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Die Leuchtspur einzelner Moleküle

"Seeing Cells in Action with Photoactivatable Fluorescent Proteins" lautet der Titel der nächsten "sanofi-aventis perspective lecture" an der Goethe-Universität am Dienstag (25. Januar) um 18.15 Uhr, Hörsaal 22-1, neues Hörsaalgebäudes, Universitätsklinikum, Theodor-Stern-Kai 7, 60590 Frankfurt.

Die renommierte Zellbiologin Dr. Jessica Lippincott-Schwartz von den National Institutes of Health der USA in Bethesda stellt darin das von ihr und ihrem Team entwickelte Verfahren der Photoactivated Localization Microscopy (PALM) vor, das es ermöglicht, einzelne Moleküle innerhalb einer lebenden Zelle zu lokalisieren und deren Bewegungen nachzuverfolgen. Damit gelingt es, die Visualisierung zellbiologischer Vorgänge gegenüber der Mikroskopie mit einfachen Leuchtproteinen deutlich zu verbessern.

Die Entdeckung des grünen fluoreszierenden Proteins (GFP) im Glockenkörper einer pazifischen Qualle und seine Entwicklung zu einem leuchtenden Marker lebender Zellen hat seit 1994 alle Bereiche der Biomedizin enorm beflügelt, was drei Protagonisten dieser Forschung 2008 den Nobelpreis für Chemie eintrug. Wenn das GFP-Gen an das Gen für ein bestimmtes Molekül gekoppelt worden ist, dann leuchten nämlich die daraus exprimierten Moleküle unter dem Mikroskop in hellem Grün auf, wenn sie mit blauem oder ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Auf diese Art können biologische Vorgänge beobachtet werden, die früher unsichtbar waren, wie etwa die Entwicklung von Nervenzellen. Inzwischen gibt es eine große Farbpalette verschiedener fluoreszierender Proteine.

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Die Mikroskopie mit solchen klassischen Leuchtproteinen bietet allerdings oft nur ein relativ grobes Bild intrazellulärer Vorgänge, selbst wenn sie beeindruckende Live-Aufnahmen liefert, wie etwa von Kernspindeln in einzelnen Phasen der Zellteilung. Spezifische Stoffwechselwege kann sie nur unscharf nachverfolgen. Denn sie erfasst alle leuchtenden Moleküle, die von der entsprechend programmierten lebenden Zelle unaufhörlich gebildet werden. Auch ist ihr Auflösungsvermögen undeutlich, weil nah beieinander liegende Moleküle als eine einzige Struktur erscheinen. Diese Beschränkung überwunden zu haben, ist ein Verdienst von Dr. Jennifer Lippincott-Schwartz und ihrem Team.

In ihrer PALM-Methode werden die einfachen Leuchtproteine durch photoaktivierbare Leuchtproteine ersetzt: Sie lassen sich durch gezielte Lichtimpulse bestimmter Wellenlänge an- oder abschalten oder zum Beispiel von grün zu rot verfärben und erzeugen dadurch helle Signale vor einem dunklen Hintergrund. Werden diese Impulse über längere Zeit ausgesandt, ergeben sie eine Serie von Einzelaufnahmen, aus denen ein Computer dann Position und Weg einzelner Moleküle mit extrem hoher Auflösung im Nanometer-Bereich errechnet und darstellt. So können etwa die Routen des Proteintransports und die komplexe Logistik des Stoffwechsels zwischen verschiedenen Zellorganellen mit bisher ungekannter Präzision aufgeklärt werden.

Informationen: Prof. Ivan Dikic, Institut für Biochemie II, Campus Niederrad, Tel. (069)/6301-83647, ivan.dikic@biochem2.de.

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