Ionenstrahl Mikroskop (FIB) ermöglicht neue Einblicke in das Zellinnere

  • Ionenstrahl Mikroskop (FIB) ermöglicht neue Einblicke in das Zellinnere: Gezielte Präparation eines elektronentransparenten „Fensters“ innerhalb einer einzelnen eiseingebetteten Zelle. Oberer Bildbereich: Zellen vor der Präparation Zentraler Bildbereich: Zelle nach dem Ionendünnen (Dimension des „Fensters“: 25 µm², Dicke: ca. 300 nm). Grafik: Alexander Rigort & Felix Bäuerlein / Copyright: MPI für Biochemie.Ionenstrahl Mikroskop (FIB) ermöglicht neue Einblicke in das Zellinnere: Gezielte Präparation eines elektronentransparenten „Fensters“ innerhalb einer einzelnen eiseingebetteten Zelle. Oberer Bildbereich: Zellen vor der Präparation Zentraler Bildbereich: Zelle nach dem Ionendünnen (Dimension des „Fensters“: 25 µm², Dicke: ca. 300 nm). Grafik: Alexander Rigort & Felix Bäuerlein / Copyright: MPI für Biochemie.

Das Ionenstrahl Mikroskop (Focused Ion Beam, FIB) ermöglicht neue Einblicke in das Zellinnere: Mit einem fokussierten Ionenstrahl können gezielt winzige „Fenster" in das Innere von Zellen geschnitten werden, sodass nun auch größere zelluläre Proben für die Kryo-Elektronentomografie zugänglich werden und hochauflösende dreidimensionale Bilder vom Innneren der Zelle aufgenommen werden können.

Kryo-Elektronentomografie
Mit der Kryo-Elektronentomografie, die maßgeblich in der Abteilung Molekulare Strukturbiologie am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) unter der Leitung von Wolfgang Baumeister entwickelt wurde, können Forscher dreidimensionale zelluläre Strukturen direkt untersuchen. Die gesamte Zelle oder einzelne Zellbestandteile werden blitzartig „schockgefroren" und in glasartiges Eis eingeschlossen, sodass ihre räumlichen Strukturen erhalten bleiben.
Das Transmissions-Elektronenmikroskop ermöglicht es anschließend, zweidimensionale Projektionen aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufzuzeichnen. Schließlich rekonstruieren die Wissenschaftler aus diesen Aufnahmen ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild. Jedoch kann der Elektronenstrahl nur sehr dünne Präparate (beispielsweise Bakterienzellen) bis zu einer Dicke von 500 Nanometern gut durchdringen. Zellen höherer Organismen sind deutlich dicker.

Problem: das Präparieren größerer Zellen
Modernste elektronenmikroskopische Präparationsmethoden sind deshalb notwendig, um auch größere Objekte der Kryo-Elektronentomografie zugänglich zu machen. „Die artefaktfreie und vor allem gezielte Präparation größerer Zellen ist dabei ein kritischer Schritt", erläutert Alexander Rigort, MPIB-Wissenschaftler. „Mit den herkömmlichen Methoden konnten wir nie ausschließen, dass Strukturen, die wir untersuchen wollten, verändert wurden." Die Aussagekraft der Ergebnisse war daher begrenzt, so der Zellbiologe.

Lösung: Ionenstrahl Mikroskop (FIB) ermöglicht neue Einblicke
Mit dem Einsatz eines Ionenstrahl-Mikroskops können die Forscher jetzt einzelne Schichten der schockgefrorenen Zelle gezielt und kontrolliert abtragen - winzige maßgeschneiderte „Fenster" entstehen.

Ein zusätzlicher Vorteil des Ionendünnens ist, dass mechanische Schneideartefakte vollständig vermieden werden. Ursprünglich wurde diese Methode für die Materialwissenschaften entwickelt. In der Strukturbiologie soll sie jetzt tiefe Einblicke in die molekulare Organisation des Zellinneren geben. Je dünner die "Fenster" dabei sind, desto höher ist die erreichbare Auflösung im Elektronenmikroskop. „Jetzt sind präzise Einblicke in die makromolekulare Architektur von Zellbereichen möglich, die bisher für die Kryo-Elektronenmikroskopie nahezu unzugänglich waren", sagt Jürgen Plitzko, Wissenschaftler am MPIB.

Originalliteratur
A. Rigort, F. J. B. Bäuerlein, E. Villa, M. Eibauer, T. Laugks, W. Baumeister and J. M. Plitzko; Focused Ion Beam micromachining of eukaryotic cells for cryoelectron tomography; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, March 5, 2012
Doi:10.1073/pnas.1201333109.

 

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