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News: Ein freundlicher Blick in die Zelle

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Bilder des Zellinneren anzufertigen, ohne in deren empfindliche Biochemie eingreifen zu müssen. Die Technik verwendet Laser, die bestimmte chemische Bindungen innerhalb der Zelle dazu anregen, Licht zu emittieren. Experten sind der Ansicht, daß dieses Verfahren eine nützliche Ergänzung bisheriger bildgebender Verfahren sein könnte.
Wenn Biologen die mikroskopischen Strukturen innerhalb einer Zelle studieren wollen, überschwemmen sie diese oft mit fluoreszierenden Farbstoffen, die sich nur mit bestimmten Molekülen verbinden, und bestrahlen die Proben anschließend mit Laserlicht, um die Farbstoffe zum Leuchten zu bringen. Aber diese Technik hat entscheidende Nachteile: Die Farbstoffe beeinflussen manchmal die Zell-Biochemie, einige Färbemittel sind giftig, und nach einiger Zeit verbraucht sich die Fluoreszenz des Farbstoffs. Sunney Xie vom Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, fragte sich, ob es nicht eine schonendere Methode geben müßte, um vergleichbare Bilder zu produzieren.

Die Wissenschaftler nutzten eine kohärente Anti-Stokes Raman-Streuung (Coherent Anti-Stokes Raman-Scattering, CARS) genannte Technik, die in den frühen achtziger Jahren von Forschern des Naval Research Laboratory in Washington D. C. entwickelt worden war. Bei CARS leuchten zwei Laser in die Zelle – mit Frequenzen, die sich exakt um diejenige unterscheiden, mit der eine bestimmte chemische Bindung in der Zelle schwingt. Die beiden Lichtstrahlen überlagern sich und regen die Bindung zum Schwingen an. Diese emittiert daraufhin ein optisches Signal, das sich in der Frequenz von denen der Laser unterscheidet. Da sich die Laser so fokussieren lassen, daß sie sich nur in einem kleinen Raumgebiet der Zelle kreuzen, kann man mit dieser Technik prinzipiell eine chemische Punkt-zu-Punkt-Kartierung der Zelle vornehmen.

Frühe Experimente lieferten allerdings zunächst nur Bilder schlechter Qualität. Die Teammitglieder Gary Holtom vom Pacific Northwest Laboratory und Andreas Zumbusch von der Universität München verwendeten deshalb verbesserte Laser, die ultrakurze Pulse im nahen Infrarotbereich des Lichts liefern – abgestimmt auf die Frequenz der Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Die Wissenschaftler tasteten mit den zwei Lasern Proben lebender Zellen ab. Einige Zellstrukturen, wie Mitochondrien und Zellmembranen, sind reich an Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen und reagieren auf die Laserbestrahlung. Deswegen treten sie im entstandenen Bild besonders hervor. Die Wissenschaftler sind der Ansicht, daß durch eine Abstimmung der Laser auf andere chemische Bindungen, wie die zwischen Stickstoff und Wasserstoff, die zelluläre Verteilung von Proteinen und Molekülen abgebildet werden kann.

Der Physiker Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen sieht CARS als eine Ergänzung der Fluoreszenz-Methoden an. "Die Bilder ... sind sehr ansprechend", sagt er. Ein Nachteil ist es jedoch, so der Physiker Watt Webb von der Cornell University, daß viele Minuten nötig sind, um ein Bild mit CARS zu erzeugen. Das macht es unmöglich, schnelle Änderungen innerhalb der Zelle zu beobachten.

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