Biochemie

Zellen im Nacktscanner

Wissenschaftler wissen heute schon ziemlich viel über Mikroorganismen. Das Unwissen ist jedoch nach wie vor größer. Ein neues Labor in Leipzig soll Einblicke in biochemische Prozesse von Zellen ermöglichen, wie sie bisher nicht möglich waren.
NanoSIMS UFZ Leipzig
NanoSIMS, ein Teil der neuen ProVIS Laboreinrichtung zur Visualisierung biochemischer Prozesse am UFZ Leipzig

Biofilme und andere mikrobielle Lebensgemeinschaften gibt es überall, sie sorgen für Zahnbelag, besiedeln unseren Darm, sorgen dafür, dass Dinge verrosten, und bauen sogar seltene Erden ab. Sie bestehen aus vielen verschiedenen Bakterienarten, die oft auf bestimmte Stoffwechselaufgaben spezialisiert sind. Doch wer macht da eigentlich was? Darüber ist erstaunlich wenig bekannt. 

Ein Beitrag vonRedakteurin Ronja Münch
 

Das Sächsische Zentrum zur Visualisierung biochemischer Prozesse auf zellulärer Ebene, kurz ProVIS, soll jetzt tiefere Einblicke in den Stoffwechsel von Zellen ermöglichen, als das bisher möglich war. In einem Keller des Umweltforschungszentrums stehen in mehreren Laborräumen riesige Apparate. Die empfindlichen Geräte sind durch spezielle Fundamente und Plastiklamellen abgeschirmt. Das soll vor äußeren Einflüssen wie Schallwellen und Bodenvibrationen schützen, denn die würde man alle direkt auf den Bildschirmen sehen. Als letztens die Erde in Leipzig leicht bebte, reichte aber auch das nicht, so ProVIS-Leiter Dr. Hans-Hermann Richnow. Dann sind die Bilder unscharf übersät von Störungen, jede kleinste Schwingung überträgt sich auf die Messung. Sogar die Vibrationen Straßenbahn, die 100 m weiter vorbeifährt, spüren die Geräte trotz Federung.

Doch momentan ist alles ruhig, die Messungen laufen ungestört. Der Physiker Doktor Gregory Stryhanyuk steht vor einem der empfindlichen neuen Geräte, dem NanoSIMS. Der Apparat von der Größe eines Kleinwagens kann sehr genaue chemische Analysen von einzelnen Zellen durchführen. Auf den Bildschirmen erscheinen gerade Stück für Stück Bilder einer Probe, ein Bild zeigt jeweils die Messung auf bestimmte Inhaltsstoffe der einzelnen Zellen. Das Gerät misst unter anderem, welche Kohlenstoffatome die Zellen enthalten, erklärt Stryhanhyuk. Manche enthalten den schweren 13 C Kohlenstoff, das seien die aktiven Zellen.

Das NanoSIMS bildet das Herzstück der neuen Laboreinrichtung. Denn ProVIS ist nicht ein einziges neues Supergerät, sondern eine Kombination von Spezialmikroskopen und anderen Analysegeräten. Die Markierungen der Zellen mit Isotopen wie dem schweren Kohlenstoff eignen sich gut, um herauszufinden, welche Zellen einer Lebensgemeinschaft aktiv sind, so Richnow:

Wenn man zum Beispiel wissen will, wie eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft einen Schadstoff im Boden abbaut, dann füttert man den Boden in einem Experiment mit einem isotopisch markierten Schadstoff und die Organismen, die den fressen, die bauen ihre Biomasse daraus auf, und wenn wir jetzt den Biofilm analysieren, dann können wir diese Zellen ganz klar dingfest machen.

ProVIS Leiter Dr. Hans-Hermann Richnow

Geräte wie das NanoSIMS stehen zwar in anderen Forschungseinrichtungen in Deutschland und weltweit. Doch dort werden sie meist ganz anders genutzt, beispielsweise zur Materialforschung, und nicht zur Untersuchung von Zellproben. Das gilt auch für das Heliumionenmikroskop, das ein paar Räume weiter steht und vom Physiker Dr. Matthias Schmidt betreut wird, der sichtlich begeistert von dem Gerät ist. Es sei eines der hochauflösendsten Mikroskope, die momentan auf dem Markt sind, bis zu einem Nanometer Auflösung schafft es.

Während mit dem NanoSIMS chemische Analysen der Zellen durchgeführt werden können, zeigt das Heliumionenmikroskop kleinste Strukturen auf den Zellen. Die Kombination der Geräte ist letztendlich das, was ProVIS besonders macht, erklärt Schmidt:

Weil wir von der Probennahme über die Probenpräparation bis zur mikroskopischen Bildgebung von Proben und nachher der massensprektroskopischen Analyse der Proben alles an einem Ort machen können. Deswegen ist es ein Zentrum geworden und das macht es eben auch weltweit einzigartig.

Dr. Matthias Schmidt, Physiker von ProVIS

Ein Problem bleibt aber: Die Zellen können, außer im Lichtmikroskop, nur tot untersucht werden. Denn die Proben müssen zur Untersuchung aufwendig präpariert und in ein Vakuum gebracht werden. Schade, aber nicht zu ändern, meint Schmidt:

Das wäre toll, wenn wir die im Lebendzustand angucken könnten unter solchen Mikroskopen. Das wäre noch ein weiter Schritt vorwärts, aber da sehe ich auch keine Möglichkeit, die Physik so zu überlisten, dass wir das können. 

Dr. Matthias Schmidt

Trotzdem könnte ProVIS das Verständnis biochemischer Prozesse von Zellen und Zellverbänden erheblich weiterbringen. So kann nicht nur untersucht werden, welche Bakterien Schadstoffe abbauen oder Zahnbelag bilden, sondern auch welche in Tumoren besonders schnell wachsen. Sogar beim Abbau seltener Erden könnte das Speziallabor helfen. Denn es gibt Bakterien, die diese anreichern – und aus Bakterien kann man die wertvollen Materialien viel einfacher und umweltschonender gewinnen als direkt aus dem Gestein. Bisher weiß man aber noch nicht, welche Bakterien darin besonders gut sind. Dank ProVIS könnte sich das bald ändern.

 

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Ronja Münch
07.05.2015 - 13:08
  Wissen