Wie Fluoreszenz-Mikroskopie funktioniert? Einfach gesagt: DNA, Proteine oder andere Moleküle in der Zelle werden mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert. „Beschießt“ man die Zelle dann mit Laserpulsen, leuchten die markierten Moleküle kurzzeitig auf. Ihr Fluoreszenzsignal, gewissermaßen das „Licht-Echo“, lässt sich mit technischen Tricks sichtbar machen.

Wer mit dem Fluoreszenz-Mikroskop zum Beispiel viele einzelne Proteine abbilden will, steht vor einer Herausforderung: Leuchten alle Proteine in der Zelle gleichzeitig auf, erscheint im Mikroskop nur ein verwaschener Lichtfleck.

Grund: Die Proteine liegen zu nah beieinander, ihre Lichtsignale überlappen sich – wie bei einem Kreuzfahrtschiff, auf dem in allen Kabinen das Licht an ist. Aus zu großer Entfernung sieht das Auge dann auch nur einen einzigen Lichtfleck. Würde man aber die Lichter an Bord einzeln und nur für kurze Zeit anschalten, ließe sich die Position jeder Kabine genau bestimmen. „Falls sich das Schiff dabei bewegt, muss das natürlich schnell gehen, damit die Lichtsignale nicht verschmieren", sagt Sauer.

Genau diese Strategie wendet das Würzburger Team an – mit Fluoreszenz-Farbstoffen, die sich durch Lichtsignale an- und ausschalten lassen, die „optisch schaltbar“ sind, wie die Forscher sagen. Damit ergeben sich deutlich schärfere Bilder von den Zuständen in der Zelle.

Optisch schaltbare Fluoreszenz-Farbstoffe versagen in lebenden Zellen, weil die Gegenwart von Sauerstoff stört – das war die bislang vorherrschende Meinung in der Wissenschaft. Doch Sauers Team hat mit Kollegen in Bielefeld und New York nun erstmals gezeigt, dass das Gegenteil der Fall ist: „Wir haben den Mechanismus durchschaut und wissen, dass es auch in lebenden Zellen geht.“

Wie dieser Mechanismus aussieht? Zellen enthalten Glutathion, das die meisten kommerziell verfügbaren optisch schaltbaren Farbstoffe nach der Laseranregung in einen stabilen, mehrere Sekunden dauernden Aus-Zustand versetzt. Zugleich läuft eine Reaktion mit Sauerstoff ab, welche die Farbstoffe wieder anschaltet, aber sehr ineffizient ist. „Die Mehrzahl der Farbstoff-Moleküle ist darum ständig aus, und genau das ist die Voraussetzung, damit die superaufgelöste Bildgebung funktioniert“, erklärt Sauer.

Ihre Methodik wendeten die Wissenschaftler an den Histonen lebender menschlicher Zellen an. Histone sind Proteine, mit deren Hilfe die DNA im Zellkern platzsparend verpackt wird. Fünf verschiedene Histone gibt es, mit der Variante 2B haben die Forscher gearbeitet.

Zuerst koppelten sie die Histone vom Typ 2B an ein bakterielles Enzym (Dehydrofolatreduktase). Dann fügten sie den Fluoreszenz-Farbstoff dazu, den sie zuvor an das Antibiotikum Trimethoprim geknüpft hatten. Der Trick dabei: Das Antibiotikum verbindet sich hoch spezifisch mit dem Enzym; und über diese Behelfsbrücke lassen sich die Histone vom Typ 2B mit Farbstoffen markieren.

COMPAMED.de; Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg