Presseinformation der LMU München vom 15.12.2009

Optisches Verfahren misst molekulare Reaktionszeiten

Die Moleküle in unseren Zellen bilden ein komplexes Netzwerk aus Wechselwirkungen, deren zeitliche Abläufe bislang nicht gemessen werden konnten. Biologen untersuchen stattdessen die Geschwindigkeit einzelner molekularer Reaktionen außerhalb der Zelle. Fraglich ist aber, wie aussagekräftig diese Analysen sind, weil die Moleküle der Zelle in meist höherer Konzentration vorliegen und alle Interaktionen gleichzeitig ablaufen. Ein Team um den LMU-Biophysiker Professor Dieter Braun untersuchte nun mit einem optischen Verfahren die Reaktionszeiten für die Kopplung zweier Stränge des Erbmoleküls DNA direkt in der Zelle. Und wurde überrascht: „Wir hatten erwartet, in der Zelle schnellere Reaktionen zu finden“, sagt Braun. „Die Kopplung lief aber abhängig von der Länge des DNA-Stranges manchmal sogar langsamer ab als außerhalb der Zelle.“ Mit Hilfe dieser Methode können nun auch Daten aus lebenden Zellen in Modelle einfließen, die komplexe Vorgänge in biologischen Zellen abbilden – und möglicherweise helfen, Krankheiten zu erforschen. (PNAS online, 14. November 2009)

Die Doppelhelix des Erbmoleküls DNA entsteht, wenn sich zwei Einzelstränge aneinanderlagern. In der Studie brachten das Forscherteam zwei zusammengehörende DNA-Stränge in eine Zelle ein und analysierte die Geschwindigkeit deren Hybridisierung, also deren Kopplung und Entkopplung. Zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit – die sogenannte Kinetik – induzierten sie mit einem infraroten Laser Temperaturschwingungen verschiedener Frequenzen in der Zelle und erfassten die Konzentration der Reaktionspartner, also der einzelnen bzw. gekoppelten DNA-Stränge. War die Frequenz langsamer als die Reaktionszeit, folgten die gemessenen Konzentrationen der Temperaturschwingung. War sie schneller, so zeigten die Konzentrationen gegenüber dem Temperaturverlauf eine zeitliche Phasenverschiebung

Die Reaktionszeit ergab sich aus der Auswertung der Zeitverzögerungen und dem Rückgang der Amplituden. Die Konzentrationen wurden dabei mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen gemessen, die untereinander Energie austauschen, wenn sie nahe genug beieinander sind (FRET). Die LMU-Forscher versetzten die beiden DNA-Stränge mit Fluoreszenzfarbstoffen, die nur dann Energie übertrugen, wenn beide Stränge gekoppelt waren. Die Farbstoffe wurden über eine Stroboskoplampe angeregt, und die Fluoreszenzstärke mit einer CCD Kamera aufgenommen. Damit konnten die Biophysiker die Konzentrationsänderungen in der Zelle mit einer räumlichen Auflösung von etwa 500 Nanometer direkt sichtbar machen.

Sie stellten fest, dass DNA-Stränge, die aus 16 Basen-Bausteinen bestehen, im Vergleich zu extern gemessenen Werten in der Zelle etwa siebenmal schneller reagierten, wogegen die Reaktionsgeschwindigkeiten von 12-basiger DNA fünfmal niedriger lagen als außerhalb der Zelle. Dieses Ergebnis widerspricht der bislang vorherrschenden Vermutung, dass molekulare Reaktionen in Zellen wegen der dort vorliegenden hohen Konzentrationen grundsätzlich schneller ablaufen sollten als im Labor. „Offensichtlich modulieren Zellen die Reaktionsgeschwindigkeiten auf hochselektive Art und Weise“ sagt Braun. „Die Messungen liefern wertvolle, in vivo gemessene kinetische Daten für die systematische Analyse des komplexen Systems Zelle“ ergänzt Ingmar Schön, der die anspruchsvollen Experimente durchgeführt hat. Die Forscher wollen nun eine größere Bandbreite molekularer Reaktionen in lebenden Zellen vermessen. (CR/suwe)

Publikation:
„Hybridization Kinetics is Different Inside Cells“
Ingmar Schoen, Hubert Krammer, Dieter Braun,
PNAS online,
14. November 2009

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemitteilung der Universität Bonn vom 09.12.2009

Bonner Physiker kontrollieren die Eigenschwingung von Atomen

Mit einzelnen Atomen zu arbeiten ist mitunter schlimmer als Flöhe hüten – sie lassen sich nur mit speziellen Techniken kontrollieren. Physiker der Universität Bonn haben nun eine neue Methode ersonnen, Atomen ihren Willen aufzuzwingen: Ihnen ist es gelungen, die Eigenschwingung der kleinen Teilchen (ihre so genannte Wellenfunktion) präzise zu steuern. Der Bonner Ansatz öffnet Forschern aus verschiedenen Bereichen der Physik neue Türen. Die Ergebnisse sind nun in den Physical Review Letters erschienen (doi: 10.1103/PhysRevLett.103.233001).

Atome haben eine Eigenschaft, die die Mitarbeiter viel beschäftigter Chefs nur zu gut kennen: Sie können sich theoretisch an vielen Orten gleichzeitig aufhalten, an jedem aber nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. Mit welcher Wahrscheinlichkeit man sie wo findet, beschreibt ihre Wellenfunktion.

Es war bisher nur mit Einschränkungen möglich, die Wellenfunktion eines einzelnen Atoms zu kontrollieren. Den Forschern vom Bonner Institut für Angewandte Physik um Professor Dr. Dieter Meschede ist nun aber genau das gelungen. Sie arbeiteten dabei mit einzelnen Caesium-Atomen, die sie mit einer Art Pinzette aus Licht festhielten.

Man kann sich so ein Caesiumatom als ein Kind vorstellen, das auf einer Schaukel sitzt. Die Wellenfunktion beschreibt, wie sehr die Schaukel hin- und herschwingt. Um das Kind höher schwingen zu lassen, versetzt die Mama der Schaukel einfach einen Schubs. Je stärker dieser Schubs, desto größer die Auslenkung: Die Wellenfunktion der Schaukel ändert sich.

In der Welt der Atome ist das nicht so einfach. Das liegt an den Quanteneffekten, die in der Mikrowelt zum Tragen kommen und der atomaren Wellenfunktion nur festgelegte Profile erlauben. So muss der Schubs genau die passende Stärke haben, damit er etwas bewirkt. Ist er zu klein oder zu groß, ändert sich an der Schaukelschwingung gar nichts. Es gibt aber noch eine zweite Einschränkung: Die Wellenfunktionen vor und nach dem Schubs müssen eine gewisse Ähnlichkeit aufweisen – Physiker sprechen von „Überlappung“.

„Wir haben nun unser Atom mit Mikrowellenstrahlung angeregt, ihm also einen Schubs versetzt“, erklärt der Bonner Physiker Dr. Artur Widera. „Mikrowellen lassen sich sehr gut kontrollieren. Wir konnten die zugeführte Energiemenge daher extrem präzise einstellen.“

Normalerweise hätte der Schubs dieser Strahlung nicht ausgereicht, um die Bewegung des Caesiums zu verändern. Die Forscher haben nun aber gewissermaßen den Aufhängepunkt der Atomschaukel um wenige Millionstel Millimeter im Raum verschoben. „Dadurch konnten wir den Wellenfunktionsüberlapp genau so einstellen, dass der Mikrowellen-Schubs doch zu einer Änderung der Schaukelbewegung führte.“

„Wir können so erstmals die Wellenfunktion von Atomen mit hoher Präzision ändern“, sagt Wideras Kollege Leonid Förster. „Damit können wir in der Schaukelbewegung der Atome beispielsweise Informationen speichern. Außerdem ist es denkbar, die Bewegung mit dieser Methode komplett zu stoppen. So ließen sich Atome bis zu ihrem Grundzustand nahe am absoluten Nullpunkt kühlen.“ (Frank Luerweg)

