Elektronenmikroskope gibt es bereits seit mehr als 70 Jahren. Doch die Technik wird immer noch verbessert. Zum Beispiel durch Dr. Vladan Lucic am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried.
Der serbische Forscher hat es mit besonders empfindlichen Objekten zu tun: Synapsen, das sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen. Hier werden die Signale von einer Nervenzelle an die nächste weitergegeben. Gerade hat Vladan Lucic ein Tröpfchen, in dem solche Synapsen gelöst sind, auf ein hauchdünnes, nicht einmal fingernagelgroßes Kupfergitter geträufelt.
Nun wird die Probe augenblicklich eingefroren. In einem Schockfroster, den der Wissenschaftler selbst entworfen hat: Eine Art Thermoskanne, die flüssiges Ethan enthält. Vladan Lucic befestigt das winzige Kupfergitter an einer Klammer und lässt es auf Knopfdruck in die minus 180 Grad kalte Flüssigkeit sausen.
Innerhalb von Millisekunden friert die Probe ans Gitter fest. So rasch, dass Wasser in den Zellen keine Zeit hat, zu kristallisieren. Trotz der tiefen Temperatur bleiben die Zellstrukturen daher gut erhalten. Das ist ein Unterschied zur herkömmlichen Technik. Ein weiterer besteht darin, dass die Biochemiker nicht nur eine Aufnahme machen, sondern die Probe jeweils um einige Grad kippen und sie dadurch immer wieder aus einem neuen Blickwinkel betrachten. All das geschieht im Elektronenmikroskop, einem mehr als mannshohen grauen Gerät, das an das Teleskop einer Sternwarte erinnert. Es steht in einem fensterlosen, fast völlig dunklen Raum. Der Doktorand Christian Hoffmann arbeitet schon seit Stunden hier.
"So eine Aufnahme dauert meistens den ganzen Tag. Die Termine werden tageweise vergeben. Und wenn das Projekt sehr dringend ist, sitzt man bis zum nächsten Morgen hier."
Das Ergebnis einer solchen Nachtschicht ist ein sogenanntes Tomogramm, eine dreidimensionale Abbildung einer Synapse. Diese Zellstruktur funktioniert wie eine molekulare Sprinkleranlage: Wenn ein elektrisches Signal eintrifft, werden einige Dutzend Behälter, sogenannte Vesikel ausgeschüttet. Sie enthalten Neurotransmitter. Diese Botenstoffe sorgen dafür, dass die Impulse von einer Nervenzelle zur nächsten weitergereicht werden. Was genau passiert, bevor sich die Vesikel entleeren, war bisher weitgehend unbekannt, sagt Vladan Lucic.
"Wir schauen deshalb einzelne Synapsen an. Es ist bekannt, dass sich dort viele Moleküle befinden, und man hat auch eine ungefähre Vorstellung von den biochemischen Vorgängen. Wir wollten aber aufklären, wo genau die Moleküle sitzen. Denn unsere Idee ist, dass sie wie winzige Maschinen zusammen spielen."
Die Elektronenmikroskopie mit den schockgefrorenen Proben zeigt nun, was bisher nicht sichtbar war: In den Synapsen herrscht eine strenge Ordnung, tatsächlich wie im Inneren einer Maschine. Die Vesikel liegen nicht irgendwo frei im Zellkörper, wie Wissenschaftler bisher angenommen hatten. Vielmehr sind sie geradezu an der Zellmembran festgekettet.
"Die Vesikel hängen an molekularen Fasern, sozusagen an kurzen Leinen direkt an der Zellmembran fest. Das ist eine interessante Beobachtung, denn vorher war nicht bekannt, dass es in den Nervenzellen solche Strukturen gibt. Fachkollegen hatten zwar bei einigen Präparaten Hinweise darauf gefunden, aber es war nicht klar, wozu die Fasern gut sein könnten. Nun haben wir erstmals dreidimensionale Bilder mit allen Vesikeln und Fasern erhalten."
Die kurzen Leinen sorgen dafür, dass die Vesikel sehr nah an der Membran sind. Nur so können sie ihren Inhalt alle zugleich nach draußen entleeren – und das sorgt dafür, dass ein Signal rasch von einer Nervenzelle an die benachbarte Zelle weitergegeben wird. Woraus die Leinen in den Synapsen genau bestehen, das wissen die Forscher noch nicht.
