Wie mit Lichtscheiben der Blick in die Zelle gelingt

Forschern ist es gelungen, grundlegende Vorgänge des Lebens wie etwa die Zellteilung dreidimensional live mitzuschneiden

Pantoffeltierchen, Pflanzen-DNS, menschliches Haar: Schon Schüler lernen im Biologieunterricht in der Regel das Mikroskopieren kennen. Dazu legt man das zu betrachtende Objekt auf einen Objektträger und schiebt es unter das Objektiv des Mikroskops. Das dahinter stehende physikalische Prinzip ist simpel, es entspricht im Grunde dem der Lupe, nur mit komplizierterem Strahlengang. Der Beobachter braucht Licht, um etwas zu sehen - das kommt entweder von einer Lampe unter dem gläsernen Objektträger (Durchlicht-Mikroskop) oder von oben (Auflicht).

Seit der Erfindung des Mikroskops Anfang des 17. Jahrhunderts hat sich an dem grundlegenden Aufbau wenig geändert. Je kleiner die zu beobachtenden Strukturen wurden, desto kürzer musste die Wellenlänge des "Lichts" werden, um diese Strukturen auflösen zu können. Licht steht hier in Anführungszeichen, weil etwa Elektronen auch in diesem Sinne verwendet wurden und werden.

Geht es allerdings um die Untersuchung lebender Strukturen, fallen einige dieser Methoden aus. Zum einen ist es wichtig, die empfindlichen Moleküle nicht zu beschädigen. Ionisierende Strahlung fällt deshalb schon einmal aus, doch auch mit einer simplen Beleuchtung, die für eine erfolgreiche Abbildung immer nötig ist, überträgt man über die Photonen des Lichts schon Energie an das Gewebe.

Selbst wenn diese die Zellen nicht zerstört, kann sie als zusätzlich eingebrachte Energie die physiologischen Vorgänge verändern. Zum anderen muss die Methode aber auch schnell genug sein, Schnappschüsse in der typischen Geschwindigkeit biologischer Prozesse (also im Millisekundenbereich) anfertigen zu können - sonst verpasst man ja die spannendsten Momente.

Die Lichtscheiben-Mikroskopie...

Eine Lösung dafür bot die Lichtscheiben-Mikroskopie. Der Name verrät schon, worum es geht: Statt von oben oder unten beleuchtet man die Probe von der Seite, und zwar in Form einer möglichst flachen Scheibe. Betrachtet man das Objekt dann von oben, ist jeweils nur eine Ebene illuminiert.

Nun kann man die Scheibe durch das Objekt bewegen (praktisch bewegt man immer das Objekt durch die Scheibe) und erhält einen 3D-Scan. Dass das Licht dabei jeweils nur in einer flachen Scheibe einfällt, reduziert die Energieübertragung und erlaubt gleichzeitig eine bessere Fokussierung des Mikroskops.

...und ihre Weiterentwicklung: Filmaufnahmen auf subzellulärer Ebene

Im Wissenschaftsmagazin Science stellt ein Forscherteam (darunter der aktuelle Chemie-Nobelpreisträger Eric Betzig) nun eine Weiterentwicklung dieser Methode vor, die beeindruckende Filmaufnahmen auf subzellulärer Ebene erlaubt. Dabei haben die Forscher das Prinzip des Scannens über eine Lichtscheibe beibehalten. Neu ist die Art und Weise, wie sie diese Lichtscheibe erzeugen.

Statt spezieller, sich selbst erhaltender Laserstrahlen (Bessel-Strahlen) nutzen sie ein zweidimensionales optisches Gitter. Dabei handelt es sich um das Interferenzmuster sich kreuzender Lichtwellen. Geschickt konstruiert, minimiert ein solches Muster den Anteil an das Gewebe übertragener Energie und ist zugleich äußerst dünn. Die für Interferenzmuster typischen Intensitätswechsel lassen sich aus dem fertigen Bild leicht herausrechnen, da man das Muster ja kennt.

Das Ergebnis ist ein Mikroskop, mit dem den Forschern wirklich beeindruckende Aufnahmen gelungen sind, etwa aus den einzelnen Stadien der Zellteilung. Wer als Biologe an einem Projekt arbeitet, das von dem verbesserten Lichtscheiben-Mikroskop profitieren würde, darf sich, so der Aufruf im Paper, nun gern an die Forscher wenden.