21.11.2022 - Beckman Institute

Zellen im Visier: Neue Methode ermöglicht klaren, präzisen Blick ins Innere

Forscher können jetzt die Feinstruktur und die chemische Zusammensetzung einer menschlichen Zelle mit unübertroffener Klarheit und Präzision 'sehen'

Es ist der Grund, warum der weiße Hai im Kino mehr als eine Stunde lang untergetaucht ist, und Geschenkpapier so beliebt ist. In Kinos, Wohnzimmern und sogar in Labors hält uns der Nervenkitzel des Unsichtbaren in Atem. Doch wenn es um die verborgene chemische Welt der Zellen geht, brauchen sich Wissenschaftler nicht länger zu wundern.

Inspiriert von diesem Nervenkitzel haben Forscher am Beckman Institute for Advanced Science and Technology eine innovative Methode entwickelt, um die Feinstruktur und chemische Zusammensetzung einer menschlichen Zelle mit unübertroffener Klarheit und Präzision zu "sehen". Ihre Technik, die in PNAS veröffentlicht wurde, verfolgt einen kreativen - und kontraintuitiven - Ansatz zur Signalerkennung.

"Die Biologie ist eine der aufregendsten Wissenschaften unserer Zeit, denn es gab schon immer eine Kluft zwischen dem, was wir sehen können, und dem, was wir nicht sehen können", sagte Rohit Bhargava, Professor für Bioengineering an der University of Illinois Urbana-Champaign, der die Studie leitete.

Als kleinste funktionelle Einheiten in unserem Körper haben Zellen seit langem die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen, die wissen wollen, woraus sie bestehen und wo sich die einzelnen Elemente befinden. Zusammen bilden das "Was" und das "Wo" einen universellen zellulären Bauplan, der zur Untersuchung von Biologie, Chemie, Materialien und vielem mehr verwendet werden kann.

Vor dieser Studie galt es als unmöglich, eine hochauflösende Kopie dieses Bauplans zu erhalten.

"Jetzt können wir das Innere von Zellen mit einer viel feineren Auflösung und mit bedeutenden chemischen Details einfacher als je zuvor sehen", sagte Bhargava. "Diese Arbeit eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten, einschließlich eines neuen Weges zur Untersuchung der kombinierten chemischen und physikalischen Aspekte, die die menschliche Entwicklung und Krankheit bestimmen.

Die Arbeit der Forscher baut auf früheren Fortschritten auf dem Gebiet der chemischen Bildgebung auf.

Während bei der optischen Mikroskopie sichtbares Licht verwendet wird, um Oberflächenmerkmale wie Farbe und Struktur zu beleuchten, wird bei der chemischen Bildgebung unsichtbares Infrarotlicht verwendet, um das Innenleben einer Probe zu enthüllen.

Wenn eine Zelle mit IR-Licht bestrahlt wird, steigt ihre Temperatur und sie dehnt sich aus. Wir wissen von Nachtsichtbrillen, dass keine zwei Objekte IR-Wellenlängen auf genau die gleiche Weise absorbieren; der Vergleich eines Pudels mit einer Parkbank ist Beweis genug, dass wärmere Objekte stärkere IR-Signaturen aussenden als kühlere. Dasselbe gilt für das Innere einer Zelle, wo jede Art von Molekül IR-Licht mit einer subtil unterschiedlichen Wellenlänge absorbiert und eine einzigartige chemische Signatur abgibt. Die Untersuchung der Absorptionsmuster - eine Methode, die als Spektroskopie bezeichnet wird - ermöglicht es den Forschern, den Aufenthaltsort jedes einzelnen Moleküls genau zu bestimmen.

Im Gegensatz zu Nachtsichtbrillen analysieren die Forscher die Absorptionsmuster nicht als Farbspektrum. Stattdessen interpretieren sie die IR-Wellen mit einem Signaldetektor: einem winzigen Strahl, der an einem Ende des Mikroskops befestigt ist und dessen feine Spitze über die Oberfläche der Zelle kratzt wie die nanoskalige Nadel eines Plattenspielers.