Externer Link: www.uni-bonn.de

Presseinformation der Universität Göttingen vom 08.12.2009

Bakterium mit Hilfe linsenloser Röntgen-Mikroskopie untersucht

(pug) Um die Dichte und das Volumen einzelner Bestandteile biologischer Zellen bestimmen zu können, müssen Wissenschaftler bislang üblicherweise die Proben zerstören. Größere Untereinheiten der Zelle, die aus vielen Biomolekülen bestehen, lassen sich auf diese Weise in ihrer intakten funktionellen Form meist überhaupt nicht analysieren. Wie die Architektur einer biologischen Zelle zerstörungsfrei untersucht werden kann, hat nun ein Forscherteam um Klaus Giewekemeyer und Prof. Dr. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen zusammen mit Kollegen der Technischen Universität München und der Schweizer Synchrotronstrahlungsquelle SLS gezeigt. In einer Studie berichten die Forscher über ein Experiment, bei dem sie Bakterien mit hoch intensivem Röntgenlicht beleuchtet und die Dichteverteilung aus den gestreuten Röntgenwellen ermittelt haben. Die verwendete Wellenlänge der Röntgenstrahlung ermöglicht dabei nicht nur die Vermessung von ausgedehnten Proben ohne nennenswerte Schwächung des Strahls, es lassen sich auch die lokalen Dichteunterschiede besonders gut und nahezu unabhängig von der chemischen Beschaffenheit ermitteln. Die Studie erscheint in dieser Woche in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“.

Die Wissenschaftler haben das Bakterium Deinococcus radiodurans untersucht, einen weit verbreiteten Vertreter der Kokken-Bakterien mit erstaunlicher Anpassungsfähigkeit. Der Einzeller kann mehr als das Tausendfache der tödlichen Dosis an ionisierender Strahlung für jedes andere bekannte Lebewesen überleben. Wie das Bakterium die effiziente Reparatur von Strahlenschäden bewerkstelligt, hängt womöglich auch mit der speziellen Packung der Erbsubstanz in dem Bakterium zusammen. Unter Einsatz eines neu entwickelten Verfahrens der linsenlosen Mikroskopie mit Röntgenstrahlen ist es den Wissenschaftlern gelungen, die Erbsubstanz in der Zelle abzubilden. Im vergangenen Jahr hatte ein Forscherteam um Pierre Thibault und Franz Pfeiffer von der TU München an metallischen Nanostrukturen gezeigt, dass sich ohne einschränkende Annahmen die Probenstruktur am Computer aus den Streuintensitäten errechnen lässt. Die nun publizierte Arbeit beweist, dass dieser Ansatz auch auf biologische Proben mit viel geringerem Kontrast übertragbar ist.

Ähnlich wie in der klassischen Röntgenstrukturanalyse trifft bei dem hier angewandten Verfahren der Röntgenstrahl nach der Interaktion mit der Probe, in diesem Fall mehreren Bakterienzellen von wenigen Mikrometern Größe, ohne weitere optische Elemente auf die Röntgenkamera, deren Bilder im Computer in ein reelles Bild des Objektes umgerechnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, Abbildungen unabhängig von Limitierungen durch optische Elemente zu erzielen, zu denen etwa begrenzte räumliche Auflösung und Abbildungsfehler zählen. Um das winzige Signal, das von Bestandteilen einer einzelnen biologischen Zelle ausgeht, überhaupt messen zu können, muss ein sehr starker Röntgenstrahl eingesetzt werden. Hierfür kommen Synchrotronstrahlungsquellen zum Einsatz, in denen geladene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in eine Kreisbahn gezwungen werden, aus der sie millionenfach intensivere Röntgenstrahlung als die einer Laborquelle aussenden.

Mit dem Verfahren können nun beliebige biologische Proben analysiert werden. „Gegenüber der Elektronenmikroskopie können wir mit den Röntgenstrahlen Proben zum Beispiel in einem Gewebe tiefer durchdringen. Die Methode bietet uns ein neues, hochauflösendes Fenster in die Zelle, das die Identifikation von Zellbestandteilen ohne chemische Vorbehandlung oder mechanische Zerteilung der Probe ermöglicht“, so Doktorand Klaus Giewekemeyer. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher die Methode verfeinern, indem sie Zellen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen durchleuchten. Die dreidimensionalen Aufnahmen liefern zum Beispiel Informationen, um die Volumendichte bestimmen zu können. „Darüber hinaus werden wir die Schärfe der Bilder verbessern, indem wir die Intensität der Röntgenstrahlen erhöhen. Dabei sind wir nicht mehr auf die aufwändige Herstellung immer leistungsfähigerer Linsen angewiesen“, so Prof. Salditt, der die Doktorarbeit an der Universität Göttingen betreut. In Zukunft könnten mit der Methode wichtige Details zur Packung der Erbsubstanz im Zellinneren ans Licht gebracht werden.

Originalveröffentlichung:
Klaus Giewekemeyer et al.: Quantitative biological imaging by ptychographic x-ray diffraction microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2009, doi: 10.1073/pnas.0905846107

Externer Link: www.uni-goettingen.de