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Posted: Mar 14, 2012

'Fenster' in das Innere von Zellen - Neue Methode erlaubt detailliertere Einblicke in die Zelle

(Nanowerk News) Die Kryo-Elektronentomografie ermöglicht hochauflösende, dreidimensionale Einblicke in das Innere von Zellen. Jedoch können damit nur sehr kleine Zellen oder dünne Randbereiche grösserer Zellern direkt untersucht werden. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München haben jetzt eine Methode entwickelt, um in nahezu unzugängliche Zellbereiche vorzudringen. Mit einem fokussierten Ionenstrahl können die Forscher gezielt winzige "Fenster" in das Innere von Zellen schneiden. So lassen sich auch grössere zelluläre Proben präparieren und mittels Elektronentomografie analysieren.
Die Arbeit der MPIB-Wissenschaftler wurde vor kurzem in PNAS veröffentlicht ("Focused ion beam micromachining of eukaryotic cells for cryoelectron tomography").
Gezielte Präparation eines elektronentransparenten Fensters innerhalb einer einzelnen eiseingebetteten Zelle
Gezielte Präparation eines elektronentransparenten "Fensters" innerhalb einer einzelnen eiseingebetteten Zelle. Der Einsatz eines Ionenstrahl Mikroskops ermöglicht neue Einblicke in das Zellinnere. Oberer Bildbereich: Zellen vor der Präparation Zentraler Bildbereich: Zelle nach dem Ionendünnen (Dimension des "Fensters": 25 µm2, Dicke: ca. 300 nm). (Grafik: Alexander Rigort & Felix Bäuerlein / Copyright: MPI für Biochemie)
Mit der Kryo-Elektronentomografie, die massgeblich in der Abteilung Molekulare Strukturbiologie unter der Leitung von Wolfgang Baumeister entwickelt wurde, können Forscher dreidimensionale zelluläre Strukturen direkt untersuchen. Die gesamte Zelle oder einzelne Zellbestandteile werden blitzartig "schockgefroren" und in glasartiges Eis einge¬schlossen, sodass ihre räumlichen Strukturen erhalten bleiben. Das Transmissions¬elektronenmikroskop ermöglicht es anschliessend, zweidimensionale Projektionen aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufzuzeichnen. Schliesslich rekonstruieren die Wissenschaftler aus diesen Aufnahmen ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild. Jedoch kann der Elektronenstrahl nur sehr dünne Präparate (beispielsweise Bakterienzellen) bis zu einer Dicke von 500 Nanometern gut durchdringen.
Zellen höherer Organismen sind deutlich dicker. Modernste elektronenmikroskopische Präparationsmethoden sind deshalb notwendig, um auch grössere Objekte der Kryo-Elektronentomografie zugänglich zu machen. "Die artefaktfreie und vor allem gezielte Präparation grösserer Zellen ist dabei ein kritischer Schritt", erläutert Alexander Rigort, MPIB-Wissenschaftler. "Mit den herkömmlichen Methoden konnten wir nie ausschliessen, dass Strukturen, die wir untersuchen wollten, verändert wurden." Die Aussagekraft der Ergebnisse war daher begrenzt, so der Zellbiologe.
Mit dem Einsatz eines Ionenstrahl-Mikroskops (Focused Ion Beam; FIB) können die Forscher jetzt einzelne Schichten der schockgefrorenen Zelle gezielt und kontrolliert abtragen – winzige massgeschneiderte "Fenster" entstehen. Ein zusätzlicher Vorteil des Ionendünnens ist, dass mechanische Schneideartefakte vollständig vermieden werden. Ursprünglich wurde diese Methode für die Materialwissenschaften entwickelt. In der Strukturbiologie soll sie jetzt tiefe Einblicke in die molekulare Organisation des Zellinneren geben. Je dünner die "Fenster" dabei sind, desto höher ist die erreichbare Auflösung im Elektronenmikroskop. "Jetzt sind präzise Einblicke in die makromolekulare Architektur von Zellbereichen möglich, die bisher für die Kryo-Elektronenmikroskopie nahezu unzugänglich waren", sagt Jürgen Plitzko, Wissenschaftler am MPIB.
Source: Max-Planck-Institut für Biochemie
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