Superauflösende Mikroskopie zeigt eine Verdrehung im Inneren von Zellen

Biophysikerinnen der EPFL haben ein Hochdurchsatz-Superauflösungsmikroskop entwickelt, um die Strukturen und die Dynamik von Säugetierzellen im Nanobereich zu untersuchen und die Drehungen und Wendungen eines für die Zellteilung wichtigen Organells in noch nie dagewesenem Detail zu zeigen.
© 2020 EPFL

Wenn man die zugrundeliegenden Mechanismen der Zellmotilität und -teilung verstehen will, dann ist das Zentriol die zu untersuchende Organelle. Jede Zelle besitzt ein Paar von Zentriolen, die bei der Trennung der Chromosomen während der Zellteilung helfen. Diese speziellen Organellen sind multimolekulare Maschinen, die sich aus Hunderten von Proteinen zusammensetzen und einen verborgenen Code von posttranslationalen Modifikationen (PTMs) aufweisen, die zu ihrer Steifheit oder Flexibilität beitragen, was wiederum zur Erklärung der Funktionsweise der Zentriolen beitragen kann.

Aufgrund früherer Studien, bei denen meist die Elektronenmikroskopie eingesetzt wurde, ist die Grundstruktur der Zentriolen bekannt. Aber PTMs sind für das Elektronenmikroskop unsichtbar, wie sehen sie also aus?

Dank verbesserter, von Biophysikerinnen der EPFL entwickelter, hochauflösender Fluoreszenzmikroskop-Technologie haben wir nun ein detailliertes Bild dieser nanoskaligen Strukturen, sowohl isoliert als auch in situ. Die Zentriolen haben erwartungsgemäss die Form von gerippten Kugeln, d.h. sie sind zylindrisch mit neun Längsrippen und ihr Durchmesser verjüngt sich an einem Ende. Angesichts dieses hohen Organisationsgrades waren die Wissenschaftlerinnen überrascht, dass sich ein PTM tatsächlich um diese Rippen dreht. Die Ergebnisse werden heute in Nature Methods veröffentlicht.

«Die Symmetrien von multimolekularen Maschinen erklären oft, wie sie verschiedene Funktionen erfüllen können. PTMs können einen speziellen Code bilden, der den Proteinen sagt, wo sie andocken sollen, aber sie können auch das Zentriol stabilisieren, wenn während der Teilung Kräfte ziehen. Wir wissen immer noch nicht, warum der Twist da ist, aber er bietet einen Hinweis darauf, wie die Zentriolen funktionieren. Unsere Studie unterstreicht, dass die Superauflösungs-Mikroskopie ein wichtiger Partner der Elektronenmikroskopie für die Strukturbiologie ist», sagt Biophysikerin Suliana Manley, die das Labor für Experimentelle Biophysik (LEB) leitet.

Verbesserte Superauflösungs-Bildgebungstechniken

Zentriolen sind etwa 100 Mal kleiner als eine Säugetierzelle und tausendmal kleiner als ein menschliches Haar. Um sie im Inneren lebender Zellen beobachten zu können, musste daher die Technologie der Superauflösungsmikroskope, die Licht zur Untersuchung von Proben verwendet, verbessert werden, da andere Methoden für strukturelle Studien tendenziell zu langsam sind. Dora Mahecic, eine Doktorandin am LEB, verbesserte das Beleuchtungsdesign, um die Grösse der Bilder, die ihr Mikroskop aufnehmen konnte, zu erhöhen, indem es das Licht gleichmässiger über das Sichtfeld abgibt.

Das Mikroskop, ein hochauflösendes Fluoreszenzmikroskop, ist ganz und gar nicht das typische Lichtmikroskop, das man in einem einführenden Biologieunterricht sehen würde. Es handelt sich vielmehr um einen komplexen Aufbau aus sorgfältig ausgerichteten Spiegeln und Linsen, die das Laserlicht formen und in die Probe einbringen. Die Biophysikerinnen kombinierten diesen Aufbau mit einer ausgeklügelten Probenpräparation, bei der die physikalische Vergrösserung der Probe und Fluorophore genutzt werden, um Proteine, die Bausteine des Lebens, Licht reflektieren zu lassen.

Diese neue Superauflösungstechnologie könnte zur Untersuchung zahlreicher anderer Strukturen innerhalb der Zelle wie Mitochondrien oder zur Untersuchung anderer multimolekularer Maschinen wie Viren eingesetzt werden.