Damals Nobelpreis, heute Laser: So wird Unsichtbares sichtbar
Fast 100 Jahre nach der Erfindung des Phasenkontrasts übertragen Forschende das Prinzip auf die Kryo-EM – mit überraschenden Ergebnissen.
Ein Laser (violett) wird durch hochglanzpolierte Spiegel stark verstärkt und auf den Elektronenstrahl (blau) gebündelt, um dessen Phase zu verschieben und den Kontrast des Kryo-EM-Mikroskops zu erhöhen. So können Biologen kleinere Proteine und die dicht gepackten Strukturen im Inneren von Zellen abbilden.
Foto: Sayo Studio
Viele biologische Prozesse laufen auf einer Skala ab, die selbst moderne Mikroskope vor Herausforderungen stellt. Zwar hat die Kryo-Elektronenmikroskopie in den vergangenen Jahren die Strukturbiologie grundlegend verändert. Doch gerade kleine Proteine liefern oft zu wenig Kontrast, um sie zuverlässig abzubilden. Genau hier setzt eine Entwicklung von Physikerinnen und Physikern der University of California in Berkeley an.
Das Team hat eine sogenannte Laser-Phasenplatte entwickelt und in ein modernes Kryo-Elektronenmikroskop integriert. Das Ziel: schwache Signale sichtbar machen, ohne den Elektronenstrahl zu beeinträchtigen. Möglich wird dies durch einen extrem fokussierten Dauerstrichlaser mit einer Leistung von 75 Kilowatt. Die Forschenden berichten darüber in der Fachzeitschrift Science.
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Eine Idee aus den 1930er Jahren
Die Grundlage für die Entwicklung wurde bereits vor fast einem Jahrhundert gelegt. Der niederländische Physiker Frits Zernike erkannte Anfang der 1930er Jahre, dass Licht beim Durchgang durch biologische Proben nicht nur abgeschwächt, sondern auch leicht verzögert wird.
Diese winzigen Phasenverschiebungen bleiben für das menschliche Auge unsichtbar. Zernike entwickelte deshalb das Phasenkontrastmikroskop. Es wandelt die Phasenunterschiede in Helligkeitsunterschiede um und macht dadurch Zellstrukturen sichtbar, die zuvor kaum erkennbar waren. Für diese Arbeit erhielt er 1953 den Nobelpreis für Physik.
Seit Jahrzehnten versuchen Forschende, dieses Prinzip auf Elektronenmikroskope zu übertragen. Die bisherigen Lösungen hatten jedoch erhebliche Nachteile. Sie schwächten den Elektronenstrahl, verschlechterten die Bildqualität oder verursachten Instabilitäten.
Der Laser übernimmt die Aufgabe der Phasenplatte
Bereits 2010 veröffentlichten der Berkeley-Physiker Holger Müller und der Kryo-EM-Pionier Robert Glaeser ein Konzept, das diese Probleme umgehen sollte. Anstelle einer materiellen Phasenplatte wollten sie einen Laser verwenden. Die Idee klingt einfach. Die technische Umsetzung erwies sich jedoch als äußerst anspruchsvoll.
Der Laser muss intensiv genug sein, um die Phase des Elektronenstrahls gezielt zu verändern. Dafür entwickelten die Forschenden einen kugelförmigen Resonator. Darin wird das Licht mehr als 10.000-mal reflektiert, fokussiert und verstärkt. So entsteht ein Laserfeld, das stark genug ist, um den gewünschten Effekt zu erzeugen.
Holger Müller beschreibt die Größenordnung so: „Das sind 75 Kilowatt, fokussiert auf wenige Mikrometer. Das ist leistungsstärker als das, was man zum Schweißen verwendet.“ Nach Angaben des Forschungsteams handelt es sich um den bislang hellsten kontinuierlichen Laserfokus dieser Art.
Warum kleine Proteine bislang schwer sichtbar sind
Die Kryo-Elektronenmikroskopie arbeitet mit tiefgekühlten Proben. Aus vielen Einzelaufnahmen rekonstruieren Computer die dreidimensionale Struktur von Biomolekülen. Die Methode hat sich in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen Werkzeug der modernen Biologie entwickelt.
Allerdings stößt sie bei kleinen Proteinen an Grenzen. Diese streuen zu wenige Elektronen und erzeugen dadurch nur schwache Signale. Der Kontrast reicht oft nicht aus, um hochaufgelöste Strukturen zu berechnen.
Besonders problematisch ist das deshalb, weil viele biologisch relevante Proteine vergleichsweise klein sind. Nach Angaben der Berkeley-Forschenden liegen zahlreiche menschliche Proteine unterhalb des Bereichs, der mit heutigen Kryo-EM-Systemen komfortabel untersucht werden kann. Die neue Laser-Phasenplatte soll diese Grenze verschieben.
Test an schwierigen Proben
Für die Experimente integrierte das Team die Laser-Phasenplatte in ein speziell angepasstes Kryo-Elektronenmikroskop von Thermo Fisher Scientific. Das Instrument erhielt den Namen „Theia“, nach der griechischen Titanin des Lichts. Müller bezeichnet das System als: „Theia ist das Formel-1-Mikroskop.“
In der nun veröffentlichten Studie testeten die Forschenden sechs unterschiedliche Proben. Darunter befanden sich sowohl größere Proteine als auch kleinere Moleküle wie Hämoglobin, das den Sauerstofftransport im Blut übernimmt.
Die Ergebnisse zeigen: Je schwieriger die Probe, desto stärker profitiert sie von der Laser-Phasenplatte. „In den schwierigsten Fällen – kleine Partikel, schlechte Proben – bietet der Laser einen erheblichen Vorteil“, sagt Müller.
Besonders interessant für die Kryo-Elektronentomographie
Noch größer könnte der Nutzen für die Kryo-Elektronentomographie sein. Diese Technik kombiniert viele Aufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu einem dreidimensionalen Bild.
Anders als klassische Strukturuntersuchungen betrachtet sie Moleküle direkt in ihrem natürlichen zellulären Umfeld. Die Zellen werden dabei schockgefroren, sodass ein Momentzustand ihrer inneren Struktur konserviert wird. Forschende können dadurch untersuchen, wie verschiedene Moleküle innerhalb einer Zelle zusammenwirken.
Das Problem: Das Zellinnere ist extrem dicht gepackt. Die Bildgebungsexpertin Bridget Carragher beschreibt die Situation so: „Es ist wie ein Wald voller Bäume, und man versucht, darin ein einziges Blatt an einem einzigen Baum zu finden.“ Mehr Kontrast könnte helfen, einzelne Strukturen deutlich leichter zu identifizieren.
Neue Möglichkeiten für die Medikamentenentwicklung
Die Bedeutung der Entwicklung reicht über die Mikroskopie hinaus. Viele Arzneimittel greifen gezielt an Proteinen an. Je besser deren Struktur bekannt ist, desto genauer können Forschende Wirkstoffe entwickeln oder optimieren.
Heute gelten Proteine unterhalb von etwa 70 Kilodalton als schwierig zu untersuchen. Mit der Laser-Phasenplatte konnten die Forschenden bereits Moleküle im Bereich von 50 Kilodalton sichtbar machen. Langfristig halten sie sogar Untersuchungen von Proteinen mit rund 17 Kilodalton für erreichbar.
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