Der serbische Forscher hat es mit besonders empfindlichen Objekten zu tun: Synapsen, das sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen. Hier werden die Signale von einer Nervenzelle an die nächste weitergegeben. Gerade hat Vladan Lucic ein Tröpfchen, in dem solche Synapsen gelöst sind, auf ein hauchdünnes, nicht einmal fingernagelgroßes Kupfergitter geträufelt.
Nun wird die Probe augenblicklich eingefroren. In einem Schockfroster, den der Wissenschaftler selbst entworfen hat: Eine Art Thermoskanne, die flüssiges Ethan enthält. Vladan Lucic befestigt das winzige Kupfergitter an einer Klammer und lässt es auf Knopfdruck in die minus 180 Grad kalte Flüssigkeit sausen.
Innerhalb von Millisekunden friert die Probe ans Gitter fest. So rasch, dass Wasser in den Zellen keine Zeit hat, zu kristallisieren. Trotz der tiefen Temperatur bleiben die Zellstrukturen daher gut erhalten. Das ist ein Unterschied zur herkömmlichen Technik. Ein weiterer besteht darin, dass die Biochemiker nicht nur eine Aufnahme machen, sondern die Probe jeweils um einige Grad kippen und sie dadurch immer wieder aus einem neuen Blickwinkel betrachten. All das geschieht im Elektronenmikroskop, einem mehr als mannshohen grauen Gerät, das an das Teleskop einer Sternwarte erinnert. Es steht in einem fensterlosen, fast völlig dunklen Raum. Der Doktorand Christian Hoffmann arbeitet schon seit Stunden hier.
"So eine Aufnahme dauert meistens den ganzen Tag. Die Termine werden tageweise vergeben. Und wenn das Projekt sehr dringend ist, sitzt man bis zum nächsten Morgen hier."
Das Ergebnis einer solchen Nachtschicht ist ein sogenanntes Tomogramm, eine dreidimensionale Abbildung einer Synapse. Diese Zellstruktur funktioniert wie eine molekulare Sprinkleranlage: Wenn ein elektrisches Signal eintrifft, werden einige Dutzend Behälter, sogenannte Vesikel ausgeschüttet. Sie enthalten Neurotransmitter. Diese Botenstoffe sorgen dafür, dass die Impulse von einer Nervenzelle zur nächsten weitergereicht werden. Was genau passiert, bevor sich die Vesikel entleeren, war bisher weitgehend unbekannt, sagt Vladan Lucic.
"Wir schauen deshalb einzelne Synapsen an. Es ist bekannt, dass sich dort viele Moleküle befinden, und man hat auch eine ungefähre Vorstellung von den biochemischen Vorgängen. Wir wollten aber aufklären, wo genau die Moleküle sitzen. Denn unsere Idee ist, dass sie wie winzige Maschinen zusammen spielen."
Die Elektronenmikroskopie mit den schockgefrorenen Proben zeigt nun, was bisher nicht sichtbar war: In den Synapsen herrscht eine strenge Ordnung, tatsächlich wie im Inneren einer Maschine. Die Vesikel liegen nicht irgendwo frei im Zellkörper, wie Wissenschaftler bisher angenommen hatten. Vielmehr sind sie geradezu an der Zellmembran festgekettet.
"Die Vesikel hängen an molekularen Fasern, sozusagen an kurzen Leinen direkt an der Zellmembran fest. Das ist eine interessante Beobachtung, denn vorher war nicht bekannt, dass es in den Nervenzellen solche Strukturen gibt. Fachkollegen hatten zwar bei einigen Präparaten Hinweise darauf gefunden, aber es war nicht klar, wozu die Fasern gut sein könnten. Nun haben wir erstmals dreidimensionale Bilder mit allen Vesikeln und Fasern erhalten."
Die kurzen Leinen sorgen dafür, dass die Vesikel sehr nah an der Membran sind. Nur so können sie ihren Inhalt alle zugleich nach draußen entleeren – und das sorgt dafür, dass ein Signal rasch von einer Nervenzelle an die benachbarte Zelle weitergegeben wird. Woraus die Leinen in den Synapsen genau bestehen, das wissen die Forscher noch nicht.