Viren untersuchen.

Mikroskopsystem
Zellteilungsanomalien
Protein-Interaktion

Oben links: Transportvesikel bewegen sich entlang von Zytoskelettelementen. Oben rechts: Mikroskopsystem mit „spinning disk“- Einheit und EM-CCD Kamera. Mitte links: Hemmung des intrazellulären Transports verursacht  Zellteilungsanomalien. Chromatin und Golgi Komplex markiert in lebenden Nierenzellen. Mitte rechts: Kernteilungen (Kernlamina angefärbt) über zwei Tage beobachtet. Unten links: Protein-Protein-Interaktionen im Nanometer-Distanzbereich sind per Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) in Lebendzellen mikroskopisch messbar.

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