Visualisierung biochemischer Prozesse

Einblicke in den Stoffwechsel von Mikroorganismen

Am 6. Mai wurde am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) ein Speziallabor eröffnet, das neue Maßstäbe setzt: Das Sächsische Zentrum zur Visualisierung biochemischer Prozesse auf zellulärer Ebene - kurz ProVIS - wird künftig tiefere Einblicke in den Stoffwechsel von Mikroorganismen erlauben.

Die NanoSIMS ist ein Sekundärionen-Massenspektrometer mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 50 nm. Die hohe Auflösung und ihre Massenempfindlichkeit ermöglichen es, Elemente und Isotope an den Oberflächen von Zellen sowie die chemische Veränderungen darin zu untersuchen. (Foto: André Künzelmann, UFZ)

Die weltweit einmalige Kombination modernster Geräte ermöglicht es, sowohl einzelne Zellen als auch das Zusammenspiel ganzer Lebensgemeinschaften detailliert zu untersuchen, um sie später für biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen. Sachsen, Sachsen-Anhalt, Bund und EU haben in die Technologieplattform gemeinsam über 12 Mio. Euro investiert, um Leipzig als internationales Kompetenzzentrum für Umwelt- und Biowissenschaften weiter auszubauen.

ProVIS wurde am UFZ aufgebaut, um biologische Objekte, Strukturen und Oberflächen im Nanobereich in optischer Hochauflösung darstellen zu können. Das wird möglich durch eine einzigartige Konstellation von Geräten zur bildgebenden chemischen Analytik und verschiedenen mikroskopischen Techniken. Dr. Eva-Maria Stange, Sächsische Staatsministerin für Wissenschaft und Kunst, betonte in ihrem Grußwort die Stärkung des Forschungsstandorts Sachsen: „Mit ProVIS wird insbesondere der Forschungsbereich Life-Sciences am UFZ gestärkt, so dass ein breites Spektrum an Fragestellungen aus der Biotechnologie, der Bioenergie, den Umweltwissenschaften und der medizinischen Forschung abgedeckt werden kann. Ich bin aber davon überzeugt, dass es ProVIS - eingebettet in ein hervorragendes wissenschaftliches Umfeld in Leipzig und Mitteldeutschland - gelingen wird, sich in den kommenden Jahren zu einem international sehr sichtbaren Kompetenzzentrum zu entwickeln."

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Untergebracht ist ProVIS in einem UFZ-Gebäude im Wissenschaftspark Permoserstraße, das bereits aus den 1960er Jahren stammt. Für über 2 Mio. Euro wurde dessen Kellergeschoss umgebaut und auf die besonderen Bedürfnisse zugeschnitten. Die hochempfindliche Technik benötigt nicht nur konstante Raumtemperaturen, sondern muss auch vor elektromagnetischen Feldern oder Vibrationen abgeschirmt werden. Damit die Erschütterungen von Straßenbahnen oder größeren Fahrzeugen auf den benachbarten Straßen die Messungen nicht stören, wurde ein spezieller Boden eingebaut, der die Geräte von ihrer Umgebung entkoppelt.

Während die SIMS-Verfahren eine chemische Analyse mikrobieller Zellen ermöglichen, können hochauflösende Mikroskopietechniken kleinste Details der Zellstruktur sichtbar machen. Das in ProVIS integrierte Heliumionenmikroskop beispielsweise kann Oberflächenstrukturen bis in den Subnanometerbereich sichtbar machen. (Foto: André Künzelmann, UFZ)

„Mit ProVIS hat das UFZ eine weitere, für Helmholtz typische Forschungsinfrastruktur geschaffen, die nicht nur den eigenen Wissenschaftlern am UFZ neue Perspektiven eröffnet, sondern auch viele regionale, nationale und internationale Forschergruppen nach Leipzig locken wird", ist Prof. Georg Teutsch, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des UFZ, überzeugt.

