Forschung & Entwicklung

Oberflächen und Proteinverteilung von Zellen gleichzeitig sehen

Die Kombination zweier hochauflösender Methoden führt zu neuen Einsichten in die Funktionsweise von Zellen. Dies eröffnet zum Beispiel die Möglichkeit, Grundlagen der Bildung von Krebsmetastasen genau zu untersuchen.

Proteinkomplexe sind wesentlich kleiner als 250 Nanometer und damit für die Lichtmikroskopie nicht im Detail darstellbar. Um dennoch Zugang dazu zu finden, kombinierten Forscher der Arbeitsgruppe Nanoskopie an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) stimulierte Emissions-Verarmungs-Mikroskopie (stimulated emission depletion microscopy, STED) und Raster-Ionenleitfähigkeitsmikroskopie (scanning ion conductance microscopy, SICM).

„Die STED-Mikroskopie erlaubt es, die Verteilung eines Proteins hochauflösend zu untersuchen. Die SICM kann die Zellmembran hochauflösend abtasten. So konnten wir die Verteilung des zellulären Proteins Aktin mit der Nanostruktur der Zellmembran in Zusammenhang setzen“, erklärt Philipp Hagemann, Doktorand in der Arbeitsgruppe. Die Ergebnisse sind ein erster Schritt zur hochauflösenden Untersuchung der Oberflächenstruktur, der biochemischen Organisation der Zelle und ihrer umgebenden Membran.

Die Zellmembran ist eine Fettschicht, die jede einzelne Zelle umgibt und sie somit von ihrer Umgebung abgrenzt. Um mit der Außenwelt zu kommunizieren, besitzen Zellen eine Vielzahl unterschiedlicher Proteine, die in die Zellmembran eingebaut sind und äußere Reize in das Zellinnere vermitteln. Nicht nur die Proteine in der Zellmembran, auch die Zellmembran selbst ist von großer Bedeutung, da Zellen bei der Wundheilung, während der Entwicklung und auch bei der Ausbildung von Krebsmetastasen ihre Position verändern bzw. migrieren.

Die Migration von Zellen läuft zwar in unterschiedlichen Zelltypen unterschiedlich ab, aber immer ist eine Ausdehnung der Zellmembran in Richtung der Bewegung beteiligt. Im Organismus müssen sich migrierende Zellen durch die sehr engen Zwischenräume zwischen anderen Zellen bewegen. Das erfordert erhebliche Verformungen der Zelle, die Ausbildung von Verankerungen der Zellmembran an der vorderen und das Lösen entsprechender Verankerungen an der Rückseite der Zelle. Das Zusammenspiel dieser biochemischen und biophysikalischen Prozesse ist auf molekularer Ebene bisher kaum verstanden, weil es keine Methoden gibt, diese dynamischen Prozesse mit hoher Auflösung über einen längeren Zeitraum zu beobachten.

Die Forscher haben die Daten nacheinander an unterschiedlichen Geräten aufgenommen. Dadurch konnten sie zeigen, welche neuen Untersuchungen durch das Verfahren möglich werden. Um Untersuchungen an lebenden Zellen zu ermöglichen, plant das Team als nächsten Schritt die Entwicklung eines kombinierten Geräts. Die Kombination der beiden Methoden kann auch Transportprozesse im Detail sichtbar machen, wie sie bei der gezielten Anwendung von Medikamenten über Nanopartikel eine wichtige Rolle spielen.

Originalveröffentlichung:

[P. Hagemann, A. Gesper, P. Happel, Correlative stimulated emission depletion and scanning ion conductance microscopy, ACS Nano 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b01731]

von mn

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