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Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben erstmals zwei mikroskopische Methoden kombiniert, die sowohl die Oberfläche einer Zelle als auch die Verteilung eines Proteins in der Zelle mit einer Auflösung im Nanometerbereich sichtbar machen können. Die Verfahren können für lebende Zellen eingesetzt werden. Das eröffnet zum Beispiel die Möglichkeit, Grundlagen der Bildung von Krebsmetastasen oder der Wirkung bestimmter Medikamente genau zu untersuchen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Nanoskopie des Rubion, der Zentralen Einrichtung für Ionenstrahlen und Radionuklide der RUB, in der renommierten Zeitschrift ACS Nano vom 23. Mai 2018.

Ein erster Schritt

Proteinkomplexe sind wesentlich kleiner als 250 Nanometer und damit für die Lichtmikroskopie nicht im Detail darstellbar. Um dennoch Zugang dazu zu finden, kombinierte die Arbeitsgruppe der 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. „Unsere Ergebnisse sind ein erster Schritt zur hochauflösenden Untersuchung der Oberflächenstruktur, der biochemischen Organisation der Zelle und ihrer umgebenden Membran“, verdeutlicht Dr. Patrick Happel, Leiter der Arbeitsgruppe Nanoskopie.

Die Rolle der Zellmembran verstehen

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. „Wie Proteine in der Zellmembran organisiert sind, wie sich ihre Lokalisation verändert und wie diese Änderungen vermittelt werden, ist auch heute noch wenig verstanden“, so Happel. 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. Forscher nennen das migrieren.

Die Autoren Philipp Hagemann, Astrid Gesper und Patrick Happel (von links)

© RUB, Kramer

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.

Kombigerät geplant

„Wir haben die Daten nacheinander an unterschiedlichen Geräten aufgenommen. Dadurch konnten wir zeigen, welche neuen Untersuchungen durch unser Verfahren möglich werden“, erläutert Astrid Gesper, Doktorandin der Arbeitsgruppe.

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“, so Patrick Happel.