Trick lässt Wiener Forscher in den Energiehaushalt der Zellen blicken

23. Dezember 2014, 14:14
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Wissenschafter der TU Wien und der Vetmeduni Wien untersuchten die Arbeitsweise der Mitochondrien

Wien - Objekte, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, kann man mit Lichtmikroskopen nicht sehen - zumindest dachte man das lange. An der TU Wien gelang es mit Hilfe eines superauflösenden Lichtmikroskops, die Anordnung von Proteinen mit einer Genauigkeit im Bereich von etwa 30 Nanometern zu untersuchen. Gemeinsam mit der Universität für Veterinärmedizin in Wien konnten damit wichtige Details über das Arbeitsweise von Mitochondrien entschlüsselt werden, die in unseren Zellen für die nötige Energie sorgen, wie die Forscher im Fachblatt "PNAS" berichten.

"Proteine lassen sich mit fluoreszierenden Molekülen spezifisch markieren", erklärt Gerhard Schütz von der TU Wien. "Mit Hilfe von Laserlicht kann man sie dann zum Leuchten bringen." Würden alle Proteine gleichzeitig fluoreszieren, würden sich die jeweiligen Flecken überlagern und ein verschwommenes, undeutliches Bild ergeben.

30-Nanometer-Auflösung

Der Trick besteht nun darin, dass die Farbstoffmoleküle zwischen zwei Zuständen hin und her wechseln: Meistens befinden sie sich im Dunkelzustand, doch manchmal wechseln sie ganz zufällig in einen aktiven Zustand und fluoreszieren. Nimmt man nun Bilder einer winzigen biologischen Struktur auf, so sieht man auf jedem Foto bloß einzelne helle Flecken - die meisten Moleküle senden gerade kein Licht aus. In einem Film hingegen sieht man die einzelnen Moleküle nacheinander aufleuchten und wieder verschwinden. Man kann also mit der Zeit alle markierten Proteine getrennt voneinander beobachten.

Jedes fluoreszierende Protein wird als heller Fleck sichtbar. Am Computer kann man das genaue Zentrum dieses Flecks ermitteln und daraus sehr exakt den Aufenthaltsort des jeweiligen Proteins bestimmen. Aus tausenden Bildern wird dann die Gesamtstruktur zusammengesetzt, und so entsteht ein Bild mit einer Auflösung von ungefähr 30 Nanometern - obwohl das verwendete Licht eine Wellenlänge von etwa 500-700 Nanometern aufweist.

Zelluläre Balance

Mit diesem Trick untersuchten die Forscher der TU Wien gemeinsam mit Kollegen der Vetmeduni Wien die Proteinverteilung in Mitochondrien. Diese haben eine glatte Außenmembran, darunter befindet sich die schlingenartig aufgefächerte Innenmembran. "An den Einstülpungen der verschlungenen Membran findet ein ganz wichtiger Prozess der zellulären Energiegewinnung statt, die sogenannte Atmungskette", so Schütz. Dabei transportieren mehrere Proteinkomplexe Protonen über die Innenmembran und bauen damit eine elektrische Spannung auf. Diese elektrische Spannung nutzen bestimmte Proteine, um Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen - den universellen Energieträger der Zellen.

Diese ATP-erzeugenden Proteine können aber von "Uncoupling Proteinen" wie UCP4 an ihrer Arbeit gehindert werden, da diese eine Art Kurzschluss verursachen und so die wichtigen elektrischen Ladungsunterschiede ausgleichen können. Passiert das, kann die Energie nicht mehr zur ATP-Erzeugung verwendet werden.

Wie die Balance zwischen beiden Abläufen gehalten wird, lag bisher weitgehend im Dunklen. Mittelhilfe der superauflösenden Lichtmikroskopie konnte aber nun gezeigt werden, dass im Inneren der Schlingen der Mitochondrien-Wand ATP entsteht und weiter außen UCP4 aktiv ist. So lasse sich auch verstehen, warum die Konkurrenz der beiden Effekte für unsere Zellen kein Problem sei. (APA/red, derStandard.at, 23.12.2014)


Abstract
PNAS

  • Wenn viele einzelne Punkte gleichzeitig leuchten (oben) dann ist bloß eine diffuse Wolke zu erkennen (oben rechts). Blitzen die einzelnen Punkte aber nacheinander auf (unten), dann kann man jeweils den Mittelpunkt berechnen und alle Punkte sauber abbilden (unten rechts).
    foto: tu wien

    Wenn viele einzelne Punkte gleichzeitig leuchten (oben) dann ist bloß eine diffuse Wolke zu erkennen (oben rechts). Blitzen die einzelnen Punkte aber nacheinander auf (unten), dann kann man jeweils den Mittelpunkt berechnen und alle Punkte sauber abbilden (unten rechts).

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