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FLUCS – Interaktive Mikroskopie für Biologen

Wie gelangen Biomoleküle an die richtigen Stellen eines wachsenden Embryos? Eine experimentelle Studie hat Hypothesen zur Polarisation von Embryonen validiert und verdeutlicht: Die Zukunft der Mikroskopie ist interaktiv.
Kontrollierte Ströme erzeugen und Biomoleküle im Embryo verfolgen mit FLUCS (focused-light-induced-cytoplasmic-streaming). (Bild: Mittasch et al. MPI-CBG)
Eine zentrale Frage der Biologie ist, wie sich aus einer befruchteten Eizelle ein kompletter Organismus entwickeln kann. Die molekularbiologische Forschung ermöglichte in den letzten Jahren tiefe Einblicke in dieses Phänomen embryonaler Entwicklung. Ein zentraler Aspekt jedoch blieb unbeantwortet und war methodisch sehr schwer zugänglich: Damit sich ein Organismus korrekt entwickeln kann, müssen Biomoleküle an die richtigen Stellen des wachsenden Embryos gelangen – ähnlich wie Baumaterial auf einer Baustelle. 

Ein frühes und wichtiges Beispiel für diese Umverteilung von Material ist die biochemische Polarisation befruchteter Eizellen. Dieser Prozess definiert die spätere Körperachse des Tiers, d. h. zum Beispiel wo der Kopf eines Wurmes und wo sein Schwanz wachsen wird. Durch welche Mechanismen polarisationsrelevante Moleküle verteilt werden, blieb jedoch lange unbeantwortet, da eine geeignete Methode fehlte, schonend in den intrazellulären Transport lebender Embryos einzugreifen.

Kontrollierte Ströme erzeugt

Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden eine Möglichkeit gefunden Bewegungen in lebendigen Embryonen gerichtet zu steuern. Das Forscherteam hat in Zusammenarbeit mit weiteren Gruppen am MPI-CBG, der Fakultät für Mathematik und dem Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden mit ihrer nicht-invasiven Lasertechnologie FLUCS (focused-light-induced-cytoplasmic-streaming) kontrollierte Ströme in lebenden Embryonen erzeugt. Mit diesem revolutionären Werkzeug konnten die Forscher die Bedeutung der Bewegung des Zytoplasmas für die Polarisation der Eizelle testen und somit bestehende Hypothesen validieren und ergänzen.

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Matthäus Mittasch, Doktorand und Erstautor der Studie, schwärmt: „Mit FLUCS wird die Mikroskopie sich entwickelnder Embryonen plötzlich interaktiv“. Und tatsächlich: Angeleitet durch realistische Computersimulationen gelang es den Forschern sogar, die Körperachse von Wurm-Embryonen mit Hilfe von FLUCS umzukehren, was die räumlich gespiegelte Entwicklung des Wurms einleitete.

Forschungsgruppenleiter Moritz Kreysing, der auch dem Zentrum für Systembiologie Dresden angehört, kommt zu dem Schluss: „Die Möglichkeit, das Innere von Zellen zu bewegen, wird grundlegend zum Verständnis beitragen wie sich Zellen bewegen, wie sie auf externe Signale reagieren und wie sie sich teilen. Weiterhin eröffnet sich mit FLUCS erstmals die Möglichkeit, experimentell nachzuvollziehen wie lebende Organismen aus der Interaktion biochemischer Reaktionen und physikalischer Bewegung hervorgehen.“

Forscher sind sich einig: In der Medizin hat FLUCS das Potenzial, embryonale Entwicklungsstörungen besser zu verstehen, In-vitro-Fertilisation zu verbessern und die Erprobung neuer Medikamente zu vereinfachen.

Publikation:

Matthäus Mittasch, Peter Groß, Michael Nestler, Anatol W. Fritsch, Christiane Iserman, Mrityunjoy Kar, Matthias Munder, Axel Voigt, Simon Alberti, Stephan W. Grill and Moritz Kreysing: Non-invasive perturbations of intracellular flow reveal physical principles of cell organization. Nature Cell Biology, 5. Februar 2018. doi: 10.1038/s41556-017-0032-9

Quelle: MPI-CBG

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