Innovationen in der Spektroskopie haben sich in den letzten zehn Jahren darauf konzentriert, die Stärke der anfänglichen IR-Wellenlängen immer weiter zu erhöhen.

"Es ist ein intuitiver Ansatz, denn wir sind darauf konditioniert, größere Signale als besser zu betrachten. Wir denken: Je stärker das IR-Signal ist, desto höher ist die Temperatur der Zelle, desto mehr dehnt sie sich aus, und desto leichter ist sie zu erkennen", so Bhargava.

Dieser Ansatz birgt jedoch einen erheblichen Nachteil in sich. Wenn sich die Zelle ausdehnt, wird die Bewegung des Signaldetektors übertrieben und erzeugt "Rauschen": ein so genanntes Rauschen, das genaue chemische Messungen behindert.

"Es ist, als ob man den Sender aufdreht - die Musik wird lauter, aber das Rauschen auch", sagt Seth Kenkel, Postdoktorand im Labor von Professor Bhargava und Hauptautor der Studie.

Mit anderen Worten: Egal wie stark das IR-Signal wurde, die Qualität der chemischen Bildgebung konnte sich nicht verbessern.

"Wir brauchten eine Lösung, um zu verhindern, dass das Rauschen zusammen mit dem Signal zunimmt", so Kenkel.

Die Lösung der Forscher für die verrauschte zelluläre Bildgebung besteht darin, das IR-Signal von der Bewegung des Detektors zu entkoppeln und so eine Verstärkung ohne zusätzliches Rauschen zu ermöglichen.

Anstatt ihre Energie auf das stärkstmögliche IR-Signal zu konzentrieren, experimentierten die Forscher zunächst mit dem kleinsten Signal, das sie bewältigen konnten, um sicherzustellen, dass sie ihre Lösung effektiv umsetzen konnten, bevor sie die Stärke erhöhten. Obwohl es laut Kenkel "kontraintuitiv" war, konnten die Forscher ein Jahrzehnt der Spektroskopieforschung würdigen und wichtige Grundlagen für die Zukunft des Fachgebiets schaffen.

Bhargava vergleicht den Ansatz mit einem schiefgelaufenen Roadtrip.

"Stellen Sie sich vor, die Spektroskopieforscher wären in einem Auto auf dem Weg zum Grand Canyon. Natürlich würde jeder denken, je schneller das Auto fährt, desto schneller sind sie am Ziel. Das Problem ist jedoch, dass das Auto von Urbana aus nach Osten fährt", sagte er.

Die Erhöhung der Geschwindigkeit des hypothetischen Fahrzeugs ist vergleichbar mit der Verstärkung des IR-Signals.

"Wir haben angehalten, auf eine Karte geschaut und das Auto in die richtige Richtung gelenkt. Nun kann die erhöhte Geschwindigkeit - das verstärkte Signal - das Feld effektiv vorwärts bewegen."

Die "Landkarte" der Forscher ermöglicht eine hochauflösende chemische und strukturelle Darstellung von Zellen im Nanobereich - einem Maßstab, der 100.000 Mal kleiner ist als eine Haarsträhne. Bemerkenswert ist, dass diese Technik ohne Fluoreszenzmarkierung auskommt, d. h. ohne das Einfärben von Molekülen, um ihre Sichtbarkeit unter dem Mikroskop zu erhöhen.

Während die Einrichtungen in Beckmans Mikroskopie-Suite für die experimentelle Phase der Studie von entscheidender Bedeutung waren, entstand die Idee selbst nicht durch hochentwickelte Technologie, sondern durch eine Kultur, die Neugier, unkonventionelle Problemlösungen und unterschiedliche Perspektiven unterstützt.

"Deshalb ist das Beckman Institute ein großartiger Ort", sagte Bhargava. "Dieses Projekt brauchte Ideen aus der Spektroskopie, dem Maschinenbau, der Signalverarbeitung und natürlich der Biologie. Nirgendwo anders als bei Beckman kann man diese Bereiche nahtlos miteinander kombinieren. Diese Studie ist ein klassisches Beispiel für Beckmans Mischung aus interdisziplinärer Wissenschaft an der Spitze der fortschrittlichen Wissenschaft und Technologie."

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