Verteilung der Erbinformation in einer Escherichia coli-Bakterienzelle: Physikern der Universität Bielefeld und der Goethe-Universität ist es erstmals gelungen, diese Verteilung mit höchster optischer Auflösung aufzunehmen, ohne die Zelle auf einem Glassubstrat zu verankern. Foto: Universität Bielefeld

Verteilung der Erbinformation in einer Escherichia coli-Bakterienzelle: Physikern  ist es erstmals gelungen, diese Verteilung mit höchster optischer Auflösung aufzunehmen, ohne die Zelle auf einem Glassubstrat zu verankern. Foto: Universität Bielefeld

Bakterien, in einem Laserstrahl unter dem Mikroskop schwebend – dieses Science Fiction-Szenario haben Physiker der Universität Bielefeld und der Goethe-Universität zusammen realisiert. Und damit bakterielle DNA in 3D analysiert.

Wenn Forscher Blutzellen, Algen oder Bakterien mit dem Mikroskop untersuchen, müssen sie diese bisher auf Trägermaterial, etwa Glasplättchen, befestigen. Physiker der Goethe-Universität und der Universität Bielefeld haben eine Methode entwickelt, biologische Zellen mit einem Laserstahl festzuhalten. Mit diesem Verfahren – im Science Fiction als „Traktorstrahl“ bekannt – haben sie hochauflösende Aufnahmen der DNA in einzelnen Bakterien erhalten. Die Studie erscheint in der aktuellen Ausgabe von „Nature Communications“.

Forscher, die biologische Zellen mikroskopieren wollen, stehen mitunter vor dem Problem, dass sich die Zellen durch die Vorbehandlung verändern. Viele Bakterien schwimmen lieber frei in Lösung. Ähnlich ist es bei Blutzellen: Sie sind ständig in schnellem Fluss. Haften sie auf einer Oberfläche, verändert sich ihr Aufbau und sie sterben.

„Das Besondere ist, dass die Proben nicht nur ohne Trägermaterial fixiert werden, sie lassen sich darüber hinaus auch drehen und wenden. Der Laserstrahl fungiert als verlängerte Hand für mikroskopisch kleines Hantieren“, Prof. Thomas Huser, Leiter der Forschungsgruppe Biomolekulare Photonik an der Universität Bielefeld.

Die Bielefelder Physiker haben das Verfahren für den Einsatz in der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie weiterentwickelt. Sie gilt als Schlüsseltechnologie in der Biologie und Biomedizin, weil damit erstmals biologische Prozesse auf einer Größenskala in lebenden Zellen untersucht werden können, die bisher der Elektronenmikroskopie vorbehalten war. Für Aufnahmen mit solchen Mikroskopen reichern Forscher um Prof. Mike Heilemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Goethe-Universität die zu untersuchenden Zellen mit Farbstoffen an. Diese beginnen zu leuchten beginnen, wenn ein Laserstrahl auf sie gerichtet ist. Mit einem Sensor lässt sich diese Fluoreszenzstrahlung aufzeichnen, damit sind sogar dreidimensionale Aufnahmen der Zelle möglich.

In der neuen Methode dient ein zweiter Laserstrahl als optische Falle, um die Zellen unter dem Mikroskop schweben zu lassen und gezielt zu bewegen. „Der Laserstrahl ist sehr intensiv, aber für das Auge unsichtbar, weil es sich um Infrarotlicht handelt“, sagt Robin Diekmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Biomolekulare Photonik. Den Bielefelder Physikern ist es gelungen, mit ihrer Methode Bakterienzellen so festzuhalten und zu drehen, dass die Zellen von mehreren Seiten abgebildet werden können. Dank der Drehung konnten die Forscher die dreidimensionale Struktur der DNA mit circa 0,0001 Millimeter Auflösung untersuchen.

Professo Huser und sein Team wollen die Methode so weiterentwickeln, dass sie damit das Zusammenspiel von lebenden Zellen beobachten können. Damit könnten sie zum Beispiel untersuchen, wie Krankheitserreger in Zellen eindringen.

Publikation:
Robin Diekmann, Deanna Wolfson, Christoph Spahn, Mike Heilemann, Mark Schüttpelz, Thomas Huser: Nanoscopy of bacterial cells immobilized by holographic optical tweezers. Nature Communications, http://www.nature.com/articles/ncomms13711, veröffentlicht am 13. Dezember 2016

Pressemitteilung der Universität Bielefeld

Zur Fluoreszenzmikroskopie siehe auch Mike Heilemann: „Pointillismus mit einzelnen Molekülen“, in: Forschung Frankfurt 2.2015.