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Supermikroskop sieht dank neuer Technik mit unerreichter Schärfe

Ein neues Mikroskop liefert Live-Bilder mit einer bislang unerreichten Auflösung. Forscher um Nobelpreisträger Eric Betzig haben eine bereits existierende Technik verbessert. Sie können damit Proteinen in einer Zelle beim Aufbau zusehen.



Ein Artikel von

Spiegel Online

Wer ganz genau hinsehen will, braucht gute Ideen. Denn bei normalen optischen Mikroskopen gibt es eigentlich eine universelle Grenze für die Detailschärfe: Nach den Gesetzen der klassischen Optik lassen sich keine Strukturen mehr erkennen, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts. So ergibt sich eine klassische Auflösungsgrenze von etwa 200 Nanometern für optische Mikroskope (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter).

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Ein englischsprachiger Bericht zum neuen Mikroskop. YouTube/wwwAAASorg

Mit verschiedenen Tricks ist es Forschern jedoch bereits gelungen, diese Grenze zu durchbrechen. «Palm» («Photoactivated Localization Microscopy») und «Sted» («Stimulated Emission Depletion») heissen zwei der verwendeten Technologien. Und dann gibt es noch die sogenannte SIM-Technik («Structured Illumination Microscopy»). Diese Supermikroskope nutzen durch geschickte Beleuchtung und Fluoreszenztechniken optische Überlagerungseffekte, sogenannte Interferenzen, um daraus feinere Details rechnerisch zu rekonstruieren.

Das Objekt wird mit einem Lichtmuster bestrahlt, das eher an einen Barcode erinnert als an das einer klassischen Lampe. Durch Kombination verschiedener Muster lässt sich am Computer das Beobachtungsobjekt in grosser Detailtiefe rekonstruieren. Für die Entwicklung solcher Techniken waren die US-Forscher Eric Betzig und William Moerner sowie der Deutsche Stefan Hell im vergangenen Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet worden.

«Das funktioniert, und es geht sehr schnell»

Eric Betzig vom Howard Hughes Medical Institute in Ashburn (US-Staat Bundesstaat Virginia) hat mit seinem Team nun die SIM-Technik weiter verbessert – auf gleich zwei Arten. Im Fachblatt «Science» berichten die Wissenschaftler, wie es ihnen gelungen ist, das bisherige Auflösungslimit von 100 auf 84 und zum Teil sogar 62 Nanometer zu senken.

Zum einen nutzten sie ein Objektiv mit besonders grosser Blendenöffnung. Zum anderen verbesserten sie ein Verfahren, das fluoreszierende Markierungen in der Zelle verwendet. Diese fluoreszierenden Marker, künstlich eingebrachte Proteine, lassen sich mit Licht ein- und ausschalten.

This is a still image from video showing dynamics of the actin cytoskeleton over 40 time points at 15-second intervals as seen by patterned activation nonlinear structured illumination microscopy (SIM), in a COS-7 cell at 37¡C expressing Skylan-NS-Lifeact.

Cytoskelett einer COS-7-Zelle unterm SIM-Mikroskop: Fadenförmige Strukturen dienen der Stabilisierung. bild: HHMI/ Janelia Research Campus/ Betzig Lab 

Bisher wurden für eine verbesserte Auflösung alle Marker auf einmal eingeschaltet und gleich darauf die meisten wieder ausgeschaltet. Nur die Marker im dunkelsten Bereich der ausschaltenden Lichtwelle fluoreszierten weiter. Mindestens 25 solcher Aufnahmen waren nötig, um ein detailscharfes Bild zu generieren.

So lässt sich zwar die Auflösung steigern, aber das Verfahren ist nicht sehr schnell, wie Betzig erläutert. Er kam auf die Idee, mit bestimmten Lichtmustern jeweils nur einen Teil der fluoreszierenden Marker für die Einzelaufnahmen ein- und auszuschalten. «Das funktioniert, und es geht sehr schnell», erläutert Betzig.

Die nötigen 25 Aufnahmen liessen sich so in etwa einer Drittelsekunde gewinnen. Auf diese Weise haben die Forscher etwa in einem Video festgehalten, wie Strukturproteine sich neu aufbauen, wenn eine Zelle sich bewegt.

Auch andere Forscher sollen das Mikroskop an seinem Institut nutzen können, sagt Eric Betzig – und zwar kostenlos. Schon bald sollten auch andere Labors ohne grössere Probleme Zugang zu der Technik haben. «Der Grossteil der Magie steckt in der Software, nicht der Hardware», so Betzig.

chs/dpa

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