Scharfe Fotos von Proteinen und DNA

Stellen Sie sich vor, es ist Fussball-WM. Sie schalten Ihren Fernseher an und freuen sich auf ein unterhaltsames Spiel. Sie wundern sich, denn selbst nachdem sie sich versichert haben, den richtigen Sender gewählt zu haben, sehen Sie nur schemenhafte grüne und weiße Gestalten über den Bildschirm huschen. Den Ball können Sie gar nicht erkennen, geschweige denn ausmachen, welche Taktik die Teams verfolgen.

Torszene aus einem Fussballspiel in schlechter Auflösung Quelle: dustpuppy auf flickr (CC BY-SA 2.0)

Torszene aus einem Fussballspiel in schlechter Auflösung Quelle: dustpuppy auf flickr (CC BY-SA 2.0)

 

Wissenschaftler befinden sich in einer ähnlichen Lage, wenn sie Makromoleküle in ihrem zellulären Kontext betrachten wollen. Die Auflösung selbst modernster Lichtmikroskope ist zwar ausreichend, um subzelluläre Strukturen, wie den Zellkern und andere Organellen scharf, darzustellen, um die DNA oder gar einzelne Proteinkomplexe zu betrachten, reicht sie jedoch nicht aus.

Sie würden wahrscheinlich an Ihrem Fernseher erst das Antennenkabel prüfen und wenn selbst resolutes Tätscheln des Fernsehgeräts die Bildqualität nicht verbessert, machen Sie sich notgedrungen auf zum nächsten Elektromarkt und kaufen eine neues Gerät. Sie wollen schließlich nicht noch ein Spiel verpassen.

Weder Kabel prüfen noch physische Gewalt hilft hier dem Forscher am Mikroskop weiter. Auch ein neues Gerät ist nicht unbedingt nützlich, denn es ist ein physikalisches Phänomen, welches die erreichbare Auflösung eines Lichtmikroskops begrenzt. Die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops besagt, grob gesprochen, das die Optik nur Objekte mit etwa der halben Wellenlänge des einbestrahlten Lichts auflösen kann. Im sichtbaren Bereich sind das zwischen 200 und 300 Nanometer. Zu grob, um DNA mit 2,5 nm Durchmesser scharf zu sehen, oder Proteinkomplexe genauer zu betrachten, die vielleicht 10 nm Durchmesser haben.

Nicht-optische Mikroskopieverfahren, wie zum Beispiel die Elektronenmikroskopie schaffen es, diese Auflösungsgrenze herunterzuschrauben, sie haben jedoch den Nachteil, dass die zu beobachtenden Objekte speziell präpariert werden müssen, und diese dadurch dem biologischen Kontext entrissen werden.

Die Entwicklung von sogenannten Charge-Coupled-Devices (CCD), die prinzipiell den Sensoren in Digitalkameras entsprechen, erlauben es, die Auflösung auf fünf Nanometer zu verbessern. CCDs für mikroskopische Anwendungen haben aber ebenfalls eine Schwäche. Je nach dem, wo die Photonen auf den CCD-Chip treffen, wird das eintreffende Lichtsignal entweder in ein elektrisches Signal umgewandelt, oder nicht. Diese fehlende Uniformität führt letztendlich zu einem Verschlechterung der Auflösung.

Steven Chu hat in seinem Vortrag hier bei der Tagung der Nobelpreisträger in Lindau eine neue Mikroskopie-Technik präsentiert, die auf der sehr genauen Platzierung des Bildes auf dem CCD und einem aktiven Feedbackmechanismus beruht, der die positionelle Unschärfe ausgleicht. Zusammen mit zusätzlichen Stabilisatoren erlaubt die Technik so, Aufnahmen bis zu einer Auflösung von einem halben Nanometer zu machen, eine Größenordnung besser als bislang möglich.

Anstelle der Laufwege von Fussballspielern messen Chu und Kollegen jedoch eher die Abstände zwischen Membranproteinkomplexen in ihrem biologischen Kontext, oder die Interaktion der RNA-Polymerase mit der DNA, während ein Gen abgelesen wird.

Die RNA-Polymerase transkribiert ein Gen (Symbolbild). Quelle: dustpuppy auf flickr (CC BY-SA 2.0)

Die RNA-Polymerase transkribiert ein Gen (Symbolbild). Quelle: dustpuppy auf flickr (CC BY-SA 2.0)

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