Herzstück des Speziallabors ist eine 3,2 Mio. Euro teure NanoSIMS - ein Sekundärionen-Massenspektrometer (SIMS) mit einer räumlichen Auflösung bis zu 50 nm, von denen es weltweit bisher nur wenige Geräte gibt. Die hohe Auflösung und ihre Massenempfindlichkeit ermöglichen es, Elemente und Isotope an den Oberflächen von Zellen sowie die chemischen Veränderungen darin zu untersuchen. Wirklich einzigartig bei ProVIS ist jedoch die Möglichkeit, die NanoSIMS mit anderen hochmodernen Analyse- und bildgebenden Verfahren kombinieren zu können. Beispielsweise mit der ToF-SIMS, einem weiteren Sekundärionen-Massenspektrometer, das ergänzend detailliertere Informationen zur räumlichen Anordnung molekularer Bausteine in Zellen liefert. Oder einem Heliumionenmikroskop, das kleinste Details einer Zellstruktur bis in den Subnanometerbereich hinein sichtbar machen kann, z.B. Ionenkanäle, Zellmembranen oder Proteine.

Im Idealfall werden also ein und dieselbe Probe in verschiedenen Mikroskopen untersucht und die Informationen danach gemeinsam ausgewertet, um eine komplette Analyse von Zellen eines Bakteriums zu bekommen. „Der Aufbau einer solchen sogenannten korrelativen Mikroskopie ist eines der wichtigsten Ziele für uns, um den Zellen ihre Geheimnisse zu entlocken", sagt ProVIS-Chef Dr. Hans-Hermann Richnow.

Was zunächst nach reiner Grundlagenforschung klingt, hat einen hohen Anwendungsbezug. Bis heute ist nur ein Bruchteil darüber bekannt, wie die Mikroorganismen in unserer Umwelt leben, wovon sie sich ernähren, wie ihr Stoffwechsel funktioniert und wer welche Funktionen in mikrobiellen Lebensgemeinschaften hat. Vergleichbar wäre dies mit einer Stadt, von der bekannt ist, dass es sie gibt und dass dort Menschen leben, aber nur darüber spekuliert werden kann, wer sich beispielsweise um Nahrungsmittel, Transport, Ordnung oder Abfall kümmert. Den Menschen muss also ein Name und eine Funktion zugeordnet werden, um diese Stadt und die Aktivität einzelner Akteure oder Gruppen zu verstehen.

Mit ProVIS können Aktivität, Identität und Wechselwirkung der Zellen in mikrobiellen Gemeinschaften im Detail untersucht werden - auch um sie für biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen. Zum Beispiel zur Energiegewinnung, zur Produktion neuer Wertstoffe, zum Abbau von Schadstoffen aller Art oder zur Gewinnung wertvoller Metalle aus Rückständen des Erzbergbaus. Denn diese sind nicht nur umweltgefährdend, sondern bergen auch wertvolle Metalle und andere Rohstoffe, die wegen der ständig steigenden Nachfrage und begrenzten Kapazitäten von wirtschaftsstrategischer Bedeutung sind.

In einem vom Bundesforschungsministerium (BMBF) mit 1,5 Mio. Euro geförderten Projekt entwickeln Wissenschaftler des UFZ, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und der TU Bergakademie Freiberg daher zum Beispiel ein Verfahren, um Theisenschlämme aufzubereiten - ein im Mansfelder Land lagerndes Restprodukt des Kupferschieferbergbaus, das tausende Tonnen wertvoller Metalle enthält. Die Einblicke in die Zellen der Mikroorganismen, die ProVIS liefert, sind dabei erste, aber entscheidende Schritte auf dem Weg zu künftigen Technologien.

Weitere Informationen:
PD Dr. Hans-Hermann Richnow
Leiter der Technologieplattform ProVIS und des Departments Isotopenbiogeochemie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
http://www.ufz.de/index.php?de=10650

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