Die chemische Zusammensetzung biologischer Proben lässt sich nun kostengünstig dreidimensional untersuchen. Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Tübingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das in der biologischen und pharmazeutischen Forschung auf grosses Interesse stossen dürfte.

Symbolbild (Thinkstock)

Wie Wirkstoffe in Zellen aufgenommen und wo sie dort verarbeitet werden, lässt sich nur indirekt über aufwändige Experimente nachweisen. Um die chemische Zusammensetzung solcher Proben abzubilden, kombinieren Wissenschaftler deshalb bildgebende Spektroskopieverfahren mit infrarotem Licht (für Menschen nicht sichtbar) mit besonderen Mikroskopiemethoden. Einem Forschungsteam der Universitäten Freiburg (CH) und Tübingen (DE) ist es nun erstmals gelungen, die Verteilung von molekularen Zellbestandteilen mit konventionellen Laborgeräten auch dreidimensional darzustellen.

Die Erkenntnis ist bahnbrechend, da bisherige Abbildungen stets zweidimensional waren und sich dadurch nicht immer bestimmen liess, in welchem Teil der Zelle ein chemischer Stoff zu finden ist. Zwar konnten 2013 mit einem Elektronenbeschleuniger als Lichtquelle, einem „Synchrotron“, dreidimensionale Darstellungen erzeugt werden ‒ aber diese Methode lässt sich wegen hoher Kosten und beschränkten Zugangs zu Grossforschungseinrichtungen nur eingeschränkt nutzen.

Neue Technik, günstigere Kosten

Die neu entwickelte Methode ist vergleichsweise kostengünstig und kann in der biologischen und pharmazeutischen Forschung sowie der Umweltforschung eingesetzt werden: Dr. Martin Obst und Professor Marcus Nowak vom Fachbereich Geowissenschaften der Universität Tübingen sowie Professor Fabio Zobi und Dr. Luca Quaroni der Universität Freiburg (CH) koppelten dafür ein in Tübingen entwickeltes Tomografiegerät mit einem modernen Infrarot-Labormikroskop, das mit einem bildgebenden Detektor ausgestattet ist. Dieses nimmt in Kippserientechnik Projektionen der Zellproben in 38 verschiedenen Winkeln auf und liefert eine detaillierte spektromikroskopische Bildfolge, aus der sich der dreidimensionale chemische Aufbau der Zellen rekonstruieren lässt. Die Wissenschaftler erzeugten mit dem neuen Ansatz Abbildungen der dreidimensionalen Verteilung von molekularen Zellbestandteilen, ohne dass die Zelle dafür angefärbt oder in irgendeiner Weise verändert werden musste, wie dies etwa für eine Untersuchung mit sichtbaren Licht nötig ist. Das Team konnte zudem die Verteilung eines Metall-Carbonyl-Komplexes – einer Modellsubstanz für eine Klasse neuartiger pharmazeutischer Wirkstoffe – in einer einzelnen Zwiebelzelle abbilden und die Anreicherung der Substanz im Zellkern mengenmässig erfassen.


Dreidimensionale Darstellung der Verteilung einer Substanz in einer Zelle. (Bild: M. Obst, Universität Tübingen) Klicken zum Vergrössern

Nach Einschätzung der Forscher wird die Möglichkeit, derartige dreidimensionale analytisch-mikroskopische Untersuchungen mit konventionellen Laborgeräten durchzuführen, bei Wissenschaftlern in der biologischen und pharmazeutischen Forschung auf grosses Interesse stossen. Die Tübinger Geowissenschaftler Martin Obst und Marcus Nowak werden die Methode selber in der Umweltforschung und der Vulkanologie anwenden.

Link zur Publikation
Quaroni L., Obst M., Nowak M., Zobi F.: Three-Dimensional Mid-Infrared Tomographic Imaging of Endogenous and Exogenous Molecules in a Single Intact Cell with Subcellular Resolution. Angewandte Chemie International Edition. DOI: 10.1002/anie.201407728


Kontakt
Prof. Fabio Zobi, Departement für Chemie, Universität Freiburg, fabio.zobi@unifr.ch, 026 300 87 85