Mikroskopie von Zellen

Mit bloßem Auge sind Bakterien oder auch eukaryotische Zellen kaum zu erkennen. Ein Blick in das Innere der Zelle gelingt nur durch Einsatz ausgereifter Mikroskope wie Lichtmikroskop (LM) und Elektronenmikroskop (EM) oder durch die STED-Mikroskopie (STED = Stimulated Emission Depletion, eine spezielle Form der Fluoreszenzmikroskopie) .

Sicherlich haben Sie im Unterricht schon einmal ein Präparat Ihrer Mundschleimhautzellen im Lichtmikroskop betrachtet. Die Zellen werden mit einem Spatel von der Mundschleimhaut abgelöst, auf einem Objektträger verteilt und dann mit einem Tropfen Methylenblau angefärbt. Im LM können Sie den Methylenblau-gefärbten Zellkern durchaus gut erkennen, ebenso die abgesetzte Zellmembran.

Grenzen der Mikroskopie

Ist bei Betrachtung der Zelle im Lichtmikroskop nur der Zellkern einer eukaryotischen Zelle erkennbar, so zeigt das elektronenmikroskopische Bild (EM-Bild) die Zelle in all ihren Details. Während das LM einen scheinbar leeren Zellraum zeigt, stellt das EM-Bild alle Organellen und Strukturen dar, wie Ribosomen oder auch große Proteinkomplexe. Deutlich wird in jedem Fall, dass die Zelle ein komplett angefüllter Raum ist.

Mit einem Lichtmikroskop können Objekte, die 0,2 bis 0,3 µm voneinander entfernt sind, noch wahrgenommen werden. Das Elektronenmikroskop ermöglicht erheblich bessere Auflösungen (0,1 nm).

Der große Nachteil einer EM-Aufnahme: Die Zelle ist nicht mehr funktionell. Das EM-Bild ist hochauflösend, aber nur eine Momentaufnahme, denn die Elektronenmikroskopie auf dem heutigen Stand kann keine Bilder einer aktiven, lebenden Zelle zeigen.

Elektronenmikroskopie und Lichtmikroskopie in der Anwendung

Beide Mikroskopietechniken haben ihre Vor- und Nachteile. Die Elektronenmikroskopie hat den entscheidenden Vorteil, dass die Auflösung durch den Einsatz von Elektronen in einem Bereich von 0,1 nm liegt und damit prinzipiell auch die feinsten Details in der Zelle abbilden kann.

In der Anwendung sieht man sich allerdings mit zwei schwerwiegenden Limitationen konfrontiert:

1. Die Untersuchung von lebendem Material ist ausgeschlossen, da man die Zellen zuvor einfrieren und unter Vakuum setzen muss.
2. Verschiedene Strukturen (z.B. unterschiedliche Proteine) werden nur mit geringem Kontrast dargestellt, weil die Elektronen beim Durchtritt durch verschiedene Proteine sehr ähnlich abgelenkt werden. Abhilfe schafft ein Kontrastmittel von außen. Im Falle der Elektronenmikroskopie sind das winzige Metallkügelchen, die an die zu untersuchende Struktur geheftet werden müssen.

Die Lichtmikroskopie hat den großen Vorteil, dass lebende Zellen nichtinvasiv, also ohne sie zu beeinflussen, untersucht werden können. Der Einsatz von Licht unterschiedlicher Farbe ermöglicht es zudem, gleichzeitig mehrere Strukturen sichtbar zu machen.

Diese Colokalisationsmikroskopie spielt eine große Rolle in der Aufklärung von Funktionalität verschiedener Proteine. Der Nachteil ist hier die geringe Auflösung von ca. 200 nm, begrenzt durch das Phänomen der Beugung. Diese Grenze wurde schon von dem bekannten deutschen Physiker Ernste Abbe vor ca. 150 Jahren beschrieben. Seither hatten Wissenschaftler diese Grenze akzeptiert.

Überwindung der Beugungsgrenze in der Lichtmikroskopie

Erst in den vergangenen Jahren hat es durch einen Göttinger Wissenschaftler, Prof. Stefan Hell, einen Durchbruch in der Lichtmikroskopie gegeben. Er entwickelte ein Konzept  – die STED-Mikroskopie –, das die Beugungsgrenze zum ersten Mal aushebelt und es ermöglicht, mit einem Lichtmikroskop theoretisch eine unbegrenzte Auflösung zu erreichen. Mit den aktuellen STED-Mikroskopen kann man in lebenden Zellen Strkuturen darstellen, die kleiner als 50 nm sind.

Strukture

STED-Aufnahme einer Zelle.Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Dr. Gerald Donnert, MPI für Biophysikalische Chemie, Göttingen.